应用案例

Picarro L2140-i（滇东黔西典型岩溶流域地下水中锶富集特征及成因分析）

发表时间：2024-04-17

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锶是人体生理功能所必需的微量元素之一，对维持人体生理机能具有重要的意义。各类岩石中几乎都含有锶元素，尤其在闪长岩、富钙花岗岩、黏土岩以及碳酸盐岩中相对富集，是锶元素物质来源的主要母岩。矿泉水中锶的含量与含水层锶丰度存在正相关关系，并且碳酸盐岩地层含锶最高，碎屑岩地层次之。锶在地下水动力作用下迁移和转化，通过岩石矿物的风化作用、水解溶滤作用等进入地下水中。

滇东黔西地区地下水中锶较为富集，达到了锶矿泉水的含量限值。经初步判断，富锶地下水主要位于永宁镇组（T1yn）和关岭组（T2g）碳酸盐岩地层中。本文以滇东黔西地区典型岩溶流域为研究对象，深入分析该区富锶地下水的富集环境和形成机理，以期进一步为天然富锶矿泉水的开发利用提供科学依据。

样品采集与测试

为研究岔河流域地下水的中锶的来源，阐明富锶地下水分布特征和富集机理，在实地调查的基础上，以天然泉水露头和地表溪沟为主，于2020年9月系统采集了基岩裂隙水、碳酸盐类岩溶水、碳酸盐岩夹碎屑岩类岩溶水、地表水等样品，采集水样共27件，采集δD、δ¹⁸O和⁸⁷Sr/⁸⁶Sr同位素样品9件，采样位置见图1。

图 1 研究区水文地质简图和采样点分布图

采样前先用蒸馏水把聚乙烯塑料瓶清洗干净，采样时再用水样润洗3次，将取样瓶放入水中装满，其中用于测试锶元素的水样现场加入1:1硝酸5mL，使pH<2，并用石蜡密封瓶口。取样时用便携式多参数水质测定仪（dzb-718型）现场测定ph、水温（t）、溶解氧（do）、溶解性总固体（tds）等水化学参数。常规组分由国土资源部成都矿产资源监督检测中心采用离子色谱仪和电感耦合等离子体发射光谱仪测完成，其中^{87Sr/⁸⁶Sr 采用MAT262固体质谱仪测定，δD、δ¹⁸O采用美国Picarro公司波长扫描光腔衰荡光谱仪（Wave Scan-Cavity Ring Down Spectrometer）测定，测试精度均满足分析要求。采集不同地层岩性岩石化学样品49件，测试岩石中各种微量元素尤其是锶含量特征。}

富锶地下水补给来源

氘（D）、氧（¹⁸O）同位素含义为样品中氘、氧-18与标准平均海水中氘、氧-18同位素比值的相对偏差，δD、δ¹⁸O值可反映地下水补给来源，识别地下水径流过程中与围岩发生的水岩相互作用过程。本次共采集了9 组水样用于氢氧同位素和87Sr/86Sr同位素的测试，测试结果见表4。研究区地表水和地下水中δ¹⁸O值范围为−10.51&permil;~−9.62&permil;，均值为−9.86&permil;；δD值范围为−72.34&permil;~−65.93&permil;，均值为−69&permil;。将所有水样氢氧同位素值投影到δD-δ¹⁸O关系图中（图2），可以看出区内所有样品均落在昆明大气降雨曲线上，说明研究区地表水和地下水均以当地大气降水补给为主。

表 1 地表水、地下水同位素数据

Table 1. Isotopic sample data of surface water and groundwater

图 2 研究区水样品氢氧同位素组成

（全球大气降水线方程：δD = 8δ¹⁸O+10；昆明地区大气降雨线方程：δD = 7.87δ¹⁸O + 11.09；右下图为主图投影点的放大显示）

氘盈余参数d值（d=δD-8δ¹⁸O）是示踪水汽源区的一个重要参数，主要受蒸发作用的影响，蒸发越强，氘盈余值越小。区内d&permil;值在10.4&permil;~13.1&permil;之间，其中地下水均值11.83&permil;，地表水均值11.34&permil;（表1），均接近昆明地区大气降水均值d（11.09&permil;），表明大气降水水源区蒸发强度与昆明地区相近，地表水蒸发强度略大于地下水，地下水主要受水-岩作用控制，蒸发浓缩作用对其影响较小。

富锶地下水成因机制探讨

天然矿泉水中锶的富集主要受含水介质中锶的丰度、与大型构造的关系和水岩作用等的综合影响。研究区断裂构造发育较早，但研究区地下水主要以浅循环为主，地下水中锶质量浓度与构造关系并不明显。另一方面，研究区地表水和地下水均为大气降雨补给，不同含水岩组中锶质量浓度有较大的差别，表明锶并非来自大气降雨。综合分析表明，研究区地下水中锶的富集主要受到含水介质中锶的丰度和水岩作用的综合控制。区内T1yn-T2g含水层地下水中锶质量浓度普遍较高，锶主要来源于该地层中方解石的风化溶解，石膏和白云石的溶解对地下水中锶的富集也有一定贡献。但就研究区来说，区内白云石和石膏含量均不高，尤其石膏含量很少，两者都处于不饱和状态，随着二者饱和指数的增加，锶质量浓度有增加的趋势，但相关关系不是很明显，表明二者对区内地下水中锶的贡献较低。同时，研究区地下水中存在一定的阳离子交换作用，事实上，结合相关分析，Ca²⁺与Na⁺、K⁺相关系数分别为-0.57和-0.26，而Mg²⁺与Na⁺、K⁺相关系数分别为0.09和0.23，表明阳离子交换作用主要为地下水中Ca²⁺置换含水介质中的Na⁺、K⁺，这与方解石饱和而白云石不饱和是一致的。当地下水中Ca²⁺置换含水介质中的Na⁺、K⁺离子时，不利于地下水中锶的富集；当地下水中的Na⁺、K⁺置换含水介质中的Ca²⁺离子时，则有利于含水介质中锶的释出。但工作区阳离子交换作用强度有限，对地下水中锶的富集影响也有限。另外，人类活动产生的SO^42−和NO^3−可以加速碳酸盐岩的风化溶解，有利于含水介质中锶的释出，但工作区人类活动对地下水的影响有限，故对地下水中锶的富集影响可以忽略。

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陈工 chenxf@cen-sun.com

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