布爾臺煤礦高氟地下水分布特征及形成機制研究

李 果，狄軍貞，呂情緒

(1.國能神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719315； 2.遼寧工程技術大學 土木工程學院，遼寧 阜新 123000)

氟(F)是最輕的鹵族元素，同時，也是電負性、反應性最強的元素之一[1]。F是一種親石元素，廣泛分布于巖石和硅酸鹽礦物中[2]。F-常以游離態存在于地下水中，特定環境中也存在一些氟的絡合物，其含量的高低對人體健康有直接影響，人類所能適宜的攝入量是一個很小的區間，低濃度的F-對牙齒是有好處的，其可以幫助硬化牙釉質，有效防止產生蛀牙，但長期攝入過高的F-會氟中毒，這是一種慢性的、全身的疾病，造成牙齒、骨骼中毒、腎臟損害乃至殘廢癱瘓等疾病。人們日常攝入F-的途徑主要為飲用水，神東礦區主要飲用水水源為地下水，故本文采用《國家地下水水質標準》中的Ⅲ類水水質標準F-質量濃度不超過1mg/L。人們通常將質量濃度超過1mg/L的水稱為高氟水，我國約有4000萬人在長期飲用高氟水，主要分布于內蒙古河套平原[3，4]、山西大同[5]、運城[6]、陜西榆林[7]等干旱-半干旱地區。

神東布爾臺煤礦礦產資源豐富，淡水資源較為匱乏，生態環境脆弱，人均水資源數量較少。因地表水資源缺失較為嚴重，故礦區將由開采產生的水集中儲存于水倉中，作為生活飲用水復用。由于持續的高強度開采，地下水中的高氟現象逐漸被人們所關注，高氟地下水已成為威脅居民生活飲用安全和水資源能否合理循環復用的核心問題。然而現有研究僅對礦區水化學、水質進行分區評價[8-11]，并未系統分析高氟水的來源及形成機制，為此，以神東布爾臺煤礦地下水中的F-為主要研究對象，對其進行系統全面的含量及分布特征分析，探討其來源與形成機制，為實現礦區水資源復用、保證居民生活用水安全、高氟地下水防治及維護區域生態環境穩定健康發展提供技術指導與理論依據。

1 礦區概況

布爾臺煤礦位于內蒙古自治區鄂爾多斯市境內，行政區劃隸屬鄂爾多斯市伊金霍洛旗烏蘭木倫鎮，地理坐標東經109°49′49″—110°05′11″，北緯39°21′43″—39°30′53″，井田東西最長22.1km，南北最寬17.0km，總面積192.632km2。井田內地形復雜，溝谷縱橫，為典型的梁峁地形。地形沿石圪臺到伊金霍洛旗阿鎮的梁峁部位地勢較高，由此向北東、南西兩側變低。研究區主要含水層自上而下分為第四系松散巖類孔隙水、第三系上新統半膠結巖層孔隙水、白堊系志丹群碎屑巖孔隙裂隙水、侏羅系碎屑巖孔隙裂隙水，富水性較差。

2 研究內容與樣品分布

以神東布爾臺煤礦地下水中的F-為主要研究對象，對其進行系統全面的含量及分布特征分析，采用水化學特征分析、Aquachem、Gibbs等研究方法探討其來源與形成機制，為實現礦區水資源復用、保證居民生活用水安全、高氟地下水防治及維護區域生態環境穩定健康發展提供技術指導與理論依據。

圖1 布爾臺井田水文地質及采樣點分布

3 結果與討論

3.1 水化學特性分析

表1 研究區水化學組分均值統計分析 mg/L

圖2 井田水環境piper圖

對比高氟水與低氟水，水化學類型差異性較大。低氟水水化學類型較為單一，以Na-HCO3(-Cl)和Ca-HCO3為主，分別占比53.85%、38.46%，此外還存在一個Na-SO4型水；高氟水水化學類型相對復雜，存在Na-Cl(-HCO3)型水(40%)、Na-HCO3(-Cl、-CO3)型水(40%)、Na-CO3(-HCO3)型水(10%)、Ca-HCO3型水(10%)，結合前文高氟水擁有更高的TDS值(見表1)，表明高氟礦井水發生更強烈的水-巖相互作用[12，13]。

3.2 氟分布特征分析

研究區整體濃度范圍為0.21～11.15mg/L，60.61%地下水超過國家地下水Ⅲ類水水質標準，高氟地下水均值是低氟水均值的6.19倍。氟化物質量濃度分布如圖3所示，從空間分布上看研究區F-濃度整體處于1～5mg/L，符合典型高氟水特征，與LI等[14]對運城盆地地下水高氟的特征研究結果相似。氟質量濃度分類處于Ⅲ類、Ⅳ類的樣品數占7.89%。從各含水層分析(見表1)，F-分布也有較大差異，由地表至侏羅系含水層F-質量濃度范圍分別為0.21～1.32mg/L、0.49～3.68mg/L、0.38～3.39mg/L、0.31～7.40mg/L、超標水樣點占比50%～55.56%，地表水F-含量較低，與采空區水的高F-特征較不相符，作為其F-源可能性較低，而具有最高F-質量濃度的侏羅系碎屑巖孔隙、裂隙水與采空區水最為接近，表明其可能是采空區水中F-的主要來源。

圖3 氟化物質量濃度分布

3.3 采空區水補給來源分析

繪制鄂爾多斯盆地大氣降水線δD=6.6769δ18O-0.428及全球降雨線δD=8δ18O+10，如圖4所示，全部水樣點均位于大氣降水線之下，表明存在明顯的蒸發效應[15]。將高氟采空區水與低氟采空區水分割為兩部分，小圈表示低氟采空區水，大圈表示高氟采空區水。低氟采空區水圈中含有大氣降水點，表明其可能接受大氣降水的補給，郝春明等[16]發現神東中心礦區因標高影響，地表水為最低排泄點，作為補給水源可能性較低，這可能與采空區水復用，噴灑灌溉研究區地表有關。大圈內包含全部第四系與第三系孔隙水及部分侏羅系孔隙裂隙水，表明高氟采空區水可能接受兩者的雙重補給。隨著F-質量濃度的提高，氫氧同位素由以地表水為主導的端元逐步過渡至第四系與第三系孔隙水和侏羅系孔隙裂隙水為主導的端元，證實高氟采空區水的主要補給水源為第四系與第三系孔隙水和侏羅系孔隙裂隙水。

圖4 氫氧同位素分布

3.4 高氟采空區水形成特征分析

圖5 F-與其他水化學分析項間相互關系

3.5 礦物溶解與沉淀

研究區無論高氟水還是低氟水，C(F-)與C(Ca2+)均呈現負相關，表明兩者的溶解平衡關系對于C(F-)具有較強影響。Ca2+與F-間的相互關系如圖6所示，95%的高氟水與全部低氟水均位于螢石溶解平衡線之下，表明螢石仍處于溶解狀態，位于溶解平衡線之上的水樣點可能是存在其他含氟礦物的溶解現象。有學者研究發現神東中心礦區地層中含氟礦物種類較多，除螢石外還存在閃長石(NaCa2(Mg，Fe，Al)5(Al，Si)8O22F2)及氟磷灰石(Ca5(PO4)3F)等，氟含量平均值可超800mg/kg[18，19]。

圖6 Ca2+與F-間的相互關系

圖7 飽和系數SI分布

Gibbs分布如圖8所示，研究區全部水樣點均位于上半部分的含氟礦物的溶解區域和蒸發效應區域，表明地下水主要受其兩種作用共同控制。圖中橫軸變化范圍為0.09～0.99，范圍較廣。多數低氟水水樣TDS<1000mg/L，證明含氟礦物溶解是影響其水化學成分的主要因素。隨著F-濃度的不斷增大，圖中水樣點分布逐漸右移并逐漸趨近峰值1，TDS含量也有所升高，證明高氟地下水存在更加強烈的水-巖作用。因高氟水樣點較為集中，均分布于中部右側區域，瀕臨含氟礦物溶解區域，表明蒸發濃縮作用并不是高氟水產生的主要因素。

圖8 Gibbs分布

圖9 C(F-)與C(F-)/C(Cl-)對比關系

3.7 離子交換作用分析

陽離子交換作用的發生通常指通過降低Ca2+/Na+比值的方式，促進螢石等含氟礦物溶解，加速方解石飽和沉淀，以致水中F-質量濃度增加。采用CAI-Ⅰ、CAI-Ⅱ值判定陽離子交換作用強度的大小，絕對值越大，強度越強，公式如下：

CAI-Ⅰ=[Cl--(Na++K+)]/Cl-

(1)

CAI-Ⅰ與CAI-Ⅱ相互關系如圖10所示，絕大多數水樣點CAI-Ⅰ、CAI-Ⅱ值為負，表明Ca2+與固相中的Na+、K+發生離子交換反應，地下水中Na+、K+含量增加。隨著C(F-)增大，水樣點位置下移，雖然Ⅳ類高氟地下水不是CAI-Ⅱ絕對值最大的水樣點，但呈現出C(F-)增大，CAI-Ⅱ絕對值同樣增大的趨勢，表明離子間的交換反應也是影響高氟地下水的重要因素。

圖10 CAI-Ⅰ與CAI-Ⅱ相互關系

n(Na+)/[n(Na+)+n(Cl-)]與TDS間的比例關系證明地下水中離子來源。n(Na+)/[n(Na+)+n(Cl-)]與TDS相互關系如圖11所示，n(Na+)/[n(Na+)+n(Cl-)]值接近0.5時，表明地下水中Na+全部來源于海水，研究區存在少部分水樣點表現為上述情況，多數水樣點分布于右側n(Na+)/[n(Na+)+n(Cl-)]值接近1的區域，表明Ca2+與固相中的Na+、K+發生離子交換反應，且反應強烈，再次佐證離子間的交換反應是影響高氟地下水的重要因素。

圖11 n(Na+)/[n(Na+)+n(Cl-)]與TDS相互關系

3.8 競爭作用分析

圖12 pH與F-間相互關系

圖與F-間相互關系

4 結 論

1)神東布爾臺煤礦地下水中C(F-)范圍為0.21～11.15mg/L，平均值為1.7mg/L，有60.61%的樣品超過《國家地下水水質標準》(GB/T 14848—2017)中Ⅲ類水水質標準。從空間分布上看，高氟地下水主要分布在1～5mg/L范圍內，占總樣品數的48.48%；從垂向分布上看，高氟地下水主要分布于侏羅系含水層組。