辉锑矿氧化溶解机制及矿山水土环境锑释放迁移的硫氧同位素解析

Acid mine drainage and heavy metal pollution is one of the most serious environmental geological issues. The studies on mechanism of sulfide minerals oxidative dissolution is a primary problem and important content to reveal the formation mechanism of acid mine drainage and release and migration of heavy metals and other toxic elements. This application, considering stibnite at Xikuangshan, Hunan province as the main subject, is aimed to sulfur and oxygen isotope fractionation and its significant influencing factors during abiotic and biological oxidation of stibnite under different controlled reaction conditions, to character stibnite oxidative dissolution kinetics, to indentify oxygen sources of produced sulfate and oxidation pathways, to reveal stibnite oxidation reaction mechanism and the effect on release and migration of Sb from minerals to natural water and soils, and to investigate the release and migration law of Sb in the mine-water-soil systerm and environmental effects. The research results can provide scientific basis and technique support for prevention and restoration of environmental pollution in mine area.

矿山酸性废水和重金属污染问题是人类面临的最严峻的环境地质问题之一。硫化物矿物氧化溶解机制的研究是揭示矿山酸性废水的形成机制及重金属等有毒元素释放迁移规律的首要问题与重要内容。本项申请拟以辉锑矿为主要研究对象，选取锑污染最典型的湖南冷水江锡矿山锑矿区为研究区，室内机理实验与野外应用相结合，研究不同反应条件下非生物和微生物作用下硫化锑氧化过程中硫、氧同位素动力学分馏效应及其影响因素，刻画硫化锑矿物的氧化溶解动力学特征，识别氧化途径，揭示氧化反应机制及其对矿山水土环境中锑释放迁移的影响，查明矿山水土系统中锑的释放迁移规律及其环境效应，为矿区水土环境污染的预防和治理提供科学依据与技术支撑。

通过系统开展典型矿山开采情景下辉锑矿氧化溶解机制与典型锑矿区野外应用研究，重在探究辉锑矿非生物和微生物作用下氧化过程的硫、氧同位素分馏特征，量化氧源，识别氧化途径，阐明氧化溶解机制及其对矿山水土环境中锑释放迁移的影响。研究表明:（1）辉锑矿氧化溶解呈现前期快速释放和后期逐渐钝化特征，其硫锑的氧化产物组成、锑释放速率与氧化途径受pH值、矿物粒径、溶解氧和Fe(III)的影响。（2）中-弱碱性溶液中溶解氧避光氧化辉锑矿300天，细粒径（<58μm）无显著的硫同位素分馏，而粗粒径（200-380μm）硫同位素分馏显著（Δδ34SSO4-Sb2S3=-3.2‰）。氧化产物SO42－氧源来于H2O的比例，粗粒径由32%增加至96%，而细粒径由0增加至55%。εSO4-O2＝-22.3~-15.1‰（均值为-17.7‰）和εSO4-H2O=6.0‰。（3）强酸性溶液中溶解氧避光反应体系中，氧化产物SO42-的δ34SSO4值变化范围是1.40‰ ~ 7.10‰，Δδ34SSO4−Sb2S3为-1.22~4.48‰，而同时由Fe(III)作用时Δδ34SSO4−Sb2S3为-2.52~0.68‰，但对氧源比例无显著影响，SO42－氧源来于H2O的比例为53%-59%。（4）缺氧避光条件下，1～116mmol/L Fe(III)氧化辉锑矿时，Δδ34SSO4-Sb2S3在-1.7‰~ 1.7‰；当Fe(III)浓度减小至0.07mmol/L和DO浓度升高为1mg/L时，Δδ34SSO4-Sb2S3=0～0.2‰；而有光照时，Δδ34SSO4-Sb2S3=-0.6‰。SO42－氧源来于H2O的比例在反应过程中为6%~100%，εSO4-H2O=8.3±2.7‰。（5）混合菌时Δδ34SSO4-Sb2S3= -8.5‰~-4‰，ε18OSO4-H2O =8.4‰，ε18OSO4-O2=-24.3‰；单菌时Δδ34SSO4-Sb2S3= -8.0‰~-5.5‰，ε18OSO4-H2O = 4.9‰。微生物作用不能显著区别与非生物作用。（6）典型锑矿区的矿坑排水、渣堆渗滤液以及高锑地下水、地表水的δ34SSO4值较辉锑矿偏负，与辉锑矿氧化溶解硫同位素分馏结果一致，指示了锑的释放途径。可为辉锑矿氧化途径和反应机制的识别提供了理论依据，为矿山酸性废水及重金属污染的调查与防控提供重要研究工具。