长江流域四川段Cd异常源追踪

黄修保 严如忠 龚 敏

(1.中国地质科学院矿产资源研究所,北京100037;2.江西省地质矿产勘查开发局,南昌 330002;3.中国地质大学地球科学学院,武汉430074)

中国地质调查局从1999年开展覆盖区1∶250 000多目标地球化学试点调查以来,已先后在长江流域的四川、重庆、湖北、湖南、江西、安徽、浙江、江苏、上海9个省及直辖市部署1∶250 000多目标区域地球化学调查,面积达 0.36×106km2[1,2]。初步调查结果显示,从长江源头的沱沱河至宜昌的上游地区、从宜昌至湖口的中游地区及湖口以下的下游地区,沿江及两岸平原区出现宽度达几十千米至数百千米、贯穿全流域的重金属元素Cd异常带,使之成为很多学者关注的热点[3～9]。

长江流域四川段位于长江上游,汇水流域面积约0.45×106km2,约占长江流域总面积的25%,基本涵盖四川全省范围。长江流域汇水面积超过0.1×106km2的四条支流中有涪江-嘉陵江-渠江、大渡河-岷江、雅砻江三条支流分布在四川境内(图 1)。研究区区域构造上从西到东、从北到南依次为松潘-甘孜褶皱带、龙门山-大巴山褶皱带、扬子地台区。

本研究是在成都经济区区域生态地球化学调查基础上开展的长江各支流Cd等异常源的追踪工作,重点研究长江流域四川段各支流Cd的来源及分布、分配特征;定量估算金沙江(含雅砻江)、岷江(含大渡河)、嘉陵江(含涪江、渠江)、沱江四大支流Cd的输出通量,评价各支流对长江Cd异常的影响。

1 分析和测试

本研究共采集悬浮物样品174件,水系沉积物93件,过滤水样24件,土壤垂直剖面27件。样品采集后,按《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》[10]要求进行加工;取小于 60目样品100 g送中国地质科学院廊坊物化探研究所及国土资源部安徽测试中心分析。采用《多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)》推荐的检出限低(w=0.03×10-6)、准确度高、精密度好的原子吸收法进行分析。分析测定的准确度和精密度(表1)由国家标准参考样和重复样控制,质量完全符合要求。

2 结果与讨论

2.1 嘉陵江、岷江、金沙江水系Cd追源

2.1.1 水系沉积物中Cd的地球化学特征

河流一级阶地土壤中Cd的化学组成可以代表早期河流冲积物的化学组成。从表2中可见,与长江水系沉积物背景值、国家土壤环境质量一级标准相比,早期各支流(除雅砻江外)水系沉积物中Cd均呈现出高背景,质量分数约为0.20×10-6。2005年各支流水系沉积物中Cd含量显著增加;岷江流域增幅最明显,Cd的质量分数增加了近一倍。其含量差异明显,岷江流域Cd的质量分数最高,其次为大渡河、金沙江、嘉陵江、雅砻江。

图1 工作区域规划图Fig.1 Regional plan map of the working area

表1 分析准确度、精密度要求Table 1 Demands of analysis accuracy and precision

2.1.2 悬浮物中Cd的地球化学特征

从图2上可见,2005年沱江、岷江、大渡河、嘉陵江丰水期悬浮物中Cd的质量分数比土壤环境质量一级标准高出2倍以上,枯水期悬浮物中Cd的质量分数比土壤环境质量标准高出12倍以上,枯水期更能反映出Cd的空间分布趋势。各流域枯水期悬浮物中Cd的质量分数在东西两侧差异明显,东侧较高,大部分都超过1.0×10-6;西侧相对较清洁,大部分介于0.2×10-6～0.6×10-6之间(图3)。这种差异主要受物源影响,西北低值区受松潘-甘孜褶皱带表壳岩系化学组成的制约,东边高值区则主要受龙门山-大巴山褶皱带的影响。

表2 长江四川段各流域河流一级阶地与水系沉积物中Cd的质量分数(w/10-6)Table 2 The mass fraction of Cd in the first level terrace and stream sediments along various basins of the Sichuan section of Yangtze River

图2 2005年各流域悬浮物中Cd的质量分数与土壤环境质量一级标准的比值Fig.2 Ratio of Cd mass fraction in suspended loads to primary standard in soil during the low water period in various basins in 2005

图3 2005年枯水期悬浮物中重金属元素Cd质量分数(w/10-6)空间分布图Fig.3 Spatial distribution of mass fraction of Cd in suspended loads during the low water period in 2005

2.1.3 各流域重金属元素Cd异常追源

嘉陵江上游水系沉积物中Cd含量比1987年以前的早期沉积物要高得多,其高值点位于广元朝天区,与本区上游北秦岭成矿带的汞矿、铅锌矿(如平武、广元、安县等地均有铅锌矿产出)分布具有良好的对应关系(图4)。

大渡河干流的泸定-水口为铜铅锌多金属矿床、矿化点分布区,与Cd的质量分数高值点密切相关。岷江干流从绵虒至眉山,水系沉积物中Cd的质量分数增加了近10倍,这与成都经济区频繁的人类活动有关;而乐山和喜捷Cd的高含量,则是大渡河汇入岷江的结果(图4)。

图4 嘉陵江和岷江干流水系沉积物Cd的质量分数(w/10-6)变化示意图Fig.4 Variation schematic diagram for mass fraction of Cd in stream sediments along the main streams of Jialinjiang River and Minjiang River

雅砻江沉积物中Cd含量较低,但流域金矿、铅锌矿等矿点在下游沉积物中也形成了低缓的异常带。金沙江干流沉积物受铅锌矿等影响,使其下游沉积物中Cd的质量分数比背景值高出3～8倍,而南溪高值点则明显是岷江汇入金沙江的结果(图5)。

综合来看,Cd的质量分数高值点明显受到流域内分布的多金属硫化物矿床或矿点的影响,但其影响范围十分有限,约占总面积的5%(图6)。

2.2 长江流域四川段水系Cd迁移量估算

水体中元素以可溶态(包括溶解物质和胶体物质)、悬浮态和泥沙的形式进行迁移(图7),那么水体中Cd的迁移通量的计算公式如下(计算所使用的数据见图8[13])：

水系总输出通量=河水携带的通量(悬浮态A+可溶态B)+泥沙携带的通量(推移质部分);

悬浮态通量(A)=多年平均流量×悬浮物浓度;

可溶态通量(B)=多年平均流量×过滤水浓度;

泥沙通量=输沙量×水系沉积物中元素含量。

以1987年获取数据为例(表3),原水携带的输出通量等于过滤水(可溶态)与悬浮态的输出通量的和,Cd的输出总通量为10.27 t/a(因为雅砻江汇入金沙江,大渡河汇入岷江,因此总通量为金沙江、嘉陵江、岷江和沱江之和)。2004～2005年数据见表4,泥沙中Cd的迁移量计算过程见表5。

图5 雅砻江及金沙江干流水系沉积物Cd的质量分数(w/10-6)变化示意图Fig.5 Variation schematic diagram for mass fraction of Cd in stream sediments along the main streams of Yalongjiang River and Jinshajiang River

表3 基于1987年悬浮物及过滤水质量分数计算的河水中Cd的通量Table 3 Cd flux in water calculated by suspended matters and infiltration water content based on the data in 1987

由表3、表4,可得 2004～2005年金沙江(含雅砻江)、岷江(含大渡河)、嘉陵江、沱江Cd的输出通量分别为77.71,34.12,33.67和7.11 t/a;1987年分别为47.43,12.30,30.35和1.10 t/a;增加了30.28,21.82,3.32,6.01 t/a。

图6 长江流域四川段Cd综合异常图(w/10-6)Fig.6 Integrated map of Cd along the Sichuan section of Yangtze River

图7 元素在水体中的迁移形式Fig.7 Migrational mode of the chemical elements inside water

长江流域四川段Cd的输出总通量,2004～2005年为152.01 t/a,相对于1987年的总通量84.91 t/a,增加了 67.10 t/a。其中2004～2005年溶解态、悬浮态和泥沙中Cd的迁移总通量分别为12.15,11.40,128.44 t/a;相对于1987年的3.60,6.67,74.64 t/a,均有增加。

图8 长江流域四川段各水系的多年平均径流量及输沙量示意图Fig.8 Schematic diagram of mean annual average run-off amount and their load discharge in various streams of the Sichuan section of the Yangtze valley

从Cd的迁移状态组成来看,1987年与2004～2005年均以泥沙迁移为主。两者比较,2004～2005年Cd输出总通量在泥沙中所占比例下降,由1987年的86.21%下降为现在的84.92%;悬浮态和溶解态比例上升,分别由6.71%和7.08%上升为现在的8.00%和7.51%。

这是因为自然来源的Cd一般存在于矿物晶格中,不易迁移,而人为活动输入环境中的Cd往往以较易迁移的非晶格态存在,因此导致了悬浮态和溶解态比例上升。特别是沱江、大渡河尤为明显,因为近20年来沱江、大渡河流域相对于金沙江和雅砻江,人类活动程度更为剧烈。

表4 基于2004～2005年悬浮物及过滤水质量分数计算的河水中Cd的通量Table 4 Cd flux in water calculated by suspended loads and infiltration water content based on the data in 2004～2005

表5 基于1987年与2004～2005年水系沉积物质量分数计算的泥沙中Cd的通量Table 5 Cd flux in sand calculated by stream sediments content based on the data in 1987 and in 2004～2005

从各流域输出通量占长江流域四川段总通量的比例来看,岷江、沱江所占比例明显增加,嘉陵江所占比例减少,金沙江略有变化。岷江、沱江Cd输出通量所占比例分别由1987年的14.14%和1.30%增加到 2004～2005年的22.45%和4.68%,嘉陵江由35.74%减少为22.15%,金沙江由48.79%变化为50.73%(见图9)。

图9 1987年与2005年各流域Cd的输出通量占长江流域四川段总通量的比例Fig.9 Proportion of Cd output flux in various basin to the total flux in the Sichuan section of the Yangtze valley in 1987 and 2005

3 结论

从以上的分析可以得出以下结论：

a.长江四川段各水系的化学组成明显受长江上游松潘-甘孜褶皱带、龙门山-大巴山褶皱带及扬子地台的流域表壳岩系化学组成的制约。

b.与长江水系沉积物背景值相比,本区早期及现代沉积物、悬浮物中重金属元素Cd均为高背景值,质量分数达0.2×10-6。

c.水系沉积物及悬浮物中Cd的高值点明显受到流域内分布的铅锌矿、金矿等多金属硫化物矿床或矿点影响;但其影响范围有限,约占总面积的5%。

d.长江四川段各水系Cd的输出通量明显增加,2004～2005年金沙江(含雅砻江)、岷江(含大渡河)、嘉陵江、沱江Cd的输出通量相对于1987年分别增加了30.28,21.82,3.32,6.01 t/a;长江流域四川段总输出通量增加了67.10 t/a。

e.人类活动频繁的岷江、沱江Cd的输出通量所占流域总通量的比例明显增加,嘉陵江所占比例减少,金沙江略有变化。岷江、沱江Cd输出通量所占比例分别由1987年的14.14%和1.30%增加到2004～2005年的22.45%和4.68%,嘉陵江由35.74%减少为22.15%,金沙江由48.79%变化为50.73%。

f.水系的组成已发生了明显的变化,水体中Cd的输出通量所占比例在泥沙中减少,在悬浮态和溶解态中增加。与1987年相比,2004～2005年长江流域四川段泥沙中Cd输出通量所占比例由1987年的86.21%下降为现在的84.92%,悬浮态和溶解态所占比例则分别由6.71%和7.08%增加为现在的8.00%和7.51%。

总之,从长江四川段各水系Cd追源的实践来看,以水系沉积物为主的多介质追源(精细的悬浮物测量、水系沉积物垂直剖面、水系流域主要岩类及风化剖面等)是实用、有效的追源方法。

[1]奚小环.生态地球化学与生态地球化学评价[J].物探与化探,2004,28(1)：10-15.

[2]王平,奚小环.全国农业地质工作的蓝图——“农业地质调查规划要点”评述[J].中国地质,2004,31(增刊)：16-29.

[3]马振东.武汉沿长江、汉江Cd高值带成因初探[J].地质通报,2005,24(8)：740-743.

[4]闭向阳,马振东,任利民,等.长江(湖北段)沉积物中微量元素的分布特征及镉的形态[J].环境化学,2005,24(3)：260-264.

[5]唐将,刘安云,邓富银.长江三峡库区土壤与水系沉积物Cd地球化学特征[J].地质通报,2005,24(8)：750-754.

[6]徐小清,邓冠强,惠嘉玉.长江三峡库区江段沉积物的重金属污染特征[J].水生生物学报,1999,23(1)：1-10.

[7]成杭新,杨忠芳,赵传冬,等.区域生态地球化学预警：问题与讨论[J].地学前缘,2004,11(2)：608-615.

[8]杨忠芳,成杭新,陈岳龙.进入21世纪的勘查地球化学：对生态地球化学的展望[J].地学前缘,2004,11(2)：600-605.

[9]成杭新,赵传冬,庄广民.贵州西部龙场地区水系沉积物Pt,Pd异常源示踪的初步研究[J].地球化学,2003,32(2)：193-200.

[10]中国地质调查局.DD2005-01,多目标区域地球化学调查规范(1∶250 000)[S].

[11]鄢明才,迟清华,顾铁新.中国东部地壳与岩石的化学组成[M].北京：科学出版社,1997：65-70.

[12]GB15618-1995,土壤环境质量标准[S].

[13]水利部长江水利委员会水文局.长江泥沙公报(2005)[R].武汉：水利部长江水利委员会,2006.