雅魯藏布江表層沉積物地球化學元素研究

陳鵬飛, 李潮流*, 康世昌,2, 張強弓, 高少鵬

(1. 中國科學院 青藏高原研究所 青藏高原地表過程與環境變化重點實驗室, 北京 100085; 2. 中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 冰凍圈國家重點實驗室, 甘肅 蘭州 730000)

0 引 言

河流是陸地淡水資源的重要組成部分, 是人類生存發展的重要環境要素。對河流環境化學的研究已經引起各國政府和科學家的廣泛關注[1–6], 其中河流沉積物中重金屬元素的含量和分布特征是一個重要研究方向[7–8]。對河流沉積物中元素含量的研究對于了解流域元素地球化學特征, 識別水體污染等具有重要意義。上述研究已經在世界許多河流廣泛開展[9–11], 國內也展開了相關河流沉積物及重金屬污染[12–16]的研究。但對青藏高原最大的河流—— 雅魯藏布江的相關研究卻很少[17–18], 尤其是缺少沉積物元素含量的研究。

本文擬對采自青藏高原南部雅魯藏布江的表層沉積物進行全樣品化學分析, 測定樣品中主元素和微量元素含量及分布特征; 通過相關分析方法, 探討元素間的內在聯系及元素含量與沉積物的粒徑間的關系, 并建立相關元素含量與沉積物粒徑間的回歸方程。本研究結果將為該流域的環境保護、污染監測及評價等提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

雅魯藏布江(以下簡稱為“雅江”)發源于喜馬拉雅山脈北坡海拔5200 m的杰馬央宗冰川, 由西向東流經日喀則、拉薩、山南、林芝四個地市, 最后經印度、孟加拉國注入印度洋(圖1)。雅江在中國境內全長 2057 km, 流域面積 2.4×105km2, 該流域是西藏經濟最發達的地區[19]。受印度季風的影響雅江流域降雨主要集中在6月～9月, 相應地, 河流最大流量也出現在這個時期。整個流域年降雨量差別很大, 從下游(大于1000 mm)到上游逐漸遞減(小于300 mm)[20]。

1.2 研究方法

2006年10月到2007年6月, 沿雅江從上游仲巴縣到下游林芝地區在河流約30 cm水深采集0～5 cm表層沉積物樣品共16個(圖1), 樣品采集后, 裝入聚乙烯塑料袋, 密封做好標記; 運回實驗室后在無塵環境下陰干, 利用激光粒度儀測定樣品粒徑; 用瑪瑙研缽把少量混勻的樣品研細后, 利用ICP-MS測定元素含量, 由于河流沉積物中重金屬元素的對比研究需要建立在一定的粒徑標準上, 只有這樣, 不同水體、不同元素的測定數據才可以進行有效的對比,其中小于20 μm和小于63 μm是最常用的粒級[21],因此本文分別用重力沉降法和濕篩法獲得分離出沉積物中的上述兩個粒級。

由于雅江流域山高谷深, 許多地方難以接近, 因此所采集的樣品位于比較容易接近的河段。根據實驗結果, 各個樣品的元素含量之間具有一定規律, 而且大部分樣品具有比較一致的稀土元素組成[18], 因此上述樣品能較好地代表雅江沉積物的一般特征。利用電感耦合等離子質譜儀(ICP-MS, X-7 Thermo Elemental)測定了沉積物全樣、小于20 μm的部分和小于63 μm的部分的32種元素的含量。參考物質中除Cd的相對標準偏差(RSD)為13%外, 其余元素均優于5%。

圖1 研究區位置和采樣點Fig.1 Location map of the Yarlung Zangbo and sampling sites

2 結果與討論

2.1 沉積物中元素含量

雅江表層沉積物中32種元素的平均含量、西藏土壤元素背景值[20]及中國陸殼元素豐度[22]見表 1。盡管全樣中多數元素的含量與中國陸殼元素豐度值接近, 但一些元素存在異常, 如 Na、Ca、Sr和 Ba的含量低于中國陸殼元素豐度值, 主要因為Na、Ca、Sr屬于強烈水遷移元素, Ba屬于中等水遷移元素,容易流失; 盡管如此, 這些元素的含量均與西藏土壤元素背景值[20]相當。B、As、Cs、Bi含量明顯高于中國陸殼元素豐度值, 這是由于青藏高原廣泛分布著富含這些元素的頁巖、片巖、千枚巖等母巖[20]。其中雅江沉積物中 Cs的含量顯著高于西藏土壤元素背景值, 這主要是因為雅江流域富含Cs的鉀長石含量高于青藏高原其他地區[23], 而且雅江處在亞歐板塊和印度板塊的縫合帶上, 強烈的熱液活動也可釋放出大量Cs[24], 導致該元素在雅江流域基巖以及沉積物中的含量升高。

為研究雅江表層沉積物中元素含量與粒級的關系, 對比了沉積物全樣、小于63 μm和小于20 μm粒級的含量。從表 1可以看出, 多數元素的含量隨粒級增大呈遞減趨勢。這主要是因為粒級越小, 比表面積越大, 吸附的元素也就越多[25]。少數元素如Y、Zr、Hf、Th在小于63 μm的部分含量最大, 這是由于上述元素優先在一些重礦物如鋯石、獨居石和褐簾石中富集[26], 因而反映了這些重礦物在20～63 μm 的粒徑中較高的含量[18]。

Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、As、Cd 和 Pb等10種元素與人類活動密切相關, 具有顯著的環境意義, 本研究進一步分析了這些元素的含量及分布特征。結果表明多數重金屬元素的含量隨沉積物粒徑增大而遞減。尤其值得關注的是 As, 全樣中 As的含量與西藏土壤元素背景值基本一致, 但為中國陸殼元素豐度值的12倍。已有的研究表明雅魯藏布江流域廣泛分布富含As的頁巖、片巖等, 因此可確定沉積物中的As主要來自富含As的母巖[27]。另外全樣中Pb的含量略高于小于63 μm粒級樣品中的含量, 這是因為Pb主要存在于粒徑較大的鉀長石中。由于強烈物理風化導致沉積物較粗的粒徑[18], 雅江沉積物中除As外的其余9種元素含量均低于長江沉積物[13]中的含量。

表1 雅魯藏布江沉積物樣品中元素含量Table 1 Elemental concentrations of the Yarlung Zangbo River sediments

2.2 沉積物中元素間的相關分析

為探討雅江表層沉積物中元素含量的控制因素及元素之間的關系, 對這10種元素及粒徑進行相關矩陣分析(表 2)。由表 2可見, Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn之間顯著相關, 可能是因為這些元素具有相似的地球化學行為和一致的物質來源[28], 即主要受該流域地表組成物質的影響。相對地, As與其他元素相關性不顯著, 但As的空間分布與表層土壤相似[27],表明雅江沉積物中 As的含量主要受不同區域的巖性的控制。

2.3 沉積物中元素含量與粒徑關系

通常, 重金屬元素主要在細顆粒的黏土礦物中富集, 而在粗顆粒中含量很小, 我們的研究結果也表明大部分重金屬元素和粒徑間存在明顯的負相關關系, 即粒徑越小元素含量越高, 因而可以通過它們的相關關系建立一個方程。由于目前雅江流域沒有大的工業污染源, 之前的研究也表明該河仍然是一條自然河流[17], 因此本研究的重金屬元素含量可以作為參照, 以后在該流域進行沉積物重金屬元素含量研究時, 把測得的元素含量和粒徑代入建立的方程, 可以為評價該元素是否受到人類活動的影響提供參考。從表2可以看出, 10種元素中Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn 與粒徑之間呈極顯著負相關關系, Cr、Cd與粒徑呈顯著負相關關系。因此, 本研究選擇與粒徑相關程度高的Fe、Co、Cu、Zn元素, 對這些元素含量和粒徑相關性做分析, 并給出兩者之間的線性方程(圖2), 同樣, Mn和Ni與粒徑間也顯著相關,線性方程分別為: yMn= –3.186x + 903.33 (R2=0.4295), yNi= –0.3962x + 87.294 (R2= 0.4597)。盡管該流域巖性復雜, 但由于沉積物在傳輸過程中的混合作用, 元素組成在不同區域比較一致, 因此雅江流域大部分元素的含量主要受到粒徑的控制。其中個別元素的含量受不同支流巖性的影響較大, 如沉積物全樣Y1中As的高含量就是由于這一地區的母巖中As的含量較高引起的[20]。雅江沉積物As元素的含量遠高于其下游河流的含量, 說明雅江的沉積物對其下游的影響還比較小; 同時, 雅江沉積物 Cd元素含量與西藏土壤背景值相當而遠低于其下游的含量, 說明雅江受到人類活動的影響較小。

3 結 論

(1) 本文給出了雅江表層沉積物的基本元素特征。多數元素與西藏土壤元素背景值相差不大, 但Cr、Ni、As和 Cs高于中國陸殼元素豐度值, 其中As含量約為上地殼元素豐度值的 12倍, 這些富集的元素均來自雅江流域的母巖。

(2) 沉積物全樣中10種重金屬元素的含量分布分別為: 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, 相應地, 小于20 μm和小于63 μm部分的元素含量更高。

表2 雅魯藏布江沉積物中元素和粒徑相關性分析Table 2 Correlation coefficients among elements and the mean grain size in the Yarlung Zangbo River bulk sediments

圖2 元素與粒徑相關趨勢圖Fig.2 The relationship between elemental concentrations and the mean grain size

(3) Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn 之間相關性很強, As與其他元素均不相關, Cd與Zn、Pb顯著相關, 與其他元素不相關。

(4) 多數元素與沉積物粒徑呈現負相關關系,即粒徑越小元素含量越高。計算出Cu、Zn、Fe、Co的含量與粒徑關系方程式分別為 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, 可以為評價雅江表層沉積物中這些元素是否受到人類影響提供參考。

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