我国北方典型地区高氟水分布特征及形成机理*

何 锦 范基姣 张福存 韩双宝 金晓琳

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

我国北方典型地区高氟水分布特征及形成机理*

何 锦 范基姣 张福存 韩双宝 金晓琳

(中国地质调查局水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051)

在前人研究我国北方高氟水分布特征基础上，总结了我国北方三种高氟水的形成机制:①浓缩富集型;②岩石溶滤型;③海侵富集型。通过对三个典型地区——张掖盆地、赤峰盆地以及沧州平原的地貌地质条件、气候条件、含水层条件的系统分析以及水化学、同位素证据，得出三个地区的高氟水形成机理分别为蒸发浓缩富集、岩石溶滤以及海侵富集，并针对我国国情，提出了防止氟中毒的建议和方法。

高氟水;机理;赤峰;沧州;张掖

在世界范围内，长期饮用高氟地下水是导致产生地氟病的主要原因［1］。在我国北方地区，由于饮用高氟地下水而导致的氟中毒十分普遍。据报道［2］，我国北方饮水型氟中毒病区主要涉及1 108个县、10万个自然村，受威胁人口近8 000万。因此，研究这些地区的高氟水富集机理对于有效控制病源水体，寻找适宜水源，减少和杜绝氟中毒的发生，保护人类健康都具有重要现实意义。本文依据前人工作成果，选择典型地区——张掖盆地、赤峰盆地以及沧州平原对中国北方主要高氟地下水富集机制进行总结探讨，为今后寻找适宜饮用水源地以及有针对性地选择处理方法提供了科学依据。

1 不同类型高氟水富集特征

氟在地下水中的富集是长期地质作用和地球化学演变的结果。在我国北方高氟水主要分布区，由于其受不同的岩石类型、气候、地形地貌、地质构造、水文地质和污染等环境地质因素的影响，从而形成了不同的富集模式类型［3］，见表1。

1.1 蒸发浓缩型

主要分布于西北大型内陆盆地、山西六大盆地、松嫩平原、华北平原等地势低洼地带，为浅层高氟水主要成因类型。氟在地下水中的富集一般具有分带性规律，从山前到细土平原或滨海平原，地下水含氟量逐渐增高。其主要机理为上游富含氟离子的地下水，在径流途中到地势平坦或低洼地带，由于地下水径流滞缓、水动力条件差、水位埋藏浅、蒸发作用强烈，氟离子等化学元素在特定表生地球化学环境下在浅层地下水中浓缩富集。

1.2 溶滤富集型

主要分布于内蒙古高原，黄土高原和一些山地丘陵区，如内蒙古北部高原、阴山山地、鄂尔多斯高原黄土地区。该类型多存在于浅—中层承压含水层。主要的富氟机制为这些地区岩石主要由富氟矿物组成，包括黑云母、磷灰石、角闪石等经过地下水的长期溶蚀以及地表水的溶滤作用下，岩层中的氟不断迁移进入地下水，从而使得地下水中含氟量升高。

1.3 海侵富集型

主要存在滨海平原一带，如:河北沧州、天津、唐山等沿海城市地区，而局部内陆盆地中也有发现。其主要的富氟机制为该地区主要含水层在沉积过程中曾经多次受到海侵影响，其浅海相沉积地层中富含的淤泥质等粘土矿物会吸附海水中氟离子，富钠的地下水化学环境也使得海退时氟离子大量赋存下来，从而导致地下水的中氟离子的富集。

2 典型地区研究

2.1 张掖盆地

蒸发浓缩型研究区选择西北内陆张掖盆地甘州区，其属于典型温带大陆性干旱气候，降水少而蒸发强烈，从地貌上分为南部山前冲洪积戈壁平原和盆地中部冲洪积细土平原以及北部山前戈壁平原。区内主要河流为黑河。高氟水主要分布在盆地中部地势低洼的细土平原区，富氟含水层为0－40m的浅层地下水，高氟水含氟量一般为2－4mg/l，最高可以达到7.6mg/l(见图1)。

表1 我国北方高氟水主要成因类型

图1 张掖市甘州区浅层地下水氟离子分布图

通过对当地浅层地下水循环演化规律的分析，可以查明研究区浅层高氟地下水形成的水文地质原因［4］。研究区南部山区的降水汇集形成径流，在出山口进入盆地，流经洪积扇地带，大量渗漏补给地下水，在冲洪积扇中上部含水层颗粒粗大、导水性强、水力坡度大、地下水径流条件好，所以地下水中含氟量都较低。南部洪积扇缘及与之毗邻的细土平原区为多层潜水－承压水含水层，颗粒渐细、导水性减弱、地下水位抬升，蒸发浓缩作用增强，水氟含量升高，形成高氟水(见图2)。

图2 张掖盆地地下水补给、径流、排泄示意图

进一步研究该地区地下水水化学和同位素特征，可得知该区浅层氟离子分布具有明显的分区性特征［5－7］(图3、图4)。①低氟水区(ρ(F－)＜0.5mg/l)主要分布在补给区山前戈壁带以及河流两侧受河水补给地区，其地下水水化学特征为低矿化度、弱碱性的HCO3－Ca型水。其反映出河水渗漏进入含水层的溶滤作用;处在淋溶能力较弱的低氟环境。同时，地下水样的δD平均值为－60‰，δ18O平均值为－9.5‰，均靠近当地大气降水线，说明了其补给来源主要为山区大气降水，蒸发作用微弱。②中氟水区(1mg/l＜ρ(F－)＜2mg/l)，主要分布在河流中游的平原区。其水样中TDS值升高，pH值增大，地下水化学类型演化为HCO3－SO4－Na－Mg型，其反映出地下水在径流过程中水岩作用时间长，Ca2+－Na+离子交换作用导致水中碱性增加从而利于氟离子富集;此时，地下水样的δD平均值为－53‰，δ18O平均值为－8.3‰，较之补给区δD、δ18O值增大，反映出蒸发作用对浅层地下水的有轻微影响。③高氟水区(ρ(F－)＞2mg/l)，主要分布在径流条件缓慢、地形低洼、地下水位埋深浅的排泄区。地下水化学类型为高矿化度的SO4－Cl－Na型水，其水样的δD、δ18O值明显偏离当地大气降水线，反映出浅层地下水受到强烈蒸发浓缩作用，强烈的蒸发作用使得氟离子浓缩富积在含水介质及包气带中，从而导致地下水中氟离子升高。

2.2 赤峰盆地

岩石溶滤型研究区选择内蒙古赤峰盆地，属于典型的半干旱大陆季风气候，冬季寒冷、夏季干热。区内多山，山脉多属于大兴安岭南部余脉，纵贯全区及南部，地势由西向东微倾斜。本区主要河流为老哈河和西拉沐沦河，并在局部山区发育有季节性河流。

区内高氟水(ρ(F－)＞2mg/l)主要以西拉木沦河以北的侵蚀构造中低山区的基岩裂隙水以及西拉木沦河以南，老哈河以北的黄土丘陵地区的第四系孔隙潜水为主。总面积约为29 000km2，占全区总面积的32.4%。

通过相关资料得知［8］:该地区位于阴山东西向复杂构造带与大兴安岭新华夏构造带交接部位的东南端。北部高氟水分布区，以侏罗系火山岩及白垩系流纹岩、燕山期花岗岩组成。这些变质岩和火山岩均存在较高的全氟含量(表2)。例如:区内侏罗纪玄武岩全氟含量最高可以达到2 600mg/kg，远大于全球地层含氟平均值660mg/kg(维诺格拉多夫，1962)。在地下水径流过程中，含氟硅酸盐等矿物进行溶解、溶滤作用，使含氟硅酸盐晶格架不断被破坏，迫使氟离子转入水中，以黑云母水解为例:

图5 赤峰浅层地下水氟离子等值线图

其形成的水化学类型以HCO3－Na、SO4－Na、Mg型为主;其特点为弱碱性、低矿化度、高钠低钙、富含SiO2，反映出典型硅酸盐溶解的特征。另外，区内岩石风化强烈、裂隙节理发育，加速了富氟矿物中氟元素的迁移转化，水氟随着裂隙水汇于低洼地带的基岩风化壳或砂砾石层中，使得北部山麓的斜坡和沟谷地带成为高氟水分布区。

表2 赤峰盆地不同类型赋存介质地下水中的F－含量

南部高氟水分布区，其岩性为黄土状亚粘土、亚砂土。作为母岩剥离风化产物，其继承了区内新生界以前地层岩石中富氟量较高的特点，土壤平均含氟量为5.22mg/kg (表2)，远远大于世界未污染土壤表层水溶态氟正常含量0.50mg/kg。另外黄土堆积物垂向节理发育，导水迅速，使降水更易沿裂隙淋溶含氟矿物到达潜水，从而造成了黄土丘陵区的浅层地下水中氟离子升高。

2.3 沧州平原

海侵富集型研究区选择华北沧州平原，其东临渤海，属于半湿润大陆季风气候。地貌类型为冲洪积、湖积平原和滨海冲积海积平原。根据前人调查结果［9］，区内深层地下水含氟量超标率达到80%以上;其中第四系含水岩组中更新统孔隙承压含水层(第Ⅲ含水层，顶底板埋深150－250m)为主要富氟含水层。氟离子含量为0.47－7.12mg/l(见图5)。

根据资料显示，渤海地区晚更新世以来发生了几次大规模海侵，其中以渤海西岸沧州海侵最具有代表性［10］。通过对沧州地下水典型氟含量剖面图研究发现(见图6)，从肃宁－海兴，各个含水层地下水中含氟量变化较大，随着海相地层的增加，地下水中的氟离子含量也逐渐增大;尤其是在第Ⅲ含水层中海相沉积地层中地下水的含氟量很高，这说明海水入侵时，海陆交替沉积的细粒粘土类矿物因其较大的表面能吸附大量氟离子，海水中大量氟化物伴随沉积物留了下来，在适当的水文地球化学条件下转入地下水中，成为地下水中主要氟物质来源;另外咸淡水混合过程中海水中大量Na+与淡水中Ca2+发生的阳离子交换作用、使得地下水中Na+/Ca2+值急剧增加(见图7)，通过水化学类型的变化也可以反映出海水入侵对地下水水质的影响，从非海侵区的HCO3－Ca、Na型过渡到HCO3、SO4－Na、Cl，HCO3－Na、Cl，而Na+的增加，导致了水中碱性的增强，OH－取代F－的离子代换作用加强，提高了氟离子活性，加速岩石中氟矿物的溶解、迁移、富集程度。

图7 沧州第Ⅲ含水层氟离子与Lg(Na/Ca)散点关系图

另外，沧州市第四纪频繁的火山活动分布于沧州市以东，呈多层不连续分布，分布区内层数和厚度不一。火山岩岩性主要为凝灰岩，少数为玄武岩。这些岩石含有大量氟化物，从而增大了地层载氟量。

通过对比研究发现，沧州西部平原的海进次数、海浸时间及海相层厚度都远不如东部平原，且火山岩沉积仅见于东部，这就是沧州平原地下水中含氟含量从西到东由小到大差异的主要原因。

3 防氟建议及方法

综上所述，我国北方典型的高氟水的形成机制为:①浓缩富集型;②岩石溶滤型;③海侵富集型。

由于我国北方地区的自然环境，气象气候和水文地质条件复杂多变，造成了区域地下水中氟离子富集的多样性，在某些地区往往形成多种成因高氟水共存的局面。例如:在山区水系发育区，由于其氟背景值含量异常和特殊地球化学特征，造成了水中氟离子异常升高，从而形成溶滤富集型高氟水;在径流过程中，地下水遇到特殊含氟地层(海侵地层、火山岩地层)会形成局部水氟含量的异常，形成海侵富集型高氟水;而在径流排泄区，水动力不畅、地形低洼、地下水以蒸发排泄为主，强烈的蒸发作用使得氟离子浓缩富积在含水介质及包气带中，再由降雨或者灌溉过程带回地下水中，经过长期作用，形成蒸发浓缩型的高氟水。故在分析研究具体地区地下水高氟水类型时，应综合考虑以上各种因素。

鉴于我国北方水资源的稀缺性，尤其是广大干旱－半干旱地区居民的主要饮用水源均为地下水，而大面积的地下水均已被高氟水污染，降低F－含量成为充分利用当地珍贵的地下水资源成为当前面临的主要任务。目前，国内外人工降氟的方法主要有电渗析方法、硫酸铝沉淀法、石灰沉淀法，还有用活性碳、沸石、氧化铝等的吸附法，这些方法都可以使得F－的去除率达到80%左右，但上述方法中有些成本较高，有些可能造成二次污染，不宜推广。有些国家采用冰冻法降氟，取得了较好的效果［11］。而利用我国北方冬季气温较低的特点，尝试采用天然冰冻法去除水中的F－，应该是简单有效的方法［7］。

因此针对我国北方高氟水形成特点，寻找浅层低氟水源、适度开采深层低氟地下水，采用适当的人工降氟方法应是减少高氟水危害的主要和有效的措施，但若根治其危害应长期加强对生态环境的综合治理，同时政府应加强防病知识教育工作。

(编辑:王爱萍)

［1］David L Ozsvath.Fluoride and Environmental Health:A Review［J］.Rev Environ Sci Biotechnol，2008，22(1):4－37.

［2］范基姣，佟元清，李金英，等.我国高氟水形成特点的主要影响因子及降氟方法［J］.安全与环境工程，2008，15(1):14－16.

［3］安永会，张福存，孙建平，等.我国饮水型地方病地质环境特征与防治对策［J］.中国地方病学杂志，2006，25(2):220－221.

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［10］韩有松，孟广兰，王少青.我国北方沿海第四纪地下卤水［M］.北京:科学出版社，1996.

［11］甘肃省环保局.甘肃省环境质量报告书［R］.1995:13－47.

AbstractBased on the achievements about distribution study of high-fluoride water of north China the paper，summarized three types of high-fluoride water forming mechanism:enrichment type，rock leach type and seawater intrusion type.Illustrating geological and geographical condition，climate condition，aquifer condition，and evidences of water chemistry and isotope of three typical areas，Zhangye Basin，Chifeng Plain，Cangzhou Plain，the paper draws the conclusion that the high－fluoride water forming mechanisms of the three typical area are evaporation concentration，rock leach type and seawater intrusion type.According to China＇s national conditions，the paper gives advice and measures to prevent fluoride poison.

Key wordshigh-fluoride water;mechanism;chifeng;Cangzhou;Zhangye

Distribution and Mechanism Study of High-fluoride Groundwater in Typical Areas in North China

HE JinFAN Ji-jiaoZHANG Fu-cunHAN Shuang-baoJIN Xiao-lin
(Center for Hydrogeology and Environmental Geology，CGS，Baoding Hebei 071051，China)

X832

A

1002－2104(2010)05专－0181－05

2010-05-26

何锦，工程师，主要研究方向为水文水资源。

*国土资源大调查项目(No:1212010634711)