Picarro L2140-i（滇東黔西典型巖溶流域地下水中鍶富集特征及成因分析）

鍶是人體生理功能所必需的微量元素之一，對維持人體生理機能具有重要的意義。各類巖石中幾乎都含有鍶元素，尤其在閃長巖、富鈣花崗巖、黏土巖以及碳酸鹽巖中相對富集，是鍶元素物質(zhì)來源的主要母巖。礦泉水中鍶的含量與含水層鍶豐度存在正相關(guān)關(guān)系，并且碳酸鹽巖地層含鍶最高，碎屑巖地層次之。鍶在地下水動力作用下遷移和轉(zhuǎn)化，通過巖石礦物的風(fēng)化作用、水解溶濾作用等進入地下水中。

滇東黔西地區(qū)地下水中鍶較為富集，達到了鍶礦泉水的含量限值。經(jīng)初步判斷，富鍶地下水主要位于永寧鎮(zhèn)組（T1yn）和關(guān)嶺組（T2g）碳酸鹽巖地層中。本文以滇東黔西地區(qū)典型巖溶流域為研究對象，深入分析該區(qū)富鍶地下水的富集環(huán)境和形成機理，以期進一步為天然富鍶礦泉水的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

樣品采集與測試

為研究岔河流域地下水的中鍶的來源，闡明富鍶地下水分布特征和富集機理，在實地調(diào)查的基礎(chǔ)上，以天然泉水露頭和地表溪溝為主，于2020年9月系統(tǒng)采集了基巖裂隙水、碳酸鹽類巖溶水、碳酸鹽巖夾碎屑巖類巖溶水、地表水等樣品，采集水樣共27件，采集δD、δ¹⁸O和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr同位素樣品9件，采樣位置見圖1。

圖 1  研究區(qū)水文地質(zhì)簡圖和采樣點分布圖

采樣前先用蒸餾水把聚乙烯塑料瓶清洗干凈，采樣時再用水樣潤洗3次，將取樣瓶放入水中裝滿，其中用于測試鍶元素的水樣現(xiàn)場加入1:1硝酸5mL，使pH<2，并用石蠟密封瓶口。取樣時用便攜式多參數(shù)水質(zhì)測定儀（dzb-718型）現(xiàn)場測定ph、水溫（t）、溶解氧（do）、溶解性總固體（tds）等水化學(xué)參數(shù)。常規(guī)組分由國土資源部成都礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測中心采用離子色譜儀和電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀測完成，其中^{87Sr/86Sr 采用MAT262固體質(zhì)譜儀測定，&delta;D、&delta;18O采用美國Picarro公司波長掃描光腔衰蕩光譜儀（Wave Scan-Cavity Ring Down Spectrometer）測定，測試精度均滿足分析要求。采集不同地層巖性巖石化學(xué)樣品49件，測試巖石中各種微量元素尤其是鍶含量特征。}

富鍶地下水補給來源

氘（D）、氧（¹⁸O）同位素含義為樣品中氘、氧-18與標準平均海水中氘、氧-18同位素比值的相對偏差，&delta;D、&delta;¹⁸O值可反映地下水補給來源，識別地下水徑流過程中與圍巖發(fā)生的水巖相互作用過程。本次共采集了9 組水樣用于氫氧同位素和87Sr/86Sr同位素的測試，測試結(jié)果見表4。研究區(qū)地表水和地下水中&delta;¹⁸O值范圍為&minus;10.51&permil;~&minus;9.62&permil;，均值為&minus;9.86&permil;；&delta;D值范圍為&minus;72.34&permil;~&minus;65.93&permil;，均值為&minus;69&permil;。將所有水樣氫氧同位素值投影到&delta;D-&delta;¹⁸O關(guān)系圖中（圖2），可以看出區(qū)內(nèi)所有樣品均落在昆明大氣降雨曲線上，說明研究區(qū)地表水和地下水均以當?shù)卮髿饨邓a給為主。

表 1  地表水、地下水同位素數(shù)據(jù)

Table 1.  Isotopic sample data of surface water and groundwater

圖 2  研究區(qū)水樣品氫氧同位素組成

（全球大氣降水線方程：&delta;D = 8&delta;¹⁸O+10；昆明地區(qū)大氣降雨線方程：&delta;D = 7.87&delta;¹⁸O + 11.09；右下圖為主圖投影點的放大顯示）

氘盈余參數(shù)d值（d=&delta;D-8&delta;¹⁸O）是示蹤水汽源區(qū)的一個重要參數(shù)，主要受蒸發(fā)作用的影響，蒸發(fā)越強，氘盈余值越小。區(qū)內(nèi)d&permil;值在10.4&permil;~13.1&permil;之間，其中地下水均值11.83&permil;，地表水均值11.34&permil;（表1），均接近昆明地區(qū)大氣降水均值d（11.09&permil;），表明大氣降水水源區(qū)蒸發(fā)強度與昆明地區(qū)相近，地表水蒸發(fā)強度略大于地下水，地下水主要受水-巖作用控制，蒸發(fā)濃縮作用對其影響較小。

富鍶地下水成因機制探討

天然礦泉水中鍶的富集主要受含水介質(zhì)中鍶的豐度、與大型構(gòu)造的關(guān)系和水巖作用等的綜合影響。研究區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育較早，但研究區(qū)地下水主要以淺循環(huán)為主，地下水中鍶質(zhì)量濃度與構(gòu)造關(guān)系并不明顯。另一方面，研究區(qū)地表水和地下水均為大氣降雨補給，不同含水巖組中鍶質(zhì)量濃度有較大的差別，表明鍶并非來自大氣降雨。綜合分析表明，研究區(qū)地下水中鍶的富集主要受到含水介質(zhì)中鍶的豐度和水巖作用的綜合控制。區(qū)內(nèi)T1yn-T2g含水層地下水中鍶質(zhì)量濃度普遍較高，鍶主要來源于該地層中方解石的風(fēng)化溶解，石膏和白云石的溶解對地下水中鍶的富集也有一定貢獻。但就研究區(qū)來說，區(qū)內(nèi)白云石和石膏含量均不高，尤其石膏含量很少，兩者都處于不飽和狀態(tài)，隨著二者飽和指數(shù)的增加，鍶質(zhì)量濃度有增加的趨勢，但相關(guān)關(guān)系不是很明顯，表明二者對區(qū)內(nèi)地下水中鍶的貢獻較低。同時，研究區(qū)地下水中存在一定的陽離子交換作用，事實上，結(jié)合相關(guān)分析，Ca²⁺與Na⁺、K⁺相關(guān)系數(shù)分別為-0.57和-0.26，而Mg²⁺與Na⁺、K⁺相關(guān)系數(shù)分別為0.09和0.23，表明陽離子交換作用主要為地下水中Ca²⁺置換含水介質(zhì)中的Na⁺、K⁺，這與方解石飽和而白云石不飽和是一致的。當?shù)叵滤蠧a²⁺置換含水介質(zhì)中的Na⁺、K⁺離子時，不利于地下水中鍶的富集；當?shù)叵滤械腘a⁺、K⁺置換含水介質(zhì)中的Ca²⁺離子時，則有利于含水介質(zhì)中鍶的釋出。但工作區(qū)陽離子交換作用強度有限，對地下水中鍶的富集影響也有限。另外，人類活動產(chǎn)生的SO^42&minus;和NO^3&minus;可以加速碳酸鹽巖的風(fēng)化溶解，有利于含水介質(zhì)中鍶的釋出，但工作區(qū)人類活動對地下水的影響有限，故對地下水中鍶的富集影響可以忽略。