中国西北地区高砷地下水赋存环境对比及其成因分析

2019-09-18孙丹阳朱东波

资源环境与工程 2019年3期

孙丹阳, 朱东波

(中国地质大学(武汉) 环境学院,湖北武汉 430074)

世界卫生组织(WHO)[1]和中国《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)[2]规定饮用水中砷的浓度不得高于10 μg/L,超过该标准的地下水即为高砷地下水[3]。长期饮用高砷地下水会对人体有明显伤害,导致砷中毒,引起皮肤色素脱失、着色、角化及癌变[4]。根据中国地方性砷中毒分布调查结果[5],中国饮水型地方性砷中毒分布于8个省市区、40个县旗市,大约234万人口受到高砷地下水影响。其中,饮用水砷含量>50 μg/L的高砷暴露人口超过52万人,而且以地处西北的内蒙、山西、新疆、宁夏等省区饮水型砷中毒为最。为采取有效措施减少高砷地下水对这些地区人民群众的影响,近年来中国地质调查局在这些地区布署了多个水文地质调查项目,系统开展了高砷地下水水文地质、水化学特征、含水介质环境及其成因机理的调查研究,发表了一批研究成果。本文以这些成果为基础,对中国西北地区几个主要高砷地下水分布区的水文地质环境进行对比,并对其成因进行分析。

1 中国西北高砷地下水产出分布总体特征

1.1 内蒙古河套平原

内蒙古河套平原高砷地下水呈东西向带状分布。高砷水分布在地下10～40 m的浅层潜水—半承压水层,砷浓度变化范围70～1 370 μg/L[6]。根据砷浓度可以进一步划分为东、西两个分区,西部分区高砷地下水大致沿狼山山前断裂带呈串珠状分布；东部分区高砷地下水大致以五原县为中心向周围呈面状分布。西部串珠状单个异常规模相对较小但异常强度高,东部面状异常规模大但异常强度明显下降,说明砷的分布与水文地质条件关系密切(图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阴县境内分布,在约90 km(长)×6 km(宽)的范围内形成强烈浓集,向两侧迅速减弱(图2)。高砷地下水主要分布在15～60 m深的浅层潜水—半承压水层,20 m左右为砷最大浓度区,少数异常分布在100～150 m的深部承压水层。砷浓度变化范围0.6～1 820 μg/L,高砷水井呈点状分布,不同浓度砷含量的水井交替存在,可能反应不同含水层砷含量的不同[7]。

1.3 新疆奎屯地区

新疆奎屯地区高砷地下水分布于天山北侧河流冲积平原的低洼区,从西侧艾比湖向东至奎屯呈带状分布(图3)。高砷地下水多分布在深层承压含水层(200～400 m深度),砷浓度从南部高海拔区(天山山脉)向北部低海拔区(山前河流冲积平原)逐渐增加。砷浓度变化范围2.29～400.68 μg/L,均值91.01 μg/L。从采样结果看,全区有88.7 %的地下水砷浓度超出10 μg/L[8],高砷地下水分布十分普遍,并且分布范围很广,向东在石河子一带也发现有高砷地下水存在,似乎与该地区的地球化学背景联系紧密[9]。

图1 内蒙古河套平原高砷地下水分布图(据文献[6]修改)Fig.1 Distribution map of high arsenic groundwater in Hetao Plain,Inner Mongolia 1.基岩山区界限;2.政区界限;3.断层;4.水域;5.As含量>0.3 mg/L;6.0.05mg/L>As含量>0.3 mg/L。

图2 山西大同盆地高砷地下水分布图(据文献[7]修改)Fig.2 Distribution map of high arsenic groundwaterin Datong Basin,Shanxi Province

图3 新疆奎屯地区高砷地下水分布图(据文献[8]修改)Fig. 3 Distribution map of high arsenic groundwater in Kuitun area,Xinjiang

1.4 宁夏银川平原

宁夏银川平原高砷地下水沿黄河河道自西南向东北呈面状分布。砷主要富集在0～40 m深的浅层潜水—半承压含水层中,砷含量变化范围1～89 μg/L,平均值15.28 μg/L；40 m深度以下砷含量变化范围1～35 μg/L,平均值变化于6.64～7.31 μg/L[10]。空间上,砷异常形成南(贺兰县)北(平罗县)两个相对独立的中心,其中,北部异常中心无论在规模上还是砷异常强度上明显高于南部中心(图4)[11]。

图4 宁夏银川平原高砷地下水分布图(据文献[11]修改)Fig.4 Distribution map of high arsenic groundwater in Yinchuan Plain,Ningxi

2 西北地区高砷地下水赋存环境

2.1 气候环境

中国西北高砷地下水分布区一致为干旱—半干旱温带内陆性气候。其中,内蒙古河套平原年降雨量130～200 mm,蒸发量为1 900～2 500 mm[12]；年日照时间3 000 h以上,晴天率67%～73%,年平均气温6.1～7.6 ℃,夏季日平均温差13～14 ℃[13]。山西大同盆地年降雨量370～420 mm,蒸发量约为2 000 mm；年日照时间2 670 h,夏季日平均温差12～13 ℃。银川平原年降雨量183 mm,蒸发量为1 955 mm；年日照时间3 000 h以上,夏季日平均温差13～14 ℃。新疆奎屯地区年平均降雨量176.7 mm,平均蒸发量为1 754.8 mm；年平均日照时间2 598 h,夏季日平均温差17～18 ℃。由此可见,干旱少雨、蒸发量远远大于降雨量、日照时间长、温差大是中国西北高砷地下水分布区形成的普遍气候环境。

2.2 盆地内部环境

广义上讲,中国西北高砷地下水区均产于中新生代沉积盆地内部。但是,高砷地下水在沉积盆地内部分布并不均匀,高砷地下水通常产于沉积盆地内部的次级盆地构造单元或盆地内部的次级沉积凹陷区,盆地周围受到断裂或隆起构造单元阻隔,构成一个局部相对封闭或半封闭的沉积洼地环境。例如,内蒙古河套平原构造上为一中新生代断陷盆地,盆地周缘受断裂构造控制明显(图1)。其中,西部北缘狼山山前断裂活动较其它部位更为强烈,导致断陷盆地整体呈南高北低、东高西低不对称箕状盆地形态(图5)。本区高砷地下水浓度总体西高东低、北强南弱、东西分区的分布格局很可能是此断陷盆地局部次一级封闭—半封闭沉积凹陷的反映。

图5 内蒙古河套平原高砷地下水分布与盆地构造关系图(据文献[6]修改)Fig.5 Relationship between distribution of high arsenic groundwater andbasin structure in Hetao Plain,Inner Mongolia1.砂砾石；2.砂；3.泥质；4.高砷咸水；5.微咸水；6.淡水；7.断层。

山西大同盆地山阴地区高砷地下水分布也与山阴地区的负地形洼地有关[7,14],导致桑干河水及盆地高砷地下水在此汇集。新疆奎屯地区南高北低的地貌格局是天山地区新构造运动(晚第三纪上新世—第四纪早更新世末期)沿天山山前复活性大断裂带两侧断块差异隆升运动的结果[15],构造运动导致南侧断块不断抬升形成巍峨逶迤的天山山脉,北侧断块不断下沉形成向北倾斜的山前洪冲积平原。本区高砷地下水产出分布与天山山脉北侧河流洪冲积平原的低洼区一致(图3)。宁夏银川平原是一新生代断陷盆地,内部可分为黄河冲湖积平原和贺兰山山前洪积倾斜平原两部分。其中,银川向北至平罗西大滩一带是平原的沉降中心,地势最为低洼[16],与本区高砷地下水分布范围基本一致(图4)。由此可见,沉积盆地内部的次级封闭—半封闭凹陷/洼地是高砷地下水产出分布的有利场所。

2.3 盆地外围环境

通过上述分析,可见高砷地下水的总体产出分布规律受控于盆地内部构造格架。然而,通过对西北地区高砷地下水产区外围环境的分析,不难发现盆地外围环境对高砷地下水的控制作用同样不可忽视。其关键意义在于盆地外围是否发育富砷岩层，是盆地内部能否形成高砷地下水富集的物质基础。例如,内蒙古河套平原的北缘狼山地区中元古代地层中赋存有一系列的海底喷流沉积块状硫化物矿床[17],如东升庙、甲升盘、霍疙乞等大中型铜铅锌矿床内部富含丰富的砷物质；山西大同盆地、新疆奎屯及宁夏银川平原周边均广泛发育含煤地层,这些地层内部不仅广泛发育富砷的硫化物成分,而且介质的还原性特征进一步有利于岩层硫化物中的吸附砷发生解吸,进入水体迁移至沉积盆地富集。由此可见,断陷盆地周缘隆起区金属硫化物矿床和含煤岩系的发育是西北地区高砷地下水分布区的共同特征。

2.4 含水介质环境

从含水介质物质组分来看,中国西北地区高砷地下水含水层岩石组合普遍为砂质—粉砂质—粘土(亚粘土)组合,同时普遍富含有机组分。如,内蒙古河套平原富含高砷地下水的10～40 m浅层潜水—半承压水范围岩性为粘土—粉砂—细砂组合。高砷异常区钻孔岩芯与正常区钻孔岩芯对比表明,高砷异常区广泛发育灰黑色泥质、粘土成分,并散发出强烈的硫化氢臭味[18]；山西大同盆地富含高砷地下水的10～60 m浅层潜水—半承压水层岩性成分为冲湖积相粉砂岩—细砂岩—泥岩组合,部分地段岩层硫化氢气味浓重[14]；新疆奎屯地区高砷地下水虽然赋存于200～400 m深的深层承压水区,但是,含水层岩性组合与浅层高砷地下水区岩性组合一致,仍然为山前洪冲积平原区的泥质、粘土质粉砂岩—泥岩组合；宁夏银川平原高砷地下水主要赋存在地表之下40 m以内的浅层潜水—半承压水区域,其物质组分主要为砂—粘土组合,自西南向东北,伴随地形坡度下降,沉积物质越来越细,粘土成分越来越多。

从含水介质氧化还原环境来看,中国西北地区高砷地下水含水介质一致表现为还原性环境。关于这一点,一方面可以从上述含水介质层物质组分中普遍富含有机质组分得以佐证；另一方面,近年来也得到了环境磁性矿物学和硫同位素地球化学的进一步佐证[19]。其中,环境磁性矿物学研究表明,大同盆地高砷地下水含水层沉积物中的Fe氧化物—氢氧化物成分主要为亚铁磁性矿物(如,磁赤铁矿(γFe2O3)和针铁矿(αFeOOH)),砷与还原态铁结合,形成含砷Fe氧化物—氢氧化物(如,FeOOH-As)。硫同位素地球化学研究表明,高砷地下水中δ34S[SO4]介于-2.5‰～+36.1‰之间,变化范围大,揭示微生物活动参与了硫的地球化学循环过程。此外,微生物参与砷迁移、转化地球化学过程也得到了沉积物中饱和烷烃的碳数分布范围的证实(C14-C35)。

2.5 水化学环境

表1 中国西北地区高砷地下水水化学环境主要指标一览表Table 1 List of major index of hydrochemical environment of high arsenic groundwater in the northwestern China

2.6 高砷地下水的径流环境

地下水的径流条件是影响砷迁移富集的重要因素。西北主要高砷地下水聚集区具有相似的地下水径流条件。即断陷盆地的周边为地形地貌隆起区,地势总体从周边隆起区向盆地冲湖积平原区倾斜,山前洪积倾斜平原地形坡度大,含水介质粗,孔隙度好,地下水径流强,从周围高砷地层中搬运而来的砷在强径流环境下向周围快速迁移,不易形成富集。因此,一般情况下山前洪积倾斜平原区都不是高砷异常区。随着洪积倾斜平原向盆地冲湖积平原的转变,地形坡度变缓,沉积拗陷加深,含水介质层颗粒变细,尤其是粘土组分增加,孔隙度变差,地下水径流显著变差,水位抬升,形成有利的砷富集环境。尤其是干旱气候环境,蒸发作用强烈,促使地下水中砷含量增大。因此,高砷地下水一般都会出现在地下水径流条件差的冲湖积平原环境或地下水位高、蒸发强烈的冲湖积平原排泄区。如:内蒙古河套平原西部狼山山前沉积拗陷(图5)、山西大同盆地山阴地区的沉积洼地(图2)、新疆奎屯地区天山山前向北倾斜的洪冲积平原拗陷(图3)、宁夏银川平原东北部平罗沉积拗陷(图4),均成为高砷地下水赋存的最有利空间部位。

3 西北地区高砷地下水成因分析

基于上述西北地区高砷地下水的空间分布特征及其赋存环境对比分析,可以将中国西北地区高砷地下水成因进行梳理。

砷的物质来源:由上述高砷地下水分布区盆地周边环境分析可知,盆地周缘隆起区岩层内部赋存的多金属硫化物矿床或含煤岩系是高砷地下水中砷的主要来源。

砷的迁移途径:地下水补径排构成了含砷地下水迁移的完整系统。其中,盆地周缘隆起区的大气降水、地表水及地下水在向断陷盆地补给过程中途径富砷的多金属硫化物矿床或含煤岩系,通过水岩反应萃取出矿层或煤层中的砷进入地下水,形成含砷地下水溶液。含砷地下水在途径山前洪冲积倾斜平原过程中,由于地形坡度较大、含水介质粒度粗、孔隙度好,导致地下水侧向径流强烈,水体中的砷不易在此滞留富集。相反,地下水快速通过,进入盆地内部的冲湖积平原区。在此由于盆地沉陷加剧,含水层颗粒变细,粘土质增多,有效孔隙度降低,地下水侧向径流显著减弱,相反,垂向交替流动显著加强,水位抬升,形成盆内地下水汇聚/排泄区。

砷的富集:进入汇聚/排泄区的含砷地下水中的砷浓度将被不断提升,形成高砷地下水。导致地下水砷富集的机理可能包含如下三个方面:

(1) 盆地拗陷区还原性含水介质有利于地下水中砷的富集。大量的研究证实[3,6-8,11-12,19-22,24-25],含水介质Fe-Mn氧化物—氢氧化物中的吸附砷,在还原环境下将被解吸附进入水体,促使地下水中砷浓度提升。这一点可以从本文所列举的几个高砷地下水区含水介质中普遍发育有机质地层及水化学环境一致显示还原性特征加以佐证。

(2) 强烈的蒸发作用,导致地下水通过毛细管作用向上迁移蒸发排泄,促使盆地地下水补径排构成一个持续不断的地下水循环系统,并在此过程中不断促使地下水中砷浓度提高。

(3) 微生物的还原作用加剧了高砷地下水的形成。微生物作用主要表现为其对含水介质中Fe-Mn氧化物—氢氧化物的还原反应,进而实现将氧化环境下Fe-Mn氧化物—氢氧化物上吸附的As转变为还原环境下的解吸附As,进入水体形成高砷地下水。这一过程也已在山西大同盆地含水介质微生物作用研究中得到证实。