原若溪王貴玲劉峰張薇曹勝偉

1)中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所,石家莊,050061;

2)自然資源部地?zé)崤c干熱巖勘查開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新中心,石家莊,050061

內(nèi)容提要:為查明冀東北地區(qū)中低溫對流型地?zé)嵯到y(tǒng)中氟的富集過程,通過對地?zé)崃黧w水化學(xué)特征和同位素?cái)?shù)據(jù)的分析,研究地?zé)崃黧w中氟的分布特征、富集規(guī)律、水化學(xué)過程及影響因素。 結(jié)果表明:研究區(qū)地?zé)崃黧wF-含量為1.36～23.83 mg/L,呈現(xiàn)北高南低的趨勢;在HCO3-—Na+和SO24-·HCO3-—Na+等Na 型水中富集程度高于HCO3-—Ca2+和HCO3-—Ca2+·Mg2+等Ca 型水;堿性環(huán)境、溫度和循環(huán)深度是影響氟離子富集的主要因素;水巖作用、含氟礦物溶解及陽離子交換作用,是控制高氟地?zé)崴瘜W(xué)特征的主要地球化學(xué)過程。 氟濃度異?？蔀閷ふ业?zé)豳Y源提供基礎(chǔ)參考線索,為地?zé)豳Y源的科學(xué)合理利用提供科學(xué)依據(jù)。

氟是人體生命必不可少的微量元素之一,是構(gòu)成牙齒和骨骼的重要元素。 飲用水中少量的氟可預(yù)防齲齒,有益牙齒健康,但氟含量高于1.5 mg/L 的飲用水,會導(dǎo)致氟斑牙等地方病。 我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)中規(guī)定的氟濃度最大限值是1 mg/L。

我國地?zé)豳Y源豐富,其中多數(shù)為中低溫對流型地?zé)豳Y源,中低溫溫泉的溫度和流量達(dá)到一定規(guī)模,就可以考慮開發(fā)利用,特別適合廣大農(nóng)村和偏遠(yuǎn)山區(qū)(王貴玲等,2000,2017;史猛等,2019; 羅璐等,2019; 李泓泉等,2020 )。 以往的地?zé)豳Y源開發(fā)利用引起了許多環(huán)境問題,如:空氣污染、地下水位下降、地面沉降及地?zé)崴_發(fā)利用后尾水處理不當(dāng)帶來的熱污染和化學(xué)污染(Guo Qinghai et al.,2008;Wen Dongguang et al.,2013;Li Junxia et al.,2017),

其中地?zé)嵛菜欧艑?dǎo)致的氟污染引起了較多學(xué)者的關(guān)注,魏曉陽等(2009)發(fā)現(xiàn)我國典型西藏羊八井地?zé)岚l(fā)電后的地?zé)崴湃腙鞍私?造成臧八江排水口下游一定區(qū)域及相鄰水域中含較高的氟等有害物質(zhì);Garrott 等(2002)發(fā)現(xiàn)美國黃石公園及其他與地?zé)峄顒酉嚓P(guān)的生態(tài)系統(tǒng)中,以地?zé)崴疄橹鞯呐潘：挟惓８叩姆?因此,研究地?zé)崴蟹膩碓础⒎植技案患?guī)律對有效合理的開發(fā)地?zé)豳Y源具有重要意義,前人就淺層地下水的氟來源及分布做了大量的工作(孫一博,2014;孔曉樂等,2018;李成城,2018)。 Chae 等(2007)認(rèn)為地下水中氟的來源主要分為地質(zhì)成因和人為原因,其中低山丘陵區(qū)的基巖中含有的云母、角閃石、磷灰石等含氟礦物的溶解是氟的主要物質(zhì)來源。 Kundu 等(2001)認(rèn)為富含氟的地殼深部熱水經(jīng)過斷層和破碎帶等通道上升是區(qū)域地下水中氟的主要來源。

冀東北地區(qū)主要是以地下水為載體的水熱型地?zé)崽餆崮芟到y(tǒng),多數(shù)以中低溫溫泉形式分布,溫泉水量大、溫度高、水質(zhì)優(yōu),含硅酸和氡等多種對人體有益的成分(張雪,2012)。 本文針對地?zé)崴衅毡榇嬖诘姆枯^高的問題,通過分析冀東北地區(qū)中低溫對流型地?zé)崴畢^(qū)域地質(zhì)條件、水化學(xué)和同位素特征,揭示氟分布特征、富集規(guī)律、水化學(xué)過程及影響因素,為合理開發(fā)利用地?zé)崴?防止高氟地?zé)崴廴酒渌w提供科學(xué)依據(jù),也為科學(xué)探索地?zé)崴梢驒C(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北省東北部燕山深山區(qū),屬于溫帶大陸性季風(fēng)型燕山山地氣候,多年平均降水量542 mm, 多年平均氣溫7.5℃。 該地區(qū)溫泉多出露于中高山區(qū)的河谷地帶及山間盆地邊緣,分布在尚義—承德斷裂以北,燕山—太行山深部構(gòu)造變異地?zé)岬刭|(zhì)區(qū),豐寧—隆化深斷裂是該地區(qū)的主要控?zé)針?gòu)造(圖1)(張雪等,2010)。

圖1 冀東北地區(qū)主要地?zé)崽锊蓸狱c(diǎn)分布圖Fig. 1 Map of the Northeastern Hebei Province showing the sampling sites in geothermal fields

目前溫泉主要開發(fā)利用方式及尾水主要化學(xué)成分見表1,大部分地?zé)釓U水沒有經(jīng)過處理,直接排放至附近溝渠與河流中。

表1 冀東北地區(qū)溫泉開發(fā)利用現(xiàn)狀Table 1 Utilization of hot springs in Northeastern Hebei Province

研究區(qū)溫泉大部分分布于中生代火成巖及太古宇片麻巖出露地區(qū),少量出露在灰?guī)r區(qū)及新生界沉降區(qū)松散堆積物中。 出露地區(qū)巖性主要為:中細(xì)?；◢弾r、流紋巖、石英正長斑巖、中細(xì)粒二長花崗巖、黑云母角閃片麻巖、花崗閃長巖、角礫凝灰?guī)r、砂礫巖、安山巖和含燧石條帶白云巖等。

筆者等選取了4 個(gè)典型地?zé)崽?分別為:豐寧縣洪湯寺地?zé)崽?、灤平縣金山嶺地?zé)崽?、隆化縣七家地?zé)崽锖吐』h茅荊壩地?zé)崽锊⒗L制1 ∶20 萬地?zé)岬刭|(zhì)簡圖(圖2),4個(gè)地?zé)崽锎砹搜芯繀^(qū)溫泉整體出露情況。 其中:金山嶺地?zé)崽锾尤?圖2b)南側(cè)出露地層為中元古界霧迷山組地層,巖性主要為含燧石條帶白云巖,西側(cè)山體為花崗巖體,在花崗巖侵入過程中,南側(cè)中元古界地層受擠壓變形,構(gòu)造裂隙及巖溶裂隙十分發(fā)育,形成良好的導(dǎo)水通道。 七家地?zé)崽?圖2c)溫泉水出露于侏羅系的流紋質(zhì)角礫巖裂隙中,茅荊壩地?zé)崽?圖2c)溫泉水周圍基巖由花崗片麻巖、混合巖、花崗巖、花崗閃長巖、安山巖、凝灰角礫巖及流紋巖組成。 洪湯寺地?zé)崽?圖2a)楊樹溝地?zé)峋疅崴雎队诨◢忛W長巖、中粒細(xì)粒二長花崗巖和黑云角閃片麻巖地區(qū)。

圖2 冀東北地區(qū)豐寧縣洪湯寺地?zé)崽锏刭|(zhì)圖(a,據(jù)1 ∶20 萬豐寧幅地質(zhì)圖修改)、灤平縣金山嶺地?zé)崽锏刭|(zhì)圖(b,據(jù)1 ∶20 萬興隆幅地質(zhì)圖修改)和隆化縣七家地?zé)崽锖兔┣G壩地?zé)崽锏刭|(zhì)圖(c,據(jù)1 ∶20 萬平泉幅、喀喇沁旗幅地質(zhì)圖修改)Fig. 2 Simplified geology map of Hongtangsi geothermal field in Fengning County, Northeastern Hebei (a,modified from the 1/200,000 Regional Geological Report of Fengning Area); simplified geology map of Jinshanling geothermal field in Luanping County(b,modified from the 1/200,000 Regional Geological Report of Xinglong Area);simplified geology map of Qijia and Maojingba geothermal field in Longhua County ( c, modified from the 1/200, 000 Regional Geological Report of Pingquan and Kalaqinqi Area)

研究區(qū)發(fā)育3 類含水巖組:碎屑巖裂隙孔隙水含水巖組、碳酸鹽巖類裂隙溶洞水含水巖組及基巖裂隙水含水巖組,地層富水性較弱,以風(fēng)化裂隙水為主。 研究區(qū)褶皺、斷裂構(gòu)造發(fā)育,構(gòu)造展布方向以NE、EW 向?yàn)橹?NW、SN 向次之。 燕山旋回表現(xiàn)強(qiáng)烈,同時(shí)伴有大規(guī)?；鹕綆r侵入及噴發(fā),主要斷裂帶為康保-圍場深斷裂和豐寧-隆化深斷裂(圖1),這些深大斷裂是熱流體上升的快速通道,并對地?zé)崃黧w起控制作用。

1.2 樣品采集與測試

本次工作主要針對冀東北地區(qū)10 個(gè)地?zé)崽锇?圍場縣山灣子地?zé)崽?、隆化縣湯泉溝地?zé)崽铩⒙』h漠河溝地?zé)崽?、隆化縣唐三營地?zé)崽铩⑵呒业責(zé)崽?、茅荊壩地?zé)崽铩⒊械驴h頭溝行宮地?zé)崽?、洪湯寺地?zé)崽?、平泉縣二泉地?zé)崽铩⒔鹕綆X地?zé)崽铩?現(xiàn)場采集地?zé)崃黧w樣品26 組,淺層地下水19 組,共計(jì)45 件樣品,測試結(jié)果見表2(其中,淺層地下水樣品選取有代表性的3 組)。 地?zé)崃黧w采樣位置分布圖見圖1。

表2 冀東北地區(qū)水樣品主要水化學(xué)數(shù)據(jù)Table 2 Major ions of water samples from Northeastern Hebei

采樣瓶為500mL 的聚乙烯瓶,在采樣前先用去離子水清洗3 次,再用待采水樣潤洗3 次,采樣時(shí)確保采集的水樣充滿采樣瓶。 地下水采樣前先抽水3 min 左右,每個(gè)采樣點(diǎn)采集5 瓶樣品,樣品采集后存于4℃環(huán)境中保存并于2 周內(nèi)完成測試。 水溫、pH值在現(xiàn)場測定,水化學(xué)分析均在自然資源部地下水礦泉水及環(huán)境監(jiān)測中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,水樣K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、、NO3-、F-采用液相離子色譜(ICS-2100,Dionex,美國)進(jìn)行分析,HCO3-和CO32-采樣雙指示劑滴定法滴定,所有水樣進(jìn)行陰陽離子平衡驗(yàn)證,保證可信的誤差范圍在5%以內(nèi)。

2 結(jié)果與討論

2.1 水化學(xué)特征

研究區(qū)除二泉地?zé)崽锖徒鹕綆X地?zé)崽镏械膬蓚€(gè)溫泉陽離子以Ca2+、Mg2+離子為主,其他地?zé)崽镪栯x子均以Na+為主,陰離子主要為HCO3-和。 二泉地?zé)崽锖徒鹕綆X地?zé)崽锼瘜W(xué)類型為HCO3-—Ca2+·Mg2+和周邊淺層地下水水化學(xué)類型相似,筆者等考慮主要原因?yàn)?溫泉出露地層為中元古界霧迷山組,巖性為白云巖和燧石條帶白云巖(圖3),大氣降水及補(bǔ)給來的地下水匯集到霧迷山組地層中,在該地層中沿裂隙運(yùn)移受到燕山期花崗巖阻滯,向上涌出,形成泉水。

圖3 金山嶺地?zé)崽锾尤刭|(zhì)剖面圖(圖例參考圖2)Fig. 3 Geological profile of Taizi spring in Jinshanling geothermal field ( Legends the same to Fig. 2)

地下水中F-含量與水化學(xué)類型密切相關(guān),每種類型的水中的F-濃度都不同。 HCO3-—Na+型水顯示出最高的F-濃度為23.83 mg/L(平均值= 20.38 mg/L;中位數(shù)= 22.2 mg/L),HCO3-—Ca2+型水顯示出最低的F-濃度0.19 mg/L(平均值=0.37 mg/L;中位數(shù)=0.34 mg/L)。 F-質(zhì)量濃度在不同水化學(xué)類型之間表現(xiàn)為:HCO3-—Na+>·HCO3-—Na+>HCO3-—Ca2+·Mg2+>HCO3-—Ca2+(圖4b)。

圖4 冀東北地區(qū)水化學(xué)Piper 三線圖(a)和箱圖(b)Fig. 4 Piper diagram (a)and box diagram(b)of water samples in Northeastern Hebei

Gibbs(1970)報(bào)道的散點(diǎn)圖方法說明了控制地下水主要離子化學(xué)的三個(gè)重要自然機(jī)制,包括水—巖相互作用,蒸發(fā)和大氣降水。 研究區(qū)TDS 濃度與陽離子質(zhì)量濃度比值——[ρ(Na+)/ρ(Na+) +ρ(Ca2+)]和[ρ(Cl-)/ρ(Cl-)+ρ(HCO3-)]見圖5,幾乎所有樣品點(diǎn)在巖石風(fēng)化控制區(qū),說明研究區(qū)水樣化學(xué)組分主要受到巖石風(fēng)化的影響,巖石風(fēng)化是這些地區(qū)的主要地球化學(xué)過程,地下熱水在循環(huán)過程中與圍巖發(fā)生了水巖作用。

圖5 冀東北地區(qū)水化學(xué)樣品陰陽離子Gibbs 圖Fig. 5 Gibbs diagram of water samples from Northeastern Hebei

2.2 F-分布與富集特征

2.2.1F-分布特征

F-總是以化合物或絡(luò)合物的形式與其它物質(zhì)共存于土壤或水體中,研究其與其它離子的關(guān)系對于分析高氟地?zé)崴男纬蓹C(jī)理具有決定性意義。 研究區(qū)氟的濃度范圍為:1.36 ～23.83 mg/L,全部超過國家飲用水規(guī)定的1.0 mg/L 的限值,超標(biāo)率為100%。研究區(qū)10 個(gè)主要地?zé)崽镏?8 個(gè)地?zé)崽锓扛哂?.0 mg/L,占地?zé)崽锟倲?shù)的80%,其中山灣子地?zé)崽?、湯泉溝地?zé)崽镏械姆鷿舛瘸^了15 mg/L,氟富集現(xiàn)象明顯。

2.2.2 F-富集水化學(xué)過程

2.2.2.1 F-與其他離子相關(guān)關(guān)系

由圖4 可知高氟地?zé)崴ǔＪ歉缓琋a+、HCO3-且pH 值偏堿性,這些離子對F-的富集起積極作用,F-與Na+在0.01 水平下,顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)0.657,隨著Na+濃度增加,地?zé)崴械腇-含量明顯增加(圖6f)。 F-與Ca2+呈現(xiàn)顯著相關(guān)關(guān)系,在0.01 水平下,相關(guān)系數(shù)達(dá)到-0.751(表3),隨著Ca2+濃度增加,地?zé)崴械腇-含量明顯減少(圖6a)。 較高的Ca2+促進(jìn)了螢石的析出,限制了地下水中氟的含量,有利于吸附(Li Chengcheng et al.,2015)。前人研究也表明,從富鈣地下水到富鈉地下水的變化導(dǎo)致礦物相中的更多F-溶解到水溶液中(Handa,1975; Gao Xubo et al.,2007)。

高氟地?zé)崴膒H 值普遍大于7 處于弱堿性,Ghiglieri 等(2010)發(fā)現(xiàn)F-濃度與pH 值之間有很好的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)達(dá)到96%。 研究區(qū)F-含量與pH 值和HCO3-呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系(圖6b、d),在0.05 水平下,相關(guān)系數(shù)為0.466 和0.414(表3)。 堿性條件有利于F-從沉積物中解吸,OH-的增加,易與陽離子形成沉淀析出,使得F-釋放到水中(Jacks et al.,2005)。 另外F-與OH-帶有相同的電荷數(shù),離子質(zhì)量和離子半徑及物理化學(xué)性質(zhì)也相似,游離的OH-可以代替圍巖礦物或黏土礦物表面吸附的F-,使得水中的F-含量增高(歐浩等,2019),偏堿性地?zé)崴锌砂l(fā)生如下反應(yīng):

由研究區(qū)冷熱水樣品對比可以看出,熱水樣品F-濃度均高于冷水樣品,由于溫度升高,圍巖中含氟礦物溶解度增加,使得氟活性增強(qiáng),吸附在圍巖礦物或黏土礦物表面的F-會轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x態(tài)(孫紅麗等,2015)。 F-濃度隨溫度升高有增加的趨勢(圖6c),氟含量高地區(qū),地?zé)犸@示較明顯,地表溫度出露高于80℃的茅荊壩地?zé)崽?、山灣子地?zé)崽?、七家地?zé)崽锞尸F(xiàn)較高程度的氟富集,在一定程度上,氟含量是地下熱水溫度的函數(shù)。

圖6 冀東北地區(qū)水化學(xué)樣品F-與Ca2+、、溫度、pH、TDS 及Na+相關(guān)關(guān)系Fig. 6 Correlation between F-and Ca2+,,temperature, pH, TDS and Na+of the water samples from northeastern Hebei

2.2.2.2 溶解沉淀作用

地?zé)崴械姆鷣碓炊鄻忧覐?fù)雜,主要與含氟礦物如火成巖,黑云母,角閃石,氟磷灰石、云母和螢石的溶解有關(guān)(Forsten et al.,1972)。 長期的水—巖相互作用可能導(dǎo)致F-從含氟礦物中釋放出來,其濃度通常與水巖相互作用的程度成正比。 通常螢石的溶解被認(rèn)為是地下水中氟的主要來源,尤其是花崗巖地形中。 利用PHREEQC 地球化學(xué)模擬軟件,分別計(jì)算研究區(qū)螢石和方解石飽和指數(shù)(SI),并繪制了F-與螢石和方解石飽和指數(shù)之間相關(guān)關(guān)系圖(圖7)。

由圖7 可知,研究區(qū)螢石飽和指數(shù)普遍小于0,方解石飽和指數(shù)普遍大于0,說明螢石的溶解是一個(gè)持續(xù)的過程,F-與螢石飽和指數(shù)呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系(圖7a),說明F-主要來源于螢石的溶解,隨著螢石的溶解F-濃度會不斷增大,增大的F-濃度會反過來抑制螢石的溶解。 由圖7c 可知,大多數(shù)地?zé)崴畼悠分蟹浇馐幱陲柡蜖顟B(tài),螢石處于未飽和狀態(tài),螢石持續(xù)溶解會導(dǎo)致水中F-濃度升高。

圖7 冀東北地區(qū)水化學(xué)樣品 F-與螢石(a)和方解石(b)飽和指數(shù)關(guān)系圖; 螢石與方解石飽和指數(shù)關(guān)系圖(c)Fig. 7 F-saturation index vs. fluorite (a) and calcite (b) saturation index; calcite saturation index vs. fluorite saturation index (c) of the water samples from Northeastern Hebei

2.2.2.3 陽離子交換作用

F-濃度的增加與陽離子交替吸附有關(guān)(虞嵐,2007)。 地?zé)崴蠧a2+與Na+交換是水化學(xué)演化過程中很重要的陽離子交換過程。 研究區(qū)Na+和Ca2+呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(表3),在0.01 水平下,顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.766,證實(shí)兩個(gè)離子之間存在交替吸附關(guān)系,Ca2+的吸附親和力大于Na+,這個(gè)過程可以表示為:

表3 冀東北地區(qū)水化學(xué)樣品中不同離子相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients of different ions in the water samples from northeasternn Hebei

Ca2+與Na+交換有利于F-富集,陽離子交換得到了堿交換(IBE)的兩個(gè)指數(shù)的支持,即氯堿CAI1和CAI2(Scholler et al.,1967),具體計(jì)算公式如下:

ρ(Cl-)為 Cl-的質(zhì)量濃度,單位為 mg/L; 余類同。

如果水中溶解的Na+和K+與巖石中吸附的Mg2+和Ca2+之間發(fā)生離子交換過程,則該指數(shù)為正,若交換按相反順序進(jìn)行,則為負(fù)。 圖8(a)顯示了CAl1 對CAl2 的散點(diǎn)圖,全部地?zé)崴畼悠凤@示兩個(gè)指數(shù)均為負(fù)值,表明Na+與地下水中Ca2+的陽離子交換在整個(gè)區(qū)域都存在。

也有學(xué)者通過γ(Na+)/[γ(Na+)+γ(Ca2+)]值判斷Ca2+與Na+的交換作用,γ(Na+)為Na+的毫克當(dāng)量濃度(meq/L)(注:某離子的毫克當(dāng)量濃度指以mmol/L 為單位的物質(zhì)的量濃度乘以該離子的電荷數(shù))。 如果γ(Na+)/[γ(Na+)+γ(Ca2+)]的值越接近1,說明水中陽離子以Na+離子為主,Ca2+和Na+的交換作用越強(qiáng)。 圖8(b)可以看出大部分地?zé)崴畼应?Na+)/[γ(Na+)+γ(Ca2+)]大于0.8,F-濃度與γ(Na+)/[γ(Na+)+γ(Ca2+)]呈正相關(guān),說明Ca2+與 Na+的交換作用越強(qiáng)越有利于氟富集。

圖8 冀東北地區(qū)水化學(xué)樣品CAI1 和CAI2 相關(guān)關(guān)系(a);F-與關(guān)系(b)Fig. 8 Correlation betweenCAI1 andCAI2 (a); relationship between F-andof the water samples from northeastern Hebei(b)

2.3 F-與氫氧同位素特征

研究區(qū)地?zé)崴腄V-SMOW和δ18OV-SMOW值范圍分別為-76‰ ～-97‰、-10.6‰ ～13.3‰,均值為-87.41‰和-11.98‰。 淺層地下水δDV-SMOW和δ18OV-SMOW值為-70‰和-9.9‰。

由圖9 可知,地?zé)崴蜏\層地下水均位于全球大氣降水線(GMWL)(Craig et al.,1961)和當(dāng)?shù)卮髿饨邓€(LMWL)附近(劉元章等,2016)。 說明這些水體都是來自大氣降水補(bǔ)給,地下熱水是大氣降水成因類型。

圖9 冀東北地區(qū)水樣δD 和δ18O 分布特征Fig. 9 Relationship betweenδD andδ18O of water samples from Northeastern Hebei

地?zé)崴臍溲跬凰刂稻陀诋?dāng)?shù)販\層地下水,地下熱水氫氧同位素的貧化與本身補(bǔ)給水源遷移和循環(huán)有關(guān)系。 地下水滲入地殼越深,水溫越高,深循環(huán)流經(jīng)的途徑越長,其氫、氧同位素值降低的越多,這是因?yàn)橥凰刭|(zhì)量差異引起的物理化學(xué)過程。研究區(qū)氫、氧同位素未見明顯氧漂移,大氣降水經(jīng)過地下循環(huán)會與圍巖發(fā)生同位素交換,也會導(dǎo)致同位素值下降,但交換影響不明顯。

高氟水主要集中在同位素更低的水中,由于循環(huán)路徑較長,與巖土發(fā)生長時(shí)間的相互作用,從而使得氟含量較高,高氟地下水接受補(bǔ)給時(shí)期稍早于低氟地下水。

2.4 F-與熱儲溫度及循環(huán)深度

圖10 冀東北地區(qū)水化學(xué)樣品lg[ρ(SiO2)/(mg/L)]對比圖Fig. 10comparison chart of the water samples from northeastern Hebei

熱水的循環(huán)深度計(jì)算公式如下:其中G為地溫梯度,本文取值0.03 km/℃;Z0為常溫帶深度,本文取值30 m;t0為補(bǔ)給區(qū)多年平均氣溫,本文取值7.5 ℃;Z為地下水循環(huán)深度;tz為地下熱儲溫度(汪集旸等,1993;袁利娟等,2020)。

研究區(qū)不同地?zé)崽餆醿囟仍?0 ～120 ℃之間,熱水循環(huán)深度在1000～4000 m 之間,略有差異。以茅荊壩地?zé)崽餅槔?淺部熱儲熱水循環(huán)深度介于2469～2651 m,平均值為2588 m,氟含量6.68～8.58 mg/L,平均值7.9 mg/L;深部熱儲熱水循環(huán)深度介于3646 ～4055 m,平均值為3803 m,氟含量12.34 ～14.33 mg/L,平均值13 mg/L。 同一地?zé)崽?熱水循環(huán)深度越深,水巖作用時(shí)間越長,地?zé)崴蟹吭礁?高氟指示地?zé)崴^深的循環(huán)路徑。

3 結(jié)論

本文通過分析冀東北地區(qū)水文地質(zhì)情況、水化學(xué)特征、F-分布特征及氫氧同位素特征,確定了冀東北地區(qū)地?zé)崴蟹母患^程,具體結(jié)論如下:

(1)冀東北地區(qū)10 個(gè)主要地?zé)崽镏?地下熱水氟含量的范圍1.36～23.83 mg/L,大體呈現(xiàn)北高南低的趨勢。 熱水溫度與F-含量呈線性相關(guān),氟含量高的地區(qū)指示較高的地?zé)犸@示,地表出露溫度較高。 氟在偏堿性的環(huán)境中較偏酸性的環(huán)境更容易富集,水化學(xué)類型為—Na+型水對氟的富集起積極作用,HCO3-—Ca2+不利于氟的富集和遷移。

(2)水巖作用、含氟礦物溶解及陽離子交換作用,是控制高氟地?zé)崴瘜W(xué)特征的主要地球化學(xué)過程。 方解石沉淀后從溶液中去除Ca2+,導(dǎo)致含氟礦物(如螢石、氟磷灰石等)進(jìn)一步溶解。 陽離子交換作用通過將富鈣地下水轉(zhuǎn)化為富鈉的地下水,促進(jìn)氟離子釋放。

(3)氫、氧同位素?cái)?shù)據(jù)表明研究區(qū)水來源于大氣降水,高氟地?zé)崴邮艿难a(bǔ)給時(shí)期稍早于低氟地?zé)崴袄渌?玉髓溫標(biāo)顯示研究區(qū)熱儲溫度在40～120 ℃之間,熱水循環(huán)深度在1000～4000 m 之間,高氟地?zé)崴h(huán)深度較深,水巖作用更充分。 氟濃度異?？蔀閷ふ业?zé)豳Y源提供基礎(chǔ)參考線索,對探索地?zé)崴梢驒C(jī)制具有重要意義。