贛南地區(qū)地下水氟含量區(qū)域分布特征及成因分析

羅建林

(江西應(yīng)用技術(shù)職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引言

根據(jù)《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)，適宜飲用水的標(biāo)準(zhǔn)氟含量為0.5～1.0 mg/L，地下水氟含量的高低，不僅影響地下水質(zhì)量，而且與人類飲水安全息息相關(guān)，長期飲用低氟水，容易形成齲齒，長期飲用高氟水則會(huì)造成氟斑牙或氟骨癥等病變[1]。因此，對地下水氟含量區(qū)域分布特點(diǎn)及成因可以為飲水安全開發(fā)利用提供有利的依據(jù)。

呂曉立等采用梳理統(tǒng)計(jì)、離子比及主成分分析等手段，對甘肅省秦王川盆地地下水氟富集特征及影響因素進(jìn)行了研究，得出該地多以高氟水為主，且氟礦物螢石的溶解是地下水氟離子的主要來源這一結(jié)論[2]；霍光杰等對河南省地下水氟含量分布特征進(jìn)行了研究，針對淺層、中深層及深層地下水氟含量的分布特點(diǎn)，提出了相對應(yīng)的降低氟含量的解決辦法[3]；毛若愚等通過對內(nèi)蒙古河套盆地含氟地下水分布特點(diǎn)的研究，分別得出山前地區(qū)和平原地區(qū)的氟含量主要控制因素分別為螢石溶解、方解石沉淀和蒸發(fā)作用[4]；欒風(fēng)嬌，張群等則對新疆地區(qū)的地下水氟分布特征進(jìn)行了分析，并得出地下水氟含量主要受山區(qū)煤系地層、氣候以及徑流條件等的影響[5-6]。

眾多研究結(jié)果表明，氟化物(螢石)的溶解是地下水氟含量的主要影響因素[7-11]，但是各個(gè)地區(qū)的地層、徑流以及氣候差異明顯，因此，地下水氟含量的分布及成因千差萬別。江西是我國紅色文化發(fā)源地之一，長期以來，該地區(qū)發(fā)展相對滯后，為了推進(jìn)各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，需要對該地區(qū)的水文地質(zhì)特征進(jìn)行全面調(diào)查，本文以贛南某地區(qū)為例，對該地區(qū)的地下水分布及成因特征進(jìn)行了研究和探討，以期能為地區(qū)水資源的合理開發(fā)提供借鑒。

1 研究區(qū)概況

江西贛州面積為39 379.64 km2，總?cè)丝诩s980萬，為我國重要的紅色文化發(fā)源地，是我國重要的稀土生產(chǎn)加工地。研究區(qū)位于贛州市北部地區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候，多年平均降雨量1560 mm，多年平均氣溫18.8℃，境內(nèi)水系發(fā)達(dá)，河網(wǎng)密度達(dá)0.23 km/km2；研究區(qū)整體地勢呈中間低、兩邊高的“凹”型布置，古生代、中生代以及新生代地層發(fā)育較為發(fā)育，出露面積占比達(dá)97%；含水巖主要分為松散巖、碎屑巖以及巖漿巖(分為花崗巖和變質(zhì)巖)等三組，地下水系自西向東依次為水槎水、武術(shù)河、澗水、歲水以及瀲江5個(gè)地下水系統(tǒng)，基本為低礦化度地下水，pH呈弱酸性。研究區(qū)概況見圖1。

圖1 研究區(qū)地貌略圖Fig.1 Geomorphological map of the study area

根據(jù)研究區(qū)含水巖分布情況，將地下水類型分為對應(yīng)的四種類型：松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水、花崗巖類裂隙水以及變質(zhì)巖類裂隙水，在各區(qū)域取水樣個(gè)數(shù)分別為87、86、74和193，每個(gè)取樣點(diǎn)均取水300 mL，密封后帶回實(shí)驗(yàn)室，然后采用哈希DR2800型便攜式可見光譜分光光度計(jì)(圖2)進(jìn)行氟濃度的測試，該儀器的測試精度為0.01 mg/L。

圖2 試驗(yàn)儀器(哈希DR2800型)Fig.2 Test instrumen (hash DR2800 type)

2 水氟含量分布特征

2.1 含量分布情況

不同含水巖組地下水氟含量分布情況見圖3。由圖3可見，松散巖類孔隙水主要分布于研究區(qū)均村和高興鎮(zhèn)一帶，該地區(qū)地層主要為寒武系和白堊系，均村鄉(xiāng)一帶的松散巖類孔隙水氟含量主要為0.02～0.3 mg/L，高興鎮(zhèn)一帶氟含量主要為0.02～0.5 mg/L，因此，松散巖類地下水主要為低氟水；碎屑巖類孔隙裂隙水主要分布于水槎鄉(xiāng)、高興鎮(zhèn)一級長崗鄉(xiāng)一帶，該地區(qū)主要地層為石炭—泥盆系和白堊系，水槎鄉(xiāng)一帶的地下水氟含量主要為0.02～0.05 mg/L，中部高興鎮(zhèn)、長崗鄉(xiāng)一帶氟含量主要為0.02～0.5 mg/L，因此，碎屑巖類地下水主要為低氟水；花崗巖類裂隙水主要分布于中南部隆坪以及東部方山嶺—楊村—長岡水庫一帶，分布區(qū)主要以花崗巖巖體為主，中南部地區(qū)的氟含量主要為0.02～0.5 mg/L，局部地區(qū)大于1 mg/L，東部地區(qū)氟含量主要為0.02～0.5 mg/L，可見，花崗巖類地下水仍以低氟水為主；變質(zhì)巖類裂隙水主要分布于西部和東部局部地區(qū)，分布區(qū)以寒武系和震旦系為主，西部地區(qū)的氟含量主要為0.02～0.5 mg/L，局部地區(qū)為0.5～1.0 mg/L，東部局部地區(qū)的氟含量主要為0.02～0.1 mg/L，從整體上來講，變質(zhì)巖類地下水仍以低氟水為主。

圖3 氟含量區(qū)域分布特征Fig.3 Regional distribution characteristics of fluorine content1—第四系 2—白堊系 3—石炭—泥盆系 4—寒武系 5—震旦系 6—花崗巖巖體 7—氟等值線(mg/L)

2.2 含量分級情況

對不同含水巖組取樣點(diǎn)的地下水氟含量進(jìn)行分級，結(jié)果見表1。由表1可知，在87份松散巖類孔隙水中，低氟水、中氟水和高氟水的樣品數(shù)分別為82、4和1個(gè)，占比分別為94.3%、4.6%和1.1%；在86份碎屑巖類孔隙裂隙水中，低氟水、中氟水和高氟水的樣品數(shù)分別為84、0和2個(gè)，占比分別為97.7%、0%和2.3%；在74份花崗巖類裂隙水中，低氟水、中氟水和高氟水的樣品數(shù)分別為84、0和2個(gè)，占比分別為93.2%、4.1%和2.7%；在193份變質(zhì)巖類裂隙水中，低氟水、中氟水和高氟水的樣品數(shù)分別為84、0和2個(gè)，占比分別為96.4%、3.6%和0%；從全部440份水樣中可以看到，低氟水樣品數(shù)為421個(gè)，占比達(dá)到95.7%?？梢?，當(dāng)?shù)氐叵滤缘头疄橹?，絕大部分地區(qū)不符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)要求。

表1 不同含水巖組地下水氟含量分級情況Table 1 Classification of fluorine content of groundwater in different water bearing rocks

2.3 不同含水巖組氟含量對比

對不同含水巖組水氟含量進(jìn)行均化處理，結(jié)果見圖4。由圖4可見，花崗巖類地下水的平均氟含量最高，其次為松散巖類地下水，再次為碎屑巖類地下水，平均氟含量最小的變質(zhì)巖類地下水，這是因?yàn)榛◢弾r中含有較高的氟礦物，而變質(zhì)巖主要以變余砂巖為主，巖層中的氟化物含量較低，因此，氟化物(螢石)溶解效果較差，從而形成相對低氟含量區(qū)。同時(shí)，地下水中氟含量的高低不僅與氟化物含量有關(guān)，而且與該地區(qū)氣候濕潤、降雨量多、水動(dòng)力條件好以及螢石礦開采有關(guān)，故在普遍低氟水含量情況下，易出現(xiàn)局部的高氟水區(qū)(氟含量異常點(diǎn))。

圖4 不同含水巖組地下水平均氟含量Fig.4 Average fluorine content of groundwater indifferent water-bearing rocks

3 影響地下水氟含量分布的原因

3.1 氟礦物影響

從上文分析可以看到，花崗巖類地下水的氟含量較高，這主要得益于花崗巖中黑云母、螢石以及磷灰石的含量較高。黑云母是一種硅酸鹽礦物，不同巖石中的黑云母成分相差較大，相對密度范圍為3.02～3.12，在花崗巖中黑云母含量可達(dá)10%；螢石(CaF2)為鹵化物礦物微溶于水，溶于硫酸，其中氟含量約為49%；磷灰石是一種磷酸鹽礦物，為制造農(nóng)用化肥的重要原材料，氟含量為3%～4%。

以花崗巖類裂隙水分布區(qū)為例，對當(dāng)?shù)貛r體中的氟含量進(jìn)行了檢測，并與地下水氟含量進(jìn)行了對比，結(jié)果見圖5。由圖5可見，巖體氟含量的變化特征與地下水平均氟含量的變化趨勢基本一致，即“M”型變化特征，巖體氟含量越高，地下水氟濃度越高，這表明地下水中的氟離子主要來源于巖體中氟化物的溶解，在地表水入滲過程中逐漸將巖體中的氟溶解并匯入地下水系。

圖5 巖體含氟與地下水氟含量關(guān)系Fig.5 Relationship between fluorine content inrock mass and that in groundwater

3.2 地層巖性的影響

不同地層下的地下水氟含量對比見圖6。由圖6可見，花崗巖地層的水氟含量最高，而泥盆系、石炭系的地下水氟含量最低；第四系巖層主要為亞砂土、黏土，由于黏土易吸附氟離子，故而周圍地下水中的濃度較高，白堊系巖層主要為砂巖和礫巖，巖層相對松散且處于盆地，利于氟的溶解聚集，因此氟濃度也較高，石炭系和泥盆系巖層主要為灰?guī)r、頁巖和鈣粉砂巖，這幾種巖石的氟含量較少，且富水程度低，故而地下水氟濃度低，震旦系、寒武系巖層主要為變余砂巖，受風(fēng)化和構(gòu)造裂隙影響，為地下水徑流提供了滲流通道，易于氟的溶解，故氟含量尚可。

圖6 不同地層地下水氟含量Fig.6 Fluorine content of groundwater in different strata

綜上，不同巖層的水氟含量情況為花崗巖>亞砂土(黏土)>砂巖(礫巖)>變余砂巖>灰?guī)r(炭質(zhì)頁巖、鈣粉砂巖)。

3.3 水動(dòng)力的影響

對不同高程下地下水氟含量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見圖7。由圖7可見，松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水分布區(qū)的地勢較為平坦，故有利于氟的溶解和富集，而花崗巖主要分布于地勢平坦和較陡區(qū)，變質(zhì)巖的高程分布較廣，平坦、較陡和陡峭區(qū)均有分布，但是，同一種含水巖情況下，隨著地勢高程的增高，水中氟濃度越低，表明水動(dòng)力條件越好的區(qū)域，越不利于氟的溶解與富集，這是因?yàn)樗畡?dòng)力條件越好，水巖相互作用時(shí)間也就越短，相當(dāng)于縮短了氟礦物溶解于水的時(shí)間。

圖7 地面高程與水氟含量的關(guān)系Fig.7 Relationship between ground elevation andwater fluorine content

3.4 pH的影響

眾多研究表明，水氟含量與地下水pH值有關(guān)，一般而言，pH值越高，水氟濃度越大，高氟水主要集中于pH值介于7.3～9.0的區(qū)域，而在弱堿性水中的水氟濃度大多屬于中氟水，由于研究區(qū)地下水pH值多介于6.0～6.5之間，因此，不利于氟礦物的溶解，故造成當(dāng)?shù)氐叵滤蠖酁榈头?/p>

4 水氟成因分析

以研究區(qū)歲水一帶為例，對其水氟來源及成因進(jìn)行了探討(圖8)。該區(qū)域西部為隆坪中低山區(qū)，巖體主要以花崗巖為主，中部為紅層盆地，以白堊系、震旦系為主，多為亞黏土、亞砂土，東部為丘陵地帶，主要以花崗巖為主。西部隆坪山區(qū)花崗巖富含螢石等跨五，地下水氟含量較高，平均達(dá)到0.26mg/L，在水動(dòng)力條件下，地下水流入中部盆地，東部丘陵地帶花崗巖富含黑云母和磷灰石，水氟平均含量為0.17mg/L，巖體中氟經(jīng)溶濾作用后進(jìn)入地下水，然后也在水動(dòng)力作用下匯入盆地，興國盆地的亞黏土、亞砂土地層易吸附氟離子，再加之西部山區(qū)和東部丘陵水匯聚于此，而盆地的水動(dòng)力條件較差，造成水中氟含量較高，達(dá)到0.19 mg/L，而下部地下水主要以自身礦化物溶解為主，因此，水氟含量總體低于上部，平均含量僅為0.16 mg/L。綜上，地下水中氟含量主要依賴于氟礦物的溶解，同時(shí)受巖層、地形以及水動(dòng)力條件的影響，造成不同地貌區(qū)域的水氟濃度各異。

圖8 水氟成因分析示意Fig.8 Analysis diagram of water fluorine origin1—第四系 2—白堊系 3—侏羅系 4—斷層 5—地下水水位線及流向 6—降水入滲 7—泉

5 結(jié)論

1)研究區(qū)地下水水氟以低氟水為主，占比達(dá)到95.7%，不符合飲用水相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；不同地層下地下水氟含量大小依次為花崗巖類孔隙水>松散巖類孔隙水>碎屑巖類孔隙水>變質(zhì)巖類孔隙水。

2)地下水氟分布與巖層氟礦物含量、巖性、水動(dòng)力以及地下水pH值有關(guān)，由于當(dāng)?shù)氐叵滤仕嵝?、低礦化度、低鈣離子和碳酸氫根離子等特征，造成地下水以低氟水為主。

3)地下水中氟含量主要依賴于氟礦物的溶解，同時(shí)受巖層、地形以及水動(dòng)力條件的影響，造成不同地貌區(qū)域的水氟濃度各異。