湖泊沉积物-水界面铁-锰循环研究新进展

年第期地质地球化学湖泊沉积物一水界面铁一锰循环研究新进展‘万国江陈振楼万曦普勇韦朝阳黄荣贵中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室,贵阳,摘要通过云贵高原深水湖泊沉积物一水界面铁一性循环研究,揭示了湖泊铁一住循环不仅受氧化还原边界层化学界面的控制,而且受沉积物一水地质界面的制约有机质生物札化和硫酸盆还原构成界面铁一锰循环的重要机制并产生亚扩散层屏蔽效应铁一住循坏伴随有徽金全属元素地球化学形态的改变,从而影响其迁移行为气候剧烈变化所中断的杖一性循环形成铁一怪富集层的古环境记录。关镇词沉积扮一水界面铁一祖循环云贵高原湖泊第一作者简介万国江男岁研究员主要从事环境地球化学研究湖泊中沉积物形成后伴随着有机质的分解,氧化还原状态发生变化继而导致还原物质转入溶液中并产生随浓度梯度的扩散作用。同时,湖泊沉积物一水界面上,水体溶解氧的季节性变化更促成氧化还原界面循环过程。铁和锰是氧化还原敏感元素,它们在沉积物一水界面及其附近的迁移行为既反映了氧化还原条件的变化,又伴随了其它元素的迁移。特别是下层滞水带季节性缺氧的深水湖泊中,揭示铁一锰的界面循环关系更具重要价值。七十年代起,因水源保护和控制水质污染的需要,湖泊铁一锰循环受到学术界的普遍关注。然而,前期的工作大多局限于湖泊水体,涉及沉积物的工作较少。实际上,湖泊铁一锰循环的一些重要过程都发生在沉积物一水界面或沉积物中,因而近年来许多学者强调沉积物一水系统的铁锰循环研究‘·’,‘,‘·。近十年以来,我们对云贵高原沪沽湖、洱海、程海、阿哈湖、红枫湖等深水湖泊及河北白洋淀铁一锰循环研究的进展表现在湖泊铁一锰循环受沉积物一水界面和沉积物一水系统季节性缺氧状况的双重制约在湖泊水一沉积物系统中,存在着两个重要的界面沉积物一水界面和氧化一还原界面。沉积物一水界面是一个以地质体的物相为基础的地质界面,这个界面是湖泊沉积物一水系统中相对固定的界面,其界面过程是物理、化学、生物作用的综合反应。氧化一还原界面是一个以氧化、还原化学指标作判据的化学界面,这个界面是湖泊沉积物一水系统中一个空间位置非稳定界面。早年,一些学者根据湖泊水体的温度分层及其相应的缺氧状况,建立了氧化还原边界层的化学界面概念,进而提出了湖水中铁、锰在氧化还原边界层迁移的概念模型〔’〕。这种概念模式对于理解铁、锰在湖泊中的地球化学行为具有很好的指示意义。但是,氧化还原边界层作为化学界面,其存在状况随水体性质和水化学特征而改变,概念模型反映不出沉积物一水这样一个地质界面的时间和空间变化关系更反映不出沉积物早期成岩化学过程中有机质耗氧分解而导致氧化还原边界层转移的因果关系。‘国家自然科学基金资助项目©1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net地质地球化学年沉降微粒中高价铁、锰的还原作用总是发生在沉积物中。非缺氧季节阿哈湖湖心沉积物上部的扩散边界层的微粒为黄褐色,铁、锰处于高价状态,含量分别为及,沉积物柱芯中的固一液分配系数远较上覆水体低而缺氧季节,扩散边界层微粒因硫化铁的形成而变黑,铁、锰含量分别降为及,沉积物柱芯中的固一液分配系数较上覆水体高或相当,还原作用的峰值上移至扩散边界层中〔’,,’·。由此可见,湖泊铁锰循环不仅受季节性缺氧的影响,而且受沉积物一水界面的制约。铁一锰循环与硫酸盐还原作用在湖泊沉积物一水界面循环过程中,十“十、十十及以一一等三个还原作用都产生在特定的氧化还原条件下,水溶液中十、的浓度随电子活度。的降低而升高,而在饱和的溶液中,当时,碳被还原为“一当时,需要。一时,碳才明显地还原为矛一。碳一作为阿哈湖水中的主要阴离子,冬春季节含量为一,约为湖水饱和溶解氧摩尔浓度的倍,因此,碳一渗透到沉积物中的深度也比氧深多倍,约为深。沉积物顶部孔隙水中羞一浓度为,而以下降至并急速耗尽,而总硫则由沉积物界面处的增至深部的巧,并相对稳定,这一现象证实了沉积物中硫酸盐还原菌的活动‘。缺氧季节还原态铁一锰向上覆水体扩散时,硫酸盐还原作用上移至沉积物顶部。阿哈湖水中铁锰季节性浓度增高时总是存在着铁较锰滞后出现、超前结束的现象。与伴随硫酸盐还原生成的玫反应后,导致形成沉淀并抑制了矛十向上覆水体释放,扩散边界层中沉积物微粒变黑。扩散边界层的这种选择性屏蔽效应虽然制约氧化还原状况的改变,但更显示了地质界面在元素运移转化中的重要影响。铁一锰循环中断记载着气候剧烈变化的信息程海岸边沉积物剖面冲积层之下存在着三个特异的红色标志层,每层均为厚,层间距离为。下部红色标志层之下为韵律清晰的粉砂层,其‘年代为士。红色标志层与相邻层节比较,、、含量变化不显著,指示出它们的陆源输入较稳定,但却显著富集并保存于红色标志层中。在沉积物一水