随着社会经济的快速发展，人们对健康生活的认识逐渐提高，使得饮用矿泉水越来越普及，因此促使了各类矿泉水的开发利用。由此，各类矿泉水的相关研究也相应增加。对矿泉水的分布规律、水化学类型、离子含量特征及演化等方面进行了分析，针对不同类型矿泉水对其形成过程、机理等也有相关研究（ 张俊德，1995; 赵广涛等，1996; 沈照理等，2002; 苏春利等，2003; 方展等，2017; 单婷婷等，2019; 陈远铭，2019）。矿泉水形成机理的研究方法主要通过地质构造特征分析、区域岩土体成分主要元素分析、水体水化学元素分析等方面进行论述，而针对矿泉水形成区母岩地层的溯源追踪分析研究很少。

本文以甘肃岷县维新镇锶矿泉水为研究对象，对锶矿泉水形成区内母岩地层富锶物质溯源分析，通过对区内不同的地层进行其矿物成分（朱雪芹等，2020）、化学结构分析，发现在适当的水文地球化学环境下，入渗到岩土体裂隙、孔隙中的水体在运动过程中进行溶融、离子置换等水岩作用，富锶矿物中的 Sr ²⁺较多地溶入到水体中，锶含量达到标准要求（中华人民共和国国家卫生健康委员会，国家市场监督管理总局，2018）; 从而揭示了锶矿泉水的形成机理，为各类矿泉水形成机理的分析与研究具有重要的借鉴意义。

1 研究区概况

研究区位于甘肃省岷县的西北部维新镇中南部的元山沟、卓坪沟，属洮河左岸的两个一级支沟，主沟长分别为 11.60 km、14.3 km，面积分别为 27.30 km ²、36.20 km ²，总面积 63.50 km ²。

研究区内出露地层主要为二叠系十里墩组（P_1-2sl）、三叠系光盖山组（ T₂gg）、白垩系磨沟组（K₁m）及第四系等地层。基岩延伸为北西—南东向，与区域构造线方向基本一致。其中，二叠系十里墩组岩性主要为海相碎屑岩、粉砂质板岩、泥质板岩，局部夹灰岩及少量硅质岩，主要分布于两沟流域中下游; 三叠系光盖山组为一套含钙细碎屑岩、粉砂质板岩、钙泥质板岩及少量薄层灰岩，分布于两沟流域上游段; 白垩系磨沟组为一套陆相碎屑沉积的紫红色中—薄层砂砾岩、细砂岩，分布于卓坪沟的下游沟口段; 第四系为含砾粉土、砂、砾卵石等，分布于两沟沟谷段及部分斜坡区、洮河沟谷区（图1）。研究区内赋存地下水，主要类型为基岩裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、第四系松散岩类孔隙水。各流域斜坡区地下水向沟谷、北部下游径流，总体由南向北径流汇入洮河河谷，两条沟谷为相对独立的水文系统（闫成云^❶）。

研究区各类地下水的主要补给来源为大气降水，通过地表岩土体的裂隙、孔隙入渗，沿裂隙、孔隙从地势高处向地势低处渗移运动，进入含水层后向斜坡下部渗流，以泉水或地下径流形式补给沟谷地下水; 各支沟地下水总体由南向北汇入主沟，以地下径流的形式向下游排泄，局部也形成少量泉水，最后汇入沟谷地表水（大部分由地下水转化）; 少部分消耗于蒸发，大部分汇入卓坪沟、元山沟沟谷，向北部下游排泄，最终汇入洮河。

Q_h^pal—全新统砂、砂砾石、粉土; Q_p^pal—更新统砂、砂砾卵石、含砾粉土; Q_p^eol—更新统风成黄土; NG—新近系甘肃群泥岩、泥质砂岩; K₁m—下白垩统磨沟组砂岩、砾岩; T₂gg—中三叠统光盖山组钙质板岩、泥质粉砂质板岩、长石石英砂岩; Psg—二叠系石关组钙质板岩、泥质粉砂质板岩; P_1-2sl—中—下二叠统十里墩组粉砂质板岩夹长石石英砂岩、钙质石英砂岩、砂岩

Q_h^pal—Holocene sand, sand gravel, silt; Q_p^pal—Pleistocene sand, sand gravel, gravel silt; Q_p^eol—Pleistocene Series loess; NG— Neogene Gansu Group, mudstone, muddy sandstone; K₁m—Lower Cretaceous Mogou Formation, sandstone, conglomerate; T₂gg— Middle Triassic Guanggaishan Formation, calcareous slate, pelitic silty slate, feldspathic quartz sandstone; Psg—Permain Shiguan Formation, calcareous slate, pelitic silty slate; P_1-2sl—Lower— Middle Permain Shilidun Formation, silty slate interbed with feldspathic quartz sandstone, calcareous quartz sandstone, sandstone

2 地层锶元素丰度特征

2.1 三叠纪地层锶元素丰度特征

研究区内三叠纪地层主要为泥质板岩、粉砂质板岩。该类岩层表层采样岩矿分析统计表明，其锶（Sr）元素含量最高 313 μg / g，最低 129 μg / g，算术平均值（下同）为 202 μg / g（表1）。研究区同一区域内岩层平均锶含量为 93.35 μg / g，其中泥盆纪大草滩组的砂岩、石英砂岩等锶含量平均为 44.37 μg / g; 石炭纪巴都组钙质板岩、石英砂岩、千枚岩等锶平均含量为 110.92 μg / g; 石炭纪下关组细砂岩等锶平均含量为 112.92 μg / g; 三叠纪隆务河群岩层锶平均含量为 192 μg / g（秦祜阳^❷）。对比可知，研究区内三叠纪地层锶元素含量相对普遍较高，为其他地层的 1.79~4.55 倍。

2.2 二叠纪地层锶元素丰度特征

（1）研究区内二叠纪地层主要为泥质板岩、粉砂质板岩、长石石英砂岩为主。依据板岩类岩层表层采样岩矿分析统计，其锶（ Sr）元素含量最高 215 μg / g，最低 140 μg / g，平均 170 μg / g（表1）; 与区域总体相比较，二叠纪板岩类地层中锶含量地质背景值较高。

（2）对研究区内水文地质勘查孔中所采集的泥质板岩、粉砂质板岩、长石石英砂岩等岩样岩矿测试分析统计，其锶（ Sr）元素含量最高 207 μg / g，最低 119 μg / g，平均 156 μg / g（表1）。与同类地层的表层相比，较深层位的二叠纪地层锶含量没有显著的差异; 与区域总体比较，该类地层较深层位的锶含量地质背景值也较高。

（3）研究区内二叠纪地层的长石石英砂岩表层采样岩矿分析统计，其锶（ Sr）元素含量最高 135 μg / g，最低 45.9 μg / g，平均 88 μg / g（表1）。与区域上总体比较，研究区内该类地层中锶含量地质背景值较低。

2.3 第四纪地层锶元素丰度特征

研究区内中上游区域部分较缓斜坡地带分布有较多的黄土状粉土与碎石土（含砾土），该类地层表层采样岩矿分析统计，其锶（ Sr）元素含量最高 202 μg / g，最低 131 μg / g，平均 172 μg / g（表1）; 具有较高的含量，说明该类地层中锶含量地质背景值较高，与哇儿沟幅（1 ∶ 5 万）水系沉积物元素地球化学统计中锶元素具有一定的浓集效应，表现为弱富集的结论相一致。

综上，研究区两沟流域的三叠纪板岩类地层锶元素含量相对高，二叠纪板岩类、第四纪土层中锶元素含量相对较高，具有高、较高的锶含量地质背景值; 二叠纪中长石石英砂岩中平均锶含量明显低，地质背景值较低。以上结果表明区域地层锶含量高则区内水体中锶含量也高具有良好对应性（刘庆宣等，2004），如卓坪沟流域的西沟、回沟 2 个支沟区上游基岩主要为三叠纪板岩地层，部分斜坡区带分布黄土状粉土、碎石土等，由该区带汇集的支沟内的水锶含量达标，而卓坪沟流域大部分为二叠系板岩、长石石英砂岩分布区，该区段内的地表水、地下水锶含量虽较高（ρ = 0.2~0.4 mg / L），但均未达标（食品安全国家标准饮用天然矿泉水（GB 8537-2018），锶质量浓度≥0.4 mg / L）; 元山沟流域中、上游各支沟区段为三叠系板岩地层，各支沟及主沟汇集的地表水、地下水锶含量均达标。

3 主要岩土体矿物组成及含锶矿物

3.1 板岩类矿物组成及含锶矿物

3.1.1 板岩矿物组成

依据维新镇的薄片鉴定结果统计，泥质板岩岩石主要矿物为黏土矿物（为隐晶质、泥晶质，少量部分重结晶为绢云母和绿泥石）、石英、绢云母、绿泥石、铁质等，其含量百分比统计如表2。

硅化泥质板岩由碎块和基质组成。其中碎块所占比例为 65%~75%，由黏土矿物、少量粉砂级的石英、绢云母和绿泥石等组成; 基质所占比例为 25%~35%，由石英、方解石和褐铁矿等组成。其各成份含量百分比统计如表3。

3.1.2 板岩中含锶矿物

甘肃岷县维新地区板岩的矿物组成中，黏土矿物含量高，主要由蒙脱石、伊利石组成，部分含绿泥石等，这些矿物中的铝、镁、钙、钾、钠等离子在一定的环境条件下，可由锶、铁、锰、铜等离子置换，而化学性质、原子半径较为相近的锶离子更多地参与了置换（梅傲霜，2020），形成相对富含锶矿物。如蒙脱石化学分子式为（Al₂Mg₃）Si₄O₁₀（OH）₂·nH₂O，伊利石化学分子式为（KNaCa₂）_m（AlMg）₄（SiAl）₈O₂₀（OH）₄ nH₂O，两物质中的 Ca、Mg、K、Na、Al 等元素部分可被 Sr、Fe、Mn、Ba、Cu、Zn 等元素置换，则研究区内板岩成为锶含量相对较高的岩层。

方解石主要成份为碳酸钙，化学式为 CaCO₃，其中的 Ca、Mg 元素的部分也易被 Sr 等替换，也成为 SrCO₃ 等富含锶的矿物之一，成为水体中锶来源的地层中的基础物质（年秀清，2018; 田小林，2021）。

3.2 长石石英砂岩矿物组成及含锶矿物

（1）长石石英砂岩矿物组成:长石石英砂岩由碎屑、填隙物及铁质组成。其中碎屑由石英、长石、岩屑、白云母等组成; 填隙物由微晶石英、碳酸盐矿物、绢云母和绿泥石等组成; 铁质主要沿裂隙呈脉状或星点状分布。各成分含量百分比统计如表4。

（2）长石石英砂岩含锶矿物:长石石英砂岩中长石含量较高，长石中的钾、钠、钙等离子易被锶、铁、锰、镁等离子替代，形成含锶矿物。填隙物中的绢云母、绿泥石等矿物，其中的铝、钾离子可被锶、镁、钙、钡、铁等离子替换，也成为含锶的矿物。如钾长石、钠长石、钙长石化学分子式分别为 KAlSi₃O₈、 NaAlSi₃O₈、CaAl₂Si₂O₈，其中的 K、Na、Ca 等元素的部分易被 Sr 等置换，部分形成 SrAl₂Si₂O₈ 等含锶矿物（周锦铭，1992）。

4 水体中锶的形成

研究区两沟流域中、上游主要发育板岩类岩层、长石石英砂岩岩层，大部分区段为岩层出露区，少部分区段被黄土、碎石土覆盖。地表岩层风化强烈，节理、裂隙发育; 土层松散，孔隙发育。岩土体渗透性较好，具有良好的地下水活动场所。

研究区元山沟中上游区段水源形成区域，地表降水入渗后，表层岩土体的孔隙、裂隙等为地下水运移提供了运动的通道与储存的空间; 在这些场所内，降水入渗后与周围岩土体接触、融合，并与岩土体中的各种矿物发生着复杂的水岩反应，矿物中离子充分地溶融入水体中，形成了水文地球化学系统。在此过程中，地层岩土体中黏土矿物中的蒙脱石、伊利石、绢云母、绿泥石等，其他矿物方解石、长石、碳酸盐矿物等与二氧化碳及水体进行淋滤、溶解、离子交换等反应，径流溶滤的过程使水体中溶入了地层中的众多矿物质（张贵等，2021）。如蒙脱石的 3 层片状“三明治”结构，有较强的吸附与离子交换（宁林等，2004），有利于阳离子溶入到水体中（图2）。

（a）蒙脱石晶体结构图;（b）蒙脱石“三明治”结构图

(a) Crystal structure diagram of montmorillonite; (b) sandwich structure of montmorillonite

水体中溶入了主要的阴离子为 HCO^-₃、Cl^-、SO ^2-₄ 等; 同时也溶入了阳离子 Ca²⁺、Mg²⁺、K ⁺、Na ⁺ 等; 这些组成了水体中主要矿物质离子，形成的地下水化学类型以重碳酸钙镁型为主。

另外，水体中也溶入了其他微量元素离子，如 Sr ²⁺、Zn ²⁺、Li²⁺、Se²⁺、Br^-、SiO₂ 等物质，因本研究区内主要的岩石矿物中含锶相对较高，且其离子化学性质与钙、镁等离子等相近，则矿物中离子交换过程中溶入水中的锶离子也相应地较高（苏春田，2018; 赵博，2020），且其质量浓度达到了 0.4 mg / L 以上，最终形成了水化学类型为重碳酸钙镁型的锶矿泉水（张彦林等，2020）。如研究区元山沟上游（WQ07）基岩裂隙水矿化度为 0.182 g / L，锶质量浓度为0.80 mg / L; 中游沟谷探井（WJ29）孔隙水矿化度为 0.376 g / L，锶质量浓度为 0.54 mg / L; 下游池滩村沟谷民井（WJ04）孔隙水矿化度为 0.593 g / L，锶质量浓度为 0.52 mg / L。水化学类型均为 HCO^- ₃—Ca²⁺ · Mg²⁺型。

5 结语

（1）研究区内三叠纪板岩类地层锶元素含量相对高，二叠纪板岩类、第四纪土层中锶元素含量也相对较高，较高的锶含量地质背景值，为矿泉水的形成提供了物质基础。

（2）研究区内主要岩层板岩、黏土矿物中的蒙脱石、伊利石，填隙物中的绢云母、绿泥石，各类长石等这些矿物中的镁、钙、钾、钠、铝等离子在一定的环境条件下，被类同的锶、铁、锰、铜、锌等离子置换，化学性质相近的锶离子更多地参与了置换，形成相对富含锶的矿物。

（3）地表降水渗入到表层岩土体的孔隙、裂隙中，与周围岩土体中的各种矿物发生着复杂的水岩反应，矿物中的各离子充分溶融入水体中，因含锶矿物较多，锶离子溶入水体中也较多，形成了锶矿泉水。

（4）从查明水资源形成区的富含锶的岩土层岩性及矿物特征，统计其主要组份，剖析主要含锶矿物的结构，分析水文地球化学环境下主要特征元素的交换运移过程，揭示了锶矿泉水形成的机理。这种追索本源、分析矿物结构、离子交换和运移的方法，对各类矿泉水勘查和形成机理分析有重要的借鉴意义。

注释 / Notes

❶闫成云，李爱军，褚广博等.2020. 甘肃省甘肃岷县维新镇天然饮用矿泉水勘查报告. 兰州: 甘肃省地质调查院.

❷ 秦祜阳，郭颂清，朱文戈等.2009. 甘肃下拉地地区矿产远景调查说明书（1 ∶ 5 万哇儿沟幅）. 兰州: 甘肃省地质调查院.

参考文献