内蒙古东乌旗地区地下水地球化学特征及成因分析

内蒙古东乌旗地区地下水地球化学特征及成因分析

水资源是中国西部的一个重要因素。许多科学家对西北干旱地区水资源的利用、环境和水化学特征进行了研究，但对地下水和辐射水环境的研究较少。地下水中铀、氡是无色、无味的,当他们超过饮用水卫生标准时,不易及时发现,能引起恶性肿瘤、以至引发多种癌症,给人们的身体健康和国家经济带来巨大损失。本文对内蒙古东乌旗地区基岩山区、山前平原、河谷盆地地下水进行取样,运用水化学、稳定和放射性同位素等方法,系统分析了地下水的来源、年龄,水化学特征以及放射性水环境等,从而为内蒙古东乌旗水资源可持续利用和管理提供依据。1地下水补径排特征东乌旗地区属内蒙古高原,海拔850~1150m,地形起伏不大,属高原低山丘陵区。处于内蒙古高原水文地质区与阴山山地水文地质区的交界处,由东乌旗盆地、白音呼布盆地、沙麦盆地、阿尔塔纳盆地及其周边基岩山区构成。年降水量268mm,年蒸发量达2209mm,属半干旱气候区。区内无明显的地表水系,仅有零星分布的盐碱湿地以及季节性的河流。盆地两侧的基岩山区是盆地内地下水补给区,其地形较高、沟谷发育,植被稀少,降雨易流失,而不易渗入;枝状沟谷及山前倾斜平原是地下水的补给与径流区;河谷平原、湖泊为地下水的排泄区。基岩裂隙水以地形分水岭为界,顺自然坡度汇流入枝状沟谷及山前倾斜平原,除人工开采、植物吸收和蒸发外,绝大部分补给了第四系松散岩类孔隙水及第三系、白垩系孔隙裂隙层间水。潜水在流入封闭盆地后,大量蒸发而形成盐碱地及零星分布的湖泊,承压水在流入乌兰查布后越流补给上层地下水。盆地主要含水层为冲、洪积扇相、三角洲相和河流相,岩性为砂砾岩、中细砂岩,泥质半胶结或呈松散状,含水层厚度为5~50m,富水性、渗透性较好。2主要成分分析2002年7~9月在工作区内进行了地下水采样,取样点主要为浅井、机井、自流井(图1)。对pH,K+,Na+,Mg2+,Ca2+,HCO3-,SO42-,Cl-等主要成分进行分析。pH用phs-2酸度计现场测定,K+,Na+,Mg2+,Ca2+,SO42-,Cl-用Dionex-400离子色谱仪测定,HCO3-用滴定法测定,结果如表1所示。2.1主要阳离子及离子变化规律研究区水样pH值介于7.01~8.04,呈中性偏弱碱性,与第四系潜水、砂岩承压水、花岗岩裂隙水的pH值差别不大。潜水的主要阴离子Cl-,SO42-,HCO3-分别介于15.5~105,24.45~280.3mg/L和386.5~592.3mg/L,平均含量分别为55.19,123.96mg/L和483.28mg/L;主要阳离子K+,Na+,Ca2+,Mg2+分别介于0.6~6.68,26.23~238.9,20.97~63.69mg/L和20.7~76.67mg/L,平均含量分别为3.07,139.08,47.15mg/L和50.42mg/L。砂岩承压水的主要阴离子Cl-,SO42-,HCO3-分别介于57.36~3211,59.97~1476mg/L和297.9~915.1mg/L,平均含量分别为524.02,388.096mg/L和472.58mg/L;主要阳离子K+,Na+,Ca2+,Mg2+分别介于0.63~7.32,71.9~1393,27.09~714mg/L和29.36~412mg/L,平均含量分别为4.66,416.09,117.47mg/L和94.38mg/L。主要离子变化与TDS值基本一致。潜水和承压水的离子成分在排序上有一定的差异:潜水主要阳离子K++Na+>Mg2+>Ca2+,主要阴离子HCO3->SO42->Cl-;承压水的主要阳离子K++Na+>Ca2+>Mg2+,主要阴离子Cl->HCO3->SO42-。2.2地下水补径排系统地下水化学分类采用舒卡列夫法和Piper三线图解法,研究区的水化学类型分区如图2所示。水化学类型主要为三类:(1)HCO3-Na,HCO3-Na·Mg,HCO3-Na·Mg·Ca,属山前潜水,是地下水的补给区;(2)SO4·CI·HCO3-Na·Ca,SO4·Cl-Na·Mg等类型,多种类型混合水,为沟谷及山前倾斜平原径流区中承压水;(3)CI-Na,Cl-Na·Ca·Mg,Cl·SO4-Na为盆地深部还原环境水化学特征。表明基岩山区及前缘补给区的地下水(HCO3-Na),在径流过程中,经过溶滤和混合作用后,变为枝状沟谷及山前倾斜平原径流区中地下水类型(SO4·HCO3·Cl-Na·Ca),在经过阳离子交换、脱硫酸、蒸发等作用,形成河谷平原、湖泊排泄区的地下水类型(CI-Na),体现出地下水由氧化到还原环境的变化过程的水化学成分变化特征。3分析方法及测定条件氡浓度由FD-3017仪现场测定;铀含量由核工业北京地质研究院测试中心分析;D,18O由中国地质科学院矿产研究所测定;3H由中国科学院地震研究所测定,结果见表2。3.1大气降水同位素由于东乌旗没有δD,δ18O同位素的长期观测资料,因此取距本区约600km包头大气降水同位素组成(据IAEA&WMO于1999年在因特网上发布资料整理)近似代表本区大气降水同位素,其相关关系为:δD=6.48δ18O+4.16,(γ=0.98)图3所示,大气降水δD和δ18O关系与中国大气降水线(δD=7.74δ18O+6.48)较为近似。差距表现为斜率、截距均略低于我国平均值,代表了内陆干旱、多风的一种不平衡动力分馏条件下的云团形成过程、降水迁移过程中,由于存在蒸发和凝聚等作用,产生不同程度的同位素分馏。东乌旗地下水点的δD,δ18O值投于大气降水线上,吻合性能良好,反映出东乌旗地区地下水来源于大气降水的特点。3.2东乌旗地区地下裂隙水的形成时代探讨放射性同位素3H在大气层中形成3H水后遍布整个大气层,对现代环境水起着标记作用。因此,利用3H可以计算地下水年龄。根据同位素3H的数值,60年代降水3H值高峰期补给的地下水的3H含量可能大于40TU,60年代以前或非热核试验高峰期补给的白垩系层间水一般小于20TU,3H值介于20~40TU,一般为第四系潜水和白垩系层间水的混合水,近年潜水3H值又开始降低,由此可以判断地下水的年龄。东乌旗地区地下裂隙水两个水点3H值大于40TU,三个水点小于10TU,说明裂隙水可能主要来源于20世纪60年代以前,3H值介于20~40TU可能是混合成因;层间承压水的3H值1.5~25TU,预示他们形成年代也比较早,是经历了较长地下径流时间的结果。第四系潜水3H值介于20~40TU,为第四系潜水和白垩系层间水的混合水,或是近年潜水3H值的直接反映。4地下水铀、氡分析结果根据我国放射性同位素在露天水源中最大容许浓度的规定,天然水中铀为0.05mg/L,氡为37Bq/L,铀、氡含量为研究地下水的放射性环境问题提供了直接证据,东乌旗地区地下水铀、氡分析结果见表2。4.1微量元素含量花岗岩裂隙水主要分布于盆地的两侧蚀源区,含水岩层为石炭、侏罗系酸性火山岩。水样铀含量为3.3~52.8μg/L,基本都在标准以下;氡含量介于25.7~531.6Bq/L,大部分严重超标,最高含量为531Bq/L,超过标准近15倍。花岗岩裂隙水铀、氡异常与花岗岩风化壳有关。由于花岗岩中的铀含量较高,但经历了地质历史时期的淋滤作用,可能是导致近期地下水中含量不高的原因。氡浓度取决于岩石中放射性元素的绝对含量和岩石的射气系数,经过射气作用,在风化壳上部形成氡水。4.2样品和微生物指标主要赋存于上新世和下白垩世沉积层中,含水岩性为上新世砾岩、砂砾岩、砂岩,单孔水量介于30.5~63.9t/d,是东乌旗主要的生产、生活水源。水样中铀含量0.6~279μg/L,少量样超过饮用水标准;氡含量16.2~303.3Bq/L,大多样超过饮用水标准;其中少量样(2,9号)铀、氡含量同时超过饮用水标准,可能与铀矿化有关。4.3基岩裂隙水补给潜水主要分布于山谷和地形低洼处。水位埋深0~10m,水量<10t/d,主要接受大气降水和基岩裂隙水的补给。水样中铀含量17.5~209μg/L,约有60%水样铀含量超过标准;氡含量介于9.35~367.4Bq/L,50%样品超标。大部分潜水铀、氡异常可能与铀矿化无关,由水化学因素形成。本地区潜水异常点由于地处干旱地区,受到强烈的蒸发作用,铀经浓缩富集而形成。4.4异常水处理和开发(1)阴离子交换树脂生产铀矿化技术少量由蒸发、浓缩成因形成的放射性异常地下水,可经过稀释减少危害;对于与铀矿化有关超过饮用水标准的水源,如达到高浓度(10mg/L),可采用阴离子交换树脂,进行工业生产;若浓度超标,但又不足以生产,则加强对水源铀、氡含量检测十分必要,避免用其作为生活水源。(2)温度对氡溶液溶解系数的影响处理地下水中氡的异常较为简单,由于氡是短寿命元素,半衰期为3.825d。因此,若将氡异常水放置7d左右,其浓度则降为原来的1/4。温度对水中氡含量的影响较为明显,水温增高会引起脱气作用,氡的溶解系数随水温的升高而降低。因此将水加温、煮沸、储存,都能使水中氡减少,达到生活饮用水标准。(3)浴的疗效作用对非饮用水而言,氡水(浓度达到74Bq/L)是一种很好的医疗用水。氡浴一方面可以调节心脏血管系统的功能,治疗高血压和某些心脏血管疾病;另一方面有催眠、镇痛的作用,对神经炎、神经痛、关节炎等神经系统和运动系统的疾病也有良好的疗效。因此,东乌旗地区高含量氡水可以作为资源,开发利用。5完善地下水预处理(1)内蒙古东乌旗地区地下水来源于大气降水入渗补给,第四系潜水主要是近期降水结果,层间承压水则