高砷地下水是全球性的水环境安全问题。多年来的研究发现，高砷地下水主要分布在晚更新世-全新世浅层细砂含水层中，深层承压含水层地下水砷浓度普遍较低。印度、孟加拉、越南、柬埔寨等东南亚-南亚的国家和地区是全球浅层高砷地下水影响最为严重的区域，为缓解地方性砷中毒这些国家也将深层地下水作为替代的饮用水源。一般情况下，深层承压含水层因其年龄“较老”，其含水系统中有机物和含砷铁氧化物的含量和活性均较低，不易形成高砷地下水，因此这种类型的含水层也通常被当作“水质良好且健康”的饮用水源。然而，近些年的研究发现深层地下水中砷浓度超标的现象也越来越多，给当地居民带了未知的健康风险。深层承压含水层中高砷地下水的形成机理及影响因素尚未可知，亟需进行深入的科学研究。

针对上述问题，我校水资源与环境学院高志鹏讲师、郭华明教授与合作者在松嫩盆地选择典型研究区展开研究，通过野外监测、室内实验、数据分析等方法，探究了浅层细砂和深层砂砾石含水层高砷地下水的水化学组分、有机物组成、沉积物矿物之间的差异及与地下水砷富集相关的水文地球化学过程，明晰了不同类型含水层沉积物中铁、锰、砷矿物组成对地下水砷富集的影响。研究取得的创新性认识如下：

（1）探究了深层承压砂砾石和浅层细砂含水层中高砷地下水水化学、沉积物矿物、有机物组成特征及其差异。浅层和深层地下水As浓度均显著超标，且深层地下水As浓度高于浅层地下水；深层地下水的BDOC/DOC和BIX均高于浅层地下水，说明深层地下水DOM的生物活性更高；深层含水层沉积物铁氧化物及结合态砷、吸附态砷、Fe(II)矿物是浅层含水层沉积物的数倍到数十倍，锰氧化物含量则较低。

（2）揭示了有机物降解导致的含砷铁氧化物的还原性溶解是浅层细砂和深层砂砾石含水层高砷地下水形成的主要过程。浅层和深层含水层沉积物中均具有高含量的还原态Fe(II)矿物和Mn(II)矿物，说明两个含水层均处于还原环境，且铁/锰氧化物的还原程度较大，导致沉积物中的砷大量释放进入地下水中。

（3）明晰了深层含水层沉积物中高含量的铁氧化物结合态砷（高As/Fe摩尔比）、低含量的锰氧化物、不同的Fe(II)矿物沉淀形式是导致其地下水砷浓度显著高于浅层含水层的主要因素。一方面，高含量的铁氧化物结合态砷是地下水砷富集的主要来源，当发生铁氧化物还原时，As/Fe摩尔比越大释放的砷越多；另一方面，锰氧化物含量高时会与铁氧化物竞争有机物降解产生的电子而抑制含砷铁氧化物的还原，同时也会氧化地下水中的As(III)，因此会降低地下水砷浓度；此外，浅层含水层沉积物中Fe(II)矿物以黄铁矿等硫化物矿物为主，而深层含水层则以菱铁矿为主，菱铁矿吸附砷的能力远低于黄铁矿等矿物，从而为深层地下水砷的异常富集创造了有利条件。

图1  研究区及采样点位置图

图2  地下水中（a）As、（b）Fe、（c）Mn浓度空间演化特征

图3  深度剖面上沉积物孔隙水（a）As、（b）Fe、（c）Mn浓度随深度变化

图4  深度剖面上沉积物提取态Mn、Fe、As含量

图5  （a）沉积物中提取态铁氧化物及其结合态砷含量的关系、（b）HCl提取态As与可解吸态As的含量、（c）HCl提取态As含量与沉积物孔隙水As浓度关系

图6  研究区浅层和深层高砷地下水富集的概念模型图

上述研究成果发表在国际地球物理学权威期刊《Journal of Geophysical Research: Biogeosciences》上：Gao, Z.P., Guo, H.M.*, Qiao, W., Ke, T.T., Zhu, Z.J., Cao, Y.Y., Su, X.S., Wan, L., 2022. Abundant Fe(III) Oxide-bound Arsenic and Depleted Mn Oxides Facilitate Arsenic Enrichment in Groundwater from a Sand-gravel Confined Aquifer. Journal of Geophysical Research: Biogeosciences, 127, e2022JG006942. [IF2021=4.432]

全文链接：https://doi.org/10.1029/2022JG006942