在内陆干旱区,作为重要饮用水源的地下水常面临氟含量超标问题.查明内陆干旱区高氟地下水的分布规律,了解氟在地下水中的富集过程及其影响因素,既可丰富高氟地下水的研究体系,也是保证内陆干旱区饮水安全的重要基础.以新疆阿克苏地区典型山前洪积扇——依格齐艾肯河-喀拉玉尔滚河河间地带为研究区,基于水文地球化学调查结果,刻画了高氟地下水的分布区;结合氟离子含量与特征性水化学指标间的关系,揭示了高氟地下水的成因机制.结果表明:①地下水中氟含量的变化范围为0.8～6.1 mg/L,83％的水样氟含量超过《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)规定的上限(1.0 mg/L);②总体上,氟含量沿地下水流动路径逐渐增大,低氟地下水(ρ(F-)≤1.0 mg/L)分布在国道314以北的补给区,高氟地下水(ρ(F-)>1.0 mg/L)分布在国道314以南的径流区和排泄区;③高氟地下水的水化学类型以Cl·HCO 3-Na型为主,而低氟地下水则以Cl·SO 4-Na型为主,高氟地下水相比于低氟地下水优势阴离子偏向于HCO-3;④地下水的pH值范围为7.9～8.9(均值为8.4),表明其处于弱碱环境中.地下水中ρ(F-)与pH值呈正相关,此外构成浅层含水层的上更新统沉积物中含有黑云母、氟磷灰石等矿物,其表面存在一定数量的可交换F-,这表明水中OH-与矿物表面F-间的阴离子交换可能对氟的富集有一定贡献;⑤地下水的F-含量与Ca2+含量呈负相关,即高氟地下水中ρ(Ca2+)小于低氟地下水.考虑到氟化钙(CaF2)是自然界中的主要含氟矿物,也是地下水中氟的主要来源,ρ(F-)与ρ(Ca2+)间的这种负相关指示着高氟地下水中可能存在去Ca2+、Mg2+作用,如阳离子交替吸附或碳酸盐岩沉淀等.研究区地下水样中ρ(F-)与ρ(Mg2+)间也呈负相关关系,且和ρ(F-)与ρ(Ca2+)间的关系高度相似,也佐证了高氟地下水中去Ca2+、Mg2+作用的存在;⑥绝大部分地下水样品都位于氯碱性指数图的负值区域,且ρ(F-)与CAI-1和CAI-2均呈较好负相关,CAI-1和CAI-2都随ρ(F-)的增大而减小,这表明高氟地下水中存在Ca2+、Mg2+与Na+间更强的交换作用,对氟富集起着重要作用.地下水中ρ(F-)与SAR间呈较好正相关关系,且高氟地下水样的SAR均值(5.71)远大于低氟地下水SAR均值(1.67),这也进一步证明高氟地下水中的Ca2+、Mg2+与含水介质的Na+间存在强烈的交替作用,对氟的富集起着重要作用;⑦所有地下水样中的萤石均处于未饱和状态,且萤石的饱和指数(SI)与F-含量间呈现较好的正相关,这表明地下水对含氟矿物(主要是萤石)的持续溶解应是导致研究区地下水中氟富集的主要原因.与之相反,研究区所有地下水样中的方解石均处于过饱和状态(SI>0).这表明CaCO 3的沉淀可能促进了CaF2的溶解,导致地下水中氟离子质量浓度增高;⑧ 研究区低氟地下水的 δ18 O值介于-11.20‰～-10.67‰间,平均值为-10.94‰,而高氟地下水的δ18 O值介于-11.65‰～-11.21‰间,平均值为-11.49‰,即低氟地下水较高氟地下水富集δ18 O.此外,F-质量浓度较低(ρ(F-)≤3.0 mg/L)的地下水样中δ18 O值与F-质量浓度呈负相关,即低氟地下水具有更正的δ18 O值;F-质量浓度较高(ρ(F-)≥4.8 mg/L)的地下水样中δ18 O值与F-质量浓度的相关性不显著,随F-质量浓度的增高,δ18 O值基本维持不变.以上表明蒸发浓缩作用对地下水中氟的富集贡献较小;⑨ 研究区地下水中ρ(F-)/ρ(Cl-)比值与ρ(F-)间呈现正相关,即ρ(F-)/ρ(Cl-)比值随ρ(F-)增高呈增大趋势,这也说明地下水中氟富集的主要原因是含氟矿物的溶解,而不是蒸发浓缩作用.此外,Gibbs图也提供了证据:研究区地下水样基本处于水岩作用主导区域,表明地下水化学特征(包括氟的富集)主要受水岩作用控制,蒸发浓缩影响很小.总之,地下水中氟的富集主要由溶解作用引起,OH-与矿物表面F-间的交换也有贡献,但蒸发浓缩作用影响微弱.含氟矿物持续溶解的驱动机制是阳离子交替吸附(地下水中Ca2+与岩土颗粒表面Na+之间)及方解石沉淀所引起的地下水中Ca2+的衰减.
高氟地下水 富集机制 萤石溶解 离子交换 方解石沉淀