地質礦物中有益元素的遷移的研究進展

吳 勇，鐘雪梅

（桂林理工大學地球科學學院，廣西 桂林 541006）

20世紀初期通過追蹤化學元素遷移來完成對生物地球化學的研究，由于人類工業生產活動，地殼中的多種元素出現了轉化、遷移、富集、分散，由此引發了變化規律，而隨著地質礦物的開發，將地質礦物中的有益元素從地下帶到到地表環境外并通過大氣沉降、降雨等帶入到土壤中，另一方面鋅在人體內屬于必需的微量元素，其增強抵抗力的作用得到人們越來越多的重視[1]。

現階段我國進行的調查鋅是屬于新興產業資源戰略，因此了解鋅在不同環境介質的存在和遷移轉換對今后工作十分重要。

1 有益元素在環境介質中的存在

Zn在礦石中主要以獨立礦物的形式存在。Zn在礦石中含量依次為變質礦物（0.031mg/kg～0.131mg/kg）、沉積類礦物（0.028mg/kg～0.118mg/kg），此外其還賦存于黑色頁巖之中，與有機質有關。熱液蝕變礦石中Zn主要賦存向上遷移的熱液中并包裹于硫化物中。海洋沉積巖中Zn的富集主要與陸源巖石風化、大氣循環過程中蒸發沉降以及海水元素螯合作用有關[2]。

大氣中每年約有13000噸～19000噸賦存在地質礦物中的有益元素在對流層中循環。主要以溶于水汽中隨著降雨參與水體循環，有益元素在大氣中有兩種來源，分別為自然釋放和人為排放，自然釋放進入大氣中的有益元素主要來自海洋生物，約占自然釋放總量的60%～80%，人為排放包括礦物燃料的燃燒和金屬冶煉，其中礦物燃料的燃燒就占比50%。

大氣中有益元素的存在也非常不均勻，多在北緯30°到北緯90°之間，可能與北半球與南半球發展差異有關。

水是有益元素遷移和沉淀的主要介質，主要來自于礦石表面風化和裂隙分解、大氣水體循環和水中生物體腐解[3]。近年來井下可燃氣體的開采也讓一些地質礦物中的元素釋放到地下水體中。

這些元素在大氣、地表和地下均以液態或凝膠態形態存在。其中大氣凝膠態和地表水中有益元素多以四價和六價為主，主要與流體介質流動性和溶解氧溶度有關。地下水中有益元素主要以6價形式為主，可能由于季節變化地下水水位發生變化導致所處區域溶解氧、鐵氧結合物和有機質有關。

土壤中的有益元素主要來源于成土母質，劉曉波等研究土壤中有益元素的主要來源于頁巖和灰巖的風化。但在白堊紀前的沉積巖或花崗巖風化形成的土壤中生長的植物往往缺鋅，可能與版塊漂移全球地質活動增加導致礦石中的鋅釋放到成土母質中有關。

土壤中鋅的存在也與pH有聯系，其中西藏地區土壤pH與土壤中的鋅呈負相關，但我國東部土壤中pH與鋅呈正相關，兩者之間的互斥性可能與降雨淋溶有關[4]。土壤沉積物中運動方式也隨著雨水的動力作用而橫向沖刷或垂向向下運動。我國土壤鋅的平均含量為0.5mg/kg～4.0mg/kg，平均含量為2.0mg/kg。

鋅在動植物體內主要是新陳代謝的重要的“推手”，其中植物生長過程中鋅元素通常可以被吸收，吸收方式主要以根系和葉片氣孔吸收為主。

鋅在植物中含量分布為10mg/kg～30mg/kg之間，但由于植物的種類不同導致其吸收鋅的能力也不同，最高的黃芪根可達到32.833mg/kg，最小的小葉章則為0.007mg/kg。不同浮游動物體內鋅的濃度差異明顯，鞭毛藻最高，硅藻最低。人體內鋅主要作用為消除過氧化脂質和自由基，使得細胞衰老延緩。

2 有益元素在不同地質環境下的遷移轉化

有益元素在礦物礦石中多以獨立形式存在。其在礦石中較少通過置換作用進入，而以類質同象的形式賦存于地質礦物中。

恩施地區有益元素的形成環境為原始還原沉積條件下有機質裹隨沉積，并在礦石風化成土過程中被釋放到表層土壤。礦石的風化是環境中有益元素的主要來源[5]。

地層穩定的狀態下有益元素的含量隨著沉積時代由新到老有增高的趨勢如在陸源碎屑巖中志留系的鋅含量比第四系的高。

有益元素自進入大氣后，揮發性停留在大氣中的時間較短，因此很難以氣態形式進行遠距離的傳輸，但以氣態的形態存在卻能通過大氣中的物理和化學作用轉化為顆粒形式并進行長距離的傳輸，伴隨著大氣干濕沉降后落入海洋或陸地。

有益元素在水中也存在價態變換，自然水體中主要為4價和6價。地表水主要遷移過程包括從水體中生物富集作用和水體通過富含多種元素的礦石得物理釋放作用。地下水系統中鋅主要來源于可溶性鹽，此元素也可以通過循環系統中的氧化還原條件而被微生物還原成不溶形式的鋅，從而降低了其在地下水中的濃度。

表層土壤的有益元素主要與黑色巖系的分布有關。土壤中所含的有益元素主要吸附于黏土礦物并受土壤有機質、S、P等有機化合物影響。通過地表礦石風化以鋅酸鹽的形式釋放到環境中，后通過降水降落到土壤中從而影響植物[6]。其在土壤剖面上分布主要聚集在表土層，受沖刷作用明顯被淋濾到下層土壤中，可能與表生地球化學作用和人類活動影響有關。鋅元素可能通過海陸沉降的地質運動在海相沉積和陸相沉積不斷變化，從而在近海地區土壤沉積物中不斷遷移。

3 地質礦物中有益元素的生物有效性質

Fordyce等人提出鋅的生物有效性與土壤中的粘土含量以及有機物和其他元素呈負相關關系。植物體內鋅濃度在適宜范圍的增加會增加葉綠素的含量，提高植物的光合作用效率。鋅在參與的細胞活性的過程中主要作用于生物酶和蛋白質。

4 有益元素的環境地球化學“再分配”

位于美國加利福利亞州的San Joaquin河谷地區由于長期進行農業活動將山谷西側的白堊紀頁巖土壤中鋅釋放入混凝土排水渠中并賦存于沉積物之中，導致10萬m3的富鋅沉積物堆積[7]，通過食物鏈可進入人體并被人體吸收，如今我國也需要注意山區河谷間農業灌溉地區地質沉積物的潛在危險。可通過植物萃取揮發和濕地沉積的方法將危害減少。但河流沖積平原如太湖流域土壤和沉積物中的鋅的缺少仍需重視。

應對鋅富足地區并會對當地居民造成潛在健康風險的措施分為生物方法、生產工藝改進。通過生物方法，包括藻類和細菌；現階段主要通過濕地的湖底沉積物和植物積累來去除對人體有害的元素。

生產工藝改進方面在燃料燃燒過程中，可以采用在循環流化床中加入氧化鈣來進行脫硫，使得燃燒過程中排放的90%有益元素賦存于飛灰中而得到再利用。而土壤中鋅元素富集地區，當地村民將礦物資源作為燃料和肥料并利用石灰改良土壤[8]，此類地區謹慎改良土壤并改種景觀植物，推動富有益元素的安全有效利用。

地質礦物中鋅的含量大致均一分布，隨深度的增加而遞減，主要賦存在地質礦物的表層，鋅元素自然循環的中心環節是固結態鋅與自由態鋅互相轉化的紐帶，是提供人類營養的源泉，在轉化過程中，生物起到催化作用，加速了有益元素在自然界中的循環速度[9]。

5 結語

鋅在環境地球化學中的循環演化在國內外已經做了大量工作，但相對于其它元素如汞和砷，其研究工作仍沒有覆蓋完全。

鋅在大氣中以鋅酸的形式進行遠距離運輸，但從地表進入大氣的交換過程尚待研究。其地球化學研究可以結合其他有益元素等進行多元素組合同位素示蹤來研究其在整體元素中的占比和作用。

氣候的變化也影響了環境介質中鋅的遷移速率，現階段由于新型厄爾尼諾現象造成全球出現極端天氣，極端氣候下的有益元素環境介質循環模型研究仍需關注。

地質礦物中的有益元素在地球化學研究過程中已經有了一定進展，但在環境介質中具體遷移速率和作用定向“靶區”仍需要進一步研究。

針對不同形態的有益元素吸附機理研究仍較少，未來可以從分子水平進行有益元素在不同形態下的強弱力吸附研究。通過其在環境介質中同位素的變化情況來了解宏觀上有益元素的遷移規律。