內蒙古騰格里地下水化學特征及高氟、高礦化水成因探討

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

關鍵詞：騰格里 地下水化學特征 礦化度 離子 成因探討

一、前言

騰格里位于阿拉善左旗南部，區內蘊藏著豐富的芒硝、原鹽、煤、鐵等資源。騰格里工業園是以精細化工、煤化工及新型建材深加工為主的工業園區，是阿拉善盟重點打造的經濟開發區，目前入駐企業40余家，2010年完成生產總值16億元，財政收入1億元。然而區內無可用的地表水，地下水是支撐經濟發展的唯一水資源，經過幾年的快速發展，水質性缺水問題日益顯現，環境壓力越來越大，成為制約當地經濟進一步發展的瓶頸。因此，尋找新的水源，研究地下水的分布規律、水化學特征及形成機制已刻不容緩。

二、地下水分布規律及水化學特征

根據不同含水介質、埋藏條件和水力性質，區內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。由于受區內地層巖性、構造、地形地貌、氣候、水動力條件及人為等因素的控制，本區地下水比較復雜，現自上而下分述如下：

（一） 第四系孔隙潛水水化學特征

第四系潛水分布在本區南部，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，水質差，做為水源地進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特征

該含水層位于第四系潛水之下，是本區主要開采層位，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律，自盆地邊緣向中心，礦化度由＜1g/L漸變為＞2g/L，氟離子由＜1mg/L漸變為＞2mg/L，見表2。氟離子同礦化度變化趨勢相同，高礦化水區氟含量也高。

（三）新近系承壓水水化學特征

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漸變為＞2g/L，氟離子由＜1mg/L漸變為＞2mg/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基礎：區內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，二者成正相關關系。由于溶濾作用及陽離子吸附交替的結果，地層中的鹽分被轉移到水中，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，當蒸發時，這些鹽的順序剛好相反。其次，地下水的化學成分主要取決于鹽的種類，如鹽巖（NaCl）礦床內Na+及K+和CL-占優勢。而在石膏、天青石、重晶石等礦床內S0-4和Ca+較多。區內沉積巖鹽以前者居多，所以經過長期溶濾作用，區內地下水形成了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因素：地形起伏影響著地下水的徑流及滲入補給強度，也控制著水交替強烈程度。本區地形起伏不大，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，鹽分累積逐漸增大。其次，本區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. 古地理環境也是高礦化水形成的重要因素：本區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，在慢長的地質歷史進程中，盆地呈斷續間隙性沉降，地形低洼處多次形成古湖泊、沼澤等地貌形態，后因環境變遷，盆地進一步沉降，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，區內多年平均降水量僅150mm，而多年平均蒸發量高達2996mm。這就決定了本區極其干旱的氣候特征，降水稀少，水動力條件差，蒸發強烈，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水中氟的主要來源。根據前人研究資料，巖石中氟含量與地下水中氟含量成正相關關系，見表7。而本地區砂巖、頁巖、石灰巖及白云巖等分布甚廣，因此，為形成高氟水提供了物質來源。

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。而本區含水層多以湖相沉積的泥質砂巖、含礫泥質砂巖及泥質細粉砂巖為主，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的氟化硅，使地下水中的氟減少，不利于氟的富集。

（2） 本區水中氟常以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)，其反應式為2F-+Ca2+→CaF2，而本區地下水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，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，鈉質水有利于氟的富集，鈣質水不利于氟的富集。形成了高鈣低氟、高鈉高氟的現象。

4. 氣候條件決定了本地區高氟水的廣泛性，本區處于干旱少雨和高蒸發氣候條件，水交替作用弱，導致地下水在含水層中長期滯留，促使含氟礦物溶解后富集，并使風化產物中的F-和OH-之間離子交換，致使地下水中氟離子進一步富集，一般情況下隨含水層埋深加大，氟含量減低。

五、結語

綜上所述，本區地層巖性是高氟、高礦化水形成的物質基礎；水動力條件是高氟、高礦化水形成的主導因素；古地理環境及水化學特征是高氟、高礦化水形成的內在條件；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，本區氟和礦化度在不同的環境水文地質條件下呈現有規律的變化。水平方向：在盆地邊緣補給區，由于含水層顆粒粗，水力坡度大，徑流條件好，水交替強烈，地下水礦化度和氟離子含量一般都小于1g/L和1mg/L，水質好，而在盆地中心徑流區和東南排泄區，由于含水層顆粒變細，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，水質逐漸變差；垂直方向：第四系孔隙潛水由于水位埋藏淺，蒸發濃縮作用使水中鹽類和氟富集，水質最差；第四系和新近系混合承壓水由于不受蒸發影響，含水層顆粒較下部粗，水交替較強烈，水質較好；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，水交替相對較弱，水質較差。

但本區地下水成因多樣，成份復雜，有待在今后的開發利用中進一步研究其空間分布規律、化學成份特征、形成機制及演化過程。針對本區高氟、高礦水的化學特征，提出以下預防和治理建議：1. 加強工業“三廢”排放治理，和農林業農藥污染和城鎮生活污染治理；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，以加強人工水循環來凈化含水層；4. 采用集中供水，劃分水源地衛生防護區；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冰去氟。

參考文獻：

[1] 地質礦產部水文地質工程地質研究隊，1978，水文地質手冊[M]，北京：地質出版社

[2] 王大純.張人權.等，1995，水文地質學基礎[M]，北京：地質出版社