孫丹陽, 朱東波

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 環(huán)境學(xué)院,湖北 武漢 430074)

世界衛(wèi)生組織(WHO)[1]和中國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)[2]規(guī)定飲用水中砷的濃度不得高于10 μg/L,超過該標(biāo)準(zhǔn)的地下水即為高砷地下水[3]。長期飲用高砷地下水會對人體有明顯傷害,導(dǎo)致砷中毒,引起皮膚色素脫失、著色、角化及癌變[4]。根據(jù)中國地方性砷中毒分布調(diào)查結(jié)果[5],中國飲水型地方性砷中毒分布于8個省市區(qū)、40個縣旗市,大約234萬人口受到高砷地下水影響。其中,飲用水砷含量>50 μg/L的高砷暴露人口超過52萬人,而且以地處西北的內(nèi)蒙、山西、新疆、寧夏等省區(qū)飲水型砷中毒為最。為采取有效措施減少高砷地下水對這些地區(qū)人民群眾的影響,近年來中國地質(zhì)調(diào)查局在這些地區(qū)布署了多個水文地質(zhì)調(diào)查項目,系統(tǒng)開展了高砷地下水水文地質(zhì)、水化學(xué)特征、含水介質(zhì)環(huán)境及其成因機理的調(diào)查研究,發(fā)表了一批研究成果。本文以這些成果為基礎(chǔ),對中國西北地區(qū)幾個主要高砷地下水分布區(qū)的水文地質(zhì)環(huán)境進行對比,并對其成因進行分析。

1 中國西北高砷地下水產(chǎn)出分布總體特征

1.1 內(nèi)蒙古河套平原

內(nèi)蒙古河套平原高砷地下水呈東西向帶狀分布。高砷水分布在地下10～40 m的淺層潛水—半承壓水層,砷濃度變化范圍70～1 370 μg/L[6]。根據(jù)砷濃度可以進一步劃分為東、西兩個分區(qū),西部分區(qū)高砷地下水大致沿狼山山前斷裂帶呈串珠狀分布；東部分區(qū)高砷地下水大致以五原縣為中心向周圍呈面狀分布。西部串珠狀單個異常規(guī)模相對較小但異常強度高,東部面狀異常規(guī)模大但異常強度明顯下降,說明砷的分布與水文地質(zhì)條件關(guān)系密切(圖1)。

1.2 山西大同盆地

山西大同盆地高砷地下水主要沿桑干河流域山陰縣境內(nèi)分布,在約90 km(長)×6 km(寬)的范圍內(nèi)形成強烈濃集,向兩側(cè)迅速減弱(圖2)。高砷地下水主要分布在15～60 m深的淺層潛水—半承壓水層,20 m左右為砷最大濃度區(qū),少數(shù)異常分布在100～150 m的深部承壓水層。砷濃度變化范圍0.6～1 820 μg/L,高砷水井呈點狀分布,不同濃度砷含量的水井交替存在,可能反應(yīng)不同含水層砷含量的不同[7]。

1.3 新疆奎屯地區(qū)

新疆奎屯地區(qū)高砷地下水分布于天山北側(cè)河流沖積平原的低洼區(qū),從西側(cè)艾比湖向東至奎屯呈帶狀分布(圖3)。高砷地下水多分布在深層承壓含水層(200～400 m深度),砷濃度從南部高海拔區(qū)(天山山脈)向北部低海拔區(qū)(山前河流沖積平原)逐漸增加。砷濃度變化范圍2.29～400.68 μg/L,均值91.01 μg/L。從采樣結(jié)果看,全區(qū)有88.7 %的地下水砷濃度超出10 μg/L[8],高砷地下水分布十分普遍,并且分布范圍很廣,向東在石河子一帶也發(fā)現(xiàn)有高砷地下水存在,似乎與該地區(qū)的地球化學(xué)背景聯(lián)系緊密[9]。

圖1 內(nèi)蒙古河套平原高砷地下水分布圖(據(jù)文獻[6]修改)Fig.1 Distribution map of high arsenic groundwater in Hetao Plain,Inner Mongolia 1.基巖山區(qū)界限;2.政區(qū)界限;3.斷層;4.水域;5.As含量>0.3 mg/L;6.0.05mg/L>As含量>0.3 mg/L。

圖2 山西大同盆地高砷地下水分布圖(據(jù)文獻[7]修改)Fig.2 Distribution map of high arsenic groundwaterin Datong Basin,Shanxi Province

圖3 新疆奎屯地區(qū)高砷地下水分布圖(據(jù)文獻[8]修改)Fig. 3 Distribution map of high arsenic groundwater in Kuitun area,Xinjiang

1.4 寧夏銀川平原

寧夏銀川平原高砷地下水沿黃河河道自西南向東北呈面狀分布。砷主要富集在0～40 m深的淺層潛水—半承壓含水層中,砷含量變化范圍1～89 μg/L,平均值15.28 μg/L；40 m深度以下砷含量變化范圍1～35 μg/L,平均值變化于6.64～7.31 μg/L[10]?？臻g上,砷異常形成南(賀蘭縣)北(平羅縣)兩個相對獨立的中心,其中,北部異常中心無論在規(guī)模上還是砷異常強度上明顯高于南部中心(圖4)[11]。

圖4 寧夏銀川平原高砷地下水分布圖(據(jù)文獻[11]修改)Fig.4 Distribution map of high arsenic groundwater in Yinchuan Plain,Ningxi

2 西北地區(qū)高砷地下水賦存環(huán)境

2.1 氣候環(huán)境

中國西北高砷地下水分布區(qū)一致為干旱—半干旱溫帶內(nèi)陸性氣候。其中,內(nèi)蒙古河套平原年降雨量130～200 mm,蒸發(fā)量為1 900～2 500 mm[12]；年日照時間3 000 h以上,晴天率67%～73%,年平均氣溫6.1～7.6 ℃,夏季日平均溫差13～14 ℃[13]。山西大同盆地年降雨量370～420 mm,蒸發(fā)量約為2 000 mm；年日照時間2 670 h,夏季日平均溫差12～13 ℃。銀川平原年降雨量183 mm,蒸發(fā)量為1 955 mm；年日照時間3 000 h以上,夏季日平均溫差13～14 ℃。新疆奎屯地區(qū)年平均降雨量176.7 mm,平均蒸發(fā)量為1 754.8 mm；年平均日照時間2 598 h,夏季日平均溫差17～18 ℃。由此可見,干旱少雨、蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降雨量、日照時間長、溫差大是中國西北高砷地下水分布區(qū)形成的普遍氣候環(huán)境。

2.2 盆地內(nèi)部環(huán)境

廣義上講,中國西北高砷地下水區(qū)均產(chǎn)于中新生代沉積盆地內(nèi)部。但是,高砷地下水在沉積盆地內(nèi)部分布并不均勻,高砷地下水通常產(chǎn)于沉積盆地內(nèi)部的次級盆地構(gòu)造單元或盆地內(nèi)部的次級沉積凹陷區(qū),盆地周圍受到斷裂或隆起構(gòu)造單元阻隔,構(gòu)成一個局部相對封閉或半封閉的沉積洼地環(huán)境。例如,內(nèi)蒙古河套平原構(gòu)造上為一中新生代斷陷盆地,盆地周緣受斷裂構(gòu)造控制明顯(圖1)。其中,西部北緣狼山山前斷裂活動較其它部位更為強烈,導(dǎo)致斷陷盆地整體呈南高北低、東高西低不對稱箕狀盆地形態(tài)(圖5)。本區(qū)高砷地下水濃度總體西高東低、北強南弱、東西分區(qū)的分布格局很可能是此斷陷盆地局部次一級封閉—半封閉沉積凹陷的反映。

圖5 內(nèi)蒙古河套平原高砷地下水分布與盆地構(gòu)造關(guān)系圖(據(jù)文獻[6]修改)Fig.5 Relationship between distribution of high arsenic groundwater andbasin structure in Hetao Plain,Inner Mongolia1.砂礫石；2.砂；3.泥質(zhì)；4.高砷咸水；5.微咸水；6.淡水；7.斷層。

山西大同盆地山陰地區(qū)高砷地下水分布也與山陰地區(qū)的負(fù)地形洼地有關(guān)[7,14],導(dǎo)致桑干河水及盆地高砷地下水在此匯集。新疆奎屯地區(qū)南高北低的地貌格局是天山地區(qū)新構(gòu)造運動(晚第三紀(jì)上新世—第四紀(jì)早更新世末期)沿天山山前復(fù)活性大斷裂帶兩側(cè)斷塊差異隆升運動的結(jié)果[15],構(gòu)造運動導(dǎo)致南側(cè)斷塊不斷抬升形成巍峨逶迤的天山山脈,北側(cè)斷塊不斷下沉形成向北傾斜的山前洪沖積平原。本區(qū)高砷地下水產(chǎn)出分布與天山山脈北側(cè)河流洪沖積平原的低洼區(qū)一致(圖3)。寧夏銀川平原是一新生代斷陷盆地,內(nèi)部可分為黃河沖湖積平原和賀蘭山山前洪積傾斜平原兩部分。其中,銀川向北至平羅西大灘一帶是平原的沉降中心,地勢最為低洼[16],與本區(qū)高砷地下水分布范圍基本一致(圖4)。由此可見,沉積盆地內(nèi)部的次級封閉—半封閉凹陷/洼地是高砷地下水產(chǎn)出分布的有利場所。

2.3 盆地外圍環(huán)境

通過上述分析,可見高砷地下水的總體產(chǎn)出分布規(guī)律受控于盆地內(nèi)部構(gòu)造格架。然而,通過對西北地區(qū)高砷地下水產(chǎn)區(qū)外圍環(huán)境的分析,不難發(fā)現(xiàn)盆地外圍環(huán)境對高砷地下水的控制作用同樣不可忽視。其關(guān)鍵意義在于盆地外圍是否發(fā)育富砷巖層，是盆地內(nèi)部能否形成高砷地下水富集的物質(zhì)基礎(chǔ)。例如,內(nèi)蒙古河套平原的北緣狼山地區(qū)中元古代地層中賦存有一系列的海底噴流沉積塊狀硫化物礦床[17],如東升廟、甲升盤、霍疙乞等大中型銅鉛鋅礦床內(nèi)部富含豐富的砷物質(zhì)；山西大同盆地、新疆奎屯及寧夏銀川平原周邊均廣泛發(fā)育含煤地層,這些地層內(nèi)部不僅廣泛發(fā)育富砷的硫化物成分,而且介質(zhì)的還原性特征進一步有利于巖層硫化物中的吸附砷發(fā)生解吸,進入水體遷移至沉積盆地富集。由此可見,斷陷盆地周緣隆起區(qū)金屬硫化物礦床和含煤巖系的發(fā)育是西北地區(qū)高砷地下水分布區(qū)的共同特征。

2.4 含水介質(zhì)環(huán)境

從含水介質(zhì)物質(zhì)組分來看,中國西北地區(qū)高砷地下水含水層巖石組合普遍為砂質(zhì)—粉砂質(zhì)—粘土(亞粘土)組合,同時普遍富含有機組分。如,內(nèi)蒙古河套平原富含高砷地下水的10～40 m淺層潛水—半承壓水范圍巖性為粘土—粉砂—細(xì)砂組合。高砷異常區(qū)鉆孔巖芯與正常區(qū)鉆孔巖芯對比表明,高砷異常區(qū)廣泛發(fā)育灰黑色泥質(zhì)、粘土成分,并散發(fā)出強烈的硫化氫臭味[18]；山西大同盆地富含高砷地下水的10～60 m淺層潛水—半承壓水層巖性成分為沖湖積相粉砂巖—細(xì)砂巖—泥巖組合,部分地段巖層硫化氫氣味濃重[14]；新疆奎屯地區(qū)高砷地下水雖然賦存于200～400 m深的深層承壓水區(qū),但是,含水層巖性組合與淺層高砷地下水區(qū)巖性組合一致,仍然為山前洪沖積平原區(qū)的泥質(zhì)、粘土質(zhì)粉砂巖—泥巖組合；寧夏銀川平原高砷地下水主要賦存在地表之下40 m以內(nèi)的淺層潛水—半承壓水區(qū)域,其物質(zhì)組分主要為砂—粘土組合,自西南向東北,伴隨地形坡度下降,沉積物質(zhì)越來越細(xì),粘土成分越來越多。

從含水介質(zhì)氧化還原環(huán)境來看,中國西北地區(qū)高砷地下水含水介質(zhì)一致表現(xiàn)為還原性環(huán)境。關(guān)于這一點,一方面可以從上述含水介質(zhì)層物質(zhì)組分中普遍富含有機質(zhì)組分得以佐證；另一方面,近年來也得到了環(huán)境磁性礦物學(xué)和硫同位素地球化學(xué)的進一步佐證[19]。其中,環(huán)境磁性礦物學(xué)研究表明,大同盆地高砷地下水含水層沉積物中的Fe氧化物—氫氧化物成分主要為亞鐵磁性礦物(如,磁赤鐵礦(γFe2O3)和針鐵礦(αFeOOH)),砷與還原態(tài)鐵結(jié)合,形成含砷Fe氧化物—氫氧化物(如,FeOOH-As)。硫同位素地球化學(xué)研究表明,高砷地下水中δ34S[SO4]介于-2.5‰～+36.1‰之間,變化范圍大,揭示微生物活動參與了硫的地球化學(xué)循環(huán)過程。此外,微生物參與砷遷移、轉(zhuǎn)化地球化學(xué)過程也得到了沉積物中飽和烷烴的碳數(shù)分布范圍的證實(C14-C35)。

2.5 水化學(xué)環(huán)境

表1 中國西北地區(qū)高砷地下水水化學(xué)環(huán)境主要指標(biāo)一覽表Table 1 List of major index of hydrochemical environment of high arsenic groundwater in the northwestern China

2.6 高砷地下水的徑流環(huán)境

地下水的徑流條件是影響砷遷移富集的重要因素。西北主要高砷地下水聚集區(qū)具有相似的地下水徑流條件。即斷陷盆地的周邊為地形地貌隆起區(qū),地勢總體從周邊隆起區(qū)向盆地沖湖積平原區(qū)傾斜,山前洪積傾斜平原地形坡度大,含水介質(zhì)粗,孔隙度好,地下水徑流強,從周圍高砷地層中搬運而來的砷在強徑流環(huán)境下向周圍快速遷移,不易形成富集。因此,一般情況下山前洪積傾斜平原區(qū)都不是高砷異常區(qū)。隨著洪積傾斜平原向盆地沖湖積平原的轉(zhuǎn)變,地形坡度變緩,沉積拗陷加深,含水介質(zhì)層顆粒變細(xì),尤其是粘土組分增加,孔隙度變差,地下水徑流顯著變差,水位抬升,形成有利的砷富集環(huán)境。尤其是干旱氣候環(huán)境,蒸發(fā)作用強烈,促使地下水中砷含量增大。因此,高砷地下水一般都會出現(xiàn)在地下水徑流條件差的沖湖積平原環(huán)境或地下水位高、蒸發(fā)強烈的沖湖積平原排泄區(qū)。如:內(nèi)蒙古河套平原西部狼山山前沉積拗陷(圖5)、山西大同盆地山陰地區(qū)的沉積洼地(圖2)、新疆奎屯地區(qū)天山山前向北傾斜的洪沖積平原拗陷(圖3)、寧夏銀川平原東北部平羅沉積拗陷(圖4),均成為高砷地下水賦存的最有利空間部位。

3 西北地區(qū)高砷地下水成因分析

基于上述西北地區(qū)高砷地下水的空間分布特征及其賦存環(huán)境對比分析,可以將中國西北地區(qū)高砷地下水成因進行梳理。

砷的物質(zhì)來源:由上述高砷地下水分布區(qū)盆地周邊環(huán)境分析可知,盆地周緣隆起區(qū)巖層內(nèi)部賦存的多金屬硫化物礦床或含煤巖系是高砷地下水中砷的主要來源。

砷的遷移途徑:地下水補徑排構(gòu)成了含砷地下水遷移的完整系統(tǒng)。其中,盆地周緣隆起區(qū)的大氣降水、地表水及地下水在向斷陷盆地補給過程中途徑富砷的多金屬硫化物礦床或含煤巖系,通過水巖反應(yīng)萃取出礦層或煤層中的砷進入地下水,形成含砷地下水溶液。含砷地下水在途徑山前洪沖積傾斜平原過程中,由于地形坡度較大、含水介質(zhì)粒度粗、孔隙度好,導(dǎo)致地下水側(cè)向徑流強烈,水體中的砷不易在此滯留富集。相反,地下水快速通過,進入盆地內(nèi)部的沖湖積平原區(qū)。在此由于盆地沉陷加劇,含水層顆粒變細(xì),粘土質(zhì)增多,有效孔隙度降低,地下水側(cè)向徑流顯著減弱,相反,垂向交替流動顯著加強,水位抬升,形成盆內(nèi)地下水匯聚/排泄區(qū)。

砷的富集:進入?yún)R聚/排泄區(qū)的含砷地下水中的砷濃度將被不斷提升,形成高砷地下水。導(dǎo)致地下水砷富集的機理可能包含如下三個方面:

(1) 盆地拗陷區(qū)還原性含水介質(zhì)有利于地下水中砷的富集。大量的研究證實[3,6-8,11-12,19-22,24-25],含水介質(zhì)Fe-Mn氧化物—氫氧化物中的吸附砷,在還原環(huán)境下將被解吸附進入水體,促使地下水中砷濃度提升。這一點可以從本文所列舉的幾個高砷地下水區(qū)含水介質(zhì)中普遍發(fā)育有機質(zhì)地層及水化學(xué)環(huán)境一致顯示還原性特征加以佐證。

(2) 強烈的蒸發(fā)作用,導(dǎo)致地下水通過毛細(xì)管作用向上遷移蒸發(fā)排泄,促使盆地地下水補徑排構(gòu)成一個持續(xù)不斷的地下水循環(huán)系統(tǒng),并在此過程中不斷促使地下水中砷濃度提高。

(3) 微生物的還原作用加劇了高砷地下水的形成。微生物作用主要表現(xiàn)為其對含水介質(zhì)中Fe-Mn氧化物—氫氧化物的還原反應(yīng),進而實現(xiàn)將氧化環(huán)境下Fe-Mn氧化物—氫氧化物上吸附的As轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原環(huán)境下的解吸附As,進入水體形成高砷地下水。這一過程也已在山西大同盆地含水介質(zhì)微生物作用研究中得到證實。

4 結(jié)論

中國西北地區(qū)高砷地下水是氣候環(huán)境、盆地內(nèi)外環(huán)境、含水介質(zhì)環(huán)境、水化學(xué)環(huán)境和地下水徑流環(huán)境綜合作用的結(jié)果。這些地區(qū)高砷地下水具有相似的賦存環(huán)境及其形成條件,因此,對其賦存環(huán)境及成因研究具有普遍的推廣應(yīng)用價值。