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陈栩琦,Aug. 4, 2022
镉（Cd）是一种严重威胁水质和粮食安全的有毒金属。对于水生态系统，除了自然过程导致的Cd流入之外，人类采矿活动也可能产生大量富含cd的废物，包括酸性矿排水（AMD）、尾矿、矿渣和粉尘等。这些采矿废弃物可能会被运输到河流中后沉积，从而对水和土壤安全构成潜在风险。据估计，采矿活动每年向全球地表径流排放约0.01至3.9吨Cd。因此，解析Cd从矿山向周边流域的迁移规律，对于抑制Cd污染的来源和过程具有重要意义。
溶解、吸附、沉淀和生物过程等地球化学过程可产生显著的Cd同位素分馏，因此，可以应用Cd同位素（δ114/110Cd）来示踪Cd污染的来源。前人对不同地质过程中Cd同位素分馏机理进行了广泛研究。此外，Cd同位素在流域中的行为也有研究。基岩岩性也可能是影响河流和土壤系统中Cd调控的重要因素，导致不同地质背景的Cd同位素分馏存在很大差异。
为了研究地球化学过程如何影响Cd从矿山到不同流域的迁移和同位素分馏，前人收集并研究了大宝山（硅质基岩）和牛角塘（钙质基岩）两个受采矿活动影响的流域的河水、沉积物、土壤和采矿废弃物等样本进行Cd同位素分析，并应用铅（Pb）同位素比值来溯源。Pb同位素指示大宝山流域的两个主要污染源分别是硫化物矿石和土壤，而牛角塘流域有三个污染来源：硫化物矿石、土壤和基岩。对两个研究区域，Pb同位素和Cd同位素显示出了二元或多元的混合关系，但这些混合关系无法解释某些样品的δ114/110Cd差异，可能与Fe氢氧化物共沉淀以及硫化物矿石淋滤有关。
对于大宝山流域，Cd同位素表明，矿山废弃物中的Cd从尾矿坝排出后沿横石河运输，然后以沉积物形式沉积。前人研究表明，铁（氢）氧化物优先吸附轻Cd同位素，并且随着pH从6.0增加到8.0，吸附容量急剧增加。因此，由于河流pH值的增加（6.4-8.1），一些Cd可能会吸附到沉积物中的铁（氢）氧化物上。pH值升高导致沉积物中Cd吸附增多，从而导致横石河沿岸沉积物δ114/110Cd值降低。相比之下，牛角塘地区范家河的河水pH值稳定且偏高，可能是通过石灰质岩石中和酸性的矿排水并产生碳酸氢盐来维持的。由于大部分溶解态Cd在排入范家河之前已经被吸附或沉淀，河水中Cd含量极少，而碱性条件可以抑制碳酸盐岩的溶解，因此范家河沉积物Cd同位素组成几乎不变，即沉积物中Cd的吸附和释放受到碳酸盐缓冲液高而稳定的pH的限制。
因此，在硅质基岩和钙质基岩流域制定不同的政策是限制Cd迁移的关键。对于硅质基岩流域，可通过石灰石或熟石灰提高河流pH值，抑制沉积物中吸附Cd的释放。在钙质基岩矿区，硫化物矿物氧化产生的酸性可以被碳酸盐岩部分或全部中和成中性或弱碱性。因此，采用自然地球化学方法进行中和与沉淀吸附金属元素是一种经济可行的方法。
Reference:
Y. Liu, Y. Xia, Z. Wang, et al. Lithologic controls on the mobility of Cd in mining-impacted watersheds revealed by stable Cd isotopes. Water Research, 2022, 220: 118619.
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