雷州半岛东北部铁质地下水成因及分布特征研究

罗炜宇

(广东省地质局第四地质大队，广东 湛江 524049)

1 研究区概况

雷州半岛东北部是湛江市地下水资源较为丰富的地区之一，地下水资源量约占湛江市的10%。长期以来，该地区一直以地下水作为生产生活用水的主要供水水源，地下水成为了该地区经济发展的重要保障。随着湛江市经济的快速发展，千万吨现代化钢铁基地、中科炼化一体化以及巴斯夫(广东)一体化等大型项目落户湛江，给区域经济带来巨大的发展机遇的同时，地下水开采量将进一步增加。由于区内地下水铁离子含量相对较高，因此，给地下水的开发利用带来了不利因素。

2 区域地质构造及水文地质条件分析

研究区内地势较低，标高多低于40 m，最高点位于交椅岭标高165.3 m；地势总体上西北高，东南低，向海倾斜；区内地形起伏不大，属沿海台地和滨海平原地形。本区西北部为剥蚀侵蚀地貌，高程50～165 m，是地下水补给区；沿海地带和海岛为高程2 ～20 m的堆积平原及高程20～30 m的剥蚀低台地，是地下水的径流-排泄区及补给-径流区。区内出露地层为第四系。据钻孔揭露，地层自上而下依次为第四系、新近系和古新系，基底为白垩系、元古系。其中，新近系的下洋组、第四系的湛江组是区内主要的承压水含水层位。

构造部位处于湛江凹陷中。凹陷中沉积原逾千米的松散-半固结砂、砂岩和粘土、泥岩互层，其中夹多层厚约2～30.0 m的火山岩及数层厚几厘米至十几厘米的铁皮层、泥炭土或炭化木块(屑)。由下至上划分为涠洲组、下洋组及湛江组，含水层岩性均由砂、砾组成，可见3～25个粗粒层(含水层)，单层厚2～30 m，总厚度20～310 m，均含孔隙承压水。地表普遍分布北海组，厚5～25 m，岩性为砂砾石、粉土，含孔隙潜水—微承压水。西、北部及东南部的硇洲岛和其它少数块段为火山岩(玄武岩、凝灰岩)及其风化红土所覆盖，含火山岩孔洞裂隙水。海边和河流两侧分布全新统海成风成砂、粉土和河流冲洪积砂、粉质粘土等，厚度一般为5～15 m，含孔隙潜水。

3 铁质地下水主要危害及成因分析

3.1 铁质地下水主要危害

研究区范围内地下水(尤其承压水)铁含量普遍较高，一般为1～5 mg/L，部分达10 mg/L，俗称为铁质水。铁在人体新陈代谢中是必不可少的矿物质之一。在生活饮用水中，含铁量过高对人们的健康会有一定影响，会对心、肝和胰产生损害，容易产生铁中毒，当含铁量大于1 mg/L时，会产生铁腥味而引起感官不适；当含铁量在0.3～0.5 mg/L以上时，洗涤衣物和卫生设备便会残留褐红色的锈斑，用于造纸、纺织工业的漂白工艺会增加生产成本甚至降低产品质量等，所以不同的供水对象，对水中铁质含量均有具体的要求，凡超过者均要处理方可使用。

3.2 铁质地下水成因分析

雷州半岛东北部属于为湿热气候，且地势低平，因而地表植被繁茂，植物的腐枝烂叶甚多；湿热多雨能促进微生物的繁殖和有机物的分解，从而使有机物和有机酸的来源丰富。这些物质长年累月随大气降雨所形成的地表和地下径流带进河流、湖泊和渗入地下的土壤、岩层中，在微生物的不断作用下继续进行分解而产生大量CO2、有机酸、沼气及少量硫化氢等，使区内地表水和地下水中均含CO2，且绝大多数含HCO3-、SO42-、NO3-及微量H2S、NO2-、NH4+等；况且区内浅层微承压水—承压水含水层的顶部和各层组间大多为粘土、粉质粘土所覆盖和隔离，绝大多数含水层处于封闭缺氧的还原环境中，具备了对岩层中二价铁氧化物进行溶解和使三价铁氧化物还原生成可溶性二价铁的优越地理地质条件。此外，区内广泛分布的北海组、湛江组、下洋组等松散地层中普遍夹有数层厚约几至十几厘米的铁皮层和呈星点状分布的黄铁矿(FeS2)或结核状菱铁矿(FeCO3)。可见区内自地表至地下四五百米内的松散层中，铁的化合物含量较高，为区内不断产生铁质水提供了广泛而丰富铁质来源。

研究区地下水根据其总铁含量的高低划分成非铁质水(小于0.3 mg/L)、低铁质水(0.3～1 mg/L)、中等铁质水(1～5 mg/L)、高铁质水(大于5 mg/L)。从表1可看出，由潜水→浅层水→承压水，总铁含量逐渐增大，而消耗氧则相应地减少；同时这些水中均含CO2且绝大多数含HCO3-、NO3-及NH4+，据此推断地下水中铁质的来源大体有四种主要途径。

表1 各含水层组承压水总铁含量表

(1)含碳酸的地下水在渗透过程中，对岩石中所含的二价铁化合物逐渐地进行溶解，生成可溶性的重碳酸亚铁：

FeO+2CO2+H2O→Fe(HCO3)2

(1)

Fe CO3+CO2+H2O→Fe(HCO3)2

(2)

(2)三价铁的氧化物在还原环境里被还原而溶解于水。在富含有机质的松散层中，因微生物的强烈作用而处于厌氧的还原条件下，有机物的厌气分解又产生出相当数量的硫化氢、二氧化碳及沼气等，致使地层中的三价铁氧化物被硫化氢还原生成硫化铁，硫化铁在碳酸作用下进一步生成可溶性的二价铁溶于水中：

Fe2O3+3H2S→2FeS+3H2O+S

(3)

FeS+2CO2+2H2O→Fe(HCO3)2+H2S

(4)

(3)有机物对铁质的溶解作用。有些有机酸能对岩层中的二价铁起溶解作用；有些有机物能将岩层中的三价铁还原为二价铁并使其溶于水中；还有部分有机物能与铁生成复杂的有机铁而溶于水中。

(4)岩层中铁的硫化物如黄铁矿(FeS2)与含有自由氧的地下水相遇时，被氧化而溶于水中：

2FeS2+7O2+2H2O→2FeSO4+2H2SO4

(5)

4 铁质地下水的分布特征

(1)铁离子含量随含水层位埋藏深度的增加而增多。据2014年4-5月在区内选取水样83个，其中潜水(民井)25个，浅层水(锅锥井)25个，承压水(钻孔)33个，化验结果，铁离子在各类型地下水中含量为承压水﹥浅层水﹥潜水(见表2)。

表2 地表水及各类型地下水总铁及有关成分含量表

(2)承压水湛江组、下洋组中，总铁含量随埋深增加或减少，不同条带或块段有不同的规律性。随深度增加铁含量增多的主要分布于高阳～龙标、东山～铺仔～霞山～平乐～南油基地一带；随深度增加铁含量反而减少的则分布于合流～黄略～调顺～赤坎～火车北站一带和麻斜、民安等附近。

(3)在同地的不同层组中，总铁含量高者，则Fe2+和游离CO2含量大多较高，pH值却大多变低，而绝大多数含HCO3-和多数含SO42-也相对减少(见表3)，这可能是部分HCO3-、SO42-与铁作用生成可溶性的Fe(HCO3)2、FeSO4所致。

表3 同地不同层组承压水总铁及有关成分含量表

(4)无论是潜水、浅层水还是承压水，其总铁含量在水平方向的变化与地形地貌、水文地质条件有关。在补给区或近补给区的丘陵、台地上，总铁含量低，多为非铁质水；补给～迳流区为低～中铁质水；迳流～排泄区因水力坡度变小，地下迳流缓慢，使铁质富集成为中～高铁质水(见表1)。

(5)承压水的总铁含量变化概况大致为：在湛江组、下洋组层组中，除本区西至西北补给区一带的湛江组地下水为非铁质水外，其余在该带向东至南侧沿迳流方向，依次形成低铁质水、中等铁质水和高铁质水。

5 结语

雷州半岛东北部是地下水开采量较大的地区之一，无论城市或农村、工业或农业开发利用地下水已相当普遍。针对该区域地下水中铁含量较高的实际情况，对该区域铁质地下水成因及分布特征进行了认真研究，提出了相应地下水开发利用中的除铁措施和动态监测手段。在承压水中等或高铁质水区布设生活用水开采井，必须采取除铁措施；为降低开采成本，在有条件的地方，建议井位应尽可能布在非铁质水区，如利用民井开采潜水、锅锥井开采浅层水或机井开采承压水，井位均宜布于补给区和靠近补给区一带的迳流区内，这样既能降低开采成本又能保证水质，确保饮水安全。此外，要加强对地下水资源量和水质的动态监测，及时掌握地下水水质的动态变化及发展趋势，为区域地下水资源合理开发利用提供科学依据。