高碘地下水是继高砷、高氟地下水之后的又一新的全球性饮水安全问题。根据国家标准《水源性高碘地区和地方性高碘甲状腺肿病区的划定》( GB / T19380 — 2003 )[ 1 ] ,居民饮用水碘含量超过150 μg/ L为高碘地区。图1　河套平原水文地质简图(引自文献[ 7 - 8 ])Fig.1　Simplified　hydrogeological　map　 of　the　Hetao　Plain沿海地区为陆相海相交互带,高碘地下水中的碘主要来源于海水或海相沉积物的分解,分布较为集中,而内陆盆地的高碘地下水则多分布于河谷相沉积物中,其中的碘受海水影响很小,其成因与沿海地区存在明显差异。在滨海地区,海水中的碘很容易被土壤、沉积物及海相动植物体所吸附或吸收,使得海洋表层沉积物中碘含量较高(1~2　000mg/kg),在利于碘释放条件下被转移至滨海区域地下水中,使滨海地区普遍分布有高碘地下水 [2 - 4 ] 。而对于内陆盆地区,高碘地下水由于其来源不同、呈分散、点状分布,且发现较晚,相关研究尚十分薄弱 [5 ] 。内蒙古河套平原为典型的新生代内陆断陷式盆地。其西部的杭锦后旗是国家商品粮基地,也是高砷地下水分布典型区。 2005年,该地在“中央补助地方公共卫生专项资金高碘地区分布和病情调查”项目资助下,开展了高碘地下水调查。结果显示,该地有10个乡镇31个行政村地下水中碘含量超过150 μ g / L ,且 该 地 区 人 群 甲 肿 率、尿 碘 水 平 均 较高 [6 ] 。高砷地下水分布区又叠置出现高碘地下水,这是一个罕见而有意义的水化学现象。开展该地区高碘地下水成因分析,对于推进内陆盆地区高碘地下水形成机理、丰富高砷地下水研究内容,具有重要意义。本文试图应用因子分析和多元线性回归分析法,揭示内蒙古河套平原杭锦后旗这一内陆盆地区高碘地下水的形成机制。1　 研究区概况河套平原位于内蒙古自治区西部,北纬40°10′~41°20′ ,东经106°10′~109°30′ ,以干旱 - 半干旱气候为主,年均气温在5.6~7.8 ℃ ,年降雨量为130~220mm ,年蒸发量为1　900~2　500mm ,北靠阴山,西至乌兰布和沙漠,南临黄河,东依乌梁素海,中部为广阔的冲湖积平原(图1 )。 68 　 　 　 　　 王妍妍,马 　 腾,董一慧,等/ 地学前缘 ( Earth 　 Science 　 Frontiers ) 2014 , 21 ( 4 )http :// www.earthsciencefrontiers.net.cn　地学前缘, 2014 , 21 (4 )河套平原是形成于侏罗纪晚期的中新生代断陷盆地。研究区构造条件封闭,长期以湖相沉积为主,形成了以还原为主的地球化学环境,沉积物富含有机质。该区浅层地下水水位埋深在3~20m ,主要接受大气降水的入渗补给,并辅以山前裂隙水侧向补给、天然湖泊的少量补给和农田灌溉水的入渗补给。排泄方式为蒸发和人为开采。地下水径流主要受构造和地形控制。在北部扇群地带,地下水流向由北向南;在套区内地下水流向则由西南向北东折向东;研究区东部乌梁素海为浅层地下水的最终排泄区(图1)。图2　杭锦后旗采样点分布图Fig.2　Locations　of　groundwater　and　surface　water　samples　in　Hangjinhouqi位于平原西部的杭锦后旗,地势平坦,从西南向东北稍有倾斜,海拔1　040m 左右,是河套平原地方性砷中毒最严重的旗县,受砷中毒影响人口近20万。杭锦后旗西北部山区的东升庙和炭窑口是我国著名的狼山有色金属成矿带中的海相沉积 - 变质型铅锌硫铁矿矿床,形成于中元古代 [9 ] 。2　 样品采集与处理为了研究内陆盆地高碘地下水的成因问题,我们于2011年8月在杭锦后旗开展了野外调查和现场采样工作。采样点的布置原则:(1 )以地下水排泄带及周边的地下水和地表水调查为重点;(2 )以主开采层和高砷地下水含水层调查为主;(3 )兼顾南北两侧地下水沿流向的水质变化。基于上述原则,共采集25组地下水水样,均采自压把井或机井。除乌拉特后旗友联村的两个采样点( G - 2和 G - 3)井深分别为39m 和48m ,其余井深均为8~35m ;地表水水样3组,其中尾矿水水样1组( S- 3 ),为齐华矿业初级坝坝坑水,排干沟内的水样2组,分别为沙海镇友爱村的总排干水(S - 1 )和沙海镇南园村的三排干水(S - 2 ),采样点分布图见图2 。水样测试指标主要根据沿海地区高碘地下水富集的影响因素并结合研究区高砷水的特点确定。水温、pH、电导率、氧化还原电位等现场指标用美国Hach　Sension2和 Hach　LDOTM　HQ　10便携式测定仪测定,总碱度在取样当日滴定。主要阴离子用DX - 120离子色谱仪进行测定;主要阳离子用IRISIntrepid　II　XSP 型 ICP - AES 进 行 测 定;As 用AFS830氢化物发生双道原子荧光光度计测定;碘和溴采用 Agilent　7500a型ICP - MS测定。以上分析在中国地质大学(武汉)生物地质与环境地质国家 王妍妍,马 　 腾,董一慧,等/ 地学前缘 ( Earth 　 Science 　 Frontiers ) 2014 , 21 ( 4 )　　 69 　 　 　http :// www.earthsciencefrontiers.net.cn　地学前缘, 2014 , 21 (4 )重点实验室和地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。分析地下水样时,质量控制采用加5%的重复样,所有重复样品的误差小于5% 。岩土样主要利用课题组2007年8月在三道桥镇(原沙海镇)乌兰六社钻凿的一个深度达50m 的钻孔SH(图2)的岩土样数据。3　 水化学及碘的分布特征分析结果显示,研究区地下水 pH 值为6.58~9.09 ,偏碱性,水温为12.1~21.8 ℃ ,平均温度为14.8℃ ,主要化学组分含量变化情况如图3所示。所有地下水样中砷浓度范围为10.8~721 μ g / L ,均超过了生活饮用水卫生标准(10 μ g / L )[ 10 ],约60%的水样中砷浓度超过了50 μ g / L 。图3　杭锦后旗浅层地下水水化学组成分布图Fig.3　Box　plot　for　concentration　of　ions　in　shallow　groundwater　in　Hangjinhouqi地下水中碘的浓度为31.84~1　290 μ g / L ,地表水( S- 1 、 S - 2 和 S - 3 )中碘浓度分别为 15.9 μ g/ L 、43.3 μ g / L和220.77 μ g / L 。 25组地下水样品中有12组碘含量超过我国饮用水的标准限定值150 μ g / L(样品编号为 G - 14 — G - 25 ,见图2 ),其浓度范围为151.07~1　290 μ g / L 。高碘地下水主要沿地下水排泄带分布,如沙海镇、蛮会镇和三道桥镇,其中位于乌拉特后旗蒙汉四社的地下水(样品编号为 G -24和G - 25 )中碘含量异常高,达1　060 μ g / L和1　290 μ g / L ,同时该水样的矿化度、铁、溴和砷含量也较高,平均值分别为3　390mg/ L 、5.66mg/ L 、3　380 μ g /L 和110 μ g / L 。而排泄带东南侧地下水中碘含量普遍偏低 [11 ] 。地下水中的碘在垂向上的分布如图4所示,高碘地下水主要集中分布在35m 以内,超过此深度的地下水中碘含量均小于150 μ g / L ,碘含量最高点出现在井深30m 附近。图4　碘与井深的关系图Fig.4　The　diagram　of　well　depth　related　to　iodine从Piper三线图上(图5 )可以看出,地下水中阳离子以碱金属 Na+ 为主,其次为 Mg 2+和Ca2+ ,但碱土金属(Mg2+和Ca2+ )单一成分均不构成本区地下水中的 优 势 离 子;阴 离 子 则 以 Cl-为 主,其 次 是HCO - 3 , SO2-4同样不具有分类优势。相对于碘含量小于150 μ g / L的地下水,高碘地下水中 Na+和Cl-的分类优势更加明显。研究区地下水的化学特征表现为碱土金属非重碳酸型、碱金属重碳酸型和碱金 70 　 　 　 　　 王妍妍,马 　 腾,董一慧,等/ 地学前缘 ( Earth 　 Science 　 Frontiers ) 2014 , 21 ( 4 )http :// www.earthsciencefrontiers.net.cn　地学前缘, 2014 , 21 (4 )属非重碳酸型水(图5中的1区、3区和4区),在这3个区域虽然都有高碘水的存在,但是从全区来看,高碘水主要分布在碱金属非重碳酸型水(图5中的4区)中。图5　杭锦后旗水样点的 Piper 三线图Fig.5　The　Piper　diagram　of　water　in　Hangjinhouqi1区—碱土金属非重碳酸型; 2区—碱土金属重碳酸型;3区—碱金属重碳酸型; 4区—碱金属非重碳酸型。4　 高碘地下水的形成机制探讨笔者参照沿海地区高碘地下水富集的影响因素并结合研究区高砷水的特点,选取25个地下水样品点( G - 1 — G - 25)水质数据中的12项指标(即 Na+ 、Ca2+ 、Mg2+ 、Cl- 、SO2-4、 HCO -3 、 As 、 Fe 、 Br 、 I 、pH、Eh )作为评价指标,利用统计软件SPSS17.0进行因子分析共提取出3个公共因子,并利用 Kaiser标准化的正交旋转法在5次迭代后收敛,累计方差贡献率达78.73% 。该区特殊而复杂的水文地球化学环境使 As 、 I的空间变异程度较高,这3个因子基本反映了该地区地下水的主要形成过程。其中 F1包括I 、 Br 、 Fe 和 Ca2+ ,F2 包 括 Na+ 、Cl- 、Mg2+和HCO - 3 , F3 包括pH、 Ca2+ 、Eh 、 SO2-4和 As ,所得到的因子载荷如表 1 所示。4.1　 因子分析结果讨论上述因子分析结果显示,研究区地下水中的碘在F1 中有0.942 的载荷,而在 F2和 F3 中分别只有 0.001和-0.053的载荷,这说明 F2和 F3对碘的富集影响较小,故下文着重讨论F1 。研究区高碘地下水的一个特点是普遍含有较高的溴。溴和碘同属卤族元素,二者显示出正向相依关系(图6a ),相关系数达0.909 ,说明碘与溴有伴生的特点。而碘与氯作为卤族元素的正向相依关系并不那么显著,如图6b所示。这主要是由于碘和溴一般来源于海洋,而氯的来源则比较多样,陆生盐岩的溶解等过程也会释放氯进入到地下水中。表 1　 水化学指标的因子载荷Table　1　Factor　loadings　of　hydrogeochemical　parameters水化学指标因子载荷值F1 F2 F3IBrFe0.9420.9140.8850.0010.2700.181-0.053-0.0930.094Na+Cl-Mg2+HCO - 30.1670.4330.298-0.4680.9600.8490.7570.693-0.0380.0120.4610.070pHCa2+EhSO2-4As-0.1950.609-0.259-0.0420.058-0.138-0.051-0.2070.482-0.076-0.8670.7160.7150.711-0.557