赣南地区地下水氟含量区域分布特征及成因分析

罗建林

(江西应用技术职业学院，江西 赣州 341000)

0 引言

根据《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)，适宜饮用水的标准氟含量为0.5～1.0 mg/L，地下水氟含量的高低，不仅影响地下水质量，而且与人类饮水安全息息相关，长期饮用低氟水，容易形成龋齿，长期饮用高氟水则会造成氟斑牙或氟骨症等病变[1]。因此，对地下水氟含量区域分布特点及成因可以为饮水安全开发利用提供有利的依据。

吕晓立等采用梳理统计、离子比及主成分分析等手段，对甘肃省秦王川盆地地下水氟富集特征及影响因素进行了研究，得出该地多以高氟水为主，且氟矿物萤石的溶解是地下水氟离子的主要来源这一结论[2]；霍光杰等对河南省地下水氟含量分布特征进行了研究，针对浅层、中深层及深层地下水氟含量的分布特点，提出了相对应的降低氟含量的解决办法[3]；毛若愚等通过对内蒙古河套盆地含氟地下水分布特点的研究，分别得出山前地区和平原地区的氟含量主要控制因素分别为萤石溶解、方解石沉淀和蒸发作用[4]；栾风娇，张群等则对新疆地区的地下水氟分布特征进行了分析，并得出地下水氟含量主要受山区煤系地层、气候以及径流条件等的影响[5-6]。

众多研究结果表明，氟化物(萤石)的溶解是地下水氟含量的主要影响因素[7-11]，但是各个地区的地层、径流以及气候差异明显，因此，地下水氟含量的分布及成因千差万别。江西是我国红色文化发源地之一，长期以来，该地区发展相对滞后，为了推进各类基础设施建设，需要对该地区的水文地质特征进行全面调查，本文以赣南某地区为例，对该地区的地下水分布及成因特征进行了研究和探讨，以期能为地区水资源的合理开发提供借鉴。

1 研究区概况

江西赣州面积为39 379.64 km2，总人口约980万，为我国重要的红色文化发源地，是我国重要的稀土生产加工地。研究区位于赣州市北部地区，属亚热带季风湿润气候，多年平均降雨量1560 mm，多年平均气温18.8℃，境内水系发达，河网密度达0.23 km/km2；研究区整体地势呈中间低、两边高的“凹”型布置，古生代、中生代以及新生代地层发育较为发育，出露面积占比达97%；含水岩主要分为松散岩、碎屑岩以及岩浆岩(分为花岗岩和变质岩)等三组，地下水系自西向东依次为水槎水、武术河、涧水、岁水以及潋江5个地下水系统，基本为低矿化度地下水，pH呈弱酸性。研究区概况见图1。

图1 研究区地貌略图Fig.1 Geomorphological map of the study area

根据研究区含水岩分布情况，将地下水类型分为对应的四种类型：松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、花岗岩类裂隙水以及变质岩类裂隙水，在各区域取水样个数分别为87、86、74和193，每个取样点均取水300 mL，密封后带回实验室，然后采用哈希DR2800型便携式可见光谱分光光度计(图2)进行氟浓度的测试，该仪器的测试精度为0.01 mg/L。

图2 试验仪器(哈希DR2800型)Fig.2 Test instrumen (hash DR2800 type)

2 水氟含量分布特征

2.1 含量分布情况

不同含水岩组地下水氟含量分布情况见图3。由图3可见，松散岩类孔隙水主要分布于研究区均村和高兴镇一带，该地区地层主要为寒武系和白垩系，均村乡一带的松散岩类孔隙水氟含量主要为0.02～0.3 mg/L，高兴镇一带氟含量主要为0.02～0.5 mg/L，因此，松散岩类地下水主要为低氟水；碎屑岩类孔隙裂隙水主要分布于水槎乡、高兴镇一级长岗乡一带，该地区主要地层为石炭—泥盆系和白垩系，水槎乡一带的地下水氟含量主要为0.02～0.05 mg/L，中部高兴镇、长岗乡一带氟含量主要为0.02～0.5 mg/L，因此，碎屑岩类地下水主要为低氟水；花岗岩类裂隙水主要分布于中南部隆坪以及东部方山岭—杨村—长冈水库一带，分布区主要以花岗岩岩体为主，中南部地区的氟含量主要为0.02～0.5 mg/L，局部地区大于1 mg/L，东部地区氟含量主要为0.02～0.5 mg/L，可见，花岗岩类地下水仍以低氟水为主；变质岩类裂隙水主要分布于西部和东部局部地区，分布区以寒武系和震旦系为主，西部地区的氟含量主要为0.02～0.5 mg/L，局部地区为0.5～1.0 mg/L，东部局部地区的氟含量主要为0.02～0.1 mg/L，从整体上来讲，变质岩类地下水仍以低氟水为主。

图3 氟含量区域分布特征Fig.3 Regional distribution characteristics of fluorine content1—第四系 2—白垩系 3—石炭—泥盆系 4—寒武系 5—震旦系 6—花岗岩岩体 7—氟等值线(mg/L)

2.2 含量分级情况

对不同含水岩组取样点的地下水氟含量进行分级，结果见表1。由表1可知，在87份松散岩类孔隙水中，低氟水、中氟水和高氟水的样品数分别为82、4和1个，占比分别为94.3%、4.6%和1.1%；在86份碎屑岩类孔隙裂隙水中，低氟水、中氟水和高氟水的样品数分别为84、0和2个，占比分别为97.7%、0%和2.3%；在74份花岗岩类裂隙水中，低氟水、中氟水和高氟水的样品数分别为84、0和2个，占比分别为93.2%、4.1%和2.7%；在193份变质岩类裂隙水中，低氟水、中氟水和高氟水的样品数分别为84、0和2个，占比分别为96.4%、3.6%和0%；从全部440份水样中可以看到，低氟水样品数为421个，占比达到95.7%。可见，当地地下水以低氟水为主，绝大部分地区不符合《生活饮用水卫生标准》的相关要求。

表1 不同含水岩组地下水氟含量分级情况Table 1 Classification of fluorine content of groundwater in different water bearing rocks

2.3 不同含水岩组氟含量对比

对不同含水岩组水氟含量进行均化处理，结果见图4。由图4可见，花岗岩类地下水的平均氟含量最高，其次为松散岩类地下水，再次为碎屑岩类地下水，平均氟含量最小的变质岩类地下水，这是因为花岗岩中含有较高的氟矿物，而变质岩主要以变余砂岩为主，岩层中的氟化物含量较低，因此，氟化物(萤石)溶解效果较差，从而形成相对低氟含量区。同时，地下水中氟含量的高低不仅与氟化物含量有关，而且与该地区气候湿润、降雨量多、水动力条件好以及萤石矿开采有关，故在普遍低氟水含量情况下，易出现局部的高氟水区(氟含量异常点)。

图4 不同含水岩组地下水平均氟含量Fig.4 Average fluorine content of groundwater indifferent water-bearing rocks

3 影响地下水氟含量分布的原因

3.1 氟矿物影响

从上文分析可以看到，花岗岩类地下水的氟含量较高，这主要得益于花岗岩中黑云母、萤石以及磷灰石的含量较高。黑云母是一种硅酸盐矿物，不同岩石中的黑云母成分相差较大，相对密度范围为3.02～3.12，在花岗岩中黑云母含量可达10%；萤石(CaF2)为卤化物矿物微溶于水，溶于硫酸，其中氟含量约为49%；磷灰石是一种磷酸盐矿物，为制造农用化肥的重要原材料，氟含量为3%～4%。

以花岗岩类裂隙水分布区为例，对当地岩体中的氟含量进行了检测，并与地下水氟含量进行了对比，结果见图5。由图5可见，岩体氟含量的变化特征与地下水平均氟含量的变化趋势基本一致，即“M”型变化特征，岩体氟含量越高，地下水氟浓度越高，这表明地下水中的氟离子主要来源于岩体中氟化物的溶解，在地表水入渗过程中逐渐将岩体中的氟溶解并汇入地下水系。

图5 岩体含氟与地下水氟含量关系Fig.5 Relationship between fluorine content inrock mass and that in groundwater

3.2 地层岩性的影响

不同地层下的地下水氟含量对比见图6。由图6可见，花岗岩地层的水氟含量最高，而泥盆系、石炭系的地下水氟含量最低；第四系岩层主要为亚砂土、黏土，由于黏土易吸附氟离子，故而周围地下水中的浓度较高，白垩系岩层主要为砂岩和砾岩，岩层相对松散且处于盆地，利于氟的溶解聚集，因此氟浓度也较高，石炭系和泥盆系岩层主要为灰岩、页岩和钙粉砂岩，这几种岩石的氟含量较少，且富水程度低，故而地下水氟浓度低，震旦系、寒武系岩层主要为变余砂岩，受风化和构造裂隙影响，为地下水径流提供了渗流通道，易于氟的溶解，故氟含量尚可。

图6 不同地层地下水氟含量Fig.6 Fluorine content of groundwater in different strata

综上，不同岩层的水氟含量情况为花岗岩>亚砂土(黏土)>砂岩(砾岩)>变余砂岩>灰岩(炭质页岩、钙粉砂岩)。

3.3 水动力的影响

对不同高程下地下水氟含量进行统计，结果见图7。由图7可见，松散岩类孔隙水和碎屑岩类孔隙裂隙水分布区的地势较为平坦，故有利于氟的溶解和富集，而花岗岩主要分布于地势平坦和较陡区，变质岩的高程分布较广，平坦、较陡和陡峭区均有分布，但是，同一种含水岩情况下，随着地势高程的增高，水中氟浓度越低，表明水动力条件越好的区域，越不利于氟的溶解与富集，这是因为水动力条件越好，水岩相互作用时间也就越短，相当于缩短了氟矿物溶解于水的时间。

图7 地面高程与水氟含量的关系Fig.7 Relationship between ground elevation andwater fluorine content

3.4 pH的影响

众多研究表明，水氟含量与地下水pH值有关，一般而言，pH值越高，水氟浓度越大，高氟水主要集中于pH值介于7.3～9.0的区域，而在弱碱性水中的水氟浓度大多属于中氟水，由于研究区地下水pH值多介于6.0～6.5之间，因此，不利于氟矿物的溶解，故造成当地地下水大多为低氟水。

4 水氟成因分析

以研究区岁水一带为例，对其水氟来源及成因进行了探讨(图8)。该区域西部为隆坪中低山区，岩体主要以花岗岩为主，中部为红层盆地，以白垩系、震旦系为主，多为亚黏土、亚砂土，东部为丘陵地带，主要以花岗岩为主。西部隆坪山区花岗岩富含萤石等跨五，地下水氟含量较高，平均达到0.26mg/L，在水动力条件下，地下水流入中部盆地，东部丘陵地带花岗岩富含黑云母和磷灰石，水氟平均含量为0.17mg/L，岩体中氟经溶滤作用后进入地下水，然后也在水动力作用下汇入盆地，兴国盆地的亚黏土、亚砂土地层易吸附氟离子，再加之西部山区和东部丘陵水汇聚于此，而盆地的水动力条件较差，造成水中氟含量较高，达到0.19 mg/L，而下部地下水主要以自身矿化物溶解为主，因此，水氟含量总体低于上部，平均含量仅为0.16 mg/L。综上，地下水中氟含量主要依赖于氟矿物的溶解，同时受岩层、地形以及水动力条件的影响，造成不同地貌区域的水氟浓度各异。

图8 水氟成因分析示意Fig.8 Analysis diagram of water fluorine origin1—第四系 2—白垩系 3—侏罗系 4—断层 5—地下水水位线及流向 6—降水入渗 7—泉

5 结论

1)研究区地下水水氟以低氟水为主，占比达到95.7%，不符合饮用水相关标准；不同地层下地下水氟含量大小依次为花岗岩类孔隙水>松散岩类孔隙水>碎屑岩类孔隙水>变质岩类孔隙水。

2)地下水氟分布与岩层氟矿物含量、岩性、水动力以及地下水pH值有关，由于当地地下水呈酸性、低矿化度、低钙离子和碳酸氢根离子等特征，造成地下水以低氟水为主。

3)地下水中氟含量主要依赖于氟矿物的溶解，同时受岩层、地形以及水动力条件的影响，造成不同地貌区域的水氟浓度各异。