中国东北与俄罗斯远东富CO2矿泉水化学对比

中国东北与俄罗斯远东富CO2矿泉水化学对比 中国东北与俄罗斯远东富CO2矿泉水化学 对比 第28卷第6期 2009年1t月 Vo1.28No.6 Nov.2009 中国东北与俄罗斯远东富CO2矿泉水化学对比 毛绪美,王焰新,OlegV.Chudaev (1.ee国地质大学环境学院,武汉430074;2.俄罗斯科学院远东地质研究所,俄罗斯Vladivostok690022) 摘要:中国东北与俄罗斯远东富C0矿泉是宝贵的饮用,医用矿水资源.五大连池,长白山天池,俄罗斯远东Primorye地区 各泉水水化学特征对比显示,中国东北五大连池与俄罗斯远东Primorye地区出露泉水为低温,微酸,HCO.型,富含Si,Fe,Sr和 CO气体的综合优质饮用矿泉水;长白山天池出露泉水为高温,中性一微碱,HCO.型,富含Si和CO气体的优质热矿泉水.五大 连池和俄罗斯远东富CO冷矿泉与长白山天池富CO.热矿泉具有相似而不同的形成过程,CO.气体对水化学的形成起了决定性 的作用,广泛发育的花岗岩提供了富CO.热泉的物质来源,断层破碎带增加了CO气体一地下水一花岗岩之间的反应程度,温度 仅对可溶性Si有影响. 关键词:水化学;富C0.矿泉;中国东北;俄罗斯远东 中图分类号:P641.3文献标识码:A文章编号:1000—7849(2OO9)O6—0107—07 全球CO气体释放点(或气藏)分布广泛,同时 富COz矿泉也广泛分布.CO.有多种无机和有机 来源,但富CO.矿泉主要分布在造山带,板块碰撞 带,板块俯冲消减带和活火山区,与C0.的无机来源 密切相关_1.],这些地区一般也是高地热值区,故大 多数富CO矿泉为温泉和(或)热泉[4.j.中国东北 五大连池和俄罗斯远东地区发育大量富CO冷矿 泉,泉水含有丰富的微量元素和溶解性CO气体,是 优质的天然饮用矿泉水资源,同时具有广泛的医疗 用途.中国东北长白山天池发育大量富CO热矿 泉,是十分宝贵的地热和矿水资源.五大连池和长 白山天池都是着名的活火山区,但是发育冷热不同 类型的矿泉;毗邻的俄罗斯远东Primorye地区尽管 无明显的活火山活动,但不同期次的花岗岩和玄武 岩及深大断裂发育,发育与五大连池相似的富C0 冷矿泉.中国东北五大连池,长白山天池和俄罗斯 远东Primorye地区富C0.矿泉直接逸出大量气 体,其中CO气体体积分数皆在90以上.笔者拟 在对比上述3个地区泉水水化学特征的基础上,探 讨相似构造背景,不同岩浆活动情况下富CO.矿泉 的发育规律. 1地质构造背景 中国东北地区发育的地层自上而下有:?第四 系,主要是近代喷发的玄武岩,冲洪积层和冰川冰水 堆积物;?新近系,主要是微胶结砂岩,砂砾岩,泥 岩;?中生界,主要是砂岩和泥岩;?古生界,主要是 千枚岩,板岩,片岩,片麻岩和变质酸性凝灰岩等;? 元古界和太古界,主要是片麻岩,糜棱岩,不同变质 程度的花岗岩. 区域上发育两次岩浆侵入活动,早期的海西期 (华力西期)为灰白色似斑状粗粒黑云母花岗岩和似 片麻状中粒花岗闪长岩,有钾长石化,绿帘石化,绿 泥石化,黄铁矿化,碳酸盐化,绢云母化等晚期热液 蚀变,岩体内有派生的闪长玢岩岩脉侵入;晚期的燕 山期为浅红色不等粒花岗岩,晶洞白岗花岗岩和白 岗质花岗斑岩,岩石新鲜无蚀变,有石英脉侵入. 中国东北属于西太平洋俯冲板块弧后区,太平 洋俯冲板块的俯冲前锋已经穿过我国松辽盆地.]. 中国东北地区自新生代以来,曾发生过多次强烈的 玄武岩喷发_1.晚白垩世的高原玄武岩在俄罗斯 远东Primorye地区大面积出露,并且在中部断裂带 内发育大面积的古生代,早中生代和早寒武世玄武 岩,燧石,石灰石等结核增长楔人体. 出露富C0z冷矿泉的五大连池(图1)是我国着 名的第四纪火山群,最近一次喷发是1719,1721 年,形成了老黑山和火烧山,均为富钾的碱性玄武 岩u.包裹体研究结果显示岩浆来源于地幔岩浆 房,深度8O,91km,没有地壳岩浆房的混入;此处的 地壳厚度约34kin;原生岩浆在上升过程中,经历了 同化混染与结晶分异作用,产生大量的C02气体m]. 收稿日期:2009—04—29编辑:刘江霞 基金项目:国家杰出青年科学基金项目(40425001);中俄(NsFc—RFBR)合作项目 (06047001);国家青年科学基金项目(40602031) 作者简介:毛绪美(1977,).男,讲师,主要从事水文地球化学及同位素水文地质学 研究. n O m n y报 情 技 科耐 a 质e 地 S ? g 0 O G 地质科技情报 A 一 重 蒙 N45~F一一一一,一 l j0 北京+: 尊轰 j巍地一一沃斯托克 旦享篓一一一一一一 因国界日省界困首都/团 画活火山区回泉群田矿泉/巨三三]深大断 E更新世玄武岩 网新近系 I刁深大断裂 一 般泉 固稃林沸泉 冈南洗泉 曰全新世玄武岩[]全新世松散沉积物 目白垩系回花岗岩 曰推测深大断裂田矿泉 臣]火山国湖泊 图南泉图北泉 翻花泉囹二龙眼泉 ] 1n?L— 一\ 图1研究区各泉出露筒图 Fig.1Simplifiedmapofmineralspringsspreadinthestudyarea A.研究区位置图;B.五大连池;C.远东地区;D.长白山天池Ir.玄武岩;且第四系粗面 岩 长白山天池富co2热矿泉分布图据文献[13];俄罗斯远东Primorye地区富COz冷 矿泉分布图据文献[14]修改 出露热泉的长白山天池(图1)火山是我国最具 潜在喷发危险的火山.长白山天池火山来自地壳岩 浆房粗面岩浆喷发造锥过程,伴随有直接来自地幔 的钾质粗面玄武岩浆的喷发活动.故长白山天池火 山之下存在地壳和地幔双层岩浆房,具有互动式喷 发特点]. 2样品采集与分析 分别采集了五大连池和俄罗斯远东Primorye 地区富CO冷矿泉水样.携带美国热电公司(Ther— moElectronCorporation)生产的5-Star便携式多 参数水质分析仪(型号:520M一01)现场测定泉水的 温度,pH值,电导率(EC),溶解氧(DO);采用酸碱 滴定的方法现场测定泉水的碱度(HCO或CO;一 含量);用洁净的聚四氟乙烯小瓶封装水样,在中国 地质大学(武汉)环境学院实验室使用美国戴安公司 DX-120离子色谱仪测定阴离子质量浓度;用洁净的 聚乙烯大瓶封装水样,同时向水样中添加高纯浓 HNO.,使得水样的pH<2,在中国地质大学(武汉) 生物地质与环境地质教育部重点实验室使用IRIS IntrepidII型ICP—AES测定金属元素质量浓度,相 同水样在中国地质大学(武汉)地质过程与矿产资源 国家重点实验室使用Agilent7500a型ICP—MS测定 微量元素含量.研究区各地典型泉的水化学组成见 表1,长白山天池泉水数据引自文献[13]. 第6期毛绪美等:中国东北与俄罗斯远东富CO2矿泉水化学对比1O9 表l研究区各地典型泉水化学组成 Table1Typicalchemicalcompositionsofspringswaterinthestudyarea 3泉水化学对比 3.1温度与PH值 各泉的温度(T)和矿化度(TDS)(图2)对比分 析显示,五大连池和俄罗斯远东Primorye地区泉水 温度都在2O?以下,绝大部分水温低于15?,属于 冷泉;长白山天池泉水大部分温度高于4O?,属于 热泉,水温最高的长白山天池泉群达83.2?,属典 型的高温泉.根据泉水温度和矿化度不同,可以将 各泉划分成高温一低矿化度(V区),低温一低矿化 度(Ill,IV区),低温一高矿化度(I,?区)几种类型. 图2中的I区为五大连池富含CO.气体的桦林沸 泉,南泉,北泉,南洗泉,可见气体从泉水中大量逸 出,水温低于10?,而矿化度远高于其他各泉,都超 过1000mg/I,北泉的矿化度达到3350.85mg/L, 属于典型的矿泉.?区是俄罗斯远东Primorye地 区的Lastochka泉群,水温7?左右,大量气体从泉 中逸出,矿化度为1460,4974mg/L,Mukhen泉 的矿化度甚至高达10100mg/L.m区主要是俄罗 斯远东地区富含c0.气体泉,温度一般低于15?, 而矿化度集中在5O0,1500mg/L.IV区是五大连 池一般冷泉,泉水中无明显的气体逸出,矿化度低于 500mg/L.V区为长白山天池各泉,大部分为热泉 或高温泉,且有气体逸出,矿化度大多在1000rag/ L左右.总的来看,五大连池富CO冷泉,俄罗斯 远东Primorye地区富CO.冷泉和长白山天池富 C0热泉都是矿泉. 对比各泉的pH值和矿化度(TDS)(图3),各泉 的矿化度与pH值之间没有明显的关系,但是所有 冷泉的pH值都小于7,显示出弱酸性;并且大部分 的pH值在5.5,7.0间,Mukhen泉的矿化度尽管 高达10100mg/L,但其pH值仅为7.0;只有长白 山天池的长白泉群pH值在7.5,7.7间. 3.2宏量组分 从主要化学成分来看,我国五大连池,长白山天 池泉与俄罗斯远东泉基本为重碳酸型泉,但水化学 类型有所区别.从图4中可以看出,五大连池各泉 水全为HCO.型水,水化学类型为HC0.一Ca+Mg 和HC0.一K+Na;长白山天池各泉水绝大部分为 HC0.型水,阳离子以K+Na为主;俄罗斯远东地 区各泉水全为HCO.型水,水化学类型为HCO.一 Ca+Mg和HCO.一K+Na,与五大连池泉水具有 相似的水化学类型.总的来看,五大连池和俄罗斯 l1O地质科技情报 ? 目 ,^ ? 0 q 图2中国东北与俄罗斯远东富COz泉矿化度一温度关系 Fig.2Relationshipofsalinity-temperatureofCO2一richspringsfromNortheastChinaandtheFarEastRussia I,lI.低温一高矿化度泉;II1,1V.低温一低矿化度泉;V.高温一低矿化度泉 ? 吕 ,^ ? 凸 图3中国东北与俄罗斯远东富CO泉矿化度一pH对比 Fig.3RelationshipofpH—salinityofCO2一richspringsfromNortheastChinaandtheFarEastRussia 图4研究区各泉水化学三线图 Fig.4Trianglegraphofspringswaterchemistryinthestudyarea 远东地区冷矿泉阳离子含有Ca,Mg,K,Na,相差不 是很大,大部分偏向Ca+Mg型水,两地泉水化学类 型非常相似;而长白山天池温热泉阳离子以K,Na 为主,显示出一般温热泉的水化学特征. 从各地泉的p(HC0)一p(TDS)关系来看(图 5),五大连池和俄罗斯远东Primorye地区各泉的 p(TDS)与p(HCO~-)具有很好的相关关系(五大连 池各泉,相关方程为Y一0.4273+35.276,R一 0.9342;俄罗斯远东Primorye地区各泉,相关方程 为Y=:=0.6668x+247.97,R一0.969),而长白山天 池各泉的p(TDS)与p(HCO~-)几乎没有相关性(相 关方程为Y一0.5734x+243.62,R:0.2324),显 示五大连池和俄罗斯远东Primorye地区各泉为重 碳酸型的水化学特征,也反映了这些富CO冷矿泉 化学成分与CO密切相关. 3.3Si,Fe,Sr质量浓度 对比我国五大连池,长白山天池与俄罗斯远东 Primorye地区各地泉水中特殊组分Si,Fe,Sr的平 第6期毛绪美等:中国东北与俄罗斯远东富COz矿泉水化学对比 一 曲 吕 0 rJ q 000 000 000 2324R0./口 |/ y=0.6668x+247.97 R=O.969 /. 口 []五大连池泉 [亘]俄罗斯远东泉 [互]长白山天池泉 2000400060008000 p(TDS)/(mg-L) 图5研究区各泉p(HCOf)一p(TDS)系 Fig.5RelationshipofHCOf—TDSofspringswaterinthestudyarea 均质量浓度(图6),各地泉水中p(Si)都高于p(Fe), 以长白山天池泉的p(Si)最高;但五大连池和俄罗斯 远东Primorye地区冷矿泉的10(Si)与』D(Fe)相差不 大,而长白山天池温热泉的差别很大.俄罗斯远东 Primorye地区的泉水中Sr,Fe的平均质量浓度明 显高于我国五大连池与长白山天池各泉,以长白山 天池各泉的质量浓度最低;且俄罗斯远东Primorye 地区与五大连池泉水中p(Fe)远远高于长白山天池 泉水中的含量. 从p(si)来看,五大连池,长白山天池和俄罗斯 远东地区各泉的p(HSiO.)都大于50mg/L,达到 了偏硅酸矿泉水标准,可以作为医疗和饮用偏硅酸 矿泉水;从p(Fe)来看,五大连池和俄罗斯远东地区 各泉的p(Fe)基本上都大于10mg/L,达到了铁矿 泉水标准,可以作为医疗和饮用铁矿泉水;从p(Sr) 来看,五大连池和俄罗斯远东各泉的.D(St)基本上 都大于0.2mg/L,达到了锶矿泉水标准,可以作为 饮用锶矿泉水. 由于五大连池和俄罗斯远东地区富CO冷矿 泉和长白山天池富c0热矿泉都是重碳酸型泉,从 图7可以看出,五大连池泉』.(HCOf)与ID(Si)呈正 相关关系,而俄罗斯远东地区泉和长白山天池泉没 有明显的相关性;研究区各地泉.D(Fe)-p(HCO) 关系(图8)对比,五大连池泉p(HCO;-)与p(Fe)呈正 相关关系,而俄罗斯远东地区泉和长白山天池泉没有 p(Si)关系(图 明显的相关性;研究区各地泉p(Fe)--9)分析显示,五大连池泉.0(Si)与p(Fe)呈正相关关 系,而长白山天池泉没有明显的相关性,但俄罗斯远 东地区大部分泉p(Si)与p(Fe)呈正相关关系.从这 些规律可以看出,富C02冷矿泉中Si,Fe的来源与 .0(HCOf)关系密切,Si与Fe似乎具有硅酸岩同源 性,泉中C()2对于矿泉水的形成具有重要的意义. 五大连池泉长白山天池泉俄罗斯远东泉 图6研究区各地泉Si,Fe,Sr平均质量浓度对比 Fig.6ComparisonofaverageconcentrationofSi,Fe,Sr0f springswaterinthestudyarea 图7研究区各地泉p(Si)一p(HCOf)关系 地质科技情报 4讨论 p(HCO~)/(mg?L) 图8研究区各地泉p(Fe)一p(HCO~)关系 HCOfofspringswaterinthestudyarea Fig.8RelationshipofFe— 图9研究区各地泉p(Fe)一p(Si)系 Fig.9RelationshipofFe—Siofspringswaterinthestudyarea 中国东北五大连池与俄罗斯远东Primorye地 区出露泉水为低温,微酸,HCO.型,富含Si,Fe,Sr 和cO气体的综合优质饮用矿泉水;长白山天池出 露泉水为高温,中性一微碱,HCO.型,富含Si和 CO气体的优质热矿泉水.五大连池和俄罗斯远东 Primorye地区泉水温度都在20?以下,矿化度超过 1000rng/I;长白山天池泉水大部分温度高于 40?,矿化度大多在1000mg/L左右.所有泉水中 都有CO气体逸出.冷泉的pH值都小于7,显示 出弱酸性;长白山天池的泉群pH值在7.5,7.7 间,显示出中性一微碱性.五大连池泉,长白山天池 泉与俄罗斯远东地区泉基本为重碳酸型泉,泉水为 HCO.型.五大连池,长白山天池和俄罗斯远东地 区各泉的|0(H.SiO.)都大于50mg/L,达到了偏硅 酸矿泉水标准,可以作为医疗和饮用偏硅酸矿泉水; 五大连池和俄罗斯远东地区各泉的p(Fe)基本上都 大于10mg/L,达到了铁矿泉水标准,可以作为医疗 和饮用铁矿泉水;五大连池和俄罗斯远东地区各泉 的JD(Sr)基本上都大于0.2mg/L,达到了锶矿泉水 标准,可以作为饮用锶矿泉水. 水化学特征对泉水的形成具有重要的指示意 义口.区域上花岗岩和玄武岩广泛发育,五大连池 和长白山天池仍有活火山活动,推测研究区泉水中 CO气体来源于岩浆活动.大量的CO气体沿深大 断裂向上运移,与地下水混溶成为微酸水,溶蚀能力 大大增强,在断层破碎带与花岗岩发生气一水一岩 反应,是形成泉水矿化成分的主要过程.主要反应 有: 钾长石+CO(大量)+HO—K+HCO+ 高岭土+SiO2 钠长石+CO(大量)+HO—Na+HC0+ 高岭土+Si02 钙长石+CO(大量)+H2O—Ca+HCO;-+ 高岭土+SiO2 角闪石+CO2(大量)+H2O—Ca+Mg抖+ Fe计+HCO+氢氧根硅铝矿物+SiO 黑云母+CO.(大量)+H.O—K+Mg抖+ Fe抖+HCO;-+氢氧根硅铝矿物+SiO 三地富CO矿泉水化学特征对比分析显示,水 化学成分总体上相似,CO气体对水化学的形成起 了决定性的作用,广泛发育的花岗岩提供了物质来 源,断层破碎带增加了CO气体一地下水一花岗岩 之间的反应程度.从矿化度的角度来看,所有矿泉 第6期毛绪美等:中国东北与俄罗斯远东富COz矿泉水化学对比l13 的形成似乎与温度无关,低温的五大连池和俄罗斯 远东地区泉矿化度反而更高,预示着五大连池和俄 罗斯远东地区冷矿泉存在不同于长白山天池的气一 水一岩反应过程.因此,五大连池和俄罗斯远东地 区冷矿泉的水化学类型以HCO.一Ca+Mg为主, 而长白山天池热泉以HC0.一K+Na为主.Si与 Fe的硅酸岩同源性表明矿化成分的来源为区域发 育的花岗岩,高温的长白山天池泉水p(Si)明显高于 五大连池和俄罗斯远东地区冷矿泉,反映温度对可 溶性Si的影响.总之,五大连池和俄罗斯远东地区 富CO冷矿泉与长白山天池富CO.热泉具有相似 而不同的形成过程. 参考文献: [1]SchoellM.Geneticcharacterizationofnaturalgases[J].A mericanAssociationofPetroleumGeologistsBulletin,1983 67:2225—2238. 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HydrogeochemistryComparisonofC02-RichM NortheastChinaandtheFarEast ineralSpringsfrom Russia MAOXu—mei,WANGYan—xin,OlegV.Chudaev (1.SchoolofEnvironmentalStudies,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,Chin a; 2.FarEastGeologicalInstitute,RussianAcademyofScience,Vladivostok690022,Russia) Abstract:CO2一 richmineralsprings,valuableresourcesfordrinkingandmedicalpurposearefoundin NortheastChinaandtheFarEastRussia.Comparisonofchemicalcharacteristicsofspringswatershows thathighqualitydrinkingwatercanbefoundinWudalianchiandPrimoryemineralspringswiththecharac— teristicsoflowtemperature,slightlyacidic,HCO3type,richinSi,Fe,SrandCO2gas,differentfrom thatofChangbaishanTianchispringswithhighertemperature,neutraltoslight— alkali,HCO3type,richin SiandCO2gas.C02-richcoldmineralspringsofWudalianehiandtheFarEastRussiahavesimilarbutdif— ferentformationprocesstothoseofChangbaishanTianchi.CO2gasplaysadecisiveroleintheformation ofwaterchemistry,whilewide, spreadgraniteprovideschemica1materials,andthefracturedzoneofthe faultimprovestheinteractionbetweenCO2gas—groundwater— granite.However,thetemperatureonlyin— fluencesthesolubleSi. Keywords:hydrogeochemistry;CO2-richmineralspring;NortheastChina;theFarEastRussia