0 引言

矿泉水是一种宝贵的地下水资源，具有广泛的社会应用价值。矿泉水的形成机理主要是水-岩反应^{[1, 2]}，并且水-岩反应受pH值、催化剂等因素的影响^{[3, 4]}。近年来，国内外学者对水-岩反应的研究主要集中在云母矿物以及碳酸盐等层面。Oelkers等^[5]研究了实验室条件下白云母矿物的溶解并建立了反应速率方程。Pachana等^[6]研究了不同pH值和温度下云母矿物的反应，认为pH值和温度对云母矿物反应有较大影响。周锦铭^[7]研究了卧龙含硅饮用矿泉水的化学成因，主要是由于含硅和钙的长石石英砂岩、微斜长石、纳长石的水解，使地下水中产生硅酸和锶。张念龙等^[8]探讨了富锂、锌矿泉水形成的原因，主要是富含锂、锌矿物的溶解。陈振东等^[9]认为长白山地区玄武岩呈现弱碱性，且玄武岩f区矿泉水为硅酸型矿泉水。但前人对于长白山玄武岩地区矿泉水的研究仅仅局限于矿泉水特征、开发潜力方面，而对玄武岩区矿泉水特征组分H₂SiO₃成因的研究尚处空白。笔者以靖宇县典型泉(王大山泉)岩样为实验材料，考虑了野外状况下腐植酸和大气中CO₂的影响，设计了相关实验，并对矿物反应机理进行了分析，研究了靖宇县矿泉水特征组分H₂SiO₃的成因。 1 材料和方法 1.1 供试岩样

供试岩样采自靖宇县典型泉眼王大山泉。岩石为玄武岩，斑状结构，气孔或块状构造；矿物成分主要为斑晶橄榄石、斜长石；基质为间粒结构，主要由细粒的斜长石、单斜辉石和磁铁矿组成，长板状的斜长石局部呈半定向排列，其中充填有辉石、磁铁矿颗粒。岩石成分见表 1。

将王大山泉岩样研磨成粉末，颗粒粒径约为200目，称取岩石粉末300 g，放入2 L的大烧杯中，按水、岩质量比5∶1，加入1.5 L去离子水(离子质量分数为0)，加盖密封。根据王大山泉水样实测pH值以及含腐植酸土浸泡水样的pH值，设计4组实验，编号分别为W₁、W₂、W₃和W₄。其中：W₁和W₂仅考虑pH值影响，W₁初始pH值为7.25，W₂初始pH值为8.10；W₃和W₄同时考虑pH值和CO₂影响，W₃初始pH值为6.64，W₄初始pH值为8.15，并且在实验开始7 d后，向反应溶液中通入CO₂使反应溶液pH保持在弱酸性(5.8 < pH < 6.2)。

实验在常温密封下进行，实验于反应第1、2、3、5、7、10、15、20、25、30、40、50、60、70、80、100、120、140、160、180 天取样测定。每次取水样25 mL，测定溶液中H₂SiO₃质量分数，并在每次取样后向容器中注入相同体积的去离子水，恢复原水位。 2 结果与分析 2.1 实验结果

图 1为4组实验溶液中H₂SiO₃质量分数随时间的变化曲线。由图 1结合平均释放速率的计算可知：W₁实验中，溶液中H₂SiO₃质量分数在反应0~75 d增加缓慢，在反应第75 天为1.55 mg/kg，平均释放速率为0.02 mg/(kg·d)，此后溶液中H₂SiO₃质量分数趋于稳定(重复实验结果表明W₁实验溶液中H₂SiO₃质量分数增加，但增加量较小)。W₂实验中，溶液中H₂SiO₃质量分数在反应开始后缓慢增加，在反应第60 天为185.00 mg/kg，平均释放速率为3.08 mg/(kg·d)，此后溶液中H₂SiO₃质量分数趋于稳定。W₃实验中，在反应0~7 d，溶液中H₂SiO₃质量分数升高较快，在第7 天，溶液中H₂SiO₃质量分数为130.00 mg/kg，平均释放速率为18.57 mg/(kg·d)；在第7天通入CO₂，溶液中H₂SiO₃质量分数升高速率增加，在反应第25天溶液中H₂SiO₃质量分数为243.00 mg/kg，此后溶液中H₂SiO₃质量分数趋于稳定。W₄实验中，溶液中H₂SiO₃质量分数在反应0~7 d缓慢增加，反应第7天，溶液中H₂SiO₃质量分数30.05 mg/kg，平均释放速率为4.29 mg/(kg·d)；在反应第7天，溶液中通入CO₂，溶液中H₂SiO₃质量分数迅速升高，此时平均释放速率为12.00 mg/(kg·d)，在反应第30天，溶液中H₂SiO₃质量分数为225.00 mg/kg，此后溶液中H₂SiO₃质量分数趋于稳定。

图 1 实验溶液中H2SiO3质量分数变化曲线Fig. 1 Curve of H2SiO3 of experiment solution

图选项

由实验结果可以看出，反应溶液的初始pH值和CO₂的加入对H₂SiO₃的释放有较大的影响；同时也证明，在野外实际条件下，降水在渗入玄武岩含水层前，溶解大气中的CO₂和黏性土中的腐殖酸，对H₂SiO₃的形成有较好的促进作用。在实验室条件下，上述实验溶液中矿物释放H₂SiO₃的规律以及发生的矿物溶解反应由化学反应动力学和矿物反应机理进行分析。 2.2 化学动力学分析

根据各实验溶液中H₂SiO₃质量分数变化曲线趋势，采用Stanford等^{[10, 11]}的一阶反应动力学模型来拟合W₁、W₂、W₃和W₄实验中H₂SiO₃质量分数随时间的变化过程

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由表 2可以看出，溶液初始pH值对溶液中H₂SiO₃释放有较大影响。在弱酸性条件下，H₂SiO₃释放量最大，反应速率最大；在中性条件下，H₂SiO₃释放量最小，反应速率也最小。W₂实验和W₄实验对比可以得出，CO₂对H₂SiO₃释放有较好的促进作用，由于CO₂的作用，W₄实验中H₂SiO₃最大释放量和释放速率常数比W₂实验有较大的提高。 3 矿物反应机理分析 3.1 模型构建

实验分析得出了溶液中H₂SiO₃的释放量以及释放规律。现利用能量最低原则和化学热力学的基本原理构建数学模型，分析实验岩样中矿物释放H₂SiO₃的反应机理。

由于通入CO₂后，W₄条件与W₂相同，因此仅选择W₁，W₂和W₃实验进行分析。将W₁、W₂和W₃实验最终平衡溶液进行全分析，先利用能量最低原则和化学热力学的基本原理建立数学模型，再利用Matlab优化工具箱提供的函数linprog对模型进行求解。

目标函数根据热力学原理，化学反应的自由能变化ΔG_r越小，正反应趋势就越大。据此，设定实验反应溶液系统各化学反应的反应自由能变化ΔG之和的最小值为目标函数，即

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表 3为W₁实验中水-岩作用化学反应及自由能变化。表 4为W₁实验初始液和平衡液离子浓度及其特征值。表 5为W₁实验最优可行解。

W₁实验约束条件为

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W₂实验约束条件为

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表 9为W₃实验中水-岩作用化学反应及自由能变化。表 10为W₃实验初始溶液和平衡液离子浓度及其特征值。表 11为W₃实验的最优可行解。

W₃实验约束条件为

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经过分析可知：溶液中H₂SiO₃由玄武岩中矿物的水-岩反应产生，并且H₂SiO₃的产生在中性条件下最弱，玄武岩中矿物(主要为斜长石、镁橄榄石、透辉石)基本不发生反应；在碱性条件下，玄武岩中矿物发生水解；在弱酸性条件下，特别是加上CO₂的参与，玄武岩中矿物与H⁺和CO₂发生反应，H₂SiO₃的释放量最大。在野外条件下，大气降水溶解CO₂，经过地表腐殖层渗入到玄武岩含水层，H₂SiO₃的形成主要由玄武岩中矿物与H⁺和CO₂反应产生。在玄武岩裸露地区，大气降水直接渗入到玄武岩含水层，但由于研究区玄武岩为碱性岩石，则H₂SiO₃的形成由玄武岩矿物H⁺、CO₂以及水解综合反应产生。 4 结论

1)pH值对H₂SiO₃的形成影响较大，弱酸性条件下H₂SiO₃的形成较碱性条件下容易，反应速率快，释放量大；在中性条件下H₂SiO₃很难形成。CO₂有利于溶液中H₂SiO₃的形成。

2)实验溶液中H₂SiO₃释放规律符合Stanford一阶反应动力学方程。

3)在碱性条件下，H₂SiO₃主要是玄武岩中矿物(斜长石、镁橄榄石、辉石)的水解产生；在酸性和CO₂共同作用下，H₂SiO₃主要是玄武岩中矿物与H⁺和CO₂反应产生。

4)靖宇矿泉水中H₂SiO₃的形成是地下水与玄武岩中矿物长期反应的结果。