长江口沉积物重金属元素地球化学特征及其底质环境评价图文百精.docx

1、长江口沉积物重金属元素地球化学特征及其底质环境评价图文百精长江口沉积物重金属元素地球化学特征及其底质环境评价孟翊,刘苍字,程江(华东师范大学河口海岸国家重点实验室,上海200062摘要:通过对长江口区32个表层沉积样品中Cu、Cr、Zn、Pb等重金属元素及Al等常量元素的含量分布进行定量研究,揭示水动力和沉积作用是研究区元素分布的主要控制因素,进而采用聚类分析将研究区划分为4个沉积地球化学分区。此外,本次研究采用模糊数学方法,以Cu、Cr、Zn、Pb重金属元素作为评价因子对长江口区进行底质环境的多因子评价,结果发现研究区的底质环境都受到了不同程度的污染,从而为探讨研究区沉积地球化学过程和环境保

2、护提供了科学依据。关键词:沉积地球化学;重金属元素;环境评价;长江口中图分类号:P736.4文献标识码:A文章编号:025621492(20030320037207长江口是一个水丰沙多的中潮河口,它的年径流量和年输沙量分别达9240亿m3和4186亿t。在复杂的水动力因子,如径流、潮流、河口余环流和波浪等的相互作用下,大量流域来沙在河口区沉积,建造了庞大的水下三角洲。由于多种水动力因子的相互消长,加之生物地球化学作用的影响,使得进入该区水体中的重金属元素具有复杂的沉积地球化学特征13。因此,研究重金属元素在沉积物中的含量和分布,不仅可以揭示重金属元素在河口地区迁移富集的规律4,5,进而探讨水动

3、力和沉积条件的变化,而且对于水资源保护与开发利用、区域环境评价6及经济发展都具有重要意义。1研究区域及方法本次研究样品主要采集于19881992年的长江河口锋调查2,共计32个表层沉积样品。研究范围西起长江口南北分叉处,东至长江水下三角洲前缘,可达123E附近(图1。样品处理方法:用取泥器取出表层沉积物,放入聚乙烯瓶中,取50g沉积物,经风干、烘干后保存于干燥箱中,取一定量样品用HCl2HNO32HClO42HF 消化,经HNO3重溶后制成5%的溶液,采用美国产Jarrell Ash1000ICP光谱仪,测定重金属元素Cu、Cr、Zn、Pb和常量元素Al、Fe等元素的总量,结果表基金项目:国家

4、自然科学基金资助项目(40206013作者简介:孟翊(1967,女,助理研究员,主要从事海洋沉积与沉积地球化学研究,E2mail:ymeng收稿日期:2003201210;改回日期:2003204223.文凤英编辑明绝大多数分析元素的相对误差小于5%。与此同时还采用COUL TER L S100Q激光粒度仪做了沉积物的粒度分析。2结果与讨论2.1重金属元素含量及分布趋势河口沉积物中的重金属元素不仅蕴含许多有价值的地质和环境信息,而且能较好地显示该地区的污染情况,是开展地球化学研究和进行环境评价的基础资料7,8。表层沉积物中重金属元素的平面分布趋势显示,Cu、Cr、Zn、Pb等的高值区均位于30

5、150 31150N、122122192E的范围,即高值区主要分布在南支口外的长江水下三角洲地区(图2。表层沉积物中重金属元素的分布,在东西纵向上表现为从口内到口外含量增加,达到一高值后又呈下降趋势,且下降幅度较大(图3a。南北横向的变化趋势与东西纵向的有些相似,即从南向北重金属元素的含量呈先低后高、再有所降低的变化趋势(图3b。因此,重金属元素的含量分布总体上在东西纵向上呈两侧低、中间高,而南北横向上则显示南高北低的格局。2.2元素的相关性对几种重金属元素所做的相关分析表明,Cu、Cr、Zn、Pb与Al2O3具有极好的正相关性,相关系数分别为0191、0191、0188、0167(图4。Al

6、2O3是大2003年8月海洋地质与第四纪地质Vol.23,No.3第23卷第3期MARIN E GEOLO GY&QUA TERNAR Y GEOLO GYAug.,2003 图1研究区表层样品站位Fig.1Location of the surface samples in the study area图2长江口表层沉积物中Cu 、Cr 、Zn 、Pb 含量的平面分布(单位:mg/L Fig.2Distribution of Cu ,Cr ,Zn ,and Pb contents in the surface sediments of the Y an gtze River mouth陆风化

7、产物,在地壳中较稳定,又是粘土矿物的主要成分,说明这些重金属元素与粘土矿物关系密切3,9,且随粘土的增加而增加。4种重金属元素在不同类型沉积物中的含量也表明,沉积物粒度越细其含量越高(表2,如Cu 在粘土中的含量是砂和粉砂中含量的216倍和115倍,粘土中Zn 的含量是砂的119倍,Cr 、Pb 在粘土中的含量也是它们在砂中含量的116倍。83海洋地质与第四纪地质2003年 图3长江口沉积物重金属元素的东西纵向(a 和南北横向(b 变化Fig.3East 2west and south 2north changes in the contents of heavy metal elements

8、 of the Y angtze River mouth sediments图4长江口沉积物中Cu 、Cr 、Zn 、Pb 与Al 2O 3的关系Fig.4Relationships between Cu ,Cr ,Zn ,Pb ,and Al 2O 3in the Y angtze River mouth sediments93第3期孟翊,等:长江口沉积物重金属元素地球化学特征及其底质环境评价表1长江口不同类型沉积物中重金属元素的平均含量Table 1.Average contents of Cu ,Cr ,Zn ,and Pb in different sediments of theY

9、angtze River mouthmg/LCuCr Zn Pb 砂13.648.1154.7918.60粉砂23.9971.7778.3625.39粘土35.7975.51102.5629.562.3沉积地球化学分区长江口区元素的分布格局是河口区海陆相互作用的结果,与该区水动力过程和沉积过程相关。对32个表层沉积样进行的Q 型聚类分析将研究区域划分为4个沉积地球化学区(图5。其中A 区主要分布在口外,沉积物以泥质粉砂和粉砂质泥为主,平均粒径(Mz 为7.3 左右,Cu 、Cr 、Zn 、Pb 在此处含量最高,分别达7214、3310、3411、10511mg/L 。这里的沉积物粒度较细,一般

10、沉积物越细,比表面积越大,越易吸附重金属元素1,5。该区也是长江口最大浑浊带活动区4,频繁的盐淡水交汇、较强的絮凝作用,使得水体中高含量的细颗粒物质特别是粘土矿物沉降下来,并吸附某些金属元素;同时,适宜的水化学条件利于多种无机和有机胶体,如Fe 2Mn 水合物、絮状物的形成5,10,这些无机和有机胶体悬浮物通过絮凝、络合等作用,吸附了大量的金属元素。B 区分布于研究区东部,位于陆架残留砂和混合沉积区。这里的沉积物粒度最粗,为中细砂和混合砂,且含有较多的生物碎屑,重金属元素含量很低,属生物源区。C 区大致位于长江河口锋与羽状锋4之间,其沉积物平均粒径在410 左右,属现代长江三角洲向陆架的过渡带

11、,Cu 、Cr 、Zn 、Pb 的含量介于A 区与B 区之间。D 区位于南北支拦门沙以内,这里长江径流作用较强,陆源重矿物如闪石类、帘石类和斜长石类等的含量较高,而重金属元素的含量相对较低。长江径流携带的陆源风化产物控制着该区的沉积物组成。2.4底质环境评价2.4.1现状参照长江口区4种重金属元素的背景值11,研究区32个底质样品中有25个样品的Pb 含量高于背景值,超标率达7811%,Zn 有16个样品的含量超过背景值,超标率达5010%,Cu 和Cr 超标率分别达3414%和1516%(表2 。图5长江口沉积地球化学分区Fig.5Sedimentary geochemical provin

12、ces of the Y angtze River mouth area4海洋地质与第四纪地质2003年表2长江口底质沉积物中重金属元素的评估Table2.Assessment of heavy metal elements in the bottom sediments of the Y angtze River mouth项目Pb Zn Cu Cr底质评价标准/(mg/L20803080最大浓度/(mg/L38.112256.988.8最小浓度/(mg/L13.240.6 6.733.7样品数32323232超标数2516115超标率/%78.150.034.415.62.4.2污染因子权

13、重计算方法以底质污染因子重金属元素Pb、Zn、Cu和Cr 构造A2U判断矩阵:PbZnCuCrp=123 41/21231/31/2121/41/31/21PbZnCuCr根据A2U判断矩阵,采用方根法求出最大特征根所对应的特征向量W,所得特征向量即为各个评价因素的重要性排序,也就是各评价因子的权重分配。经计算得: W1=0146685, W2=0.27759, W3 =0.16027, W4=0.095295,于是所求判断矩阵的特征向量为:W=(0.4668,0.2766,0.1603,0.0953以上得到的特征向量即为所求权重。权重分配是否合理,需要对判断矩阵进行一致性检验。检验使用公式:

14、CR=CI/R I,其中CR为判断矩阵的随机一致性比率;CI为判断矩阵的一般一致性指标,它由下式给出:CI=1n-1(max-n;R I为判断矩阵的平均随机一致性指标,对于19阶判断矩阵, R I见表3。表3平均随机一致性指标RI值Table3.RI values of average random coincidence indicatorn123456789RI0.000.000.580.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45当CR0110时,即认为判断矩阵具有满意的一致性12,说明权重的分配是合理的;否则,就要调整判断矩阵,直到取得符合的一致性的要求为止。判断矩阵的最大特

15、征根max=711946812,经检验:CI=max-44-1=417411-43=01010373,R I= 0190CR=CIR I=010103730190=0101150110,表明判断矩阵具有满意的一致性,因此特征向量W= (014668,012766,0.1603,0.0953可以作为权重向量。上述计算结果显示,用模糊数学方法分析长江口区底质污染因子重金属元素Pb、Zn、Cu和Cr,其权重分别为014668、012766、011603和010953,可以作为评价因子用来评价研究区的底质环境。2.4.3污染状况根据所测样品中4种重金属元素Cu、Cr、Zn、Pb 的数据,对各沉积地球化

16、学分区进行底质环境的多因子评价。多因子评价采用加权评价模式,即把各污染因子的质量分指数乘以各因子的权重值,再综合成底质的环境总指数进行评价。其计算式为: SQJ=W i P i其中SQJ为底质的环境质量总指数,W i为第i个因子的权重值,P i=(1/K i/(1/K i,代表污染因子对环境质量影响程度的比重分配,K i为第i个污染因子的环境可容纳量,可由评价标准(Si和背景值(Coi3,11来计算:K i=(Si2Coi/Coi,由上述公式计算得下表(表4。表4长江口4个沉积地球化学分区多因子评价的环境质量总指数Table4.Index of environmental qualityass

17、essed with multiple factors in the foursedimentary geochemical provinces分区A B C DSQJ0183015401680171分级轻污染清洁微污染微污染参阅SQJ分级标准11,可看出4个沉积地球化学分区中,除B区外,皆受到不同程度的污染,尤以A区相对较为严重。A区为轻污染区,这与此区沉积物颗粒较细、絮凝作用强烈有关。长江口河口环流和底质再悬浮过程使该区具有较高的悬浮物质,从而形成一个具有较高吸附能力的吸附过滤障10,加之有机物的络合及各种水合物的形成,使得一些溶解相的重金属也转移到颗粒相5,9,进一步增加了这些污染元素的

18、含量。这种过滤效应对系统水质起到了净化作用,14第3期孟翊,等:长江口沉积物重金属元素地球化学特征及其底质环境评价 洋 地 质 与 第 四 纪 地 质 海 42 2003 年 而底质却被污染了 。 B 区是 4 个区中惟一清洁的区 。此区海洋作用 显著 ,重金属元素在高盐度和 p H 值下被解析 5 ,7 , 加上潮汐和波浪的筛选 ,造成该区沉积物粒度较粗 。 口外流系和长江冲淡水的扩散趋势 4 , 也是导致 B 区清洁的原因之一 。 C 区和 D 区均为微污染区 。很明显 C 区得益 于 A 区的吸附过滤障 ,使得重金属元素含量相对减 少 。D 区正是长江径流作用强烈的地带 , 沉积物粒 度

19、也较粗 ,理应所受污染小 ,但是由于上海市几个排 污口和崇明某些乡镇企业的大量倾泄污物 , 造成 D 区目前这种状况 。因此整个环境状况不容乐观 , 应 高度重视保护环境 ,控制人为排放污染物 。 sediments in t he estuarine environment J . Teconical report Reld , 1983 (14 : 310 313. 2 翊 , 刘苍字 . 长江口区沉积地球化学特征的定量研究 J . 孟 华东师范大学学报 ( 自然科学版 , 1996 (1 : 73 83. 3 赵一阳 . 中国海大陆架沉积物地球化学的若干模式 J . 地质 科学 , 19

20、83 (4 : 307 314. 4 沈焕庭 , 郭成涛 , 朱慧芳 , 等 . 长江河口最大浑浊带的变化规 律及其成因 A . 海岸河口区动力 、 地貌 、 沉积过程论文集 C . 北京 : 科学出版社 , 1995. 78 79. 5 敏 , 陈邦林 , 夏福兴 , 等 . 长江口最大浑浊带悬移质 、 陈 底质 微量金属形态分布 J . 华东师范大学学报 ( 自然科学版 , 1996 (1 : 38 44. 6 Tretey J H. History of heavy metal input to Mississipi Delta sedi2 mentsJ . Estuaries , 19

21、85 , 12 (2 : 231 23. 7 Zwolsman J J . Spatial and temporal distribution of trace metals in sediments from t he Scheldt Estuary , Sout h2West Net herlandsJ . Estuary Coastal and Shelf Science , 1996 (43 : 55 79. scope for growt h of mussels from t he Venice Lagoon , Italy J . Marine Environmental Res

22、earch , 1997 , 43 : 69 79. and biogeochemical processes in t he Changjiang Eatuary J . China J . Oceanol. Limnol. , 1991 , 9 (1 : 33 43. 8 Widdows J , Nasci C , Fossato V U . Effects of pollution on t he 9 Singh A K , Benerjee D K. Grain size and geochemical partitioning of heavy metals in sediments

23、 of Damodar River tributary of t he a lower Ganga , India J . Environmental Geology , 1999 , 39 ( 1 : 91 98. 10 Tian R , Chen J , Zhou J . Dual filtration effects of geochemical 11 吴国元 . 长江河口南支南岸潮滩底质重金属污染与评价 J . 3 结论 ( 1 长江口区重金属元素主要来源于长江径流 带来的大量陆源物质 , 其分布主要受长江口的水动 力条件和沉积作用的控制 。根据这些重金属元素的 含量变化 ,可以将长江

24、口区划分为 4 个不同的沉积 地球化学分区 。 ( 2 沉积物粒度和盐淡水交汇导致的絮凝作用 也控制着重金属元素的分布及其化学行为 , 一般重 金属元素在细颗粒沉积物中相对富集 。 (3 长江口底质环境评价结果表明 , 本区底质 环境皆受到不同程度的污染 , 尤以南支口外相对较 为严重 。 参 考 文 献 1 Schubel R J . The estuary as a filter for fine grained suspended 海洋环境科学 , 1994 (2 : 48 51. 1989. 191 206. 12 垆 . 实用模糊数学 M . 北京 : 科学技术 文 献 出 版 社

25、, 荩 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 3 期 ,等 : 长江口沉积物重金属元素地球化学特征及其底质环境评价 第 孟 翊 43 GEOCHEMICAL CHARACTERISTICS OF HEAVY METAL EL EMENTS IN THE SURFACE SED IMENTS IN THE YANGTZE RIVER ESTUARINE AREA AND EVAL UATIONS OF THE BED MATERIALS ( State Key Laboratory of C

26、oastal and Estuarine Research , East China Normal University , Shanghai 200062 ,China Abstract :During t he consecutive cruises between 1988 and 1992 , 32 surface sediment samples were collected f rom t he Yangtze River mout h region , and t he common element Al and four heavy metal element s Cu , C

27、r , Zn , and Pb have been analyzed in order to reveal t heir geochemical properties and t he relationships between t he sedi2 mentary environment and t he chemical element s. Based on t he quantitative analysis of t he four heavy metal ele2 ment s and t he common element Al , t he hydrograp hic dyna

28、mics and t he sedimentation are found to be t he main t his st udy for evaluating t he environmental quality. It has been revealed t hat almost t he whole st udy area has been polluted to different degrees , and t he region has a potential danger of being more seriously polluted. Key words :geochemi

29、st ry ; heavy metal element s ; environmental evaluation ;t he Yangtze River mout h cont rolling factors on t he dist ribution of t he element s. According to t his result , t he st udy area is divided into four sedimentary geochemical provinces by Q2mode cluster analysis. In addition , f ussy set t

30、 heory is applied to 第五届亚洲海洋地质国际会议第 2 号通知 2004 年 1 月 13 日 ,第五届亚洲海洋地质国际会议将在泰国曼谷 Chulalongkorn 大学举行 。本届国际会议由泰国矿产资源部 、 18 泰国地 下水资源部 、 泰国矿物燃料部 、 CCOP 、 IOC/ WESTPAC 、GCP2475 (DeltaMAP 、GCP2476 、 I I APN ( MegaDelta 项目组共同主办 ,泰国 Chulalongkorn 大学地质系承办 。组织委员会主席为 Veerote DAORER K 先生 ,国际科学委员会主席是中国科学院院士汪品先教授 。

31、 1 会议主题 : 本届国际会议 DeltaMAP 、 MegaDelta 项目组将共同参与并组织地质旅行 ,共设 11 个讨论主题 ,它们是 : (1 亚洲海洋地质发展方向 ; (2 亚洲大陆边缘的深海钻探 ; (3 亚洲海域的地质与构造 ; (4 青藏高原的隆升与季风气候 ; (5 边缘海的演化 ; (6 太平洋和印度洋间的通道 ; (7 边缘海的海陆相互作用和古海洋 ; (8 气候与海洋环境 ; (9 沉积作用与海洋沉积动力 ; (10 东南亚海域的油气和天然气水合物 ; (11 人类对海岸带的影响及可持续发展 。 以及 “亚洲三角洲 : 演化和近期的变化 ( I GCP/ APN ” 。 2 工作语言 : 英语 3 论文摘