地学前缘 ›› 2022, Vol. 29 ›› Issue (3): 115-128.DOI: 10.13745/j.esf.sf.2022.1.34
邢世平1(), 郭华明1,*(), 吴萍2,*(), 胡学达1, 赵振2, 袁有靖2
收稿日期:
2021-12-02
修回日期:
2022-01-12
出版日期:
2022-05-25
发布日期:
2022-04-28
通讯作者:
郭华明,吴萍
作者简介:
邢世平(1991—),男,博士研究生,水文地质学专业。E-mail: spxing@cugb.edu.cn
基金资助:
XING Shiping1(), GUO Huaming1,*(), WU Ping2,*(), HU Xueda1, ZHAO Zhen2, YUAN Youjing2
Received:
2021-12-02
Revised:
2022-01-12
Online:
2022-05-25
Published:
2022-04-28
Contact:
GUO Huaming,WU Ping
摘要:
天然成因的高氟地下水是世界范围内备受关注的环境问题和饮用水安全问题。前人对高氟地下水的形成过程已开展了大量研究,但是对于高原盆地复杂水文地质条件下不同类型含水层组(第四系松散层含水层、基岩裂隙或岩溶含水层以及新生代古近纪以来的碎屑岩含水层)高氟地下水的分布和形成过程尚不明确。本文以化隆—循化盆地为研究区,通过采集、测试研究区内的各类地下水样品,分析研究区内不同类型含水层中地下水的化学特征及同位素特征。结果表明,高氟地下水(1.007.73 mg/L)主要分布在沿黄河的河谷区域和巴燕低山丘陵区域的泉水和潜水中以及深部的承压水中,在垂向上高氟地下水无明显分布规律。接受黄河水入渗补给的河谷潜水中氟离子浓度较低,补给黄河的河谷潜水中氟离子浓度较高。贫钙富钠的弱碱性苏打型水有利于地下水中氟的富集。泉水和潜水中氟主要来源于萤石的溶解,而承压水中氟除了来源于萤石外,还来源于其他含氟矿物。对于潜水和第四系松散层泉水,蒸发浓缩作用促进了地下水中氟的富集。另外,阴离子竞争吸附作用、阳离子交换吸附作用是泉水(第四系松散层泉水和基岩裂隙泉水)和潜水中氟元素富集的主要原因,而承压水中氟离子浓度受竞争吸附作用影响较大,阳离子交换吸附作用影响较小。研究成果可为化隆—循化盆地低氟地下水的勘查和开发提供科学依据。
中图分类号:
邢世平, 郭华明, 吴萍, 胡学达, 赵振, 袁有靖. 化隆—循化盆地不同类型含水层组高氟地下水的分布及形成过程[J]. 地学前缘, 2022, 29(3): 115-128.
XING Shiping, GUO Huaming, WU Ping, HU Xueda, ZHAO Zhen, YUAN Youjing. Distribution and formation processes of high fluoride groundwater in different types of aquifers in the Hualong-Xunhua Basin[J]. Earth Science Frontiers, 2022, 29(3): 115-128.
图1 采样点位置和分布以及地下水中氟离子浓度分布图
Fig.1 (a) Locations and distribution of sampling sites in the study area and (b-g) variation patters of groundwater (spring water, phreatic water and confined groundwater) fluoride concentrations in various sections of the study area
指标/样品编号 | pH值 | ORP/mV | EC/(μS·cm-1) | ρ/(mg·L-1) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Na+ | K+ | Ca2+ | Mg2+ | |||||
泉水(n=47) | 最小值 | 6.57 | 87.2 | 336 | 2.81 | 0.53 | 30.8 | 7.26 |
中位数 | 7.45 | 130 | 531 | 14.0 | 1.86 | 69.2 | 20.8 | |
最大值 | 8.85 | 212 | 3 540 | 601 | 9.93 | 168 | 79.2 | |
平均值 | 7.53 | 133 | 738 | 53.5 | 2.37 | 74.9 | 25.0 | |
潜水(n=22) | 最小值 | 6.75 | 33.3 | 439 | 14.7 | 1.63 | 57.0 | 12.6 |
中位数 | 7.28 | 114 | 1 190 | 93.4 | 4.16 | 119 | 47.2 | |
最大值 | 7.88 | 164 | 13 040 | 2 480 | 15.6 | 450 | 286 | |
平均值 | 7.34 | 107 | 1 950 | 232 | 4.49 | 161 | 59.2 | |
承压水(n=2) | HL-CG-1 | 9.91 | -217 | 7 040 | 1 150 | 11.9 | 419 | 1.33 |
HL-CG-2 | 9.11 | -288 | 3 090 | 576 | 10.6 | 82.9 | 0.12 | |
指标/样品编号 | ρ/(mg·L-1) | δ18O/‰ | δD/‰ | |||||
Cl- | F- | |||||||
泉水(n=47) | 最小值 | 3.85 | 0.00 | 15.8 | 128 | 0.25 | -10.7 | -73.4 |
中位数 | 12.8 | 14.1 | 50.0 | 245 | 0.50 | -8.80 | -60.8 | |
最大值 | 472 | 102 | 1 370 | 388 | 2.32 | -6.46 | -46.6 | |
平均值 | 44.3 | 18.9 | 128 | 258 | 0.69 | -8.87 | -60.5 | |
潜水(n=22) | 最小值 | 14.53 | 3.31 | 43.2 | 220 | 0.32 | -10.9 | -80.2 |
中位数 | 73.5 | 32.0 | 229 | 389 | 1.11 | -9.52 | -70.4 | |
最大值 | 1 580 | 90.4 | 5 210 | 683 | 3.78 | -8.13 | -57.2 | |
平均值 | 168 | 33.2 | 590 | 403 | 1.25 | -9.56 | -68.7 | |
承压水(n=2) | HL-CG-1 | 2 045 | 1.54 | 1 090 | 17.5 | 5.06 | -9.44 | -80.3 |
HL-CG-2 | 599 | 1.51 | 679 | 52.5 | 7.73 | -10.0 | -87.0 |
表1 地下水样中各理化指标统计结果
Table 1 Statistics of various physical and chemical indicators in groundwater samples
指标/样品编号 | pH值 | ORP/mV | EC/(μS·cm-1) | ρ/(mg·L-1) | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Na+ | K+ | Ca2+ | Mg2+ | |||||
泉水(n=47) | 最小值 | 6.57 | 87.2 | 336 | 2.81 | 0.53 | 30.8 | 7.26 |
中位数 | 7.45 | 130 | 531 | 14.0 | 1.86 | 69.2 | 20.8 | |
最大值 | 8.85 | 212 | 3 540 | 601 | 9.93 | 168 | 79.2 | |
平均值 | 7.53 | 133 | 738 | 53.5 | 2.37 | 74.9 | 25.0 | |
潜水(n=22) | 最小值 | 6.75 | 33.3 | 439 | 14.7 | 1.63 | 57.0 | 12.6 |
中位数 | 7.28 | 114 | 1 190 | 93.4 | 4.16 | 119 | 47.2 | |
最大值 | 7.88 | 164 | 13 040 | 2 480 | 15.6 | 450 | 286 | |
平均值 | 7.34 | 107 | 1 950 | 232 | 4.49 | 161 | 59.2 | |
承压水(n=2) | HL-CG-1 | 9.91 | -217 | 7 040 | 1 150 | 11.9 | 419 | 1.33 |
HL-CG-2 | 9.11 | -288 | 3 090 | 576 | 10.6 | 82.9 | 0.12 | |
指标/样品编号 | ρ/(mg·L-1) | δ18O/‰ | δD/‰ | |||||
Cl- | F- | |||||||
泉水(n=47) | 最小值 | 3.85 | 0.00 | 15.8 | 128 | 0.25 | -10.7 | -73.4 |
中位数 | 12.8 | 14.1 | 50.0 | 245 | 0.50 | -8.80 | -60.8 | |
最大值 | 472 | 102 | 1 370 | 388 | 2.32 | -6.46 | -46.6 | |
平均值 | 44.3 | 18.9 | 128 | 258 | 0.69 | -8.87 | -60.5 | |
潜水(n=22) | 最小值 | 14.53 | 3.31 | 43.2 | 220 | 0.32 | -10.9 | -80.2 |
中位数 | 73.5 | 32.0 | 229 | 389 | 1.11 | -9.52 | -70.4 | |
最大值 | 1 580 | 90.4 | 5 210 | 683 | 3.78 | -8.13 | -57.2 | |
平均值 | 168 | 33.2 | 590 | 403 | 1.25 | -9.56 | -68.7 | |
承压水(n=2) | HL-CG-1 | 2 045 | 1.54 | 1 090 | 17.5 | 5.06 | -9.44 | -80.3 |
HL-CG-2 | 599 | 1.51 | 679 | 52.5 | 7.73 | -10.0 | -87.0 |
图3 地下水(泉水、潜水和承压水)Piper三线图以及不同类型地下水中氟离子浓度
Fig.3 Piper diagram of spring water, phreatic water and confined groundwater samples with varying fluoride concentrations
图4 化隆—循化盆地各类水样中δD与δ18O之间的关系
Fig.4 Bivariate plots of δD and δ18O values in groundwater samples with varying floride concentrations for three water types in the Hualong-Xunhua Basin
图6 泉水和潜水中Ca2+(a)、Na+(b)的质量分数与氟离子浓度之间的关系
Fig.6 Bivariate plots of fluoride concentration and mass percent of Ca2+ (a) or Na+ (b) in spring water and phreatic water samples
图7 泉水、潜水和承压水中Mg2+/Na+和Ca2+/Na+(物质的量浓度之比)(a)、 HCO 3 -/Na+和Ca2+/Na+(物质的量浓度之比)(b)之间的关系图
Fig.7 Molar ratio bivariate plots of (a) Na-normalized Ca+ and Mg+ and (b) Na-normalized Ca+ and HCO 3 - in spring water, phreatic water and confined groundwater samples, revealing the dissolution of silicate and carbonate as the main source of ions in groundwater
图8 地下水中F-与Ca2+离子活度之间的关系(a),地下水中F-与萤石饱和指数(SIfluorite)之间的关系(b), 地下水萤石饱和指数与方解石饱和指数之间的关系(c),地下水萤石饱和指数与白云石饱和指数之间的关系(d)
Fig.8 Bivariate plots of various hydogrochemical indicators in spring water, phreatic water and confined groundwater samples with varying fluoride concentrations
图9 泉水、潜水和承压水中Cl-与Na+之间的关系(a),Ca2++Mg2+- SO 4 2 -- HCO 3 -/2与Na++K+-Cl-之间的关系(b)
Fig.9 Bivariate plots of molar concentrations of the major ions in spring water, phreatic water and confined groundwater samples
图10 泉水与潜水中F-浓度与Na+-Cl-(a)以及Na/Ca(质量分数之比)(b)之间的关系
Fig.10 Scatter plots showing the relationships between F- concentration and Na+-Cl- (a) or Na/Ca (mass percent ratio) (b) in spring water and phreatic water samples
图11 地下水中的F-与pH值(a)以及 HCO 3 -(b)之间的关系
Fig.11 Scatter plots showing the relationships between F- concentration and pH (a) or HCO 3 - (b) in spring water, phreatic water and confined groundwater samples
图12 化隆—循化盆地地下水Gibbs图 (Na+/(Na++Ca2+)为质量分数比)
Fig.12 Gibbs diagram of groundwater in the Hualong-Xunhua Basin (Na+/(Na++Ca2+) is the mass percent ratio)
图13 泉水和潜水中F-与F-/Cl-(质量分数比)之间的关系(a), 潜水中F-与δ18O(图4中蓝色虚线圈内潜水样品)的关系图(b)
Fig.13 Bivariate plots of (a) F- concentration and F-/Cl- (mass percent ratio) in spring water and phreatic water samples showing the effects of evaporative concentration on F enrichment in groundwater, and (b) scatter plot showing the relationship between F- concentration and δ18O in phreatic water samples (same samples as in the green dashed circle in Fig.4)
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