长江南京段沉积物元素特征及地球化学意义

朱伯万,潘永敏,陆 彦

(江苏省地质调查研究院,江苏 南京 210018)

长江南京段沉积物元素特征及地球化学意义

朱伯万,潘永敏,陆 彦

(江苏省地质调查研究院,江苏 南京 210018)

采集了长江南京八卦洲段悬浮物、漫滩柱状沉积物和表层沉积物样品 ,分析了 Al、Fe、Mn、Hg、Ni、Cr、Cu、Pb、Cd、Co、Zn含量。结果表明,柱状沉积物元素含量垂向变化较小,反映沉积物来源比较稳定;表层沉积物微量元素含量因子分析反映元素主要受流域地质影响,Cd、Cu、Pb、Zn等元素还叠加人为活动的影响;悬浮物与长江中下游成矿带地质体的 Pb同位素206Pb/207Pb比值非常接近,表明长江中下游成矿带来源悬浮物携带以 Cd为代表的重金属对江苏沿江土壤重金属富集胚层起着重要的塑造作用。

沉积物;元素;沉积柱;长江南京段

1 采样和分析方法

1.1 样品采集

本研究的沉积物样品采自于南京八卦洲的江漫滩,研究区采样点位置分布情况见图 1。用自制取泥筒采集表层底泥,取表层 0cm～10cm软泥除去杂物后装入布袋,共采集了 43个表层沉积物。在八卦洲头和洲尾共采取了 2个沉积柱,长度分别是110cm,160cm,按 10cm间距分割成 1个样品,用密封塑料封装。悬浮物样品布置在 4条长江剖面上,利用真空泵减压过滤长江水,将粘附在醋酸纤维膜上长江悬浮物颗粒平放入烘箱内低温 (保持 45℃左右)烘干,烘至滤膜边界卷起时,带上洁净的一次性聚乙烯手套,将滤膜上的悬浮颗粒物剥落装入洁净的样品袋,并继续低温下烘干备用。

1.2 样品分析

将采集好的淤泥自然风干,去除植物根系及砾石等杂质,缩分取出 50g,研磨后过 0.074mm(200目 )筛 ,于塑料瓶中保存。Al2O3、Fe2O3、Cr、Cu、Mn、Ni、Pb、Zn的测定采用 X射线荧光光谱法;Co的测定采用等离子体质谱法;Cd和 Hg的测定,用 HC1-HNO3-HF-HC lO4消化,其中 Cd采用石墨炉原子吸收法分析,Hg采用冷原子荧光光谱法。分析采用国家标准样 (CBW07401)进行全过程分析质量控制,分析误差都在国家标准允许范围内。本次研究采集的样品元素含量测试由江苏省地质调查研究院完成,Pb同位素分析由南京大学内生金属成矿机制国家重点实验室完成。

图1 研究区样品采样点位示意图

2 结果与讨论

2.1 漫滩沉积物元素地球化学特征

2.1.1 漫滩沉积物元素含量特征 环八卦洲采集了 43个漫滩表层沉积物,元素含量统计见表 1。Al、Fe、Mn、Ni、Cr等元素含量具有较小的含量范围和变异系数 (小于 30%),这些元素 (除 Fe外,)含量中值与地壳中的含量比较接近;Pb、Cd、Hg等元素的最大值与最小值相差 10倍左右,元素含量具有中等变异系数,元素含量中值明显高于它们在地壳中的含量,而 Cu、Zn两个元素含量范围变化非常显著,且这两个元素含量的算术均值与中值相差比较大,它们具有非常大的变异系数,分别为 403%和 143%,反映了 Zn、Cu空间变异性比较大,这种较大的空间变异性往往与局部点源污染有关。通过比较发现,Pb、Zn、Cu最高含量点都在同一个采样点,该采样点位于八卦洲西侧,与南京钢铁厂、热电厂等隔江相望。

表1 环八卦洲漫滩沉积物元素含量参数统计

2.1.2 因子分析 因子分析是一种多变量统计方法,一般用来减少数据变量却能有效提取原始数据隐含的信息。因子分析可以揭示微量元素间共生组合及成因关系,沉积物元素含量之间的相关系数见表 2。由表可以看出,八卦洲江漫滩沉积物 Al、Fe、Mn、Ni、Cr元素含量之间均呈极显著正相关 (r＞0.90),Cd与 Al、Fe、Mn、Ni、Cr元素含量之间也呈现显著正相关水平,Hg与其大部分元素含量之间呈显著正相关,Cu、Pb、Zn元素含量之间也呈极显著正相关 (r＞0.90),然而 ,Cu、Pb、Zn与 Al、Fe、Mn元素之间没有显著相关性,根据相似的地球化学特征或物质来源的元素具有较好的相关性,可以推断出 Al、Fe、Mn、Ni、Cr、Hg元素可能具有相同的来源 ,而 Cu、Pb、Zn元素可能具有相似的来源。

表2 环八卦洲江漫滩沉积物元素含量相关系数

对沉积物的 Al、Fe、Mn、Ni、Cr、Hg、Cu、Pb、Zn含量 9项特征指标进行主成分分析,获得大于 1的特征值共有两个,与其对应的两个主成分累计贡献率为86.9%,一般认为,成分累计贡献率能达到 80%就表明主因子基本能包含所有变量来源信息。前两个主成分因子的负荷见图 2。由图 2可看出,Al、Fe、Mn、Ni、Cr、Cd、Hg元素为一类 ,对主成分 1有很大的负荷量;Cu、Pb、Zn元素为一类,对主成分 2有很大的负荷量,同一类元素在性质上具有相似性,如相同的物质来源。Fe、Al、Mn元素主要为典型的亲石元素,主要受流域地质作用影响,对主成分 1有很大负荷量的Al、Fe、Mn、Ni、Cr、Cd、Hg主要为地质成因 ,较高的 Cd含量也反映了它叠加人为活动的影响;而 Cu、Pb、Zn具有较高的含量、较大的变异系数,表明这些元素受环八卦洲地区人类活动影响较大。

图2 八卦洲漫滩沉积物元素 PC1和 PC2负荷图

2.2 漫滩沉积柱元素地球化学特征

漫滩沉积物是长江水与陆地长期相互作用沉积的结果,沉积物重金属元素含量反映了水 -颗粒物动态平衡的浓度,它能反映了不同历史时期沉积物的含量状况及记载可能发生的事件。

2.2.1 八卦洲头沉积柱重金属含量垂向分布特征

八卦洲头柱状沉积物 Al2O3、Fe2O3、Mn、Cu、Ni、Cr、Zn、Pb、Cd、Hg元素含量垂向分布见图 3。八卦洲头柱状沉积物元素的平均含量分别为 Al2O3(13.8%),Fe2O3(6.28%),Mn(1 030mg/kg),Cu(66mg/kg),Ni(50.7mg/kg),Cr(94mg/kg),Zn(137mg/kg),Pb(54.5 mg/kg),Cd(0.83mg/kg),Hg(0.15mg/kg)。Al2O3、Fe2O3含量范围非常小 ,分别为11.3%～15.6%和 4.97%～7.37%,两元素含量具有非常相似的垂向变化特征模式,表现为由深至表层,元素含量几乎不变,从而表明柱状沉积物质来源相对比较稳定,由于 Fe、Al是典型的亲石元素,表明沉积物主要来源于长江流域的岩石风化产物。Mn、Cu、Ni、Cr、Zn、Pb、Cd、Hg元素也具有非常相近的垂向变化特征模式,与 Al2O3、Fe2O3含量垂向变化特征模式相比,从沉积柱的深层至表层,这些元素含量呈现振荡式总体保持不变的趋势,这是因为漫滩一直处于水陆交互相环境,水动力作用较强,它是沉积颗粒物在动荡水环境中沉淀的结果。这些元素含量在40cm～50cm之间出现较大的起伏,这与沉积物Al2O3、Fe2O3含量微小变化影响沉积物颗粒、影响重金属吸附有关。

2.2.2 八卦洲尾沉积柱重金属含量垂向分布特征

八卦洲尾柱状沉积物 Al2O3、Fe2O3、Mn、Cu、Ni、Cr、Zn、Pb、Cd、Hg元素含量垂向分布见图 4,柱状沉积物元素的平均含量分别为 Al2O3(13.9%)、Fe2O3(6.42%)、Mn(980mg/kg)、Cu(56.2mg/kg)、Ni(46.6mg/kg)、Cr(96.5mg/kg)、Zn(108mg/kg)、Pb(27.7mg/kg)、Cd(0.41mg/kg)、Hg(0.11mg/kg)。Al2O3、Fe2O3含量范围非常小,分别为 12.2%～15.1%和 5.62%～7.29%,两元素含量具有非常相似的垂向变化特征模式,表现为由深至表层,元素含量几乎不变,从而表明柱状沉积物质来源相对比较稳定,由于 Fe、Al是典型的亲石元素,表明沉积物主要来源于长江流域的岩石风化产物。Mn、Cu、Ni、Cr、Zn、Pb、Cd、Hg元素也具有非常相近的垂向变化特征模式,从沉积柱的深层至表层,这些元素含量呈现振荡式总体保持不变的趋势,这是因为漫滩一直处于水陆交互相环境,水动力作用较强,它是沉积颗粒物在动荡水环境中沉淀的结果。

通过对比八卦洲头、尾两个柱状沉积物重金属元素含量垂向变化特征模式及元素平均含量可以看出,八卦洲头沉积物重金属元素含量明显要较洲尾的高,而且沉积物主要来源于长江流域岩石风化产物,可以进一步推测,长江悬浮物颗粒携带的重金属元素在八卦洲地区沉淀下来,为长江带重金属富集胚层奠定了物质基础。

2.3 悬浮物地球化学特征

图3 八卦洲头柱状沉积物元素含量垂向分布图

悬浮物是水体污染物迁移的主要载体,当水体pH、Eh等条件发生变化时,悬浮物将会释放吸附的污染物,对水环境产生二次污染,而且悬浮物中的金属含量往往比水中高出数倍,有时甚至可达几个数量级,因此悬浮物的重金属调查对揭示水环境的污染效应与水体净化规律有着极其重要的意义。本次调查的 4条剖面共 22个悬浮物样品,分析参数统计见表 3。由表 3可见 ,Cr、Mn、Cu、Zn、Cd、Pb、Co元素含量范围都比较小,平均含量由高至低依次是Mn＞Zn＞Cu＞Cr＞Pb＞Co≫ Cd,各元素的变异系数都比较小,均在 30%以下,表明这些元素的空间变异性比较小。

与长江干流沉积物金属元素二级标准相比,八卦洲地区长江悬浮物中 Cu、Zn、Cd、Pb等元素含量相对较高,其中 Cu和 Cd,分别高出二级标准的69%和 242%,表明八卦洲地区长江水悬浮物中这些元素的含量明显偏高,而 Cr、Mn、Co等元素含量与二级标准比较接近。与长江干流城市江段中泓沉降物元素的含量均值相比,八卦洲地区长江悬浮物中 Cr、Cu、Cd含量也明显偏高,Zn含量明显偏低,而两者的 Mn、Pb、Co含量比较接近。与长江流城市江段近岸水域沉降物元素含量均值相比,八卦洲地区长江悬浮物 Cd含量明显偏高,Cr、Mn、Cu、Co等含量基本保持不变,而 Zn、Pb则明显偏低。因此可以看出,与长江源头、长江干流相比,八卦洲地区长江水及悬浮物 Cd、Cu等重金属含量都明显偏高。朱圣清等报道,21个沿江主要城市污染状况从重到轻的顺序为攀枝花、宜昌、南京、武汉、上海、重庆、芜湖、涪陵、镇江、马鞍山、九江、泸州、鄂州、黄石、南通、宜宾、安庆、沙市、万县、铜陵、岳阳 ,其中攀枝花、宜昌、南京、武汉、上海、重庆 6个城市累计污染百分率为 65%,表明不同江段受沿岸城市的影响程度是不一样的。综上所述,可以看出长江南京段悬浮物重金属 (尤其是Cd元素)污染程度比较高。

图4 八卦洲尾柱状沉积物元素含量垂向分布图

表3 环八卦洲悬浮物重金属含量参数统计

2.4 同位素比值特征

在环境污染研究方面,常常利用铅同位素特殊的“指纹”特征来示踪铅污染的来源。206Pb/207Pb比值是一个非常重要的同位素比值,它能有效指示铅的不同来源,背景铅有较高的206Pb/207Pb比值,而来源于冶炼、铅矿、煤及相关产物来源的污染铅有比较低的206Pb/207Pb比值。南京位于长江下游,地理位置特殊,其上游从湖北武汉至江苏镇江一带发育有200多个铁 -铜 -铅 -锌 -金 -银等多金属矿床 (即中国东部著名的多金属成矿带)。笔者收集了该多金属成矿带上 40个矿床、基岩和地层中铅同位素比值,它们的206Pb/207Pb比值位于 1.143～1.180较小范围内,主要集中于 1.16～1.17之间,远远低于前人报道背景值的206Pb/207Pb比值 (1.52),这与多金属成矿带具有较低的206Pb/207Pb比值有密切关系。它们与本次分析悬浮物的206Pb/207Pb比值 (1.167～1.795)非常相近,表明两者在物质组成上具有亲源性。

前人研究表明,多金属成矿带是长江悬浮物中Cd的最大供应源。多年的监测结果也表明,就安徽铜陵而言,每年随工矿企业污水向长江排放的 Cu、Pb、Zn、Cd总量大约为 700t,其中 Cu、Zn各占 40%左右,Pb占 15%,Cd占 5%。赵传东等人研究表明,铜陵矿区河流悬浮物具有最大的 Cd输出通量。为了解八卦洲悬浮物中 Cd与上游矿区来源 Cd的关系,作了 Zn/Cd-Pb/Cd协变图 (图 5),由图 5可以明显看出,八卦洲沉积物、悬浮物与矿区悬浮物的Zn/Cd-Pb/Cd总体成一条直线,也反映它们具有相似元素地球化学特征和物质来源,因此可以认为,江苏上游 (多金属成矿带)悬浮物携带的以 Cd为代表的重金属对江苏省沿江两岸土壤重金属富集胚层起到重要作用。

图5 不同采样介质 Zn/Cd-Pb/Cd协变图

3 结 语

八卦洲柱状沉积物的元素含量分布特征表明悬浮物来源比较稳定,它是携带上游流域微量元素颗粒物在动态水环境沉淀的结果。环八卦洲表层沉积物元素含量特征与因子分析表明,元素特征主要受上游流域地质背景的影响,但 Cd、Cu、Pb、Zn等元素叠加人为活动的影响。通过八卦洲地区长江悬浮物同位素比值的示踪作用,悬浮物与长江中下游多金属成矿带有亲源性,上游悬浮物携带的以 Cd为代表的重金属对江苏沿江重金属富集胚层起着重要塑造作用。

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Elemental characteristics and geochemical significance of sediments in Nanjing section of Yangtze River

ZHU Ba i-wan,PAN Yong-m in,LU Yan

(Geological Survey of Jiangsu Province,Nanjing 210018,China)

The authors collected systemically the samples on the suspensions,sedimentary columns and surface sediments in Nanjing section in the Yangtze River and analyzed their concentrationsofAl,Fe,Mn,Hg,Ni,Cr,Cu,Pb,Cd,Co and Zn.Itwas concluded that,the vertical variation for the element concentration of columnar sediments was s mall;reflecting the sources of sediments was steady.The principal factor analysis of trace elements in surface sediments suggested that element concentrations were dominated by valley geology;however,the elements of Cd,Cu,Pb and Zn were principally associated with human activities.Similar isotope ratios between suspensions and geological mass in metal deposits along the middle and lower reaches of Yangtze River,suggesting Cd-enriched heavymetal carried by the suspension from the metallic belt of the middle and lower reaches of Yangtze River played an important role in the enrichment and molding of soils and heavymetals in deposits along the Yangtze River in Jiangsu Province.

Sediments;Element;Sed imentary column;Nanjing section of Yangtze River

P595

A

1674-3636(2010)02-0168-07

2009-08-13;

2009-08-30;编辑：陆李萍

朱伯万 (1963—),男,工程师,主要从事表生地球化学研究.

10.3969/j.issn.1674-3636.2010.02.168