高存榮, 馮翠娥, 劉文波, 赤井純治, 久保田喜裕, 小林巌雄

1)中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院, 北京 100081; 2)新潟大學(xué)理學(xué)部, 日本新潟 950-2181

由自然原因引起的地下水砷污染已成為世界性的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題(Chappell et al., 2001; Smedley et al., 2002; Welch et al., 2003)。特別是沖積層中含水層的砷污染, 越來(lái)越嚴(yán)重地影響著人們的身體健康和生活水平的提高。亞洲的孟加拉國(guó)和印度的西孟加拉邦是全球地下水砷污染最為嚴(yán)重國(guó)家和地區(qū),僅孟加拉國(guó)就有至少 3500萬(wàn)人暴露于 As毒性中,引起極其嚴(yán)重的健康后果(Smith et al., 2000; Frisbie et al., 2002; WBWSP, 2005)。砷是最為嚴(yán)重的致癌物質(zhì)之一(Smadley et al., 2001; IRIS, 2008; IARC,2001), 長(zhǎng)期攝取會(huì)增加皮膚、肺、膀胱、腎、肝臟、前列腺癌, 以及一些非癌疾病, 包括心血管病、糖尿病、神經(jīng)功能紊亂的發(fā)病概率(Manouchehramini et al., 2008), 對(duì)人類的影響程度取決于當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況, 但是在砷威脅人類的潛在來(lái)源中, 高砷飲用水是人類健康的最大威脅之一。目前全世界約有超過(guò) 9000萬(wàn)人受到這一潛在健康威脅(胡立剛等,2009)。中國(guó)是全球地下水砷污染較為嚴(yán)重的國(guó)家之一, 截止到 2010年(不包括臺(tái)灣在內(nèi)), 已發(fā)現(xiàn)的飲水型地方性砷中毒患者 20114人, 分布在全國(guó) 107個(gè)縣的 1642個(gè)村, 受威脅人口以砷中毒病區(qū)范圍內(nèi)的縣人口數(shù)計(jì), 達(dá)1520.26萬(wàn)人(中華人民共和國(guó)衛(wèi)生部, 2011)。

本文通過(guò)多年來(lái)對(duì)內(nèi)蒙古河套平原地下水砷污染的調(diào)查研究(高存榮, 1997, 1999, 2010; 高存栄等, 1999; 高存榮等, 2008, 2010, 2014; 劉文波等,2010; 內(nèi) モンゴル地下水ヒ素 汚 染 研究グル ー プ,2007; 金井章雄等, 2007), 在充分了解和掌握砷的化學(xué)、地球化學(xué)性質(zhì), 以及世界各國(guó)地下水砷污染狀況與分布特征的基礎(chǔ)上, 深入研究了地殼表層砷的循環(huán)與污染地下水模式, 以揭示由自然原因引起的地下水砷污染規(guī)律與機(jī)制。

1 砷在自然環(huán)境中的分布

砷在自然環(huán)境中雖然只是微量, 卻是幾乎所有的地質(zhì)體中都含有的元素之一。原始的砷幾乎均存在于巖石、礦物和礦床中, 松散巖類地層中聚集的砷絕大部分是從起源物經(jīng)生物、內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用,如: 水、風(fēng)、地震、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、火山活動(dòng)等, 和一系列的物理、化學(xué)作用而形成, 這些聚集到地層中的砷, 經(jīng)長(zhǎng)期的地質(zhì)作用, 特別是地下氧化還原條件和生物化學(xué)條件的變化使之再次遷移的現(xiàn)象發(fā)生,即造成了地下水砷污染。

目前, 已知地殼中的含砷礦物超過(guò)了 500種(Perround, 2009), 其代表性的有砷黃鐵礦[Fe(S,As)2]、毒砂(FeAsS)、雄黃(AsS)、雌黃(As2S3)、輝鈷礦(CoAsS)、紅砷鎳礦(NiAs)和臭蔥石(FeAsO4·2H2O)等, 其中砷黃鐵礦可能是礦化帶中最重要的砷來(lái)源(Nordstrom, 2000)。常見(jiàn)的造巖礦物砷含量相對(duì)比較低, 如石英、長(zhǎng)石、黑云母、角閃石、橄欖石、輝石等均小于3 mg/kg, 含量最高的是硫化物礦物和鐵的氧化物, 其中黃鐵礦(FeS2)是含砷最豐富的硫化礦物, 有些礦物砷含量甚至超過(guò)10%(Smedley et al., 2002), 這是由于砷的化學(xué)性質(zhì)與硫相近, 在礦物形成過(guò)程中砷替代硫而進(jìn)入礦物晶格; 砷在鐵氧化物中的含量同樣可達(dá)到其重量的百分之幾, 由于鐵的水合氧化物對(duì)砷的吸附較為強(qiáng)烈, 所以, 即使是在低砷濃度的溶液中, 其吸附量也可達(dá)到很大(Goldberg, 1986)。在許多氧化物和含水金屬氧化物中也發(fā)現(xiàn)了高濃度的砷, 這些砷或者成為礦物結(jié)構(gòu)的一部分, 或者以吸附態(tài)存在。當(dāng)鋁、錳水合氧化物的數(shù)量較大時(shí), 它們對(duì)砷的吸附也是很大的(Goldberg, 1986; Stollenwerk, 2003)。

雖然砷在自然界中普遍存在, 但在巖石、松散沉積物和土壤中的含量并不確定。砷在地殼的平均含量(豐度)為1.8 mg/kg(Krauskopf, 1979; Mason et al., 1982), 火山玻璃中砷含量略高, 平均約為6 mg/kg(Smedley et al., 2002); 變質(zhì)巖中砷濃度反映的是變質(zhì)前沉積巖或巖漿巖中砷的含量, 大多為5 mg/kg或更少, 典型的泥質(zhì)巖(板巖、千枚巖)通常砷含量較高, 平均約為 18 mg/kg(Smedley et al.,2002); 典型沉積巖通常砷含量范圍在5～10 mg/kg(Webster, 1999), 因沉積巖含有許多吸附了大量砷的礦物, 因而一般沉積巖相對(duì)巖漿巖和變質(zhì)巖砷含量較高。

河流與湖沼近代沉積物中砷含量多大于10 mg/kg; 砷在未被污染的土壤中的濃度普遍在 5～15 mg/kg 之間, 全世界的平均值為7.2 mg/kg(Boyle et al., 1973), 我國(guó)土壤砷含量平均為10 mg/kg(鄢明才等, 1997)。

降雨、降雪水、河水、湖沼水等通常地表水中的平均含量為0.001～0.002 mg/kg(Tanaka, 1988)。

2 全球高砷地下水分布及特征

全球高砷地下水的分布見(jiàn)圖 1, 從圖中可看出,高砷水主要分布在南北美洲科迪勒拉山系東太平洋沿岸, 以及亞洲的造山帶等。因此, 這種直觀的聯(lián)系有可能表明地下水砷含量與中新生代造山帶存在著對(duì)應(yīng)關(guān)系。

另外, 美國(guó)與歐洲的科學(xué)家通過(guò)對(duì)孟加拉國(guó)、印度西孟加拉邦以及美國(guó)新英格蘭地區(qū)高砷地下水砷源的詳細(xì)研究(Manouchehr et al., 2008; Ayotte et al., 1999, 2003), 也得出了類似的結(jié)論: 4千萬(wàn)年以前開(kāi)始形成的造山帶, 如喜馬拉雅造山帶和 2～5.4億年間形成的造山帶, 如北美洲的阿巴拉契亞造山帶, 是高砷地下水砷的主要來(lái)源區(qū)。這些造山帶與河流、湖泊、海洋沉積環(huán)境組合, 形成了高砷地下水的有利地質(zhì)環(huán)境。

圖1 全球高砷(As＞50 μg/L)地下水的分布(據(jù)Smedley et al., 2002; Appelo, 2006, 稍加修改)Fig.1 Global distribution of high-arsenic groundwater (As＞50 μg/L) (modified after Smedley et al., 2002; Appelo, 2006)

表1 全球主要國(guó)家和地區(qū)地下水砷異常情況與主要特征Table 1 Abnormal situation and major characteristics of groundwater arsenic in main countries and areas of the world

全球主要國(guó)家和地區(qū)地下水砷異常情況與主要特征見(jiàn)表1, 從圖1和表1可以看出, 目前, 全球已有近 30個(gè)國(guó)家和地區(qū)發(fā)現(xiàn)有天然來(lái)源或人為活動(dòng)污染形成的高砷地下水。這其中有亞洲的孟加拉國(guó)、印度的西孟加拉邦、越南、泰國(guó)、日本、馬來(lái)西亞、新西蘭、中國(guó)的臺(tái)灣、新疆、山西、內(nèi)蒙古等; 南美的阿根廷、智利、巴西; 北美的美國(guó)、墨西哥和加拿大; 歐洲的德國(guó)、西班牙、英國(guó)、匈牙利、羅馬尼亞、希臘、奧地利、波蘭等; 非洲的加內(nèi)和津巴布韋等。

從全球高砷地下水的分布和地下水砷異常的情況來(lái)看, 高砷地下水的成因主要分為天然和人為兩種類型。天然來(lái)源主要由于自然環(huán)境條件的變化使固定在地質(zhì)體中的砷(吸附或成礦)被活化而進(jìn)入地下水中。人為活動(dòng)污染是在人類活動(dòng)直接或間接影響下, 給地下水帶來(lái)了額外的砷, 主要包括含砷礦床的開(kāi)采、含砷農(nóng)藥的使用等。

3 地殼表層砷的循環(huán)與污染地下水模式

通過(guò)對(duì)砷的化學(xué)、地球化學(xué)性質(zhì)以及全球高砷地下水的分布、特征以及形成機(jī)理的研究, 提出了圖 2所示的地殼表層砷的循環(huán)與污染地下水模式,該模式系統(tǒng)反映了砷在陸地地殼表層遷移、聚集、再遷移的地球化學(xué)行為和循環(huán); 刻畫了砷在地表、沉積盆地、地下水盆地和平原、盆地結(jié)晶基底的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制; 揭示了砷在地殼表層遷移、聚集和再遷移循環(huán)的一個(gè)普遍規(guī)律, 以及由自然來(lái)源的砷引起的4種地下水污染類型。

3.1 礦床水污染類型

地殼表層含砷的巖石、礦物、礦床在物理、化學(xué)等的侵蝕和風(fēng)化作用下, 使部分砷分散在環(huán)境中。這部分砷在地表水的作用下, 一部分直接滲透到地下, 只有在含砷的礦床、礦坑遺址以及高礦化帶地區(qū), 形成高砷濃度的滲透水才會(huì)直接造成地下水污染, 其路徑為圖 2中的④, 巖石、礦物、礦床分解→礦坑水或淋溶水→含水層→地下水。

最具代表性的富砷礦物黃鐵礦, 是全球公認(rèn)的氧化分解后引起地下水砷污染的礦物, 關(guān)于黃鐵礦的氧化分解有許多研究(Singer et al., 1970; 笹木圭子, 1998), 在常溫下黃鐵礦的氧化分解可用以下反應(yīng)加以說(shuō)明。

反應(yīng)式(1)表明, 黃鐵礦與氧氣和水發(fā)生反應(yīng),生成了二價(jià)鐵離子和硫酸根離子; 二價(jià)鐵離子再次氧化(反應(yīng)式(2))變成三價(jià)鐵離子; 三價(jià)鐵離子與氫氧根反應(yīng)生成了氫氧化鐵沉淀(反應(yīng)式(3)); 另外,反應(yīng)式(2)生成的三價(jià)鐵離子, 又可以氧化分解黃鐵礦(反應(yīng)式(4))。由此可以推斷, 如果水體中存在有三價(jià)鐵就可以直接氧化分解黃鐵礦。一般情況下,反應(yīng)式(2)的反應(yīng)速度極其緩慢, 但是, 在反應(yīng)中如有鐵氧化細(xì)菌(Thiobacillus ferrooxidans)的參與, 其反應(yīng)速度可增加數(shù)十萬(wàn)倍(Lancy et al., 1970)。

這種污染類型, 在全球富砷礦床地區(qū)都有不同程度的存在, 主要有: 墨西哥、智利、玻利維亞、巴西、德國(guó)、泰國(guó)、希臘、英格蘭、加納、加拿大和美國(guó)的蒙大拿州、中國(guó)的云南(王振華等, 2011)等,而一般的未受污染的地表滲透水不會(huì)直接造成地下水砷污染。

圖2 地殼表層砷的循環(huán)與污染地下水模式Fig.2 Arsenic circulation and groundwater pollution pattern of the crustal surface layer

3.2 還原解吸污染類型

分散在地表土壤和河流、湖泊水體中的砷, 在生物、膠體等的作用下, 再次在土壤或河流、湖泊底部發(fā)生聚集, 這些再次聚集的砷, 經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的沉積作用過(guò)程, 由地表轉(zhuǎn)向地下, 隨著地質(zhì)歷史的發(fā)展, 由于地下環(huán)境條件和介質(zhì)條件的變化以及人類活動(dòng)因素的影響等, 砷再次從沉積物中向地下水中移動(dòng), 從而形成高砷地下水。在這一類型中, 地層中的砷多數(shù)是以被易形成膠體的金屬氧化物、氫氧化物吸附(如: 鐵、錳、鋁等)的形態(tài)而存在, 包括一些被水生生物吸收濃縮的有機(jī)砷。砷活化的主要機(jī)制是地下還原環(huán)境的增強(qiáng), pH值升高, 生物遺體的腐爛等, 使砷從金屬氧化物、氫氧化物中解吸出來(lái)。主要的化學(xué)反應(yīng)如下:

NO3–被還原成 NH3和 N2:

有機(jī)物的厭氧分解:

SO42–被還原成 H2S:

在厭氧微生物的作用下:

從上述反應(yīng)可以看出, 要使地下水中砷濃度增加, 鐵的氧化物、氫氧化物發(fā)生分解, 需要具備 3個(gè)必要的環(huán)境條件(Scott et al., 2010), 即封閉的環(huán)境或水的飽和度(限制大氣中氧氣的進(jìn)入)、有限的硫元素的提供以及有機(jī)碳的來(lái)源, 以推動(dòng)微生物還原溶解鐵的氧化物。由于這 3個(gè)條件的限制, 特別是作為一種微生物還原劑的有機(jī)碳, 是砷溶出的關(guān)鍵因素之一, 它在地層中分布的不確定性, 限制了人們對(duì)地下水中砷含量分布的預(yù)測(cè), 這也是一些高砷地區(qū)短距離內(nèi)地下水砷含量變化大的原因之所在。

另外, 從上述反應(yīng)式(5)、(7)、(8)、(11)可以看出, 隨著反應(yīng)的進(jìn)行, 水中的[HCO3–]離子濃度增加,從而使pH值升高。依據(jù)pH值的變化影響膠體所帶電荷(吸附力)的理論和試驗(yàn)研究結(jié)果(Manning et al.,1997; Sadiq, 1997; Raven et al., 1998; Gao et al.,2001; Johnston et al., 2001), 如果沉積物中的砷是以膠體吸附形態(tài)存在的話, 很容易被堿性水溶液溶解出, 這也是我國(guó)許多平原(盆地)的高砷地下水為HCO3–型弱堿性水(湯潔等, 2010, 1996; 王焰新等,2004; 高存栄等, 1999; 高存榮等, 2010; 林年豐等,1999; 韓雙寶等, 2010; 張福存等, 2010; 王連方等,2002; 蘇春利等, 2008; 王敬華等, 1998; 楊素珍等,2008; 鄧婭敏, 2008; 內(nèi) モンゴル地下水ヒ素 汚 染研究グル ー プ, 2007; 劉春華等, 2013)的原因之所在, 同時(shí)也說(shuō)明, 上述理論與我國(guó)的實(shí)際情況是相符的。

這種類型的高砷地下水主要分布在古河道、古湖泊、古河流的交匯處或河流入海三角洲等地區(qū),其路徑見(jiàn)圖 2中的①和②, 因?yàn)楹恿魉鶐У哪z體物質(zhì)易沉淀在介質(zhì)條件發(fā)生變化的區(qū)域(由于膠體電荷中和)。在全球的實(shí)例有: 孟加拉國(guó)、印度孟加拉邦、越南、中國(guó)的臺(tái)灣、內(nèi)蒙古、新疆、山西和西班牙、匈牙利、羅馬尼亞等。

孟加拉國(guó)高砷地下水被大多數(shù)專家認(rèn)為屬于還原解吸污染類型, 砷通過(guò)自然因素(包括從鐵的氫氧化物還原溶解)進(jìn)入淺層沖積含水層, 是被普遍接受的主要機(jī)制(Bhattacharya et al., 2006;Nickson et al., 2000; BGS et al., 2001; Smedley et al.,2002; Routh et al., 2000; McArthur et al., 2004;Dowling et al., 2002; Anawar et al., 2003)。除了Fe3+的氫氧化物外, 其它一些固相, 如Mn、Al的氫氧化物和層狀硅酸鹽, 也對(duì)砷的循環(huán)和遷移起著重要的作用(Foster et al., 2000; Breit et al., 2001; Kent et al.,2004; Saunders et al., 2005)。

圖3為孟加拉盆地地下水砷污染模式。砷污染是在微生物作用下, 泥炭等有機(jī)堆積物分解產(chǎn)生的還原環(huán)境, 使吸附在氫氧化鐵中的砷釋放出來(lái), 其主要特征如下(Ravenscroft et al., 2001):

1)被砷污染的地下水溶解鐵濃度高, 溶解砷也主要以 3價(jià)的亞砷酸形式存在, 標(biāo)志著鐵的氫氧物被還原。

2)在淺層, 地下數(shù)米到10 m以內(nèi), 地下水中除個(gè)別地段外, 未發(fā)現(xiàn)砷污染, 在地下10～20 m之間的地下水中, 砷污染最嚴(yán)重, 但隨著深度的增加砷濃度有降低的傾向。

3)砷污染含水層是全新世中期的海面上升期的堆積物, 由于三角洲地區(qū)的堆積物顆粒細(xì), 具有適合泥炭等有機(jī)物大量堆積的條件, 在全新世前期的堆積物和更新世的階地堆積物形成的地區(qū), 未發(fā)現(xiàn)砷污染。

4)地下水中砷與鐵濃度的相關(guān)性并不顯著, 但是重碳酸根離子濃度在地下水中相當(dāng)高, 被認(rèn)為是有機(jī)物質(zhì)所致。

5)地下水中溶解氨濃度也很高, 也認(rèn)為主要是有機(jī)物所致, 一部分來(lái)自于排泄物。

圖3中, 在地表以下近10 m的泥炭層附近, 放置濾水管井的砷污染最為嚴(yán)重, 圖中的B井和C井。

圖3 孟加拉盆地地下水砷污染模式圖(據(jù)Ravenscroft et al., 2001, 稍加修改)Fig.3 Model of arsenic pollution in the Bengal Basin(modified after Ravenscroft et al., 2001)

河套平原是我國(guó)干旱半干旱地區(qū)地下水砷污染較為典型的地區(qū)之一, 目前, 地下水中砷的主要分布地層中, 據(jù)高存栄等(1999)、高存榮等(2008,2010)的研究, 砷主要以非晶質(zhì)的無(wú)機(jī)化合物膠體狀態(tài)存在, 特別是與[Fe(OH)3]n或[Fe(OH)3]+Fe3+的吸著狀態(tài)沉積或吸著在粘土和砂質(zhì)顆粒物的表面,鉆探巖芯溶出實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明, 堿性水對(duì)河套平原沉積物中砷的溶出起了很大作用。研究認(rèn)為, 河套平原地層中砷溶出的主要因素是: 封閉的還原環(huán)境,促進(jìn)了 Fe(OH)3的還原溶解; 堿性水溶液的存在,使 pH 值升高, 從而使膠體所帶電荷(吸附力)降低;大量地表水灌溉水的入滲, 使地下水水位抬升, 還原環(huán)境增強(qiáng)。河套平原中部地下水砷的污染模式見(jiàn)圖4, 其主要特征如下:

1)污染區(qū)既是高砷水, 也是高鐵水, 同時(shí)又是高 HCO3–和脫硫酸區(qū), 地層中的總鐵含量與總砷含量呈正相關(guān)關(guān)系。

2)地下水的ORP值均顯示負(fù)值的還原環(huán)境, 砷含量隨著地下水位的變化而變化, 呈現(xiàn)高水位期砷含量高、低水位期砷含量相對(duì)低的變化規(guī)律。

3)含水層為全新世和上更新世沖積湖積相沉積物, 在10～50 m的深度范圍內(nèi), 沉積物中的砷含量高, 相對(duì)應(yīng)的地下水中的砷含量也高, 反之則地下水中的砷含量低。

4)地下水中的砷含量在短距離之內(nèi)變化較大。

3.3 原生后生礦物氧化分解污染類型

圖4 河套平原中部地下水砷的污染模式Fig.4 Pattern of arsenic concentration in the strata of Hetao Plain, Inner Mongolia

地表一些含砷的巖石、礦物、礦床的風(fēng)化碎屑物, 在地表水、風(fēng)等外動(dòng)力的作用下, 很容易被搬運(yùn)到一些河、湖中形成含砷礦物的沉積物; 另外在一些大型的湖盆中, 在長(zhǎng)期的生物、化學(xué)作用過(guò)程中,也會(huì)形成一定數(shù)量富含砷的礦物, 如: 褐鐵礦[nFe2O3·mH2O(n=1～3、m=1～4)]等。存在于地下沉積物中的原生和后生含砷礦物, 隨著地下環(huán)境條件的變化, 特別是在微生物和細(xì)菌的作用下, 又將這些礦物氧化分解, 從而形成高砷地下水。微生物和細(xì)菌分解含砷硫化物礦物已被許多實(shí)驗(yàn)所證實(shí)(吉村など, 2003), 如異化鐵還原細(xì)菌(Shewanella alga)將臭蔥石(FeAsO4·2H2O)中的 Fe3+還原成 Fe2+, 在這個(gè)過(guò)程中釋放出 As5+(Cummings et al., 1999)。Chakraborti等(2001)認(rèn)為孟加拉國(guó)也存在黃鐵礦等硫化礦物的氧化因素。主要的化學(xué)反應(yīng)如下:

這種類型的地下水砷污染與第二種類型基本相似, 主要分布在大型的沖積湖積盆地、河流三角洲及海陸交互相與海相沉積盆地, 其路徑見(jiàn)圖 2中的③。在全球的實(shí)例有: 日本的大阪(益田晴恵等,1999), 美國(guó)的威斯康星州(Welch et al., 2003)、密執(zhí)安州(Sarah, 2003)和新英格蘭地區(qū)(Stollenwerk,2003)等。

3.4 富砷地?zé)釡厝廴绢愋?/h3>

地?zé)崴蜏厝且鹪S多國(guó)家和地區(qū)地下水砷污染的原因之一。含砷地?zé)崴氖吕谌澜缍枷嗤? 日本地?zé)崴钠骄楹繛?.57 mg/L, 最高達(dá)25.7 mg/L, 溫泉水的平均砷含量為0.3 mg/L,最高達(dá)130 mg/L(島田允堯, 2009)。在高砷結(jié)晶基底和火山活動(dòng)相對(duì)活躍的地區(qū), 由于地殼運(yùn)動(dòng)或斷裂活動(dòng), 將含砷的深層地?zé)崴?、溫泉水、鹽鹵水等, 沿地層中的斷裂、裂隙通道運(yùn)移到地表或淺部含水層中, 與淺層淡水混合而形成高砷地下水, 其污染模式示意圖見(jiàn)圖 5。由于地殼運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的斷裂凹陷地帶, 往往在地表最易形成河流, 所以深層的高砷水一部分涌出地表, 進(jìn)入地表水體與周圍環(huán)境, 按照如前所述的過(guò)程進(jìn)行再聚集和再遷移的循環(huán), 而另一部直接混入地下淡水中, 形成高砷地下水, 同時(shí)也可能引發(fā)部分地區(qū)地下水咸化, 其路徑見(jiàn)圖 2中的⑤。

圖5 斷裂運(yùn)移聚集模式Fig.5 Pattern of fault migration and contamination

這種類型主要分布在斷裂活動(dòng)地帶、地?zé)崴蜏厝雎兜牡貐^(qū)。在美國(guó)、日本、新西蘭、智利、阿根廷等國(guó)家和地區(qū), 都有關(guān)于地?zé)釁^(qū)高砷地下水的記載(Smedley et al., 2002); 美國(guó)新墨西哥州的里歐格蘭河中游地區(qū)的地下水砷污染, 就是通過(guò)斷層將含有高砷濃度的深層地下運(yùn)移到淺層形成的污染(Bexfield et al., 2003), 我國(guó)河套平原西部的砷污染區(qū)也存在同樣的機(jī)制(高存榮, 2010)。

世界各國(guó)地下水砷污染狀況、分布特征以及成因機(jī)理表明, 一個(gè)地區(qū)或一個(gè)沉積盆地發(fā)生的地下水砷污染并非是單一因素所致, 往往是多種因素復(fù)合作用的結(jié)果。如孟加拉盆地可能至少存在以上所談的兩種污染類型, 即還原解吸和原生后生礦物氧化分解污染類型, 內(nèi)蒙古河套平原也同樣至少存在還原解吸和富砷地?zé)釡厝廴绢愋汀?/p>

綜上, 地下水盆地中存在的砷, 在一定的環(huán)境條件下, 一部分向地表涌出, 或經(jīng)甲基化蒸發(fā)到空氣中, 然后經(jīng)降雨再回到地表水中, 另一部分向深層滲透返回到深層地下水中, 這樣形成了一個(gè)如圖2所示的循環(huán)過(guò)程。因此, 地下水砷污染是砷在地殼表層循環(huán)過(guò)程中發(fā)生的一種環(huán)境水文地球化學(xué)現(xiàn)象。

4 結(jié)論和建議

1)提出了地殼表層砷的循環(huán)與污染地下水模式,初步揭示了砷在地表、沉積盆地、地下水盆地和平原、盆地結(jié)晶基底的遷移、轉(zhuǎn)化和富集機(jī)理。通過(guò)該模式在基本掌握某一地區(qū)地質(zhì)環(huán)境背景的情況下,可以初步預(yù)測(cè)其可能發(fā)生地下水砷污染的地段。

2)由自然原因引起的地下水砷污染可以概括為4種類型, 即礦床水污染類型、還原解吸污染類型、原生后生礦物氧化分解污染類型和富砷地?zé)釡厝廴绢愋汀?/p>

3)在還原解吸污染類型中, 封閉的環(huán)境(或水的飽和度)、硫元素和有機(jī)碳的存在, 是地層中砷溶出的主要影響因素, 特別是作為一種微生物還原劑的有機(jī)碳, 是砷溶出的最關(guān)鍵因素, 它在地層中分布的不確定性, 限制了對(duì)地下水中砷含量分布的預(yù)測(cè)。

4)地下水砷污染的本質(zhì)是砷在地殼表層循環(huán)過(guò)程中發(fā)生的一種環(huán)境水文地球化學(xué)現(xiàn)象, 污染區(qū)的分布與特定的地質(zhì)、地理背景和環(huán)境條件有關(guān)。

5)較為封閉的沖積或湖積平原、河流入湖或入海的三角洲地區(qū)以及古河道、古湖泊是現(xiàn)代地質(zhì)環(huán)境中砷易聚集的地區(qū), 建議加強(qiáng)對(duì)這些地區(qū)地下水的調(diào)查與監(jiān)測(cè)。

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