湖南省热矿泉水的分布及水化学特征

赵 敏，肖 江，皮 景

(1.湖南科技大学，湖南 湘潭 411201；2.湖南省地质矿产勘查开发局四〇二队，湖南 长沙 410004)

湖南省是地下热水资源较丰富的地区，境内地质构造复杂，断裂发育，岩浆活动强烈，为形成较丰富的地热资源创造了有利条件。湖南省地下热水主要赋存于岩溶裂隙层状含水层及花岗岩构造破碎带脉状含水层中[1]。据已有研究成果可知[2-4]，全省共有116处地下热水单元，地下热水以低温地热资源为主，占总数的98.3%，中温热水资源仅占1.7%。全省平均水温为35.75℃，最低为25℃，最高为98℃。

地下热水中含有丰富的微量元素，特别是含有大量对人体有益的微量元素，当某一种元素的含量达到饮用天然矿泉水标准时，本文称之为地热型饮用天然矿泉水，简称热矿泉水。一般来说，热矿泉水作为特殊类型的地下水，包含两方面的含义：第一是指在当前经济技术条件下可供开发利用的，出露地表温度高于25℃以上的地下热水；第二是指其含有某些特殊化学组分或气体成分，具有较高总矿化度的矿水。热矿泉水既具有地下热水资源的全部属性，又具有矿泉水资源的全部属性，是一种难得的复合型资源，因此，可以同时作为地下热水和矿泉水开发，具有双重开发利用价值。

1 研究区地质概况

1.1 地层

湖南省境内自元古宙至新生界各时代地层发育齐全，出露完整。地层岩石组合及分布范围由老至新如下：冷家溪群、板溪群、震旦系、寒武系、志留系、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系和第四系。沉积类型有海相、陆相、海陆交互项、冰川沉积相。

1.2 地质构造

根据《中国区域地质志·湖南志》，湖南省可划分为湘北断褶带、粤湘赣早古生代沉降带、云开沉降带、雪峰构造带、湘桂早古生代陆缘沉降带和洞庭盆地6个三级构造单元。湘北断褶带包括石门-桑植复向斜和沅潭褶冲带；粤湘赣早古生代沉降带处在炎陵-汝城冲断褶隆带之上；云开沉降带属于宁远-桂阳坳褶带；雪峰构造带涉及武陵断弯褶皱带、沅麻盆地、雪峰冲断带和湘东北断褶带；湘桂早古生代陆缘沉降带为邵阳坳褶带和醴陵断垄带。

省内深大断裂主要有NE-NNE向深大断裂和NW向深大断裂。其中NE-NNE向深大断裂主要有慈利-保靖断裂、晨溪-怀化断裂、溆浦-靖州断裂、通道-江口断裂、城步-新化断裂、公田-灰汤-新宁断裂、连云山-衡阳-零陵断裂、川口-双牌断裂、茶陵-郴州断裂、桂东-汝城断裂。该组深大断裂的主要活动时期大多为中生代，部分断裂如慈利-保靖断裂、溆浦-靖州断裂及城步-新化断裂等在新元古代和加里东期有重要活动。NW向深大断裂由北东向和北西向主干断裂组成的网状断裂系统是中生代最为醒目的构造变形图像，其中常德-安仁断裂和郴州-邵阳2条北西向深大断裂具有重要的构造意义。

1.3 岩浆岩

湖南省火山岩不发育，零星出露于雪峰山以东地区。中酸性侵入岩比较发育，出露大于0.1 km2岩体有193个，总面积17 457 km2，占湖南省岩浆岩侵入岩面积的95%，其他的侵入岩体虽多，但总面积小，侵入时代自中元古代至中生代晚白垩世，岩性以花岗岩为主。

2 热矿泉水分布特征

湖南省内热矿泉水资源丰富，种类齐全，水质良好，是我国矿泉水资源大省。其中含有丰富的微量元素，特别是含有大量对人体有益的微量元素。我省矿泉水按用途分为医疗矿泉水和饮用矿泉水两大类。根据《湖南省地下热水资源》[5]，目前，湖南省热矿泉水其中符合《食品安全国家标准饮用天然矿泉水》(GB8537-2018)的指标元素且未超过限量指标元素的达标热矿泉水有39处可作为天然饮用矿泉水。

2.1 行政区域分布特征

湖南省热矿泉水分布广泛，但相对集中，主要分布在湘西北、湘东和湘东南三大区域。

符合天然饮用热矿泉水总共39处，在全省14个市州中，分别分布在长沙市、郴州市、常德市、邵阳市、衡阳市、张家界市、株洲市、永州市、湘西土家苗族自治州9市州中。从热矿泉水数量来看，郴州市最多，共16处，占热矿泉水总数的41.03%，主要分布在郴州市区、宜章县、永兴县、汝城县等；张家界市8处，占热矿泉水总数的20.51%，主要分布在慈利县和桑植县；长沙市4处，占热矿泉水总数的10.26%，主要分布在长沙市区；湘西土家苗族自治州3处，衡阳市3处，分别占热矿泉水总数的7.69%；常德市2处，占热矿泉水总数的5.13%；株洲市、邵阳市、永州市各1处，分别占热矿泉水总数的2.56%，见图1。

图1 热矿泉水在各州市分布占比图

2.2 构造单元分布特征

除洞庭盆地无热矿泉水分布外，符合天然饮用矿泉水标准的 39处热矿泉水单元在其余构造单元均有分布，其中粤湘赣早古生代沉降带热矿泉水点最多，有12处，占总点数的30.77%；其次为湘北断褶带，有10处，占总点数的25.64%；雪峰构造带和云开沉降带各有7处，分别占总点数的17.95%；湘桂早古生代陆缘沉降带分布最少，有3处，占总点数的7.69%。如图2。

图2 热矿泉水在各构造单元分布占比

湖南省热矿泉水主要与区域断裂构造带有密切关系。深大断裂不仅是将地球内热向上转移再分配的通道，还控制着热矿泉水的活动区范围。如图3，石门-古丈-新晃北东向断裂带以北为热矿泉水强烈活动区，热矿泉水遍布全区，该断裂带以南则为热矿泉水活动微弱区。断裂的交汇部位岩石比较破碎，有利于热矿泉水的富集，沿多条近平行断裂组成的断裂带也是热矿泉水的富集地带，而华夏陆块断裂较发育，热矿泉水分布也较多。另外，褶皱构造的核部或翼部也为热矿泉水的富集带。

图3 湖南省饮用型热矿泉水分布图

3 热矿泉水水化学特征

3.1 热矿泉水水化学类型

地下热水的水化学特征是岩土体中的矿物成分与地下流水相互作用的结果，它主要取决于地热水径流过程中接触的围岩成分、水文地质条件及氧化还原条件等外界因素[6]。本次研究对39处热矿泉水单元数据进行统计分析，省内39处热矿泉水属于中低温水，最高温度为53.6℃，最低温度为25℃，平均温度为36.86℃。发现湖南省39处热矿泉水绝大部分属于中-弱碱性，pH最大值为9.1，最小值为6.8，平均值为7.58，主要集中在7.0～9.0。全省39处热矿泉水大部分为淡水，TDS最大值为1 014.8 mg/L，最小值为203.39 mg/L，平均值为478.32 mg/L。而TDS越高，说明热矿泉水在径流溶滤过程中，径流途径相对较长，接触到不同种类的岩层多，同时与围岩的萃取也不充分[7]。

湖南省39处热矿泉水单元富含多种元素，其中阳离子主要有K+(0.09～5.73 mg/L)、Na+(0.32～75.95 mg/L)、Ca2+(12.3～199.2 mg/L)、Mg2+(4.4～56.52 mg/L)，阴离子以Cl-(0.18～7.44 mg/L)、SO42-(11.6～391.33 mg/L)、HCO3-(71.8～398.09 mg/L)为主。根据39处水质分析资料统计，全省热矿泉水除未见氯化物型外，重碳酸型热矿泉水为主要水化学类型，其余水化学类型多样，共计有11种，其中以HCO3-Ca·Mg型、HCO3-Ca型、HCO3-SO4-Ca·Mg型和SO4·HCO3-Ca·Mg型居多。Piper三线图(见图4)上：阳离子三角图上热矿泉水单元大多落于左下角，阴离子三角图上热矿泉水单元大多落于左中下角，在菱形图中热矿泉水单元大多处于5区，说明其水化学类型确实大多为重碳酸型。

图4 湖南省热矿泉水piper三线图

3.2 热矿泉水类型特征

湖南省39处热矿泉水类型可分为单一型和复合型两种类型，共39处。

单一型是指单元素达标热矿泉水。全省共有26处，占热矿泉水总数的66.67%，其中以锶型热矿泉水为主，有17处，其次为偏硅酸型热矿泉水，有7处，锌型热矿泉水最少，只有2处。

复合型是指多元素达标热矿泉水。湖南省39处热矿泉水单元有三元素达标1类，双元素达标2类，共计13处，占热矿泉水总数的33.33%。其中三元素复合型有溶解性总固体锶偏硅酸型热矿泉水1处；双元素复合型有锶偏硅酸型热矿泉水10处，锶锂型热矿泉水2处。具体见表1。

表1 热矿泉水类型统计表

3.3 热矿泉水分类成矿特征

成矿元素是指达到天然饮用矿泉水命名要求的元素。湖南省39处热矿泉水单元中成矿元素为偏硅酸、锶、锂、锌和溶解性总固体(TDS)，受成矿作用影响，形成了相应的天然热矿泉水。具体见表2。

表2 湖南省天然饮用热矿泉水特征表

3.3.1 Sr型热矿泉水

大多分布于湘北断褶带和粤湘赣沉降带。富Sr的热矿泉水的水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg和HCO3-Ca，说明重碳酸型热矿泉水较有利于Sr2+的富集，但Sr2+的含量却普遍偏低，平均含量1.03 mg/L，这是由于水中的Ca2+对Sr2+的迁移产生影响造成的。在地下水与周围介质作用时，Sr2+就会伴随着Ca2+从富Ca或者富K的岩石中被释放出来，或者由于阳离子吸附交替作用，使Ca2+与Sr2+被解析而从高分散颗粒(如黏土)表面转入水中，但当地下水中Ca2+浓度达到饱和而发生沉淀时，Sr2+常置换Ca2+发生共沉淀，这样会导致一部分溶解到水中的Sr2+又发生了沉淀，造成了HCO3-Ca矿泉水中Sr2+的含量普遍偏低。

富Sr的热矿泉水水化学类型为HCO3-SO4-Ca·Mg的分布虽不如前两者广泛，但Sr2+的含量较高，这是水中SO42-对Sr2+行为的影响造成的。而热矿泉水中主要阴离子与Sr2+含量的分析表明：SO42-与Sr2+有明显的正相关关系，可见SO42-对Sr2+有重要的控制作用。

3.3.2 偏硅酸型热矿泉水

在雪峰构造带分布较多。偏硅酸型热矿泉水水化学类型较为复杂，多为重碳酸型，其中主要为HCO3-Na·Ca和HCO3-Na，且H2SiO3平均含量较高，可见HCO3-Na·Ca和HCO3-Na型热矿泉水有利于H2SiO3的富集。

矿泉水中偏硅酸的含量不仅与围岩中SiO2的多少有关，还与组成岩石的矿物成分的稳定程度有关，矿物的分解越强，SiO2越易转入水中。全省碳酸盐岩中偏硅酸型热矿泉水的分布数量最多，从岩性来看，并不具备偏硅酸水的形成条件，但作为含水介质富水性较好的碳酸盐岩，其围岩大多为高SiO2含量的花岗岩或碎屑岩等，物质来源较为丰富，热矿泉水在深循环对流过程中，不仅获得热能，而且溶滤围岩SiO2的能力相对比冷水更加强烈，从而形成众多的偏硅酸型热矿泉水。

3.3.3 Li型热矿泉水

这2处Li型热矿泉水主要分布在雪峰构造带，且达标元素还有Sr，因此，属于锂和锶的复合型热矿泉水。水化学类型为SO4-Ca和SO4·HCO3-Na·Ca。

3.3.4 Zn型热矿泉水

Zn型热矿泉水仅有2处，分别分布在云开晚古生代沉降带和湘北断褶带。水化学类型为HCO3-Ca·Mg。

3.3.5 TDS型热矿泉水

TDS型热矿泉水只有1处，分布在粤湘赣沉降带，同时，它还满足锶型、偏硅酸型矿泉水的元素含量条件，因此，属于溶解性总固体锶偏硅酸型热矿泉水。水化学类型为SO4·HCO3-Ca·Mg。

4 结语

(1)全省符合天然饮用矿泉水标准的39处热矿泉水单元主要分布在湘西北、湘东和湘东南。在全省14省个市州中，9个市州均有分布。按照构造单元的分布特征，表现为粤湘赣沉降带最多，其次为湘北断褶带，再次为雪峰构造带和云开沉降带，湘桂陆缘沉降带分布最少。

(2)全省热矿泉水属于中低温水，pH值主要集中在7.0～9.0，绝大部分属于中-弱碱性，且大部分热矿泉水均为淡水。

(3)热矿泉水化学类型主要为重碳酸型，其中以HCO3-Ca·Mg型、HCO3-Ca型、HCO3-SO4-Ca·Mg型和SO4·HCO3-Ca·Mg型居多。主要热矿泉水类型分为单一型和复合型，单一型有锶型、偏硅酸型和锌型，其中锶型热矿泉水数量最多，偏硅酸型热矿泉水次之，锌型热矿泉数量最少；复合型有锶锂复合型、锶偏硅酸复合型以及溶解性总固体锶偏硅酸复合型，其中锶偏硅酸型热矿泉水数量最多。