陜西渭南朝邑灘潛水水溶氟的分布及形成機理分析

吳農(nóng)莊

(陜西省地下水管理監(jiān)測局，陜西 西安710003)

朝邑灘是全國飲水型氟中毒病區(qū)之一，據(jù)調查，全區(qū)12.5萬人中，氟病患者約3.8萬人，患病率達21%。通過對該區(qū)268.9 km2水文地質及水文地球化學調查，采取地下水樣分析化驗，對該區(qū)潛水水溶氟的分布規(guī)律及其影響因素有了較全面的了解，對該區(qū)域改水工作具有重要意義。

1 自然地理及地質構造概況

1.1 自然地理

朝邑灘位于三門峽庫區(qū)，處于黃河北干下段右岸黃、渭、洛三河交匯處，地形平坦，由東向西，自北而南呈緩傾斜，坡降分別為4‰和0.3‰，該區(qū)屬半干旱大陸性氣候，多年平均降雨量為435.9 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 780.3 mm，約為年降雨量的4倍。

1.2 地質構造

1.2.1 構造

構造上位于汾渭地塹中部固市、運城凹陷之間，北鄰雙泉—監(jiān)猗大斷裂，自新生代以來，斷裂南北兩側地層不論在巖相特征及沉積厚度上都有很大差異，斷裂以北為隆起區(qū)，以南為強烈下降區(qū)。自下更新世以來，本區(qū)地殼強烈下降，沉積了一套巨厚的河、湖相沉積。到了上更新世，地殼相對穩(wěn)定，但仍呈緩慢下降趨勢，形成了一套沖積的河流相沉積物。

1.2.2 地層

全區(qū)均為一套第四系地層，自上而下為全新統(tǒng)沖積(Q4

al)粉細砂，亞粘土及亞砂土，中粗砂，局部可見礫石，礫石直徑0.5～2.0 cm，該地層水平方向表現(xiàn)為西部顆粒細，東部顆粒粗，在垂直方向為上細下粗的分布特征，總厚度35～50 m;上更新統(tǒng)沖積(Q3al)亞砂土、亞粘土及中細砂層厚30～40 m;中更新統(tǒng)(Q2al+l)沖積、湖積淤泥質粘土、亞砂土及粉細砂含少量黑色礦物，厚度35～45 m;下更新統(tǒng)沖積、湖積(Q1

al+l)亞粘土及亞砂土及粉細砂，見圖1。

2 水文地質條件

該區(qū)潛水埋深一般小于3 m。地下水主要受大氣降水入滲補給，其次受三級階地及黃河側向補給，地下水流動滯緩，地下水替交循環(huán)條件差，，主要從東、西兩側向中部匯流后沿中預安—六連—五連—二連一線向南排泄于渭河。另外垂直蒸發(fā)排泄是本區(qū)的主要排泄方式。

圖1 水文地質剖面圖

3 潛水水溶氟的分布

地下水水溶氟主要賦存第四系更新統(tǒng)含水巖組中，地層巖土中的含氟量與地下水中氟含量密切相關，但是，地下水水溶氟含量隨著水文地質條件的變化而不同，由東向西地下水徑流條件逐漸變差，含水介質顆粒逐漸變細，相應地地下水氟含量則由低變高，一般由小于0.5 mg/L變?yōu)榇笥?.5 mg/L。這表明水溶氟含量與地層顆粒組成有密切關系。顆粒越細水溶氟含量越高，即粘土、亞粘土高于亞砂土，這是由于一方面粘粒等細顆粒中含氟礦物較多，另一方面由于細顆粒比表面積大，對氟離子有較強的吸附能力。另外，由于西部地下水埋深小，一般小于1米，蒸發(fā)濃縮作用強烈，使?jié)撍兴芊鷿饪s富集于潛水頂部及地表。因此，潛水水溶氟含量由東向西逐漸增大，以西部距三級階地坡腳下250～350 m南北向洼地氟含量最高。

4 潛水中氟的來源

地下水水溶氟的主要來源于第四系松散地層中的含氟礦物，這些含氟礦物是由上游古老巖層風化后經(jīng)過水流搬運沉積為第四系松散地層，含氟礦物以第四系粘土礦物為主，這些礦物主要有:黑云母［K(Mg·Fe·Mn)2(AlSi3O10)(OHF)2］，硅 鎂 石［Mg(siO4)(OHF)］，白 云 母 ［(KAl(AlSiO3O10)(OHF)2］，金云母［KMg3(AlSi3O10)(OHF)2］，角閃石［Ca2Na(MgFe)4(AlFe)［(SiAl)4O11］2［OHFI］，含氟礦物中的氟在地球表生作用下，不斷水解、溶濾，從固態(tài)(巖土)向液態(tài)(地下水)介質中轉化，成為區(qū)內潛水中氟的主要來源，氟在地下水中主要以陰離子(F-)形式存在，含氟礦物經(jīng)過水解作用氟離子(F-)便進入地下水中。

據(jù)調查，黃河三級階地地下水氟含量普遍較高，一般2.0～3.0 mg/L，三級階地地下水側向補給黃河灘地，髙氟水補給進一步加劇了黃河漫灘潛水氟含量增加，這是該區(qū)水溶氟的又一來源。

5 地下水氟含量與沉積環(huán)境關系

地下水氟含量受沉積環(huán)境的制約，沉積環(huán)境不同，其水溶氟含量亦不同，因此，地下水中氟含量一方面與氟元素的化學特性有關，另一方面與沉積環(huán)境有更密切的關系。

5.1 氟含量與沉積相關系

朝邑灘潛水中氟含量較高的地層均為沖積，湖積相地層，實際資料表明，沉積環(huán)境不同，其氟含量亦不同，一般沖積相氟含量低于湖積相，這就是說積物顆粒較粗的地層氟含量低于顆粒較細的，顆粒愈細，其氟含量愈高，見圖2、圖3和圖4。

圖2 F-與PH關系圖

圖3 F-與Na+(K+)關系圖

圖 4 F-與 Ca+.Na+關系圖

由于含水介質的氟含量不同，相應地下水氟含量亦有差異，尤其在地下水經(jīng)流滯緩的條件下，地下水的成份受含水介質的影響更為突出，由黃河到三級階地地下水徑流條件逐漸變差，其潛水中氟含量亦由東向西逐漸增加，潛水氟含量從小于0.5 mg/L到大于1.5 mg/L。在西部凹槽地帶，由于經(jīng)流特別滯緩，而含水介質以粘土、亞粘土及粉細砂為主，地下水與含水介質相互作用的時間增長，其溶解和淋濾效果更加顯著，又因西部凹槽一帶地下水埋藏小于1.0 m，蒸發(fā)濃縮作用強烈，有利用氟離子的聚集。凹槽地帶水溶氟一般大于1.5 mg/L.

5.2 湖相沉積物的關系

氟是咸水湖動物骨骼，貝殼的組成元素之一，尤其是淤泥質湖相地層富含膠體物質，對F-有一定吸附作用，在地下水交替循環(huán)中有利于氟進入地下水中。該區(qū)更新統(tǒng)地層多為淤泥質湖相沉積，對更新統(tǒng)地下水氟的富集起著一定的控制作用。

5.3 古氣候與氟含量關系

第四系更新世以來，由于氣候不斷波動，出現(xiàn)多次冰期與間冰期，據(jù)有關資料，冰期氣候比較寒冷，年平均氣溫為0℃左右，間冰期氣候比較溫暖，年平均氣溫在10℃左右，更新世氣溫這種周期性寒暖交替，在沉積物組成和顏色上有著明顯地表現(xiàn)，當間冰期氣溫升高時，化學風比作用增強，蒸發(fā)濃縮作用顯著，就水溶氟而言，易于富集。因此，凡間冰期對應含水介質含氟量就高。而冰期對應的含水介質含氟量相對較低。相應地賦存于間冰期含水介質中水溶氟含量就高。

6 氟含量與水化學成份的關系

環(huán)境地質條件及環(huán)境水文地質條件決定了該區(qū)地下水水化學成份及其組合，同時也制約著環(huán)境中氟的遷移與積聚。

6.1 氟與PH值的關系

氟的化學性質決定了氟離子(F-)在地下水中有極強的遷移能力，它不論在酸性還是堿性介質中都能遷移，但是尤其在偏堿性的條件下，氟的遷移能力更強，使巖土中的氟易進入水中，該區(qū)地下水的 PH一般為7.5～8.5之間，最高達9.3，隨著潛水偏堿性幅度增大，其氟含量也隨之增高。

6.2 氟與鉀、鈉離子的關系

氟離子(F-)與鉀(K+)、鈉(Na+)離子呈正相關性，因為該區(qū)地下水埋藏淺，以蒸發(fā)濃縮作用為主，這時氟離子的濃度總是同鉀(K+)、鈉(Na+)離子同時增加，在該區(qū)潛水中，一般當鉀(K+)、鈉(Na+)離子毫克當量百分數(shù)小于35%時，潛水水溶氟含量一般小于0.5 ml/l，當鉀、鈉離子毫子當量百分數(shù)為60%時，水氟含量大于1.5 mg/l。

6.3 氟與鈣、鎂離子的關系

氟(F-)與鈣(Ca2+)鎂(Mg2+)離子之間具有負相關性，但是，與鈣離子相關性比與鎂(Mg2+)離子的關系更密切，這是由于氟在水中可與鈣(Ca2+)離子形成氟化鈣沉淀，使水中氟離子減少，西部凹槽地帶由于幾乎無鈣(Ca2+)離子，所以氟(F-)離子含量相對較高。

6.4 氟與水化學類型的關系

在該區(qū)，有一個非常明顯的特征，潛水氟(F-)含量與該區(qū)地下水水化學類型有較密切的關系。區(qū)內水化學類型中，氟與其陰離子組合的關系不大明顯，但與陽離子組合的關系非常密切，一般地當?shù)叵滤疄镹a、Na·Mg型水時，其氟含量最高，一般為大于1.5 mg/L;當?shù)叵滤愋蜑?Mg·Ca及Ca·Mg型水，其潛水氟含量最低。本區(qū)在東部一般為Ca·Mg或Ca·Mg·Na型水，潛水氟含量一般小于0.5 mg/L，中部為Na·Ca及 Ca·Na型水其潛水氟含量一般為0.5～1.0 mg/L，西部一般為Na或Na·Mg型水，其潛水氟含量一般大于 1.5 時/L。

7 結論

朝邑灘第四紀更新世的沉積地層是區(qū)內潛水水溶氟的主要來源，半封閉式和大陸性半干旱氣候是氟水形成的重要因素。三級階地地下水側向補給加劇了該區(qū)地下水水溶氟進一步惡化。平坦的地形和滯緩的徑流條件以及地下水埋藏小對本區(qū)氟水形成起著較為重要的作用，地下水水化學成分對區(qū)內氟遷移富集發(fā)揮著積極的作用。多種環(huán)境條件的綜合影響決定了該區(qū)水溶氟的遷移和積聚。

［1］陜西省地質礦產(chǎn)局第二水文地質工程地質隊.陜西省大荔縣朝邑黃河灘飲用水水文地質勘察報告.1985(6):2-15.

［2］楊成田.專門水文地質學.1985(5):519-520.

［3］陜西省地下水工作隊.朝邑灘排水工程水文地質勘察報告.1986(8):1—7.

［4］任耀根、朱仁猛等.陜西省定邊平原地區(qū)潛水會氟量分布規(guī)律及影響因素的探討.地球化學(第二期).1988(6).