內(nèi)蒙古東烏旗地區(qū)地下水地球化學(xué)特征及成因分析

內(nèi)蒙古東烏旗地區(qū)地下水地球化學(xué)特征及成因分析

水資源是中國(guó)西部的一個(gè)重要因素。許多科學(xué)家對(duì)西北干旱地區(qū)水資源的利用、環(huán)境和水化學(xué)特征進(jìn)行了研究，但對(duì)地下水和輻射水環(huán)境的研究較少。地下水中鈾、氡是無色、無味的,當(dāng)他們超過飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)時(shí),不易及時(shí)發(fā)現(xiàn),能引起惡性腫瘤、以至引發(fā)多種癌癥,給人們的身體健康和國(guó)家經(jīng)濟(jì)帶來巨大損失。本文對(duì)內(nèi)蒙古東烏旗地區(qū)基巖山區(qū)、山前平原、河谷盆地地下水進(jìn)行取樣,運(yùn)用水化學(xué)、穩(wěn)定和放射性同位素等方法,系統(tǒng)分析了地下水的來源、年齡,水化學(xué)特征以及放射性水環(huán)境等,從而為內(nèi)蒙古東烏旗水資源可持續(xù)利用和管理提供依據(jù)。1地下水補(bǔ)徑排特征東烏旗地區(qū)屬內(nèi)蒙古高原,海拔850~1150m,地形起伏不大,屬高原低山丘陵區(qū)。處于內(nèi)蒙古高原水文地質(zhì)區(qū)與陰山山地水文地質(zhì)區(qū)的交界處,由東烏旗盆地、白音呼布盆地、沙麥盆地、阿爾塔納盆地及其周邊基巖山區(qū)構(gòu)成。年降水量268mm,年蒸發(fā)量達(dá)2209mm,屬半干旱氣候區(qū)。區(qū)內(nèi)無明顯的地表水系,僅有零星分布的鹽堿濕地以及季節(jié)性的河流。盆地兩側(cè)的基巖山區(qū)是盆地內(nèi)地下水補(bǔ)給區(qū),其地形較高、溝谷發(fā)育,植被稀少,降雨易流失,而不易滲入;枝狀溝谷及山前傾斜平原是地下水的補(bǔ)給與徑流區(qū);河谷平原、湖泊為地下水的排泄區(qū)?；鶐r裂隙水以地形分水嶺為界,順自然坡度匯流入枝狀溝谷及山前傾斜平原,除人工開采、植物吸收和蒸發(fā)外,絕大部分補(bǔ)給了第四系松散巖類孔隙水及第三系、白堊系孔隙裂隙層間水。潛水在流入封閉盆地后,大量蒸發(fā)而形成鹽堿地及零星分布的湖泊,承壓水在流入烏蘭查布后越流補(bǔ)給上層地下水。盆地主要含水層為沖、洪積扇相、三角洲相和河流相,巖性為砂礫巖、中細(xì)砂巖,泥質(zhì)半膠結(jié)或呈松散狀,含水層厚度為5~50m,富水性、滲透性較好。2主要成分分析2002年7~9月在工作區(qū)內(nèi)進(jìn)行了地下水采樣,取樣點(diǎn)主要為淺井、機(jī)井、自流井(圖1)。對(duì)pH,K+,Na+,Mg2+,Ca2+,HCO3-,SO42-,Cl-等主要成分進(jìn)行分析。pH用phs-2酸度計(jì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,K+,Na+,Mg2+,Ca2+,SO42-,Cl-用Dionex-400離子色譜儀測(cè)定,HCO3-用滴定法測(cè)定,結(jié)果如表1所示。2.1主要陽離子及離子變化規(guī)律研究區(qū)水樣pH值介于7.01~8.04,呈中性偏弱堿性,與第四系潛水、砂巖承壓水、花崗巖裂隙水的pH值差別不大。潛水的主要陰離子Cl-,SO42-,HCO3-分別介于15.5~105,24.45~280.3mg/L和386.5~592.3mg/L,平均含量分別為55.19,123.96mg/L和483.28mg/L;主要陽離子K+,Na+,Ca2+,Mg2+分別介于0.6~6.68,26.23~238.9,20.97~63.69mg/L和20.7~76.67mg/L,平均含量分別為3.07,139.08,47.15mg/L和50.42mg/L。砂巖承壓水的主要陰離子Cl-,SO42-,HCO3-分別介于57.36~3211,59.97~1476mg/L和297.9~915.1mg/L,平均含量分別為524.02,388.096mg/L和472.58mg/L;主要陽離子K+,Na+,Ca2+,Mg2+分別介于0.63~7.32,71.9~1393,27.09~714mg/L和29.36~412mg/L,平均含量分別為4.66,416.09,117.47mg/L和94.38mg/L。主要離子變化與TDS值基本一致。潛水和承壓水的離子成分在排序上有一定的差異:潛水主要陽離子K++Na+>Mg2+>Ca2+,主要陰離子HCO3->SO42->Cl-;承壓水的主要陽離子K++Na+>Ca2+>Mg2+,主要陰離子Cl->HCO3->SO42-。2.2地下水補(bǔ)徑排系統(tǒng)地下水化學(xué)分類采用舒卡列夫法和Piper三線圖解法,研究區(qū)的水化學(xué)類型分區(qū)如圖2所示。水化學(xué)類型主要為三類:(1)HCO3-Na,HCO3-Na·Mg,HCO3-Na·Mg·Ca,屬山前潛水,是地下水的補(bǔ)給區(qū);(2)SO4·CI·HCO3-Na·Ca,SO4·Cl-Na·Mg等類型,多種類型混合水,為溝谷及山前傾斜平原徑流區(qū)中承壓水;(3)CI-Na,Cl-Na·Ca·Mg,Cl·SO4-Na為盆地深部還原環(huán)境水化學(xué)特征。表明基巖山區(qū)及前緣補(bǔ)給區(qū)的地下水(HCO3-Na),在徑流過程中,經(jīng)過溶濾和混合作用后,變?yōu)橹顪瞎燃吧角皟A斜平原徑流區(qū)中地下水類型(SO4·HCO3·Cl-Na·Ca),在經(jīng)過陽離子交換、脫硫酸、蒸發(fā)等作用,形成河谷平原、湖泊排泄區(qū)的地下水類型(CI-Na),體現(xiàn)出地下水由氧化到還原環(huán)境的變化過程的水化學(xué)成分變化特征。3分析方法及測(cè)定條件氡濃度由FD-3017儀現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定;鈾含量由核工業(yè)北京地質(zhì)研究院測(cè)試中心分析;D,18O由中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)研究所測(cè)定;3H由中國(guó)科學(xué)院地震研究所測(cè)定,結(jié)果見表2。3.1大氣降水同位素由于東烏旗沒有δD,δ18O同位素的長(zhǎng)期觀測(cè)資料,因此取距本區(qū)約600km包頭大氣降水同位素組成(據(jù)IAEA&WMO于1999年在因特網(wǎng)上發(fā)布資料整理)近似代表本區(qū)大氣降水同位素,其相關(guān)關(guān)系為:δD=6.48δ18O+4.16,(γ=0.98)圖3所示,大氣降水δD和δ18O關(guān)系與中國(guó)大氣降水線(δD=7.74δ18O+6.48)較為近似。差距表現(xiàn)為斜率、截距均略低于我國(guó)平均值,代表了內(nèi)陸干旱、多風(fēng)的一種不平衡動(dòng)力分餾條件下的云團(tuán)形成過程、降水遷移過程中,由于存在蒸發(fā)和凝聚等作用,產(chǎn)生不同程度的同位素分餾。東烏旗地下水點(diǎn)的δD,δ18O值投于大氣降水線上,吻合性能良好,反映出東烏旗地區(qū)地下水來源于大氣降水的特點(diǎn)。3.2東烏旗地區(qū)地下裂隙水的形成時(shí)代探討放射性同位素3H在大氣層中形成3H水后遍布整個(gè)大氣層,對(duì)現(xiàn)代環(huán)境水起著標(biāo)記作用。因此,利用3H可以計(jì)算地下水年齡。根據(jù)同位素3H的數(shù)值,60年代降水3H值高峰期補(bǔ)給的地下水的3H含量可能大于40TU,60年代以前或非熱核試驗(yàn)高峰期補(bǔ)給的白堊系層間水一般小于20TU,3H值介于20~40TU,一般為第四系潛水和白堊系層間水的混合水,近年潛水3H值又開始降低,由此可以判斷地下水的年齡。東烏旗地區(qū)地下裂隙水兩個(gè)水點(diǎn)3H值大于40TU,三個(gè)水點(diǎn)小于10TU,說明裂隙水可能主要來源于20世紀(jì)60年代以前,3H值介于20~40TU可能是混合成因;層間承壓水的3H值1.5~25TU,預(yù)示他們形成年代也比較早,是經(jīng)歷了較長(zhǎng)地下徑流時(shí)間的結(jié)果。第四系潛水3H值介于20~40TU,為第四系潛水和白堊系層間水的混合水,或是近年潛水3H值的直接反映。4地下水鈾、氡分析結(jié)果根據(jù)我國(guó)放射性同位素在露天水源中最大容許濃度的規(guī)定,天然水中鈾為0.05mg/L,氡為37Bq/L,鈾、氡含量為研究地下水的放射性環(huán)境問題提供了直接證據(jù),東烏旗地區(qū)地下水鈾、氡分析結(jié)果見表2。4.1微量元素含量花崗巖裂隙水主要分布于盆地的兩側(cè)蝕源區(qū),含水巖層為石炭、侏羅系酸性火山巖。水樣鈾含量為3.3~52.8μg/L,基本都在標(biāo)準(zhǔn)以下;氡含量介于25.7~531.6Bq/L,大部分嚴(yán)重超標(biāo),最高含量為531Bq/L,超過標(biāo)準(zhǔn)近15倍?；◢弾r裂隙水鈾、氡異常與花崗巖風(fēng)化殼有關(guān)。由于花崗巖中的鈾含量較高,但經(jīng)歷了地質(zhì)歷史時(shí)期的淋濾作用,可能是導(dǎo)致近期地下水中含量不高的原因。氡濃度取決于巖石中放射性元素的絕對(duì)含量和巖石的射氣系數(shù),經(jīng)過射氣作用,在風(fēng)化殼上部形成氡水。4.2樣品和微生物指標(biāo)主要賦存于上新世和下白堊世沉積層中,含水巖性為上新世礫巖、砂礫巖、砂巖,單孔水量介于30.5~63.9t/d,是東烏旗主要的生產(chǎn)、生活水源。水樣中鈾含量0.6~279μg/L,少量樣超過飲用水標(biāo)準(zhǔn);氡含量16.2~303.3Bq/L,大多樣超過飲用水標(biāo)準(zhǔn);其中少量樣(2,9號(hào))鈾、氡含量同時(shí)超過飲用水標(biāo)準(zhǔn),可能與鈾礦化有關(guān)。4.3基巖裂隙水補(bǔ)給潛水主要分布于山谷和地形低洼處。水位埋深0~10m,水量<10t/d,主要接受大氣降水和基巖裂隙水的補(bǔ)給。水樣中鈾含量17.5~209μg/L,約有60%水樣鈾含量超過標(biāo)準(zhǔn);氡含量介于9.35~367.4Bq/L,50%樣品超標(biāo)。大部分潛水鈾、氡異?？赡芘c鈾礦化無關(guān),由水化學(xué)因素形成。本地區(qū)潛水異常點(diǎn)由于地處干旱地區(qū),受到強(qiáng)烈的蒸發(fā)作用,鈾經(jīng)濃縮富集而形成。4.4異常水處理和開發(fā)(1)陰離子交換樹脂生產(chǎn)鈾礦化技術(shù)少量由蒸發(fā)、濃縮成因形成的放射性異常地下水,可經(jīng)過稀釋減少危害;對(duì)于與鈾礦化有關(guān)超過飲用水標(biāo)準(zhǔn)的水源,如達(dá)到高濃度(10mg/L),可采用陰離子交換樹脂,進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn);若濃度超標(biāo),但又不足以生產(chǎn),則加強(qiáng)對(duì)水源鈾、氡含量檢測(cè)十分必要,避免用其作為生活水源。(2)溫度對(duì)氡溶液溶解系數(shù)的影響處理地下水中氡的異常較為簡(jiǎn)單,由于氡是短壽命元素,半衰期為3.825d。因此,若將氡異常水放置7d左右,其濃度則降為原來的1/4。溫度對(duì)水中氡含量的影響較為明顯,水溫增高會(huì)引起脫氣作用,氡的溶解系數(shù)隨水溫的升高而降低。因此將水加溫、煮沸、儲(chǔ)存,都能使水中氡減少,達(dá)到生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。(3)浴的療效作用對(duì)非飲用水而言,氡水(濃度達(dá)到74Bq/L)是一種很好的醫(yī)療用水。氡浴一方面可以調(diào)節(jié)心臟血管系統(tǒng)的功能,治療高血壓和某些心臟血管疾病;另一方面有催眠、鎮(zhèn)痛的作用,對(duì)神經(jīng)炎、神經(jīng)痛、關(guān)節(jié)炎等神經(jīng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的疾病也有良好的療效。因此,東烏旗地區(qū)高含量氡水可以作為資源,開發(fā)利用。5完善地下水預(yù)處理(1)內(nèi)蒙古東烏旗地區(qū)地下水來源于大氣降水入滲補(bǔ)給,第四系潛水主要是近期降水結(jié)果,層間承壓水則