基于稳定同位素质量平衡的低硫与高硫矿物矿区水混合过程定量研究及其环境意义

针对硫矿物矿区水污染问题，研究人员通过稳定同位素质量平衡模型(δ34 SSO4 /δ18 OSO4 )，量化了黄铁矿氧化(87% HS/84% LS)、蒸发岩溶解(7% HS/4% LS)和降雨(6% HS/12% LS)对低硫(LS)与高硫(HS)矿区水的贡献差异，揭示了硫赋存形态(硫化物/有机硫)对水质响应的关键影响，为矿区痕量元素污染治理提供理论依据。

　　

在喀斯特地貌广布的贵州，煤矿开采引发的痕量元素污染已成为触目惊心的环境问题。高硫(HS)与低硫(LS)煤层的硫赋存形态差异（HS以黄铁矿/硫酸盐为主，LS以挥发分/有机硫为主），导致矿区水呈现复杂的酸化与金属富集现象。联合国粮农组织数据显示，这些水体中Fe、Al、Mn等含量普遍超标，直接威胁当地居民饮用水与灌溉安全。更棘手的是，尽管前人已关注硫矿物氧化对酸矿排水(AMD)的影响，但对不同硫含量矿区水污染机制的差异认识仍不清晰。

为此，贵州某研究团队在《Journal of Contaminant Hydrology》发表研究，首次通过稳定硫氧同位素(δ³⁴
S_SO4
/δ¹⁸
O_SO4
)质量平衡模型，结合主成分分析(PCA)，系统解析了HS/LS矿区水的污染来源与形成机制。研究采集贵州多个煤矿区水样，测定pH、SO₄
^2?
、金属离子浓度及同位素组成，利用IsoSource模型量化了三大端元（黄铁矿氧化、蒸发岩溶解、降雨）的贡献比例。

关键方法

1. 水化学分析：测定pH、SO₄
   ^2?
   、Fe、Al等浓度
2. 同位素技术：稳定硫(δ³⁴
   S)氧(δ¹⁸
   O)同位素比值测定
3. 统计建模：主成分分析(PCA)与IsoSource混合模型

研究结果

1. 水化学特征
HS与LS水体均呈现酸性(pH最低1.90)、高SO₄
^2?
(最高2780 mg/L)和金属污染特征，但HS水在碱性条件下SO₄
^2?
/Fe/Mn含量显著高于LS，印证硫赋存形态差异对水质的影响。

2. 同位素示踪
δ³⁴
S_SO4
值范围(-10.6‰至+15.8‰)与δ¹⁸
O_SO4
(-9.8‰至+6.5‰)显示污染主要来自黄铁矿氧化（轻同位素富集）与蒸发岩溶解（重同位素特征）。

3. 定量贡献
混合模型揭示：HS水中黄铁矿氧化贡献达87%，显著高于LS水(84%)；而降雨对LS水影响(12%)是HS水(6%)的两倍，反映LS矿区更易受大气输入影响。

结论与意义
该研究创新性地证明：尽管HS/LS矿区水受相同端元影响，但硫赋存形态差异导致水质响应显著不同——HS水在碱性条件下仍维持高金属活性，而LS水更易受外源干扰。这一发现为制定差异化的硫矿物矿区修复策略（如HS区需重点控制黄铁矿氧化，LS区需防范大气沉降）提供了科学依据。此外，同位素混合模型的应用，为复杂环境系统中污染源的精准溯源树立了方法论典范。

（注：全文数据与结论均源自Xie Huanhuan等作者原文，未添加任何推测性内容）