內(nèi)蒙古化德縣七號(hào)盆地高氟淺層地下水水化學(xué)特征

施俊杰，張春華，楊文凱，張建軍

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020)

內(nèi)蒙古化德縣七號(hào)盆地高氟淺層地下水水化學(xué)特征

施俊杰1，張春華2，楊文凱1，張建軍1

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)第七地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020;2.內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院，內(nèi)蒙古呼和浩特 010020)

通過資料收集、野外調(diào)查、樣品采集與測(cè)試分析，應(yīng)用水文地質(zhì)學(xué)、水文地球化學(xué)的基本理論和方法，分析了化德縣七號(hào)盆地高氟淺層地下水水化學(xué)特征及氟的分布特征，歸納總結(jié)了研究區(qū)地下水氟的來源及影響因素，為該地區(qū)防氟改水提供了水文地質(zhì)依據(jù)。

化德縣;七號(hào)盆地;高氟水;水化學(xué)特征

氟是與人類健康密切相關(guān)的化學(xué)元素，對(duì)人體構(gòu)成具有重要影響，但攝氟過量會(huì)導(dǎo)致氟中毒。地方性氟中毒在世界范圍流行很廣，危害極大。在我國除了上海、海南、臺(tái)灣到目前還沒有發(fā)現(xiàn)氟中毒，其他各個(gè)省市自治區(qū)都有地方性氟中毒不同程度的流行。內(nèi)蒙101個(gè)旗縣中有77個(gè)旗縣存在飲水型氟中毒，生活在高氟地區(qū)的人口大約為600萬，氟斑牙患者現(xiàn)有170萬。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國有近7 000萬人飲用高氟水。

內(nèi)蒙古化德縣七號(hào)盆地是我國典型原生高氟地下水分布區(qū)，高氟地下水的存在直接威脅著廣大農(nóng)牧民的飲水安全。同時(shí)，地下水氟含量超標(biāo)也造成了原本貧水的地區(qū)更加缺水，供需矛盾突出，嚴(yán)重阻礙了社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。2009年，內(nèi)蒙古自治區(qū)地質(zhì)勘查項(xiàng)目招標(biāo)委員會(huì)啟動(dòng)了“內(nèi)蒙古自治區(qū)化德縣城市供水七號(hào)水源地水文地質(zhì)詳查”計(jì)劃項(xiàng)目，本文首次在系統(tǒng)總結(jié)本區(qū)已有水文地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，旨在分析七號(hào)盆地高氟地下水分布及水化學(xué)特征，為該地區(qū)防氟改水提供了水文地質(zhì)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

七號(hào)盆地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市化德縣東北部，東經(jīng) 114°12'43″～ 114°49'41″，北緯 41°58'08″～42°17'16″。東西長(zhǎng) 51 km，南北寬36 km。

七號(hào)盆地北臨內(nèi)蒙古高原中部，西南與陰山之余脈相聯(lián)，處于區(qū)域分水嶺地段。區(qū)內(nèi)地形總趨勢(shì)為西高東低，南、西、北三面環(huán)山，中部為區(qū)內(nèi)最大的間歇性河流前二圖郭勒，最高點(diǎn)在化德縣七號(hào)鎮(zhèn)西長(zhǎng)順溝北，地面高程為1 686.7 m;最低點(diǎn)在化德縣七號(hào)鎮(zhèn)東安葉村東北，地面高程1 236.0 m，整體上為低山丘陵和波狀高原地形。

研究區(qū)地處內(nèi)蒙古高原南沿，屬于典型的半干旱大陸性氣候。多年平均氣溫為2.8℃，多年平均降水量312.21 mm，蒸發(fā)量高達(dá)2013.23 mm。大氣降水主要集中在6～8月份，占年降水量的58%以上。

1.2 地質(zhì)與構(gòu)造

區(qū)內(nèi)地層區(qū)劃屬內(nèi)蒙～松花江地層區(qū)，內(nèi)蒙草原分區(qū)，鑲黃旗～赤峰小區(qū)。出露地層從老到新為下二疊統(tǒng)三面井組(P1s)、上侏羅統(tǒng)張家口組(J3z)、下白堊統(tǒng)巴彥花組(K1b)、新近系上新統(tǒng)(N2)和第四系(Q)地層。其中新近系上新統(tǒng)(N2)地層分布最廣，下白堊統(tǒng)巴彥花組(K1b)出露最少。

研究區(qū)巖漿浸入自華力西期以來較為頻繁，以酸性深成侵入為主，其中華力西(γ4)和燕山期(γ5)花崗巖體分布最廣，變質(zhì)石英閃長(zhǎng)巖δo4、花崗閃長(zhǎng)巖γδ4、石英閃長(zhǎng)玢巖δou4等均以小型巖體侵入，且與花崗巖有脈生關(guān)系。各種小型巖脈侵入也是境內(nèi)巖漿活動(dòng)的主要特點(diǎn)之一。在秋靈溝和七號(hào)鎮(zhèn)三勝的石英脈巖中，伴有鎢礦、綠柱石等小型脈巖，而在各期花崗巖中均見螢石以脈巖出現(xiàn)。華力西期花崗巖在李二考溝至沙河灣一帶，形成了似片麻狀花崗巖。由于較大的斷裂構(gòu)造的控制，各期花崗巖多以NE·NW兩個(gè)方向侵入，為大小不一的巖株、巖墻產(chǎn)出。

研究區(qū)在大地構(gòu)造上位于華力西晚期褶皺帶與內(nèi)蒙地軸交接部位。三級(jí)構(gòu)造單元為陰山臺(tái)拱。四級(jí)構(gòu)造單元為化德穹褶斷束。在構(gòu)造體系上，恰位于緯向構(gòu)造體系與新華夏系之復(fù)合部位。區(qū)內(nèi)褶皺與斷裂受復(fù)合體系的控制，以北東南西向?yàn)橹鳌^(qū)內(nèi)構(gòu)造行跡以斷裂為主，褶皺次之，巖漿巖活動(dòng)頻繁廣泛。

1.3 水文地質(zhì)概況

研究區(qū)主要供水含水層主要為第四系河谷松散巖類的孔隙潛水，主要分布在前二圖郭勒河谷。在小比例克以西河谷寬約500 m，以東河谷寬約1 500－2 000 m。巖性以細(xì)砂、中粗砂、砂礫石為主，厚度平均10 m左右。在河谷上游其厚度一般小于10 m，在下游厚度大于10 m，最厚處在小比例克至徐四營子一帶。涌水量由上游的小于100 m3/d到中下游漸增至300 m3/d。水位埋深一般在3 m以內(nèi)，礦化度小于1.0 g/L。該含水層之下普遍分布一層厚度比較大的粘性土層，最厚處約40 m左右，為第四系河谷松散巖類孔隙潛水的隔水底板。

除第四系河谷外其它地段由于第四系松散層薄，甚至第三系地層直接出露地表，無第四系松散巖類的孔隙潛水。

第四系河谷松散巖類的孔隙潛水主要接受大氣降水和洪水補(bǔ)給，少量接受低山丘嶺裂隙潛水補(bǔ)給。地下水流向由西南向東北流，地下水的開采和地下徑流是排泄的主要途徑，潛水蒸發(fā)也是其不可忽視的排泄途徑之一。

2 樣品的采集與分析

為了研究七號(hào)盆地高氟地下水的水化學(xué)特征和成因，在研究區(qū)共采集潛水水樣12組。采集的水樣主要進(jìn)行了常規(guī)水化學(xué)組分、氟離子分析。樣品分析工作在內(nèi)蒙古自治區(qū)第一水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘查院實(shí)驗(yàn)室完成。

為了研究工作內(nèi)地下水的形成環(huán)境、年齡，地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件，在充分分析已有資料的基礎(chǔ)上，在研究區(qū)內(nèi)共采集同位素樣(T、D、18O)3組，其中大氣降水樣1組，淺層水(潛水)2組。樣品由國土資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室測(cè)定完成，測(cè)試結(jié)果見表1、表2。

3 結(jié)果與討論

3.1 高氟地下水水化學(xué)－同位素特征

3.1.1 潛水水化學(xué)特征

由于地處分水嶺地帶，研究區(qū)潛水主要接受大氣降水的垂直入滲補(bǔ)給，水循環(huán)積極，交替作用強(qiáng)烈，地下水以溶濾作用為主，在河谷中心區(qū)，地下水位埋藏較淺，水化學(xué)成份受到蒸發(fā)濃縮作用影響較大。

根據(jù)本次研究取樣分析結(jié)果(見圖1)，潛水多為HCO3·CL～Na·Mg型水。PH值在7.50～8.23之間;礦化度在0.50～1.27 g/L之間，在不同地層巖性和地貌單元上表現(xiàn)出明顯的分帶性。潛水中的陰離子類型主要以HCO3型水和HCO3·CL型水為主，僅在溝谷下游崩紅腦包支溝中以CL－型水為主。陽離子類型主要以Na·Mg型為主，僅在前二圖郭勒上游設(shè)清溝中，陽離子類型為Na·Ca型。

圖1 研究區(qū)地下水Piper三線圖

潛水在前二圖郭勒上游區(qū)主要為HCO3～Ca·Mg或Na·Mg型水。下游工作區(qū)邊界鄧家村一帶主要為HCO3～Na·Mg型和HCO3·CL～Na· Mg型水;下游支溝中崩紅腦包以南為CL～Na型水;其它廣大地區(qū)皆HCO3·CL～Na·Mg型水。

沿前二圖郭勒河谷，潛水礦化度呈現(xiàn)低～高～低的變化特征，在四合村、和睦村一帶為0.65 g/L左右，到大廟、小比例克一帶則增加到0.9 g/L左右，到河北三木匠以下，多＞1 g/L;在工作區(qū)邊界鄧家村，可能受到附近支溝地下水混合作用，礦化度又減少到0.7 g/L左右。潛水中其它離子的變化特征與礦化度變化規(guī)律基本一致(見表1)。

表1 研究區(qū)潛水水質(zhì)測(cè)試結(jié)果

3.1.2 同位素分布特征

在水循環(huán)的每一階段，受大氣蒸汽源的同位素組成、水汽凝結(jié)和蒸發(fā)過程中的同位素分餾作用、蒸發(fā)作用以及不同水體的混合作用等影響，水中的18O和D具有不同的演化規(guī)律和組成特征。

工作區(qū)內(nèi)沒有開展過系統(tǒng)的同位素研究工作，不能建立當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(wěn)定同位素雨水線方程，僅以臨近本區(qū)的包頭地區(qū)大氣降水穩(wěn)定同位素雨水線方程作為本地區(qū)的參考方程。

表2 同位素測(cè)試結(jié)果匯總表

從圖2可以看出，各取樣點(diǎn)均落在大氣降水線的右下側(cè)，說明區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水的補(bǔ)給，并且受到一定程度的蒸發(fā)作用影響。

圖2 潛水、雨水δ18O與δD關(guān)系圖

3.1.3 地下水氚年齡

根據(jù)地下水是否受到核爆試驗(yàn)期間產(chǎn)生的大量核爆氚的標(biāo)記，可將地下水形成時(shí)間劃分為核爆試驗(yàn)前和核爆試驗(yàn)后兩個(gè)階段。核爆試驗(yàn)前(1953年前)天然情況下大氣降水的氚濃度為10 TU，這種含氚的降水入滲進(jìn)入地下水之后，按照同位素放射性衰變方程，到取樣時(shí)間2006年時(shí)，地下水的氚濃度衰減為0.5 TU，小于氚的測(cè)試本底。因此若地下水的氚濃度小于此數(shù)值，一般可認(rèn)為其年齡大于50年;若地下水的氚濃度大于0.5 TU，則表明地下水為核爆試驗(yàn)開始后補(bǔ)給的，其年齡小于50年。

地下水中氚的濃度變化因素受多種因素的影響，不僅與大氣降水及地表水輸入到地下水中的氚濃度有關(guān)，還與含水介質(zhì)的構(gòu)造、巖石性質(zhì)、地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律等因素有一定的關(guān)系。

從本次工作采集樣品測(cè)試結(jié)果(表2)可以看出潛水中的氚值與大氣降水中的氚值極為接近，說明潛水主要接受大氣降水補(bǔ)給，并于近期形成。而承壓水中氚含量分別為小于1 TU和1.3 TU，其年齡較大，但也應(yīng)為核爆試驗(yàn)開始后補(bǔ)給的，其年齡也應(yīng)小于50年。

3.2高氟地下水成因淺析

由表1可知，研究區(qū)第四系河谷潛水氟含量偏高，氟離子在12件水樣中有10個(gè)樣點(diǎn)超標(biāo)，超標(biāo)值在1.6～5.6 mg/L之間，超標(biāo)率達(dá)83.33%，高氟水在河谷地區(qū)大面積分布。

3.2.1 形成高氟水原因之一

研究區(qū)二疊系板巖、凝灰質(zhì)砂礫巖、巖屑晶屑凝灰?guī)r和黑云母花崗巖、花崗斑巖、石英閃長(zhǎng)巖比較發(fā)育。因此，為形成高氟水提供了物質(zhì)來源。

3.2.2 氟的遷移和富集

含水層顆粒越粗，水力坡度越大，徑流條件越好，氟越不易富集。而研究區(qū)內(nèi)第四系松散巖類孔隙潛水分布地區(qū)(前二圖郭勒河谷洼地區(qū))，地形相對(duì)平緩，向下游緩傾斜，地形坡度上游羅家村一帶約8‰，中游大公烏素村一帶約2.5‰左右，下游八號(hào)村以下多1‰～2‰，地下水徑流條件差，不利于氟遷移，而有利于氟富集。

3.2.3 弱堿性水有利于氟的富集

本區(qū)地下水pH值在7.50～8.23之間，為弱堿性水。資料顯示，弱堿性水中含氟硅酸鹽礦物易溶于水，導(dǎo)致巖石中的氟溶出。因此，地下水的pH值越高，越有利于氟的富集。

3.2.4 氣候條件

氣候條件為本區(qū)地下水中氟富集最根本的外在因素。研究區(qū)多年平均降水量312.21 mm，蒸發(fā)量高達(dá)2 013.23 mm，為極其干旱的氣候特征，降水稀少，水動(dòng)力條件差，蒸發(fā)強(qiáng)烈，濃縮作用加劇，致使含氟礦物溶解后富集。

4 結(jié)語

(1)研究區(qū)淺層地下水潛水氟含量在0.8～5.6 mg/L之間，氟離子在12件水樣中有10個(gè)樣點(diǎn)超標(biāo)，超標(biāo)率達(dá)83.33%，高氟水在河谷地區(qū)大面積分布。

(2)研究區(qū)地下水的弱堿性環(huán)境、背景巖石含氟高、地下水徑流條件差、干旱、半干旱的氣候條件是造成地下水氟元素富集的重要因素。

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Research on Hydro－chemical Characteristics of Fluorine－rich Shallow Groundwater in No.7 Basin of Huade County，Inner Mongolia

Shi Junjie1，Zhang Chunhua2，Yang Wenkai1，Zhang Jianjun1
(1.Inner Mongolia Seventh Geological Mineral Exploration Institute of，Hohhot 010020，China;2.Geological Survey Institute of Inner Mongolia，Hohhot 010020，China)

By analyzing water samples collected from No.7 basin of Huade county and field investigation data，the paper makes a study on the hydrochemical characteristics and distribution features of the fluorine－rich shallow groundwater under the guidance of hydrogeology and hydrogeochemistry theories.According to the result，source and influencing factors of fluorine in studied groundwater are summarized，which provide scientific basis for changing fluorine content and improve groundwater quality.

Huade County;No.7 basin;fluorine － rich groundwater and Hydrochemical characteristics

P641.12

A

1004－1184(2013)05－0032－04

2013-05-13

施俊杰(1984-)，男，山西大同人，助理工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作。