深水湖泊中稀土元素循环及分异机理研究

The adsorption/desorption processes of rare earth elements (REEs) onto Fe oxyhydroxides and Mn oxides and complexation between inorganic ions (ionic group) such as HCO3-, CO32- and dissolved REEs are the dominate control factors for cycling and fraction of REEs in terrestrial waters. A lot of works have been carried out in this field. But the effects of organic matter on the REEs were ignored gravely. Although some works have been carried out recently, there still lack of understanding on the mechanism of interaction between organic matter and REEs. In this research，Fuxian Lake where is characterized by seasonal thermal stratification with deep-water anoxia will be investigated. The concentrations of REEs dissolved organic carbon (DOC), Fe and Mn in water (including solutions, colloid and particles) will be determined using cross-flow ultrafiltration and ICP-MS. It will be considered at the same time that the impact of organic matter and Fe oxyhydroxides as well as Mn oxides on the cycling and fraction of REEs in deep lake. We are plan to understand the cycling and fraction of REEs in lake. Together with model calculation, this research will focus on answering the impact of organic matter on the migration and fraction of REEs in the case of change in pH and redox condition. Thus, the theory in geochemistry of REEs will be improved.

在表生水体中Fe、Mn氧化物胶体和颗粒物对稀土的吸附/解吸作用以及HCO3-、CO32-等无机离子（离子团）对稀土的络合作用是影响稀土元素循环和分异的重要因素，前人在这一领域开展了大量卓有成效的研究。但是有机物作为自然水体中的重要组成部分，它对稀土产生的作用却被严重忽略了。近年来虽然开展了一些有机物与稀土之间络合作用的研究，但研究过程中却又忽略了粒径较大的Fe胶体对稀土的影响。因此本研究拟以深水湖泊抚仙湖为研究对象，利用切向流超滤和ICP－MS测试技术，对水溶液、不同粒径胶体和颗粒物中稀土元素、有机碳及 Fe、Mn、Al等关键参数进行测试，同时结合软件模型模拟方法，综合考虑有机物和铁锰金属氧化物对深水湖泊中稀土元素循环及分异机制产生的影响，重点揭示在pH变化和氧化还原环境转变过程中有机物与稀土之间的相互作用机理；从而进一步完善水体中稀土元素地球化学理论。

稀土元素因其独特的连续而又有细微差别的特征被广泛的应用于示踪水体中的物质循环及来源特征。本课题以抚仙湖为研究对象，利用超滤技术、BCR连续提取和固相树脂萃取-ICPMS测试方法对水体、胶体和颗粒物中稀土元素进行分析，研究稀土元素在深水湖泊中的循环过程及分异机理。研究结果表明抚仙湖是一个永久性分层湖泊，湖泊的混合和水体循环主要发生在湖上层； 60m以下为永久滞留层基本上不参与地球化学循环。抚仙湖水体属于碳酸盐类、镁组、I型水。虽然冬季会出现明显的水体混合作用，但是抚仙湖仍呈现出湖上层中溶解态稀土略高于湖下层的特征。夏季，湖上层的溶解态稀土浓度最高，在温跃层中溶解态稀土的浓度快速降低，湖下层稀土的浓度最低且随着深度变化几乎不变。溶解态稀土浓度与pH和DOC均呈正相关关系，即稀土浓度随着pH和DOC的增大而增大。抚仙湖环湖河流及湖泊水体中的稀土元素呈现出从轻稀土到重稀土逐渐富集的配分模式，造成这一现象的主要原因可能是由于腐殖酸和碳酸根的络合作用。湖泊颗粒物中的酸溶态、Fe-Mn结合态、有机结合态稀土呈现出重稀土富集的特征。值得注意的是有机结合态的La和Ce出现显著异常， La和Ce的来源可能是石油裂解催化剂。颗粒物中稀土元素浓度所占比例的大小顺序为残渣态>有机态 >酸溶态态>铁锰结合态。湖水中溶解态稀土主要以FA2Ln+(aq)、Ln(CO3)2- 和LnCO3+等三种主要形态存在。超滤结果显示稀土元素在100K滤膜截留部分可能主要是吸附在有机胶体和粘土矿物胶体上； 10k-100k截留部分主要吸附在粘土矿物的胶体上；1k-10k截留部分的稀土元素主要吸附机胶体和粘土矿物的胶体上。