高氟水、高礦化水的形成原因淺析

劉子鈺

摘要：內(nèi)蒙古自治區(qū)四子王旗北部地下水資源貧乏，且水質(zhì)普遍較差，礦化度、氟化物等普遍超標，利用已有水文地質(zhì)勘查資料，研究當?shù)馗叻?、高礦化水的形成機理，可以為尋找水質(zhì)較好地段和較好層位提供借鑒。本文從介紹影響當?shù)氐叵滤|(zhì)的氣象、水文、地形地貌、地質(zhì)、水文地質(zhì)等多要素出發(fā)，在分析研究區(qū)水質(zhì)變化規(guī)律基礎上，論述了高氟水、高礦化水的形成原因。

關(guān)鍵詞：高氟水；高礦化水；成因分析；四子王旗

1.研究區(qū)地理概況

1.1研究區(qū)位置

本文將四子王旗北部作為區(qū)域論述背景范圍，因其分布面積廣大，多數(shù)地段未開展過較大比例尺的水文地質(zhì)勘查工作，勘探鉆孔極少，根據(jù)已有勘探鉆孔分布情況，劃分出四個研究區(qū)片進行分析，各區(qū)片分別為善丹呼日勒口岸區(qū)、游客接待中心區(qū)、胡楊林景區(qū)和溫泉區(qū)。各研究區(qū)片位置見圖1。

1.2氣象與水文

1.2.1氣象

研究區(qū)屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候，具有降水量小，蒸發(fā)量大，濕度小，溫差大，風沙多的氣候特點。根據(jù)四子王旗烏蘭花氣象站1962年～2020年的氣象資料，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、9四個月，占全年總降水量的75%左右，多年平均蒸發(fā)量2183.10mm，最大年蒸發(fā)量2423.9mm（2001年），最小年蒸發(fā)量1185.1mm（2003年），以4、5、6、7、8五個月的蒸發(fā)量最大，占全年總蒸發(fā)量的70%左右。多年平均氣溫3.8℃，最高氣溫35.7℃，最低氣溫-39℃，凍結(jié)期由10月至翌年的5月初，最大凍結(jié)深度 260cm，無霜期78天～142天，多年平均風速3.1m/s。

1.2.2水文

研究區(qū)所在的區(qū)域?qū)賰?nèi)陸水系塔布河流域下游地段，因沿途蒸發(fā)及下滲補給地下水，至區(qū)內(nèi)河流基本消失，因此研究區(qū)地表水系極不發(fā)育，僅有數(shù)條小型季節(jié)性溝谷，比如胡楊林景區(qū)的查干爾諾音浩來，口岸區(qū)的善丁呼爾林巴潤浩來，旅客中心的敖包高勒等，平時干涸無水，雨季暴雨時形成短暫的洪水。

區(qū)內(nèi)湖泊稀少，分布于胡楊林景區(qū)北側(cè)的哈沙圖查干諾爾是研究區(qū)較大的湖泊，其他湖泊規(guī)模極小，僅在雨季多由片流形成而短期存在。

哈沙圖查干諾爾主要由雨季洪水匯入而形成，同時亦接受周邊潛水補給，匯水面積約為110km2，部分年份干涸，多數(shù)年份有水，湖水面積維持在2.5km2～3.5km2，平均水深1.0m～1.2m。

1.3地形地貌

研究區(qū)所在區(qū)域位于內(nèi)蒙古高原北部，地形總體呈西高東低、南高北低之趨勢，海拔高度950m～1206m之間。最高處位于溫泉區(qū)巴彥圖格木一帶，海拔標高1206m，最低處位于胡楊林景區(qū)阿爾烏蘇一帶，海拔標高950m，最大相對高差為256m。

其地貌類型比較簡單，根據(jù)地貌成因（外力地質(zhì)作用）可劃分為三大類型，即構(gòu)造剝蝕地形、剝蝕堆積地形及堆積地形。按二級形態(tài)特征可進一步劃分為低山丘陵、波狀高平原、湖積洼地、沖洪積平原四種不同類型。

2.地質(zhì)概況

2.1地層

四子王旗北部前中生代地層區(qū)劃屬華北地層大區(qū)、內(nèi)蒙古草原地層區(qū)的錫林浩特—磐石地層分區(qū)、赤峰地層分區(qū)及晉冀魯豫地層區(qū)的陰山地層分區(qū)、大青山地層小區(qū)。中新生代屬濱太平洋地層區(qū)、大興安嶺—燕山地層分區(qū)、陰山地層小區(qū)和博克圖—二連浩特地層小區(qū)。

出露地層主要有古生界石炭系、二疊系地層，中生界侏羅系、白堊系地層，新生界古近系地層及新生界第四系地層。

2.2巖漿巖

主要分布于善丹呼日勒口岸區(qū)，為燕山期細粒及中粗?；◢弾r、花崗閃長巖，其主要成份由淺紅色中粒、似斑狀中粒組成，由斜長石、石英及少量黑云母組成，致密。

2.3構(gòu)造

研究區(qū)跨越兩個大地構(gòu)造單元。一級構(gòu)造單元屬于內(nèi)蒙古中部地槽褶皺系，二級構(gòu)造單元為溫都爾廟—翁牛特旗加里東地槽褶皺帶和蘇尼特右旗晚華力西地槽褶皺帶。

3.水文地質(zhì)概況

3.1區(qū)域水文地質(zhì)概況

3.1.1地下水形成的自然規(guī)律

區(qū)域上由于受燕山期構(gòu)造運動的影響，形成了不同時期的凹陷和隆起。隆起區(qū)基巖裸露，受構(gòu)造運動影響，不斷遭受剝蝕風化，裂隙發(fā)育，故賦存有不連續(xù)的基巖裂隙水；凹陷中由于接受了新近系、古近系、白堊系碎屑巖沉積，形成儲水盆地（巴音和碩盆地），賦存較豐富的碎屑巖類裂隙孔隙水；第四紀以來，研究區(qū)由于受喜山運動的影響，以上升為主，第四紀地層主要分布于溝谷和低洼部位，賦存第四系松散巖類孔隙水。

3.1.1.1第四系松散巖類孔隙水

分布很有限，主要賦存于小型沖溝內(nèi)，呈條帶狀、枝狀，含水層巖性多為中細砂、細砂，厚度1m～5m，水位埋深一般小于5m，單井涌水量多小于100m3/d，礦化度1g/L～3g/L，氟離子0.5mg/L～3.0mg/L，因氣候干旱，第四系松散巖類孔隙水水量貧乏，可利用價值小。

3.1.1.2基巖裂隙水

主要分布于善丹呼日勒口岸的低山丘陵區(qū)，含水層巖性主要為變質(zhì)巖系和花崗巖，因經(jīng)歷了多期構(gòu)造變動和長期外力作用，使地層產(chǎn)生強烈的褶皺和斷裂，地質(zhì)體支離破碎，巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，給地下水賦存創(chuàng)造了條件。但因受當?shù)爻Ｄ甓囡L少雨的干旱氣候條件的影響，再加上基巖裂隙多為閉合性或被方解石、粘土充填，使得基巖裂隙水水量小，且含水層位也極不連續(xù)。

3.1.1.3碎屑巖類裂隙孔隙水

分布區(qū)地表大多呈現(xiàn)波狀高平原地貌，屬于白音和碩盆地的一部分，經(jīng)過漫長的地質(zhì)歷史時期，盆地中沉積了巨厚的新近系、古近系及白堊系地層，為區(qū)內(nèi)的主要供水目的層。

據(jù)已有鉆孔資料，含水層巖性由砂礫巖、中粗砂巖、中細砂巖及粉砂巖組成，巖性總的變化規(guī)律為由南向北顆粒由細變粗，由南向北單井涌水量逐漸變大，總趨勢為：<10m3/h→10m3/h～50m3/h→<50m3/h～100m3/h，南部地下水以微咸水為主，礦化度多為1g/L～3g/L，上游局部為淡水，礦化度小于1g/L，中北部以微咸水、咸水為主，礦化度1g/L～ 5g/L，地下水化學類型以Cl·SO4-Na型水為主。

3.2研究區(qū)水文地質(zhì)條件

3.2.1含水巖組特征

研究區(qū)以碎屑巖類裂隙孔隙水為主，基巖裂隙水、第四系潛水分布范圍小，水量貧乏，可利用價值小，這里僅以碎屑巖類裂隙孔隙水為主進行介紹。碎屑巖類裂隙孔隙水分布于游客接待中心和溫泉區(qū)所在的廣大地區(qū)。

據(jù)兩個區(qū)片內(nèi)鉆孔資料（表1），含水層主要為古近系腦木更組（E1n）中砂巖、粗砂巖、細砂巖，頂板埋深53.58m～ 109.10m，標高為948.32m～1088.53m，其上為大厚度的以泥巖為主的隔水層，水位埋深20.42m～60.78m，標高為973.51m～ 1090.97m，各孔水位均高于含水層頂板，屬于承壓水性質(zhì)。

各孔含水層厚度16.71m～110.80m，含水層的富水性主要與區(qū)片所處碎屑巖盆地位置及地層巖性結(jié)構(gòu)相關(guān)，與含水層厚度關(guān)系不大，在接近沉積盆地下游，含水層厚度雖未見減小，但含水層中的泥質(zhì)成分增多，孔裂隙發(fā)育差，地下水的儲存空間更小，滲透性更差，補給能力更弱，使得富水性變差，單井涌水量小于100m3/d，在盆地上游，含水層厚度雖未見增大，但含水層中的泥質(zhì)成分相對要少，孔隙、裂隙相對發(fā)育，地下水的儲存空間較大，滲透性較好，補給能力較強，富水性為100m3/d～500m3/d。

3.2.2地下水水質(zhì)變化規(guī)律

3.2.2.1水質(zhì)在水平方向上的變化規(guī)律

研究區(qū)整體上位處區(qū)域地下水徑流的下游地帶，上游承壓水側(cè)向徑流補給是其唯一補給來源，承壓水得不到大氣降水或其他優(yōu)質(zhì)水的補給更新，地下水水質(zhì)普遍不良，依據(jù)鉆孔并結(jié)合機井水質(zhì)資料（表2）可知，pH值為7.92～8.85，均為弱堿性水，溶解性總固化為0.56g/L～70.06g/L，大多為高礦化水，氟離子含量為0.22mg/L～5.14mg/L，多為高氟水。水化學類型簡單，絕大部分為CL-·SO42--Na+型水。

區(qū)內(nèi)承壓水自上游向下游（東南→西北）緩慢徑流，由于徑流途徑長，地層顆粒較細，地下水運移緩慢，承壓水的水質(zhì)也反映出由南到北礦化度逐漸增高、水質(zhì)變差的規(guī)律。

3.2.2.2水質(zhì)在垂向上的變化分析

游客中心分布有不同深度的鉆孔及機井共8個，其他區(qū)片鉆孔及機井分布極少，因此，這里僅就游客中心不同深度的鉆孔及機井水質(zhì)變化做初步分析。

8個井孔深度為98.00m～251.91m，含水層與隔水層交互沉積，其中含水層均為腦木更組（E1n）砂巖，厚度52.30m～ 110.80m，其上為大厚度的以泥巖為主的隔水層，所揭露的地下水均為承壓水。

利用表2資料，繪制游客中心承壓水部分組分含量與井孔深度關(guān)系趨勢圖（圖2），從圖中可以看出，隨著井孔深度自左向右逐步變小：

①pH值略有升高或降低，總體變化平穩(wěn)，變化值在7.92～8.55之間，無趨勢性上升或下降現(xiàn)象；

②礦化度有升有降，總體變化大，值數(shù)為2.32g/L～9.20g/L，無趨勢性上升或下降現(xiàn)象；

③氟離子有升有降，總體變化大，值數(shù)為0.22mg/L～ 1.82mg/L，無趨勢性上升或下降現(xiàn)象。

綜上所述，隨著井孔深度加大或減小，區(qū)片內(nèi)的承壓水化學組分含量未出現(xiàn)趨勢性上升或下降現(xiàn)象，初步分析認為，井孔揭露深度內(nèi)的不同深度承壓含水層水質(zhì)差別不大，承壓水水質(zhì)總體不良。

4.高氟水與高礦化水成因分析

4.1高氟水成因分析

研究區(qū)地下水氟離子含量普遍超標，利用四個研究區(qū)片中，具備分析資料的鉆孔及機井水質(zhì)資料，繪制F-與TDS含量對比圖（圖3），從圖中可知，在不同井孔的地下水中，隨著氟化物含量升高，TDS含量卻呈下降趨勢，這種反差在咸水、鹽水、鹵水中表現(xiàn)更為明顯。

利用前述資料繪制F-與Ca2 +含量對比圖（圖4），從圖中可知，在不同井孔地下水中，隨著氟化物含量升高，Ca2+含量卻有明顯的下降趨勢，呈負相關(guān)關(guān)系。

利用前述資料繪制F-與Na+（毫克當量百分比）對比圖（圖5），從圖中可知，在不同井孔的地下水中，隨著氟化物含量升高，Na+（毫克當量百分比）宜有相近的上升趨勢，大致呈正相關(guān)關(guān)系。

高氟水成因較為復雜，通過分析水質(zhì)結(jié)果和高氟水分布特點，對研究區(qū)氟離子成因初步總結(jié)如下：

4.1.1氟含量與pH、Na+（毫克當量百分比）正相關(guān)，與TDS、Ca2+負相關(guān)，原因及表現(xiàn)如下：

4.1.1.1研究區(qū)地下水多為弱堿性水，易于氟的絡合物水解，增加了水中氟離子的濃度。

4.1.1.2研究區(qū)地下水陽離子主要以Na+離子為主，Ca2+離子含量少，不易形成氟化物沉淀，低鈣環(huán)境有利于氟含量富集。

4.1.1.3高礦化承壓水的氟含量明顯偏低，且礦化度越高、氟含量越低，尤其表現(xiàn)為咸水、鹽水、鹵水，可能與徑流途中受到其它補給源影響較小、沿途受泥含量高的含水介質(zhì)對氟的吸附有關(guān)。如游客中心礦化度最高的三個承壓水樣點W158、W160、SK04的礦化度分別為5.16g/L、8.15g/L、9.20g/L，其氟含量卻分別為0.53mg/L、0.51mg/L、0.22mg/L。再比如胡楊林景區(qū)的SK07號鉆孔，礦化度為70.06g/L，其氟含量卻僅為0.22mg/L。

4.1.2高氟水的形成也與研究區(qū)特有的干旱少雨，蒸發(fā)強烈的氣候有關(guān)。

本區(qū)屬于干旱氣候區(qū)，降水量小，蒸發(fā)量大是其基本氣候特點，如此使得地下水得到大氣降水的補給少，水更新緩慢，有利于氟化物富集。

4.1.3口岸區(qū)為地下水的補給區(qū)，礦化度普遍較低，氟含量本應較低，但實際上三個樣點氟含量全部超標，最高的SK01號鉆孔達5.14mg/L，除了與干旱氣候有關(guān)外，更可能與母巖礦物成份有關(guān)。

4.2高礦化水成因分析

依據(jù)前述資料，本區(qū)承壓水礦化度為2.27g/L～70.06g/L（表2中口岸區(qū)潛水除外），均為高礦化水，且自上游至下游，呈現(xiàn)微咸水→咸水→鹽水→鹵水規(guī)律分布，無淡水資源。高礦化水成因較為復雜，通過分析水質(zhì)結(jié)果、高礦化水的賦存與分布規(guī)律、古地理環(huán)境及其補給、徑流、排泄條件，對其成因初步分析如下：

4.2.1地下水補給條件是影響礦化度的重要因素。高礦化水均為碎屑巖盆地承壓水，因其頂板為大厚度泥巖隔水層，造成其補給源為單一的上游承壓水側(cè)向徑流補給，而不能接受大氣降水或其他低礦化水的更新，是本區(qū)高礦化水形成的重要原因。

4.2.2水動力條件是高礦化水形成的主導因素。本區(qū)位于區(qū)域地下水徑流的下游地段，地勢低洼，水力坡度小，古近系承壓水在封閉半封閉環(huán)境下自南向北經(jīng)長途緩慢流動，在徑流過程中經(jīng)過長期溶濾作用，鹽分逐步升高，在盆地西北側(cè)受到低山丘陵阻隔向東北轉(zhuǎn)向，之后，受東北方向基底隆起影響，盆地出口收窄，地下水徑流進一步變緩甚至滯流，鹽分急劇升高，地下水甚至達到鹵水級別。

4.2.3古地理環(huán)境為高礦化水的形成提供了物質(zhì)基礎。本區(qū)為封閉半封閉的碎屑巖沉積盆地，且研究區(qū)位于盆地的下游部位，在漫長的地質(zhì)歷史進程中，堆積了大量的古近系碎屑巖，地形低洼處多次形成古湖泊、沼澤，古湖泊又多次被沉積覆蓋，形成以湖相沉積為主的河湖相交互沉積地層，封存了大量高鹽、高堿物質(zhì)，為高礦化水形成提供了物質(zhì)基礎和鹽分來源，后期地下水進入后，溶解了這些鹽分，形成了高礦化水。

4.2.4干旱氣候條件是高礦化水形成的外在因素。研究區(qū)位于內(nèi)蒙古高原北部荒漠草原區(qū)，氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)強烈，使得地下水補給慢、更新差，地下水礦化度在區(qū)域上總體偏高，是形成本區(qū)高礦化水的外在因素。

5.結(jié)論

高氟、高礦化水成因較為復雜，通過分析水質(zhì)結(jié)果和高氟、高礦化水分布特點、古地理環(huán)境及其補徑排條件，對研究區(qū)高氟、高礦化水成因總結(jié)如下：

5.1高氟水成因

5.1.1氟含量與pH、Na+（毫克當量百分比）正相關(guān)，與TDS、Ca2+負相關(guān)。

5.1.2高氟水的形成與研究區(qū)特有的干旱少雨，蒸發(fā)強烈的氣候有關(guān)。

5.1.3高氟水與母巖礦物成分有關(guān)。

5.2高礦化水成因

5.2.1地下水補給條件是影響礦化度的重要因素。

5.2.2水動力條件是高礦化水形成的主導因素。

5.2.3古地理環(huán)境為高礦化水的形成提供了物質(zhì)基礎。

5.2.4干旱氣候條件是高礦化水形成的外在因素。

參考文獻：

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