地殼表層砷的循環(huán)與污染地下水模式

銀海

摘 要：監(jiān)測和預測地下水砷污染，可以了解到自然因素引起的砷污染規(guī)律和原因。通過對某地的實地調查勘驗，就可基本了解和掌握砷的化學性質，從而可總結出地殼表層砷的循環(huán)與污染地下水模式。

關鍵詞：地殼表層；砷循環(huán)；污染

0 引言

在環(huán)境問題日益突出的情況下，由自然因素引起的地下水砷污染演變成世界環(huán)境問題。尤其是沖積層的含水層砷污染，對人們身體健康與生活水平的影響越來越明顯。從全球范圍來看，亞洲孟加拉國與印度西孟加拉邦是地下水砷污染最為嚴重的國家和區(qū)域。從資料記載中了解到，就孟加拉國至少有3 500萬人暴露有砷中毒，存在非常嚴重的健康隱患。砷是最為嚴重的致癌物質。如果長期攝入，就會提高膀胱、肝臟、前列腺以及皮膚癌的發(fā)病率。但是砷對人類健康的影響，主要看當?shù)氐膶嶋H情況。高砷飲用水是人類健康的最大威脅。實際上我國也是全球范圍內水砷污染比較嚴重的國家之一，直至2010年，就發(fā)現(xiàn)有20 114人出現(xiàn)砷中毒。因此，深入研究地殼表層砷循環(huán)與污染地下水模式，就可揭示由自然因素引起的地下水污染規(guī)律。

1 自然環(huán)境中砷的分布

即使存在于自然環(huán)境中的砷非常少，但是砷屬于地質巖石當中都有的元素之一。自然產生的砷多存在于巖石、礦床以及礦物中，而松散巖石中的砷大部分來自起源物，生物、風化以及地質作用，如地震、火山活動等，通過物理和化學作用產生[1]。通過相應的活動聚集于地層中的砷，在地質的影響下，尤其是地下氧化還原條件與生物化學條件的變化，促使其再次發(fā)生遷移，造成地下水砷污染。地殼中的砷礦物質超過500種，具有典型性的有毒砂、砷黃鐵礦、雄黃、雌黃、紅砷鎳礦以及輝鈷礦等。比較常見的巖石礦物中砷的含量并不是非常高。實際上，在大部分的氧化物與含水金屬氧化物中，可以含高濃度砷，而這些砷有的會成為礦物結構的組成部分，有的以吸附態(tài)存在。即使自然界中砷到處可見，但是在巖石、松散沉積物與土壤中含量并不能確定。

2 地殼表層砷的循環(huán)與污染地下水模式

在研究分析砷化學性質以及全球砷地下水分布情況、形成機理以及特征的基礎上，就可了解到砷在地殼表層遷移、聚集、再遷移的地球化學行為與循環(huán)，由此就可以揭示出砷在地殼表層的循環(huán)規(guī)律，并由此產生的地下水污染模式。

2.1 礦床水污染模式

地殼表層中的砷在巖石、礦床以及礦物的物理和化學作用下，會導致部分砷分散在環(huán)境中。而這些分散在地表水中的砷受到地表水的影響，部分會直接滲透到地下，唯有含有砷的礦床、高礦化地帶以及礦坑遺址形成高濃度砷滲透水，直接造成地下水污染。這種污染路徑最具代表性的就是砷礦物黃鐵礦。該種礦物質經過養(yǎng)護額分解后就會引起地下水砷污染。在黃鐵礦和氧氣、水發(fā)生反應后，就會形成二價鐵離子與硫酸根離子，而二價鐵離子會因氧化作用氧化變成三價鐵離子。各種化學反應，就會直接讓三價鐵離子直接氧化分解黃鐵礦。通常情況下，二價鐵離子的氧化速度相對緩慢，但是在反應的時候，如果有鐵氧化細菌加入其中，反應的速度就會增加好多倍。通過研究分析這種污染模式，可發(fā)現(xiàn)墨西哥、玻利維亞、希臘、中國云南、加拿大、蒙大拿州以及加拿大等國均有不同程度的富砷礦床存在。如果是沒有受到污染的地表滲透水，并不會直接引起地下水砷污染。

2.2 還原解吸污染型

砷如果分散在湖泊、地表土壤以及河流中，就會受到膠體與生物的作用，再一次地向河流、湖泊底部聚集。而這些再次聚集的砷，經過很長一段時間沉淀后，會通過地表向地下運動。隨著時間的推移，不斷變化的介質條件與環(huán)境條件以及人類活動等多種因素的影響，就會形成高砷地下水。就這一類污染模式，地殼中的砷主要是被容易形成膠體的氫氧化物以及金屬氧化物吸附存在。其中必然包含水生物吸收濃縮的有機砷。在地下還原環(huán)境增強，pH值升高的情況下，就會活化砷，導致金屬氧化物、氫氧化物中的砷被解吸出來。根據(jù)這樣的分析就可看出，地表水層中的濃度升高，分解氫氧化物與鐵氧化物，必須具備一定的條件，即封閉的環(huán)境或水的飽和度、有機碳的來源以及有限的硫元素和促進微生物還原溶解鐵的氧化物。受到這幾方面的影響，尤其是微生物還原劑的有機碳，是砷溶出的關鍵因素。如果不確定地殼分布情況，就會影響地下水中砷的含量，而這其實也是部分地區(qū)水砷含量變化的主要因素。與此同時，在各種化學反應不斷進行的過程中，水中HCO3離子濃度就會持續(xù)性的增多，導致pH值升高。砷以沉積物的狀態(tài)存在，就會被堿性的水溶解。這種類型地下水主要分布在古湖泊、古河流的交匯處或河流入海的三角洲等區(qū)域[2]。

2.3 原生與后生礦物氧化分解污染類型

受到風化作用的影響，地表中巖石、礦床以及礦物質中的砷轉化為碎屑物，同時受到地表水、風等外力的影響，很容易搬運到河流、湖泊中，由此形成含砷礦物質的沉積物。與此同時，在大型的湖盆中，受到生物與化學的影響，會產生一定數(shù)量的含砷礦物質。存在于地下沉積的原生與后生含砷礦物質，會根據(jù)環(huán)境條件的變化，尤其是細菌與微生物的作用，將此類砷礦物養(yǎng)護額分家，從而產生高砷地下水。這種類型的地下水砷污染與還原解吸污染型有一定的相似之處，多分布在沖積湖積盆地、河流三角洲、海路交互的沉積盆地。另外，還有一種富砷地熱溫泉水污染型。這種污染是引起多數(shù)國家與地區(qū)地下砷污染的主要原因之一。

3 結語

根據(jù)地殼表層砷循環(huán)與污染水地下模式，就能夠了解砷在地表、沉積盆地、平原以及地下水盆轉化、聚集以及遷移的變化過程，由此就可掌握某區(qū)域的地質環(huán)境，并預測地下水砷污染的情況。

參考文獻

[1]高存榮，馮翠娥，劉文波，等.地殼表層砷的循環(huán)與污染地下水模式[J].地球學報，2014，15（6）：741-750.

[2]董一慧，馬騰，謝先軍，等.地下水砷污染防治試驗研究[J].水利水電技術，2015，46（1）：21-25.

（作者單位：內蒙古地質礦產勘查院）