江苏平原地区(淮河流域)潜水碘含量控制因素探讨

陆徐荣, 杨 磊, 陆 华, 谷小溪

江苏省地质调查研究院, 江苏南京 210018;

国土资源部地裂缝地质灾害重点实验室, 江苏南京 210018

碘是人体必需的微量元素, 人体中三分之一以上的碘以甲状腺素形式存在, 低碘会引发甲状腺肿、智障等缺乏病; 摄入过多, 也会引发高碘甲状腺肿、碘中毒。根据国家标准, 饮用水碘含量大于150 μg/L的区域被称为高碘地区(卫生部, 2003), 超过1000 μg/L的被一些学者定义为超高碘区(李洋等,2003; 任先云等, 1997)。淮河流域江苏段潜水(区内潜水定义: 无明显隔水顶板、底板埋深多在 3～5 m左右、最深不超过15 m的含水层)碘含量变化大, 很多地区存在高碘水, 并直接饮用, 研究潜水碘含量分布与成因具有重大意义。

1 区域潜水碘含量分布

取样化验结果表明, 工作区潜水碘化物含量普遍偏高(本文测试数据未注明的皆为国土资源部南京矿产资源监督检测中心测试, 碘测试的方法为电感耦合等离子质谱法), 总计 581组样品中, 大于40 μg/L的潜水样品达388个, 占66.8%, 达到高碘标准的210个, 占36.1%。

1.1 低碘区

全区地势较高的新东赣丘岗台地、洪泽湖岗地、盱眙丘岗及其山前倾斜平原多为低碘分布区(如图 1), 徐州低山丘陵地区存在少量的高碘潜水, 分布在穿越而过的废黄河带上, 地势低平。

1.2 高碘区

高碘区共 3个: (1)江苏沿海: 大致以废黄河为界, 南部、北部碘化物平均含量分别为200 μg/L、420 μg/L, 均为高碘区, 峰值为灌南县堆沟港镇的3320 μg/L; (2)废黄河带: 以上游的丰沛地区最高,平均达560 μg/L, 王沟镇最高达 1920 μg/L, 向下游以废黄河为轴线逐渐下降; (3)里下河洼地区: 三个高碘区中最低, 平均120 μg/L, 以兴化为最, 23组样品中, 超过 150 μg/L的 9组, 峰值为兴化陶庄的500 μg/L。

2 土壤中碘的分布

研究土壤中碘的分布对潜水碘的形成具有重要指导意义, 这是因为潜水主要通过土壤层获得补给, 蒸发排泄作用也通过土壤进行, 丰水期水位埋深大多0.5～1 m, 高于深层土壤取样位置, 因此, 研究土壤中的碘分布对潜水碘的形成具有指导意义。

测试结果表明, 工作区不论表层土壤还是深层土壤, 大部分地区碘含量稳定在1～4 mg/kg。

2.1 表层土壤

取样深度0.2 m。

工作区表层土壤碘含量范围为 0.44～18.6 mg/kg, 平均含量是2.11 mg/kg, 元素含量变异系数 0.61, 大部分地区表层土壤碘含量在1.5～2.5 mg/kg之间, 空间分布较不均匀。

总体上表现出东部高、中西部低的特征(图 2),规律明显: 沿海连云港市—响水一带表层土壤的碘含量最高, 普遍都在 4 mg/kg以上, 其中环云台山地区表层土壤高达8 mg/kg以上; 东台、盐城、灌南等以东的沿海地区也普遍在2～4 mg/kg左右, 含量较丰富; 内陆平原地区最低, 小于2 mg/kg, 环湖地带、低山丘陵、泗洪岗地及丰沛两县1.5～4 mg/kg,为全区平均。

2.2 深层土壤

取样深度为1.2 m。

与浅层土壤有相似之处, 又有明显特色:

1)由第四纪全新统海积亚粘土、海积-冲积亚粘土为主的沿海地区深层土壤碘含量普遍较高, 海积亚粘土平均达到4.68 mg/kg, 海积-冲积亚粘土则为4.48 mg/kg, 均明显高于江苏省深层土壤平均值,两者的元素含量变异系数均大于 0.5, 呈不均匀分布。沿海灌河以北地区深层土壤碘平均含量反映了海洋地质作用, 一般超过 4 mg/kg; 南部沿海为冲海积成因, 含量介于 1.5～3.0 mg/kg, 局部 3.0～5.5 mg/kg。

2)环湖地带碘含量较高, 以 2～4 mg/kg为主,局部大于4 mg/kg。

3)黄泛平原、里下河洼地碘含量小于2 mg/kg,部分地区小于1 mg/kg。

图1 淮河流域(江苏)潜水高碘分布图(a)、碘含量等值图(b)Fig.1 Distribution of high iodine content (a) and contour of iodine content (b) in phreatic water in the Huaihe River of Jiangsu Province

图2 淮河流域(江苏)表层土壤(a)、深层土壤(b)碘含量分布图Fig.2 Distribution of iodine content in surface soil (a) and deep soil layer (b )in the Huaihe River of Jiangsu Province

2.3 水土碘含量的异同点

2.3.1相似点

连云港、灌云是全区土壤碘含量最高的区域,这也是潜水碘含量较高的区域, 全区大于1000 μg/L的17组潜水样, 该地区即占8组。

2.3.2异常点

沿废黄河带土壤碘含量区内最低, 多小于2.0 mg/kg, 部分地区小于1.0 mg/kg, 却是典型的潜水高碘含量区, 其中丰沛地区更为全区之冠, 平均达 630 μg/L;

低山丘陵、山前倾斜平原等土壤碘的含量中等,一般为1.5～2.5 mg/kg, 但潜水为典型的低碘含量区,全部小于 40 μg/L。

总体上, 水土碘含量规律复杂, 值得进一步研究。

3 潜水碘含量特征控制因素分析

自然界中的碘元素通常以化合物的形式存在,主要矿物有碘钙石和碘钙铬石等, 迁移能力强且易溶, 一般可溶解于水中, 往往以 I–的形式存在, 少量为 IO3–, 具有随水流动的特性, 一定条件下可氧化为I2而蒸发(曹钦臣等, 1995; 李洪伟等, 2009; 徐清等, 2010; 张二勇等, 2010; 袁修锦, 1999)。本次研究表明, 潜水碘含量的控制因素与碘自身的特性、土壤碘含量以及水文地质条件、环境、地形地貌等都有一定的关系, 主要表现在以下方面。

3.1 径流条件

3.1.1径流条件较好

径流条件较好的地区包括新东赣丘岗、台地、山前倾斜平原(碎屑岩、火成岩皆有), 洪泽湖岗地,扬州仪征丘岗(碎屑岩为主), 盱眙丘岗、山前倾斜平原, 徐州低山丘陵、岗地, 潜水碘含量全部小于40 μg/L, 符合生活饮用水标准。

该类地区主要特点: 有一定的地形坡度, 水力坡度较大; 地表岩性多砂砾, 颗粒较粗, 补给作用强; 土壤碘含量属于全省平均水平(1.5～2.5 mg/kg),潜水碘含量全区最低, 15个未检出样品全部位于该类地区; 地域分布广泛, 包括徐州、宿迁、淮安、扬州等; 成因类型齐全, 即碎屑岩、灰岩、岩浆岩以及倾斜平原的松散岩类。

综合其它参考文献资料(张二勇等, 2010; 袁修锦, 1999; 曾昭华, 1999), 都证明了这一观点, 因此可以得出径流条件好的地区地下水低碘的结论。

3.1.2径流条件较差

区内径流条件差的主要包括里下河平原、废黄河带。

3.1.2.1 里下河洼地

里下河洼地区地势低洼, 地下水水位极浅, 多为0.5～1 m, 上覆岩性颗粒细, 潜水运移路径短, 透水、储水和给水能力较差, 溶滤作用占主导地位,浓缩作用造成溶质浓度不断升高(张光辉等, 2009;高存荣等, 2014), 多为微咸水, 碘离子随之增加,多达39.1%的潜水碘含量超过150 μg/L, 为高碘区。

3.1.2.2 废黄河带

黄河泛滥所形成的扇形冲积扇为微型地下水循环系统。扇形地顶部颗粒较粗, 形成高亢地形,扇形地的中下部为缓坡地, 扇形地的前缘地势低平,有亚粘土等隔水物质沉积等。

由于黄河多次泛滥, 大量的扇形冲积扇相互叠加, 冲积扇间由于亚粘土阻隔造成径流不畅, 从而形成了大量的局部循环小系统。表层土壤中的富碘矿物溶解潜水后, 只能在相对封闭的水文地质小单元中循环, 不易被排出, 从而形成高碘潜水。

废黄河带地表岩性以亚砂土、细粉砂为主, 岩性颗粒较粗, 补给资源丰富, 土壤碘可随雨水补给潜水。

3.2 土壤碘含量

经研究发现, 相似水文地质条件下, 潜水与土壤碘的含量密切相关。

3.2.1沿海地区

江苏沿海北部土壤碘含量普遍较高, 灌云、灌南、响水等沿海地区是江苏省土壤碘含量最高的区域, 多在 6.7 mg/kg以上, 某些块段超过 8 mg/kg,潜水碘含量平均 420 μg/L。南部沿海土壤碘含量2.0～4.0 mg/kg, 局部4.0～5.5 mg/kg, 为区内次高区;潜水中碘的含量平均为200 μg/L。

南北两片土壤碘含量以平均值计, 比例为1:2.5,潜水为1:2.1, 两者基本接近, 关系密切。

3.2.2废黄河带

沿废黄河带因黄河泛滥而形成, 物源一致、水文地质条件相似、地形地貌接近, 水土碘的含量具有以下特点:

(1)沿废黄河两岸土壤碘含量以河流为轴线从上向下, 具有明显的分带性: 即丰沛地区(1.5～4.2 mg/kg)＞睢宁(1.2～2.5 mg/kg)＞宿迁(0.8～1.5 mg/kg)＞淮安(0.8～1.2 mg/kg)。

(2)沿废黄河带, 地下水中碘的含量均值分带性也十分明显: 丰沛地区(630 μ/L)＞睢宁(410 μg/L)＞宿迁(230 μg/L)＞淮安(80 μg/L)。

(3)取土壤碘含量的均值, 与相应的潜水碘含量进行相关分析, 发现两者完全同步, 相关系数达0.977, 相关性极好。

因此, 同一水文地质单元内部规律一致。可以认为: 相似水文地质条件下水土碘含量密切相关,不同地区由于各自的环境、水文条件、地形地貌的不同, 碘含量迥异。

3.3 土壤有机质含量

前人研究表明, 地下水碘的含量与有机质的含量成正比(曾昭华, 1999; 田文法等, 1997; 牛喜贵等,1991; 韩俊杰等, 1996), 原因为当土壤中有机质含量较高、地表岩性以亚粘土为主时, 易形成还原环境, 增强碘络合物的溶解性, 并易被有机质吸附,不易迁移和流失, 随着有机质的分解而析出, 并溶解于水, 从而形成高碘潜水。本区也有这样的例证。

江苏北部沿海地区有机质含量较高, 深层土壤在 4‰～6‰间, 潜水碘含量平均 420 μg/L; 南部沿海深层土壤有机质含量小于 2‰, 约为北部沿海的一半, 潜水中碘含量平均为 200 μg/L, 同样接近北部沿海的一半, 符合相关规律。里下河洼地区土壤中碘很少, 有机质含量高达 8.5‰～18‰, 有机质作用下使之成为区内三大高碘区之一。

与上述论据相异的是废黄河带, 该带有机质含量全区最低(表层土壤小于 8.5‰, 深层土壤小于2‰)、土壤碘含量最低(小于1 mg/kg的区域主要存在于该区)、地表岩性最粗(地表岩性以亚砂土、细粉砂为主), 潜水碘含量却极高, 其中丰沛地区更高达630 μg/L, 为全区之冠。

前人文献得出该结论的论据应该没有疑问, 主要是忽略了水文地质条件的差异。本文认为应更正为“相同或相似水文地质条件下, 地下水中碘含量与有机质含量具相关性”。

3.4 土壤吸附性

区内最富碘的地层岩性为第四纪海积亚粘土,最贫碘的则为第四纪全新统冲积亚砂土, 平均含量前者是后者的 3倍多, 主要与其吸附能力有关, 土壤吸附能力强, 碘元素则不易进入地下水中, 反之也然。

以废黄河带为例, 该区域地表岩性以亚砂土、细粉砂为主, 碘离子不易被土壤吸附, 从而随雨水进入地下水中, 加上地下水排泄不畅, 不断浓缩而形成高碘水。

3.5 蒸发作用

废黄河带地表颗粒较粗, 地下水易蒸发, 加上该地区地下水排泄不畅, 矿物质不断被浓缩, 在上世纪 80年代以前, 该地区因此而形成了大量的盐碱地, 水中的碘元素也随之被浓缩, 形成高碘地下水(徐芬等, 2012)。

3.6 碘在地下水中的变化特征

不论深层水、还是浅层水, 地下水中碘含量变化较小, 在地下水中含量保持稳定。

在江苏盱眙沿淮地区研究了5条碘含量系列变化曲线, 其年际变化平均不超过6 μg/L(如图3), 表现为随时间浓度保持基本稳定: 深层地下水波幅最多不超过10 μg/L, 浅层地下水变化略大, 如新迁村微+Ⅰ承压水波幅达为170 μg/L。

江苏地质调查研究院、南京地质调查中心均对丰沛地区深层地下水样品进行了测试(取样点相同),取样间隔 1年, 测试单位不同, 测试结果平均仅相差 60 μg/L(见表 1, 南京地质调查中心样品由南京地质矿产研究所测试中心测试, 测试方法为电感耦合等离子质谱法), 误差11.7%。将多期样品进行系列相关分析, 碘含量变化的相关系数在 0.983～1之间, 相关性高于同期取样的矿化度等其它指标, 因此, 地下水中的碘含量较为稳定。

表1 深层水碘元素测试结果(单位: μg/L)Table 1 Iodine content of deep-lying groundwater (unit: μg/L)

图3 江苏沿淮地区地下水碘含量曲线Fig.3 Curve of iodine content in groundwater in Huaihe River area of Jiangsu Province

4 结论与建议

1)工作区 1/3的潜水样品碘含量超过高碘地区标准(150 μg/L), 可直接饮用的主要包括丘陵、岗地、山前倾斜平原、环湖等地下水径流条件较好的地区;

2)地下水径流条件差、蒸发作用较强的地区往往潜水碘含量较高, 主要包括废黄河带、里下河洼地区等;

3)相同水文地质、环境条件下, 潜水中的碘含量与土壤中的碘正相关, 有机质可起到促进水溶性碘溶解的作用;

4)碘在地下水中的含量十分稳定, 为达到饮用或其它需求目标, 需进行加、降碘处理时, 可不必考虑其浓度会发生大幅变化, 从而降低成本。

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