山東蒼嶧鐵礦帶溝西-西官莊礦區(qū)地下水微量元素Fe3+富集賦存規(guī)律

朱昶，甘延景，宋帥良

(山東省魯南地質(zhì)工程勘察院，山東 兗州 272100)

通過討論天然狀態(tài)下Fe3+的含量，共計(jì)49個(gè)不同層位的地下水水質(zhì)樣品，試圖分析水樣中的Fe3+富集的地質(zhì)地球化學(xué)特征，為尋找研究區(qū)內(nèi)Fe3+的賦存規(guī)律提供一些參考依據(jù)。山東省其他鐵礦帶區(qū)基巖裂隙水中也普遍含有Fe3+，該文不涉及。

1 地下水中鐵富集的控制因素

鐵是一種活動(dòng)性很強(qiáng)的元素，在地殼上的分布相當(dāng)廣泛，特別是含鐵礦物和富含鐵的花崗巖、粘土巖和頁巖及碳酸鹽巖石中，鐵的含量相對(duì)富集，是提供鐵元素物質(zhì)來源的主要母巖。由于地下水中鐵的離子溶解度受水的酸堿度等因素制約，因此，富鐵巖石礦帶分布區(qū)能否形成富Fe3+的地下水，很重要的影響因素有水的pH值、造巖礦物的風(fēng)化破碎程度及水交替強(qiáng)度等[1]。

1.1 地下水的含水介質(zhì)

含水介質(zhì)的巖性和化學(xué)性質(zhì)是控制地下水鐵元素形成的基本條件，也是最重要的控制因素。地下水鐵的元素含量與含水介質(zhì)的鐵元素含量具有較好的相關(guān)性[2]。即地下水鐵元素含水量隨巖層中鐵元素含量的增高而增高，所以含水介質(zhì)和巖層中含有大量鐵元素，是控制地下水鐵含量較高的內(nèi)在因素。研究區(qū)內(nèi)新太古代泰山巖群山草峪組是沉積變質(zhì)型鐵礦的賦存層位[3],礦床平均品位TFe 30.86%，mFe18.96%。變質(zhì)巖中高鐵地下水含水介質(zhì)的顆粒成分主要由磁鐵礦、褐鐵礦、金屬硫化物、石英、角閃石、黑云母、綠泥石等組成。區(qū)內(nèi)鐵礦是新太古代含水介質(zhì)形成過程中故有的，變質(zhì)巖類裂隙含水巖組中多數(shù)水點(diǎn)Fe3+含量≥1.5mg/L。

1.2 地下水的酸堿度

酸堿度對(duì)鐵元素的遷移富集起著重要的作用[4]。Fe3+含量小于0.08mg/L的水樣中，該水樣中pH值一般都小于7.8；Fe3+含量大于1.00mg/L的水樣中，該水樣中pH值一般都大于7.9,表明研究區(qū)內(nèi)地下水的Fe3+元素含量隨著弱堿度的增強(qiáng)(pH值數(shù)據(jù)增大)而增高(表1)，地下水中的pH值能影響Fe3+遷移能力。

表1 地下水中Fe3+含量與pH值的遞增關(guān)系

1.3 地層含水性

1.3.1 碳酸鹽巖巖溶裂隙含水巖層

巖性主要為灰?guī)r、云斑灰?guī)r、石英砂巖等組成，該巖組受巖性及斷裂構(gòu)造的影響，其含水不均勻，出露在山麓高地的碳酸鹽類含水巖組，含水微弱，埋藏在第四紀(jì)地層之下位于深部的碳酸鹽類含水巖組，含水性較好，單位涌水量0.1～0.88L/s·m；在排泄區(qū)或者地形地貌有利地帶及出露地表構(gòu)造破碎帶分布區(qū)，地下水易形成中等富水區(qū)，并有泉水出露，泉涌水量2.222～8.333L/s，泉水多沿?cái)鄬訋б陨仙问揭绯龅乇?，王埝溝玉龍泉水量較大，泉涌量為1.881～9.429L/s，隨季節(jié)性變化明顯,屬含水極不均勻的巖溶裂隙水。地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件較好。

1.3.2 碎屑巖類裂隙含水層

巖性為寒武紀(jì)饅頭組、南華紀(jì)佟家莊組和青白口紀(jì)二青山組厚層頁巖、粉砂巖、含海綠石石英砂巖等，裂隙不發(fā)育，單位涌水量小于0.01L/s·m，含水微弱；頁巖及粉砂巖具有良好阻水性，地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件差。

1.3.3 基巖裂隙含水層

是賦礦巖層，為沉積變質(zhì)巖，巖性為黑云變粒巖、黑云角閃片巖及磁鐵角閃石英巖等，巖石裂隙不甚發(fā)育，為富水性微弱、滲透性微弱的含水巖組，單位涌水量一般為0.01～0.175L/s·m，該層含水微弱。由于上部二青山組及黑山官組頁巖的阻隔,地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件極差。

地層含水性及地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄條件也是影響地下水鐵元素遷移、富集的一個(gè)重要因素。一般地下水富水性好且補(bǔ)給、徑流、排泄條件較好，水中Fe3+元素易流失而貧乏,反之,則易富集(表2)。

表2 地下水Fe3+含量與地層含水性的關(guān)系

1.4 地下水的氧化還原環(huán)境

氧化還原環(huán)境對(duì)地下水中的變價(jià)元素鐵的形成及遷移富集是最重要的外在因素。地下水Fe3+含量，在不同的地層環(huán)境差異較大，一般出露地表及上部巖層的氧化環(huán)境區(qū)，F(xiàn)e3+易沉淀，故含量低；而在深部變質(zhì)巖還原環(huán)境區(qū)，F(xiàn)e3+較穩(wěn)定，不易沉淀，故含量相對(duì)較高[5]。

2 地下水中Fe3+富集的水化學(xué)特征

富含F(xiàn)e3+的地下水在不同含水介質(zhì)中水化學(xué)類型表現(xiàn)不同，碳酸鹽巖和碎屑巖地下水水化學(xué)類型主要為重碳酸型，基本上具有統(tǒng)一的水化學(xué)場，水化學(xué)類型HCO3-Ca的分布最廣泛，是由于水中的Ca2+，Na+對(duì)Fe3+的遷移產(chǎn)生影響造成的，但Fe3+的含量普遍偏低，碳酸鹽巖中大部分Fe3+含量小于0.08mg/L，占75%；碎屑巖中大部分Fe3+含量以小于0.08mg/L居多,一般不超過1mg/L，占91.7%；變質(zhì)巖中Fe3+含量以大于1.0mg/L居多，占69.2%(表3)。

表3 不同富水介質(zhì)水化學(xué)類型地下水中Fe3+含量分布

在碳酸鹽巖及碎屑巖分布區(qū)，巖石裂隙發(fā)育較好，大氣降水補(bǔ)給條件較好，氧化作用明顯，即使地下水中Fe3+離子有大量的來源，但在強(qiáng)烈的氧化作用下，其呈高價(jià)鐵的Fe3+形式并易形成難溶的氫氧化物沉淀，其仰制了Fe3+離子在水中的富集和遷移，碳酸鹽巖及碎屑巖含水介質(zhì)中含有大量CaCO3，微溶于水的CaCO3與水中的Fe3+發(fā)生反應(yīng)，生成更易沉淀的Fe(OH)3，造成碳酸鹽巖及碎屑巖中Fe3+含量減少。其反應(yīng)式如下：

研究區(qū)內(nèi)碳酸鹽巖及碎屑巖分布區(qū)地下水中Fe3+含量均較低或很低。

變質(zhì)巖類基巖裂隙水水化學(xué)類型為硫酸型(包括復(fù)合型的)，水中鐵的平均含量均偏高。這是水中對(duì)Fe3+的行為影響造成的，說明變質(zhì)巖地層中鐵的背景值偏高，與地質(zhì)背景的地球化學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)[6]，統(tǒng)計(jì)分析表明二者呈正相關(guān)關(guān)系(圖1)。

圖1 硫酸型(含復(fù)合型)水質(zhì)與Fe3+含量散點(diǎn)圖

3 地下水中Fe3+的水平分帶性

變質(zhì)巖基巖裂隙水Fe3+分布在整個(gè)研究區(qū)的總變化趨勢是“北高南低”，北部大部分地區(qū)Fe3+含量大于1.5mg/L，在南部多小于1.5mg/L，最高濃度中心位于以副井為主的外圍地區(qū)。

碳酸鹽巖裂隙巖溶水中Fe3+含量變化分布規(guī)律與變質(zhì)巖Fe3+含量變化基本一致，即由北部、中部向東部及南部含量減少，在中部副井一帶形成高值區(qū)，含量大于0.5mg/L(圖3)。

圖2 地下水Fe3+含量等值線圖

4 結(jié)論

(1)地下水中微量元素Fe3+富集賦存的最有利環(huán)境是變質(zhì)巖地層，富含F(xiàn)e3+的地下水pH值一般都大于7.9。

(2)碳酸鹽巖和碎屑巖中地下水水化學(xué)類型HCO3- Ca型分布最廣泛，碳酸鹽巖的地下水中Fe3+平均含量最低。

(3)硫酸型(包括復(fù)合型)的地下水中Fe3+的平均含量均大于1mg/L，水中與Fe3+二者呈正相關(guān)關(guān)系。

(4)研究區(qū)內(nèi)地下水中Fe3+含量分布總變化趨勢 “北高南低”。形成以副井及其外圍地區(qū)為主的最高濃度分帶性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉英俊，曹勵(lì)明，李兆麟，等．元素地球化學(xué)[M]．北京：科學(xué)出版社，1984．

[2] 曾昭華．長江中下游地區(qū)水中化學(xué)元素的背景特征及形成[J]．地質(zhì)學(xué)報(bào)，1996，70(3)：262-269．

[3] 張?jiān)銎?，劉明渭．山東省巖石地層[M]．武漢：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，1996．

[4] 曾昭華．長江中下游地區(qū)水環(huán)境背景形成的控制因素[J]．江西地質(zhì)，1993，7(3)：211-222．

[5] GB12719-91．礦區(qū)水文地質(zhì)工程地質(zhì)勘探規(guī)范[S]．1991．

[6] 錢易，唐孝炎．環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展[M]．北京：高等教育出版社，2000：50-94．