地质矿物中有益元素的迁移的研究进展

吴 勇，钟雪梅

（桂林理工大学地球科学学院，广西 桂林 541006）

20世纪初期通过追踪化学元素迁移来完成对生物地球化学的研究，由于人类工业生产活动，地壳中的多种元素出现了转化、迁移、富集、分散，由此引发了变化规律，而随着地质矿物的开发，将地质矿物中的有益元素从地下带到到地表环境外并通过大气沉降、降雨等带入到土壤中，另一方面锌在人体内属于必需的微量元素，其增强抵抗力的作用得到人们越来越多的重视[1]。

现阶段我国进行的调查锌是属于新兴产业资源战略，因此了解锌在不同环境介质的存在和迁移转换对今后工作十分重要。

1 有益元素在环境介质中的存在

Zn在矿石中主要以独立矿物的形式存在。Zn在矿石中含量依次为变质矿物（0.031mg/kg～0.131mg/kg）、沉积类矿物（0.028mg/kg～0.118mg/kg），此外其还赋存于黑色页岩之中，与有机质有关。热液蚀变矿石中Zn主要赋存向上迁移的热液中并包裹于硫化物中。海洋沉积岩中Zn的富集主要与陆源岩石风化、大气循环过程中蒸发沉降以及海水元素螯合作用有关[2]。

大气中每年约有13000吨～19000吨赋存在地质矿物中的有益元素在对流层中循环。主要以溶于水汽中随着降雨参与水体循环，有益元素在大气中有两种来源，分别为自然释放和人为排放，自然释放进入大气中的有益元素主要来自海洋生物，约占自然释放总量的60%～80%，人为排放包括矿物燃料的燃烧和金属冶炼，其中矿物燃料的燃烧就占比50%。

大气中有益元素的存在也非常不均匀，多在北纬30°到北纬90°之间，可能与北半球与南半球发展差异有关。

水是有益元素迁移和沉淀的主要介质，主要来自于矿石表面风化和裂隙分解、大气水体循环和水中生物体腐解[3]。近年来井下可燃气体的开采也让一些地质矿物中的元素释放到地下水体中。

这些元素在大气、地表和地下均以液态或凝胶态形态存在。其中大气凝胶态和地表水中有益元素多以四价和六价为主，主要与流体介质流动性和溶解氧溶度有关。地下水中有益元素主要以6价形式为主，可能由于季节变化地下水水位发生变化导致所处区域溶解氧、铁氧结合物和有机质有关。

土壤中的有益元素主要来源于成土母质，刘晓波等研究土壤中有益元素的主要来源于页岩和灰岩的风化。但在白垩纪前的沉积岩或花岗岩风化形成的土壤中生长的植物往往缺锌，可能与版块漂移全球地质活动增加导致矿石中的锌释放到成土母质中有关。

土壤中锌的存在也与pH有联系，其中西藏地区土壤pH与土壤中的锌呈负相关，但我国东部土壤中pH与锌呈正相关，两者之间的互斥性可能与降雨淋溶有关[4]。土壤沉积物中运动方式也随着雨水的动力作用而横向冲刷或垂向向下运动。我国土壤锌的平均含量为0.5mg/kg～4.0mg/kg，平均含量为2.0mg/kg。

锌在动植物体内主要是新陈代谢的重要的“推手”，其中植物生长过程中锌元素通常可以被吸收，吸收方式主要以根系和叶片气孔吸收为主。

锌在植物中含量分布为10mg/kg～30mg/kg之间，但由于植物的种类不同导致其吸收锌的能力也不同，最高的黄芪根可达到32.833mg/kg，最小的小叶章则为0.007mg/kg。不同浮游动物体内锌的浓度差异明显，鞭毛藻最高，硅藻最低。人体内锌主要作用为消除过氧化脂质和自由基，使得细胞衰老延缓。

2 有益元素在不同地质环境下的迁移转化

有益元素在矿物矿石中多以独立形式存在。其在矿石中较少通过置换作用进入，而以类质同象的形式赋存于地质矿物中。

恩施地区有益元素的形成环境为原始还原沉积条件下有机质裹随沉积，并在矿石风化成土过程中被释放到表层土壤。矿石的风化是环境中有益元素的主要来源[5]。

地层稳定的状态下有益元素的含量随着沉积时代由新到老有增高的趋势如在陆源碎屑岩中志留系的锌含量比第四系的高。

有益元素自进入大气后，挥发性停留在大气中的时间较短，因此很难以气态形式进行远距离的传输，但以气态的形态存在却能通过大气中的物理和化学作用转化为颗粒形式并进行长距离的传输，伴随着大气干湿沉降后落入海洋或陆地。

有益元素在水中也存在价态变换，自然水体中主要为4价和6价。地表水主要迁移过程包括从水体中生物富集作用和水体通过富含多种元素的矿石得物理释放作用。地下水系统中锌主要来源于可溶性盐，此元素也可以通过循环系统中的氧化还原条件而被微生物还原成不溶形式的锌，从而降低了其在地下水中的浓度。

表层土壤的有益元素主要与黑色岩系的分布有关。土壤中所含的有益元素主要吸附于黏土矿物并受土壤有机质、S、P等有机化合物影响。通过地表矿石风化以锌酸盐的形式释放到环境中，后通过降水降落到土壤中从而影响植物[6]。其在土壤剖面上分布主要聚集在表土层，受冲刷作用明显被淋滤到下层土壤中，可能与表生地球化学作用和人类活动影响有关。锌元素可能通过海陆沉降的地质运动在海相沉积和陆相沉积不断变化，从而在近海地区土壤沉积物中不断迁移。

3 地质矿物中有益元素的生物有效性质

Fordyce等人提出锌的生物有效性与土壤中的粘土含量以及有机物和其他元素呈负相关关系。植物体内锌浓度在适宜范围的增加会增加叶绿素的含量，提高植物的光合作用效率。锌在参与的细胞活性的过程中主要作用于生物酶和蛋白质。

4 有益元素的环境地球化学“再分配”

位于美国加利福利亚州的San Joaquin河谷地区由于长期进行农业活动将山谷西侧的白垩纪页岩土壤中锌释放入混凝土排水渠中并赋存于沉积物之中，导致10万m³的富锌沉积物堆积[7]，通过食物链可进入人体并被人体吸收，如今我国也需要注意山区河谷间农业灌溉地区地质沉积物的潜在危险。可通过植物萃取挥发和湿地沉积的方法将危害减少。但河流冲积平原如太湖流域土壤和沉积物中的锌的缺少仍需重视。

应对锌富足地区并会对当地居民造成潜在健康风险的措施分为生物方法、生产工艺改进。通过生物方法，包括藻类和细菌；现阶段主要通过湿地的湖底沉积物和植物积累来去除对人体有害的元素。

生产工艺改进方面在燃料燃烧过程中，可以采用在循环流化床中加入氧化钙来进行脱硫，使得燃烧过程中排放的90%有益元素赋存于飞灰中而得到再利用。而土壤中锌元素富集地区，当地村民将矿物资源作为燃料和肥料并利用石灰改良土壤[8]，此类地区谨慎改良土壤并改种景观植物，推动富有益元素的安全有效利用。

地质矿物中锌的含量大致均一分布，随深度的增加而递减，主要赋存在地质矿物的表层，锌元素自然循环的中心环节是固结态锌与自由态锌互相转化的纽带，是提供人类营养的源泉，在转化过程中，生物起到催化作用，加速了有益元素在自然界中的循环速度[9]。

5 结语

锌在环境地球化学中的循环演化在国内外已经做了大量工作，但相对于其它元素如汞和砷，其研究工作仍没有覆盖完全。

锌在大气中以锌酸的形式进行远距离运输，但从地表进入大气的交换过程尚待研究。其地球化学研究可以结合其他有益元素等进行多元素组合同位素示踪来研究其在整体元素中的占比和作用。

气候的变化也影响了环境介质中锌的迁移速率，现阶段由于新型厄尔尼诺现象造成全球出现极端天气，极端气候下的有益元素环境介质循环模型研究仍需关注。

地质矿物中的有益元素在地球化学研究过程中已经有了一定进展，但在环境介质中具体迁移速率和作用定向“靶区”仍需要进一步研究。

针对不同形态的有益元素吸附机理研究仍较少，未来可以从分子水平进行有益元素在不同形态下的强弱力吸附研究。通过其在环境介质中同位素的变化情况来了解宏观上有益元素的迁移规律。