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山東高密高氟地下水成因類型及其富集模式

2014-07-27 06:26高宗軍鄭秋霞王世臣
四川地質學報 2014年1期
關鍵詞:高密市當量含水層

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(chǎn)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(chǎn)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(qū)域,本文通過探究該區(qū)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(qū)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(huán)境和歷史原因,使其成為全國氟中毒較為嚴重的地區(qū)之一。因此,探究該區(qū)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(xiàn)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(jù)不同的地質環(huán)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(fā)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(jīng)對高密研究區(qū)內高氟地下水的形成條件進行探討研究,以總結該區(qū)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(qū)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?jīng)_積平原。南部地勢較高,地面起伏變化大,為低緩丘陵區(qū);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(xiàn)為湖積,因此該區(qū)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(fā)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(jù)統(tǒng)計資料顯示,高密市年均蒸發(fā)量為1 327.9mm,年均降雨量為619.6mm,年均蒸發(fā)量是降雨量的2.14倍,可見,研究區(qū)域內蒸發(fā)作用強烈,地下水主要通過蒸發(fā)和蒸騰作用排泄。

表2 高密市高F區(qū)巖石含F(xiàn)背景值(10-6)

圖1 地下水中F-與Na+毫克當量百分數(shù)關系圖

圖2 地下水中F-與Ca2+毫克當量百分數(shù)關系圖

圖3 地下水中F-與Mg2+毫克當量百分數(shù)關系圖

2.2 提供氟源的地質環(huán)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(jīng)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(fā)物、工業(yè)生產(chǎn)釋放物和海水蒸發(fā),其中火山噴發(fā)物的氟含量最高。

研究內大部分為第四系覆蓋區(qū),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(qū)內巖石含氟背景值表現(xiàn)出一定的規(guī)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(qū)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(shù)越高,巖石中氟向水中轉化能力越強,反之越弱。(易溶系數(shù)=(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(huán)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(jīng)檢測,高氟地下水中的陽離子主要為Na+、Ca2+、Mg2+,占陽離子總數(shù)的 98%~99%以上,陰離子主要為CL-,。[6-7]

1)氣象廣域網(wǎng):采用“雙路由器+雙線路”冗余備份模式,使用全省統(tǒng)一的OSPF路由協(xié)議實現(xiàn)鏈路冗余,任何一條線路故障,均能通過OSPF自動收斂實現(xiàn)鏈路自動切換,保障氣象業(yè)務的連續(xù)性;配置兩臺鏈路防火墻用于風險防御和訪問控制。

2.3.1 地下水中氟含量與Na+、Ca2+、Mg2+含量的關系

高氟區(qū)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(qū)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(qū)地下水中的F-與Mg2+毫克當量百分比表現(xiàn)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(qū)地下水中F-與CL-毫克當量百分比表現(xiàn)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(shù)表現(xiàn)為一定程度的對數(shù)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(shù)關系圖

圖5 地下水中F-與 離子毫克當量百分數(shù)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(huán)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(shù),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(jīng)由4條有效途徑富集到含水層中:①富F巖石經(jīng)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(jīng)風化作用,破碎形成土壤,經(jīng)過降水的淋濾和溶解作用進入到含水層;③火山噴發(fā)物和工業(yè)釋放物在大氣中隨著降水溶解到含水層中;④海水蒸發(fā)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(jīng)由蒸發(fā)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(qū)的農作物和飲用該區(qū)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?jīng)_積平原,在橫向上,南部丘陵地區(qū)發(fā)育的中生代白堊紀青山群碎屑巖、中南部剝蝕平原區(qū)和膠萊盆地周緣巖石,均含有較高的氟,經(jīng)過長期的風化和水解作用使得氟大量析出,再經(jīng)過搬運沉積作用,巖石中的氟由固態(tài)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(qū)域內蒸發(fā)作用強烈,經(jīng)蒸發(fā)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(qū)地下水徑流滯緩、埋深較淺、常年以垂向蒸發(fā)排泄為主,該區(qū)高氟地下水為淺層徑流蒸發(fā)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(fā)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(xiàn)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

[1] 高宗軍,龐緒貴,王敏,等. 山東省黃河下游部分縣市地氟病與地質環(huán)境的關系[J]. 中國地質,2010,37(3):627~632.

[2] 陳維杰. 高氟地下水的成因類型與處理技術[J].

[3] 何錦,范基姣,張福存,等. 我國北方典型地區(qū)高氟水分布特征及成因機理[J].中國人口·資源與環(huán)境,2010,20(5):181~185.

[4] 李彩霞. 山東省高密地區(qū)高氟地下水的成因淺析[J]. 山東國土資源,2007,23(8):8~11.

[5] 王存龍,龐緒貴,王紅晉,曾憲東,胡雪平,鄭偉軍. 高密市高氟地下水成因研究[J].地球與環(huán)境,2011,39(3):355~362.

[6] 魯孟勝,吳恩江,李明建.魯西南淺層高氟地下水成因的水文地球化學研究[J]. 煤田地質與勘探,2001,29(5):39~42.

[7] 馮超臣,黃文鋒. 魯西南平原高氟地下水水文地球化學特征[J]. 山東國土資源,2005,21(5):39~42.

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(qū)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(huán)地質方面的研究

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