基于構(gòu)造控制的深層高氟地下水成因探討

陳 嬌，寧立波，王亞男，賈昊冉，李 明

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)環(huán)境學(xué)院，中國(guó)武漢 430074)

氟是人體必需的微量元素之一，但過(guò)量的氟會(huì)破壞代謝平衡，引起機(jī)體器官病變，形成氟中毒［1］.據(jù)《全國(guó)重點(diǎn)地方病防治規(guī)劃(2004—2010年)》，飲水型氟中毒約占地方性氟中毒的2/3.地氟病發(fā)病率與飲水中的含氟量有直接關(guān)系［2］.我國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定生活飲用水中氟化物不得超過(guò)1 mg/L.在許多國(guó)家和地區(qū)，地下水為主要水源，因此高氟地下水的分布規(guī)律與成因分析是國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)［3-5］，但多集中于淺層地下水.實(shí)際上，高氟深層地下水也普遍存在:滄州市深層地下水含氟量超標(biāo)率超過(guò)80%［6］;天津?yàn)I海地區(qū)深層地下水氟平均質(zhì)量濃度為2.91 mg/L;在印度迦得河流域，高氟水主要在深層地下水中檢出［7］.因此在地下水高氟地區(qū)，以深層地下水作為一種改水途徑時(shí)，分析深層地下水是否屬于高氟水及其成因具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

圖1 南陽(yáng)-襄樊坳陷構(gòu)造略圖Fig.1 Outline map of Nanyang-Xiangfan depression

1 研究區(qū)概況

南陽(yáng)盆地位于河南省西南部，是三面環(huán)山向南開(kāi)口的單斷式中、新生代山間盆地.地處秦嶺緯向構(gòu)造帶與華夏類型構(gòu)造反接復(fù)合部位，地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，特別是長(zhǎng)期活動(dòng)的深斷裂十分發(fā)育［8］:有南陽(yáng)凹陷、新野凸起和棗-襄凹陷3個(gè)構(gòu)造單元，如圖1(資料來(lái)源:湖北省地質(zhì)局，中華人民共和國(guó)區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告(襄陽(yáng)幅)，1977).根據(jù)開(kāi)采實(shí)踐和地質(zhì)結(jié)構(gòu)分析，將埋深150 m以下的定為深層地下水，在山前地帶接受淺層地下水補(bǔ)給，自北向南流動(dòng)，排泄于鄰區(qū)或越流排泄.

開(kāi)封-周口地區(qū)位于河南省東部-豫東平原區(qū)，包括開(kāi)封地區(qū)通許、尉氏等縣的大部，許昌地區(qū)鄢陵縣，周口地區(qū)扶溝、西華、太康以及商水縣的小部分以及漯河地區(qū)東部.地形自西向東逐漸降低，深層地下水大體由西北向東南徑流.研究區(qū)屬于巨型緯向構(gòu)造體系，地質(zhì)構(gòu)造條件復(fù)雜，構(gòu)造單元主要有開(kāi)封凹陷、通許凸起、周口凹陷，如圖2(資料來(lái)源:中華人民共和國(guó)河南省地質(zhì)圖，1∶500 000).

圖2 開(kāi)封-周口地區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)要圖Fig.2 Regional geological structure schematic diagram of Kaifeng-Zhoukou

2 深層高氟地下水的分布與成因討論

2.1 南陽(yáng)盆地和開(kāi)封-周口地區(qū)深層高氟地下水分布

于2009年7月～8月在南陽(yáng)盆地取深層地下水樣89份，根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制南陽(yáng)盆地深層地下水氟濃度等值區(qū)圖(圖3)可知:中氟水(含氟0.5～1.0 mg/L)分布區(qū)多呈“條帶狀”或“斑塊狀”，分布在橋頭鎮(zhèn)、郭集鄉(xiāng)、金華鄉(xiāng)、裴營(yíng)鄉(xiāng)大王樓、彭營(yíng)鄉(xiāng)和龍?zhí)舵?zhèn)附近;高氟水(含氟大于1.0 mg/L)分布區(qū)呈規(guī)模很小的“孤島狀”，主要有:裴營(yíng)鄉(xiāng)鞠寨、金華鄉(xiāng)附近、龍?zhí)舵?zhèn)和郭集鄉(xiāng)郭集村附近.

圖3 南陽(yáng)盆地深層地下水氟質(zhì)量濃度分布圖Fig.3 Distribution diagram of fluorine in deep groundwater，Nanyang basin

2009年7～8月，在開(kāi)封-周口地區(qū)布設(shè)了78個(gè)深井取樣點(diǎn)，氟質(zhì)量濃度0.04～3.7 mg/L.其中低氟水(含氟小于0.5 mg/L)25個(gè)，中氟水20個(gè)，高氟水33個(gè)，占42.31%，表明高氟水在深部地下水中廣泛分布.根據(jù)水質(zhì)測(cè)試結(jié)果和采樣點(diǎn)在研究區(qū)的分布，繪制深層地下水中氟質(zhì)量濃度分布圖(圖4)，從圖中可看出，高氟地下水主要分布于:開(kāi)封縣東部的大李莊鄉(xiāng)-開(kāi)封縣城-陳留鎮(zhèn)-仇樓鎮(zhèn)一帶，陳留鎮(zhèn)附近深層地下水中氟質(zhì)量濃度達(dá)3.7 mg/L;扶溝縣東南部的乎莊-齊莊-汴崗鎮(zhèn)一帶，分布范圍大且超標(biāo)嚴(yán)重，楊村崗后府一帶地下水中氟質(zhì)量濃度大于3.0 mg/L;鄢陵縣南部的鄢陵縣城-馬欄鎮(zhèn)-張橋鄉(xiāng)-南塢鄉(xiāng)一帶，呈長(zhǎng)條狀分布，地下水氟質(zhì)量濃度為1.0～1.5 mg/L;西華縣南部的老窩鎮(zhèn)-譚莊鎮(zhèn)-湯莊鄉(xiāng)一帶和大倚崗-栗樓崗一帶.

2.2 南陽(yáng)盆地和開(kāi)封-周口地區(qū)深層高氟地下水成因

深層地下水由于賦存介質(zhì)的空隙較小，滲透性較差，水流緩慢，水巖作用更為充分;其次，深層地下水的水動(dòng)力條件主要由基底構(gòu)造和深大斷裂控制;最后，深層地下水中氟的來(lái)源除了補(bǔ)給區(qū)以及徑流路徑上巖土中氟的釋放外，還有可能來(lái)自于地球深部含氟物質(zhì)的上涌.姜月華等通過(guò)對(duì)浙江北部地區(qū)土壤、淺深層地下水、地層和區(qū)域基巖構(gòu)造的綜合分析，認(rèn)為深層地下水的高氟與土壤、淺層地下水無(wú)關(guān)，也并非來(lái)自原地地層本身的溶解和側(cè)向供應(yīng)的地下水，高氟異常區(qū)是由于受斷裂構(gòu)造影響所致［10］，但具體的影響關(guān)系還有待進(jìn)一步研究.國(guó)內(nèi)外學(xué)者通常認(rèn)為地下高氟熱水通過(guò)斷層補(bǔ)給深層地下水是導(dǎo)致深層高氟水出現(xiàn)的原因［11-12］.

值得注意的是:同淺層地下水一樣，造成深層地下水高氟的根本原因是水動(dòng)力條件的改變.由于深層地下水的水動(dòng)力條件不僅由深大斷裂構(gòu)造控制，還受基底構(gòu)造的影響，因此斷層導(dǎo)通地下高氟熱水并不是造成深層地下水高氟的唯一原因.以下將根據(jù)南陽(yáng)盆地和開(kāi)封-周口地區(qū)的調(diào)查和實(shí)驗(yàn)分析資料，深入分析兩地深層高氟地下水的分布與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系.

2.2.1 南陽(yáng)深層中高氟地下水成因 根據(jù)圖3，南陽(yáng)盆地深層地下水中含氟量普遍較低，但仍然存在少部分中氟水和極少部分高氟水.分析可知，中高氟水的分布主要受地質(zhì)構(gòu)造條件控制，表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面:

(1)斷裂構(gòu)造引起地下熱水上涌.南陽(yáng)盆地恒溫帶深30 m，16.6℃，地層平均地溫梯度(2.6℃/100 m)高于地殼近似平均地溫梯度(2.5℃/100 m)，表明存在地?zé)岙惓＃?］.溫泉水溫主要來(lái)自地?zé)嵩鰷?，然后沿?cái)嗔焉仙?］.通常溫泉水含氟量較高，南陽(yáng)盆地部分地區(qū)溫泉水中含氟量如表1(資料來(lái)源:a.河南省地勘局第一地質(zhì)勘察院:河南省南陽(yáng)市(城區(qū))地?zé)豳Y源綜合研究，2003;b.河南省華夏建設(shè)勘察工程公司:南陽(yáng)市能源公司醫(yī)療礦泉水評(píng)價(jià)報(bào)告，1998).在局部存在斷層的情況下，深部高氟熱水可以上涌與深層地下水混合.

結(jié)合南陽(yáng)盆地深層地下水氟含量等值區(qū)圖(圖3)和南陽(yáng)盆地構(gòu)造綱要圖(圖5)(資料來(lái)源:中華人民共和國(guó)河南省地質(zhì)圖，1∶500 000)可以看出，深層中高氟地下水的分布區(qū)周圍一般都存在多條斷裂:橋頭鎮(zhèn)的中氟水分布區(qū)東南側(cè)為隱伏斷裂F45，西北側(cè)為盆地邊緣;郭集鄉(xiāng)的中高氟水分布區(qū)是隱伏斷裂F4和F36的交匯區(qū);裴營(yíng)鄉(xiāng)中高氟水分布區(qū)內(nèi)發(fā)育斷裂 F30、F38;(隱伏)斷裂 F14、F16、F42、F45、F15、F22都經(jīng)過(guò)彭營(yíng)鄉(xiāng)中氟水分布區(qū);龍?zhí)舵?zhèn)中高氟水分布區(qū)緊鄰盆地邊緣，且發(fā)育隱伏斷裂F32、F35;金華鄉(xiāng)的中高氟水分布區(qū)內(nèi)發(fā)育隱伏斷裂F40、F23、F15、F36.

表1 南陽(yáng)盆地部分地區(qū)溫泉水中氟質(zhì)量濃度Tab.1 Fluorine content of thermal spring water in some regions，Nanyang basin

圖4 開(kāi)封-周口地區(qū)深層地下水氟質(zhì)量濃度分布圖Fig.4 Distribution diagram of fluorine in deep groundwater，Kaifeng-Zhoukou

(2)基底構(gòu)造改變深層地下水流動(dòng)路徑和速度.研究區(qū)地下水的流動(dòng)方向?yàn)樽员毕蚰?，?jīng)南陽(yáng)盆地北部山區(qū)及山前地帶的補(bǔ)給向新野凸起的方向流動(dòng)，如圖6(資料來(lái)源:湖北省地質(zhì)局，中華人民共和國(guó)區(qū)域水文地質(zhì)普查報(bào)告(襄陽(yáng)幅)，1977).由于下第三系的泥巖砂巖相對(duì)于其下部白堊系泥灰?guī)r及粉細(xì)砂巖含水量較高，滲透性較好，使得由白堊系泥灰?guī)r及粉細(xì)砂巖組成的基底相對(duì)隔水.由圖6可以看出，在新野凸起與南陽(yáng)凹陷的交接帶，由于新野凸起的隆升以及南陽(yáng)凹陷的下沉使得本區(qū)產(chǎn)生了一條近東西向展布的深大斷裂，形似盆狀，構(gòu)成了很好的儲(chǔ)水構(gòu)造.而下第三系泥巖砂巖含水層中的水繼續(xù)向南流動(dòng)必須越過(guò)新野凸起，新野凸起阻擋了深層地下水的流動(dòng)，使得地下水在新野凸起與南陽(yáng)斷陷交接處的深大斷裂帶內(nèi)聚集，同時(shí)水流速度大大降低.這種地下水流動(dòng)相對(duì)滯緩的儲(chǔ)水構(gòu)造能夠聚集較多的隨深層地下水遷移的氟，加之深大斷裂中可能有高氟地下熱水上涌，為深層高氟地下水的形成創(chuàng)造了條件.由圖3可知，在新野縣的東部存在有較大范圍的中氟地下水以及部分高氟地下水，無(wú)疑與本區(qū)特殊的構(gòu)造條件有著密切的關(guān)系.

圖5 南陽(yáng)盆地構(gòu)造綱要圖Fig.5 Geological structure outline map of Nanyang basin

圖6 南陽(yáng)-襄樊盆地地質(zhì)剖面示意圖Fig.6 Constructed profile of Nanyang-Xiangfan depression

2.2.2 開(kāi)封-周口地區(qū)深層高氟地下水成因分析 開(kāi)封-周口地區(qū)深層水的含氟量受區(qū)域構(gòu)造格局、基底形態(tài)和地下熱水等因素的影響比較大，而這些因素也都直接或間接受地質(zhì)構(gòu)造控制，表現(xiàn)在以下兩方面:

(1)基底構(gòu)造改變深層地下水徑流路徑和速度.由于經(jīng)歷了新第三紀(jì)以前斷拗和新第三紀(jì)及其以后拗陷兩個(gè)發(fā)展階段，研究區(qū)內(nèi)的基底呈現(xiàn)出多隆、多凹、形態(tài)復(fù)雜的凹陷面貌，對(duì)研究區(qū)內(nèi)深層地下水流動(dòng)起到了一定的控制作用，從而對(duì)深層地下水中的氟聚集造成間接影響.一般而言，凹陷的底部為地下水匯集區(qū)，地下水交替循環(huán)緩慢，氟不斷在此富集，致使地下水中含氟量較高.在部分凹陷與隆起相接的邊緣地帶，由于地下水交替運(yùn)動(dòng)快，氟易流失，地下水中含氟量較低;而在部分凹陷與隆起相接的邊緣地帶，地下水被迫抬升，流速緩慢，攜帶鹽分不斷在此聚集，易形成高氟地下水.研究區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，在大凸起中又有次一級(jí)的凸起和凹陷，在大凹陷中又有次一級(jí)的凹陷和凸起，這種構(gòu)造特征控制著深層地下水流動(dòng)系統(tǒng)，致使在隆起與凹陷內(nèi)部，地下水中含氟量也有較大的差異，呈斑塊狀.另外，研究區(qū)各種大小構(gòu)造分布較多，斷裂、褶皺很發(fā)育，在某些地區(qū)形成一個(gè)較封閉的地下儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)，地下水與外界聯(lián)系少，無(wú)法排泄，徑流條件差，地下水流動(dòng)交替緩慢，導(dǎo)致水含氟量較高.

(2)斷裂構(gòu)造促使深層高氟水的形成.區(qū)內(nèi)斷裂發(fā)育，大都為正斷層，具規(guī)模大、形成早、長(zhǎng)期活動(dòng)特點(diǎn)，在斷層附近常有高氟深層地下水分布，例如在開(kāi)封大斷裂，臨穎-商水大斷裂等附近都分布著高氟地下水.斷層對(duì)深層地下水的控制有兩種不同機(jī)制:一種是使淺層高氟地下水補(bǔ)給深層，另一種是溝通地下高氟熱水.

淺層和深層高氟地下水有很大一部分重疊區(qū)域，如開(kāi)封縣的八里灣鎮(zhèn)、仇樓鎮(zhèn)、扶溝縣的齊莊、汴崗鎮(zhèn)，鄢陵縣許鋪、張橋鄉(xiāng)等地.而這些地區(qū)的淺層水位高于深層水位，且斷裂發(fā)育，淺層水可以通過(guò)斷裂下滲補(bǔ)給深層地下水.由于高氟主要是在淺表環(huán)境中的作用下形成的，研究區(qū)淺表環(huán)境含氟量較高，淺層地下水中的氟可以通過(guò)一些導(dǎo)水通道進(jìn)入到深層地下水中，可能造成深層地下水高氟.

在開(kāi)封縣東部淺層地下水和深層地下水均為高氟地下水，且深層地下水中含氟量大于淺層地下水.這是由于開(kāi)封縣東部有地下熱水分布，地下熱水含氟量較高，該區(qū)斷層較發(fā)育，故深層地下水含氟量較高，深層地下水也可通過(guò)斷層裂隙補(bǔ)給淺層地下水.但在同一凹陷或凸起中，地下熱水含氟量也有較大差異.因此，并不是所有的地下熱水通過(guò)導(dǎo)水?dāng)鄬友a(bǔ)給深層地下水，都會(huì)形成深層高氟地下水.而地下熱水中氟含量的差異主要是受斷裂構(gòu)造及次一級(jí)的凹陷凸起的影響.

3 結(jié)論與建議

(1)深層高氟地下水多在構(gòu)造斷裂帶附近分布.氟在深層地下水中的分布主要受地質(zhì)構(gòu)造控制.地質(zhì)構(gòu)造對(duì)于高氟水分布與形成的影響主要在3個(gè)方面:①構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使得地層起伏變化，深層地下水的循環(huán)途徑和速度隨之發(fā)生變化;②在一定的水頭壓力下，導(dǎo)水性較好的斷裂構(gòu)造可以使淺層高氟地下水或高氟地下熱水補(bǔ)給深層地下水，從而形成深層高氟地下水，而地質(zhì)構(gòu)造形成的某些較封閉的地下儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)，也會(huì)導(dǎo)致水含氟量較高;③伴隨著構(gòu)造的變化，在隆起部位地層變薄，凹陷部位地層變厚，而介質(zhì)空間的厚度分布不均也會(huì)影響地下熱水的分布和動(dòng)態(tài)變化，當(dāng)有斷層構(gòu)造溝通地下熱水和深層地下水時(shí)，就間接改變了深層地下水的氟濃度.

(2)斷層導(dǎo)通地下高氟熱水并不是造成深層地下水高氟的唯一原因.

(3)高氟地區(qū)由于深層高氟水的存在將深層地下水作為改水途徑并不可取.

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