长江流域沿江镉异常示踪与追源的战略与战术（成杭新,杨忠芳,奚小环,赵传冬,赵和苍,张建新,骆剑兰,唐将,刘英汉,庄广民,王文栋《第四纪研究》2005.3）.pdf

第25卷 第3期 2005年5月 第 四 纪 研 究 QUATERNARY SCIENCES Vol . 25, No. 3 May, 2005 第一作者简介成杭新 男 40岁 教授级高级工程师 地球科学与信息技术专业 E2mail hangxinvip. sina. com 3 国家重点基础研究发展规划项目批准号 G1999045707、 中国东部典型地区土壤污染与生态环境安全的地球化学预警批准号中国地 质调查局200420130002和中国区域生态地球化学评价方法体系研究批准号中国地质调查局200414200011 2005 - 03 - 11收稿, 2005 - 04 - 02收修改稿 1 据1∶20万沱沱河等20幅1∶20万水系沉积物测量报告、 四川成都经济区、 重庆沿江经济带、 湖北江汉平原、 湖南长株潭地区、 江西鄱阳湖 地区、 安徽江淮流域、 江苏省国土生态地球化学调查与评价2004年设计 文章编号 1001 - 74102005 03 - 285 - 07 长江流域沿江镉异常示踪与追源的战略与战术 3 成杭新 ① 杨忠芳 ② 奚小环 ③ 赵传冬 ① 赵和苍 ④ 张建新 ⑤ 骆剑兰 ⑤ 唐 将 ⑥ 刘英汉 ① 庄广民 ① 王文栋 ⑦ ① 中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,廊坊 065000;② 中国地质大学地球科学与资源学院,北京 100083; ③ 中国地质调查局,北京 100011;④ 安徽省地质调查院,合肥 230001;⑤ 湖南省地质研究所,长沙 410008; ⑥ 重庆市地质矿产勘查开发局,重庆 400039;⑦ 河北省地质勘探局测绘院,廊坊 065000 摘要 正在进行的多目标地球化学调查成果显示,长江流域存在全流域的Cd异常。长江流域Cd异常示踪与追 源研究的长期目标是查明长江流域沿江各主要支流汇水面积大于5 000km2 Cd 等重金属元素的物质来源、 迁移 形式和输入/输出通量、 分辨自然源与人为源各自所占份额,建立沿江各支流Cd时空演化模型,监测它的未来发展 趋势,对潜在生态效应进行预警预测;短期目标是针对Cd异常的重点地区,如长江源头、 三峡库区、 湘江流域、 江淮 流域、 长江三角洲及流域内的4大淡水湖泊,查明Cd异常的来源,重建Cd异常形成的地球化学记录,评估可预见 的将来如10～50年 Cd 异常的生态效应。 主题词 镉异常 示踪与追源 战略与战术 长江流域 中图分类号 P595, X82 文献标识码 A 中国地质调查局正在组织实施的覆盖区 1∶250 000多目标地球化学调查又称农业地质- 生态地球化学调查 , 表层土壤 0 ～20cm采用1个 点/km 2、 深部 150cm以下采用1个点/4km 2 ;近岸 海域沉积物 10m以浅表层采用1个点/4～ 16km 2、 深层采用 1个点/16～32km 2 ;湖泊底积物表 层采用1个点/4km 2、 深层采用 1个点/16km 2的密 度正在迅速覆盖我国第四纪分布区。仅长江流域已 先后在四川、 重庆、 湖北、 湖南、 江西、 安徽、 浙江、 江 苏、 上海等9个省及直辖市部署1∶250 000多目标 地球化学调查面积3610 4 km 2[1, 2 ] ,占长江流域规 划部署总面积的63116规划面积5710 4 km 2 图 1 。初步调查结果显示 1 ,从长江源头的沱沱 河直至长江入海口,沿江及两岸平原区出现宽度达 几十至数百公里、 贯穿全流域的Cd等重金属异常 带。在该异常带范围内,少量的调查数据显示,已有 多个地段多种农作物含蔬菜、 大宗农作物出现 Cd含量超过国家食品卫生标准的现象 [3]。因此长 江流域Cd异常带的形成机理和潜在生态效应已引 起沿江各省和中国地质调查局的高度重视。 根据中国地质调查局对长江流域沿江Cd异常 地球化学评价的要求 [1, 3～6 ] ,本文作为“ 长江流域沿 江镉异常源追踪与定量评估的研究框架 ” [6]一文的 补充,就长江流域沿江Cd异常源示踪与追源中所 涉及的重大战略和战术问题作简要介绍,目的是为 我国沿江各省市正在开展的生态地球化学评价提供 一些基本线索,使分散于沿江各省的区域地球化学 评价能从战略高度认识长江流域Cd异常示踪和追 源研究的重要性,从而为全面研究长江流域Cd异 常的形成机理创造条件。 1 战略目标与重点地区 111 战略目标 长江流域面积18010 4 km 2 ,全长约6 300km, 汇集700多条大小支流,其中流域面积在5 000km 2 1 中国地质调查局. 2004 286 第 四 纪 研 究2005年 图1 长江流域农业地质调查规划图 1 Fig . 1 Sketch map of agro2geological survey program in the Changjiang River basin 以上的支流有101条, 10 000km 2以上的支流有 49 条,嘉陵江、 汉江、 岷江、 雅砻江4大支流的流域面积 均在1010 4 km 2以上。 长江流域沿江Cd异常示踪与追源的长期目标 是通过持续调查与研究,查明长江流域沿江各主要 支流汇水面积大于5 000km 2 Cd 等重金属元素的 物质来源、 迁移形式和输入/输出通量、 分辨自然源 与人为源各自所占份额,建立沿江各支流Cd的时 空演化模型,监测它的未来发展趋势,对潜在生态效 应进行预警预测。 它的短期目标是针对我国Cd异常的重点地 区,如长江源头、 乌江流域、 湘江流域、 汉水流域、 鄱 阳湖流域、 安徽江淮流域及长江三角洲及流域内的 4大淡水湖泊,查明Cd异常的来源,重建Cd异常形 成的地球化学记录,评估可预见的将来如10～50 年 Cd 异常的生态效应。 112 重点地区 杨忠芳等 [3 ]、 成杭新等[6, 7 ]已根据我国长江流 域Cd异常的地球化学分布、 分配特征,指出我国长 江流域Cd异常是以Cd高背景地区的自然风化成 因为主,局部地段叠加有人为活动释放的Cd。 根据沿江各省已完成的部分多目标地球化学调 查或1∶200 000区域化探扫面资料,近期需将长江 源头、 三峡库区、 湘江流域、 江淮流域、 长江三角洲及 4大湖泊另文讨论作为沿江Cd异常示踪和追源 的战略地区,进行重点研究。 1长江源头 长江源头地区范围为北起昆仑山脉,南为唐古 拉山脉,东起楚玛尔河口,西抵藏北普塘内陆湖区。 东西长约400km,南北宽300km,平均海拔在5 000m 左右。唐古拉山主山峰各拉丹冬西侧的姜根迪如冰 川的融水,是长江正源沱沱河的源头。 近年在长江源头完成的多个1∶200 000区域化 探扫面图幅资料显示,长江源头存在一个以自然地 质背景为主的Cd异常区表1 ,与全国其他地区相 比,它是分布面积最大的Cd地球化学异常。因此, 研究长江源头地质体中Cd的释放过程与速率将是 长江流域沿江Cd异常形成机理研究的关键组成部 分。 2三峡库区 长江流域三峡库区段的多目标地球化学调查数 3期成杭新等长江流域沿江镉异常示踪与追源的战略与战术287 据显示,在三峡库区段未出现明显的Cd异常。对 该地段长江上游来源的水系沉积物和本地残坡积土 壤及洪水淹没的混合区土壤中Cd含量的对比研究 发现表2 ,长江上游来源的水系沉积物中Cd含量 明显高于本地土壤中Cd含量。由于三峡库区段在 三峡大坝未拦截前,地貌上呈“V” 字型分布,水道狭 窄,水流湍急,无宽缓的河漫滩沉积环境,故在三峡 库区段未出现明显的Cd异常 [8 ]。 在三峡库区蓄水后,上游悬浮物/水系沉积物将 在库区消落带及库底逐年沉积,导致Cd等重金属 元素大量累积,存在巨大的潜在风险,需对其进行密 切监控。 3湘江流域 湖南洞庭湖地区部署多目标地球化学调查面积 为319610 4 km 2 ,其 中 在 湘 江 流 域 部 署 大 约 15 712km 2 ,已有资料显示该地区土壤中存在大面 积、 高强度的Cd异常,其异常强度显著高于20年前 1∶200 000区域化探扫面发现的Cd异常,表明该地 区叠加有较强的非自然源Cd。Stigliani等 [9, 10 ]通过 对莱茵河流域Cd异常的研究发现,在pH 515,土 壤中有机质含量为315时,地表土壤40cm内Cd 的年淋滤速率为013。湘江流域全区土壤Cd平 均含量为600ng/g,土壤pH平均值为517,有机碳平 均含量为1182。假设湘江流域的Cd年淋滤速率 为莱茵河流域的50,也即Cd年淋滤速率为 0115时,对湘江流域地表40cm土壤密度为 112g/cm 3 内Cd输出量的初步估算可达67813t/a。 因此,查明湘江流域非自然源Cd的来源,和研究土 壤酸化与Cd活化迁移的对应关系将是长江流域Cd 异常形成机理及生态效应评价的关键。 4江淮流域 长江水系 江淮流域 长江水系范围内的多目标地球化学 调查数据显示,土壤中Cd平均含量为392ng/g,最 高含量高达53 750ng/g表3 ,也是全国多目标地 球化学调查已获数据中的最高含量之一。由于江淮 流域 长江水系范围内的主要地质背景为长江中下 游Cu - Fe成矿带,矿山开采历史悠久,同时该区水 系较短,迁移距离不长,初步推测该地段土壤中的 288 第 四 纪 研 究2005年 Cd主要系矿山开采所致。 因此对江淮流域 长江水系范围内的Cd异常 示踪和追源应重点研究矿山开采与Cd释放速率和 输出通量,建立矿山开采与Cd累积变化的时 间-地球化学演变模型。 5长江三角洲 多目标地球化学调查已在长江三角洲的南京、 苏州、 无锡、 常州、 上海等地发现围绕城市或沿江分 布的Cd等重金属元素异常,其中仅江苏省已有 14132的土壤中Cd含量超过土壤环境质量二级 标准,上海北郊Cd含量大于250ng/g的面积超过 600km 2。长江三角洲及长江入海口沉积物保留了 历年长江Cd输出量的完整记录 [11 ] ,是定量研究长 江流域由陆地向海洋输入沉积物和元素速率及途径 的关键地段。对评估近百年来,陆源物质对浅海沉 积环境的影响,探讨人为活动对浅海环境变迁的影 响程度具有极其重要的科学意义。 2 战术问题与对策 长江流域Cd异常示踪与追源研究可能涉及的 方法技术及研究框架已有详细报道 [6] ,开展长江流 域沿江Cd异常示踪与追源的研究,除涉及一系列 方法技术外,还存在一系列重大的战术问题与对策。 1长江流域沿江Cd异常示踪与追源研究的 总体思路是通过现时悬浮物中元素含量或河水中 可溶性金属与不可溶性金属测量,获得长江各主 要支流Cd的输出通量,并根据输出通量确定Cd的 主要供应源。 对Cd的主要供应支流,利用1∶200 000 区域化探资料初步确定Cd异常的主要分布区,通 过1∶50 000水系沉积物的测量逐步缩小靶区;通过 1∶10 000岩石/土壤剖面测量最终确定主要含Cd 地质体;通过河漫滩沉积柱的同位素测年和洪水事 件定年,重建Cd演变的地球化学历史,并对Cd异 常的未来演变趋势进行预警预测。 2沿江各省在进行长江流域不同地段的Cd 异常示踪与追源过程中既要考虑各省/市的具体问 题,又要考虑上、 下游资料的衔接,包括采样介质、 采 样方法、 采样时间、 采样密度、 分析测试指标、 分析质 量监控等均可进行全流域对比和成图。因此要求沿 江各省在空间上具有战略眼光,使沿江各省Cd异 常示踪和追源的调查与研究置于同一工作平台。如 图2示出的是正在实施的沿江主要支流悬浮物/河 漫滩沉积柱的采样位置图,其中悬浮物采样要求分 枯水、 丰水两次采集,且同一次采样要求沿江各省在 同一时间段内同时采集。 3长江流域沿江Cd异常示踪与追源涉及到 多种方法技术的联合运用和融合,它包括河漫滩沉 积柱的同位素测年/事件定年 [12～15 ]、 悬浮物测量与 输入输出通量计算 [16, 17]、 固 -液相中元素的分布、 分配等 [18～20]。传统的勘查地球化学家对这些方法 技术均不熟悉。中国地质调查局已计划针对长江流 域Cd异常示踪与追源研究进行专门培训,沿江各 3期成杭新等长江流域沿江镉异常示踪与追源的战略与战术289 290 第 四 纪 研 究2005年 省的主要技术骨干应迅速学习这些新概念、 新方法、 新技术所涉及的原理,深刻领会各种方法技术的关 键要点及在长江流域沿江Cd异常示踪与追源中的 重要性。 3 结束语 长江流域贯穿全流域的Cd异常是近年才发现 的新问题,对它的成因和生态危害的全面认识及定 量评价极有可能获得具有地域特色的重大原始创新 成果,它不但需要有一个长远眼光的科学计划,更需 要决策层的远见卓识和有力支持。 参考文献References 1 奚小环.生态地球化学与生态地球化学评价.物探与化探, 2004, 28 1 10～15 Xi Xiaohuan.Eco2geochemicalresearchandeco2geochemical ution.Geophysical ②School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083;③China Geological Survey, Beijing 100011;④Anhui Institute of Geological Exploration, Hefei 230001;⑤Geological Institute of Hunan,Changsha410008;⑥Geological Exploration and Development Bureau of Chongqing, Chongqing 400039;⑦Institute of Surveying and Mapping, Bureau of Geological Exploration of Hebei, Langfang 065000 Abstract The results of the multi2purpose regional geochemical investigation show that there exist Cd anomalies spreading along the whole Changjiang River basin.The long2term objective of the study on tracing and source tracking of the anomalies is to understand the material sources, emigrationalmodes and /output flux, aswell as percentages for natural and man2made material sources of Cd and other heavy metal elements along main tributaries of the Changjiang River with collecting area of more than 5 000km 2 , so as to establish ti me2spatial evolutionary pattern of Cd anomalies along every main tributary, monitor the developing trend, and to predict potential ecological effects and give corresponding early warning . While its immediate objective is to investigate sources of Cd anomalies in key areas, such as the headwater of the Changjiang River, the Xiangjiang River basin, the Jianghuai basin, delta of the Changjiang River, aswell as fourmajor freshwater lakes in the Changjiang River basin, so as to reconstruct geochemical records of anomaly ing, and so to predict ecological effects in near future in 10～50 years for example. Key words Cd anomaly, tracing and source tracking, strategy and tactics, the Changjiang River basin 第四纪研究 征稿启示 第四纪研究 是中国科学院地质与地球物理研究所和中国第四纪研究委员会共同主办的第四纪研究 综合性刊物。它的主要任务是反映国内外第四纪和全球变化研究发展趋势,刊登最新成果,促进学术交流, 提高第四纪科学的基础研究和应用研究水平。 扩版后的 第四纪研究 为国内外第四纪科学家发表和交流新成果提供了新的舞台,刊物有良好的国际 影响,也是国外第四纪科学家关注我国第四纪研究进展的重要信息源。改组后的第四纪研究 编委会由第 四纪研究领域的知名科学家参与,相信刊物在名誉主编刘东生的关怀、 支持和主编韩家懋的具体指导下,会 有更大的发展空间和国际影响力。 根据编委会的建议,本刊仍坚持一个专题的办刊方针,但从过去以约稿为主,过渡到事先公布主题,少量 约稿,选择围绕主题的自由投稿择优刊登。同时,为及时反映第四纪学科研究领域的最新进展,有部分版面 是发表不涉及本期主题但却有新意的自由投稿论文。 热忱欢迎国内外从事第四纪研究的广大科技工作者踊跃投稿。 第四纪研究 编辑部将以最快的速度 和优质的服务,报道第四纪科学领域的最新研究成果。 第四纪研究 编辑部