大同盆地地下水砷异常及其成因研究

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1、第37卷第3期2010年6月中国地质GEoLoGYINCHINAV01．37．No．3Jun．，2010大同盆地地下水砷异常及其成因研究王焰新苏春利谢先军谢作明(中国地质大学(武汉)环境学院及教育部生物地质与环境地质重点实验室，湖北武汉430074)提要：大同盆地是中国典型的原生高砷地下水分布区。笔者对大同盆地高砷地下水的分布特征、水化学演化过程、砷的来源以及控制高砷地下水形成的地球化学过程等近期研究成果进行了总结。盆地周边石炭一二叠纪煤系地层是盆地高砷环境的主要原生物源．含水层系统中铁磁性矿物为砷的主要载体．盆地内富含有机质的湖相沉积物是次生

2、富砷介质。在盆地中心，地下水径流受阻，蒸发成为主要的排泄方式，浓缩作用使得地下水中TDS含量增大。在富含有机质的地层中，有机质在细菌或微生物作用下不断发生分解，使得地下水环境呈还原性。在高pH、低Eh条件下，由于铁锰氧化物或氢氧化物等水合物或粘土矿物对砷的吸附性降低，一部分被吸附的砷从这些矿物表面解吸：同时部分铁锰氧化物可被还原为低价态可溶性铁锰，从而使与其结合的砷也得以释放进入地下水中。在还原条件下．水中的s07和有机碳可被还原成H5和CH4等低价态化合物，尽管生成的硫化物达到一定浓度时可与水中的亚铁离子和砷反应生成FeAsS沉淀。降低了地下

3、水中砷含量。但由于地下水中Fe和硫酸盐含量有限。Fe普遍含量较低，硫酸盐耗尽后，CH．生成细菌就会成为主导力量，砷就会继续在地下水中积聚。此外，由于pH的升高，还可引起其他不同的酸根离子的解吸，如磷酸根、钒酸根、铀酰和钼酸根等也趋向于在溶液中积累，这些被吸附的阴离子以竞争吸附方式。进一步促进砷的解吸。关键词：大同盆地；砷；浅层地下水；环境磁学；环境矿物学；生物地球化学；中图分类号：P641．3文献标志码：A文章编号：1000—3657(2010)03—0771—101引言砷是地下水中常见的污染物．当今世界有数亿人口受到原生高砷地下水的影响II】

4、。受高砷地下水影响的国家主要有孟加拉国、印度、缅甸、越南、阿根廷、美国及中国旧。其中以孟加拉、印度和中国最严重。中国的原生高砷地下水主要分布在山西大同盆地、内蒙古河套平原、新疆及台湾等地嗍。原生高砷地下水及其引起的地方性砷中毒．引起了国际水文地球化学界的广泛关注．主要在以下方面开展了大量研究：(1)原生高砷地下水成因研究。包括铁的氧化物／氢氧化物还原模式盔H、黄铁矿／含砷黄铁矿氧化模式{9-lol、砷的吸附与解吸附模式【11卅及微生物作用模式【14_t1等；(2)原生高砷地下水中砷来源研究：(3)原生高砷地下水系统演化研究等方面。山西大同盆地共

5、有3个县／市(山阴县、应县、朔城区)属于饮水型砷中毒病区。1个县／市(大同市天镇县)属于饮水型高砷区。其中，盆地中心的山阴一带是砷的主要富集区。笔者近年来对大同盆地孔隙水的采样分析也表明：山阴县、应县和朔城区一带地下水砷含量普遍高于中国的饮用水砷标准(10肛∥L)。目前，仅山阴县饮用高砷水的人El约有3．5万．中毒病区涉及20多个乡镇63个村庄。患病人数5087人，患病率达12．05％llsl。自20世纪90年代在大同盆地发现饮水型砷中毒病例以来．该地区出现的高砷地下水已引起了广泛重视，并展开了大量的科学研究工作。通过对本区高砷地下水10余年的

6、科学研究．结合当前高砷地下水研究的发展趋势．笔者系统综述了在收稿日期：2010—02-05：改回日期：2010-04-26基金项目：国家自然科学基金(40802058、40830748和40902071)、科技部国际合作计划和中国地质调查局地质大调查项目资助。作者简介：王焰新，男，1963年生，博士，教授，主要从事水文地球化学、地下水污染及舫治等领域的研究；E-maihyx．Wmg@cl】g．edu．cn。2大同盆地高砷地下水的分布及赋存环境2．1高砷地下水分布特点大同盆地位于山西地堑系的北端．东西长250km，南北宽330km，北、西、南三面

7、为中低山环绕。桑干河是该盆地主干河流，发源于盆地西南宁武县的管涔山，由西南向东北贯穿整个盆地。高砷地下水呈条带状分布于盆地中南部，从朔州市东部穿越山阴县至应县，在宽约6km、长约90km的范围内形成地下水砷富集带。在水平方向上，从山前倾斜平原前缘向冲湖积平原中心，水砷含量递增，主要分布在分布在15"-60111深的范围内。砷的最大浓度出现在深约20rrl处。少数分布在100m到150m深的地下水中也含有相当高的砷浓度，深度小于100m的地下水中砷含量普遍高于深度大于100m的地下水中砷的含量【21】。2．2高砷地下水赋存环境大范围的高砷地下水经

8、常存在于两种典型的环境下阁：一是干旱或半干旱地区的内陆或封闭盆地．另～种是由冲积层形成的处于强还原条件下的含水层。两种环境均倾向于具有形成于地质历史上