內(nèi)蒙古騰格里地下水化學(xué)特征及高氟、高礦化水成因探討

摘要：由于受地層巖性、構(gòu)造、地貌、氣候、徑流條件及人為等因素的影響，騰格里地區(qū)不同部位形成了不同水質(zhì)類型的地下水，為了合理開發(fā)利用地下水，研究其分布規(guī)律和形成機(jī)制及演化過程，有著重要意義。

關(guān)鍵詞：騰格里 地下水化學(xué)特征 礦化度 離子 成因探討

一、前言

騰格里位于阿拉善左旗南部，區(qū)內(nèi)蘊(yùn)藏著豐富的芒硝、原鹽、煤、鐵等資源。騰格里工業(yè)園是以精細(xì)化工、煤化工及新型建材深加工為主的工業(yè)園區(qū)，是阿拉善盟重點(diǎn)打造的經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)，目前入駐企業(yè)40余家，2010年完成生產(chǎn)總值16億元，財政收入1億元。然而區(qū)內(nèi)無可用的地表水，地下水是支撐經(jīng)濟(jì)發(fā)展的唯一水資源，經(jīng)過幾年的快速發(fā)展，水質(zhì)性缺水問題日益顯現(xiàn)，環(huán)境壓力越來越大，成為制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸。因此，尋找新的水源，研究地下水的分布規(guī)律、水化學(xué)特征及形成機(jī)制已刻不容緩。

二、地下水分布規(guī)律及水化學(xué)特征

根據(jù)不同含水介質(zhì)、埋藏條件和水力性質(zhì)，區(qū)內(nèi)地下水自上而下分為第四系孔隙潛水、第四系和新近系孔隙、裂隙混合承壓水和新近系裂隙孔隙承壓水。由于受區(qū)內(nèi)地層巖性、構(gòu)造、地形地貌、氣候、水動力條件及人為等因素的控制，本區(qū)地下水比較復(fù)雜，現(xiàn)自上而下分述如下：

（一） 第四系孔隙潛水水化學(xué)特征

第四系潛水分布在本區(qū)南部，陰離子以S04·CI為主，HC03·S04·CI次之，陽離子以Na型為主，Ca·Na型次之，Mg·Na型少量，水化學(xué)類型為S04·CI——Na、HC03·S04·CI——Na、HC03·S04·CI——Ca·Na和S04·CI——Mg·Na型，礦化度在南側(cè)沙漠邊緣＜1g/L，向北逐漸過渡到＞2g/L。氟離子含量同礦化度相近，自南向北由＜1mg/L→1-2mg/L→＞2mg/L變化。由于該層水分布面積小，含水層薄，水質(zhì)差，做為水源地進(jìn)行集中供水意義不大，不在敖述。

（二） 第四系和新近系混合承壓水水化學(xué)特征

該含水層位于第四系潛水之下，是本區(qū)主要開采層位，陰離子以CI·S04·HC03→HCO3·CI→CI·S04漸變，陽離子以Na·Ca·Mg→Na→Na·Mg→Na漸變。就分布面積而言，陰離子以CI·S04水為主，HCO3·CI和CI·S04·HC03水次之，陽離子以Na型水為主，Na·Ca·Mg、Na·Mg型水次之。水化學(xué)類型S04·CI——Na、HCO3·CI·S04——Na、HCO3·CI——Na 和HCO3·CI——Na·Ca·Mg。水分析成果見表1。

該層水雖然類型多樣，但具有明顯的水平分帶規(guī)律，自盆地邊緣向中心，礦化度由＜1g/L漸變?yōu)椋?g/L，氟離子由＜1mg/L漸變?yōu)椋?mg/L，見表2。氟離子同礦化度變化趨勢相同，高礦化水區(qū)氟含量也高。

（三）新近系承壓水水化學(xué)特征

該含水層位于混合承壓水之下，陰離子以CI·S04、HC03·CI、CI為主，陽離子以Na、Na·Ca、Na·Ca·Mg為主。水化學(xué)類型為S04·CI——Na、HCO3·CI·S04——Na·Ca、HCO3·CI——Na 和HCO3·CI——Na·Ca·Mg，水分析成果見表3。

地下水自盆地邊緣向中心，礦化度由＜1g/L漸變?yōu)椋?g/L，氟離子由＜1mg/L漸變?yōu)椋?mg/L，由于該層水埋藏深，水交替相對較弱，礦化度總體比混合水高，而氟離子布規(guī)律基本相近，見表4。

三、高礦化水成因探討

1. 地層高含鹽量是地下水高礦度的物質(zhì)基礎(chǔ)：區(qū)內(nèi)新近系碎屑巖含鹽量普遍較高，單孔每100克土中含鹽量76.5-1185.6mg，全區(qū)平均每100克土中含鹽量278.5mg，見表5、表6。

由表可見，除個別孔外，一般地層含鹽量高，礦化度也相對較高，二者成正相關(guān)關(guān)系。由于溶濾作用及陽離子吸附交替的結(jié)果，地層中的鹽分被轉(zhuǎn)移到水中，并隨水遷移并富集，使礦化度增高。各種鹽類溶解度的順序如下：CaCl2＞MgCl2＞NaCl＞KCl2＞MgS04＞Na2CO3＞CaS04＞CaCO3，氯化物和硫酸鹽首先從巖（石）土中溶解，當(dāng)蒸發(fā)時，這些鹽的順序剛好相反。其次，地下水的化學(xué)成分主要取決于鹽的種類，如鹽巖（NaCl）礦床內(nèi)Na+及K+和CL-占優(yōu)勢。而在石膏、天青石、重晶石等礦床內(nèi)S0-4和Ca+較多。區(qū)內(nèi)沉積巖鹽以前者居多，所以經(jīng)過長期溶濾作用，區(qū)內(nèi)地下水形成了CI·S04- Na為主的高礦水。

2. 地下水徑流、排泄條件是控制礦化度的主導(dǎo)因素：地形起伏影響著地下水的徑流及滲入補(bǔ)給強(qiáng)度，也控制著水交替強(qiáng)烈程度。本區(qū)地形起伏不大，由盆地邊緣到中心水力坡度漸小，地下水隨著水力坡度的減小徑流逐漸緩慢，水交替局部處于停滯狀態(tài)，鹽分累積逐漸增大。其次，本區(qū)為半封閉的斷陷盆地，地下水由西南、西、北向盆地中心徑流，然后由東南排出區(qū)外，由于排泄斷面狹窄，且基底隆起，地下水由盆地中心至排泄區(qū)徑流條件漸差，局部受阻，水交替漸緩，礦化度隨之增高。

3. 古地理環(huán)境也是高礦化水形成的重要因素：本區(qū)為山間半封閉斷陷盆地，堆積了較厚的第三系碎屑巖和第四系松散層，在慢長的地質(zhì)歷史進(jìn)程中，盆地呈斷續(xù)間隙性沉降，地形低洼處多次形成古湖泊、沼澤等地貌形態(tài)，后因環(huán)境變遷，盆地進(jìn)一步沉降，古湖泊又多次被沉積覆蓋，封存了大量含鹽、堿等礦物成份。后期地下水進(jìn)入后，溶解了這些鹽分形成了高礦化水。

4. 干旱氣候也是高礦化水形成的原因之一，區(qū)內(nèi)多年平均降水量僅150mm，而多年平均蒸發(fā)量高達(dá)2996mm。這就決定了本區(qū)極其干旱的氣候特征，降水稀少，水動力條件差，蒸發(fā)強(qiáng)烈，濃縮作用加劇，致使礦化度增高。

四、高氟水的成因探討

1. 背景巖石含氟高是形成高氟水的原因之一：氟廣布于自然界中，絕對不含氟的巖土是很少見的。土壤中黏土礦物為氟源，其次，磷灰石、冰晶石和螢石是循環(huán)水中氟的主要來源。根據(jù)前人研究資料，巖石中氟含量與地下水中氟含量成正相關(guān)關(guān)系，見表7。而本地區(qū)砂巖、頁巖、石灰?guī)r及白云巖等分布甚廣，因此，為形成高氟水提供了物質(zhì)來源。

2. 地下水動力條件影響氟的遷移和富集：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。而本區(qū)含水層多以湖相沉積的泥質(zhì)砂巖、含礫泥質(zhì)砂巖及泥質(zhì)細(xì)粉砂巖為主，平均水力坡度僅2-4‰，地下水徑流條件差，不利于氟遷移，而有利于氟富集。

3. 地下水化學(xué)成份制約著氟的遷移和富集：

（1） 弱堿性水有利于氟的富集，本區(qū)地下水pH值均大于7，見表8。弱堿性水可使鋁硅酸鹽礦物溶于水，促使含氟硅酸鹽礦物溶解，使巖石中的氟溶出。因此，pH值越高的地下水越有利于氟的富集。相反，在pH值低的酸性水中，氟離子與氫離子生成氫氟酸，氫氟酸溶解二氧化硅及硅酸鹽巖石生成氣態(tài)的氟化硅，使地下水中的氟減少，不利于氟的富集。

（2） 本區(qū)水中氟常以NaF形式存在，所以HCO3-Na型、CI·HCO3- Na型水有助于氟從巖石或土壤中溶濾及穩(wěn)定的存在于水中，地下水中氟的富集與CI-、HCO3-離子含量呈正相關(guān)趨勢。

（3） 地下水中氟含量有隨硬度升高而降低的趨勢，鈣是氟在水中富集和遷移的障礙，由于氟離子(F-)和鈣離子(Ca2+)能形成難溶的氟化鈣(CaF2)，其反應(yīng)式為2F-+Ca2+→CaF2，而本區(qū)地下水Ca離子含量較少，因此不易形成氟化鈣沉淀使F-析出。其次，氟的鈉鹽和鈣鹽在水中的溶解度極不相同，氟化鈣的溶解度為16mg/L，氟化鈉的溶解度為42×103mg/L，氟化鈉在水中完全溶解時，氟在地下水中呈離子狀態(tài)，可隨水遷移和富集；而氟化鈣在水中溶解度很低，大部分為白色沉淀，難融于水，不易隨水遷移富集，因此，鈉質(zhì)水有利于氟的富集，鈣質(zhì)水不利于氟的富集。形成了高鈣低氟、高鈉高氟的現(xiàn)象。

4. 氣候條件決定了本地區(qū)高氟水的廣泛性，本區(qū)處于干旱少雨和高蒸發(fā)氣候條件，水交替作用弱，導(dǎo)致地下水在含水層中長期滯留，促使含氟礦物溶解后富集，并使風(fēng)化產(chǎn)物中的F-和OH-之間離子交換，致使地下水中氟離子進(jìn)一步富集，一般情況下隨含水層埋深加大，氟含量減低。

五、結(jié)語

綜上所述，本區(qū)地層巖性是高氟、高礦化水形成的物質(zhì)基礎(chǔ)；水動力條件是高氟、高礦化水形成的主導(dǎo)因素；古地理環(huán)境及水化學(xué)特征是高氟、高礦化水形成的內(nèi)在條件；干旱氣候是高氟、高礦化水形成的外在因素。盡管有諸多因素影響，本區(qū)氟和礦化度在不同的環(huán)境水文地質(zhì)條件下呈現(xiàn)有規(guī)律的變化。水平方向：在盆地邊緣補(bǔ)給區(qū)，由于含水層顆粒粗，水力坡度大，徑流條件好，水交替強(qiáng)烈，地下水礦化度和氟離子含量一般都小于1g/L和1mg/L，水質(zhì)好，而在盆地中心徑流區(qū)和東南排泄區(qū)，由于含水層顆粒變細(xì)，水力坡度減小，徑流條件變差，水交替緩慢，礦化度和氟離子含量一般都大于1 g/L和1mg/L，局部大于2 g/L和2mg/L，水質(zhì)逐漸變差；垂直方向：第四系孔隙潛水由于水位埋藏淺，蒸發(fā)濃縮作用使水中鹽類和氟富集，水質(zhì)最差；第四系和新近系混合承壓水由于不受蒸發(fā)影響，含水層顆粒較下部粗，水交替較強(qiáng)烈，水質(zhì)較好；而新近系承壓水位于混合承壓水之下，含水層埋藏深，顆粒較上部細(xì)，水交替相對較弱，水質(zhì)較差。

但本區(qū)地下水成因多樣，成份復(fù)雜，有待在今后的開發(fā)利用中進(jìn)一步研究其空間分布規(guī)律、化學(xué)成份特征、形成機(jī)制及演化過程。針對本區(qū)高氟、高礦水的化學(xué)特征，提出以下預(yù)防和治理建議：1. 加強(qiáng)工業(yè)“三廢”排放治理，和農(nóng)林業(yè)農(nóng)藥污染和城鎮(zhèn)生活污染治理；2. 凈化包氣帶，植樹造林，提高土壤自凈能力；3. 科學(xué)利用地下水，隔離高氟、高礦化含水層，并在適宜部位利用分層開采中氟、中礦化地下水，以加強(qiáng)人工水循環(huán)來凈化含水層；4. 采用集中供水，劃分水源地衛(wèi)生防護(hù)區(qū)；5. 對于飲用的高氟水可用以下簡單方法去氟①將鋁化物加入水中，形成膠狀沉淀物，水中氟離子取代其中的羥基（OH-），從而使水中含氟量降低；②將活性碳等吸附劑放在過濾池中，吸附水中氟離子；③也可用煮沸去氟和結(jié)冰去氟。

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