奈曼旗南部山区富锶—偏硅酸地下水形成机制与开发潜力

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2025.062

地球科学进展 ›› 2025, Vol. 40 ›› Issue (12): 1283 -1296. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2025.062

曹文庚¹^,²(

), 鲁重生¹^,²(

), 庄海艳³, 丛日辉³, 仝艳龙⁴, 任宇¹^,², 李祥志¹^,², 卢瑶¹^,², 王妍妍¹^,²

^1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北石家庄 050061
^2.河北省/中国地质调查局地下水污染机理与修复重点实验室，河北石家庄 050061
^3.奈曼旗水务局，内蒙古通辽 028300
^4.奈曼旗自然资源局，内蒙古通辽 028306

收稿日期:2025-07-14 修回日期:2025-09-19 出版日期:2025-12-10
通讯作者: 鲁重生 E-mail:caowengeng@mail.cgs.gov.cn;cugblcs4515@163.com
基金资助:
中国地质调查局水文地质调查项目(DD20242500-1);中国地质科学院基本科研业务费专项(SK202411)

Formation Mechanism and Exploitation Potential of Strontium and Metasilicic Acid -Rich Groundwater in the Southern Mountainous Area of Naiman Banner

Wengeng CAO¹^,²(), Chongsheng LU¹^,²(), Haiyan ZHUANG³, Rihui CONG³, Yanlong TONG⁴, Yu REN¹^,², Xiangzhi LI¹^,², Yao LU¹^,², Yanyan WANG¹^,²

^1.The Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geosciences, Shijiazhuang 050061, China
^2.Key Laboratory of Groundwater Contamination and Remediation, Hebei Province & China Geological Survey, Shijiazhuang 050061, China
^3.Water Affairs Bureau of Naiman Banner, Tongliao Inner Mongolia 028300, China
^4.Natural Resources Bureau of Naiman Banner, Tongliao Inner Mongolia 028306, China

Received:2025-07-14 Revised:2025-09-19 Online:2025-12-10 Published:2026-01-17
Contact: Chongsheng LU E-mail:caowengeng@mail.cgs.gov.cn;cugblcs4515@163.com
About author:CAO Wengeng, research areas include hydrogeological and hydrogeochemical research. E-mail: caowengeng@mail.cgs.gov.cn
Supported by:
the Hydrogeological Survey Project of China Geological Survey(DD20242500-1);Chinese Academy of Geological Science Basal Research Fund(SK202411)

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奈曼旗作为科尔沁农牧交错带水源涵养区，区内发现的富锶—偏硅酸地下水可为地下水健康研究和矿泉水开发提供契机。以内蒙古奈曼旗南部山区为靶区，基于水文地质调查与37组地下水样品测试数据，采用水文地球化学分析方法，揭示了富锶—偏硅酸地下水空间分异规律与成因机制。结果表明，研究区地下水呈中性—弱碱性，水化学类型以HCO₃-Ca型为主，锶含量介于0.24~1.83 mg/L，偏硅酸含量介于14.9~29.9 mg/L，富锶—偏硅酸复合型地下水分布在区内麦饭石矿区周边；碳酸盐岩与硅酸盐岩风化溶解以及阳离子交替吸附促进了地下水中锶的富集，室内实验表明，麦饭石的溶滤有利于偏硅酸地下水的形成；研究也指明了区内孔隙—裂隙含水层具备富锶—偏硅酸地下水矿泉水开发潜力，为乡村振兴与地质资源协同利用提供了科学依据。

关键词: 富锶—偏硅酸地下水, 形成机制, 水文地球化学过程, 开发潜力, 奈曼旗

As a water conservation area in the Horqin agro-pastoral ecotone, Naiman Banner boasts strontium and metasilicic acid-rich groundwater, which provides opportunities for groundwater health research and mineral water development. This study selected the southern mountainous area of Naiman Banner, Inner Mongolia, as the target area. Based on hydrogeological surveys and test data from 37 groups of groundwater samples, hydrogeochemical analysis methods were employed to reveal the spatial differentiation patterns and formation mechanisms of strontium-rich and metasilicic acid groundwater. Results indicated that the groundwater in the study area is neutral weak alkaline, with HCO₃-Ca as the main hydrochemical type. The strontium content ranges from 0.24 to 1.83 mg/L, and the metasilicic acid content ranges from 14.9 to 29.9 mg/L. The strontium rich metasilicic acid composite groundwater is distributed around the Maifanshi mining area in the area. The weathering and dissolution of carbonate rocks and silicate rocks, as well as the alternating adsorption of cations, promote the enrichment of strontium in groundwater. Indoor experiments have shown that the leaching of vermiculite is beneficial for the formation of metasilicic groundwater. The study also indicates that the pore fissure aquifer in the area has the potential for industrialized development of strontium and metasilicic acid-rich mineral water, providing scientific basis for rural revitalization and coordinated utilization of geological resources.

Key words: Strontium and metasilicic acid-rich groundwater, Enrichment mechanism, Hydrogeochemical processes, Exploitation potential, Naiman Banner.

中图分类号:

P641.1

图1 奈曼旗南部山区地理位置及地下水样品分布

Fig. 1 Location and distribution of groundwater samples in southern mountainous area of Naiman Banner

图2 奈曼旗区域地质概况（a）和含水岩组富水性分区（b）

Fig. 2 Geological map （a） and water-rich zoning of water-bearing rock group （b） in Naiman Banner

图3 奈曼旗地下水的Piper三线图

Fig. 3 Piper diagram of groundwater in Naiman Banner

表1 奈曼旗南部山区地下水水化学参数统计 (mg/L)

Table 1 Statistics of groundwater hydrochemical parameters in southern mountainous area of Naiman Banner

样品	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	HCO $3 -$	Cl^-	SO $4 2 -$	NO $3 -$	Sr	H₂SiO₃	游离CO₂	TDS	F^-	Fe	TH	pH
NQ1	0.280	18.5	50.3	7.5	122	12.6	62.2	23.2	0.264	21.0	9.9	316	0.76	0.036 4	158	7.45
NQ2	0.430	17.3	51.9	7.5	146	8.8	54.3	15.4	0.331	27.8	13.3	323	1.06	0.096 6	161	7.25
NQ3	0.180	34.3	98.3	16.8	296	16.1	111.0	25.7	0.623	22.4	29.2	623	0.73	0.023 0	316	7.14
NQ4	1.340	23.4	91.2	16.0	293	29.8	46.0	38.5	0.552	23.4	22.8	562	0.58	0.177 0	295	7.35
NQ5	0.199	20.1	65.4	9.4	183	17.5	61.0	24.8	0.387	24.7	15.5	402	0.51	0.036 7	203	7.40
NQ6	0.626	26.7	96.2	14.8	202	43.8	84.2	80.7	0.520	29.9	21.5	578	0.40	0.649 0	304	7.13
NQ7	0.521	19.2	48.7	12.2	189	14.0	29.3	23.6	0.503	23.0	13.3	356	0.76	0.122 0	173	7.65
NQ8	0.626	21.2	91.9	14.0	311	28.0	49.3	15.4	0.560	26.1	21.9	554	0.38	0.042 0	288	7.37
NQ9	0.326	24.9	164.0	30.0	329	102.0	52.6	187.0	1.190	25.3	28.0	918	0.46	0.037 1	535	7.29
NQ10	0.443	15.4	99.2	18.1	370	21.5	12.0	52.2	0.712	26.7	24.6	608	0.57	0.007 3	324	7.51
NQ11	0.218	13.0	82.6	13.9	240	26.9	35.4	48.5	0.509	20.0	26.3	478	0.32	<0.004 5	265	7.50
NQ12	1.470	25.7	89.4	13.7	216	12.5	113.0	40.8	1.020	26.3	13.8	531	0.28	<0.004 5	281	7.79
NQ13	0.492	10.2	60.6	12.9	204	19.6	9.2	40.8	0.383	23.4	11.5	377	0.64	0.023 5	206	7.26
NQ14	0.639	36.4	276.0	42.3	304	240.0	77.8	365.0	1.640	18.0	35.9	1 373	0.31	0.497 0	869	6.97
NQ15	0.518	24.2	87.6	15.3	232	35.0	44.8	59.7	0.569	21.7	12.4	521	0.34	0.033 8	283	7.58
NQ16	0.339	21.1	99.8	16.8	273	41.0	44.9	58.6	0.644	20.0	17.5	574	0.42	0.013 7	320	7.28
NQ17	0.287	12.6	72.7	11.7	204	19.6	20.3	64.2	0.428	20.4	10.7	422	0.37	0.049 2	231	7.53
NQ18	0.522	53.9	147.0	17.2	269	88.6	55.4	232.0	0.790	26.9	15.8	892	0.33	0.019 3	439	7.34
NQ19	0.777	33.0	98.0	16.3	266	72.1	68.4	1.4	0.699	21.3	15.8	574	0.54	0.013 3	314	7.45
NQ20	0.603	26.0	141.0	31.4	211	92.8	74.9	223.0	1.090	17.7	10.2	814	0.66	0.137 0	484	7.67
NQ21	0.508	42.2	165.0	32.5	291	114.0	59.8	254.0	0.977	19.4	20.5	978	0.37	0.020 0	548	7.37
NQ22	0.434	24.7	104.0	22.4	328	41.0	34.6	62.6	0.972	21.7	15.8	633	0.42	<0.004 5	354	7.49
NQ23	0.667	24.4	125.0	22.5	414	53.6	43.4	27.8	0.976	20.9	25.6	729	0.46	0.005 1	407	7.39
NQ24	0.764	41.4	138.0	37.4	255	87.5	65.5	269.0	1.640	14.9	14.1	912	1.46	0.015 8	501	7.47
NQ25	0.576	24.8	191.0	33.1	403	77.0	82.4	204.0	1.830	22.8	28.6	1 034	0.43	<0.004 5	616	7.26
NQ26	0.463	18.3	65.2	11.5	198	6.3	69.3	6.8	0.519	17.7	10.7	390	0.30	0.393 0	213	7.49
NQ27	0.266	12.6	103.0	16.5	226	54.3	39.0	87.8	0.585	20.0	16.7	558	0.29	0.017 0	327	7.30
NQ28	0.525	22.8	142.0	21.0	365	63.0	65.1	59.7	0.775	21.0	28.2	758	0.28	0.007 6	443	7.21
NQ29	0.489	12.4	41.6	6.6	166	8.1	6.6	10.6	0.240	27.2	12.4	274	0.38	0.017 1	132	7.44
NQ30	0.427	16.9	94.6	16.0	198	19.6	128.0	25.2	0.428	21.3	20.5	515	0.18	0.009 0	303	7.23
NQ31	0.404	16.5	54.4	10.5	248	8.8	6.7	14.5	0.344	28.0	9.8	382	0.64	<0.004 5	180	7.51
NQ32	0.211	14.8	83.1	12.8	254	17.5	21.6	57.5	0.572	23.5	12.8	480	0.48	0.027 4	261	7.43
NQ33	0.384	15.7	58.2	9.3	167	22.8	20.4	46.3	0.334	24.7	7.7	362	0.43	0.007 8	185	7.53
NQ34	0.441	13.7	59.7	14.9	285	8.8	4.5	7.4	0.444	21.7	13.7	412	0.75	0.010 5	196	7.47
NQ35	0.590	21.1	85.8	16.3	372	9.1	12.2	6.5	0.575	22.2	21.3	542	0.59	<0.004 5	283	7.36
NQ36	0.335	10.2	57.3	12.6	248	2.1	6.4	9.9	0.451	22.0	11.1	361	0.51	0.009 3	196	7.67
NQ37	2.180	84.9	222.0	45.7	403	184.0	119.0	330.0	1.510	17.1	27.8	1 416	0.69	0.005 8	746	7.37
最小值	0.180	10.2	41.6	6.6	122	2.1	4.5	1.4	0.240	14.9	7.7	274	0.18	0.005 1	132	6.97
最大值	2.180	84.9	276.0	45.7	414	240.0	128.0	365.0	1.830	29.9	35.9	1 416	1.46	0.649 0	869	7.79
平均值	0.550	24.2	102.8	18.4	262	46.5	51.1	83.8	0.720	22.5	18.0	609	0.52	0.080 0	334	7.40
标准差	0.380	14.1	51.1	9.7	75	50.8	33.2	98.9	0.410	3.4	7.1	274	0.24	0.140 0	166	0.17

表1 奈曼旗南部山区地下水水化学参数统计 (mg/L)

Table 1 Statistics of groundwater hydrochemical parameters in southern mountainous area of Naiman Banner

样品	K⁺	Na⁺	Ca²⁺	Mg²⁺	HCO $3 -$	Cl^-	SO $4 2 -$	NO $3 -$	Sr	H₂SiO₃	游离CO₂	TDS	F^-	Fe	TH	pH
NQ1	0.280	18.5	50.3	7.5	122	12.6	62.2	23.2	0.264	21.0	9.9	316	0.76	0.036 4	158	7.45
NQ2	0.430	17.3	51.9	7.5	146	8.8	54.3	15.4	0.331	27.8	13.3	323	1.06	0.096 6	161	7.25
NQ3	0.180	34.3	98.3	16.8	296	16.1	111.0	25.7	0.623	22.4	29.2	623	0.73	0.023 0	316	7.14
NQ4	1.340	23.4	91.2	16.0	293	29.8	46.0	38.5	0.552	23.4	22.8	562	0.58	0.177 0	295	7.35
NQ5	0.199	20.1	65.4	9.4	183	17.5	61.0	24.8	0.387	24.7	15.5	402	0.51	0.036 7	203	7.40
NQ6	0.626	26.7	96.2	14.8	202	43.8	84.2	80.7	0.520	29.9	21.5	578	0.40	0.649 0	304	7.13
NQ7	0.521	19.2	48.7	12.2	189	14.0	29.3	23.6	0.503	23.0	13.3	356	0.76	0.122 0	173	7.65
NQ8	0.626	21.2	91.9	14.0	311	28.0	49.3	15.4	0.560	26.1	21.9	554	0.38	0.042 0	288	7.37
NQ9	0.326	24.9	164.0	30.0	329	102.0	52.6	187.0	1.190	25.3	28.0	918	0.46	0.037 1	535	7.29
NQ10	0.443	15.4	99.2	18.1	370	21.5	12.0	52.2	0.712	26.7	24.6	608	0.57	0.007 3	324	7.51
NQ11	0.218	13.0	82.6	13.9	240	26.9	35.4	48.5	0.509	20.0	26.3	478	0.32	<0.004 5	265	7.50
NQ12	1.470	25.7	89.4	13.7	216	12.5	113.0	40.8	1.020	26.3	13.8	531	0.28	<0.004 5	281	7.79
NQ13	0.492	10.2	60.6	12.9	204	19.6	9.2	40.8	0.383	23.4	11.5	377	0.64	0.023 5	206	7.26
NQ14	0.639	36.4	276.0	42.3	304	240.0	77.8	365.0	1.640	18.0	35.9	1 373	0.31	0.497 0	869	6.97
NQ15	0.518	24.2	87.6	15.3	232	35.0	44.8	59.7	0.569	21.7	12.4	521	0.34	0.033 8	283	7.58
NQ16	0.339	21.1	99.8	16.8	273	41.0	44.9	58.6	0.644	20.0	17.5	574	0.42	0.013 7	320	7.28
NQ17	0.287	12.6	72.7	11.7	204	19.6	20.3	64.2	0.428	20.4	10.7	422	0.37	0.049 2	231	7.53
NQ18	0.522	53.9	147.0	17.2	269	88.6	55.4	232.0	0.790	26.9	15.8	892	0.33	0.019 3	439	7.34
NQ19	0.777	33.0	98.0	16.3	266	72.1	68.4	1.4	0.699	21.3	15.8	574	0.54	0.013 3	314	7.45
NQ20	0.603	26.0	141.0	31.4	211	92.8	74.9	223.0	1.090	17.7	10.2	814	0.66	0.137 0	484	7.67
NQ21	0.508	42.2	165.0	32.5	291	114.0	59.8	254.0	0.977	19.4	20.5	978	0.37	0.020 0	548	7.37
NQ22	0.434	24.7	104.0	22.4	328	41.0	34.6	62.6	0.972	21.7	15.8	633	0.42	<0.004 5	354	7.49
NQ23	0.667	24.4	125.0	22.5	414	53.6	43.4	27.8	0.976	20.9	25.6	729	0.46	0.005 1	407	7.39
NQ24	0.764	41.4	138.0	37.4	255	87.5	65.5	269.0	1.640	14.9	14.1	912	1.46	0.015 8	501	7.47
NQ25	0.576	24.8	191.0	33.1	403	77.0	82.4	204.0	1.830	22.8	28.6	1 034	0.43	<0.004 5	616	7.26
NQ26	0.463	18.3	65.2	11.5	198	6.3	69.3	6.8	0.519	17.7	10.7	390	0.30	0.393 0	213	7.49
NQ27	0.266	12.6	103.0	16.5	226	54.3	39.0	87.8	0.585	20.0	16.7	558	0.29	0.017 0	327	7.30
NQ28	0.525	22.8	142.0	21.0	365	63.0	65.1	59.7	0.775	21.0	28.2	758	0.28	0.007 6	443	7.21
NQ29	0.489	12.4	41.6	6.6	166	8.1	6.6	10.6	0.240	27.2	12.4	274	0.38	0.017 1	132	7.44
NQ30	0.427	16.9	94.6	16.0	198	19.6	128.0	25.2	0.428	21.3	20.5	515	0.18	0.009 0	303	7.23
NQ31	0.404	16.5	54.4	10.5	248	8.8	6.7	14.5	0.344	28.0	9.8	382	0.64	<0.004 5	180	7.51
NQ32	0.211	14.8	83.1	12.8	254	17.5	21.6	57.5	0.572	23.5	12.8	480	0.48	0.027 4	261	7.43
NQ33	0.384	15.7	58.2	9.3	167	22.8	20.4	46.3	0.334	24.7	7.7	362	0.43	0.007 8	185	7.53
NQ34	0.441	13.7	59.7	14.9	285	8.8	4.5	7.4	0.444	21.7	13.7	412	0.75	0.010 5	196	7.47
NQ35	0.590	21.1	85.8	16.3	372	9.1	12.2	6.5	0.575	22.2	21.3	542	0.59	<0.004 5	283	7.36
NQ36	0.335	10.2	57.3	12.6	248	2.1	6.4	9.9	0.451	22.0	11.1	361	0.51	0.009 3	196	7.67
NQ37	2.180	84.9	222.0	45.7	403	184.0	119.0	330.0	1.510	17.1	27.8	1 416	0.69	0.005 8	746	7.37
最小值	0.180	10.2	41.6	6.6	122	2.1	4.5	1.4	0.240	14.9	7.7	274	0.18	0.005 1	132	6.97
最大值	2.180	84.9	276.0	45.7	414	240.0	128.0	365.0	1.830	29.9	35.9	1 416	1.46	0.649 0	869	7.79
平均值	0.550	24.2	102.8	18.4	262	46.5	51.1	83.8	0.720	22.5	18.0	609	0.52	0.080 0	334	7.40
标准差	0.380	14.1	51.1	9.7	75	50.8	33.2	98.9	0.410	3.4	7.1	274	0.24	0.140 0	166	0.17

图4 奈曼旗地下水Sr与H₂SiO₃ 的分布特征
（a）Sr与H₂SiO₃空间分布；（b）富Sr地下水数据统计；（c）富H₂SiO₃地下水数据统计。

Fig. 4 Distribution characteristics of groundwater Sr and H₂SiO₃ in Naiman Banner
（a） The spatial distribution of Sr and H₂SiO₃；（b） Sr-rich groundwater data statistics；（c） H₂SiO₃-rich groundwater data statistics.

图5 奈曼旗富Sr-H₂SiO₃ 地下水富集过程分析
富Sr （a）和H₂SiO₃ （b）地下水Gibbs图；富Sr （c）和H₂SiO₃ （d）地下水离子比值端元图；不同风化程度的麦饭石在不同温度下溶出Sr （e）和H₂SiO₃ （f）的能力；（g）基于PHREEQC的饱和指数计算结果。

Fig. 5 Analysis of the enrichment process of Sr-H₂SiO₃-rich groundwater in Naiman Banner
The Gibbs diagram of groundwater rich in Sr （a） and H₂SiO₃ （b）； Endmember diagrams of ion ratio in groundwater rich in Sr （c） and H₂SiO₃ （d）； The ability of maifanite with different weathering degrees to dissolve Sr （e） and H₂SiO₃ （f） at different temperatures；（g） Saturation index calculation results based on PHREEQC.

图6 奈曼旗地下水化学组分的相关性散点图

Fig. 6 Correlation scatter plot of groundwater chemical components in Naiman Banner

图7 奈曼旗地下水中阳离子交换比值（a）和氯碱指数（b）关系图

Fig. 7 Relationship between cation exchange ratio （a） and chlor alkali index （b） in groundwater of Naiman Banner

图8 奈曼旗地下水深度与pH关系（a）、δ¹⁸O和δD分布（b）以及氘盈余（c）

Fig. 8 Relationship between groundwater depth and pH （a）， distributionof δ¹⁸O and δD （b） and deuterium surplus （c） in Naiman Banner

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Formation Mechanism and Exploitation Potential of Strontium and Metasilicic Acid -Rich Groundwater in the Southern Mountainous Area of Naiman Banner

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