中國西北地區高砷地下水賦存環境對比及其成因分析

孫丹陽, 朱東波

(中國地質大學(武漢) 環境學院,湖北 武漢 430074)

世界衛生組織(WHO)[1]和中國《生活飲用水衛生標準》(GB5749—2006)[2]規定飲用水中砷的濃度不得高于10 μg/L,超過該標準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,導致砷中毒,引起皮膚色素脫失、著色、角化及癌變[4]。根據中國地方性砷中毒分布調查結果[5],中國飲水型地方性砷中毒分布于8個省市區、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蒙、山西、新疆、寧夏等省區飲水型砷中毒為最。為采取有效措施減少高砷地下水對這些地區人民群眾的影響,近年來中國地質調查局在這些地區布署了多個水文地質調查項目,系統開展了高砷地下水水文地質、水化學特征、含水介質環境及其成因機理的調查研究,發表了一批研究成果。本文以這些成果為基礎,對中國西北地區幾個主要高砷地下水分布區的水文地質環境進行對比,并對其成因進行分析。

1 中國西北高砷地下水產出分布總體特征

1.1 內蒙古河套平原

內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]。根據砷濃度可以進一步劃分為東、西兩個分區,西部分區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模相對較小但異常強度高,東部面狀異常規模大但異常強度明顯下降,說明砷的分布與水文地質條件關系密切(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分布,在約90 km(長)×6 km(寬)的范圍內形成強烈濃集,向兩側迅速減弱(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,少數異常分布在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,可能反應不同含水層砷含量的不同[7]。

1.3 新疆奎屯地區

新疆奎屯地區高砷地下水分布于天山北側河流沖積平原的低洼區,從西側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(天山山脈)向北部低海拔區(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。從采樣結果看,全區有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現有高砷地下水存在,似乎與該地區的地球化學背景聯系緊密[9]。

圖1 內蒙古河套平原高砷地下水分布圖(據文獻[6]修改)Fig.1 Distribution map of high arsenic groundwater in Hetao Plain,Inner Mongolia 1.基巖山區界限;2.政區界限;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 新疆奎屯地區高砷地下水分布圖(據文獻[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]。空間上,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(據文獻[11]修改)Fig.4 Distribution map of high arsenic groundwater in Yinchuan Plain,Ningxi

2 西北地區高砷地下水賦存環境

2.1 氣候環境

中國西北高砷地下水分布區一致為干旱—半干旱溫帶內陸性氣候。其中,內蒙古河套平原年降雨量130～200 mm,蒸發量為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 ℃。新疆奎屯地區年平均降雨量176.7 mm,平均蒸發量為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、蒸發量遠遠大于降雨量、日照時間長、溫差大是中國西北高砷地下水分布區形成的普遍氣候環境。

2.2 盆地內部環境

廣義上講,中國西北高砷地下水區均產于中新生代沉積盆地內部。但是,高砷地下水在沉積盆地內部分布并不均勻,高砷地下水通常產于沉積盆地內部的次級盆地構造單元或盆地內部的次級沉積凹陷區,盆地周圍受到斷裂或隆起構造單元阻隔,構成一個局部相對封閉或半封閉的沉積洼地環境。例如,內蒙古河套平原構造上為一中新生代斷陷盆地,盆地周緣受斷裂構造控制明顯(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(圖5)。本區高砷地下水濃度總體西高東低、北強南弱、東西分區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 內蒙古河套平原高砷地下水分布與盆地構造關系圖(據文獻[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；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高砷地下水分布也與山陰地區的負地形洼地有關[7,14],導致桑干河水及盆地高砷地下水在此匯集。新疆奎屯地區南高北低的地貌格局是天山地區新構造運動(晚第三紀上新世—第四紀早更新世末期)沿天山山前復活性大斷裂帶兩側斷塊差異隆升運動的結果[15],構造運動導致南側斷塊不斷抬升形成巍峨逶迤的天山山脈,北側斷塊不斷下沉形成向北傾斜的山前洪沖積平原。本區高砷地下水產出分布與天山山脈北側河流洪沖積平原的低洼區一致(圖3)。寧夏銀川平原是一新生代斷陷盆地,內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],與本區高砷地下水分布范圍基本一致(圖4)。由此可見,沉積盆地內部的次級封閉—半封閉凹陷/洼地是高砷地下水產出分布的有利場所。

2.3 盆地外圍環境

通過上述分析,可見高砷地下水的總體產出分布規律受控于盆地內部構造格架。然而,通過對西北地區高砷地下水產區外圍環境的分析,不難發現盆地外圍環境對高砷地下水的控制作用同樣不可忽視。其關鍵意義在于盆地外圍是否發育富砷巖層，是盆地內部能否形成高砷地下水富集的物質基礎。例如,內蒙古河套平原的北緣狼山地區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部富含豐富的砷物質；山西大同盆地、新疆奎屯及寧夏銀川平原周邊均廣泛發育含煤地層,這些地層內部不僅廣泛發育富砷的硫化物成分,而且介質的還原性特征進一步有利于巖層硫化物中的吸附砷發生解吸,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金屬硫化物礦床和含煤巖系的發育是西北地區高砷地下水分布區的共同特征。

2.4 含水介質環境

從含水介質物質組分來看,中國西北地區高砷地下水含水層巖石組合普遍為砂質—粉砂質—粘土(亞粘土)組合,同時普遍富含有機組分。如,內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—細砂組合。高砷異常區鉆孔巖芯與正常區鉆孔巖芯對比表明,高砷異常區廣泛發育灰黑色泥質、粘土成分,并散發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]；新疆奎屯地區高砷地下水雖然賦存于200～400 m深的深層承壓水區,但是,含水層巖性組合與淺層高砷地下水區巖性組合一致,仍然為山前洪沖積平原區的泥質、粘土質粉砂巖—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以內的淺層潛水—半承壓水區域,其物質組分主要為砂—粘土組合,自西南向東北,伴隨地形坡度下降,沉積物質越來越細,粘土成分越來越多。

從含水介質氧化還原環境來看,中國西北地區高砷地下水含水介質一致表現為還原性環境。關于這一點,一方面可以從上述含水介質層物質組分中普遍富含有機質組分得以佐證；另一方面,近年來也得到了環境磁性礦物學和硫同位素地球化學的進一步佐證[19]。其中,環境磁性礦物學研究表明,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)),砷與還原態鐵結合,形成含砷Fe氧化物—氫氧化物(如,FeOOH-As)。硫同位素地球化學研究表明,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循環過程。此外,微生物參與砷遷移、轉化地球化學過程也得到了沉積物中飽和烷烴的碳數分布范圍的證實(C14-C35)。

2.5 水化學環境

表1 中國西北地區高砷地下水水化學環境主要指標一覽表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,地勢總體從周邊隆起區向盆地沖湖積平原區傾斜,山前洪積傾斜平原地形坡度大,含水介質粗,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都不是高砷異常區。隨著洪積傾斜平原向盆地沖湖積平原的轉變,地形坡度變緩,沉積拗陷加深,含水介質層顆粒變細,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境。尤其是干旱氣候環境,蒸發作用強烈,促使地下水中砷含量增大。因此,高砷地下水一般都會出現在地下水徑流條件差的沖湖積平原環境或地下水位高、蒸發強烈的沖湖積平原排泄區。如:內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的沉積洼地(圖2)、新疆奎屯地區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 西北地區高砷地下水成因分析

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

砷的物質來源:由上述高砷地下水分布區盆地周邊環境分析可知,盆地周緣隆起區巖層內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:地下水補徑排構成了含砷地下水遷移的完整系統。其中,盆地周緣隆起區的大氣降水、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、含水介質粒度粗、孔隙度好,導致地下水側向徑流強烈,水體中的砷不易在此滯留富集。相反,地下水快速通過,進入盆地內部的沖湖積平原區。在此由于盆地沉陷加劇,含水層顆粒變細,粘土質增多,有效孔隙度降低,地下水側向徑流顯著減弱,相反,垂向交替流動顯著加強,水位抬升,形成盆內地下水匯聚/排泄區。

砷的富集:進入匯聚/排泄區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) 盆地拗陷區還原性含水介質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Fe-Mn氧化物—氫氧化物中的吸附砷,在還原環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含水介質中普遍發育有機質地層及水化學環境一致顯示還原性特征加以佐證。

(2) 強烈的蒸發作用,導致地下水通過毛細管作用向上遷移蒸發排泄,促使盆地地下水補徑排構成一個持續不斷的地下水循環系統,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為其對含水介質中Fe-Mn氧化物—氫氧化物的還原反應,進而實現將氧化環境下Fe-Mn氧化物—氫氧化物上吸附的As轉變為還原環境下的解吸附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微生物作用研究中得到證實。

4 結論

中國西北地區高砷地下水是氣候環境、盆地內外環境、含水介質環境、水化學環境和地下水徑流環境綜合作用的結果。這些地區高砷地下水具有相似的賦存環境及其形成條件,因此,對其賦存環境及成因研究具有普遍的推廣應用價值。