孫丹陽(yáng), 朱東波

(中國(guó)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(guó)《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(guò)該標(biāo)準(zhǔn)的地下水即為高砷地下水[3]。長(zhǎng)期飲用高砷地下水會(huì)對(duì)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(guó)地方性砷中毒分布調(diào)查結(jié)果[5],中國(guó)飲水型地方性砷中毒分布于8個(gè)省市區(qū)、40個(gè)縣旗市,大約234萬(wàn)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(guò)52萬(wàn)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(duì)這些地區(qū)人民群眾的影響,近年來(lái)中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在這些地區(qū)布署了多個(gè)水文地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)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(jī)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(duì)中國(guó)西北地區(qū)幾個(gè)主要高砷地下水分布區(qū)的水文地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行對(duì)比,并對(duì)其成因進(jìn)行分析。

1 中國(guó)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(jìn)一步劃分為東、西兩個(gè)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(gè)異常規(guī)模相對(duì)較小但異常強(qiáng)度高,東部面狀異常規(guī)模大但異常強(qiáng)度明顯下降,說(shuō)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(zhǎng))×6 km(寬)的范圍內(nèi)形成強(qiáng)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(diǎn)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(xiàn)[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(xiàn)[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(xiàn)[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(gè)相對(duì)獨(dú)立的中心,其中,北部異常中心無(wú)論在規(guī)模上還是砷異常強(qiáng)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(xiàn)[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(guó)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間長(zhǎng)、溫差大是中國(guó)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(guó)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(jí)盆地構(gòu)造單元或盆地內(nèi)部的次級(jí)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(gè)局部相對(duì)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(dòng)較其它部位更為強(qiáng)烈,導(dǎo)致斷陷盆地整體呈南高北低、東高西低不對(duì)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(qiáng)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(jí)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(xiàn)[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(yùn)動(dòng)(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(yùn)動(dòng)的結(jié)果[15],構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(shì)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(jí)封閉—半封閉凹陷/洼地是高砷地下水產(chǎn)出分布的有利場(chǎng)所。

2.3 盆地外圍環(huán)境

通過(guò)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(guò)對(duì)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(duì)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(jìn)一步有利于巖層硫化物中的吸附砷發(fā)生解吸,進(jìn)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(lái)看,中國(guó)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(shí)普遍富含有機(jī)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(duì)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(qiáng)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(lái)越細(xì),粘土成分越來(lái)越多。

從含水介質(zhì)氧化還原環(huán)境來(lái)看,中國(guó)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(diǎn),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(jī)質(zhì)組分得以佐證；另一方面,近年來(lái)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(jìn)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—?dú)溲趸锍煞种饕獮閬嗚F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—?dú)溲趸?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(dòng)參與了硫的地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。此外,微生物參與砷遷移、轉(zhuǎn)化地球化學(xué)過(guò)程也得到了沉積物中飽和烷烴的碳數(shù)分布范圍的證實(shí)(C14-C35)。

2.5 水化學(xué)環(huán)境

表1 中國(guó)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(shì)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(qiáng),從周圍高砷地層中搬運(yùn)而來(lái)的砷在強(qiáng)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(qiáng)烈,促使地下水中砷含量增大。因此,高砷地下水一般都會(huì)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(qiáng)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(duì)比分析,可以將中國(guó)西北地區(qū)高砷地下水成因進(jìn)行梳理。

砷的物質(zhì)來(lái)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(lái)源。

砷的遷移途徑:地下水補(bǔ)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(bǔ)給過(guò)程中途徑富砷的多金屬硫化物礦床或含煤巖系,通過(guò)水巖反應(yīng)萃取出礦層或煤層中的砷進(jìn)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(guò)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(qiáng)烈,水體中的砷不易在此滯留富集。相反,地下水快速通過(guò),進(jìn)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(dòng)顯著加強(qiáng),水位抬升,形成盆內(nèi)地下水匯聚/排泄區(qū)。

砷的富集:進(jìn)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(jī)理可能包含如下三個(gè)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(shí)[3,6-8,11-12,19-22,24-25],含水介質(zhì)Fe-Mn氧化物—?dú)溲趸镏械奈缴?在還原環(huán)境下將被解吸附進(jìn)入水體,促使地下水中砷濃度提升。這一點(diǎn)可以從本文所列舉的幾個(gè)高砷地下水區(qū)含水介質(zhì)中普遍發(fā)育有機(jī)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(qiáng)烈的蒸發(fā)作用,導(dǎo)致地下水通過(guò)毛細(xì)管作用向上遷移蒸發(fā)排泄,促使盆地地下水補(bǔ)徑排構(gòu)成一個(gè)持續(xù)不斷的地下水循環(huán)系統(tǒng),并在此過(guò)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(duì)含水介質(zhì)中Fe-Mn氧化物—?dú)溲趸锏倪€原反應(yīng),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)將氧化環(huán)境下Fe-Mn氧化物—?dú)溲趸锷衔降腁s轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原環(huán)境下的解吸附As,進(jìn)入水體形成高砷地下水。這一過(guò)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(shí)。

4 結(jié)論

中國(guó)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(duì)其賦存環(huán)境及成因研究具有普遍的推廣應(yīng)用價(jià)值。