区域高氟的原因

1.气候

氟在天然水中的富集与气候条件密切相关，以往的研究表明，在干旱半干旱地区由于蒸发浓缩作用强烈，往往造成天然水中的氟含量升高。降水、蒸发及其平衡状况是水量大小和季节变化的决定因素，而水量的大小和运移方向对于氟的运动方向和特征又有明显影响。

研究区地处中纬度北温带，受蒙古高压、太平洋副热带高压交替控制，属温带大陆型季风气候。四季分明，夏秋多雨，春冬干燥。据区内气象站21年观测资料记载，平均气温14.4℃，平均相对湿度71.7%，平均绝对湿度14.4mbar。多年平均降水量为686.3mm，一年内最大降水量1175.3mm，最小降水量325.3mm，月平均最大降水量为204mm，月平均最小降水量为7.4mm，一年之中的降水量多集中在七、八、九三个月，占全年总降水量的70%以上。全年平均蒸发量为1904.8mm，一年内最大蒸发量为2752.3mm，最小蒸发量为1474.2mm，月平均最大蒸发量为343.2mm，月平均最小蒸发量为8.4mm，一年之中二月和次年一月为最小，仅占全年蒸发量的10%左右。

由以上资料可以看出，研究区降水在一年之中分布不均匀，相对比较集中。在雨季，大气降水通过包气带入渗补给地下水时，形成具有一定矿化度和化学成分及氟浓度的溶液，进入含水层。在这个过程中通过入渗水对包气带中的可溶性含氟矿物进行淋洗，基本是一个脱氟过程，表现为包气带中的氟向地下水中转移和富集。在旱季，蒸发作用强烈，靠近地表的支持毛细水不断转换为气态，浅层地下水不断通过毛细作用进行补充使蒸发作用得以继续。随地下水埋深的减小，这个过程的强度增大，氟化物的累积量也增大；反之则减小。在这个过程中产生的聚盐效果使氟也滞留在浅层水中。

总的来说，本区的蒸发和降水量之比（即蒸降比）基本大于2，降水的淋洗过程和地下水的蒸发强度不对应，大陆盐化效应明显，因此在本区有倾向于氟聚集的趋势，这是本区成为高氟区的重要原因。

2.地质背景

据河南省地矿局1985年的调查，在河南省广泛分布的岩浆岩的氟含量与岩石类型有关，基性岩与超基性岩含量较低，酸性岩和碱性岩含量明显增高，如碱性岩的平均含量为1957mg/kg，侵入岩的含量一般要高于同类型喷出岩。分布在豫北、豫西以及豫南山区的变质岩，如云母片岩、角闪片岩、云母片麻岩、角闪片麻岩中的氟含量在800～1600mg/kg之间。分布在三门峡—鲁山—确山以北和淅川地区的沉积岩中，泥岩、页岩的氟含量较高，平均氟含量达800mg/kg以上。

一般认为，基岩山区对地下水的贡献主要表现为在表生带各种物理化学及生物化学因素影响下，通过溶解作用和水合作用使氟从各类基岩含氟矿物中释放出来，由各种地表水体和补给区进入地下水体。值得注意的是，有人对风化花岗岩的总氟含量与可溶性氟含量进行比对，结果表明风化花岗岩中氟的溶出率为0.24～0.52，而微风化花岗岩浸泡液氟溶出率仅为0.03左右。由此可见，岩石中大部分氟很难直接进入地下水中，而以往将岩石当作氟源认为氟是从基岩中不断脱出的表述不太准确。准确的表述是，地下水中的氟来源于岩石的风化产物。

通过风化、水流搬运和沉积等物理作用，基岩风化成土壤的过程中不同发育阶段的产物形成含有含氟矿物的第四系松散堆积物和砂砾石、砂、亚砂土及黏土等。在各种作用下基岩中进入水体的一些氟以吸附态和分散态氟的形式富集于颗粒较细的土壤中，并在其中重新分配。

取自周口地区的粉细砂、亚砂土和亚黏土的9个样品物相分析没有发现氟矿物，而蒙脱石、绿泥石、伊利石、高岭石等对游离态氟有吸附能力的黏土矿物含量之和为54%～68%，其余为与氟没有亲和力的石英、长石、方解石、白云石等矿物。黏土类物质有很强的吸附能力，在水盐交换过程中扮演的是氟离子“转运站”的角色。在一定的化学条件下，它可以将原先吸附的氟释放到地下水中，在另外一些水化学条件下，则可吸纳水中某种离子形态的氟，使之暂时聚集在土体内。在这个过程中不断调整，越到下游，水盐交换越频繁，这种调节过程越多。本研究区是平原区，有大量的黏土物质，而且厚度不薄，黏土的比表面积大，吸附性强。越到下游水流越滞缓，水-岩作用比较充分。

因此含氟的山区基岩从宏观上提供了地下水氟的物质来源，而第四纪松散堆积物则作为一个调节器控制着地下水氟的富集和分配，对地下水氟构成更直接和更重要的影响。

3.地形地貌

研究区虽然属于平原地区，但却不是一马平川，微地形高低起伏变化明显，存在次一级的凹陷和洼地。研究区位于黄泛平原，从全省范围来看，属于区域的势汇，地下水氟含量普遍高。然而在盆地或平原内部的不同地貌单元中，高氟地下水的空间分布也存在差异，高氟地下水多分布在山前洪积扇的扇前洼地、扇间洼地、河谷的低阶地、河谷洼地等地势较低处。

也就是说，不同层级的地形条件对研究区高氟分布的影响不同。宏观、区域的地形地貌可以决定研究区氟分布的总体格局，而次一级或者更次一级的地形地貌又影响氟更细致的分布，这种不同级别的地形地貌嵌套，会造成氟在研究区水平区域的分带性以及垂向分异的特点，造成了高氟地下水分布的斑块状和插花状现象。

我们将从区域和局域两个尺度上分析地形地貌对高氟地下水分布的影响。

（1）从区域的地形地貌来看，研究区属于黄河冲洪积平原，研究区的西部为山区。区域的地形地貌控制了区域的地下水流动系统，西部山区属于补给区，而整个研究大部分处于汇区（排泄区）。

1）从整个河南省来看，研究区位于河南省东部，属于黄河洪泛平原区，地势平缓，向东南缓倾斜，坡度约0.125‰～0.2‰。而研究区西部，主要为山区地貌，地形起伏大，坡度较陡。区域地形地貌如图6-6所示。

图6-6 河南省区域地形地貌

（据蒋辉，2008）

从整个河南省来看，西部山区为研究区的补给区，该地区地层岩性主要为砂砾层，颗粒较粗，透水性能好，水化学类型简单，地下水埋藏较深，受蒸发作用的影响小，地下水中的氟离子容易迁移到别处，很少出现高氟现象；而豫东平原由于地势较低，属于整个河南省的地下水排泄区，另外受黄河以及其他河流的冲洪积影响，地层岩性较细，其透水能力差，地下水埋深较浅，受蒸发作用影响，地下水中的氟迁移聚集在浅表，其他地区的氟也不断向该处运移，因此该地区氟的背景值较高。

2）从整个研究区来看，研究区西部接近西部山区，其特征和区域的补给区类似，该地区地下水矿化度较低，地下水中的氟含量也偏低；而研究区东部同时为区域和局域的排泄区，地下水经过长距离运移，沿途不断接受周围环境中氟离子的补给，到达排泄区时在强烈的蒸发作用下，浓缩富集，形成高氟地下水，有利于氟的积累，因此该地区多出现高氟地下水。再加之研究区地下水的流向为由西北向东南，因此，研究区的东南部为地下水的汇区，地下水位埋藏浅。从深层、浅层高氟分布图中，我们可以印证，以开封—鄢陵一线为界，西北部多为低氟区，东南部则主要为高氟区。

（2）局域地形地貌对氟离子迁移富集的影响。在宏观大尺度的分析下，我们可以得到高氟地下水在区域上的分布规律，然而我们从高氟地下水分布图中可以发现在区域的高氟区并不是全部的高氟，还有低氟区的存在，同样在低氟区内也有斑块状的高氟区，高氟区的分布呈现岛状、斑状、插花状。因此应该从中观层次，即局域的地形地貌进行分析。

豫东平原区看似一马平川，却由于黄河历史上的多次泛滥改道，造成了在平原内部出现多种微地貌，如长条状岗地、河道沙滩地、洼地等，使豫东平原呈现岗地、洼地相间分布的地貌特征。局域的地形地貌高低起伏，决定了浅表范围内的地下水流场。豫东平原地区斑块状高氟地下水往往集中在低洼地形。这是由于地势低洼处多是地表水以及地下水的汇聚区，氟离子也随之迁移聚集，该处地下水中的氟离子浓度因此升高；同时，洼地处地下水位埋深较浅，地下水的排泄主要通过蒸发作用，在旱季蒸发作用强烈时，盐分（氟离子）随水分运移到地表附近，并聚集，当有降水时，盐分（氟离子）又返回到该处的地下水中，从而使地下水中的氟离子浓度增加；另外，洼地处的岩性、水力条件等为氟离子的聚集提供了有利条件。

4.水动力条件

氟和其他常量组分一样，迁移富集过程必然以地下水作为主要载体和介质，地下水的流动是其主要的迁移方式，在此动力学过程中发生一系列的物理化学作用来完成氟的迁移富集。

从全省的角度来看，研究区东部属于黄河洪泛平原区，地形平坦，属于地下水流动系统区域的汇。而在研究区的西部，即郑州—平顶山一线以西，为山区地貌，主要由中山、低山和丘陵组成，海拔大部分为500～1500m，具有地势高、起伏大、坡度陡、水流切割剧烈等特点，属于区域的源。研究区，地势向东南缓倾斜，全区海拔较低，地面坡度一般为1/5000～1/8000。距离区域地下水的补给区有一定距离，靠近区域的汇。既不是源的特点，又不是真正汇的特点，处于中间状态。在某些微地形影响下，局部的源和汇均出现，地下水的流动比较复杂。

如果地下水水平径流条件较好，有利于氟的迁移扩散，水氟含量较低；如果水平径流滞缓，则为氟的富集提供了有利条件。研究区内的条形岗地，包括尉氏县西部岗地以及召陵岗地带，由于地形起伏大，地下水径流条件好，不利于氟的富集，故形成矿化度低的淡水；而东部广阔的黄河冲积平原，地形平缓，地下水径流缓慢，尤其是岗间的带状洼地、槽形洼地、碟形洼地等微地形、地貌，地下水流动滞缓，又属于地下水的排泄汇聚点，故易形成高氟地下水。

浅层地下水径流受地形、补给来源和含水层岩性控制，研究区西部岗地（主要分布在中牟县黄店和尉氏县大桥以西）地形起伏较大，水力坡度也较大，自西向东、东北、东南呈放射状缓慢向下游流动，水力坡度1/200～1/1000，地下水的径流相对较强，有利于氟的迁移。其他冲积平原地形平坦，地下水水力坡度上游为1/2000、下游为1/4000～1/6000，顺地面坡降由西北向东南流动，地下水的流动相当滞缓，容易造成氟的富集。

在平原区内，受微地貌和古地形的影响，往往形成局部的高氟和低氟地下水区。例如，在黄泛平原区，古河道分布较广，径流条件较好，形成局部的高渗透性透镜体，氟在地下水中的含量就比较低。而在径流条件差的闭塞低洼区，经过长期的水-岩作用，矿化度较高，促使氟向该处集中。

另外，中深层、浅层地下水之间没有绝对的隔水层，它们之间有水力联系，存在天窗，中深层、浅层之间有补排关系，区域上有地下水增压区和减压区的分布。从前面分析的结果可以得知，区域的地形地貌控制了研究区地下水流动系统，我们可以大致分辨出研究的补给区、径流区以及排泄区，在水文地质资料不全的情况下，还可以判断出区域地下水的大致流向，在周口地区，地下水是自西北流向东南。

将研究区浅层地下水、中深层地下水等水位线图叠加后，圈出了中深层地下水位高于浅层地下水位的地区以及浅层水位高于中深层地下水位的地区，如图6-7所示。

在研究区东北部通许—尉氏县一带以及太康县西部和西北部，中深层地下水位要高于浅层水水位。这时，中深层地下水可以通过断裂或含水层、弱隔水层，补给浅层地下水，与浅层地下水进行混合。我们从中深层高氟地下水分布图中可以看出，在通许—尉氏一带和太康县一带，中深层地下水主要为低氟、中氟地下水，而这两个地区的浅层水也主要为中、低氟地下水。这是因为在通许县附近发育许多大小不一的断裂，较大的断裂有姚家-朱仙镇断裂和朱仙镇-庄头断裂，在太康县附近也发育断裂，其中规模较大的断裂是鄢陵-太康大断裂，这些断裂切穿了含水层和隔水层，连通了浅层水和中深层水。具有一定压力水头的中深层水通过这些断裂上升补给浅层水，与浅层水进行混合，将浅层水进行了稀释，使浅层水中氟的浓度变小。

图6-7 区域浅层、中深层水位叠加图

在研究区的其他地区浅层水位高于中深层水位，浅层水可以通过断裂或弱透水层等，下渗补给中深层地下水，由于高氟主要是在浅表环境中的作用下形成的，研究区浅表环境中的氟含量较高，浅层地下水中的氟可以通过一些导水通道进入中深层地下水中，可能造成中深层地下水的高氟含量。