高氟水、高矿化水的形成原因浅析

2021-01-10刘子钰

西部资源 2021年6期

刘子钰

摘要：内蒙古自治区四子王旗北部地下水资源贫乏，且水质普遍较差，矿化度、氟化物等普遍超标，利用已有水文地质勘查资料，研究当地高氟水、高矿化水的形成机理，可以为寻找水质较好地段和较好层位提供借鉴。本文从介绍影响当地地下水水质的气象、水文、地形地貌、地质、水文地質等多要素出发，在分析研究区水质变化规律基础上，论述了高氟水、高矿化水的形成原因。

关键词：高氟水；高矿化水；成因分析；四子王旗

1.研究区地理概况

1.1研究区位置

本文将四子王旗北部作为区域论述背景范围，因其分布面积广大，多数地段未开展过较大比例尺的水文地质勘查工作，勘探钻孔极少，根据已有勘探钻孔分布情况，划分出四个研究区片进行分析，各区片分别为善丹呼日勒口岸区、游客接待中心区、胡杨林景区和温泉区。各研究区片位置见图1。

1.2气象与水文

1.2.1气象

研究区属中温带半干旱大陆性季风气候，具有降水量小，蒸发量大，湿度小，温差大，风沙多的气候特点。根据四子王旗乌兰花气象站1962年～2020年的气象资料，多年平均降水量311.23mm，最大年降水量566.7mm（2003年），最小年降水量195.2mm（1997年），降水多集中在6、7、8、9四个月，占全年总降水量的75%左右，多年平均蒸发量2183.10mm，最大年蒸发量2423.9mm（2001年），最小年蒸发量1185.1mm（2003年），以4、5、6、7、8五个月的蒸发量最大，占全年总蒸发量的70%左右。多年平均气温3.8℃，最高气温35.7℃，最低气温-39℃，冻结期由10月至翌年的5月初，最大冻结深度 260cm，无霜期78天～142天，多年平均风速3.1m/s。

1.2.2水文

研究区所在的区域属内陆水系塔布河流域下游地段，因沿途蒸发及下渗补给地下水，至区内河流基本消失，因此研究区地表水系极不发育，仅有数条小型季节性沟谷，比如胡杨林景区的查干尔诺音浩来，口岸区的善丁呼尔林巴润浩来，旅客中心的敖包高勒等，平时干涸无水，雨季暴雨时形成短暂的洪水。

区内湖泊稀少，分布于胡杨林景区北侧的哈沙图查干诺尔是研究区较大的湖泊，其他湖泊规模极小，仅在雨季多由片流形成而短期存在。

哈沙图查干诺尔主要由雨季洪水汇入而形成，同时亦接受周边潜水补给，汇水面积约为110km2，部分年份干涸，多数年份有水，湖水面积维持在2.5km2～3.5km2，平均水深1.0m～1.2m。

1.3地形地貌

研究区所在区域位于内蒙古高原北部，地形总体呈西高东低、南高北低之趋势，海拔高度950m～1206m之间。最高处位于温泉区巴彦图格木一带，海拔标高1206m，最低处位于胡杨林景区阿尔乌苏一带，海拔标高950m，最大相对高差为256m。

其地貌类型比较简单，根据地貌成因（外力地质作用）可划分为三大类型，即构造剥蚀地形、剥蚀堆积地形及堆积地形。按二级形态特征可进一步划分为低山丘陵、波状高平原、湖积洼地、冲洪积平原四种不同类型。

2.地质概况

2.1地层

四子王旗北部前中生代地层区划属华北地层大区、内蒙古草原地层区的锡林浩特—磐石地层分区、赤峰地层分区及晋冀鲁豫地层区的阴山地层分区、大青山地层小区。中新生代属滨太平洋地层区、大兴安岭—燕山地层分区、阴山地层小区和博克图—二连浩特地层小区。

出露地层主要有古生界石炭系、二叠系地层，中生界侏罗系、白垩系地层，新生界古近系地层及新生界第四系地层。

2.2岩浆岩

主要分布于善丹呼日勒口岸区，为燕山期细粒及中粗粒花岗岩、花岗闪长岩，其主要成份由浅红色中粒、似斑状中粒组成，由斜长石、石英及少量黑云母组成，致密。

2.3构造

研究区跨越两个大地构造单元。一级构造单元属于内蒙古中部地槽褶皱系，二级构造单元为温都尔庙—翁牛特旗加里东地槽褶皱带和苏尼特右旗晚华力西地槽褶皱带。

3.水文地质概况

3.1区域水文地质概况

3.1.1地下水形成的自然规律

区域上由于受燕山期构造运动的影响，形成了不同时期的凹陷和隆起。隆起区基岩裸露，受构造运动影响，不断遭受剥蚀风化，裂隙发育，故赋存有不连续的基岩裂隙水；凹陷中由于接受了新近系、古近系、白垩系碎屑岩沉积，形成储水盆地（巴音和硕盆地），赋存较丰富的碎屑岩类裂隙孔隙水；第四纪以来，研究区由于受喜山运动的影响，以上升为主，第四纪地层主要分布于沟谷和低洼部位，赋存第四系松散岩类孔隙水。

3.1.1.1第四系松散岩类孔隙水

分布很有限，主要赋存于小型冲沟内，呈条带状、枝状，含水层岩性多为中细砂、细砂，厚度1m～5m，水位埋深一般小于5m，单井涌水量多小于100m3/d，矿化度1g/L～3g/L，氟离子0.5mg/L～3.0mg/L，因气候干旱，第四系松散岩类孔隙水水量贫乏，可利用价值小。

3.1.1.2基岩裂隙水

主要分布于善丹呼日勒口岸的低山丘陵区，含水层岩性主要为变质岩系和花岗岩，因经历了多期构造变动和长期外力作用，使地层产生强烈的褶皱和断裂，地质体支离破碎，岩石节理裂隙发育，给地下水赋存创造了条件。但因受当地常年多风少雨的干旱气候条件的影响，再加上基岩裂隙多为闭合性或被方解石、粘土充填，使得基岩裂隙水水量小，且含水层位也极不连续。

3.1.1.3碎屑岩类裂隙孔隙水

分布区地表大多呈现波状高平原地貌，属于白音和硕盆地的一部分，经过漫长的地质历史时期，盆地中沉积了巨厚的新近系、古近系及白垩系地层，为区内的主要供水目的层。

据已有钻孔资料，含水层岩性由砂砾岩、中粗砂岩、中细砂岩及粉砂岩组成，岩性总的变化规律为由南向北颗粒由细变粗，由南向北单井涌水量逐渐变大，总趋势为：<10m3/h→10m3/h～50m3/h→<50m3/h～100m3/h，南部地下水以微咸水为主，矿化度多为1g/L～3g/L，上游局部为淡水，矿化度小于1g/L，中北部以微咸水、咸水为主，矿化度1g/L～ 5g/L，地下水化学类型以Cl·SO4-Na型水为主。

3.2研究区水文地质条件

3.2.1含水岩组特征

研究区以碎屑岩类裂隙孔隙水为主，基岩裂隙水、第四系潜水分布范围小，水量贫乏，可利用价值小，这里仅以碎屑岩类裂隙孔隙水为主进行介绍。碎屑岩类裂隙孔隙水分布于游客接待中心和温泉区所在的广大地区。

据两个区片内钻孔资料（表1），含水层主要为古近系脑木更组（E1n）中砂岩、粗砂岩、细砂岩，顶板埋深53.58m～ 109.10m，标高为948.32m～1088.53m，其上为大厚度的以泥岩为主的隔水层，水位埋深20.42m～60.78m，标高为973.51m～ 1090.97m，各孔水位均高于含水层顶板，属于承压水性质。

各孔含水层厚度16.71m～110.80m，含水层的富水性主要与区片所处碎屑岩盆地位置及地层岩性结构相关，与含水层厚度关系不大，在接近沉积盆地下游，含水层厚度虽未见减小，但含水层中的泥质成分增多，孔裂隙发育差，地下水的储存空间更小，渗透性更差，补给能力更弱，使得富水性变差，单井涌水量小于100m3/d，在盆地上游，含水层厚度虽未见增大，但含水层中的泥质成分相对要少，孔隙、裂隙相对发育，地下水的储存空间较大，渗透性较好，补给能力较强，富水性为100m3/d～500m3/d。

3.2.2地下水水质变化规律

3.2.2.1水质在水平方向上的变化规律

研究区整体上位处区域地下水径流的下游地带，上游承压水侧向径流补给是其唯一补给来源，承压水得不到大气降水或其他优质水的补给更新，地下水水质普遍不良，依据钻孔并结合机井水质资料（表2）可知，pH值为7.92～8.85，均为弱碱性水，溶解性总固化为0.56g/L～70.06g/L，大多为高矿化水，氟离子含量为0.22mg/L～5.14mg/L，多为高氟水。水化学类型简单，绝大部分为CL-·SO42--Na+型水。

区内承压水自上游向下游（东南→西北）缓慢径流，由于径流途径长，地层颗粒较细，地下水运移缓慢，承压水的水质也反映出由南到北矿化度逐渐增高、水质变差的规律。

3.2.2.2水质在垂向上的变化分析

游客中心分布有不同深度的钻孔及机井共8个，其他区片钻孔及机井分布极少，因此，这里仅就游客中心不同深度的钻孔及机井水质变化做初步分析。

8个井孔深度为98.00m～251.91m，含水层与隔水层交互沉积，其中含水层均为脑木更组（E1n）砂岩，厚度52.30m～ 110.80m，其上为大厚度的以泥岩为主的隔水层，所揭露的地下水均为承压水。

利用表2资料，绘制游客中心承压水部分组分含量与井孔深度关系趋势图（图2），从图中可以看出，随着井孔深度自左向右逐步变小：

①pH值略有升高或降低，总体变化平稳，变化值在7.92～8.55之间，无趋势性上升或下降现象；

②矿化度有升有降，总体变化大，值数为2.32g/L～9.20g/L，无趋势性上升或下降现象；

③氟离子有升有降，总体变化大，值数为0.22mg/L～ 1.82mg/L，无趋势性上升或下降现象。

综上所述，随着井孔深度加大或减小，区片内的承压水化学组分含量未出现趋势性上升或下降现象，初步分析认为，井孔揭露深度内的不同深度承压含水层水质差别不大，承压水水质总体不良。

4.高氟水与高矿化水成因分析

4.1高氟水成因分析

研究区地下水氟离子含量普遍超标，利用四个研究区片中，具备分析资料的钻孔及机井水质资料，绘制F-与TDS含量对比图（图3），从图中可知，在不同井孔的地下水中，随着氟化物含量升高，TDS含量却呈下降趋势，这种反差在咸水、盐水、卤水中表现更为明显。

利用前述资料绘制F-与Ca2 +含量对比图（图4），从图中可知，在不同井孔地下水中，随着氟化物含量升高，Ca2+含量却有明显的下降趋势，呈负相关关系。

利用前述资料绘制F-与Na+（毫克当量百分比）对比图（图5），从图中可知，在不同井孔的地下水中，隨着氟化物含量升高，Na+（毫克当量百分比）宜有相近的上升趋势，大致呈正相关关系。

高氟水成因较为复杂，通过分析水质结果和高氟水分布特点，对研究区氟离子成因初步总结如下：

4.1.1氟含量与pH、Na+（毫克当量百分比）正相关，与TDS、Ca2+负相关，原因及表现如下：

4.1.1.1研究区地下水多为弱碱性水，易于氟的络合物水解，增加了水中氟离子的浓度。

4.1.1.2研究区地下水阳离子主要以Na+离子为主，Ca2+离子含量少，不易形成氟化物沉淀，低钙环境有利于氟含量富集。

4.1.1.3高矿化承压水的氟含量明显偏低，且矿化度越高、氟含量越低，尤其表现为咸水、盐水、卤水，可能与径流途中受到其它补给源影响较小、沿途受泥含量高的含水介质对氟的吸附有关。如游客中心矿化度最高的三个承压水样点W158、W160、SK04的矿化度分别为5.16g/L、8.15g/L、9.20g/L，其氟含量却分别为0.53mg/L、0.51mg/L、0.22mg/L。再比如胡杨林景区的SK07号钻孔，矿化度为70.06g/L，其氟含量却仅为0.22mg/L。

4.1.2高氟水的形成也与研究区特有的干旱少雨，蒸发强烈的气候有关。

本区属于干旱气候区，降水量小，蒸发量大是其基本气候特点，如此使得地下水得到大气降水的补给少，水更新缓慢，有利于氟化物富集。

4.1.3口岸区为地下水的补给区，矿化度普遍较低，氟含量本应较低，但实际上三个样点氟含量全部超标，最高的SK01号钻孔达5.14mg/L，除了与干旱气候有关外，更可能与母岩矿物成份有关。

4.2高礦化水成因分析

依据前述资料，本区承压水矿化度为2.27g/L～70.06g/L（表2中口岸区潜水除外），均为高矿化水，且自上游至下游，呈现微咸水→咸水→盐水→卤水规律分布，无淡水资源。高矿化水成因较为复杂，通过分析水质结果、高矿化水的赋存与分布规律、古地理环境及其补给、径流、排泄条件，对其成因初步分析如下：

4.2.1地下水补给条件是影响矿化度的重要因素。高矿化水均为碎屑岩盆地承压水，因其顶板为大厚度泥岩隔水层，造成其补给源为单一的上游承压水侧向径流补给，而不能接受大气降水或其他低矿化水的更新，是本区高矿化水形成的重要原因。

4.2.2水动力条件是高矿化水形成的主导因素。本区位于区域地下水径流的下游地段，地势低洼，水力坡度小，古近系承压水在封闭半封闭环境下自南向北经长途缓慢流动，在径流过程中经过长期溶滤作用，盐分逐步升高，在盆地西北侧受到低山丘陵阻隔向东北转向，之后，受东北方向基底隆起影响，盆地出口收窄，地下水径流进一步变缓甚至滞流，盐分急剧升高，地下水甚至达到卤水级别。

4.2.3古地理环境为高矿化水的形成提供了物质基础。本区为封闭半封闭的碎屑岩沉积盆地，且研究区位于盆地的下游部位，在漫长的地质历史进程中，堆积了大量的古近系碎屑岩，地形低洼处多次形成古湖泊、沼泽，古湖泊又多次被沉积覆盖，形成以湖相沉积为主的河湖相交互沉积地层，封存了大量高盐、高碱物质，为高矿化水形成提供了物质基础和盐分来源，后期地下水进入后，溶解了这些盐分，形成了高矿化水。

4.2.4干旱气候条件是高矿化水形成的外在因素。研究区位于内蒙古高原北部荒漠草原区，气候干燥，降水稀少，蒸发强烈，使得地下水补给慢、更新差，地下水矿化度在区域上总体偏高，是形成本区高矿化水的外在因素。

5.结论

高氟、高矿化水成因较为复杂，通过分析水质结果和高氟、高矿化水分布特点、古地理环境及其补径排条件，对研究区高氟、高矿化水成因总结如下：

5.1高氟水成因

5.1.1氟含量与pH、Na+（毫克当量百分比）正相关，与TDS、Ca2+负相关。

5.1.2高氟水的形成与研究区特有的干旱少雨，蒸发强烈的气候有关。

5.1.3高氟水与母岩矿物成分有关。

5.2高矿化水成因

5.2.1地下水补给条件是影响矿化度的重要因素。

5.2.2水动力条件是高矿化水形成的主导因素。

5.2.3古地理环境为高矿化水的形成提供了物质基础。

5.2.4干旱气候条件是高矿化水形成的外在因素。