巴西米纳斯吉拉斯州铁矿区的地球水化学过程、污染源分配评估以及地表水的基线特征

《Journal of Geochemical Exploration》：Hydrogeochemical process, evaluation of pollution source apportionment and baseline characteristics of surface water in the Quadrilátero Ferrífero, Minas Gerais, Brazil

水地球化学测绘巴西 Quadrilátero Ferrífero 地区，2022-2023年采集圣弗朗西斯科和朵斯流域雨季（880样本）及旱季（864样本）99项参数，发现Fe、Mn、Ni富集，pH中性至弱碱性，混合碳酸水为主，Spearman分析显示碳酸盐岩、硅酸盐岩及人为废水（Na-Cl-SO4）显著影响，雨季Fe达7.28 mg/L，超环境标准，为制定水质标准提供依据。

　　本文探讨了巴西东南部米纳斯吉拉斯州的Quadrilátero Ferrífero（QF）地区，这一区域是全球最重要的金属成矿省之一，其地表水的高分辨率水文地球化学图谱绘制面临诸多挑战。研究团队在2022年至2023年间对QF地区的两个重要流域——圣弗朗西斯科河和多斯流域进行了系统的采样与分析，总共采集了880个和864个地表水样，分别对应雨季和旱季。通过对99个物理化学、无机和有机参数的分析，研究揭示了QF地区地表水的化学特征及其受自然和人为因素的双重影响。

研究发现，QF地区的地表水富含铁（Fe）、锰（Mn）和镍（Ni），这些元素的浓度受到当地岩石风化作用的显著控制。此外，农业活动、土地利用方式的变化、采矿和冶金等人为因素也对水体的化学组成产生了重要影响。总体而言，QF地区的地表水呈现中性至微碱性的特点，主要归类为混合碳酸盐水。这些特征反映了该地区复杂的地质背景和高度的人类活动干预。

研究还指出，Spearman相关性分析显示，碳酸盐和硅酸盐岩石（如HCO??-Ca-Mg-Sr）对水体中的Fe和Ni浓度具有显著影响，而花岗岩类岩石的风化则主要影响钠（Na）和钾（K）的浓度。此外，来自生活污水和其他人为活动的排放物（如Na-Cl-SO?）也对水体化学组成产生了一定的干扰。这些发现有助于区分自然来源的元素和人为污染的影响，为环境监测和污染源识别提供了科学依据。

为了确定研究区域的基准地球化学值，研究团队采用了稳健的统计方法。结果显示，QF地区的地表水中Fe、Mn、Al和Ni的浓度显著高于环境指导标准。在雨季，Fe的浓度达到7.28毫克/升（mMAD）和13.18毫克/升（TIF），而Mn的浓度分别为0.78毫克/升和1.6毫克/升。这些数值表明，在自然富集的区域，降雨带来的淋溶和径流作用显著增强了这些元素的迁移和富集。研究还强调，基准值的确定对于理解自然与人为因素对水体金属浓度的影响至关重要，同时也为制定安全的水质标准和保护水资源提供了基础。

此外，研究团队提到，高密度水文地球化学图谱在不同地质、地貌和土壤条件下提供了更精细的空间分辨率，有助于识别地质源信号与人为污染之间的差异。这些数据对于制定特定地点的地球化学参考值，反映不同景观的自然背景条件，以及为环境质量标准和污染区域的早期识别提供科学支持具有重要意义。尽管基准值的确定受到人为活动的影响，特别是土地利用方式的变化，但采用多种统计方法进行综合评估可以提高结果的可靠性，避免单一方法可能带来的偏差。

本文的研究还强调了季节性变化对水体化学元素浓度的显著影响。在雨季，由于降雨量增加，地表水的化学组成受到更多外部因素的干扰，导致某些元素的浓度显著上升。例如，Fe、Mn、Ni和Al等在该地区岩石中相对丰富的金属，在雨季时表现出较高的浓度。这些结果不仅反映了自然富集过程的增强，还表明降雨对元素迁移和富集的促进作用。研究团队指出，这些发现对于理解地表水的地球化学行为以及评估长期水质变化趋势具有重要意义。

研究的背景和意义在于，水文地球化学研究对于理解淡水系统中化学成分的调控机制至关重要。这些研究不仅有助于识别自然和人为因素对水体的影响，还为水资源的可持续管理提供了科学依据。特别是在QF这样的金属成矿地区，其地表水的化学特征对于环境管理和政策制定具有重要参考价值。研究团队还提到，尽管高密度水文地球化学图谱在土壤和河流沉积物的研究中已有广泛应用，但在地表水中的应用仍然较为有限，因此本研究的成果具有填补空白的价值。

研究团队采用的采样和分析方法为：首先根据ALOS卫星的PALSAR传感器数字高程模型（DEMs）划分了864个微流域，每个微流域平均面积为25平方公里，主要为第二到第三级流域。在每个微流域中，仅设置一个采样点，位于流域出口附近，以确保样本能够代表整个流域的水化学特征。采样点的选择充分考虑了地理分布的均匀性和代表性，确保了研究结果的科学性和可靠性。所有样本在雨季和旱季分别采集，以评估季节性变化对水体化学组成的影响。

在分析过程中，研究团队采用了多种统计方法，包括mMAD（移动中位数平均差）、TIF（三角形内插法）和百分位数，以估算水体的基准地球化学值。这些方法能够提供不同的基准值，从而增强研究结果的稳健性。通过综合使用这些方法，研究团队能够更全面地评估水体中元素的自然背景浓度，并识别出可能的人为污染源。这种方法不仅提高了数据的准确性，还为未来的水质监测和长期趋势分析提供了可靠的参考框架。

研究还指出，基准值的确定对于评估环境影响、制定水质标准以及指导水资源管理具有关键作用。特别是在QF这样的金属成矿区，其地表水的化学特征不仅受到自然地质条件的控制，还受到采矿、冶金、农业和城市化等活动的显著影响。因此，建立准确的基准值对于区分自然浓度和人为污染具有重要意义。研究团队强调，基准值的确定需要结合多种统计方法，并充分考虑区域的地质、气候和生物活动等因素，以确保其科学性和实用性。

此外，本文还讨论了基准值在环境管理和政策制定中的应用。基准值不仅能够帮助识别污染源，还能够为制定合理的水质标准和环境法规提供依据。例如，通过比较实际测量值与基准值，可以评估水体是否受到污染，以及污染的程度。这对于保护水资源和维持生态系统的健康具有重要意义。同时，基准值的建立也有助于推动环境法规的更新和完善，以适应不断变化的环境条件和人类活动的影响。

研究团队还提到，尽管基准值的确定是一个复杂的过程，但采用多种统计方法进行综合评估可以有效提高结果的准确性。例如，mMAD方法能够反映数据的集中趋势和离散程度，而TIF方法则通过三角形内插法估算基准值，提供了另一种视角。百分位数方法则有助于识别极端值和异常情况。这些方法的结合使用，使得研究团队能够更全面地了解水体的化学特征，并为环境管理和政策制定提供更坚实的科学基础。

最后，研究团队指出，QF地区的地表水化学特征对于该地区的水资源管理和环境保护具有重要价值。由于该地区长期以来受到采矿活动的强烈影响，其地表水的化学组成可能已经发生了显著变化。因此，建立准确的基准值对于评估这些变化的长期趋势和影响至关重要。同时，研究团队还强调，未来的研究需要进一步关注季节性变化对水质的影响，以及人为活动对水体化学特征的持续作用，以确保水资源的可持续利用和生态系统的健康发展。