典型富铊风化壳中铊同位素分馏研究

Thallium (Tl) pollution and associated environmental risks, are causing significant societal concern, because of its mobility and enrichment in surface environments. To date, however, little is known on the mobility, enrichment and isotopic fractionation of geogenic Tl in the surface environment, particularly during the in-situ rock weathering processes. The objective of this project is, for the first time, to gain new insight into Tl isotope fractionation in Tl-rich weathering crust. In combination of sequential extractions, XAFS observation and isotope analysis, this study aims to characterize the distribution, geochemical speciations and isotope fractionation of Tl in the rock weathering process from a representative Tl-rich weathering crust from Lanmuchang area, southwestern Guizhou Province, and to reveal, at molecular level, the linkage between Tl in various geochemical fractions and Tl isotope fractionation. We hope to illustrate the role of geochemical factors in Tl species variation and isotopic fractionation, to gain understanding for mechanism of mobility, enrichment and isotope fractionation of Tl during in-situ Tl-rich rock weathering processes. This will further clarify the significance of Tl isotope tracing in surface environments and will provide a first insight into the Tl isotope fractionation in-situ weathering curst. This insight is crucial to better understanding the geochemical mobility and enrichment of geogenic Tl in surface environments, and for enriching the knowledge about the biogeochemistry and isotopic geochemistry of Tl in surface environments in general.

表生环境中铊迁移富集所导致的铊污染和环境危害已引起广泛关注,但迄今针对地质源铊的表生迁移富集规律和铊同位素分馏特征仍缺乏清晰认识，尤其缺少原位和精细过程刻画的相关研究。本申请项目以黔西南滥木厂铊矿化区典型富铊风化壳为研究对象，深入研究该风化壳中铊同位素组成变化特征，基于连续化学提取和EXAFS技术，从分子水平上揭示富铊岩石表生风化过程中铊赋存形态转化与铊同位素变化的耦合关系，查明影响风化壳中铊形态组成变化与铊同位素分馏的关键控制因素，揭示风化壳中铊表生迁移富集和铊同位素分馏机制，探讨铊同位素的表生过程环境示踪意义。项目研究成果，有望在国际上率先揭示陆地风化壳中铊同位素分馏特征，为理解和构筑地质源铊的表生迁移富集的地球化学过程机制提供强有力的证据，为地质源铊的判别提供重要指示线索，丰富和深化对铊的表生地球化学循环和同位素分馏规律的认识，充实和发展铊稳定同位素体系，具有较强的理论研究价值。

本项目开展了黔西南典型富铊风化壳中铊赋存形态与铊同位素组成特征研究，取得以下主要成果：（1）建立了基于阴离子交换树脂AG1-X8的一种改进的固相萃取(SPE)方法，用于测定环境样品中Tl(I)和Tl(III)的含量；（2）筛选出黔西南地区杉林脚（SLJ）灰岩和干龙洞（GLD）白云岩两个典型富铊风化壳剖面，发现碳酸盐岩风化成土过程导致铊富集，尤其是在风化壳岩/土界面发生较显著的铊富集；（3）风化成土过程中，铊主要赋存在残渣态和铁锰结合态中，两个剖面中铁锰结合态铊百分比均高于一般土壤，表明碳酸盐岩风化成土过程中铊表生富集与铁锰氧化物密切相关；（4）碳酸盐岩风化成土过程中形成的次生矿物主要为伊利石和铁锰氧化物，二者均为铊富集的载体矿物，对铊的活化迁移起重要驱动作用；（5）两个剖面岩/土界面土样pH值为碱性，表层自然土样pH值中性为主，土样pH值与铊含量变化的相关性不显著，铊优先被无定型铁氧化物吸附，碱性条件下优先被无定形铝氧化物吸附；（6）风化壳剖面中，铊同位素整体富集重铊205Tl同位素，ε205Tl组成变化与铊的赋存形态（如弱酸提取态等）没有显著相关性，但与表生矿物伊利石和锰矿物有一定相关性；成土过程中的氧化还原作用驱动铊循环对铊同位素分馏起到重要作用，灰岩中铊含量较低，主要以Tl(I)形式存在，但在表生风化淋滤过程中，Tl(I)逐步被氧化为Tl(III),并被成土过程形成的Mn氧化物所吸附，造成了铊同位素的显著分馏，并富集重205Tl同位素。成土过程中，伊利石等黏土矿物也是铊表生富集的重要矿物载体，这些矿物以及成土环境微生物对铊同位素分馏可能也起到一定的作用，但其机制还有待进一步研究。项目研究所获得认识，为理解和构筑地质源铊的表生迁移富集的地球化学过程机制提供了新信息，丰富和深化了对铊的表生地球化学循环和同位素分馏规律的认识。