山东高密高氟地下水成因类型及其富集模式

高宗军，郑秋霞，朱 喜，付 青，王世臣

（1.山东科技大学，山东省 青岛 266510 ；2.山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东 青岛 266510）

山东高密高氟地下水成因类型及其富集模式

高宗军1、2，郑秋霞1、2，朱 喜1、2，付 青1、2，王世臣1、2

（1.山东科技大学，山东省 青岛 266510 ；2.山东省沉积成矿作用与沉积矿产重点实验室，山东 青岛 266510）

山东高密为氟污染较为严重的典型区域，本文通过探究该区域高氟地下水的形成条件来确定其成因类型，研究氟在地下水中的富集途径，深度认识研究区内高氟地下水的富集模式，为提出“原位驱氟”设想奠定理论基础。

高氟地下水；成因类型；富集模式；高密

研究表明，长期饮用高氟的地下水是导致氟病的主要原因，由于高密市特殊的地质环境和历史原因，使其成为全国氟中毒较为严重的地区之一。因此，探究该区高氟地下水的成因类型及其富集模式，对有效控制病源水体，寻找新水源，提出有效的防治措施，保护人类的身体健康都具有重要的现实意义。

1 高氟地下水的成因类型划分

由研究资料显示，根据不同的地质环境条件和物理化学作用类型，一般将高氟地下水的成因划分为4个大类型[1-3]：①溶滤富集型；②蒸发浓缩碱化型；③热水富集型；④海侵富集型。

表1 高氟地下水成因类型

经对高密研究区内高氟地下水的形成条件进行探讨研究，以总结该区高氟地下水成因类型，以及氟的富集模式。

2 高密市高氟地下水的形成条件

2.1 气候、水文和地形地貌条件

高密市地处胶潍平原与鲁东丘陵交接地带，境内地势南高北低，区内地貌类型有三种：南部低缓丘岭，中部缓平剥蚀平原，北部低平冲积平原。南部地势较高，地面起伏变化大，为低缓丘陵区；中部剥蚀平原地形缓坡起伏，沿几条主要河流，形成南北向滨河平地和低分水岭两种微地貌单元；北部为晚更新世以来形成的冲积平原，盆地沉降与冲洪积物的充填同时进行，全新世以来主要表现为湖积，因此该区域地势较为低洼，局部存在小沙丘、土岗及河间洼地。高密市地处胶莱盆地中南部，水系发育，境内主要河流多呈南北向，全市河流分属三个水系，即南胶莱河水系、北胶莱河水系及潍河水系。河中一般无常年流水，均属雨源性河流。据统计资料显示，高密市年均蒸发量为1 327.9mm，年均降雨量为619.6mm，年均蒸发量是降雨量的2.14倍，可见，研究区域内蒸发作用强烈，地下水主要通过蒸发和蒸腾作用排泄。

表2 高密市高F区岩石含F背景值（10-6）

图1 地下水中F-与Na+毫克当量百分数关系图

图2 地下水中F-与Ca2+毫克当量百分数关系图

图3 地下水中F-与Mg2+毫克当量百分数关系图

2.2 提供氟源的地质环境背景

氟在水中富集的首要条件是需要有氟源，一般认为氟源主要来自2大方面：①岩石中的氟；②大气中的氟。

岩石中的氟为地下水中氟的主要来源，高氟岩石及矿物在漫长的地质年代中，经过长期的地质作用，释放出氟离子并被淋溶带入地下水中，形成高氟地下水。大气中的氟多来自火山喷发物、工业生产释放物和海水蒸发，其中火山喷发物的氟含量最高。

研究内大部分为第四系覆盖区，仅南部、西南部及县城附近出露中生代白垩纪莱阳群、青山群和王氏群的含砾砂岩、砂岩、粉砂岩、页岩、火山碎屑岩、火山熔岩、砾岩和粘土岩，含氟量均很高（表2）。

研究区内岩石含氟背景值表现出一定的规律：岩石粒度越细含氟越高，由莱阳群→青山群→王氏群，其氟平均含量逐渐增高。区域内岩石是地下水中氟的重要来源，不同岩性，不同时代，氟的转化量有着明显差异，易溶系数越高，岩石中氟向水中转化能力越强，反之越弱。（易溶系数=（岩石中F易溶量/岩石中F含量）*100%[4]）

2.3 地下水的水化学环境特征

氟能够在地下水中累积赋存需要一定的水化学条件，例如酸碱度、水化学介质浓度、矿化度和水力梯度等等，都是氟在地下水中富集的重要影响因素。其中水化学介质的影响作用最为主要，经检测，高氟地下水中的阳离子主要为Na+、Ca2+、Mg2+，占阳离子总数的 98%~99%以上，阴离子主要为CL-，。[6-7]

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2.3.1 地下水中氟含量与Na+、Ca2+、Mg2+含量的关系

高氟区地下水中的 F-与 Na+毫克当量百分比具有比较明显的相关特征（图1），两者呈线性相关，表达式为：y=0.087 2x-1.432，R2=0.243 8；高氟区地下水中的 F-与 Ca2+毫克当量百分比具有负相关特征（图 2），两者呈线性负相关，表达式为：y=-0.089 2x+5.327 3，R2=0.199 7；高氟区地下水中的F-与Mg2+毫克当量百分比表现出一定的线性负相关性（图3），表达式为：y=-0.0927x+5.314 9，R2=0.040 8。

2.3.2 地下水中氟含量与CL-，含量的关系

高氟区地下水中F-与CL-毫克当量百分比表现出一定的线性负相关性，其表达式为：y=-0.082 6x+6.756 6，R2=0.106 1（图4）；F-与的毫克当量半分数表现为一定程度的对数关系，其表达式为：y=1.85ln(x)-3.399 3，R2=0.056 2（图5）。

2.3.3 地下水中的氟含量与pH、Eh的关系分析

图4 地下水中F-与CL-毫克当量百分数关系图

图5 地下水中F-与 离子毫克当量百分数关系图

pH值一般为7.2~8.2时，与氟含量具有正相关的特征（图6），氟在地下水中不断迁移的过程中，其含量随着碱化程度增强而升高，这表明偏碱性环境能增加氟的活化性，有利于氟的析出。

所取水样的Eh大部分在100~200之间（图7），从图中可以看出Eh与氟含量呈负相关的特征，两者关系近似于对数，近似表达式：y=-7.024 ln(x)+39.332，R2=0.317 6。这说明偏还原性的条件比较有利于氟元素的富集。

图6 地下水中氟含量与pH关系图

图7 地下水中氟含量与Eh关系图

2.3.4 地下水氟含量与矿化度关系

总之，氟在地下水中的富集是一个复杂的过程，受多方面因素的影响，其中Na+、、、Cl-、HCO3的浓度，pH，Eh，以及矿化度等对氟的累积影响较为明显。

3 高氟地下水的富集途径和模式

图8 地下水含量与矿化度的关系图

氟主要经由4条有效途径富集到含水层中：①富F岩石经淋滤作用，析出一部分氟进去水圈，再由地表径流和地下水流进入到含水层；②富F岩石经风化作用，破碎形成土壤，经过降水的淋滤和溶解作用进入到含水层；③火山喷发物和工业释放物在大气中随着降水溶解到含水层中；④海水蒸发氟随降水进入含水层，以及海水入侵使氟赋存在含水层中。富集到含水层中的氟再经由蒸发和浓缩作用最终形成高氟水。其中需要注意的是，氟在水和土壤之间的转化是可逆的，即土壤中的氟解析到水中，水中的氟可以被土壤吸附重新转化到土壤中。此外，土壤和含水层中的氟均可被农作物等植物吸收，人类食用该区的农作物和饮用该区的水均可导致氟中毒，影响危害人类的健康（图9）[4-5]。

高密市境内地势南高北低，南部为低缓丘陵，中部为缓平剥蚀平原，北部为低平冲积平原，在横向上，南部丘陵地区发育的中生代白垩纪青山群碎屑岩、中南部剥蚀平原区和胶莱盆地周缘岩石，均含有较高的氟，经过长期的风化和水解作用使得氟大量析出，再经过搬运沉积作用，岩石中的氟由固态岩石中析出，迁移转化到下游平原松散沉积物及其所包含的地下水中，由于该区域内蒸发作用强烈，经蒸发浓缩使氟不断累积，氟含量不断增加，最终形成高氟地下水（图10）。

4 结论

综上所述，山东高密地区地下水径流滞缓、埋深较浅、常年以垂向蒸发排泄为主，该区高氟地下水为浅层径流蒸发浓缩碱化型成因。

小埋深高氟潜水的形成模式为，基岩含氟量高，是主要的氟源，浅层地下水含水层渗透性差，天然条件下水平径流差或者极差，以降水补给、蒸发排泄为主，地下水排泄不畅，滞留原地，氟富集形成高氟地下水。

目前对高氟水的处理一般建议实施“异地引水”的方法来实现降氟改水，治氟的方法和措施仍需要不断的研究和探索，对高密高氟地下水的成因及其富集途径和模式的探究，为“原位驱氟”设想的提出奠定了理论基础，将在此基础上探索“原位驱氟”的机理及其可行性。

图9 地下水中氟的富集途径示意图

图10 高密市高氟地下水富集模式图

[1] 高宗军，庞绪贵，王敏，等. 山东省黄河下游部分县市地氟病与地质环境的关系[J]. 中国地质，2010，37（3）：627~632．

[2] 陈维杰. 高氟地下水的成因类型与处理技术[J]．

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[4] 李彩霞. 山东省高密地区高氟地下水的成因浅析[J]. 山东国土资源，2007，23（8）：8~11.

[5] 王存龙，庞绪贵，王红晋，曾宪东，胡雪平，郑伟军. 高密市高氟地下水成因研究[J].地球与环境，2011,39（3）：355~362.

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[7] 冯超臣，黄文锋. 鲁西南平原高氟地下水水文地球化学特征[J]. 山东国土资源，2005，21(5)：39~42.

Genetic Type and Enrichment M odel for F-rich Groundwater in Gaom i, Shandong

GAO Zong-jun1、2ZHENG Qiu-xia1、2ZHU Xi1、2, FU Qing1、2WANG Shi-chen1、2
(1-Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510; 2-Shandong Provincial Key Laboratory of Sedimentary Ore-formation and Sedimentary M ineral Resources, Qingdao, Shandong 266510)

Gaom i, Shandong is seriously polluted by F. This paper has a discussion on forming conditions, genetic type and enrichment model for the F-rich groundwater in Gaom i.

F-rich groundwater; genetic type; enrichment model; Gaomi

P641.12 5献标识码：A

1006-0995（2014）01-0113-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2014.01.027

2013-07-19

中国地质调查局“地方病严重区地下水勘查与供水安全示范综合研究”项目（项目编号：1212011121155）

高宗军（1964-），男，山东泰安人，教授，博士，博士生导师，长期从事水工环地质方面的研究