山東高密高氟地下水成因類型及其富集模式

高宗軍，鄭秋霞，朱 喜，付 青，王世臣

（1.山東科技大學，山東省 青島 266510 ；2.山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室，山東 青島 266510）

山東高密高氟地下水成因類型及其富集模式

高宗軍1、2，鄭秋霞1、2，朱 喜1、2，付 青1、2，王世臣1、2

（1.山東科技大學，山東省 青島 266510 ；2.山東省沉積成礦作用與沉積礦產重點實驗室，山東 青島 266510）

山東高密為氟污染較為嚴重的典型區域，本文通過探究該區域高氟地下水的形成條件來確定其成因類型，研究氟在地下水中的富集途徑，深度認識研究區內高氟地下水的富集模式，為提出“原位驅氟”設想奠定理論基礎。

高氟地下水；成因類型；富集模式；高密

研究表明，長期飲用高氟的地下水是導致氟病的主要原因，由于高密市特殊的地質環境和歷史原因，使其成為全國氟中毒較為嚴重的地區之一。因此，探究該區高氟地下水的成因類型及其富集模式，對有效控制病源水體，尋找新水源，提出有效的防治措施，保護人類的身體健康都具有重要的現實意義。

1 高氟地下水的成因類型劃分

由研究資料顯示，根據不同的地質環境條件和物理化學作用類型，一般將高氟地下水的成因劃分為4個大類型[1-3]：①溶濾富集型；②蒸發濃縮堿化型；③熱水富集型；④海侵富集型。

表1 高氟地下水成因類型

經對高密研究區內高氟地下水的形成條件進行探討研究，以總結該區高氟地下水成因類型，以及氟的富集模式。

2 高密市高氟地下水的形成條件

2.1 氣候、水文和地形地貌條件

高密市地處膠濰平原與魯東丘陵交接地帶，境內地勢南高北低，區內地貌類型有三種：南部低緩丘嶺，中部緩平剝蝕平原，北部低平沖積平原。南部地勢較高，地面起伏變化大，為低緩丘陵區；中部剝蝕平原地形緩坡起伏，沿幾條主要河流，形成南北向濱河平地和低分水嶺兩種微地貌單元；北部為晚更新世以來形成的沖積平原，盆地沉降與沖洪積物的充填同時進行，全新世以來主要表現為湖積，因此該區域地勢較為低洼，局部存在小沙丘、土崗及河間洼地。高密市地處膠萊盆地中南部，水系發育，境內主要河流多呈南北向，全市河流分屬三個水系，即南膠萊河水系、北膠萊河水系及濰河水系。河中一般無常年流水，均屬雨源性河流。據統計資料顯示，高密市年均蒸發量為1 327.9mm，年均降雨量為619.6mm，年均蒸發量是降雨量的2.14倍，可見，研究區域內蒸發作用強烈，地下水主要通過蒸發和蒸騰作用排泄。

表2 高密市高F區巖石含F背景值（10-6）

圖1 地下水中F-與Na+毫克當量百分數關系圖

圖2 地下水中F-與Ca2+毫克當量百分數關系圖

圖3 地下水中F-與Mg2+毫克當量百分數關系圖

2.2 提供氟源的地質環境背景

氟在水中富集的首要條件是需要有氟源，一般認為氟源主要來自2大方面：①巖石中的氟；②大氣中的氟。

巖石中的氟為地下水中氟的主要來源，高氟巖石及礦物在漫長的地質年代中，經過長期的地質作用，釋放出氟離子并被淋溶帶入地下水中，形成高氟地下水。大氣中的氟多來自火山噴發物、工業生產釋放物和海水蒸發，其中火山噴發物的氟含量最高。

研究內大部分為第四系覆蓋區，僅南部、西南部及縣城附近出露中生代白堊紀萊陽群、青山群和王氏群的含礫砂巖、砂巖、粉砂巖、頁巖、火山碎屑巖、火山熔巖、礫巖和粘土巖，含氟量均很高（表2）。

研究區內巖石含氟背景值表現出一定的規律：巖石粒度越細含氟越高，由萊陽群→青山群→王氏群，其氟平均含量逐漸增高。區域內巖石是地下水中氟的重要來源，不同巖性，不同時代，氟的轉化量有著明顯差異，易溶系數越高，巖石中氟向水中轉化能力越強，反之越弱。（易溶系數=（巖石中F易溶量/巖石中F含量）*100%[4]）

2.3 地下水的水化學環境特征

氟能夠在地下水中累積賦存需要一定的水化學條件，例如酸堿度、水化學介質濃度、礦化度和水力梯度等等，都是氟在地下水中富集的重要影響因素。其中水化學介質的影響作用最為主要，經檢測，高氟地下水中的陽離子主要為Na+、Ca2+、Mg2+，占陽離子總數的 98%~99%以上，陰離子主要為CL-，。[6-7]

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2.3.1 地下水中氟含量與Na+、Ca2+、Mg2+含量的關系

高氟區地下水中的 F-與 Na+毫克當量百分比具有比較明顯的相關特征（圖1），兩者呈線性相關，表達式為：y=0.087 2x-1.432，R2=0.243 8；高氟區地下水中的 F-與 Ca2+毫克當量百分比具有負相關特征（圖 2），兩者呈線性負相關，表達式為：y=-0.089 2x+5.327 3，R2=0.199 7；高氟區地下水中的F-與Mg2+毫克當量百分比表現出一定的線性負相關性（圖3），表達式為：y=-0.0927x+5.314 9，R2=0.040 8。

2.3.2 地下水中氟含量與CL-，含量的關系

高氟區地下水中F-與CL-毫克當量百分比表現出一定的線性負相關性，其表達式為：y=-0.082 6x+6.756 6，R2=0.106 1（圖4）；F-與的毫克當量半分數表現為一定程度的對數關系，其表達式為：y=1.85ln(x)-3.399 3，R2=0.056 2（圖5）。

2.3.3 地下水中的氟含量與pH、Eh的關系分析

圖4 地下水中F-與CL-毫克當量百分數關系圖

圖5 地下水中F-與 離子毫克當量百分數關系圖

pH值一般為7.2~8.2時，與氟含量具有正相關的特征（圖6），氟在地下水中不斷遷移的過程中，其含量隨著堿化程度增強而升高，這表明偏堿性環境能增加氟的活化性，有利于氟的析出。

所取水樣的Eh大部分在100~200之間（圖7），從圖中可以看出Eh與氟含量呈負相關的特征，兩者關系近似于對數，近似表達式：y=-7.024 ln(x)+39.332，R2=0.317 6。這說明偏還原性的條件比較有利于氟元素的富集。

圖6 地下水中氟含量與pH關系圖

圖7 地下水中氟含量與Eh關系圖

2.3.4 地下水氟含量與礦化度關系

總之，氟在地下水中的富集是一個復雜的過程，受多方面因素的影響，其中Na+、、、Cl-、HCO3的濃度，pH，Eh，以及礦化度等對氟的累積影響較為明顯。

3 高氟地下水的富集途徑和模式

圖8 地下水含量與礦化度的關系圖

氟主要經由4條有效途徑富集到含水層中：①富F巖石經淋濾作用，析出一部分氟進去水圈，再由地表徑流和地下水流進入到含水層；②富F巖石經風化作用，破碎形成土壤，經過降水的淋濾和溶解作用進入到含水層；③火山噴發物和工業釋放物在大氣中隨著降水溶解到含水層中；④海水蒸發氟隨降水進入含水層，以及海水入侵使氟賦存在含水層中。富集到含水層中的氟再經由蒸發和濃縮作用最終形成高氟水。其中需要注意的是，氟在水和土壤之間的轉化是可逆的，即土壤中的氟解析到水中，水中的氟可以被土壤吸附重新轉化到土壤中。此外，土壤和含水層中的氟均可被農作物等植物吸收，人類食用該區的農作物和飲用該區的水均可導致氟中毒，影響危害人類的健康（圖9）[4-5]。

高密市境內地勢南高北低，南部為低緩丘陵，中部為緩平剝蝕平原，北部為低平沖積平原，在橫向上，南部丘陵地區發育的中生代白堊紀青山群碎屑巖、中南部剝蝕平原區和膠萊盆地周緣巖石，均含有較高的氟，經過長期的風化和水解作用使得氟大量析出，再經過搬運沉積作用，巖石中的氟由固態巖石中析出，遷移轉化到下游平原松散沉積物及其所包含的地下水中，由于該區域內蒸發作用強烈，經蒸發濃縮使氟不斷累積，氟含量不斷增加，最終形成高氟地下水（圖10）。

4 結論

綜上所述，山東高密地區地下水徑流滯緩、埋深較淺、常年以垂向蒸發排泄為主，該區高氟地下水為淺層徑流蒸發濃縮堿化型成因。

小埋深高氟潛水的形成模式為，基巖含氟量高，是主要的氟源，淺層地下水含水層滲透性差，天然條件下水平徑流差或者極差，以降水補給、蒸發排泄為主，地下水排泄不暢，滯留原地，氟富集形成高氟地下水。

目前對高氟水的處理一般建議實施“異地引水”的方法來實現降氟改水，治氟的方法和措施仍需要不斷的研究和探索，對高密高氟地下水的成因及其富集途徑和模式的探究，為“原位驅氟”設想的提出奠定了理論基礎，將在此基礎上探索“原位驅氟”的機理及其可行性。

圖9 地下水中氟的富集途徑示意圖

圖10 高密市高氟地下水富集模式圖

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Genetic Type and Enrichment M odel for F-rich Groundwater in Gaom i, Shandong

GAO Zong-jun1、2ZHENG Qiu-xia1、2ZHU Xi1、2, FU Qing1、2WANG Shi-chen1、2
(1-Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510; 2-Shandong Provincial Key Laboratory of Sedimentary Ore-formation and Sedimentary M ineral Resources, Qingdao, Shandong 266510)

Gaom i, Shandong is seriously polluted by F. This paper has a discussion on forming conditions, genetic type and enrichment model for the F-rich groundwater in Gaom i.

F-rich groundwater; genetic type; enrichment model; Gaomi

P641.12 5獻標識碼：A

1006-0995（2014）01-0113-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2014.01.027

2013-07-19

中國地質調查局“地方病嚴重區地下水勘查與供水安全示范綜合研究”項目（項目編號：1212011121155）

高宗軍（1964-），男，山東泰安人，教授，博士，博士生導師，長期從事水工環地質方面的研究