【摘要】： 水中砷含量超過(guò)10μg/L就會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生威脅。世界范圍內(nèi),由于飲用高砷地下水而引起的砷中毒事件已有大量的報(bào)導(dǎo)。特別是在印度和孟加拉國(guó)發(fā)現(xiàn)廣泛分布的高砷地下水以來(lái),對(duì)這類(lèi)年輕松散沉積物含水層砷污染的研究已成為當(dāng)前地下水環(huán)境領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。有關(guān)高砷地下水的成因機(jī)制,不同的學(xué)者提出了不同的假說(shuō)模型。盡管對(duì)于高砷地下水的成因機(jī)制還存在爭(zhēng)論,但普遍認(rèn)為,高砷地下水的形成與含水層中Fe氧化物-氫氧化物有密切的聯(lián)系,而且含水層中原生微生物的活動(dòng)對(duì)砷的遷移、轉(zhuǎn)化具有重要的影響。含水層沉積物中Fe氧化物-氫氧化物主要以赤鐵礦(αFe_2O_3)、針鐵礦(αFeOOH)、纖鐵礦(γFeOOH)、磁赤鐵礦(γFe_2O_3)、磁鐵礦(Fe_3O_4)和水鐵礦(5Fe_2O_3·9H_2O)等不同的類(lèi)型存在。不同類(lèi)型的Fe氧化物-氫氧化物其地球化學(xué)性質(zhì)不一樣,對(duì)砷的吸附能力也存在差別。從環(huán)境磁學(xué)角度來(lái)看,上述Fe氧化物-氫氧化物具有不同的磁學(xué)特征,室溫下磁赤鐵礦屬亞鐵磁性礦物,赤鐵礦和針鐵礦具不完整反鐵磁性特征,而纖鐵礦和水鐵礦屬于順磁性礦物,因此,根據(jù)磁性參數(shù)測(cè)量,可提取有關(guān)不同F(xiàn)e氧化物-氫氧化物的信息。同時(shí),含水層中砷的遷移、轉(zhuǎn)化還受到硫的地球化學(xué)及生物地球化學(xué)過(guò)程控制。高砷含水層中硫同位素地球化學(xué)的研究,能對(duì)影響含水層中砷遷移、轉(zhuǎn)化的地球化學(xué)及生物地球化學(xué)過(guò)程進(jìn)行指示。此外,對(duì)沉積物中生物標(biāo)志物的分析,能對(duì)含水層系統(tǒng)中微生物的活動(dòng)進(jìn)行表征。因此,對(duì)高砷含水層中Fe氧化物-氫氧化物、硫同位素、沉積物生物標(biāo)志物等的研究,對(duì)理解高砷地下水的成因機(jī)制具有重要意義。 本研究以大同盆地為研究區(qū),該地區(qū)高砷地下水具有高HCO_3、低SO_4~(2-)、NO_3~-、U、Mo、Cr等及強(qiáng)烈的H_2S氣味特征,地下水以Na-HCO_3-Cl為主要水化學(xué)類(lèi)型。本次研究以高砷含水層為研究對(duì)象,對(duì)含水層沉積物Fe氧化物-氫氧化物、生物標(biāo)志物及硫同位素開(kāi)展了研究工作,并取得了以下主要成果: 1、通過(guò)磁學(xué)研究,對(duì)高砷含水層沉積物中磁性礦物與砷的關(guān)系進(jìn)行了表征。本研究通過(guò)對(duì)含水層沉積物采用KLY-3S型磁化率儀、TDS-1型脈沖磁化儀及SMD-88型旋轉(zhuǎn)磁力儀等進(jìn)行了質(zhì)量磁化率(χ)、飽和等溫剩磁(SIRM)、等溫剩磁(IRM300mT)、硬剩磁(HIRM)、F比值(F-ratio)等的測(cè)定和計(jì)算。并采用氫發(fā)生原子熒光光譜儀(AFS-810)對(duì)全巖砷含量進(jìn)行了分析。此外,采用化學(xué)提取的方法對(duì)沉積物中不同相態(tài)的鐵進(jìn)行了提取,并用電感耦合等離子光譜儀(POEMSⅢ)對(duì)Fe、As含量進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:高砷含水層沉積物中磁性礦物以亞鐵磁性礦物(磁赤鐵礦等)為主,并含有少量反鐵磁性礦物(赤鐵礦等);沉積物全巖砷含量與飽和等溫剩磁(SIRM)、等溫剩磁(IRM300mT)等磁性參數(shù)具有顯著的相關(guān)性(α=0.05,R=0.686),說(shuō)明含水層沉積物中砷主要和亞鐵磁性礦物(如,磁赤鐵礦等)共存;與磁分析結(jié)果相似,化學(xué)提取結(jié)果表明,沉積物中Fe主要以還原態(tài)鐵形式(赤鐵礦、磁赤鐵礦等)存在,砷主要出現(xiàn)在還原態(tài)鐵相中。因此,有利的還原條件,可以使沉積物中還原態(tài)鐵還原溶解并釋放砷。 2、通過(guò)硫同位素地球化學(xué)研究,對(duì)含水層系統(tǒng)中控制砷地球化學(xué)循環(huán)的地球化學(xué)及生物地球化學(xué)過(guò)程進(jìn)行了研究。環(huán)境中的硫?qū)ι榈牡厍蚧瘜W(xué)循環(huán)具有重要的影響。本研究采用配備有元素分析儀(Costech)的同位素比值質(zhì)譜分析儀(Delta PlusXL)對(duì)高砷地下水中硫同位素進(jìn)行了分析。此外,采用離子色譜儀(Metrohm 761 Compact IC)對(duì)主要陰離子進(jìn)行了分析;采用電感耦合質(zhì)譜儀(Thermo ExCell)對(duì)部分微量元素及不同形態(tài)砷進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示:高砷地下水中δ~(34)S_([SO4])介于-2.5到+36.1‰之間,變化范圍較大,表明微生物活動(dòng)參與了硫的地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程。地下水中δ~(34)S_([SO4])背景值為8-15‰,且高砷地下水δ~(34)S同時(shí)發(fā)生了強(qiáng)烈虧損和富集作用(±20‰)。此外,地下水補(bǔ)給區(qū)δ~(34)S_([SO4])值介于8-15‰之間,略高于中國(guó)北方大氣硫同位素平均值(5‰),但低于典型蒸發(fā)巖硫同位素值(16‰),因此,大氣來(lái)源硫(干、濕沉降)及側(cè)向裂隙水溶解蒸發(fā)巖來(lái)源硫?yàn)楸镜貐^(qū)地下水中硫的主要來(lái)源。除兩件硫含量很低的樣品外,δ~(34)S_([SO4])與地下水中砷含量具有顯著的正相關(guān)性,即地下水中砷含量隨δ~(34)S_([SO4])增高而增加,這表明砷的釋放與微生物厭氧還原有關(guān)。負(fù)的δ~(34)S值為典型微生物還原產(chǎn)物的硫同位素特征,兩件低硫含量、低δ~(34)S_([S04])值、高砷含量的樣品表明,微生物在鐵、錳的氧化物參與下的厭氧氧化低δ~(34)S值的硫化物,對(duì)高砷地下水的產(chǎn)生也具有重要作用。其過(guò)程可表達(dá)如下:3S~0+2FeOOH-As→SO_4~(2-)+2FeS+2As_s+2H~+S~0+3MnO_2-As+4H~+→SO_4~(2-)+3Mn~(2+)+3As_s+2H_2O其中-As為與Fe、Mn氧化物共存的砷;Ass為水溶態(tài)砷。 3、通過(guò)對(duì)沉積物中生物標(biāo)志物的分析,對(duì)含水層中微生物活動(dòng)進(jìn)行指示。本研究通過(guò)索氏提取方法對(duì)高砷沉積物樣品中有機(jī)物進(jìn)行了提取分離,并采用氣相色譜質(zhì)譜儀對(duì)提取的飽和烷烴類(lèi)物質(zhì)進(jìn)行了分析。本研究以沉積物中飽和烴類(lèi)為研究對(duì)象,系列化合物采用標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)檢索和質(zhì)譜解析相結(jié)合的方法進(jìn)行了鑒定。結(jié)果表明:所有沉積物樣品中飽和烷烴的碳數(shù)分布范圍為C_(14)到C_(35),主要可分為陸源、雙峰和石油來(lái)源等;部分樣品中高碳數(shù)正構(gòu)烷烴含量較高,表現(xiàn)出一定的奇偶優(yōu)勢(shì),表明有機(jī)質(zhì)來(lái)源以陸源高等植物的輸入為主;部分樣品低碳數(shù)正構(gòu)烷烴含量較高,奇偶優(yōu)勢(shì)不明顯,表明其來(lái)源以浮游生物和細(xì)菌為主;CPI值、C_(29)甾烷及藿烷的分布特征表明,有機(jī)物經(jīng)歷了微生物的降解作用。此外,色譜圖中不能分辨包狀組分的存在說(shuō)明,有機(jī)物具有典型的石油來(lái)源特征,并經(jīng)歷強(qiáng)烈的生物降解過(guò)程。因此,沉積物中天然生物可降解有機(jī)質(zhì)的存在,為微生物活動(dòng)提供了條件。結(jié)合硫同位素研究結(jié)果認(rèn)為,微生物活動(dòng)對(duì)砷的地球化學(xué)循環(huán)具有重要意義。 綜上,本研究通過(guò)對(duì)高砷含水層沉積物中環(huán)境磁學(xué)、硫同位素地球化學(xué)及生物標(biāo)志物研究表明:沉積物中砷主要與可還原態(tài)的Fe氧化物-氫氧化物(如磁赤鐵礦等)共存,為高砷地下水中砷的主要來(lái)源;還原條件是高砷地下水形成的重要因素,微生物厭氧條件下對(duì)鐵的氧化物的還原是砷發(fā)生遷移的重要地球化學(xué)過(guò)程,但低δ~(34)S_([SO4])及低SO_4~(2-)也表明微生物在Fe的氧化物參與下對(duì)硫化物的厭氧氧化對(duì)高砷地下水的形成也具有一定的意義;沉積物生物標(biāo)志物分析表明有機(jī)物表現(xiàn)為多來(lái)源,且有強(qiáng)烈微生物降解特征,結(jié)合硫同位素研究認(rèn)為微生物活動(dòng)對(duì)砷的遷移具有重要作用。本論文創(chuàng)新點(diǎn): 1、首次對(duì)高砷含水層沉積物進(jìn)行了較為詳細(xì)的環(huán)境磁學(xué)研究,并采用化學(xué)全分析及掃描電鏡等方法對(duì)磁性組分的砷含量進(jìn)行了分析; 2、運(yùn)用硫同位素地球化學(xué)的方法,對(duì)影響砷遷移、轉(zhuǎn)化的地球化學(xué)及生物地球化學(xué)過(guò)程進(jìn)行了研究; 3、通過(guò)對(duì)高砷含水層沉積物中生物標(biāo)志物的研究,結(jié)合硫同位素研究結(jié)果,認(rèn)為生物作用對(duì)含水層中砷的循環(huán)有重要作用。 總之,論文在高砷沉積物環(huán)境磁學(xué),生物標(biāo)志物,硫同位素地球化學(xué)等方面取得了創(chuàng)新性進(jìn)展。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2008
【分類(lèi)號(hào)】：X523

【引證文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2638190