雷州半島東北部鐵質地下水成因及分布特征研究

羅煒宇

(廣東省地質局第四地質大隊，廣東 湛江 524049)

1 研究區概況

雷州半島東北部是湛江市地下水資源較為豐富的地區之一，地下水資源量約占湛江市的10%。長期以來，該地區一直以地下水作為生產生活用水的主要供水水源，地下水成為了該地區經濟發展的重要保障。隨著湛江市經濟的快速發展，千萬噸現代化鋼鐵基地、中科煉化一體化以及巴斯夫(廣東)一體化等大型項目落戶湛江，給區域經濟帶來巨大的發展機遇的同時，地下水開采量將進一步增加。由于區內地下水鐵離子含量相對較高，因此，給地下水的開發利用帶來了不利因素。

2 區域地質構造及水文地質條件分析

研究區內地勢較低，標高多低于40 m，最高點位于交椅嶺標高165.3 m；地勢總體上西北高，東南低，向海傾斜；區內地形起伏不大，屬沿海臺地和濱海平原地形。本區西北部為剝蝕侵蝕地貌，高程50～165 m，是地下水補給區；沿海地帶和海島為高程2 ～20 m的堆積平原及高程20～30 m的剝蝕低臺地，是地下水的徑流-排泄區及補給-徑流區。區內出露地層為第四系。據鉆孔揭露，地層自上而下依次為第四系、新近系和古新系，基底為白堊系、元古系。其中，新近系的下洋組、第四系的湛江組是區內主要的承壓水含水層位。

構造部位處于湛江凹陷中。凹陷中沉積原逾千米的松散-半固結砂、砂巖和粘土、泥巖互層，其中夾多層厚約2～30.0 m的火山巖及數層厚幾厘米至十幾厘米的鐵皮層、泥炭土或炭化木塊(屑)。由下至上劃分為潿洲組、下洋組及湛江組，含水層巖性均由砂、礫組成，可見3～25個粗粒層(含水層)，單層厚2～30 m，總厚度20～310 m，均含孔隙承壓水。地表普遍分布北海組，厚5～25 m，巖性為砂礫石、粉土，含孔隙潛水—微承壓水。西、北部及東南部的硇洲島和其它少數塊段為火山巖(玄武巖、凝灰巖)及其風化紅土所覆蓋，含火山巖孔洞裂隙水。海邊和河流兩側分布全新統海成風成砂、粉土和河流沖洪積砂、粉質粘土等，厚度一般為5～15 m，含孔隙潛水。

3 鐵質地下水主要危害及成因分析

3.1 鐵質地下水主要危害

研究區范圍內地下水(尤其承壓水)鐵含量普遍較高，一般為1～5 mg/L，部分達10 mg/L，俗稱為鐵質水。鐵在人體新陳代謝中是必不可少的礦物質之一。在生活飲用水中，含鐵量過高對人們的健康會有一定影響，會對心、肝和胰產生損害，容易產生鐵中毒，當含鐵量大于1 mg/L時，會產生鐵腥味而引起感官不適；當含鐵量在0.3～0.5 mg/L以上時，洗滌衣物和衛生設備便會殘留褐紅色的銹斑，用于造紙、紡織工業的漂白工藝會增加生產成本甚至降低產品質量等，所以不同的供水對象，對水中鐵質含量均有具體的要求，凡超過者均要處理方可使用。

3.2 鐵質地下水成因分析

雷州半島東北部屬于為濕熱氣候，且地勢低平，因而地表植被繁茂，植物的腐枝爛葉甚多；濕熱多雨能促進微生物的繁殖和有機物的分解，從而使有機物和有機酸的來源豐富。這些物質長年累月隨大氣降雨所形成的地表和地下徑流帶進河流、湖泊和滲入地下的土壤、巖層中，在微生物的不斷作用下繼續進行分解而產生大量CO2、有機酸、沼氣及少量硫化氫等，使區內地表水和地下水中均含CO2，且絕大多數含HCO3-、SO42-、NO3-及微量H2S、NO2-、NH4+等；況且區內淺層微承壓水—承壓水含水層的頂部和各層組間大多為粘土、粉質粘土所覆蓋和隔離，絕大多數含水層處于封閉缺氧的還原環境中，具備了對巖層中二價鐵氧化物進行溶解和使三價鐵氧化物還原生成可溶性二價鐵的優越地理地質條件。此外，區內廣泛分布的北海組、湛江組、下洋組等松散地層中普遍夾有數層厚約幾至十幾厘米的鐵皮層和呈星點狀分布的黃鐵礦(FeS2)或結核狀菱鐵礦(FeCO3)?？梢妳^內自地表至地下四五百米內的松散層中，鐵的化合物含量較高，為區內不斷產生鐵質水提供了廣泛而豐富鐵質來源。

研究區地下水根據其總鐵含量的高低劃分成非鐵質水(小于0.3 mg/L)、低鐵質水(0.3～1 mg/L)、中等鐵質水(1～5 mg/L)、高鐵質水(大于5 mg/L)。從表1可看出，由潛水→淺層水→承壓水，總鐵含量逐漸增大，而消耗氧則相應地減少；同時這些水中均含CO2且絕大多數含HCO3-、NO3-及NH4+，據此推斷地下水中鐵質的來源大體有四種主要途徑。

表1 各含水層組承壓水總鐵含量表

(1)含碳酸的地下水在滲透過程中，對巖石中所含的二價鐵化合物逐漸地進行溶解，生成可溶性的重碳酸亞鐵：

FeO+2CO2+H2O→Fe(HCO3)2

(1)

Fe CO3+CO2+H2O→Fe(HCO3)2

(2)

(2)三價鐵的氧化物在還原環境里被還原而溶解于水。在富含有機質的松散層中，因微生物的強烈作用而處于厭氧的還原條件下，有機物的厭氣分解又產生出相當數量的硫化氫、二氧化碳及沼氣等，致使地層中的三價鐵氧化物被硫化氫還原生成硫化鐵，硫化鐵在碳酸作用下進一步生成可溶性的二價鐵溶于水中：

Fe2O3+3H2S→2FeS+3H2O+S

(3)

FeS+2CO2+2H2O→Fe(HCO3)2+H2S

(4)

(3)有機物對鐵質的溶解作用。有些有機酸能對巖層中的二價鐵起溶解作用；有些有機物能將巖層中的三價鐵還原為二價鐵并使其溶于水中；還有部分有機物能與鐵生成復雜的有機鐵而溶于水中。

(4)巖層中鐵的硫化物如黃鐵礦(FeS2)與含有自由氧的地下水相遇時，被氧化而溶于水中：

2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4

(5)

4 鐵質地下水的分布特征

(1)鐵離子含量隨含水層位埋藏深度的增加而增多。據2014年4-5月在區內選取水樣83個，其中潛水(民井)25個，淺層水(鍋錐井)25個，承壓水(鉆孔)33個，化驗結果，鐵離子在各類型地下水中含量為承壓水﹥淺層水﹥潛水(見表2)。

表2 地表水及各類型地下水總鐵及有關成分含量表

(2)承壓水湛江組、下洋組中，總鐵含量隨埋深增加或減少，不同條帶或塊段有不同的規律性。隨深度增加鐵含量增多的主要分布于高陽～龍標、東山～鋪仔～霞山～平樂～南油基地一帶；隨深度增加鐵含量反而減少的則分布于合流～黃略～調順～赤坎～火車北站一帶和麻斜、民安等附近。

(3)在同地的不同層組中，總鐵含量高者，則Fe2+和游離CO2含量大多較高，pH值卻大多變低，而絕大多數含HCO3-和多數含SO42-也相對減少(見表3)，這可能是部分HCO3-、SO42-與鐵作用生成可溶性的Fe(HCO3)2、FeSO4所致。

表3 同地不同層組承壓水總鐵及有關成分含量表

(4)無論是潛水、淺層水還是承壓水，其總鐵含量在水平方向的變化與地形地貌、水文地質條件有關。在補給區或近補給區的丘陵、臺地上，總鐵含量低，多為非鐵質水；補給～逕流區為低～中鐵質水；逕流～排泄區因水力坡度變小，地下逕流緩慢，使鐵質富集成為中～高鐵質水(見表1)。

(5)承壓水的總鐵含量變化概況大致為：在湛江組、下洋組層組中，除本區西至西北補給區一帶的湛江組地下水為非鐵質水外，其余在該帶向東至南側沿逕流方向，依次形成低鐵質水、中等鐵質水和高鐵質水。

5 結語

雷州半島東北部是地下水開采量較大的地區之一，無論城市或農村、工業或農業開發利用地下水已相當普遍。針對該區域地下水中鐵含量較高的實際情況，對該區域鐵質地下水成因及分布特征進行了認真研究，提出了相應地下水開發利用中的除鐵措施和動態監測手段。在承壓水中等或高鐵質水區布設生活用水開采井，必須采取除鐵措施；為降低開采成本，在有條件的地方，建議井位應盡可能布在非鐵質水區，如利用民井開采潛水、鍋錐井開采淺層水或機井開采承壓水，井位均宜布于補給區和靠近補給區一帶的逕流區內，這樣既能降低開采成本又能保證水質，確保飲水安全。此外，要加強對地下水資源量和水質的動態監測，及時掌握地下水水質的動態變化及發展趨勢，為區域地下水資源合理開發利用提供科學依據。