興國(guó)縣北部地下水氟水文地球化學(xué)特征

劉金輝，徐衛(wèi)東，李佳樂(lè)，羅 躍，張群利，羅斌嘉，何麗珊，李林波，滕鵬飛，范東東

(東華理工大學(xué)，江西 南昌 330013)

氟既是自然界中的原生環(huán)境產(chǎn)物，普遍存在于地下水中，又是人體不可缺少的微量元素，其適宜濃度是0.5～1.0 mg/L。氟在人體內(nèi)以微量成分存在，是維持人體骨骼正常發(fā)育必不可少的成分，但攝取氟過(guò)量又會(huì)導(dǎo)致人產(chǎn)生地方性氟病。世界衛(wèi)生組織(WHO)制定的《飲用水水質(zhì)準(zhǔn)則》規(guī)定氟含量的限值為1.5 mg/L；歐洲共同體《飲水水質(zhì)指令》規(guī)定氟的最大允許值為0.7～1.5 mg/L；美國(guó)《國(guó)家暫行一級(jí)飲水法規(guī)》規(guī)定飲用水中的含氟量為1.4～2.4 mg/L；我國(guó)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)和《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T14848—93)均規(guī)定，生活飲用水氟含量小于1.0 mg/L，適宜范圍為0.5～1.0 mg/L，氟含量大于1.0 mg/L的水為高氟水。

近年來(lái)，不少學(xué)者對(duì)高氟水環(huán)境地球化學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究，發(fā)表了一批有價(jià)值的研究成果。例如，中國(guó)地下水氟污染的現(xiàn)狀及研究進(jìn)展(朱其順等，2009)；高氟地下水的分布特征及成因研究(馮翠娥等，2015；邢懷學(xué)等，2014；毛若愚等，2016；秦兵等，2012；楊磊等，2015；左銳等，2015)；高氟地下水的分布規(guī)律研究(李世君等，2012；陳建平等，2015；張雪等，2015)；地下水成因模式及形成原因研究(高安軍等，2014)。根據(jù)國(guó)家對(duì)江西贛南老區(qū)扶貧水文地質(zhì)調(diào)查要求，且鑒于前人對(duì)興國(guó)縣北部地區(qū)地下水氟水文地球化學(xué)尚未進(jìn)行全面系統(tǒng)分析這一事實(shí)。本次研究重點(diǎn)在興國(guó)縣北部的高興、鼎龍、長(zhǎng)崗、城崗、崇賢、方太等鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)，開(kāi)展了系統(tǒng)的氟水文地球化學(xué)調(diào)查，共采集225個(gè)水樣(其中井水192個(gè)，泉水23個(gè)，鉆孔1個(gè)，地表水9個(gè))，對(duì)氟及相關(guān)指標(biāo)(水溫，TDS(總?cè)芙庑怨腆w)，pH，Ca2+，HCO3-)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，氟含量一般為0.02～0.52 mg/L，最高可達(dá)11.9 mg/L，研究該區(qū)氟水文地球化學(xué)特征，對(duì)于認(rèn)識(shí)與解決贛南老區(qū)氟環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理概況

研究區(qū)位于江西省中南部的興國(guó)縣北部，主要包括高興鎮(zhèn)、城崗鄉(xiāng)、鼎龍鄉(xiāng)、長(zhǎng)崗鄉(xiāng)、崇賢鄉(xiāng)、方太鄉(xiāng)等，其地理坐標(biāo)為東經(jīng)115°15′—115°30′，北緯26°20′—26°30′，面積為460 km2。氣候溫和，雨量充沛，四季分明。年平均氣溫18.8 ℃，年平均降雨量1 560 mm，一般4～6月汛期降水集中，占全年降水48.5%，10月至次年2月降水較少，為枯水期。研究區(qū)東南部建有興國(guó)縣大型水庫(kù)——長(zhǎng)岡水庫(kù)(總庫(kù)容為36 580萬(wàn)m3)，是一座集防洪、灌溉、發(fā)電、供水于一體的大型水庫(kù)(圖1)。

圖1 研究區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)位置圖Fig.1 The villages and towns location in the study area 1.鄉(xiāng)鎮(zhèn)界限；2.縣界；3.鐵路；4.公路；5.河流；6.水庫(kù)；7.研究區(qū)；8.地名

1.2 地質(zhì)、水文地質(zhì)概況

從地質(zhì)條件看，研究區(qū)發(fā)育的地層主要有青白口系、震旦系、寒武系、泥盆系、白堊系及第四系。巖漿巖主要的燕山晚期花崗巖，變質(zhì)巖以區(qū)域變質(zhì)巖為主，其次為接觸變質(zhì)巖，動(dòng)力變質(zhì)巖較為局限。地質(zhì)構(gòu)造主要表現(xiàn)為基底皺褶，蓋層皺褶及北東向斷裂、北西向、北北西向斷裂構(gòu)造。根據(jù)水文地質(zhì)特征，研究區(qū)含水巖組可劃分為：

(1)松散巖類(lèi)孔隙含水巖組。以中-較強(qiáng)富水的沖積含水層為主，主要分布在瀲江、歲水河流及其支流兩岸，含水層普通具雙層結(jié)構(gòu)，上部為弱透水的粘性土，下部為強(qiáng)透水的砂礫卵石層。

(2)碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙含水巖組。巖性為白堊紀(jì)紫紅色砂巖、砂礫巖及粉砂巖，地下水主要賦存于風(fēng)化帶、構(gòu)造裂隙及鈣質(zhì)巖層裂隙溶孔中，含水層厚15～50 m，單井涌水量通常小于100 m3/d。

(3)巖漿巖與變質(zhì)巖裂隙含水巖組。巖漿巖裂隙含水巖組主要為花崗巖風(fēng)化裂隙含水巖組，變質(zhì)巖裂隙含水巖組主要為震旦系，青白口系變質(zhì)巖含水巖組，廣泛分布于丘陵山地，除斷裂破碎帶局部中等富水外，均為弱富水性。

2 取樣與分析

2017年6月至2017年8月，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了水文地質(zhì)調(diào)查，對(duì)不同類(lèi)型地下水進(jìn)行了系統(tǒng)采樣，受地下水露頭條件所限且由于調(diào)查區(qū)居民主要利用淺層地下水作為生活用水水源，本次取樣主要采集淺層地下水樣，共采集地下水樣品225個(gè)。

在野外調(diào)查過(guò)程中，使用HACH儀，對(duì)地下水溫度，pH值，TDS，Ca2+，HCO3-等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，用哈希DR2800分光光度計(jì)對(duì)水中F-含量進(jìn)行測(cè)試。

3 氟水文地球化學(xué)特征

地下水中氟水文地球化學(xué)異常是一個(gè)重大的世界性環(huán)境問(wèn)題，備受社會(huì)廣泛關(guān)注。為研究氟對(duì)地下水環(huán)境的影響，本次研究把氟作為主要的環(huán)境水文地質(zhì)調(diào)查內(nèi)容，對(duì)每個(gè)水樣中F-含量進(jìn)行了測(cè)試。

圖2 地下水F-濃度與TDS的關(guān)系Fig.2 Relationship between F- and TDS of the groundwater

3.1 氟在不同水體中的分布

測(cè)試結(jié)果表明，地下水中的F-含量一般都小于0.5 mg/L。在以上鄉(xiāng)鎮(zhèn)所測(cè)的167個(gè)井、泉水樣中，有4個(gè)樣品的F-濃度超過(guò)1 mg/L(占2.4%)，有6個(gè)樣品F-濃度為0.5～1 mg/L(占3.6%)。7個(gè)溪流水樣中，有2個(gè)樣品的F-濃度大于1 mg/L，1個(gè)樣品F-濃度為0.5～1 mg/L，4個(gè)樣品的F-濃度小于0.5 mg/L?？梢?jiàn)，該地區(qū)僅有零星少數(shù)地下水F-濃度超過(guò)1 mg/L。

3.2 氟異常點(diǎn)分布

野外調(diào)查結(jié)果表明，地下水(井水)中的F-異常點(diǎn)(大于1.0 mg/L)分別位于高興鎮(zhèn)睦敬村王屋組(F-濃度為1.18 mg/L)，老圩村塘下組(濃度為11.90 mg/L)和鼎龍鄉(xiāng)田溪村秦嶺組(F-濃度為1.21 mg/L)。泉水中的氟異常點(diǎn)(SQ024)位于隆坪鄉(xiāng)龍下村，其濃度為6.49 mg/L，溪流中的氟異常點(diǎn)(SL001、SL012)分別位于隆坪鄉(xiāng)下油榕村中螢礦業(yè)采砂車(chē)間和鼎龍鄉(xiāng)興國(guó)齊發(fā)礦業(yè)鼎龍螢石礦，其F-濃度分別為6.86 mg/L和 6.70 mg/L，初步認(rèn)為地下水中的F-濃度異常與斷離構(gòu)造及當(dāng)?shù)匚炇V的開(kāi)采有關(guān)。

3.3 氟水文地球化學(xué)特征

(1)F-濃度與TDS的關(guān)系。以鄉(xiāng)(鎮(zhèn))為單位，分別對(duì)興國(guó)縣北部的高興鎮(zhèn)、城崗鄉(xiāng)、鼎龍鄉(xiāng)、長(zhǎng)崗鄉(xiāng)、崇賢鄉(xiāng)、方太鄉(xiāng)井水的F-濃度與TDS的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)相關(guān)分析(圖2)。結(jié)果表明，地下水中的F-與TDS呈正相關(guān)關(guān)系，興國(guó)北部地區(qū)地下水F-濃度隨TDS的增高而增高，說(shuō)明地下水在溶解其它礦物的同時(shí)，對(duì)含氟礦物也進(jìn)行了溶解。

(2)F-濃度與pH值的關(guān)系。根據(jù)水中F-濃度與pH值的關(guān)系圖(圖3)可以明顯看出，興國(guó)縣北部地下水的pH值與F-濃度呈正相關(guān)，F(xiàn)-濃度偏高的地下水pH值多為中性和偏堿性，這與李向全(2007)高氟地下水集中分布于pH值7.4～8.2，高氟水都為堿性水的認(rèn)識(shí)相一致。pH值對(duì)氟在水中的賦存形態(tài)有決定性作用，偏堿性水更有利于含氟礦物的溶解，堿性、偏堿性水可使水中的鈣離子活度降低，從而抑制水中F-聚集作用，有利于在地下水中F-富集(蘇饋?zhàn)愕龋?009)。此外，水中OH-增高，易于置換含氟礦物中的F-，導(dǎo)致水中F-濃度增高。

(3)F-與Ca2+濃度的關(guān)系。地下水中的F-濃度與Ca2+濃度的關(guān)系曲線(xiàn)顯示，高興鎮(zhèn)，城崗鄉(xiāng)，長(zhǎng)崗鄉(xiāng)，崇賢鄉(xiāng)和方太鄉(xiāng)地下水F-均與Ca2+呈正相關(guān)關(guān)系(圖4)。根據(jù)螢石化學(xué)組成(CaF2)可知，當(dāng)螢石不斷溶解，水中F-濃度與Ca2+濃度會(huì)同時(shí)增加，因而使F-與Ca2+濃度之間具有正相關(guān)關(guān)系。這是由于在低礦化地下水中，Ca2+與F-濃度未達(dá)到CaF2溶度積，而是隨著礦物中的Ca2+，F(xiàn)-不斷溶解使其在水中不斷增高的結(jié)果。通常在高礦化度地下水地區(qū)，當(dāng)F-與Ca2+濃度達(dá)到一定程度時(shí)，地下水中的F-濃度與Ca2+濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這種條件下，Ca2+就與F-結(jié)合生成CaF2沉淀，使其之間顯示出負(fù)相關(guān)關(guān)系(邢懷學(xué)等，2014；毛若愚等，2016)，Ca2+濃度較高會(huì)使螢石溶解平衡向沉淀方向進(jìn)行，從而降低F-在水中的濃度。水中F-與Ca2+濃度為正相關(guān)這一事實(shí)表明巖石中的含氟含鈣礦物均處于溶解狀態(tài)，地下水均為低礦化度地下水。

(4)氟的來(lái)源分析。根據(jù)江西省地質(zhì)調(diào)查院對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)調(diào)查成果，在高興幅1∶5萬(wàn)地質(zhì)圖說(shuō)明書(shū)中可見(jiàn)，在圖幅東部的羅坑單元中可見(jiàn)北東向斷裂帶中產(chǎn)有螢石礦脈。受斷裂構(gòu)造的影響，深部水可通過(guò)斷裂上升至地表，水中F-濃度較高(調(diào)查點(diǎn)SJ070)。從巖石微量元素結(jié)果看，巖石中的F含量為440×10-6～1 320×10-6。

表1 研究區(qū)巖石中F-含量

注：表中數(shù)據(jù)來(lái)自江西省地質(zhì)調(diào)查院內(nèi)部資料。

圖3 地下水F-濃度與pH值的關(guān)系Fig.3 Relationship between F- and pH value valueof the groundwater

圖4 地下水中的F-與Ca2+濃度的關(guān)系Fig.4 Relationship between F- and Ca2+ concentration of the groundwater

由表1可以清楚的看出，在不同的地質(zhì)調(diào)查單元巖石中都含有一定品位的F，這為地下水中的F-提供了物質(zhì)來(lái)源。此外，調(diào)查區(qū)內(nèi)的螢石礦開(kāi)發(fā)是局部高氟地下水中氟的重要來(lái)源。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)興國(guó)縣北部地區(qū)地下水氟水文地球化學(xué)研究，得到以下結(jié)論：

(1)研究區(qū)淺層地下水屬于低氟地下水，地下水中的F-濃度一般為0.02～0.52 mg/L。

(2)F-濃度大于1 mg/L的高氟地下水通過(guò)斷裂來(lái)自深部或與螢石礦的開(kāi)發(fā)有關(guān)，從而造成該區(qū)局部地下水中的氟異常。

(3)淺層地下水F-濃度與其TDS、pH值及Ca2+含量均是正相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)榈偷V化度地下水地區(qū)，氟主要來(lái)源螢石及其他含氟礦物處于溶解狀態(tài)，導(dǎo)致TDS、Ca2+含量增高的同時(shí)，水中F-濃度也隨之增高。偏堿性地下水環(huán)境介質(zhì)有利于氟的遷移。

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