雅鲁藏布江表层沉积物地球化学元素研究

陈鹏飞, 李潮流*, 康世昌,2, 张强弓, 高少鹏

(1. 中国科学院 青藏高原研究所 青藏高原地表过程与环境变化重点实验室, 北京 100085; 2. 中国科学院 寒区旱区环境与工程研究所 冰冻圈国家重点实验室, 甘肃 兰州 730000)

0 引 言

河流是陆地淡水资源的重要组成部分, 是人类生存发展的重要环境要素。对河流环境化学的研究已经引起各国政府和科学家的广泛关注[1–6], 其中河流沉积物中重金属元素的含量和分布特征是一个重要研究方向[7–8]。对河流沉积物中元素含量的研究对于了解流域元素地球化学特征, 识别水体污染等具有重要意义。上述研究已经在世界许多河流广泛开展[9–11], 国内也展开了相关河流沉积物及重金属污染[12–16]的研究。但对青藏高原最大的河流—— 雅鲁藏布江的相关研究却很少[17–18], 尤其是缺少沉积物元素含量的研究。

本文拟对采自青藏高原南部雅鲁藏布江的表层沉积物进行全样品化学分析, 测定样品中主元素和微量元素含量及分布特征; 通过相关分析方法, 探讨元素间的内在联系及元素含量与沉积物的粒径间的关系, 并建立相关元素含量与沉积物粒径间的回归方程。本研究结果将为该流域的环境保护、污染监测及评价等提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

雅鲁藏布江(以下简称为“雅江”)发源于喜马拉雅山脉北坡海拔5200 m的杰马央宗冰川, 由西向东流经日喀则、拉萨、山南、林芝四个地市, 最后经印度、孟加拉国注入印度洋(图1)。雅江在中国境内全长 2057 km, 流域面积 2.4×105km2, 该流域是西藏经济最发达的地区[19]。受印度季风的影响雅江流域降雨主要集中在6月～9月, 相应地, 河流最大流量也出现在这个时期。整个流域年降雨量差别很大, 从下游(大于1000 mm)到上游逐渐递减(小于300 mm)[20]。

1.2 研究方法

2006年10月到2007年6月, 沿雅江从上游仲巴县到下游林芝地区在河流约30 cm水深采集0～5 cm表层沉积物样品共16个(图1), 样品采集后, 装入聚乙烯塑料袋, 密封做好标记; 运回实验室后在无尘环境下阴干, 利用激光粒度仪测定样品粒径; 用玛瑙研钵把少量混匀的样品研细后, 利用ICP-MS测定元素含量, 由于河流沉积物中重金属元素的对比研究需要建立在一定的粒径标准上, 只有这样, 不同水体、不同元素的测定数据才可以进行有效的对比,其中小于20 μm和小于63 μm是最常用的粒级[21],因此本文分别用重力沉降法和湿筛法获得分离出沉积物中的上述两个粒级。

由于雅江流域山高谷深, 许多地方难以接近, 因此所采集的样品位于比较容易接近的河段。根据实验结果, 各个样品的元素含量之间具有一定规律, 而且大部分样品具有比较一致的稀土元素组成[18], 因此上述样品能较好地代表雅江沉积物的一般特征。利用电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS, X-7 Thermo Elemental)测定了沉积物全样、小于20 μm的部分和小于63 μm的部分的32种元素的含量。参考物质中除Cd的相对标准偏差(RSD)为13%外, 其余元素均优于5%。

图1 研究区位置和采样点Fig.1 Location map of the Yarlung Zangbo and sampling sites

2 结果与讨论

2.1 沉积物中元素含量

雅江表层沉积物中32种元素的平均含量、西藏土壤元素背景值[20]及中国陆壳元素丰度[22]见表 1。尽管全样中多数元素的含量与中国陆壳元素丰度值接近, 但一些元素存在异常, 如 Na、Ca、Sr和 Ba的含量低于中国陆壳元素丰度值, 主要因为Na、Ca、Sr属于强烈水迁移元素, Ba属于中等水迁移元素,容易流失; 尽管如此, 这些元素的含量均与西藏土壤元素背景值[20]相当。B、As、Cs、Bi含量明显高于中国陆壳元素丰度值, 这是由于青藏高原广泛分布着富含这些元素的页岩、片岩、千枚岩等母岩[20]。其中雅江沉积物中 Cs的含量显著高于西藏土壤元素背景值, 这主要是因为雅江流域富含Cs的钾长石含量高于青藏高原其他地区[23], 而且雅江处在亚欧板块和印度板块的缝合带上, 强烈的热液活动也可释放出大量Cs[24], 导致该元素在雅江流域基岩以及沉积物中的含量升高。

为研究雅江表层沉积物中元素含量与粒级的关系, 对比了沉积物全样、小于63 μm和小于20 μm粒级的含量。从表 1可以看出, 多数元素的含量随粒级增大呈递减趋势。这主要是因为粒级越小, 比表面积越大, 吸附的元素也就越多[25]。少数元素如Y、Zr、Hf、Th在小于63 μm的部分含量最大, 这是由于上述元素优先在一些重矿物如锆石、独居石和褐帘石中富集[26], 因而反映了这些重矿物在20～63 μm 的粒径中较高的含量[18]。

Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd 和 Pb等10种元素与人类活动密切相关, 具有显著的环境意义, 本研究进一步分析了这些元素的含量及分布特征。结果表明多数重金属元素的含量随沉积物粒径增大而递减。尤其值得关注的是 As, 全样中 As的含量与西藏土壤元素背景值基本一致, 但为中国陆壳元素丰度值的12倍。已有的研究表明雅鲁藏布江流域广泛分布富含As的页岩、片岩等, 因此可确定沉积物中的As主要来自富含As的母岩[27]。另外全样中Pb的含量略高于小于63 μm粒级样品中的含量, 这是因为Pb主要存在于粒径较大的钾长石中。由于强烈物理风化导致沉积物较粗的粒径[18], 雅江沉积物中除As外的其余9种元素含量均低于长江沉积物[13]中的含量。

表1 雅鲁藏布江沉积物样品中元素含量Table 1 Elemental concentrations of the Yarlung Zangbo River sediments

2.2 沉积物中元素间的相关分析

为探讨雅江表层沉积物中元素含量的控制因素及元素之间的关系, 对这10种元素及粒径进行相关矩阵分析(表 2)。由表 2可见, Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn之间显著相关, 可能是因为这些元素具有相似的地球化学行为和一致的物质来源[28], 即主要受该流域地表组成物质的影响。相对地, As与其他元素相关性不显著, 但As的空间分布与表层土壤相似[27],表明雅江沉积物中 As的含量主要受不同区域的岩性的控制。

2.3 沉积物中元素含量与粒径关系

通常, 重金属元素主要在细颗粒的黏土矿物中富集, 而在粗颗粒中含量很小, 我们的研究结果也表明大部分重金属元素和粒径间存在明显的负相关关系, 即粒径越小元素含量越高, 因而可以通过它们的相关关系建立一个方程。由于目前雅江流域没有大的工业污染源, 之前的研究也表明该河仍然是一条自然河流[17], 因此本研究的重金属元素含量可以作为参照, 以后在该流域进行沉积物重金属元素含量研究时, 把测得的元素含量和粒径代入建立的方程, 可以为评价该元素是否受到人类活动的影响提供参考。从表2可以看出, 10种元素中Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn 与粒径之间呈极显著负相关关系, Cr、Cd与粒径呈显著负相关关系。因此, 本研究选择与粒径相关程度高的Fe、Co、Cu、Zn元素, 对这些元素含量和粒径相关性做分析, 并给出两者之间的线性方程(图2), 同样, Mn和Ni与粒径间也显著相关,线性方程分别为: yMn= –3.186x + 903.33 (R2=0.4295), yNi= –0.3962x + 87.294 (R2= 0.4597)。尽管该流域岩性复杂, 但由于沉积物在传输过程中的混合作用, 元素组成在不同区域比较一致, 因此雅江流域大部分元素的含量主要受到粒径的控制。其中个别元素的含量受不同支流岩性的影响较大, 如沉积物全样Y1中As的高含量就是由于这一地区的母岩中As的含量较高引起的[20]。雅江沉积物As元素的含量远高于其下游河流的含量, 说明雅江的沉积物对其下游的影响还比较小; 同时, 雅江沉积物 Cd元素含量与西藏土壤背景值相当而远低于其下游的含量, 说明雅江受到人类活动的影响较小。

3 结 论

(1) 本文给出了雅江表层沉积物的基本元素特征。多数元素与西藏土壤元素背景值相差不大, 但Cr、Ni、As和 Cs高于中国陆壳元素丰度值, 其中As含量约为上地壳元素丰度值的 12倍, 这些富集的元素均来自雅江流域的母岩。

(2) 沉积物全样中10种重金属元素的含量分布分别为: 15.59～130.8 mg/kg、320.1～827.9 mg/kg、11870～37810 mg/kg、3.64～17.1 mg/kg、9.74～87 mg/kg、8.78～43.74 mg/kg、28.7～106 mg/kg、14.01～35.25 mg/kg、0.06～0.18 mg/kg、22.19～53.45 mg/kg, 相应地, 小于20 μm和小于63 μm部分的元素含量更高。

表2 雅鲁藏布江沉积物中元素和粒径相关性分析Table 2 Correlation coefficients among elements and the mean grain size in the Yarlung Zangbo River bulk sediments

图2 元素与粒径相关趋势图Fig.2 The relationship between elemental concentrations and the mean grain size

(3) Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn 之间相关性很强, As与其他元素均不相关, Cd与Zn、Pb显著相关, 与其他元素不相关。

(4) 多数元素与沉积物粒径呈现负相关关系,即粒径越小元素含量越高。计算出Cu、Zn、Fe、Co的含量与粒径关系方程式分别为 yCu= –0.2481x +51.44, yZn= –0.5348x + 122.63, yFe= –191.35x +48336, yCo= –0.0958x + 20.861, yMn= –3.186x +903.33, yNi= –0.3962x + 87.294, 可以为评价雅江表层沉积物中这些元素是否受到人类影响提供参考。

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