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大同盆地砷


第 14 卷 第 2 期 2007 年 3 月

地 学前缘( 中国地质大学( 北京) ; 北京大学)
Eart h Science Front iers ( Chin a U niversit y of G eosci ences, Beijing; Peking U niversit y)

V ol. 14 N o. 2 M

ar. 2007

大同盆地砷、 氟中毒地方病生态地球化学研究
赵伦山 ,
1



胜 ,

2

周继华 ,

2

王敬华 ,

1

王建武

2

1 中国地质大学( 北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083 2 山西省地质调查院, 山西 太原 030001

Zhao L unshan ,

1

Wu Sheng ,

2

Zhou Jihua ,

2

Wang Jinghua ,

1

Wang Jianw u

2

1 S ch ool of E art h Sci ence s and Resource s, Chi na Uni v ersi t y of G eosc ienc es, Be ij ing 100083, Ch ina 2 S hanx i Inst it ut e of G eolog ical Su rv ey , T ai yuan 030001, China

Zhao Lunshan, Wu Sheng, Zhou Jihua, et al. Eco geochemical investigation on the endemic As and F poisoning in Datong Basin. Earth Science Frontiers , 2007, 14( 2) : 225 235 Abstract: T he Dato ng Basin is a sem- closed fault basin developed in an ar id dry desert envir onment. A ccumu i latio n o f harmful elements in the basin lead t o endemic diseases such as fluoro sis, etc. In the 1990s human ex ploitat ion and dr inking of deep under gr ound w at er had caused ar senic poiso ning . G eo chemical investig atio ns sho w t hat in the shallow gr ound w ater F contents ar e 1 3- 12 times ov er acceptable hyg ienic standard, and in the deep pr essure underg ro und water the As co nt ents ar e 2- 20 t imes ov er acceptable hyg ienic standar d. T he incidence of A s po isoning is positive r elative to A s 3+ / As in the dr inking w ater. A ro und the basin ther e are

widely many types of F and As r ich r ocks. T her ef ore the Dato ng Basin is situated within a F and A s g eochemical pro vince. Differential subsidence along the mar gins of t he basin have r esulted in deep hollo w zo nes. T he A s enr iched gr ound w ater filtr ated dow n, with a reductio n o f A s by o rg anic matter and the for mation of mo re tox ic A s 3+ . T his paper deals with the mechanism and eco g eochemica l harmful effects of A s and F po isoning , and sug g ests w ays to co pe w ith the pr oblem. Key words: endemic A s and F poisoning ; tox icity o f As 3+ ; A s and F g eochemical pr ov ince; differ entia l subsid ence of Dato ng Basin; As enriched pr essure g ro undw ater; eco g eo chemist ry; Datong Basin; Shanxi pr ov ince -



要: 山西大同盆地属干 冷荒漠景观条件的半封闭型断陷盆地。区内有害元素的聚集导致氟中毒等多种地

方病肆虐, 20 世纪 90 年代因开发和饮用深层地下 水爆发 了水砷 中毒病。经 地球化 学调查 发现: 地下潜 水高 含 F, 超标 1 3~ 12 倍; 深层承 压地下水富 As, 砷含量超标 2~ 20 倍。砷中毒发病 率与饮水中 As 3+ / As 比 值呈正相关关系。盆地周边分布多层富 含 A s 和 F 的地 层和火 成岩体, 处于 富 A s、 的 区域地 球化 学省内 。 F 由于大同盆地的不均匀沉降, 在其边缘部分形成深凹陷带, 含砷下渗地下水经有 机碳质层的还原作用, 使砷还 原为三价, 提高了地下水的 毒性并滞留聚集。探讨了 F 、 富集和中 毒的机 理和生 态地球 化学危 害评价, 提 As 出了治理和外围调查预测建议。 关键词: 地方性砷、 氟慢性中毒; As 3+ 的毒性; 砷、 氟地球 化学省; 大同 盆地的 不均匀 沉降; 富砷承 压地下水 ; 生态地球化学; 大同盆地; 山西省 中图分类号: X142; P595 文献标识码: A 文章编号: 1005- 2321( 2007) 02- 0225- 11

收稿日期: 2006- 03- 22; 修回日期: 2006- 05- 28 基金项目: 教育部博士生点基金项目; 中国地质调查局项目( 基[ 2003] 013 -02) 作者简介: 赵伦山( 1933 ) , 男, 教授, 博士生导师, 地球化学专业, 主要从事地球化学和应用地球化学研究。E -mail: z hao-- s@ 263. net l

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赵伦山, 武

胜, 周继华, 等/

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全国区域多目标地球化学调查和生态地球化学 评价计划的实施, 突出地展示了现代地球化学为社 会经济发展和人民健康服务的功能和效果。通过对 平原、 河谷及盆地地区的系统调查和专题评价, 存在 的生态和环境问题及生态优势潜力得以查明, 城乡 土、 气状况及地方病等问题都得到了系统的研究 水、 和评价, 水、 土资源有效开发和生态环境的保护与改 善得到了指导, 为国家经济建设和可持续发展提供 科学依据。 大同盆地位于山西高原北端, 桑干河上游, 属内 陆半封闭性干旱盆地。区内受干冷荒漠地球化学景 观条件制约, 在土壤和地下水中有害元素浓集, 造成 了氟骨病等多种地方病肆虐, 千百年来严重损害人 民的健康。自 20 世纪 90 年代以来, 由于开发利用 深层地下水, 在盆地局部县区又引发了严重的水砷 中毒病流行[ 1- 2] , 引起省地领导的重视。经组织医疗 卫生及地质和环境部门调查研究, 砷中毒的水土病 因得到确认, 并采取了紧急措施加以控制 。流行 于干旱地区的砷、 氟慢性中毒属多发性典型的水土 病, 其发病范围和致病途径与当地区域地质和地球 化学条件密切相关。为查明盆地型高砷、 高氟地下 水的成因、 物质来源和形成条件, 以及砷、 氟地方病 的生态危害, 本文根据多目标地球化学调查前后两


图1
Fig 1

大同盆地地貌和沉积物分布图

G eomorp hology and sedim ent dist ribut ion chart of Dat ong Basin

地下水中有害元素浓集、 营养元素缺乏, 当地人民数 千年来饮用高氟的劣质浅层( 1~ 5 m ) 地下水, 造成 了大面积平原氟骨病; 山区碘缺乏, 克山病、 大骨节 病等多种地方病肆虐 [ 1, 3] , 严重地损害人民的健康。

应县和浑源的局部地区爆发了水砷 个项目研究成果, 对地方性砷、 氟病的地质环境、 水、 1994 年在山阴、 土介质中砷、 氟的富集机理进行分析研究, 提出了治 中毒病。据调查, 该区自 20 世纪 80 年代改革开放 理和外围调查预测建议, 并以此为例探讨有关局部 生态地球化学评价问题。 开始, 养牛和乳制品业得到发展。由于生产和生活 的需要, 开始打手压机井开发深层( 20~ 50 m) 地下 水。曾期望从此改变几千年饮用浅层富氟苦咸水的 历史, 然而却引发了更大的灾难: 陆续出现了砷中毒 病状, 1994 年经检测井水中存在超标砷含量, 确认 为饮水型砷中毒病[ 2] 。病区沿桑干河上游支流黄水 河分布, 涉及 3 县、 个乡镇、 个村、 9 60 患病人数曾达 到 1 350 多人。中毒病人部分或基本丧失劳动力, 并引发多种疾病。

1

大同盆地地球化学景观与地方病
( 1) 大同盆地自然地理与生态地球化学环境: 大

同盆地地处亚高寒带, 干燥少雨、 风沙大, 年平均降 雨量为 370 ~ 420 mm、 蒸发 强 烈, 年 平均 蒸 发 量 2 000 mm, 属内陆半封闭性寒冷干旱盆地。盆地呈 长三角形北东向展布, 三面环山, 地形西南高、 东北 低, 桑干河横贯其中。在地质上大同盆地为一断陷 盆地, 盆地与周边山区呈断层接触; 盆地中心为大片 第四系冲湖积平原和黄土, 盆地边缘沉积了洪积扇 和冲洪积台地( 图 1) 。盆地内部第四纪断裂构造发 育, 地形复杂。在生态条件上属于荒漠地球化学景 观区, 无霜期 短, 植被稀疏、 土地贫瘠、 生态 环境脆 弱, 农业经济发展受到多种限制。 ( 2) 慢性砷、 氟中毒发病情况: 大同盆地土壤和

2

砷、 氟病区调查
1994 年前后, 当地卫生防疫及医疗部门对砷中

毒发病情况进行了流行病学调查, 统计研究了发病 率和中毒症状, 测定了饮水砷含量和水质等。本项 目分别对两县砷、 氟中毒病区 19 个村进行了病情调


山西省大同盆地饮水型地方性砷中毒病区考察报告, 1994.

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查和地球化学取样[ 4- 6] 。山西省地质调查院结合区 域多目标地球化学调查, 对全省大同等 6 大盆地及 山阴县砷病区进行了土壤和浅层地下水砷等 54 个 元素的系统地球化学调查研究和评价。 ( 1) 砷、 氟中毒体表症状。砷中毒的主要体表症 状为: 躯干腹背部褐色散在点状色素沉淀和白色脱 色斑; 手脚掌皮肤干燥、 角化过度、 皲裂脱屑和指甲 凹陷, 手背也存在色素斑和脱色斑。氟中毒主要表 现为氟骨症( 驼背、 型和 X 型腿) 和氟牙病( 牙齿 O 脱落、 褐斑等) [ 4] 。 ( 2) 砷、 氟中毒的其他全身症状。水砷中毒的全 身症状为病人脏器受损害。据 1994 年当地医疗部 门对病人的检查结果统计, 水砷中毒病潜伏期约为 6~ 12 个月, 发病后体质逐渐变弱, 引发全身病症 : ①头晕、 心慌、 肢体麻木、 疲乏、 衰弱无力。②肝脏肿 大、 心电图异常、 视力障碍、 末梢神经炎等。③手脚 皮肤过度角质化、 增厚、 角化丘疹、 疣等, 难以久站或 远行, 丧失劳动力。④皮肤癌等多种癌症高发。实 验检查表明, 发砷高( > 0 6 g / g ) , 尿砷高( > 0 09 g/ g ) 。本项目调查砷中毒病人发砷为 5 4 高于正常人发砷 6 倍; 氟中毒病人发氟 250 10 - 6 , 10
- 6

部浑源县发病率更低。选择了重病村大营、 中病村 双寨和轻病村西盐池统计男女性别和不同年龄人群 发病率, 结果表明男性发病率高于女性。青、 壮年发 病率最高: 重病村 77% ~ 69 6% ; 中病村 50 7% ~ 30 4% ; 轻病村 14 9% ~ 14 2% 。因此, 主要劳 动 力青 壮年男性患病 最重, 24 岁以 下的人群发病 率 30% 以下。 3 1 2 砷中毒发病率与饮水砷含量的关系 砷中毒病流行与居民饮水中砷含量 有直接关 系。根据体检病情、 发病率和村中饮水井的砷平均 含量划分为重、 轻、 4 类分区, 见表 1。 中、 非
表 1 病 区饮水砷含量 ① T able 1
地区 大营 双寨 西盐池 马营 国家标准

As contents in dr inking w ater of disease distr icts
病情 重 中 轻 非病区 ( 饮用水) 患病率/ % 60. 6 28. 6 9. 6 0 饮水砷含量/ ( m g 0. 72 0. 22 0. 1 0. 004 0. 05
[ 7 8] -



L - 1)

根据文献报道三价砷的毒性远大于五价砷



,

本次选择重、 轻和非病区饮用井水共 13 件样品进行 As3+ 和 A s5+ 分析。结果( 表 2) 证明, 重病区除饮水 中总砷含量高, 超标( 0 05 mg / L ) 10~ 20 倍以外, 还 原态砷占 75% ~ 90% , 病区发病率与饮水中 As 标是加剧砷中毒的主要因素[ 4] 。
表 2 病区井水中 As3+ 和 As5+ 的含量( mg/ L) T able 2 A s3+ and A s5+ contents in w ell water of disease distr icts
地点 大营 大营 大营 大营 大营 大营 大营 大营 芦岭 芦岭 马营 合盛堡 应县学校 病情 重 重 重 重 重 重 重 重 轻 轻 无 无 无 A s3+ 0. 970 0. 481 0. 546 0. 473 0. 461 0. 807 0. 603 0. 685 0. 03 0. 01 0. 0 0. 0 0. 0 A s5+ 0. 142 0. 147 0. 106 0. 049 0. 150 0. 081 0. 122 0. 089 0. 04 0. 07 0. 0 0. 0 0. 01 As 1. 112 0. 628 0. 652 0. 522 0. 611 0. 888 0. 725 0. 774 0. 07 0. 08 0. 0 0. 0 0. 01 A s3+ / As ( % ) 87. 2 76. 6 83. 7 90. 6 75. 5 90. 9 83. 2 88. 5 42. 9 12. 5 0. 0 0. 0 0. 0
3+

高于正常人 40 倍。 总之, 水砷中毒病由发病初期的疲乏衰弱, 到中 度的全身症状和器脏损害, 丧失劳动能力, 严重者发 展到引发癌症等更 严重的疾病。以重病区一 村为 例, 5 年内肺癌、 肝癌、 皮肤癌等发病 11 人, 死亡 10 人。因此认为, 水砷中毒病具有爆发性。

/

As 比值呈正相关关系。因此, 三价砷的富集和超

3

砷、 氟中毒发病区域规律及环境地 球化学调查
本区砷、 氟中毒属地方性疾病, 其发病与区域地

质、 地球化学、 水文, 以及气候、 生态环境等因素密切 相关。本项目调查了发病的区域分布, 及其与居民 生活各种生态要素之间的关系。前后两个项目对区 域岩、 水、 土、 粮食、 人发等取样分析总计 2 800 件。 3 1 砷、 氟中毒病的分布与饮水水质环境调查 3 1 1 黄水河流域地砷病发病率调查 大同盆地砷中毒发病沿盆地南部的黄水河上游 展布, 构造上属马营凹陷的西段, 其中山阴县南部最 重, 调查的 42 个村普遍流行: 重病 15 个村, 中度发 病 13 个村, 轻病区 14 个村。黄水河下游的应县发 病较轻, 只有 1 个重病村, 中、 轻度发病 17 个村。东


分析单位: 原地质矿产部矿泉水质量监测中心, 1998 年。

山西省大同盆地饮水型地方性砷中毒病区考察报告, 1994.

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3 1 3 氟中毒的分布调查, 及与浅层地下水氟含量 的关系 饮水型氟中毒地方病在山西省流行地域大、 时 间久。省内 11 个地市中有 9 个地市 62 个县 1 609 个乡镇 26 953 个村有氟中毒分布。据 1994 年统计 全省氟病患者 60 多万人, 受氟病威胁人口达 500 多 万人。在山阴和应县氟中毒人数 8 万多人。因此, 氟中毒病在全省和大同盆地发病率都很高, 本次在 黄水河流域山阴县共调查 10 个乡 90 个村、 应县 12 个乡 119 个村, 全部有重、 轻度 氟中毒病流行。 中、 总体上氟中毒在桑干河和黄水 河河谷地区普 遍发 生, 在桑干河以北玄武岩出露区合盛堡、 黄花岭一带 2、 度氟骨症最为严重。自新中国成立后几十年当 3 地卫生部门对氟地方病已有多年研究, 已确认其病

12 5 m g/ L , 超标 1 3~ 12 5 倍。
表3 氟中毒病区患病率与饮水氟含量关系 Relation between incidence and
氟斑牙病 92. 6% 90. 9% 80. 0% 45. 0% 0 氟骨症 36. 5% 15. 4% 2. 2% 0 0 F 含量 12. 5 mg/ L 6. 5 mg/ L 2. 5 mg/ L 1. 3 mg/ L 0 mg/ L 1. 0 mg/ L

T able 3
地区 大虫堡 合盛堡 北周庄 大东庄 马营 国家标准 病情 重 重 中 轻 非

F content in dr inking w ater

( 饮用水)

图 2 是山西省地质调查院( 2004) 测制的山阴县 砷中毒发病率与按浅层地下水砷含量划分的饮水卫 生标准超标分级图。由图 2 对比表明, 砷中毒发病 率与浅层地下水砷含量超标级别有相对应关系。证

因与饮用高氟浅层地下 水有关。本次 选择重、 中、 明砷中毒为饮水中砷含量超标所引发。 氟中毒和碘缺乏症在盆地中的区域分布 轻、 非病区共 5 个村, 调查其氟中毒发病率和饮水氟 3 2 砷、 [ 4] 综合本次及前期卫生防疫部门的调 查研究资 含量 ( 表 3) 。 根据国家卫生标准, 居民饮用水氟容许含量为 1 0 mg / L , 大同盆地居民普遍 饮用冲湖积物 表层 水和潜水, 其中氟平均含量为 3 9 mg/ L, 最高含量 料, 编绘出大同盆地黄水河流域砷、 碘地方病分 氟、 布图( 图 3, 4) 。 由图 3、 可见, 大同盆地砷、 4 氟中毒病具有明显

图 2 山阴县砷中 毒发病率与浅层地下水砷超卫生标准分级对比图
Fig 2 Comparison betw een incidence of A s poisoning an d degree above t he h ealt h st andard for A s cont ent in sh all ow ground w at er, S han yi n count y

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采集了区内基岩、 土壤、 第四纪沉积物、 地下水、 煤灰 以及植物、 粮食、 发等 样品 131 件, 分析 测定 了 人 As、 和水质常规。局部生态地球化学评价项目中 F 系统采集了大同盆地土壤和浅层地下水样, 绘制了 盆地砷地球化学图, 见图 2 和 5。 3 3 1 大同盆地及周围山区基岩中 As 和 F 的分 布 大同盆地南部大片分布太古代恒山杂岩; 西和 北部为古 中生代盖层沉积, 以寒武、 奥陶、 石炭、 二 叠、 侏罗系砂页岩为主, 夹煤系建造。主要岩系 A s、 F 含量见表 4。
表4 大同盆地及周围山区基岩中 As 和 F 的平均含 量[ 4] As and F contents in r ocks ar ound Dato ng Basin
岩性 黑云斜长片麻岩 混合花岗岩 灰岩、 泥灰岩 玄武岩 地壳均值 样品数 w ( A s) / 10- 6 w ( F) / 104 1. 32 577. 5 5 4 3 2 3. 42 1. 1 2. 1 1. 5 1. 8 255 174 613 740 660
6

T able 4 图3 黄水河流域砷中毒分布图
时代 太古宙 太古宙 寒武 石炭

Fig 3 A s pois on ing di st ribut ion in t h e Huangs huihe valley 1 砷中毒病情重; 2 砷中毒病情中等; 3 砷中毒病情轻; 4 C P 石灰岩; 5 O 石灰岩; 6 太古宙杂岩; 7 断裂; 8 推测断裂

奥陶纪

二叠纪 砂页岩夹煤系

第三纪 ( 泰勒, 1964)

表5 T able 5

土壤和疏松沉积物中 As 和 F 的平均含量 A s and F contents in so il and lo ose sediments
岩性 亚粘土 黑淤泥 碎屑物 黄土 土壤平均值 土壤平均值 样品数 3 18 2 4 2 w ( A s) / 10- 6 3. 8 10. 1 7. 1 5. 65 12. 8 6. 0 w ( F) / 10- 6 489. 6 608. 9 412. 5 605. 25 895 200

沉积物产状 冲洪积扇

倾斜平原 亚砂土 亚粘土 细砂

冲 湖积物平原 冲积河谷 水系沉积物 山区 世界 中国/ 山西土壤

粉砂

9. 2/ 9. 5 440/ 491

由表 4 可见, 大同盆地周边基岩中有多层富含 As 、 的岩石: 其中太古宙混合花岗岩和石炭 F
图4 桑干河流域氟中毒的分布图
Fig 4 Fluorosi s di st ribut ion in t h e San gganh e vall ey 1 氟中毒病情重; 2 氟中毒病情中等; 3 氟中毒病情轻; 4 C P 石灰岩; 5 O 石灰岩; 6 太古宙杂岩; 7 断裂; 8 推测断裂



叠纪砂页岩夹煤层地层含 As 超过地壳均值; 玄武 岩和石炭 二叠含煤系建造 为富 F 岩系。据 地球 化学资料, 区域上 As、 元素有大片 的高背景带。 F 作为半封闭型的大同盆地, As、 有充分来自 周围 F 山区的物质供应, 其中 As 主要来自盆地 南侧的恒 山杂岩混合花岗岩, 而 F 则在北侧的古 中生代盖 层向斜带中有丰富的物源。因此, 大同盆地处于区 域富 As、 的地球化学省内。 F 3 3 2 As 、 在盆地土壤和湖积物中的再次富集 F 本区基岩风化释出的 As、 及其他金属元素几 F 乎没有被带出盆地, 绝大部分被沉淀聚集在盆地第 四系湖冲积物等疏松层中, 或呈溶解态转入地下水。 表 5 显示, 在大同盆地疏松沉积物中 A s、F 普遍富

的地域分布规律。①砷中毒: 主要沿盆地南侧黄水 河两侧分布, 在上游段砷重病区更为密集, 桑干河以 北地 区 尚未 发 现。 黄水 河 一带 在 地 质构 造 上 属 NEE 向的马营凹陷带, 构成砷中毒的构造背景。② 氟中毒: 分布范围更广, 包括桑干河以北的怀仁凹陷 等广大的盆地河谷平原区, 危害范围更广, 在山阴县 北部玄武岩出露区出现重度氟骨病密集带。 3 3 大同盆地砷、 氟的区域地球化学背景和物源 为查明砷、 氟病区有害元素的来源和富集规律,

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集, 其中 F 更 为明 显, 超世 界土壤 平均 值 2 ~ 4 5 倍, 按中国和山西省土壤均值也大部分超均值。As 含量除只在盆地边缘的冲洪积扇亚砂土中偏低外, 其他湖冲积物都超过中国和山西省土壤均值。第四 系沉积物中 As、F 的变化与其水流状态有关, 有流 水冲刷活动的沉积物如冲洪积扇和现代河谷沉积物 含 As、F 较低, 冲湖积层、 淤积层、 黏土等含 As、F 高。因此, As 、 在盆地土壤和湖冲积物中再次富 F 集, 成为地下水 As 、 的直接来源。 F 3 3 3 盆地地下水 As、 调查及病区饮水检测 F 为查明 As、 病区饮水类型与发病的关系, 对 F 不同产状水体进行取样测定, 同时在水砷中毒重病 区大营村取居民饮水( 承压水) 样, 进行水质常规项 目测定 ( 表 6、 。 7)
表6 T able 6 黄水河流域地下水 As、 含量 F As and F contents in under gr ound
样品 ( A s) ( F) 数 / ( m g L- 1 ) / ( m g L- 1 ) 8 13 22 0. 004 0. 005 0. 37 0. 05 0. 7 3. 9 0. 9 1. 0
[ 4]

下水交替弱, 停滞在冲湖积物含水层中, 长期与富含 砷、 氟的沉积物接触, 而浓积了有害元素 [ 4- 5] 。据报 道本区桑干河贯通盆地流过, 河水为优质饮水, A s、 F 都不超标。由区域水文地质分析可知, 桑干河发 源于大同盆地西南宁武县的管涔山区, 水源充足, 横 穿大同盆地进入河北省, 在盆地内河段由于降雨量 小, 几乎没有支流汇入补给。因此未受污染, 形成了 井水不犯河水 的局面。 由表 7 看出, 取自氟重病区的浅层潜水 F 超标 6 4 倍; 砷中等和重度病区的深层承压水 As 超标分 别为 5 和 20 倍, 其中取自较浅层( 30 m ) 的承压水也 存在 F 轻度超 标, 并带来 轻度的 F 中毒流行。此 外, 3 件样结果显示, 病区水的其他卫生指标大多为 差, 主要是营养 元素, 如 M g、 e、 Zn 普遍不足, F Se、 承压水中出现了饮用水不容许存在的 H 2 S, 以及浅 层水阴离子超标等。总之, 大同盆地广大地区饮用 水除 As、 污染以外, 其他多项指标不符合卫生标 F 准。长年摄入劣质饮水, 严重地损害着人民健康。

water s o f Huangshuihe velley
地下水产状 地点 水类型 浅层水 深度 0~ 2 m

冲洪积扇倾斜平原 冲湖积断陷盆地区

潜水 2~ 5 m

冲湖积断陷盆地区 承压水 20~ 200 m 国家标准 ( 饮用水)

表 7 砷、 氟中毒病区居民饮水水质特征表( mg/ L) T able 7 Drinking w ater qualit y index es of As & F poiso ning districts
项目 总硬度 矿化度 Mg Fe Se Zn SO 24 ClH 2S CD O F As 3. 5 6. 4 0. 004 氟重病区 砷重 -氟轻病区 砷中病区 生活饮用 浅井水( 10 m) 深井水( 30 m) 深井水( 198 m) 水标准 534. 4 5 073. 5 107. 6 0. 23 0. 000 1 0. 037 1 131 747. 9 137. 6 870. 3 26. 14 0. 16 0. 000 09 0. 001 25. 78 50. 7 0. 46 3. 18 1. 3 1. 0 151. 6 1 085. 3 27. 2 0. 13 0. 000 1 0. 33 0 160. 8 0. 51 9. 4 < 0. 5 0. 25 450 1 000 50 0. 3 0. 01 1. 0 < 250 < 250 0 4 1. 0 0. 05

图 5 大同 盆地浅层地下水砷超标指数分级图
( 据山西地调院, 2004) Fig 5 A s con t ent s ( as degree above st andard ind ex) in shallow ground wat er of D at ong Basin ( A s con tent in t erval of col umn is same t hat in Fig 2)

分析单位: 原地质矿产部矿泉水监测中心, 1998 年。

图 5 为大同盆地浅层地下水砷超标 指数分级 水 As、 含量均不超标, 为清洁的卫生合格饮用水。 图, 图中显示由盆地西南到东北存在 3 条砷的中、 F 强 其产状特征是水直接来源于两侧山区地表径流, 未 经污染。而产于盆地中心区冲湖积物层的含水: 上 层潜水富含 F, 超标近 4 倍; 深层( 20~ 50 m) 承压水 As 超标 7 倍多。由于本区降雨不足而蒸发量大, 地 超标带, 其位置与区内砷中毒区吻合, 也与盆地内部 的凹陷带构造分布基本一致。砷在浅层地下水中的 异常分布一方面说明重金属元素在盆地中的聚集, 同时也与地下水含水层的产状、 结构和水文交替方

由表 6 可见, 产于盆地边缘冲洪积扇区的浅层

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向有关。 3 3 4 植物、 粮食 As、 检测 F 对山阴和应县等 As 、 病区特征植物、 F 粮食和 人发进行了取样和检测, 总样品数 23 件。发现其中 普遍存在 As、 异常。植物中提柳、 F 芨芨草等样品 7 件, 含砷( 0 6~ 2 2)
- 6

制约, 即盆地深断陷带滞留承压水及还原砷形成条 件。 4 1 断陷盆地构造环境 大同盆 地 第 四系 断 裂活 动 强 烈, 其 中 NE NNE 向如口泉 大同断裂( F1 ) 和阳高 天镇断裂 ( F6 ) 为区域深断裂, 控制盆地北界; NE NEE 向恒 山和六棱山一组深断裂( F5 、 4 ) , 限定了盆地南缘。 F 另有 NW 和 SN 向两组次级断裂交叉其中( 图 6) 。 大同盆地自第三纪形成以来以及形成后, 伸张 构造发生强烈沉陷, 同时伴随玄武岩火山喷发和次 级断裂活动, 使盆地发生不均匀沉降, 形成众多的次 级凹陷和隆起构 造。大同盆地 基底构造总体 上为 WS 端深陷, 向 NE 段沉降弱, 内部出现多条隆起和 凹陷带相间分布的不规则基底构造
[ 9]

10- 6 , 平均 1 3 10
- 6

10- 6 , 高于 , 平均 384

陆生植物均值( < 1) ; 氟( 34~ 660)

10 , 大大 超过 陆生植 物平均 值( ( 0 5~ 40) 10- 6 ) 。本地居民通常食用的粮食为玉米、 谷子等, 采样 12 件, 含 As ( 0 02~ 0 32)
- 6

10- 6 , 平均 0 21

10 , 大于 中国粮食 平均值 ( 0 07~ 0 083) 约 3 倍; F ( 16~ 31) 10- 6 , 平均值 20 9 10- 6 , 大于中 国粮食平均值( ( 1~ 3) 10- 6 ) 达 7 倍。总之, 生长 在富 As、 土壤上 的植物和 粮食已经 严重受到 污 F

。图 6 中新生

染; 居民通过粮食渠道摄入的 As、 也应引起注意。 界沉 积等厚度线显 示, 盆地南 缘为一条宽度 近 20 F 此外, 为查明工业污染, 如燃煤造成的 As、 来 km 、 F 长度达 90 km 的 NE 向马营深凹陷Ⅰ。其位置 源, 对原煤、 神头发电厂的煤灰, 以及山阴县城居民 灶的煤灰和煤渣进行取样分析, 发现民灶煤灰含 As 143 10- 6 、 680 10- 6 , 明显高于岩石和土壤中的 F As、 含量, 其 中 As 更为严 重, 当地 大量 燃煤 为 F As、 补充源。 F 3 4 结论 大同盆地砷、 氟病区存在富砷、 汞、 氟、 镉等有害 和方向与山阴 应县 浑源流行的水砷中毒区域接 近, 因此认为引发砷中毒病的富砷地下水可能是产 于马营凹陷中的深埋 藏承压地下水。沿盆地 NW 边界即大同断裂中段还有一处怀仁凹陷Ⅲ, 其两侧 沿 NE 方向排列着黄花梁Ⅱ和许堡Ⅳ两个隆起带, 因此, 怀仁凹陷可能是埋藏富砷地下水的另一个深 陷带。 4 2 盆地 Q 还原性湖积物层的地球化学意义 2 马营凹陷为盆地中沉降幅度最大的 构造断陷 带, 沉积了厚度达千米以上的湖积物层。在迅速沉 降的构造湖中, 极易形成深水还原性湖积物沉积, 即 还原地球化学环境。 ( 1) 大同盆地下更新统 Q 1- 2 地层剖面: 图 7 为大 同盆地下更新统 Q 1- 2 地层剖面图, 湖积物层的主要 物质成分为细砂、 砂质粘土, 以及粘土和钙质粘土层 互层, 还有指示强烈沉降构造的砂砾石和洪积砾石 层。其中具重要地球化学意义的是夹有多层灰绿 灰褐色的泥炭质层, 以及含化石的灰 灰绿色的粘 土和淤泥层。这些层位的出现证明, 第四纪马营断 陷湖中生长了丰富的动植物, 沉积埋藏后构成了多 层富碳质的还原沉积, 形成了还原性沉积地球化学 环境和隔水层。本项目在大营村现场调查中, 观察 到居民开挖机井时在 20~ 30 m 深处挖到的灰绿色 粘土页岩层碎片。 ( 2) 含水层砷的还原作用: 地球化学研究证明, 地表水体和地下水在垂直方向上存在 双层结构 模 型 : 上层因与大气圈氧接触为氧化水层, 其Eh> 0;

金属的地球化学异常带。盆地及周边富砷、 氟的基 岩为其原生污染源; 在表生迁移作用下, 由于干旱和 蒸发量大, 径流水冲蚀搬运作用不发育, 大量金属元 素滞留本地, 并在湖盆地沉积物、 土壤、 水体、 植物和 粮食等各种介质中富集, 形成了普遍受 As、 等元 F 素污染的生态环境系统。长期生活在这种环境中的 人群健康会受到严重的损害。其中砷、 氟迁移途径 又有不同: As 从古、 中生代砂页岩 渗水 承压水 冲湖积物 下 人; F 从恒山杂岩和第三纪玄武岩

冲积物 潜水 人。 饮水是砷、 氟中毒的主要摄入环节。

4

地下水砷、 氟的富集机理
大同盆地内富含氟的冲积物和浅层地下潜水是

普遍存在的, 浅层潜水构成世代居民的主要饮用水 源, 因此氟中毒病广泛流行。但区内富含三价砷的 水取自深层承压水, 而水砷中毒则只在沿马营凹陷 带等局部发现, 形成轻、 重病区。因此可以推测, 水 砷中毒应另有局部水文地质、 构造和地球化学因素

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图6
Fi g 6

大同盆地第四纪活动断裂与基底构造图
( 据杨景春, 1996)

Qu at ernary act ive fault s and bas ement s t ruct ure of D at ong Bas in

盆地冲 湖积物的含水沉积物剖面中 Eh= 0 面大约 处在第一层较连续的泥炭质层的深度, 由于湖积物 含有机碳物质较高, 氧化 还原界面距离地表较近, 图 8 为大同盆地冲湖积物层氧化 还原条件变化示 意图。 由盆地两侧山区岩石风化的砷、 氟等元素, 可以 H AsO 4 、 等形式被径流带入 盆地, 沿断裂 裂隙 F 渗入深层。砷在氧化 还原界面以上时主要呈五价 2H AsO 4 的形式存在, 渗入到界面之下的 砷可与有 机质或二价铁矿物反应形成三价砷, 可有以下反应 式。 以毒砂和萤石作为砷、 氟原生矿物为例, 氧化和
图7
Fig 7
2-

大同盆地更新世综合柱状图

溶解反应为 4F eAsS+ 13O 2 + 6H 2 O= 4FeSO4 + 4H 3 AsO 4 H 3 AsO 4 = 2H + + H AsO24 CaF2 + 2OH = Ca( OH ) 2 + 2F 砷的还原反应为
-

( 据周廷儒, 1990) Pl eist ocene geological column of D at ong Basin

下层因逐渐与大气氧隔绝, 形成还原性水层, Eh < 0。中间存在一个 Eh= 0 的氧化 还原界面。在大同 -

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H AsO 2- + C= CO 2 + H AsO 2 4 在盆地深层地下水中砷的还原作用有重要的地 球化学意义。根据医学环境地球化学研究, 三价砷 对人体的毒性高于五价砷 60~ 100 倍 。表 7 中 显示, 病区居民饮用的深层承压地下水中含有饮水 标准不容 许存在 的 H 2 S, 证明 了深层水 的还原 条 件。推断在深层水中除发生 A s 还原为 As 应外, 还应存在 SO
24 5+ 3+ [ 3, 7]

5

砷、 氟地方病的生态地球化学研究 与评价
局部生态地球化学评价是多目标地球化学调查

系统工程中的应用阶段, 其任务在于通过局部评价 和预测分析, 为当地政府提供对社会经济发展和改 善环境有指导作用的建议 。 5 1 砷、 氟地方病害的外围调查及预测 大同盆地地质、 自然地理和生态环境在我国北 方有代表性。具有类似条件的地区砷、 氟中毒问题 应引起高度重视。其中氟中毒病分布范围大、 症状 明显, 新中国成立后经多年调查和治理, 目前已取得 充分的科学认识, 应采取措施彻底解除氟害。水砷 中毒后果更为严重, 人体摄入过量三价砷可以破坏 酶系统的正常代谢, 使组织细胞呼吸 受阻, 代 谢停 止、 细胞死亡, 早期患者肢体感觉迟钝、 麻木、 刺痛, 严重者表现肌无力、 行动困难、 丧失劳动能力, 并可 引发皮肤癌 [ 3] , 以及由于免疫力降低引发多种癌症。 在重病区发病急、 流行快, 有一定的爆发性。该病初 期病症难以辨认, 确诊难度大, 易被误诊。因此, 建 议专门立项对类似地质地球化学条件地区开展砷、 氟地方病调查、 预测和治理研究。外围选区方向: ( 1) 大同盆地区 内: 马营凹 陷深沉陷带的 南西 端, 即黄水河上游、 朔州境内段应为调查重点。马营 凹陷带的东北段也存在深沉陷带, 应县和浑源县之 间的地段, 值得注意。大同盆地北侧的怀仁 之间及大同县 阳原 大同 天镇一带, 也应开展工作。
[ 8]

的反

还原形成 H 2 S 的反应。本次

病区调查中实际观察到了居民手压井水浓烈的 H 2 S 气味, 只有高压还原条件下 H 2 S 才能溶解于水。 因此, 在评价水砷对人体的危害作用时, 水介质的还 原条件是重要因素。

图8

断陷盆地还原砷地下水的成因模式图
G enet ic schem a of A s redu ct ion i n u ndergroun d w at er of fault basin

Fi g 8

( 3) 富砷地下水的形成机制和演化: 综上, 自晚 第三纪形成大同断陷盆地, 经第四系持续的不均匀 构造沉陷和玄武岩火山喷发活动, 形成了南西强、 北 东弱, 即总体上南西深、 北东浅、 内部凹陷、 隆起相间 分布的储水盆地基底构造 [ 9] 。盆地边缘如马营凹陷 带等深水湖区形成还原性沉积层。来自周边老地层 富砷、 氟的地表和地下水沿断裂下渗到泥炭质层之 下的含水层中, 砷还原为三价, 提高了毒性。本项目 使用 H 法测定了富砷承压水的形成年龄, 结果为> 1 000 a, 如按含水层位第四系全新统年代为 12 000 a, 则地下水年龄在 1 000~ 12 000 a, 是非常古老的 地下水。富砷地下水的聚集和埋藏类似于化学定时 炸弹的形成, 一旦开发会造成爆发性的中毒事件。 本区富氟浅层地下水的形成是干旱少雨和强蒸 发条件的结果, 表 7 数据说明, 三件样品中取自越浅 层位的水矿化度越高, 证明了地表蒸发对浅层水溶 解物质的浓缩作用。其结果使浅层民用井水中氟超 标富集, 造成氟中毒的大面积流行。
3

( 2) 山西省内六大盆地: 多目标地球化学调查结 果显示, 山西省 6 大盆地除大同盆地外, 太原、 忻县 和晋西南盆地也查出浅层地下水砷超标和高砷样分 布带, 图 9 中除大同盆地外太原盆地最为严重。 同时, 山西省卫生系统也进行了砷中毒地方病 的调查和统计, 编绘出的全省砷中毒分布图, 与多目 标地球化学调查结果吻合。因此, 山西省内与大同 盆地类似的断陷构造盆地都有赋存高砷地下水的可 能。建议结合局部生态地球化学评价, 系统地开展 详查性的井水和深层地下水调查和评价, 以及病区 和预测病区针对砷、 氟中毒的流行病调查。 ( 3) 我国北方干旱平原和盆地分布区: 从晋北、 冀北到内蒙古存在一个大范围的富氟地球化学省, 该区正处在干旱气候带内, 因此, 历史上氟中毒病在 我国北方干旱省区大面积存在。据最新资料报道,

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地学前缘 ( Earth Science F ro ntiers) 2007, 14 ( 2) 改水和治理建议

5 2

针对大同盆地砷、 氟中毒病区, 提出改水和治理 建议如下。( 1) 开发盆地南缘恒山水源: 包括引恒山 地表水、 山麓的洪积台地地下水、 泉水等优质水源。 按此方案已由当地政府实施了一项引水工程, 供清 洁水到达砷病区。( 2) 中 重病区修渠引北部桑干 河水: 桑干河水是清洁水, 可供饮用。( 3) 农村实行 小水窖工程蓄存雨水、 城镇实行 城建蓄雨水规划。 以雨水代替富氟的浅井水饮水源, 尽快摆脱祖辈食 用苦咸水的困境。( 4) 探索盆地深层可用水: 根据盆 地含水层水文地质研究, 寻找合格的地下水层。( 5) 高砷井封死, 低砷井水作非饮用水。轻病区继续使 用除砷器。( 6) 对严重氟、 砷中毒病区, 如玄武岩分 布区, 实施生态移民。

6

结论和认识
( 1) 大同盆地氟 中毒地方病流行 广泛, 历 史悠

久, 重病区主要分 布在低洼河谷 和玄武岩出露区。 氟因强烈蒸发作用而在浅层地下水中浓集超标。 ( 2) 20 世纪 90 年代因开发利用深层 承压地下 水而引发水砷中毒病。井水总砷超标 2~ 20 倍, 发 病率与饮水 As3+ / As 呈正相关关系。砷病区沿 盆地西南部黄水河展布, 构造上与盆地断裂深陷带 马营凹陷一致。冲湖积物的碳质层还原砷成三价, 提高了水的毒性。 ( 3) 大同盆地区属富砷、 氟的地球化学省。干旱
图9 山西省浅层地下水砷按卫生标准 分级 分布图 ( mg / L )

缺雨和半封闭的地理条件促使 As、 等有害元素在 F 土、 粮食中富集, 形成不利于人体健康的生态地 水、 球化学系统。 ( 4) 大同盆地在我国北方有代表性。建议在外 围及类似条件地区, 开展系统调查和局部生态地球 化学研究和评价, 加速解决为害广大地区的地方病 问题。 References:
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Fig 9 M ap of A s dist ribut ion in shallow ground wat er in accordance wit h hygienic st andard of S han xi p rovin ce

包括南方燃煤污染造成的全国氟骨症和氟牙病的总 人数约 4 000 万人。这是当前我国生态地球化学的 一个大课题。同时, 近年来陆续报道在内蒙古呼 包平原和河套地区 , 以及新疆等地发现了砷中毒 地方病。因此, 砷、 氟地方病是北方干旱区人民健康 和经济发展的一大威胁, 有必要引起 重视, 采 取措 施; 其中首要的工作是进行专题立项, 开展针对砷、 氟中毒的生态地球化学调查和评价。在工程项目、 工业开发, 以及居民住宅施工之前首先应对区内深 层地下水饮水源进行砷等指标检测, 以严防砷中毒 病害的继续扩展。
[ 10]

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nese) . [ 3]

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