我國北方典型地區高氟水分布特征及形成機理*

何 錦 范基姣 張福存 韓雙寶 金曉琳

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

我國北方典型地區高氟水分布特征及形成機理*

何 錦 范基姣 張福存 韓雙寶 金曉琳

(中國地質調查局水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051)

在前人研究我國北方高氟水分布特征基礎上，總結了我國北方三種高氟水的形成機制:①濃縮富集型;②巖石溶濾型;③海侵富集型。通過對三個典型地區——張掖盆地、赤峰盆地以及滄州平原的地貌地質條件、氣候條件、含水層條件的系統分析以及水化學、同位素證據，得出三個地區的高氟水形成機理分別為蒸發濃縮富集、巖石溶濾以及海侵富集，并針對我國國情，提出了防止氟中毒的建議和方法。

高氟水;機理;赤峰;滄州;張掖

在世界范圍內，長期飲用高氟地下水是導致產生地氟病的主要原因［1］。在我國北方地區，由于飲用高氟地下水而導致的氟中毒十分普遍。據報道［2］，我國北方飲水型氟中毒病區主要涉及1 108個縣、10萬個自然村，受威脅人口近8 000萬。因此，研究這些地區的高氟水富集機理對于有效控制病源水體，尋找適宜水源，減少和杜絕氟中毒的發生，保護人類健康都具有重要現實意義。本文依據前人工作成果，選擇典型地區——張掖盆地、赤峰盆地以及滄州平原對中國北方主要高氟地下水富集機制進行總結探討，為今后尋找適宜飲用水源地以及有針對性地選擇處理方法提供了科學依據。

1 不同類型高氟水富集特征

氟在地下水中的富集是長期地質作用和地球化學演變的結果。在我國北方高氟水主要分布區，由于其受不同的巖石類型、氣候、地形地貌、地質構造、水文地質和污染等環境地質因素的影響，從而形成了不同的富集模式類型［3］，見表1。

1.1 蒸發濃縮型

主要分布于西北大型內陸盆地、山西六大盆地、松嫩平原、華北平原等地勢低洼地帶，為淺層高氟水主要成因類型。氟在地下水中的富集一般具有分帶性規律，從山前到細土平原或濱海平原，地下水含氟量逐漸增高。其主要機理為上游富含氟離子的地下水，在徑流途中到地勢平坦或低洼地帶，由于地下水徑流滯緩、水動力條件差、水位埋藏淺、蒸發作用強烈，氟離子等化學元素在特定表生地球化學環境下在淺層地下水中濃縮富集。

1.2 溶濾富集型

主要分布于內蒙古高原，黃土高原和一些山地丘陵區，如內蒙古北部高原、陰山山地、鄂爾多斯高原黃土地區。該類型多存在于淺—中層承壓含水層。主要的富氟機制為這些地區巖石主要由富氟礦物組成，包括黑云母、磷灰石、角閃石等經過地下水的長期溶蝕以及地表水的溶濾作用下，巖層中的氟不斷遷移進入地下水，從而使得地下水中含氟量升高。

1.3 海侵富集型

主要存在濱海平原一帶，如:河北滄州、天津、唐山等沿海城市地區，而局部內陸盆地中也有發現。其主要的富氟機制為該地區主要含水層在沉積過程中曾經多次受到海侵影響，其淺海相沉積地層中富含的淤泥質等粘土礦物會吸附海水中氟離子，富鈉的地下水化學環境也使得海退時氟離子大量賦存下來，從而導致地下水的中氟離子的富集。

2 典型地區研究

2.1 張掖盆地

蒸發濃縮型研究區選擇西北內陸張掖盆地甘州區，其屬于典型溫帶大陸性干旱氣候，降水少而蒸發強烈，從地貌上分為南部山前沖洪積戈壁平原和盆地中部沖洪積細土平原以及北部山前戈壁平原。區內主要河流為黑河。高氟水主要分布在盆地中部地勢低洼的細土平原區，富氟含水層為0－40m的淺層地下水，高氟水含氟量一般為2－4mg/l，最高可以達到7.6mg/l(見圖1)。

表1 我國北方高氟水主要成因類型

圖1 張掖市甘州區淺層地下水氟離子分布圖

通過對當地淺層地下水循環演化規律的分析，可以查明研究區淺層高氟地下水形成的水文地質原因［4］。研究區南部山區的降水匯集形成徑流，在出山口進入盆地，流經洪積扇地帶，大量滲漏補給地下水，在沖洪積扇中上部含水層顆粒粗大、導水性強、水力坡度大、地下水徑流條件好，所以地下水中含氟量都較低。南部洪積扇緣及與之毗鄰的細土平原區為多層潛水－承壓水含水層，顆粒漸細、導水性減弱、地下水位抬升，蒸發濃縮作用增強，水氟含量升高，形成高氟水(見圖2)。

圖2 張掖盆地地下水補給、徑流、排泄示意圖

進一步研究該地區地下水水化學和同位素特征，可得知該區淺層氟離子分布具有明顯的分區性特征［5－7］(圖3、圖4)。①低氟水區(ρ(F－)＜0.5mg/l)主要分布在補給區山前戈壁帶以及河流兩側受河水補給地區，其地下水水化學特征為低礦化度、弱堿性的HCO3－Ca型水。其反映出河水滲漏進入含水層的溶濾作用;處在淋溶能力較弱的低氟環境。同時，地下水樣的δD平均值為－60‰，δ18O平均值為－9.5‰，均靠近當地大氣降水線，說明了其補給來源主要為山區大氣降水，蒸發作用微弱。②中氟水區(1mg/l＜ρ(F－)＜2mg/l)，主要分布在河流中游的平原區。其水樣中TDS值升高，pH值增大，地下水化學類型演化為HCO3－SO4－Na－Mg型，其反映出地下水在徑流過程中水巖作用時間長，Ca2+－Na+離子交換作用導致水中堿性增加從而利于氟離子富集;此時，地下水樣的δD平均值為－53‰，δ18O平均值為－8.3‰，較之補給區δD、δ18O值增大，反映出蒸發作用對淺層地下水的有輕微影響。③高氟水區(ρ(F－)＞2mg/l)，主要分布在徑流條件緩慢、地形低洼、地下水位埋深淺的排泄區。地下水化學類型為高礦化度的SO4－Cl－Na型水，其水樣的δD、δ18O值明顯偏離當地大氣降水線，反映出淺層地下水受到強烈蒸發濃縮作用，強烈的蒸發作用使得氟離子濃縮富積在含水介質及包氣帶中，從而導致地下水中氟離子升高。

2.2 赤峰盆地

巖石溶濾型研究區選擇內蒙古赤峰盆地，屬于典型的半干旱大陸季風氣候，冬季寒冷、夏季干熱。區內多山，山脈多屬于大興安嶺南部余脈，縱貫全區及南部，地勢由西向東微傾斜。本區主要河流為老哈河和西拉沐淪河，并在局部山區發育有季節性河流。

區內高氟水(ρ(F－)＞2mg/l)主要以西拉木淪河以北的侵蝕構造中低山區的基巖裂隙水以及西拉木淪河以南，老哈河以北的黃土丘陵地區的第四系孔隙潛水為主?？偯娣e約為29 000km2，占全區總面積的32.4%。

通過相關資料得知［8］:該地區位于陰山東西向復雜構造帶與大興安嶺新華夏構造帶交接部位的東南端。北部高氟水分布區，以侏羅系火山巖及白堊系流紋巖、燕山期花崗巖組成。這些變質巖和火山巖均存在較高的全氟含量(表2)。例如:區內侏羅紀玄武巖全氟含量最高可以達到2 600mg/kg，遠大于全球地層含氟平均值660mg/kg(維諾格拉多夫，1962)。在地下水徑流過程中，含氟硅酸鹽等礦物進行溶解、溶濾作用，使含氟硅酸鹽晶格架不斷被破壞，迫使氟離子轉入水中，以黑云母水解為例:

圖5 赤峰淺層地下水氟離子等值線圖

其形成的水化學類型以HCO3－Na、SO4－Na、Mg型為主;其特點為弱堿性、低礦化度、高鈉低鈣、富含SiO2，反映出典型硅酸鹽溶解的特征。另外，區內巖石風化強烈、裂隙節理發育，加速了富氟礦物中氟元素的遷移轉化，水氟隨著裂隙水匯于低洼地帶的基巖風化殼或砂礫石層中，使得北部山麓的斜坡和溝谷地帶成為高氟水分布區。

表2 赤峰盆地不同類型賦存介質地下水中的F－含量

南部高氟水分布區，其巖性為黃土狀亞粘土、亞砂土。作為母巖剝離風化產物，其繼承了區內新生界以前地層巖石中富氟量較高的特點，土壤平均含氟量為5.22mg/kg (表2)，遠遠大于世界未污染土壤表層水溶態氟正常含量0.50mg/kg。另外黃土堆積物垂向節理發育，導水迅速，使降水更易沿裂隙淋溶含氟礦物到達潛水，從而造成了黃土丘陵區的淺層地下水中氟離子升高。

2.3 滄州平原

海侵富集型研究區選擇華北滄州平原，其東臨渤海，屬于半濕潤大陸季風氣候。地貌類型為沖洪積、湖積平原和濱海沖積海積平原。根據前人調查結果［9］，區內深層地下水含氟量超標率達到80%以上;其中第四系含水巖組中更新統孔隙承壓含水層(第Ⅲ含水層，頂底板埋深150－250m)為主要富氟含水層。氟離子含量為0.47－7.12mg/l(見圖5)。

根據資料顯示，渤海地區晚更新世以來發生了幾次大規模海侵，其中以渤海西岸滄州海侵最具有代表性［10］。通過對滄州地下水典型氟含量剖面圖研究發現(見圖6)，從肅寧－海興，各個含水層地下水中含氟量變化較大，隨著海相地層的增加，地下水中的氟離子含量也逐漸增大;尤其是在第Ⅲ含水層中海相沉積地層中地下水的含氟量很高，這說明海水入侵時，海陸交替沉積的細粒粘土類礦物因其較大的表面能吸附大量氟離子，海水中大量氟化物伴隨沉積物留了下來，在適當的水文地球化學條件下轉入地下水中，成為地下水中主要氟物質來源;另外咸淡水混合過程中海水中大量Na+與淡水中Ca2+發生的陽離子交換作用、使得地下水中Na+/Ca2+值急劇增加(見圖7)，通過水化學類型的變化也可以反映出海水入侵對地下水水質的影響，從非海侵區的HCO3－Ca、Na型過渡到HCO3、SO4－Na、Cl，HCO3－Na、Cl，而Na+的增加，導致了水中堿性的增強，OH－取代F－的離子代換作用加強，提高了氟離子活性，加速巖石中氟礦物的溶解、遷移、富集程度。

圖7 滄州第Ⅲ含水層氟離子與Lg(Na/Ca)散點關系圖

另外，滄州市第四紀頻繁的火山活動分布于滄州市以東，呈多層不連續分布，分布區內層數和厚度不一。火山巖巖性主要為凝灰巖，少數為玄武巖。這些巖石含有大量氟化物，從而增大了地層載氟量。

通過對比研究發現，滄州西部平原的海進次數、海浸時間及海相層厚度都遠不如東部平原，且火山巖沉積僅見于東部，這就是滄州平原地下水中含氟含量從西到東由小到大差異的主要原因。

3 防氟建議及方法

綜上所述，我國北方典型的高氟水的形成機制為:①濃縮富集型;②巖石溶濾型;③海侵富集型。

由于我國北方地區的自然環境，氣象氣候和水文地質條件復雜多變，造成了區域地下水中氟離子富集的多樣性，在某些地區往往形成多種成因高氟水共存的局面。例如:在山區水系發育區，由于其氟背景值含量異常和特殊地球化學特征，造成了水中氟離子異常升高，從而形成溶濾富集型高氟水;在徑流過程中，地下水遇到特殊含氟地層(海侵地層、火山巖地層)會形成局部水氟含量的異常，形成海侵富集型高氟水;而在徑流排泄區，水動力不暢、地形低洼、地下水以蒸發排泄為主，強烈的蒸發作用使得氟離子濃縮富積在含水介質及包氣帶中，再由降雨或者灌溉過程帶回地下水中，經過長期作用，形成蒸發濃縮型的高氟水。故在分析研究具體地區地下水高氟水類型時，應綜合考慮以上各種因素。

鑒于我國北方水資源的稀缺性，尤其是廣大干旱－半干旱地區居民的主要飲用水源均為地下水，而大面積的地下水均已被高氟水污染，降低F－含量成為充分利用當地珍貴的地下水資源成為當前面臨的主要任務。目前，國內外人工降氟的方法主要有電滲析方法、硫酸鋁沉淀法、石灰沉淀法，還有用活性碳、沸石、氧化鋁等的吸附法，這些方法都可以使得F－的去除率達到80%左右，但上述方法中有些成本較高，有些可能造成二次污染，不宜推廣。有些國家采用冰凍法降氟，取得了較好的效果［11］。而利用我國北方冬季氣溫較低的特點，嘗試采用天然冰凍法去除水中的F－，應該是簡單有效的方法［7］。

因此針對我國北方高氟水形成特點，尋找淺層低氟水源、適度開采深層低氟地下水，采用適當的人工降氟方法應是減少高氟水危害的主要和有效的措施，但若根治其危害應長期加強對生態環境的綜合治理，同時政府應加強防病知識教育工作。

(編輯:王愛萍)

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［5］陳宗宇，萬力，等.利用穩定同位素識別黑河流域地下水的補給來源［J］.水文地質工程地質，2006，(5):9－14.

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［11］甘肅省環保局.甘肅省環境質量報告書［R］.1995:13－47.

AbstractBased on the achievements about distribution study of high-fluoride water of north China the paper，summarized three types of high-fluoride water forming mechanism:enrichment type，rock leach type and seawater intrusion type.Illustrating geological and geographical condition，climate condition，aquifer condition，and evidences of water chemistry and isotope of three typical areas，Zhangye Basin，Chifeng Plain，Cangzhou Plain，the paper draws the conclusion that the high－fluoride water forming mechanisms of the three typical area are evaporation concentration，rock leach type and seawater intrusion type.According to China＇s national conditions，the paper gives advice and measures to prevent fluoride poison.

Key wordshigh-fluoride water;mechanism;chifeng;Cangzhou;Zhangye

Distribution and Mechanism Study of High-fluoride Groundwater in Typical Areas in North China

HE JinFAN Ji-jiaoZHANG Fu-cunHAN Shuang-baoJIN Xiao-lin
(Center for Hydrogeology and Environmental Geology，CGS，Baoding Hebei 071051，China)

X832

A

1002－2104(2010)05專－0181－05

2010-05-26

何錦，工程師，主要研究方向為水文水資源。

*國土資源大調查項目(No:1212010634711)