朱伯萬,潘永敏,陸 彥

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇 南京 210018)

長江南京段沉積物元素特征及地球化學(xué)意義

朱伯萬,潘永敏,陸 彥

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院,江蘇 南京 210018)

采集了長江南京八卦洲段懸浮物、漫灘柱狀沉積物和表層沉積物樣品 ,分析了 Al、Fe、Mn、Hg、Ni、Cr、Cu、Pb、Cd、Co、Zn含量。結(jié)果表明,柱狀沉積物元素含量垂向變化較小,反映沉積物來源比較穩(wěn)定;表層沉積物微量元素含量因子分析反映元素主要受流域地質(zhì)影響,Cd、Cu、Pb、Zn等元素還疊加人為活動的影響;懸浮物與長江中下游成礦帶地質(zhì)體的 Pb同位素206Pb/207Pb比值非常接近,表明長江中下游成礦帶來源懸浮物攜帶以 Cd為代表的重金屬對江蘇沿江土壤重金屬富集胚層起著重要的塑造作用。

沉積物;元素;沉積柱;長江南京段

1 采樣和分析方法

1.1 樣品采集

本研究的沉積物樣品采自于南京八卦洲的江漫灘,研究區(qū)采樣點位置分布情況見圖 1。用自制取泥筒采集表層底泥,取表層 0cm～10cm軟泥除去雜物后裝入布袋,共采集了 43個表層沉積物。在八卦洲頭和洲尾共采取了 2個沉積柱,長度分別是110cm,160cm,按 10cm間距分割成 1個樣品,用密封塑料封裝。懸浮物樣品布置在 4條長江剖面上,利用真空泵減壓過濾長江水,將粘附在醋酸纖維膜上長江懸浮物顆粒平放入烘箱內(nèi)低溫 (保持 45℃左右)烘干,烘至濾膜邊界卷起時,帶上潔凈的一次性聚乙烯手套,將濾膜上的懸浮顆粒物剝落裝入潔凈的樣品袋,并繼續(xù)低溫下烘干備用。

1.2 樣品分析

將采集好的淤泥自然風(fēng)干,去除植物根系及礫石等雜質(zhì),縮分取出 50g,研磨后過 0.074mm(200目 )篩 ,于塑料瓶中保存。Al2O3、Fe2O3、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn的測定采用 X射線熒光光譜法;Co的測定采用等離子體質(zhì)譜法;Cd和 Hg的測定,用 HC1-HNO3-HF-HC lO4消化,其中 Cd采用石墨爐原子吸收法分析,Hg采用冷原子熒光光譜法。分析采用國家標準樣 (CBW07401)進行全過程分析質(zhì)量控制,分析誤差都在國家標準允許范圍內(nèi)。本次研究采集的樣品元素含量測試由江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院完成,Pb同位素分析由南京大學(xué)內(nèi)生金屬成礦機制國家重點實驗室完成。

圖1 研究區(qū)樣品采樣點位示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 漫灘沉積物元素地球化學(xué)特征

2.1.1 漫灘沉積物元素含量特征 環(huán)八卦洲采集了 43個漫灘表層沉積物,元素含量統(tǒng)計見表 1。Al、Fe、Mn、Ni、Cr等元素含量具有較小的含量范圍和變異系數(shù) (小于 30%),這些元素 (除 Fe外,)含量中值與地殼中的含量比較接近;Pb、Cd、Hg等元素的最大值與最小值相差 10倍左右,元素含量具有中等變異系數(shù),元素含量中值明顯高于它們在地殼中的含量,而 Cu、Zn兩個元素含量范圍變化非常顯著,且這兩個元素含量的算術(shù)均值與中值相差比較大,它們具有非常大的變異系數(shù),分別為 403%和 143%,反映了 Zn、Cu空間變異性比較大,這種較大的空間變異性往往與局部點源污染有關(guān)。通過比較發(fā)現(xiàn),Pb、Zn、Cu最高含量點都在同一個采樣點,該采樣點位于八卦洲西側(cè),與南京鋼鐵廠、熱電廠等隔江相望。

表1 環(huán)八卦洲漫灘沉積物元素含量參數(shù)統(tǒng)計

2.1.2 因子分析 因子分析是一種多變量統(tǒng)計方法,一般用來減少數(shù)據(jù)變量卻能有效提取原始數(shù)據(jù)隱含的信息。因子分析可以揭示微量元素間共生組合及成因關(guān)系,沉積物元素含量之間的相關(guān)系數(shù)見表 2。由表可以看出,八卦洲江漫灘沉積物 Al、Fe、Mn、Ni、Cr元素含量之間均呈極顯著正相關(guān) (r＞0.90),Cd與 Al、Fe、Mn、Ni、Cr元素含量之間也呈現(xiàn)顯著正相關(guān)水平,Hg與其大部分元素含量之間呈顯著正相關(guān),Cu、Pb、Zn元素含量之間也呈極顯著正相關(guān) (r＞0.90),然而 ,Cu、Pb、Zn與 Al、Fe、Mn元素之間沒有顯著相關(guān)性,根據(jù)相似的地球化學(xué)特征或物質(zhì)來源的元素具有較好的相關(guān)性,可以推斷出 Al、Fe、Mn、Ni、Cr、Hg元素可能具有相同的來源 ,而 Cu、Pb、Zn元素可能具有相似的來源。

表2 環(huán)八卦洲江漫灘沉積物元素含量相關(guān)系數(shù)

對沉積物的 Al、Fe、Mn、Ni、Cr、Hg、Cu、Pb、Zn含量 9項特征指標進行主成分分析,獲得大于 1的特征值共有兩個,與其對應(yīng)的兩個主成分累計貢獻率為86.9%,一般認為,成分累計貢獻率能達到 80%就表明主因子基本能包含所有變量來源信息。前兩個主成分因子的負荷見圖 2。由圖 2可看出,Al、Fe、Mn、Ni、Cr、Cd、Hg元素為一類 ,對主成分 1有很大的負荷量;Cu、Pb、Zn元素為一類,對主成分 2有很大的負荷量,同一類元素在性質(zhì)上具有相似性,如相同的物質(zhì)來源。Fe、Al、Mn元素主要為典型的親石元素,主要受流域地質(zhì)作用影響,對主成分 1有很大負荷量的Al、Fe、Mn、Ni、Cr、Cd、Hg主要為地質(zhì)成因 ,較高的 Cd含量也反映了它疊加人為活動的影響;而 Cu、Pb、Zn具有較高的含量、較大的變異系數(shù),表明這些元素受環(huán)八卦洲地區(qū)人類活動影響較大。

圖2 八卦洲漫灘沉積物元素 PC1和 PC2負荷圖

2.2 漫灘沉積柱元素地球化學(xué)特征

漫灘沉積物是長江水與陸地長期相互作用沉積的結(jié)果,沉積物重金屬元素含量反映了水 -顆粒物動態(tài)平衡的濃度,它能反映了不同歷史時期沉積物的含量狀況及記載可能發(fā)生的事件。

2.2.1 八卦洲頭沉積柱重金屬含量垂向分布特征

八卦洲頭柱狀沉積物 Al2O3、Fe2O3、Mn、Cu、Ni、Cr、Zn、Pb、Cd、Hg元素含量垂向分布見圖 3。八卦洲頭柱狀沉積物元素的平均含量分別為 Al2O3(13.8%),Fe2O3(6.28%),Mn(1 030mg/kg),Cu(66mg/kg),Ni(50.7mg/kg),Cr(94mg/kg),Zn(137mg/kg),Pb(54.5 mg/kg),Cd(0.83mg/kg),Hg(0.15mg/kg)。Al2O3、Fe2O3含量范圍非常小 ,分別為11.3%～15.6%和 4.97%～7.37%,兩元素含量具有非常相似的垂向變化特征模式,表現(xiàn)為由深至表層,元素含量幾乎不變,從而表明柱狀沉積物質(zhì)來源相對比較穩(wěn)定,由于 Fe、Al是典型的親石元素,表明沉積物主要來源于長江流域的巖石風(fēng)化產(chǎn)物。Mn、Cu、Ni、Cr、Zn、Pb、Cd、Hg元素也具有非常相近的垂向變化特征模式,與 Al2O3、Fe2O3含量垂向變化特征模式相比,從沉積柱的深層至表層,這些元素含量呈現(xiàn)振蕩式總體保持不變的趨勢,這是因為漫灘一直處于水陸交互相環(huán)境,水動力作用較強,它是沉積顆粒物在動蕩水環(huán)境中沉淀的結(jié)果。這些元素含量在40cm～50cm之間出現(xiàn)較大的起伏,這與沉積物Al2O3、Fe2O3含量微小變化影響沉積物顆粒、影響重金屬吸附有關(guān)。

2.2.2 八卦洲尾沉積柱重金屬含量垂向分布特征

八卦洲尾柱狀沉積物 Al2O3、Fe2O3、Mn、Cu、Ni、Cr、Zn、Pb、Cd、Hg元素含量垂向分布見圖 4,柱狀沉積物元素的平均含量分別為 Al2O3(13.9%)、Fe2O3(6.42%)、Mn(980mg/kg)、Cu(56.2mg/kg)、Ni(46.6mg/kg)、Cr(96.5mg/kg)、Zn(108mg/kg)、Pb(27.7mg/kg)、Cd(0.41mg/kg)、Hg(0.11mg/kg)。Al2O3、Fe2O3含量范圍非常小,分別為 12.2%～15.1%和 5.62%～7.29%,兩元素含量具有非常相似的垂向變化特征模式,表現(xiàn)為由深至表層,元素含量幾乎不變,從而表明柱狀沉積物質(zhì)來源相對比較穩(wěn)定,由于 Fe、Al是典型的親石元素,表明沉積物主要來源于長江流域的巖石風(fēng)化產(chǎn)物。Mn、Cu、Ni、Cr、Zn、Pb、Cd、Hg元素也具有非常相近的垂向變化特征模式,從沉積柱的深層至表層,這些元素含量呈現(xiàn)振蕩式總體保持不變的趨勢,這是因為漫灘一直處于水陸交互相環(huán)境,水動力作用較強,它是沉積顆粒物在動蕩水環(huán)境中沉淀的結(jié)果。

通過對比八卦洲頭、尾兩個柱狀沉積物重金屬元素含量垂向變化特征模式及元素平均含量可以看出,八卦洲頭沉積物重金屬元素含量明顯要較洲尾的高,而且沉積物主要來源于長江流域巖石風(fēng)化產(chǎn)物,可以進一步推測,長江懸浮物顆粒攜帶的重金屬元素在八卦洲地區(qū)沉淀下來,為長江帶重金屬富集胚層奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.3 懸浮物地球化學(xué)特征

圖3 八卦洲頭柱狀沉積物元素含量垂向分布圖

懸浮物是水體污染物遷移的主要載體,當水體pH、Eh等條件發(fā)生變化時,懸浮物將會釋放吸附的污染物,對水環(huán)境產(chǎn)生二次污染,而且懸浮物中的金屬含量往往比水中高出數(shù)倍,有時甚至可達幾個數(shù)量級,因此懸浮物的重金屬調(diào)查對揭示水環(huán)境的污染效應(yīng)與水體凈化規(guī)律有著極其重要的意義。本次調(diào)查的 4條剖面共 22個懸浮物樣品,分析參數(shù)統(tǒng)計見表 3。由表 3可見 ,Cr、Mn、Cu、Zn、Cd、Pb、Co元素含量范圍都比較小,平均含量由高至低依次是Mn＞Zn＞Cu＞Cr＞Pb＞Co? Cd,各元素的變異系數(shù)都比較小,均在 30%以下,表明這些元素的空間變異性比較小。

與長江干流沉積物金屬元素二級標準相比,八卦洲地區(qū)長江懸浮物中 Cu、Zn、Cd、Pb等元素含量相對較高,其中 Cu和 Cd,分別高出二級標準的69%和 242%,表明八卦洲地區(qū)長江水懸浮物中這些元素的含量明顯偏高,而 Cr、Mn、Co等元素含量與二級標準比較接近。與長江干流城市江段中泓沉降物元素的含量均值相比,八卦洲地區(qū)長江懸浮物中 Cr、Cu、Cd含量也明顯偏高,Zn含量明顯偏低,而兩者的 Mn、Pb、Co含量比較接近。與長江流城市江段近岸水域沉降物元素含量均值相比,八卦洲地區(qū)長江懸浮物 Cd含量明顯偏高,Cr、Mn、Cu、Co等含量基本保持不變,而 Zn、Pb則明顯偏低。因此可以看出,與長江源頭、長江干流相比,八卦洲地區(qū)長江水及懸浮物 Cd、Cu等重金屬含量都明顯偏高。朱圣清等報道,21個沿江主要城市污染狀況從重到輕的順序為攀枝花、宜昌、南京、武漢、上海、重慶、蕪湖、涪陵、鎮(zhèn)江、馬鞍山、九江、瀘州、鄂州、黃石、南通、宜賓、安慶、沙市、萬縣、銅陵、岳陽 ,其中攀枝花、宜昌、南京、武漢、上海、重慶 6個城市累計污染百分率為 65%,表明不同江段受沿岸城市的影響程度是不一樣的。綜上所述,可以看出長江南京段懸浮物重金屬 (尤其是Cd元素)污染程度比較高。

圖4 八卦洲尾柱狀沉積物元素含量垂向分布圖

表3 環(huán)八卦洲懸浮物重金屬含量參數(shù)統(tǒng)計

2.4 同位素比值特征

在環(huán)境污染研究方面,常常利用鉛同位素特殊的“指紋”特征來示蹤鉛污染的來源。206Pb/207Pb比值是一個非常重要的同位素比值,它能有效指示鉛的不同來源,背景鉛有較高的206Pb/207Pb比值,而來源于冶煉、鉛礦、煤及相關(guān)產(chǎn)物來源的污染鉛有比較低的206Pb/207Pb比值。南京位于長江下游,地理位置特殊,其上游從湖北武漢至江蘇鎮(zhèn)江一帶發(fā)育有200多個鐵 -銅 -鉛 -鋅 -金 -銀等多金屬礦床 (即中國東部著名的多金屬成礦帶)。筆者收集了該多金屬成礦帶上 40個礦床、基巖和地層中鉛同位素比值,它們的206Pb/207Pb比值位于 1.143～1.180較小范圍內(nèi),主要集中于 1.16～1.17之間,遠遠低于前人報道背景值的206Pb/207Pb比值 (1.52),這與多金屬成礦帶具有較低的206Pb/207Pb比值有密切關(guān)系。它們與本次分析懸浮物的206Pb/207Pb比值 (1.167～1.795)非常相近,表明兩者在物質(zhì)組成上具有親源性。

前人研究表明,多金屬成礦帶是長江懸浮物中Cd的最大供應(yīng)源。多年的監(jiān)測結(jié)果也表明,就安徽銅陵而言,每年隨工礦企業(yè)污水向長江排放的 Cu、Pb、Zn、Cd總量大約為 700t,其中 Cu、Zn各占 40%左右,Pb占 15%,Cd占 5%。趙傳東等人研究表明,銅陵礦區(qū)河流懸浮物具有最大的 Cd輸出通量。為了解八卦洲懸浮物中 Cd與上游礦區(qū)來源 Cd的關(guān)系,作了 Zn/Cd-Pb/Cd協(xié)變圖 (圖 5),由圖 5可以明顯看出,八卦洲沉積物、懸浮物與礦區(qū)懸浮物的Zn/Cd-Pb/Cd總體成一條直線,也反映它們具有相似元素地球化學(xué)特征和物質(zhì)來源,因此可以認為,江蘇上游 (多金屬成礦帶)懸浮物攜帶的以 Cd為代表的重金屬對江蘇省沿江兩岸土壤重金屬富集胚層起到重要作用。

圖5 不同采樣介質(zhì) Zn/Cd-Pb/Cd協(xié)變圖

3 結(jié) 語

八卦洲柱狀沉積物的元素含量分布特征表明懸浮物來源比較穩(wěn)定,它是攜帶上游流域微量元素顆粒物在動態(tài)水環(huán)境沉淀的結(jié)果。環(huán)八卦洲表層沉積物元素含量特征與因子分析表明,元素特征主要受上游流域地質(zhì)背景的影響,但 Cd、Cu、Pb、Zn等元素疊加人為活動的影響。通過八卦洲地區(qū)長江懸浮物同位素比值的示蹤作用,懸浮物與長江中下游多金屬成礦帶有親源性,上游懸浮物攜帶的以 Cd為代表的重金屬對江蘇沿江重金屬富集胚層起著重要塑造作用。

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Elemental characteristics and geochemical significance of sediments in Nanjing section of Yangtze River

ZHU Ba i-wan,PAN Yong-m in,LU Yan

(Geological Survey of Jiangsu Province,Nanjing 210018,China)

The authors collected systemically the samples on the suspensions,sedimentary columns and surface sediments in Nanjing section in the Yangtze River and analyzed their concentrationsofAl,Fe,Mn,Hg,Ni,Cr,Cu,Pb,Cd,Co and Zn.Itwas concluded that,the vertical variation for the element concentration of columnar sediments was s mall;reflecting the sources of sediments was steady.The principal factor analysis of trace elements in surface sediments suggested that element concentrations were dominated by valley geology;however,the elements of Cd,Cu,Pb and Zn were principally associated with human activities.Similar isotope ratios between suspensions and geological mass in metal deposits along the middle and lower reaches of Yangtze River,suggesting Cd-enriched heavymetal carried by the suspension from the metallic belt of the middle and lower reaches of Yangtze River played an important role in the enrichment and molding of soils and heavymetals in deposits along the Yangtze River in Jiangsu Province.

Sediments;Element;Sed imentary column;Nanjing section of Yangtze River

P595

A

1674-3636(2010)02-0168-07

2009-08-13;

2009-08-30;編輯：陸李萍

朱伯萬 (1963—),男,工程師,主要從事表生地球化學(xué)研究.

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.02.168