碳酸盐岩风化成土过程铊的富集机理及环境效应

作     者：苏羽乔 

作者单位：广州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：肖唐付

授予年度：2024年

学科分类：083001[工学-环境科学] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 08[工学] 

主      题：铊 碳酸盐岩 风化成土 迁移富集 环境效应 

摘      要：铊（Tl）是一种典型有毒有害的重金属元素,对环境和人体健康构成严重威胁。含Tl矿石或矿物的自然风化淋滤及人为开发Tl矿产资源导致Tl被活化并进入土壤或水体中,造成铊环境污染。其中,岩石风化产生的自然土壤Tl富集现象不容忽视,特别是在碳酸盐岩基岩上自然发育的土壤存在富铊现象。然而目前对碳酸盐岩风化过程中铊的迁移和富集机制及其环境效应的理解仍很有限。因此,本文在前期研究及野外调研的基础上,选取黔西南地区两个典型碳酸盐岩风化剖面、周边耕作土及农作物为研究对象,通过对风化剖面主微量元素含量、矿物相变化及铊赋存形态的分析,探究碳酸盐岩风化成土过程中Tl的迁移富集机制。此外,通过对耕作土及其农作物铊含量的分析,评估了在碳酸盐岩地质背景区土壤铊的环境影响。获得以下结论及认识: （1）本研究中两个不同岩性（灰岩和白云岩）的碳酸盐岩风化剖面均为下伏母岩原位自然风化而成,剖面中Tl含量均显著高于其下伏基岩Tl含量,风化剖面存在Tl富集现象。相比白云岩风化剖面(XRS剖面,Tl土壤=0.49～0.63 mg/kg),灰岩风化剖面(SLJ剖面,Tl土壤=42.5～74.4 mg/kg)土壤层中Tl含量显著高于我国土壤背景铊含量平均值（0.62 mg/kg）,基岩中铊含量(SLJ剖面,Tl基岩=1.66 mg/kg;XRS剖面,Tl基岩=0.02 mg/kg)是影响风化土壤中铊含量的主要因素。 （2）两个剖面的化学风化程度较高,在风化初期,碳酸盐岩矿物（方解石和白云石）大量溶解,Ca、Mg、K、Na、Mn、Rb和Tl等主微量元素流失,酸不溶物残积并发育成土。在风化过程中,SLJ剖面中Tl元素呈迁移流失状态(τTl,Zr=-0.48～-0.68),而XRS剖面中Tl元素发生迁入(τTl,Zr=0.87～-1.31)。剖面岩土界面Tl的富集行为,主要受三个因素的影响,分别为:风化过程中基岩大量溶解导致风化壳体量减小;上层风化土壤侵蚀使Tl发生淋滤和迁出并在岩土界面沉淀;p H值影响粘土矿物、铁锰氧化物等矿物表面的电荷,间接影响Tl的竞争吸附。 （3）SLJ剖面土壤中Tl主要以晶形铁锰结合态（平均41.58%）和残渣态（平均47.94%）存在,而在XRS剖面中则以残渣态（平均78.50%）为主。根据皮尔逊相关性分析,SLJ剖面中TFe2O3、K2O、Rb元素与Tl总量呈显著的相关性（p≤0.05,TFe2O3相关性系数为0.98;p≤0.01,K2O、Rb相关性系数分别为0.94和0.95）,特别是TFe2O3与晶形、无定形铁锰结合态Tl均存在极显著的相关性（p≤0.05,相关性系数分别为0.92和0.88）,表明SLJ剖面中Tl的迁移富集受铁氧化物影响。SEM-EDS结果显示,Tl的迁移富集行为与铁氧化物及硫化物的相互作用密切相关。 （4）风化剖面的矿物组成分析表明,SLJ剖面土壤矿物主要以石英和粘土矿物（伊利石和高岭石）为主,在残积土层中含有少量重晶石、绿泥石和三水铝石。矿物相是Tl的主要载体,Tl+可以通过类质同象取代伊利石和高岭石的结构中的K+和Rb+,而被吸附固定在土壤中。相比之下,XRS剖面矿物以石英和高岭石为主,XRS剖面中Tl以残渣态为主,Tl与TiO2和Rb呈正相关（Rb相关性系数为0.75;p≤0.05,TiO2相关性系数为0.89）,表明风化壳中铊受硅酸盐矿物控制,包裹在石英中的TiO2通过吸附作用影响Tl的迁移。 （5）对碳酸盐岩地质背景区耕作土及农作物的Tl分布分析表明,区域内农作物根际土中Tl普遍存在富集（Tl=2.66～19.25 mg/kg）。不同作物对Tl的吸收能力存在显著差异,其中甘蓝显示出较高的Tl富集能力（BCF=3.95）,而玉米和薏仁的对铊吸收积累能力较低（BCF分别为0.00和0.53）。黔西南碳酸盐岩地质背景区耕作土和农作物存在Tl环境危害风险,应引起足够重视。