高氟水、高礦化水的形成原因淺析

2021-01-10 09:21:55劉子鈺

西部資源 2021年6期

劉子鈺

摘要：內蒙古自治區四子王旗北部地下水資源貧乏，且水質普遍較差，礦化度、氟化物等普遍超標，利用已有水文地質勘查資料，研究當地高氟水、高礦化水的形成機理，可以為尋找水質較好地段和較好層位提供借鑒。本文從介紹影響當地地下水水質的氣象、水文、地形地貌、地質、水文地質等多要素出發，在分析研究區水質變化規律基礎上，論述了高氟水、高礦化水的形成原因。

關鍵詞：高氟水；高礦化水；成因分析；四子王旗

1.研究區地理概況

1.1研究區位置

本文將四子王旗北部作為區域論述背景范圍，因其分布面積廣大，多數地段未開展過較大比例尺的水文地質勘查工作，勘探鉆孔極少，根據已有勘探鉆孔分布情況，劃分出四個研究區片進行分析，各區片分別為善丹呼日勒口岸區、游客接待中心區、胡楊林景區和溫泉區。各研究區片位置見圖1。

1.2氣象與水文

1.2.1氣象

研究區屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候，具有降水量小，蒸發量大，濕度小，溫差大，風沙多的氣候特點。根據四子王旗烏蘭花氣象站1962年～2020年的氣象資料，多年平均降水量311.23mm，最大年降水量566.7mm（2003年），最小年降水量195.2mm（1997年），降水多集中在6、7、8、9四個月，占全年總降水量的75%左右，多年平均蒸發量2183.10mm，最大年蒸發量2423.9mm（2001年），最小年蒸發量1185.1mm（2003年），以4、5、6、7、8五個月的蒸發量最大，占全年總蒸發量的70%左右。多年平均氣溫3.8℃，最高氣溫35.7℃，最低氣溫-39℃，凍結期由10月至翌年的5月初，最大凍結深度 260cm，無霜期78天～142天，多年平均風速3.1m/s。

1.2.2水文

研究區所在的區域屬內陸水系塔布河流域下游地段，因沿途蒸發及下滲補給地下水，至區內河流基本消失，因此研究區地表水系極不發育，僅有數條小型季節性溝谷，比如胡楊林景區的查干爾諾音浩來，口岸區的善丁呼爾林巴潤浩來，旅客中心的敖包高勒等，平時干涸無水，雨季暴雨時形成短暫的洪水。

區內湖泊稀少，分布于胡楊林景區北側的哈沙圖查干諾爾是研究區較大的湖泊，其他湖泊規模極小，僅在雨季多由片流形成而短期存在。

哈沙圖查干諾爾主要由雨季洪水匯入而形成，同時亦接受周邊潛水補給，匯水面積約為110km2，部分年份干涸，多數年份有水，湖水面積維持在2.5km2～3.5km2，平均水深1.0m～1.2m。

1.3地形地貌

研究區所在區域位于內蒙古高原北部，地形總體呈西高東低、南高北低之趨勢，海拔高度950m～1206m之間。最高處位于溫泉區巴彥圖格木一帶，海拔標高1206m，最低處位于胡楊林景區阿爾烏蘇一帶，海拔標高950m，最大相對高差為256m。

其地貌類型比較簡單，根據地貌成因（外力地質作用）可劃分為三大類型，即構造剝蝕地形、剝蝕堆積地形及堆積地形。按二級形態特征可進一步劃分為低山丘陵、波狀高平原、湖積洼地、沖洪積平原四種不同類型。

2.地質概況

2.1地層

四子王旗北部前中生代地層區劃屬華北地層大區、內蒙古草原地層區的錫林浩特—磐石地層分區、赤峰地層分區及晉冀魯豫地層區的陰山地層分區、大青山地層小區。中新生代屬濱太平洋地層區、大興安嶺—燕山地層分區、陰山地層小區和博克圖—二連浩特地層小區。

出露地層主要有古生界石炭系、二疊系地層，中生界侏羅系、白堊系地層，新生界古近系地層及新生界第四系地層。

2.2巖漿巖

主要分布于善丹呼日勒口岸區，為燕山期細粒及中粗粒花崗巖、花崗閃長巖，其主要成份由淺紅色中粒、似斑狀中粒組成，由斜長石、石英及少量黑云母組成，致密。

2.3構造

研究區跨越兩個大地構造單元。一級構造單元屬于內蒙古中部地槽褶皺系，二級構造單元為溫都爾廟—翁牛特旗加里東地槽褶皺帶和蘇尼特右旗晚華力西地槽褶皺帶。

3.水文地質概況

3.1區域水文地質概況

3.1.1地下水形成的自然規律

區域上由于受燕山期構造運動的影響，形成了不同時期的凹陷和隆起。隆起區基巖裸露，受構造運動影響，不斷遭受剝蝕風化，裂隙發育，故賦存有不連續的基巖裂隙水；凹陷中由于接受了新近系、古近系、白堊系碎屑巖沉積，形成儲水盆地（巴音和碩盆地），賦存較豐富的碎屑巖類裂隙孔隙水；第四紀以來，研究區由于受喜山運動的影響，以上升為主，第四紀地層主要分布于溝谷和低洼部位，賦存第四系松散巖類孔隙水。

3.1.1.1第四系松散巖類孔隙水

分布很有限，主要賦存于小型沖溝內，呈條帶狀、枝狀，含水層巖性多為中細砂、細砂，厚度1m～5m，水位埋深一般小于5m，單井涌水量多小于100m3/d，礦化度1g/L～3g/L，氟離子0.5mg/L～3.0mg/L，因氣候干旱，第四系松散巖類孔隙水水量貧乏，可利用價值小。

3.1.1.2基巖裂隙水

主要分布于善丹呼日勒口岸的低山丘陵區，含水層巖性主要為變質巖系和花崗巖，因經歷了多期構造變動和長期外力作用，使地層產生強烈的褶皺和斷裂，地質體支離破碎，巖石節理裂隙發育，給地下水賦存創造了條件。但因受當地常年多風少雨的干旱氣候條件的影響，再加上基巖裂隙多為閉合性或被方解石、粘土充填，使得基巖裂隙水水量小，且含水層位也極不連續。

3.1.1.3碎屑巖類裂隙孔隙水

分布區地表大多呈現波狀高平原地貌，屬于白音和碩盆地的一部分，經過漫長的地質歷史時期，盆地中沉積了巨厚的新近系、古近系及白堊系地層，為區內的主要供水目的層。

據已有鉆孔資料，含水層巖性由砂礫巖、中粗砂巖、中細砂巖及粉砂巖組成，巖性總的變化規律為由南向北顆粒由細變粗，由南向北單井涌水量逐漸變大，總趨勢為：<10m3/h→10m3/h～50m3/h→<50m3/h～100m3/h，南部地下水以微咸水為主，礦化度多為1g/L～3g/L，上游局部為淡水，礦化度小于1g/L，中北部以微咸水、咸水為主，礦化度1g/L～ 5g/L，地下水化學類型以Cl·SO4-Na型水為主。

3.2研究區水文地質條件

3.2.1含水巖組特征

研究區以碎屑巖類裂隙孔隙水為主，基巖裂隙水、第四系潛水分布范圍小，水量貧乏，可利用價值小，這里僅以碎屑巖類裂隙孔隙水為主進行介紹。碎屑巖類裂隙孔隙水分布于游客接待中心和溫泉區所在的廣大地區。

據兩個區片內鉆孔資料（表1），含水層主要為古近系腦木更組（E1n）中砂巖、粗砂巖、細砂巖，頂板埋深53.58m～ 109.10m，標高為948.32m～1088.53m，其上為大厚度的以泥巖為主的隔水層，水位埋深20.42m～60.78m，標高為973.51m～ 1090.97m，各孔水位均高于含水層頂板，屬于承壓水性質。

各孔含水層厚度16.71m～110.80m，含水層的富水性主要與區片所處碎屑巖盆地位置及地層巖性結構相關，與含水層厚度關系不大，在接近沉積盆地下游，含水層厚度雖未見減小，但含水層中的泥質成分增多，孔裂隙發育差，地下水的儲存空間更小，滲透性更差，補給能力更弱，使得富水性變差，單井涌水量小于100m3/d，在盆地上游，含水層厚度雖未見增大，但含水層中的泥質成分相對要少，孔隙、裂隙相對發育，地下水的儲存空間較大，滲透性較好，補給能力較強，富水性為100m3/d～500m3/d。

3.2.2地下水水質變化規律

3.2.2.1水質在水平方向上的變化規律

研究區整體上位處區域地下水徑流的下游地帶，上游承壓水側向徑流補給是其唯一補給來源，承壓水得不到大氣降水或其他優質水的補給更新，地下水水質普遍不良，依據鉆孔并結合機井水質資料（表2）可知，pH值為7.92～8.85，均為弱堿性水，溶解性總固化為0.56g/L～70.06g/L，大多為高礦化水，氟離子含量為0.22mg/L～5.14mg/L，多為高氟水。水化學類型簡單，絕大部分為CL-·SO42--Na+型水。

區內承壓水自上游向下游（東南→西北）緩慢徑流，由于徑流途徑長，地層顆粒較細，地下水運移緩慢，承壓水的水質也反映出由南到北礦化度逐漸增高、水質變差的規律。

3.2.2.2水質在垂向上的變化分析

游客中心分布有不同深度的鉆孔及機井共8個，其他區片鉆孔及機井分布極少，因此，這里僅就游客中心不同深度的鉆孔及機井水質變化做初步分析。

8個井孔深度為98.00m～251.91m，含水層與隔水層交互沉積，其中含水層均為腦木更組（E1n）砂巖，厚度52.30m～ 110.80m，其上為大厚度的以泥巖為主的隔水層，所揭露的地下水均為承壓水。

利用表2資料，繪制游客中心承壓水部分組分含量與井孔深度關系趨勢圖（圖2），從圖中可以看出，隨著井孔深度自左向右逐步變小：

①pH值略有升高或降低，總體變化平穩，變化值在7.92～8.55之間，無趨勢性上升或下降現象；

②礦化度有升有降，總體變化大，值數為2.32g/L～9.20g/L，無趨勢性上升或下降現象；

③氟離子有升有降，總體變化大，值數為0.22mg/L～ 1.82mg/L，無趨勢性上升或下降現象。

綜上所述，隨著井孔深度加大或減小，區片內的承壓水化學組分含量未出現趨勢性上升或下降現象，初步分析認為，井孔揭露深度內的不同深度承壓含水層水質差別不大，承壓水水質總體不良。

4.高氟水與高礦化水成因分析

4.1高氟水成因分析

研究區地下水氟離子含量普遍超標，利用四個研究區片中，具備分析資料的鉆孔及機井水質資料，繪制F-與TDS含量對比圖（圖3），從圖中可知，在不同井孔的地下水中，隨著氟化物含量升高，TDS含量卻呈下降趨勢，這種反差在咸水、鹽水、鹵水中表現更為明顯。

利用前述資料繪制F-與Ca2 +含量對比圖（圖4），從圖中可知，在不同井孔地下水中，隨著氟化物含量升高，Ca2+含量卻有明顯的下降趨勢，呈負相關關系。

利用前述資料繪制F-與Na+（毫克當量百分比）對比圖（圖5），從圖中可知，在不同井孔的地下水中，隨著氟化物含量升高，Na+（毫克當量百分比）宜有相近的上升趨勢，大致呈正相關關系。

高氟水成因較為復雜，通過分析水質結果和高氟水分布特點，對研究區氟離子成因初步總結如下：

4.1.1氟含量與pH、Na+（毫克當量百分比）正相關，與TDS、Ca2+負相關，原因及表現如下：

4.1.1.1研究區地下水多為弱堿性水，易于氟的絡合物水解，增加了水中氟離子的濃度。

4.1.1.2研究區地下水陽離子主要以Na+離子為主，Ca2+離子含量少，不易形成氟化物沉淀，低鈣環境有利于氟含量富集。

4.1.1.3高礦化承壓水的氟含量明顯偏低，且礦化度越高、氟含量越低，尤其表現為咸水、鹽水、鹵水，可能與徑流途中受到其它補給源影響較小、沿途受泥含量高的含水介質對氟的吸附有關。如游客中心礦化度最高的三個承壓水樣點W158、W160、SK04的礦化度分別為5.16g/L、8.15g/L、9.20g/L，其氟含量卻分別為0.53mg/L、0.51mg/L、0.22mg/L。再比如胡楊林景區的SK07號鉆孔，礦化度為70.06g/L，其氟含量卻僅為0.22mg/L。

4.1.2高氟水的形成也與研究區特有的干旱少雨，蒸發強烈的氣候有關。

本區屬于干旱氣候區，降水量小，蒸發量大是其基本氣候特點，如此使得地下水得到大氣降水的補給少，水更新緩慢，有利于氟化物富集。

4.1.3口岸區為地下水的補給區，礦化度普遍較低，氟含量本應較低，但實際上三個樣點氟含量全部超標，最高的SK01號鉆孔達5.14mg/L，除了與干旱氣候有關外，更可能與母巖礦物成份有關。

4.2高礦化水成因分析

依據前述資料，本區承壓水礦化度為2.27g/L～70.06g/L（表2中口岸區潛水除外），均為高礦化水，且自上游至下游，呈現微咸水→咸水→鹽水→鹵水規律分布，無淡水資源。高礦化水成因較為復雜，通過分析水質結果、高礦化水的賦存與分布規律、古地理環境及其補給、徑流、排泄條件，對其成因初步分析如下：

4.2.1地下水補給條件是影響礦化度的重要因素。高礦化水均為碎屑巖盆地承壓水，因其頂板為大厚度泥巖隔水層，造成其補給源為單一的上游承壓水側向徑流補給，而不能接受大氣降水或其他低礦化水的更新，是本區高礦化水形成的重要原因。

4.2.2水動力條件是高礦化水形成的主導因素。本區位于區域地下水徑流的下游地段，地勢低洼，水力坡度小，古近系承壓水在封閉半封閉環境下自南向北經長途緩慢流動，在徑流過程中經過長期溶濾作用，鹽分逐步升高，在盆地西北側受到低山丘陵阻隔向東北轉向，之后，受東北方向基底隆起影響，盆地出口收窄，地下水徑流進一步變緩甚至滯流，鹽分急劇升高，地下水甚至達到鹵水級別。

4.2.3古地理環境為高礦化水的形成提供了物質基礎。本區為封閉半封閉的碎屑巖沉積盆地，且研究區位于盆地的下游部位，在漫長的地質歷史進程中，堆積了大量的古近系碎屑巖，地形低洼處多次形成古湖泊、沼澤，古湖泊又多次被沉積覆蓋，形成以湖相沉積為主的河湖相交互沉積地層，封存了大量高鹽、高堿物質，為高礦化水形成提供了物質基礎和鹽分來源，后期地下水進入后，溶解了這些鹽分，形成了高礦化水。

4.2.4干旱氣候條件是高礦化水形成的外在因素。研究區位于內蒙古高原北部荒漠草原區，氣候干燥，降水稀少，蒸發強烈，使得地下水補給慢、更新差，地下水礦化度在區域上總體偏高，是形成本區高礦化水的外在因素。

5.結論

高氟、高礦化水成因較為復雜，通過分析水質結果和高氟、高礦化水分布特點、古地理環境及其補徑排條件，對研究區高氟、高礦化水成因總結如下：

5.1高氟水成因

5.1.1氟含量與pH、Na+（毫克當量百分比）正相關，與TDS、Ca2+負相關。

5.1.2高氟水的形成與研究區特有的干旱少雨，蒸發強烈的氣候有關。

5.1.3高氟水與母巖礦物成分有關。

5.2高礦化水成因

5.2.1地下水補給條件是影響礦化度的重要因素。

5.2.2水動力條件是高礦化水形成的主導因素。

5.2.3古地理環境為高礦化水的形成提供了物質基礎。

5.2.4干旱氣候條件是高礦化水形成的外在因素。