● 孙 超,黄春阳,梁 爽

（广西地质调查院，广西 南宁 530023）

Sr 元素在地壳岩石圈的组成中属微量元素，但在岩石圈的上部又是微量元素中丰度值最大的1 个元素，广泛分布于自然界，其平均值为375×10−6，但分布不均，在黏土、砂中的含量最低，在海相沉积的碳酸盐岩中含量最高[1]。岩石中的Sr 元素即为地下水中Sr 元素的主要来源[2]。Sr 盐的溶解度相对较小，受水的酸碱度、温度等因素的制约，富Sr 岩石分布区能否形成富Sr 地下水，水的侵蚀性、pH 值、造岩矿物的风化破碎程度、水交替强度等是很重要的影响因素[3]。

研究小组根据广西崇左市江州区碳酸盐岩地层地下水、岩石的采样测试结果，总结该地区碳酸盐岩地层富Sr 地下水的分布特征、富集规律，对地下水中Sr 元素的来源进行研究分析，为当地开发富Sr 地下水提供地质依据。

1 研究区概况

研究区位于广西西南部，地势具有西高东低的特点，海拔高度一般为150～500 m，最高峰海拔507 m。地貌类型有岩溶区的峰丛谷地、溶丘洼地、溶丘−垄岗，非岩溶区的丘陵。

研究区属亚热带季风气候，年平均气温为21.3～22.5 ℃，年平均降雨量为1 193.5 mm，5 月−8 月的降雨量最为集中，占全年总降雨量62.97 %，年平均蒸发量为1 430.2 mm。

研究区出露地层有石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系及第四系。石炭系−三叠系为海相沉积，以海相碳酸盐沉积为主，次为浅海陆棚相碎屑沉积；侏罗系−白垩系陆相湖泊碎屑沉积；第四系为河流洪冲沉积，沉积物具典型的上粗下细的二元结构，具河流搬运、分选、沉积特征。研究小组本次采集水样的地层为石炭系−二叠系马平组（C2P1m）、三叠系罗楼组（T1l）、三叠系马脚岭组（T1m）、三叠系北泗组第一段（T1b1）。

石炭系−二叠系马平组（C2P1m）主要岩

性为灰白色−浅灰色厚层−块状生物屑微晶灰岩、含微晶亮晶粒屑灰岩夹白云岩或白云质灰岩的组合，顶部为浅灰色中−厚层生物屑微晶灰岩、白云质灰岩夹灰白色白云岩。

三叠系罗楼组（T1l）分2 段，三叠系罗楼组第一段（T1l1）下部是一套灰色薄层微晶、粉微晶灰岩为主，中部以灰色中厚层−块状砾屑灰岩为主夹中层粒屑灰岩和1 层玄武岩，上部为绿灰色薄层泥岩夹少量薄−中层中细粒长石岩屑杂砂岩等；三叠系罗楼组第二段（T1l2）下部主要为灰色厚层−块状砾屑灰岩夹灰色薄层微晶灰岩，部分地区底部见1 套灰色中层砾状灰岩，中−中上部为灰−灰黑色薄−微薄层微晶灰岩、扁豆状微晶灰岩夹少量中层砾屑灰岩和1～2 层玄武岩，上部为灰−深灰色中层−块状砾屑灰岩夹薄层泥岩和微晶灰岩。

三叠系马脚岭组（T1m）主要是一套灰色中薄层及微薄层微晶灰岩，下部夹中层砂屑灰岩，中部夹中层−块状亮晶粒屑灰岩，上部含泥质。

三叠系北泗组第一段（T1b1）为灰、深灰色厚层状微晶生物灰岩、白云岩、鲕粒灰岩夹中薄层状微晶灰岩、泥质灰岩、藻砂屑灰岩，局部夹扁豆、角砾状灰岩。

研究区位于南华活动带钦州残余海盆十万大山断陷与右江再生海盆西大明山隆起的接合部位，经历了多次构造运动，形成了以加里东期−挽近期的近EW 向构造、印支期−挽近期的北东向构造、燕山期−挽近期的NW 向构造等多期构造复合的架构。

研究区海西−印支期岩浆活动活跃，酸性侵入岩和火山岩均有出露，酸性侵入岩为印支期的花岗斑岩，侵入中二叠系的板纳组砂、泥岩中；火山岩以早三叠世的为主，为喷溢相熔岩，中三叠世火山活动接近尾声，有不多的空落相凝灰岩及远火山口相的火山−沉积岩产出，取代喷溢相熔岩的是侵出相的碎斑熔岩。

2 样品采集与测试

2.1 样品采集

研究小组在研究区碳酸盐岩地层出露的地下河出口、天然出露下降泉、人工揭露机井、民井以及施工的钻孔中采集了53 组水样，取样水点涉及的岩石地层包括石炭系−二叠系马平组（C2P1m）、三叠系罗楼组（T1l）、三叠系马脚岭组（T1m）、三叠系北泗组第一段（T1b1）（见图1），之后，交给广西分析测试研究中心进行检测，测试项目包括水样的感官性状、一般化学指标、毒理学指标和含Sr 在内的微量元素含量共计40 项。

图1 研究区的地下水取样分布图

研究小组在研究区出露的碳酸盐岩地层采集了14 组岩样，涉及的地层有石炭系−二叠系马平组（C2P1m）、三叠系马脚岭组（T1m）、三叠系罗楼组（T1l）、三叠系北泗组第一段（T1b1），样品由广西分析测试研究中心进行Sr 元素含量检测。

2.2 测试结果

研究小组根据《食品安全国家标准 饮用天然矿泉水》（GB8537−2018）中的Sr 元素含量标准（地下水中Sr 含量≥0.2 mg/L 即可判定为富Sr 地下水（含量在0.2～0.4 mg/L 时，水源水温应在25 ℃以上），对研究区不同碳酸盐岩地层的地下水样品测试结果进行统计（见表1）发现，富Sr 水点主要分布于三叠系罗楼组（T1l），在该地层所取的19 组水样Sr元素含量均>0.2 mg/L，研究区碳酸盐岩地下水中的Sr 元素平均含量呈现三叠系罗楼组（T1l）>三叠系马脚岭组（T1m）> 三叠系北泗组第一段（T1b1）> 石炭系−二叠系马平组（C2P1m）的特点。

研究小组对研究区出露的主要碳酸盐岩地层岩石样品的测试结果（见表2）分析发现，三叠系罗楼组（T1l）地层岩石Sr 元素含量最高，平均含量达2 391.5 mg/kg，是地壳Sr 元素平均丰度的6.38 倍，这是该地层出露富Sr 水点较多、地下水中的Sr 元素含量较高的主要原因，说明岩石中高含量的Sr 是地下水中Sr 元素的主要来源。

3 研究区地下水Sr 富集的规律及成因

3.1 研究区地下水中Sr 富集的环境

（1）由表1 可知，研究区三叠系罗楼组（T1l）地层地下水中Sr 元素含量最高，在该地层采集的19 个水样Sr 元素含量均超过0.2 mg/L，平均含量为2.194 mg/L，为《食品安全国家标准 饮用天然矿泉水》（GB8537−2018）中的富Sr 地下水标准的10.97 倍。（2）根据表2 可知，研究区三叠系罗楼组（T1l）地层岩石Sr 元素平均含量达2 391.5 mg/kg，是地壳Sr 元素平均丰度的6.38 倍。同为碳酸盐岩的石炭系马平组（C2P1m）、三叠系马脚岭组（T1m）、三叠系北泗组第一段（T1b1）地层出露的水点Sr 元素含量较低，平均含量低于0.2 mg/L，在这些地层采集的34 个水样中只有6 个达富Sr 地下水标准，且Sr 元素含量在0.2～0.24 mg/L 之间。（3）石炭系−二叠系马平组（C2P1m）、三叠系马脚岭组（T1m）、三叠系北泗组第一段（T1b1）地层岩石中的Sr 元素含量也较低，其中石炭系−二叠系马平组（C2P1m）岩石Sr 元素含量远远低于地壳Sr 元素的平均丰度，三叠系马脚岭组（T1m）、三叠系北泗组第一段（T1b1）岩石中的Sr 元素含量稍稍高于地壳Sr 元素的平均丰度。以上数据表明，研究区地下水中Sr 元素的含量与岩石中的Sr 含量呈正相关关系，即随着岩石中Sr 元素含量的增加，赋存于其中的地下水中的Sr 元素含量也相应增大。从岩性上看，三叠系罗楼组（T1l）主要岩性为薄层砾屑灰岩夹泥岩，属于灰岩含泥质隔水层，三叠系马脚岭组（T1m）、三叠系北泗组第一段（T1b1）主要岩性为中薄层灰岩，属于纯灰岩，石炭系−二叠系马平组（C2P1m）主要岩性为厚层灰岩、白云质灰岩，这说明研究区碳酸盐岩地层中地下水Sr 元素含量具有灰岩含泥质隔水层>纯灰岩>含白云质灰岩的规律[4]，地层岩性是影响地下水中Sr 元素含量高低的主要因素[5]。

表1 研究区不同地层地下水中Sr 元素的含量及富Sr 地下水点数统计表

表2 研究区中不同地层岩石的Sr 元素含量统计表

研究区地下水中Sr 元素的含量在石炭系−二叠系马平组（C2P1m）、三叠系马脚岭组（T1m）、三叠系北泗组第一段（T1b1）含水岩组中的变异系数Cv 分别为23.23 %、17.65 %、44.22 %，属于中等变异（Cv＜0.1 时，属于弱变异；0.1≤Cv＜1 时，属于中等变异；Cv≥1 时，属于强变异。下同），这说明这些地层中的地下水中的Sr 元素分布相对稳定，而在三叠系罗楼组（T1l）含水岩组中的变异系数为154.92 %，属于强变异，说明该地层中地下水中的Sr 元素含量在空间上分布不均。研究区的石炭系−二叠系马平组（C2P1m）、三叠系罗楼组（T1l）、三叠系马脚岭组（T1m）、三叠系北泗组第一段（T1b1）地层岩石中的Sr 元素含量的变异系数Cv 分别为36.13 %、25.3 %、11.38 %、59.48 %，属于中等变异，说明这些地层中Sr 元素分布相对稳定。

3.2 研究区的碳酸盐岩含水岩组的水文地质特征

（1）研究区出露的主要碳酸盐岩有石炭系−二叠系马平组（C2P1m）、三叠系罗楼组（T1l）、三叠系马脚岭组（T1m）、三叠系北泗组第一段（T1b1），其中石炭系−二叠系马平组（C2P1m）、三叠系马脚岭组（T1m）、三叠系北泗组第一段（T1b1）主要岩性为灰岩。地下水类型为碳酸盐岩裂隙溶洞水，岩溶发育强烈，岩溶洼地、落水洞、地下河管道发育，地下水赋存于地下溶洞、管道中，构成溶洞−管道型含水系统，主要接受大气降雨补给，大气降雨通过落水洞注入式补给地下水，降雨入渗系数为0.28，地下水在管道中径流，以地下河出口和岩溶大泉的形式排泄出地表，地下水径流速度较快，水−岩作用时间较短。（2）研究区中碳酸盐岩三叠系罗楼组（T1l）主要岩性为灰岩夹泥岩。地下水类型为碳酸盐岩夹碎屑岩溶洞裂隙水，岩溶发育较弱，地面未见岩溶洼地、落水洞、竖井等，含水介质以溶蚀裂隙为主，主要接受大气降雨补给，大气降雨以面状分散入渗的形式补给地下水，无点状集中注入式补给，降雨入渗系数为0.18，地下水径流受含水介质和地形的制约，沿地势由高往低在裂隙中径流，以潜流的形式向地势低洼的河（沟）谷排泄带运移，以分散流或小泉的形式出露地表，地下水径流速度较慢，水−岩作用时间较长。

赋存于岩石圈中的地下水在运移过程中不断与围岩发生各种化学反应，从而导致化学元素的迁移、聚集和分散[6]，地下水中的Sr 是岩石中Sr 元素溶滤而来。因此，溶滤时间的长短即地下水在岩石中停留时间的长短直接决定了地下水中Sr 含量的高低[7]，地下水在岩石中的径流速度越慢，与含Sr 元素的围岩接触时间就越长，水−岩相互作用时间也越长，通过溶滤、水解等物理化学作用，那么地下水中Sr 元素的含量也就不断增高。研究区三叠系罗楼组（T1l）含水岩组分布区的大气降雨以面状分散入渗的补给形式、较低的降雨入渗系数、较慢的地下水径流速度，为该地层中富Sr 地下水的形成提供了水文地质基础。

3.3 研究区地下水Sr 元素含量的空间分布特征

研究区25 个富Sr 取水点中，按排泄类型分为人工揭露机井和天然出露的下降泉，其中人工揭露机井9 个（含2 个钻孔）、天然出露的下降泉16 个。研究小组对研究区不同排泄类型的富Sr 地下水点的Sr 元素含量统计（见表3）得知，9 个人工揭露机井中地下水Sr 元素含量的范围为0.21～15.6 mg/L，平均含量为3.3 mg/L；16 个天然出露的下降泉中地下水Sr 元素的含量范围为0.23～1.37 mg/L，平均含量为0.84 mg/L。人工揭露机井、天然出露的下降泉中地下水Sr元素平均含量分别是《食品安全国家标准 饮用天然矿泉水》（GB8537−2018）的16.5 倍、4.2 倍，人工揭露机井地下水中的Sr 元素的平均含量远高于下降泉的，是天然出露的下降泉中Sr 元素平均含量的3.93 倍。

表3 研究区不同排泄类型的富Sr 地下水点的Sr 元素含量统计表

根据研究小组统计，采样深度<30 m 的4个人工揭露机井地下水Sr 元素的含量为0.21～0.24 mg/L，采样深度30～60 m 的4 个人工揭露机井地下水Sr 元素的含量为1.67～5.45 mg/L，采样深度>60 m 的1 个人工揭露机井地下水Sr元素含量为15.6 mg/L。这说明随着深度的增加，地下水中Sr 元素的含量也随之增大；9 个人工揭露机井中Sr 元素的含量的变异系数为142.97 %，属于强变异，这表明了研究区地下水中Sr 元素的含量在垂向上分布不均。

本次采样的16 个天然出露的下降泉，均属于表层岩溶泉，水循环深度较浅，Sr 元素含量的变异系数Cv 为45.88 %，属于中等变异，表明研究区天然出露的下降泉中Sr 元素的含量分布相对稳定。

结合对人工揭露机井水样采样的深度、人工揭露机井及天然出露的下降泉的地下水中Sr元素含量变异系数的分析，研究小组认为，研究区的碳酸盐岩地层地下水中Sr 元素含量在同一平面上分布相对稳定，在垂向上随着水循环深度的增加Sr 元素含量也相应增加，深部饱水带地下水中的Sr 元素含量>表层岩溶带下降泉中的Sr 元素含量。这是因为Sr 是活泼元素，无论是氧化还原还是酸碱环境对其溶解迁移均无较大影响。

4 结 语

广西崇左市江州区碳酸盐岩区的富Sr 地下水主要赋存于三叠系罗楼组（T1l）地层岩石中，地下水中Sr 元素的平均含量为2.194 mg/L，达《食品安全国家标准 饮用天然矿泉水》（GB8537−2018）要求的10.97 倍，属于高Sr 地下水；该地层岩石中Sr 元素的平均含量为2391.5mg/kg，是地壳Sr元素平均丰度的6.38倍，为研究区富Sr 地下水的形成提供了物质来源。同时，大气降雨以面状分散入渗的补给形式、较低的降雨入渗系数、较慢的地下水径流速度，为该地层中的富Sr 地下水的形成提供了水文地质基础；研究区地下水中Sr 元素的含量与地下水在岩石中的径流途径、水循环深度、溶滤时间相关，具有在同一平面上分布相对稳定、垂向上分布差异性大的特征。研究小组尚未对研究区的钻孔和取样水点进行现场测温，地下水中Sr 元素的含量与温度的关系有待进一步研究。