0 引言

由于水资源短缺、水污染问题的日益严重，使得人类更加关注饮水安全。按照人类对健康饮水的要求，天然矿泉水以其含有的特殊矿物盐类、微量元素或气体等成为能够满足人类需要的安全饮用水，深受广大消费者青睐（方展等，2017；多晓松等，2020）。

长白山与阿尔卑斯、高加索山脉并称为世界三大矿泉水水源地，在经济价值、社会价值、保健价值和生态价值方面都有非常重要的战略意义（陈守则和单红之，2013；谷志琪等，2022）。学者们在长白山地区开展了大量关于矿泉水方面的研究，主要集中在矿泉水的资源分布特征、储量评估、可持续开发利用与产业发展战略等方面（张勃夫，2001；赵清华等，2005；杨柯明等，2009；王平等，2010；Yan et al.，2015，2016；李栋，2022）；张小雨（2009）、贺军 （2013）、吕琳（2015）、代策（2022）等以学科交叉研究模式，综合分析矿泉水的有益矿物成分、微量元素特征并评价对人体健康的重要性；陈振东和张宝柱（1994）、李树（2012）、方岩等（2014）、林琳 （2016）、于叶翔等（2021）在矿泉水的水化学方面取得大量的研究成果，主要集中在水化学特征、成分来源及形成机理等方面；张楠（2013）、危润初 （2014）、马喆（2016）等通过野外试验和室内实验对比研究确定长白山地区矿泉水的形成机理；陶勇 （2013）、张真真（2016）、谷志琪等（2022）在矿泉水资源承载力评价及保护区划开展系列研究，为矿泉水产业的可持续发展提供技术支撑。上述研究主要集中在长白山矿泉水主产区（如靖宇县、抚松县），但对于矿泉水产业的发展潜力来说，目前的研究范围还是不够的，长白山沿脉部分地区具备与主产区相近的条件，是潜在的矿泉水水源地，然而对于该区域的研究甚少，亟待补充。

本文以长白山沿脉的东宁为主要研究对象，对比靖宇、抚松地区矿泉水相关研究成果，从矿泉水的形成条件、补径排条件、成分特征和允许开采量等方面进行对比研究。开展长白山沿脉地区的矿泉水研究，不仅能够丰富长白山脉地区矿泉水的研究成果，亦可促进矿泉水产业的发展，具有一定的理论与实际意义。

1 研究思路与方法

矿泉水的形成是气候、地形地貌、构造、地质与水文地质等多因素综合作用的结果（刘婷，2015； Yan et al.，2017）。地下水补给、径流与排泄条件对于确定矿泉水的补给来源、循环特征、元素富集规律及评估资源储量至关重要（刘彦臣和张宇石， 2009；危润初，2014）。水化学成分是地下水在径流过程中与周围介质不断发生水岩作用的结果，所形成的特殊物质和微量元素等组分对于人体健康有益（庞俊华等，2008；张小雨，2009）。矿泉水的开采不仅要满足水质要求，其允许开采量也是决定因素之一，二者必须兼顾。

长白山沿脉地区具备与靖宇县、抚松县等矿泉水主产区相近的条件，因此，本文研究采用对比法，将东宁熔岩台地与靖宇、抚松矿泉水主产区从形成条件、补径排条件、成分特征、允许开采量等进行对比研究，探究长白山沿脉地区矿泉水的成因及成分特征等。

2 研究区概况

研究区东宁市位于黑龙江省东部，属牡丹江市所辖的县级市，面积7561.36 km²，东与俄罗斯接壤，南与吉林省汪清县、珲春市相邻，居中、俄、朝三国交界地带的中心，是中、俄、朝经济带的重要枢纽（图1）。

研究区地势北、西、南三面环山，中东部低平，气候属中温带大陆性季风与海洋性气候，多年平均气温 5.80℃，多年平均降水量 610.30 mm。研究区水系较为发育，有大绥芬河、小绥芬河、绥芬河、瑚布图河四大河流。研究区矿产资源较丰富，包括叶腊石、铜、金等19种矿产资源。

3 形成条件对比研究

矿泉水的形成条件将从气候、地形地貌、构造、地质与水文地质等方面进行对比研究。

3.1 气候

靖宇、抚松属寒温带大陆性季风气候，多年平均气温 3.70℃，1 月份气温最低，平均气温为-20℃，7月份气温最高，平均气温为 23℃。多年平均降水量 771 mm，6—9 月份占全年降水量的 70%~80%。多年平均水面蒸发量为 1186 mm，年平均相对湿度73%。

东宁气候属中温带大陆性季风与海洋性气候，多年平均气温 5.80℃，7 月气温最高，平均 21.50℃，1月气温最低，平均-14.60℃，年内温差变化较大。多年平均降水量 610.30 mm，其中 6—9月份为主要降水期，约占全年降水量的 75%。多年平均蒸发量 1163.26 mm，年平均相对湿度 70%（图2）。

气候对矿泉水的形成影响较大，其中最关键的因素是降水量，东宁降水量虽较靖宇、抚松小，但整体上仍属于较高的水平，充足的降水量是区域丰富的矿泉水资源量的来源与保障。

3.2 地形地貌

靖宇、抚松矿泉水主产区主要为侵蚀火山地貌，包括火山岩中低山、高低熔岩台地。地势西南高，东北、东南低。西南部为海拔 800~1100 m 的中低山，东北部和东南部为海拔 600~900 m 的熔岩台地。地形总体上由西南向北东和东南倾斜，形成开阔的玄武岩熔岩台地。台地面呈波状起伏，分布着密集的火山锥体，受构造和流水侵蚀作用，形成数条北东、西东和南东走向的“U”型浅谷（庞俊华等， 2008；于叶翔等，2021）。

东宁位于长白山山脉老爷岭支脉太平岭东坡，为老爷岭和完达山余脉的结合部位，地貌属中低山、丘陵和熔岩台地。区内地形总体上表现为北部、西南、南部高，为海拔 800~1150 m 的中低山区； 东部和东南部低，其中东南部广泛分布大面积的海拔 600~800 m 的熔岩台地。熔岩台地顶面较为平缓，“U”型浅谷不发育。

地形地貌对矿泉水的补给与矿物、微量元素的溶解至关重要。东宁与靖宇、抚松矿泉水分布区地形地貌条件相近，主要为熔岩台地，地势较为平坦，由于平缓台地的存在，加之植被较为发育，很大程度上延长了降水过程中坡面汇流的时间，给降水入渗补给提供了充足的时间，有利于矿泉水的补给以及矿物、微量元素等物质的溶解。

3.3 构造

靖宇、抚松矿泉水主产区新构造运动强烈。古近纪以来，受太平洋板块向西俯冲的影响，使老的构造形迹不断得到加强，新的断裂陆续发生，形成了一系列新的北西、北东和东西向排列的网格状断裂带（张真真，2016；谷志琪等，2022）。在网格状断裂的交汇点等地壳薄弱处，地壳深部的硅、镁质岩浆沿断裂上升，于新近纪晚期、第四纪早期岩浆沿断裂面溢出地表，主产区基本被硅、镁质岩浆所覆盖，形成玄武岩熔岩台地。大地构造位置处于中朝准地台辽东台隆区，东西向、北东向构造十分发育，在地壳内部压力作用下，火山活动频繁，导致岩浆的不断侵入，火山活动此起彼伏。

东宁熔岩台地新构造运动强烈。古近纪以来，进入喜山旋回，处于太平洋构造断块上升发展阶段，断裂活动具有继承性。新近纪，敦密断裂再次活动，在强烈拉张应力作用下，基性火山岩喷发，形成船底山组玄武岩，塑造熔岩台地地貌。第四纪，地壳活动以差异升降、断块掀斜为主要特征，活动断裂具有新生性、间歇性和差异性的特点。

1—高等级公路及编号；2—国道及编号；3—省道及编号；4—铁路；5—市、县行政中心及其他居民地；6—水系；7—国界；8—省界；9—市界； 10—县界；11—研究区

东宁熔岩台地与靖宇、抚松的新构造运动均强烈，岩浆岩喷出形成玄武岩，玄武岩在复杂的地质构造中形成节理、裂隙，使得使岩石中孔隙导通，利于地下水的补给、渗流、存储及排泄，形成较丰富的矿泉水资源（卢秉龙和杨柯明，2009）。

3.4 地质条件

靖宇、抚松矿泉水主产区的地层岩性主要以下更新统军舰山组玄武岩为主，上新统船底山组玄武岩为辅。军舰山组、船底山组由灰黑色橄榄玄武岩、安山玄武岩、粗面玄武岩、气孔状玄武岩组成，斑状结构，基质为间粒结构，气孔构造，矿物成分主要为橄榄石、斜长石、辉石、磁铁矿，有轻微的绢云母化，玄武岩中非晶质 SiO₂的丰度一般为 48.30%~52.96%，丰度高，易发生溶解反应，形成偏硅酸（图3）。据靖宇地区收集玄武岩样品17个（张楠，2013； 危润初，2014；段乃金等，2017）、抚松地区样品23个可知（高月，2016；韦选建等，2017），玄武岩微量元素测试结果显示，玄武岩中Li、Sr、Co、Zn、Cu、Se、V、 Ni、Zr、Nb、Ba 等对人体健康有益元素，在溶滤等水文地球化学作用下，使得地下水中富含多种微量元素。

东宁船底山组的岩性主要为橄榄玄武岩、安山玄武岩、气孔状玄武岩等（图4），具气孔状或杏仁状构造、斑状构造，柱状节理发育。矿物成分主要为斜长石、橄榄石、辉石，岩矿鉴定表明（中国人民解放军零零九一四部队，1979^①），玄武岩中富含 SiO₂、 Al₂O₃、Fe₂O₃、FeO、CaO、MgO、K₂O、Na₂O、TiO₂、P₂O₅、 MnO 等氧化物，其中非晶质 SiO₂的丰度为 48.95%~54.72%，丰度与靖宇、抚松玄武岩相近（表1），易发生溶解反应，以偏硅酸的形式存在并富集于水中，形成偏硅酸型矿泉水。船底山组玄武岩富含Li、Sr、 Co、Zn、Cu、Se、Ti、V、Ni、Zr、Nb、Ba等微量元素，微量元素的种类与丰度与靖宇、抚松处于同一水平。

3.5 水文地质

靖宇、抚松含水岩组为不同时代、不同结构类型玄武岩，其富水程度随着时代愈新，富水性愈强。军舰山组玄武岩富水性略好于船底山组，军舰山组玄武岩孔洞裂隙发育，并有成层分布的特点和规律。气孔带发育，孔径一般为 0.5~2. 0 cm，最大可达 9. 0 cm，气孔带厚度较薄，一般小于 2 m，水平方向连通性好，构造裂隙和成岩裂隙发育，柱状节理和水平层状裂隙密集，通过裂隙将气孔沟通，形成纵横交错的网络状裂隙、孔洞空间，地下水赋存条件好，矿物及微量元素的溶解进行较为充分。

东宁船底山组玄武岩气孔直径一般为 1~3 cm，大者可达 6 cm，气孔带厚度较薄，一般小于 1.5 m，底部气孔不发育，上部气孔无充填，风化裂隙、构造裂隙和成岩裂隙使之具有较好的连通性，柱状节理发育，产状近水平。该区域中部地势较为平坦，植被覆盖度大，有利于大气降水的入渗，富水性较好，同时也为矿物、微量元素的溶滤等反应提供充足的空间与时间，形成富含多种微量元素的偏硅酸型矿泉水。

通过靖宇、抚松（危润初，2014；高月，2016）和东宁（中国人民解放军零零九一四部队，1979^①）柱状图对比可知（图5），靖宇、抚松军舰山组玄武岩与东宁船底山组玄武岩上部主要是多层气孔状玄武岩，底部是致密状玄武岩，地下水赋存条件较好，有利于微量元素的富集。

东宁船底山组玄武岩气孔发育程度和连通性均较好，节理和裂隙发育，地下水富水性、贮存条件好。由于玄武岩富含多种矿物质及微量元素，为地下水提供丰富的物质来源，形成富含多种微量元素的偏硅酸型矿泉水。

4 补、径、排条件对比研究

靖宇、抚松的玄武岩台地的地下水主要接受大气降水的补给。除多个凸起的火山口外，总体上地形起伏很小，区内植被茂盛，森林覆盖率高达 91.7%，较为平坦的地势及植被有效阻延了地表径流的时间和强度，从而促进了雨水的下渗。地下水径流方向为东北向，降水通过玄武岩孔隙、节理裂隙进入地下水后，向北东、东南向运移，运移过程中不断有新的水源补给。在地形切割较深的沟谷和低洼处以泉和泉群的形式排泄（图6），泉流量为 0.3~449 L/s。除以泉的形式排泄外，玄武岩孔洞裂隙水还以侧向径流的形式补给区外的地下水，主要在东北部和东南部的地下水下游区域（贺军，2013； Yan et al.，2015，2016）。

东宁熔岩台地地下水的主要补给来源为大气降水，熔岩台地地势较为平坦，平均坡度约 5%，区内森林覆盖率为 85.8%，多年来植被的落叶等形成了一层厚约20 cm的腐殖层，延缓地表水径流速度，减弱了径流强度，增大了地下水渗入补给量，并延长了地下水补给周期。地下水径流条件一般，从东南向东北、西北部的较低的台地区流动，在地形切割剧烈部位，泉水出露众多（图6），泉流量相差较大，从 0.5~300 L/s 不等，丰水期泉的流量与枯水期相差较大，枯水期少部分流量较小的泉会出现干涸现象，地下水通过泉排泄到山区沟谷最后汇到河流。

根据地下水的补、径、排条件可确定含水层的富水性、动态变化特征及评估天然存储量等。东宁与靖宇、抚松的玄武岩台地地下水的补给、径流和排泄条件相近，属地下水丰富区，丰水期泉流量较枯水期大，可根据泉流量概算矿泉水的天然资源量。

5 成分特征对比研究

对照《饮用天然矿泉水标准（GB 8537-2018）》 （中华人民共和国国家卫生健康委员会和国家市场监督管理总局，2018）对靖宇、抚松（张慧荣等， 2020；李栋，2022）和东宁（中国地质调查局沈阳地质调查中心，2018^②）水化学成分特征进行对比研究 （表2）。其中靖宇、抚松熔岩台地区的天然矿泉水类型主要为偏硅酸型，偏硅酸含量27.80~62.46 mg/ L，感观指标、界限指标、限量指标和污染指标均符合标准要求，水温一般为6.5~13. 0℃，为冷矿泉水， pH 值 7. 00~8. 02，为中性、弱碱性矿泉水，溶解性总固体 56. 00~490.65 mg/L，为低矿化矿泉水，水化学类型为 HCO₃-Ca·Mg 型或 HCO₃-Mg·Ca 型（代策， 2022；李栋，2022）。

东宁熔岩台地地下水的偏硅酸含量为 27.2~40.56 mg/L，偏硅酸含量与靖宇、抚松处于同一水平，其含量达到界限指标的标准，微量元素中锶、锌的含量略高于靖宇、抚松的矿泉水，各项指标均符合标准要求，水温为 7.5~12.5℃，属冷矿泉水，pH值 7.15~7.92，溶解性总固体 170.10~182.74 mg/L，为中性、弱碱性低矿化的天然偏硅酸矿泉水，水化学类型主要为HCO₃-Ca·Mg型。

东宁熔岩台地与靖宇、抚松矿泉水主产区的水化学成分相近，微量元素锶、锌的含量略高于靖宇、抚松矿泉水，属富含微量元素的中性、弱碱性低矿化的天然偏硅酸矿泉水。

天然偏硅酸矿泉水的形成机理主要是玄武岩主要矿物橄榄石、斜长石、辉石的溶滤作用（李树， 2012），其溶滤作用反应式如下：

橄榄石：（Fe，Mg）₂ SiO₄ + 4H₂O + 4C₂O = 2（Fe，Mg）^{2 +} + 4HCO₃^- + H₄ SiO₄

辉石：（Fe，Mg）SiO₃ + 3H₂O + 2C₂O =（Fe，Mg） ^{2 +} + 2HCO₃^- + H₄ SiO₄

斜长石：2NaAlSi₃O₈ + 11H₂O + 2C₂O = 2Na⁺ + Al₂ Si₂O₅（OH）₄ + 2HCO₃^- + 4H₄ SiO₄

CaAl₂ Si₂O₈ + 8H₂O + 2C₂O = Ca^{2 +} + Al₂O₃ ⋅ 3H₂O + 2HCO₃^- + 2H₄ SiO₄

6 允许开采量对比研究

靖宇、抚松开展过专门性的矿泉水勘察工作，依据《天然矿泉水地质勘探规范（GB/T13727-92）》 （中华人民共和国国家技术监督局，1992），偏硅酸型矿泉水区允许开采量精度为B+C+D级，通过矿泉水天然流量及各泉点的汇水面积计算允许开采模数，概算全区的允许开采量。靖宇、抚松台地矿泉水的允许开采模数分别为 130.55 m³ /（d·km²）、 123.19 m³ /（d·km²），计算允许开采量分别 5474. 02× 10⁴ m³ /a和18684.53×10⁴ m³ /a。

东宁地区未开展过矿泉水详细勘查相关工作，从上述对比研究中可知，东宁熔岩台地与靖宇、抚松条件相近，通过比拟法估算允许开采量约为3250×10⁴ m³ /a。根据本区泉流量的监测数据，采用泉水流量衰减法，对可开采量进行概算，概算结果为 3368×10⁴ m³ /a。两种方法计算结果相差较小，概算结果较可靠，东宁熔岩台地矿泉水的允许开采量较大，具备较强的开采潜力。

7 结论

（1）东宁熔岩台地充足的降水、较为平坦的地势、玄武岩发育且连通的孔隙及交错的构造断裂网，有利于地下水的补给、渗流、存储及排泄，形成较丰富的矿泉水资源。

（2）东宁熔岩台地玄武岩富含多种矿物质及微量元素，为地下水提供丰富的物质来源，形成富含微量元素的中性、弱碱性低矿化的天然偏硅酸型矿泉水。

（3）通过矿泉水的形成条件、补径排条件、成分特征、允许开采量等方面的对比分析，东宁熔岩台地矿泉水具备较强的开采价值。

注释

① 中国人民解放军零零九一四部队 .1979. 穆棱—东宁 1∶20 万区域水文地质普查报告[R].

② 中国地质调查局沈阳地质调查中心.2018. 中俄蒙经济走廊绥芬河—东宁地质环境综合调查报告[R].

参考文献