益阳市城区矿泉水形成机理分析

李海兵， 尹伊君， 潘 卓， 王 丹

(湖南省地质环境监测总站，湖南 长沙 410007)

0 引言

湖南省矿泉水资源丰富，类型齐全，水质好，是我国矿泉水资源大省。据不完全统计，全省饮用天然矿泉水资源点336处，可开采资源量2 300万吨/年。其中，偏硅酸型(单一组分)226处，可开采资源量786.5万吨/年，分别占总数的67.3%和34.2%。

益阳市位于湘中偏北，资水下游，因地处益水(资水)之阳而得名。资水南岸赫山区城区即为一处优质偏硅酸型饮用天然矿泉水资源，偏硅酸含量达60～80 mg/L。含水层总分布面积约19.44 km2，平均厚度26.99 m，动态储量规模超过1 200万立方米，允许开采量为2 813 m3/d。目前有2家矿泉水生产企业，年产值500万元以上。

1 水文地质条件

1.1 自然地理

益阳市位于洞庭湖边缘的丘岗与河湖堆积平原地貌的交接过渡地带，南部和西部为丘岗地貌，北部和东北部为河湖堆积平原地貌。

属亚热带大陆性季风湿润气候，四季分明。春夏炎热多雨，夏末秋初多旱，冬季严寒期短。年平均气温16.1～16.9 ℃，降雨量1 230～1 700 mm，年平均蒸发量1 250.4 mm。

地表水发育，资水自西向东横贯市城区，西北部和东北部分别有志溪河和兰溪河汇入资水，山塘、水库众多。

1.2 地层岩性

区内地层主要发育第四系和冷家溪群。冷家溪群板岩中组玄武岩是矿泉水形成的母体，其特有的岩石化学成分是矿泉水形成的内在条件。

第四系主要分布于资水两岸及秀峰湖等地阶地和冲积湖积平原区，一般构成二元结构，上部黏土、粉砂土，下部砂、砂砾石层。地层总厚度12.5～83.4 m。

冷家溪群主要分布于南部和西部地区。由板岩、砂岩组成，地层厚度最大可达2 000 m以上。

武陵期基性火山岩(亦称石咀塘玄武岩)是最主要岩浆岩，为一套变玄武质科马提岩—拉斑玄武岩，赋存于冷家溪群中组地层中，总厚度大于1 335 m，夹绢云母板岩或砂质千枚状板岩，底部常夹基性凝灰岩和凝灰质熔岩。此外，辉长—辉绿岩、岩脉等其他岩浆岩零星分布。

1.3 地质构造

地质构造复杂，发育有华夏系褶皱及断裂构造、新华夏系和北西向断裂构造，新华夏系断裂割切华夏系构造，北西向断裂割切新华夏系和华夏系构造，其中以新华夏系和北西向两组断裂规模较大，两者交织形成本区断裂骨架，以张扭性和压扭性断裂带为主。由于这些断裂构造的割切，构成断块状构造，断块内节理裂隙发育，其断裂带水平及垂向延伸皆较大，从而为地下水沿断裂带向深部运移创造了良好条件，为本区矿泉水形成提供了有利的水文地质条件。

主要构造有石咀塘倒转背斜，王四村压扭断裂、邓石桥压扭性断裂、姚家村断裂、栏江寺压扭性断裂、金井坡压性断裂等。

1.4 水文地质特征

区内地下水按其含水层结构、埋藏条件、水力特征等因素，划分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两大类，其中孔隙水有潜水和承压水两个亚类，基岩裂隙水可划分为变玄武岩裂隙水、浅变质岩裂隙水和岩浆岩岩脉裂隙水三个亚类(见表1)。

表1 益阳市赫山区城区含水层特征表

根据全区以往水文地质抽水试验资料，钻孔平均涌水量为163.22 m3/d，以涌水量100～200 m3/d钻孔为主。石咀塘倒转背斜核部区域，由于岩石受力变形破碎形成张裂隙，富水程度较高。

大气降水是地下水主要的补给源，主要沿断裂构造下渗补给地下水。自然状态下，矿泉水动态变化与降雨量的变化趋势一致，一般滞后10天左右。由于西南部地势高，基岩裂隙水对矿泉水存在侧向补给，但除断裂附近外侧向补给量较小。总体径流方向是从南、西往北、东方向，局部由于开采井的影响形成径向流。资江是矿泉水重要排泄场所，在东部通过越侧向径流补给第四系孔隙水，人工开采也是排泄方式之一。

2 偏硅酸的形成

2.1 玄武岩组分

岩石矿物成分主要由透闪石——阳起石、绿泥石、帘石等蚀变矿物组成，原生矿物很少，仅有辉石和斜长石残晶，岩石化学成分：SiO250.08%～52.1%，全区平均51.09%，CaO为8.15%～9.33%，全区平均9.26%，MgO为5.61%～8.70%，全区平均8.60%，同时还含有不等微量元素。

2.2 偏硅酸的形成

本区偏硅酸的形成主要来自以下两个方面。此外，从地质意义考虑，存在于原始沉积岩石中的沉积水含少量H2SiO3。

2.2.1 裂隙渗透水对岩石矿物的作用

地下水对岩石中SiO2的溶解和深部硅酸盐矿物的分解是区内矿泉水中H2SiO3的最主要来源。

其一，区内玄武岩SiO2的含量50.08%～52.1%，地下水pH值一般在6.8～7.11之间，在合适的地球化学环境，其中部分非晶质SiO2溶于水中形成H2SiO3。特别是当地下水进行深部循环时，沿断裂带充填的石英等矿物硅质含量更高。

其二，来自于裂隙渗透水中的N2、O2、CO2等气体，特别是CO2和硅酸盐矿物的作用，会在深部高温高压条件下产生偏硅酸。以斜长石中的钠长石为例：

H2Al2Si2O8+2Na++CO32-+4SiO2

2Na2SiO3+5 H2SiO3+2Al2O3+5SiO2

2.2.2 岩浆期后热水溶液及变质热液水的作用

一是岩浆期后热水溶液中本身含有H2SiO3。二是岩浆期后热水溶液及地壳深部高温高压下由岩石中的结合水转变成的自由状态的再生水(呈液态或气态的变质热液水)，在沿断裂上溢过程中，对由岩浆水分异冷凝并充填于裂隙中的石英脉及围岩中的硅酸盐矿物进行热液交代(围岩蚀变)，被带出的非晶质SiO2溶于水中形成H2SiO3。

3 矿泉水成因机理

3.1 循环深度估算

本次研究先利用地热温标估算地下热储的温度，再根据当地地温梯度反推循环深度。

SiO2温标作为应用最早也是最常用的地热温标，因其具备的物理化学特性可能很好地指示地下热储的温度。SiO2在水中的溶解度与温度、压力呈正相函数关系，而温度、压力又与深度为正相函数关系。研究表明，温度小于110 ℃时，通常是玉髓控制着溶液中SiO2的含量；大于180 ℃时，通常是石英控制着溶液中SiO2的含量；110～180 ℃之间均有影响。

石英温标：T=1 309/(5.19-lgSiO2)-273.15

（3）由于高拱坝拱肩槽开挖位置与上下游边坡轴线具有一定距离，因此在纵向爆破期间，需要进行一定爆破区域的划分。即在爆破块分界边位置，设置孔距在2.50～3.00m；线装药密度为250g/m；φ35mm药卷孔底连续装药；堵塞长度为3.1m，导爆索起爆。结合中部起爆的塑料管宽V网路设置，可获得良好的爆破效果。

玉髓温标：T=1 032/(4.69-lgSiO2)-273.15

水中1 mg/L H2SiO3相当于溶解SiO2为0.769 mg/L，研究区H2SiO3含量60～80 mg/L。根据上述公式，石英温标和玉髓温标计算结果分别为98.11～111.75 ℃和67.92～82.61 ℃，其中玉髓温标计算结果符合其控制范围。故67.92～82.61 ℃更接近循环深度的区间温度。

当地地温梯度为0.0285 ℃/m，井口处年平均温度To=19 ℃，循环深度h=(T-To)/0.0285。计算可得循环深度为1 716.49～2 231.93 m。

矿泉水由深部上升后，可能有部分含少量偏硅酸的浅部裂隙水混入，导致偏硅酸检测值低于其在深部形成时的含量，矿泉水的实际形成环境温度和循环深度将高于估算值。

3.2 成因机理分析

首先，大气降水渗入补给地下水，地下水在风化裂隙和构造裂隙中储存与运移，同时溶解岩石、岩脉及断裂充填物中的SiO2，使浅部地下水中含有一定的H2SiO3。

图1 矿泉水形成机理图

4 结论

(1)复杂的地质构造和厚度达1 335 m以上的武陵期基性火山岩为益阳市城区偏硅酸型矿泉水的形成提供了良好的地质条件。由大气降水补给的断裂构造水是矿泉水最主要水源。

(2)区内矿泉水中偏硅酸主要来自地下水进行深部循环时在高温高压环境下与硅酸盐矿物反应的产物，以及岩浆后期热液水、变质热液水、沉积水中所含偏硅酸。

(3)分析表明，玉髓控制着区内深部溶液中SiO2含量。利用地热温标法求得矿泉水形成环境温度在67.92～82.61 ℃以上，深度达1 716.49～2 231.93 m以上。