中国鄂尔多斯盆地西北部地下水氟化物水文地球化学特征、驱动因素及健康风险评估

本研究针对鄂尔多斯盆地西北部多层含水层系统中地下水氟(F-)污染问题，通过94组水样分析揭示了Na-Cl/Na-SO4型水化学特征及42%样品超标现象，阐明氟富集受氟矿物溶解、竞争吸附等多重机制控制，结合WQI指数与蒙特卡洛模拟证实儿童健康风险显著。为干旱区高氟地下水治理提供科学依据。

　　

在全球干旱半干旱地区，地下水氟污染已成为威胁2亿人健康的重大环境问题。中国北方鄂尔多斯盆地作为重要能源基地，其西北部多层含水层系统长期供应居民生活用水，但近年来地下水氟化物超标现象频发，导致骨骼氟中毒等疾病。这一现象与区域特殊地质背景密切相关——盆地内富含煤系地层和碳酸盐岩含水层，氟磷灰石、萤石等矿物的风化溶解可能持续释放氟离子，而人类活动如采矿作业进一步加剧了水文地球化学过程的复杂性。尽管前人研究已关注到高氟地下水的空间分布规律，但对多层含水层系统中氟的迁移转化机制及其健康风险仍缺乏系统认知。

针对这一科学问题，内蒙古工业大学资源与环境工程学院的研究团队在《Geomechanics for Energy and the Environment》发表了创新性研究成果。该研究历时12年（2011-2023年），采集了94组来自第四系含水层(Qa)、二叠系砂岩含水层(9#sa)、石炭系砂岩含水层(16#sa)和奥陶系灰岩含水层(Ola)的地下水样品，综合运用水化学分析、饱和指数计算(SI)、主成分分析(PCA)和蒙特卡洛概率模型等方法，首次系统揭示了该区域高氟地下水的形成机制与健康风险格局。

关键方法学

研究采用ICP-AES和离子色谱分别测定主要阳离子(K⁺+Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺)和阴离子(Cl^-、SO₄^2-、F^-)，通过PHREEQC软件计算萤石等矿物的饱和指数，运用SPSS进行Pearson相关性分析和PCA降维，并基于美国EPA健康风险模型结合10,000次蒙特卡洛模拟评估不同人群非致癌风险。

主要发现

1. 水化学特征

   数据显示所有含水层均呈中性-弱碱性(pH 6.68-8.93)，TDS均值达3157-3448 mg/L（83.6%样品超WHO标准），水化学类型以Na-Cl和Na-SO₄为主。值得注意的是，9#sa和16#sa氟浓度最高（分别达4.20 mg/L和3.63 mg/L），超标率42%，显著高于Ola的1.60 mg/L上限。

2. 控制机制

   Gibbs图解揭示蒸发-结晶和岩石风化是主导过程。离子比值证实硅酸盐风化（如钠长石溶解：NaAlSi₃O₈+CO₂+H₂O→Na⁺+HCO₃^-）与蒸发岩（石膏、岩盐）溶解共同控制水化学组成。PCA分析提取出两个主成分（累计方差63.6%），其中PC1关联TDS、Na⁺+K⁺等参数，反映水-岩相互作用；PC2与pH、HCO₃^-负相关，指示碱性环境促进氟释放。

3. 氟富集机制

   研究提出四重驱动模型：① 萤石(CaF₂)溶解的直接贡献，SI计算显示所有样品对萤石均未饱和（SI<0）；② 碳酸盐矿物（方解石、白云石）沉淀降低Ca²⁺活度，打破CaF₂溶解平衡；③ 阳离子交换（CAI指数证实）使Na⁺置换吸附态Ca²⁺，进一步降低Ca²⁺浓度；④ HCO₃^-竞争吸附（r=0.41）促使氟从黏土矿物表面解吸。

4. 健康风险

   WQI评估显示9#sa和16#sa57.1%样品水质"极差"。蒙特卡洛模拟表明儿童非致癌风险(HI>1)概率高达67.0%，显著高于女性(40.5%)和男性(15.7%)，主因儿童较低体重(15-20kg)与较高饮水摄入量(1.5L/d)。

科学价值与实践意义

该研究创新性构建了"矿物溶解-地球化学过程-健康风险"的完整认知链条，揭示煤系地层砂岩含水层是氟污染高风险区。成果为鄂尔多斯盆地地下水安全开采提供三方面指导：① 建议优先开发Ola含水层（WQI<50）；② 在9#sa/16#sa分布区推广活性氧化铝除氟技术；③ 建立儿童重点防护机制。研究提出的多层含水层系统氟迁移模型，对全球类似地质背景区（如印度恒河平原、东非裂谷带）的高氟地下水治理具有借鉴价值。未来研究可结合同位素示踪(δ¹⁸O-δ²H)进一步解析氟的源汇关系，并评估采矿活动对地下水化学的长期影响。