新疆喀什地区地下水碘的分布特征及成因分析

研究区地下水pH值范围在6.4 —8.7，整体呈弱碱性；地下水中阳离子以Na+和Ca2+为主，阴离子以SO42−和Cl−为主（表1）。水样中TDS为214.0—14548.0 mg·L−1，均值为2725.7 mg·L−1。在潜水中淡水（TDS

300 μg·L−1）4组水样，潜水中缺碘水、适碘水、高碘水和超高碘水占比分别为88.2%、9.2%、1.3%和1.3%，浅层承压水中缺碘水、适碘水、高碘水和超高碘水占比分别为69.2%、20.5%、6.4%和3.9%，深层承压水中缺碘水、适碘水和高碘水占比分别为62.1%、34.5%和3.4%。综上所述，喀什地区地下水缺碘水和适碘水所占比重较大，部分地下水为高碘水和超高碘水。从缺碘水来看潜水占比均高于承压水，从高碘水和超高碘水来看潜水占比低于承压水，表明潜水中碘对人体健康存在潜在危险，承压水更利于碘的富集。

从Piper三线图（图2）中可以看出，研究区I−含量不同其水化学环境也有差异，缺碘区地下水化学类型以SO4·Cl-Na·Ca·Mg（18.0%）和SO4·Cl-Na·Ca（13.7%）为主，适碘区地下水化学类型主要为SO4·Cl-Na·Ca·Mg型（24.2%），高碘区地下水化学类型主要以SO4·Cl-Na（50.0%）和SO4·Cl-Na·Ca型（33.3%）为主，超高碘区地下水化学类型主要为SO4·Cl-Na型（25.0%）。随着碘含量的增加，地下水中Ca2+和Mg2+减少，是因为蒸发浓缩作用使溶解度小的钙、镁等重碳酸盐在水中达到饱和而率先析出。

采用MAPGIS软件绘制潜水、浅层承压水和深层承压水中I−含量空间分区图来分析碘的水平分布特征，潜水中大部分为缺碘水（图3a），喀什噶尔河流域平原区中下游和英吉沙县西部等部分区域为适碘水，极少数为高碘水和超高碘水；浅层承压水中高碘水和超高碘水主要分布在巴楚县北部、喀什市西南部、英吉沙县东部，缺碘水分布在伽师县中部、莎车县东部、麦盖提县东北部，其余为适碘水（图3b）；深层承压水中碘的分布呈现分带性，缺碘水主要分布在喀什噶尔河流域和叶尔羌河流域上部，而适碘水分布在其下部，另有少量高碘水分布（图3c）。

从研究区井深与I−含量关系（图4）可以看出，地下水水样的井深越大，高碘水和超高碘水所占比例越小，大多数水样的井深都150 μg·L−1，其中，有8组水样为浅层承压水，2组为潜水，1组为深层承压水。浅层承压水中的高碘水和超高碘水远多于深层承压水，降雨的冲刷淋滤作用可使表层土壤中的碘随着地下水垂直运动作用下渗至浅层承压水中，最终使浅层地下水I−浓度较高[21]。高碘水和超高碘水垂向分布为浅层承压水>潜水>深层承压水。

选取研究区地下水11项指标运用SPSS软件对183组水样进行因子分析，采用主成分分析分别提取出公共因子3个（F1、F2和F3），并利用最大方差法计算旋转因子载荷。碘在F1、F2和F3中载荷分别为0.733、-0.307和-0.235，表明因子F1对碘富集影响较大。

从旋转因子载荷矩阵（表2）可以看出，F1中因子载荷较高的指标为TDS、SO42−、Ca2+、Mg2+、Na+、Cl−和I−，均与F1呈正相关，且7个指标在主因子F1上的载荷均>0.75（强相关），F1因子贡献率为53.366%。地下水中的Ca2+、Mg2+主要来源于含钙镁碳酸盐的溶解，SO42−主要来源于石膏等硫酸盐的溶解，Na+和Cl−主要来源于岩盐的溶解[22]，另外，当地下水位埋藏较浅时，在强烈的蒸发作用下，易形成高TDS水有利于碘的富集（图5a）。

F2中因子载荷较高的指标为HCO3−、pH和Eh，当I−含量大于150 μg·L−1时，I−随着HCO3−增大有减少趋势（图5b），表明HCO3−对I−含量的影响较大，一方面HCO3−主要来源于如方解石和白云石等含碳酸盐矿物的风化溶解；另一方面HCO3−和I−在沉积物上有竞争吸附作用[23]。研究区地下水呈中至弱碱性，pH大致范围为6.39—9.93，而高碘和超高碘地下水pH范围大约在6.48—7.79之间（图5c），说明pH在控制地下水系统中碘的分布方面有非常重要的作用，在弱碱性条件下，黏土和铁氧化物表面带有负电荷，负电荷和I−相斥，使得地下水中I−含量增加 [24]。样品的氧化还原电位为−69—260 mV（图5d），表现出弱还原状态（−50—70 mV）和氧化状态（>70 mV）。在氧化条件下，碘形态以IO3−为主，还伴有一定量的I−[25]。在还原条件下，IO3−被还原为I−，导致I−在地下水中富集[26]。

F3中因子载荷较高的指标为Fe，Fe对I−含量也有影响（图5e），在还原环境中，溶解性增强，伴随着铁氧化物的还原性溶解，赋存在其表面的I−也会进入地下水中[12]。

研究区有着较大的蒸降比，使得地下水通过入渗－蒸发的垂向交替运动促使碘富集。山前冲洪积平原，含水层岩性为砂砾石或粗砂，地势起伏显著，水力梯度较大，碘容易迁移，因此，多为缺碘水或适碘水[27]。中下游河流冲积平原，含水层岩性为细沙、黏土与亚砂土两层，地势较为平缓，地下径流迟缓，水力梯度相对较小，减缓了地下水中碘的移运，使地下水中碘得到富集。

Gibbs图可以定性判断大气降水、岩石溶滤和蒸发浓缩对水化学组分的影响程度[28]，当TDS值较小且阴阳离子以HCO3−和Ca2+为主，表明主要受岩石溶滤作用；当TDS以及Cl−、Na+较高时，表明主要受蒸发浓缩作用[29]，由图6可看出，TDS集中在110—10000 mg·L−1，γNa+/γ（Na++Ca2+）集中在0.2—0.9，而γCl−/γ（Cl−+HCO3−）集中在0.2—1.0，主要分布在图形的中部以及右上方，表明蒸发浓缩和岩石溶滤对水化学组分影响较大。大多数缺碘水和部分适碘水主要位于山前倾斜平原补给区，受到岩石溶滤作用，该区域径流条件较好，蒸发较弱，易形成以溶滤作用为主的低TDS水，地下水中的I−在溶滤作用下溶滤淋失，使得该区域碘含量较少。而高碘水和超高碘水主要位于细土平原蒸发区，受到蒸发浓缩作用，研究区蒸发极限一般为地下水埋深5 m左右[30]，该区11个高碘水和超高碘水水样中有7个样点地下水埋深小于5 m，直接受到蒸发浓缩作用的影响；4个样点地下水埋深介于5—10 m之间，降雨或农业灌溉使得埋深较浅、易受蒸发浓缩作用的潜水垂直下渗，间接影响埋深为5—10 m的地下水化学组分的形成，地下水中的I−在蒸发浓缩作用下易于富集。部分采样点落在Gibbs图之外，可能还受到阳离子交换作用的影响。

矿物饱和指数可判别矿物溶解或沉淀趋势，当水中矿物SI0时，水溶液处于饱和（矿物沉淀），当SI=0时，水溶液处于平衡[31]。运用PHREEQC软件计算矿物饱和指数可知（表3），方解石、白云石的SI范围分布为−0.77—1.94、−1.63—3.62，SI值大于0的水样占比均为90.7%，白云石和方解石难溶于水，但当地下水中有CO2时，有一定量的矿物会溶于水[32]，使得地下水中Ca2+、Mg2+含量增加；当有盐类参与时，碘的吸附作用按K+>Na+>Mg2+>Ca2+和SO42−>Cl−的顺序逐步增强，随着Mg2+和Ca2+含量的增加，碘的吸附作用减弱，解吸作用增强[26]。研究区白云石和方解石发生沉淀，Mg2+和Ca2+相应减少，碘的解吸作用减弱，碘含量减少。石膏、岩盐的SI范围分布为 −1.93— −0.01和−8.36— −3.42其SI值皆小于0，说明石膏和岩盐处于溶解状态，矿物发生溶解，有利于地下水中碘的增加。

当γ（Ca2++Mg2+-SO42−-HCO3−）与γ（Na+-Cl−）的比值接近−1，表示发生了阳离子交换作用 [33]。由（图7a）可以看出潜水直线斜率为-0.88，R2=0.94；浅层承压水直线斜率为−1.01，R2=0.87；深层承压水直线斜率为−0.91，R2=0.88，说明研究区水样阳离子交换强弱为浅层承压水>深层承压水>潜水，因为承压含水层的地下水动力条件差，沉积物颗粒较细，使得阳离子交换更加明显。

利用氯碱指数（CAI-1和CAI-2）进一步分析阳离子交换作用发生的强度和方向[22]，若（CAI-1和CAI-2）均为负值，表明地下水中Ca2+、Mg2+与颗粒物上的Na+发生离子交换，使得地下水中Na+含量升高，Ca2+、Mg2+含量降低[34]；若两者均为正值，则反之。如（图7b）所示，绝大部分采样点CAI-1和CAI-2 均小于0，表明发生了反向阳离子交换作用，氯碱指数减小，阳离子交换作用增强，I−含量增加。