地下水典型人为源稀土元素的分布特征和富集机理研究

The strategical importance of rare earth elements (REE) have led to their utility as critical metals for the development of various industries including key technologies, which entails a dramatic increase in discharge of anthropogenic rare earth elements into environment. However, the distribution and enrichment of REE emissions from typical anthropogenic sources in groundwater still remains unclear. These issues are of vital importance for revealing geochemical and environmental effects of anthropogenic REE. This investigation will focus on the geochemical behaviors of anthropogenic REE in groundwater from the largest freshwater lake-Poyang in China. Based on the geochemistry of REE in both groundwater and sediments and the occurrence of anthropogenic emissions, the speciation, distribution and anomalous of anthropogenic REE in groundwater will be investigated. By extrapolation of REE normalized pattern (with respect to a standard reference), background values of anomalous REE in groundwater will be calculated. Moreover, comparing the differences in fractionation of anthropogenic REE normalized patterns, the extend to which typical anthropogenic sources contribute to groundwater REE will be quantitatively determined. Eventually, typical anthropogenic REE will be selected for laboratory study on the complextion behaviors and its key environmental controls with respect to aqueous complexers of different sources and properties. Combing to geochemical modeling, mechanism of anthropogenic REE mobilization and enrichment in groundwater will be unraveled. This investigation shows its significance in REE resources allocation, cleaner and efficient uses and monitoring and research of groundwater contamination.

稀土元素是一组具有战略重要性的金属资源，被广泛运用于高科技等各行业，导致其因人类活动释放至环境中的量急剧增加。但是，人为源稀土元素在地下水中的分布特征和富集机理却并未完全清楚。这些科学问题对揭示典型人为源稀土元素的地球化学效应和环境效应至关重要。本项目研究拟以受人为影响显著的我国最大的淡水湖流域为研究区，在调查研究典型人为排放分布情况和深入分析地下水和沉积物稀土元素地球化学特征的基础上，研究地下水人为源稀土元素的存在形式、分布模式和异常特征；基于不同人为源稀土元素分异的差异，延伸计算研究区地下水异常稀土元素的自然本底，定量人为排放对地下水稀土元素的贡献；通过实验研究典型人为源稀土元素与不同性质和来源络合配位体的络合机制及其关键环境控制因素，结合地球化学模拟，揭示人为源稀土元素在地下水系统中的迁移富集机理。该研究成果可以为稀土元素的资源分配、高效清洁使用、地下水污染的监测和研究提供重要参考。

随着稀土元素广泛运用于现代社会各行各业，其因人类活动释放至环境中的量急剧增加，由此引发环境生态问题和人类健康问题。长期暴露于高稀土元素含量的环境中将对人体的身心健康产生巨大的危害，明确人为源稀土元素在地下水中的含量、组成及其迁移富集机制有着迫切的现实需求。本项目以鄱阳湖五河流域为研究区，在比对分析五河流域地下水及地表水稀土元素分布特征及其差异的基础上，揭示了高稀土元素含量地下水的水化学类型，研究了岩石风化和人为排放对地下水稀土元素含量和分异的影响。通过地球化学模拟和标准物质归一化，研究了地下水稀土元素的存在形式和分布模式，探究了稀土元素在含水层系统中迁移转化的影响因素，证实了人为排放是地下水Gd异常富集的主要原因。定量分析了典型人为稀土元素Gd的自然本底和人为排放量，刻画了Gd人为排放量的空间分布，探讨了人为源Gd识别地下水污染的可行性。研究了不同性质（农田、河口、居民排污口）的沉积物对典型人为源稀土元素Gd的吸附规律，探究了典型人为源Gd的水土界面迁移富集机制，明确了腐殖酸对Gd活化释放行为的影响。项目研究成果表明：（1）不同水文地球化学特征下（五河流域）稀土元素的含量差异较大，受到自然和人为作用的双重影响，高稀土元素（> 5000 ng/L）地下水样主要集中分布于饶河和信江流域，水化学类型主要为Ca-Mg-SO4和Ca-Mg-Cl；（2）地下水稀土元素主要以自由态和碳酸根络合形式存在，普遍表现Ce负异常和Gd正异常，Ce的氧化沉淀是导致地下水Ce负异常的主要原因，人为排放是Gd正异常的原因；（3）地下水人为源Gd占总Gd的0%至82%，平均占比值67%，抚河流域占比最高，为68%，人为源Gd对地下水中的Pb、Ni、Co等重金属及稀土元素本身的分布具有良好的示踪效果；（4）不同性质（农田、河口、排污口）的沉积物对Gd的吸附行为无显著差异，Gd在固相表面极有可能与C-O健结合，主要以可交换态形式存在，不发生价态转变，腐殖酸络合作用对表面吸附的Gd的活化释放影响有限。