科研成果
海底热液硫化物氧化过程中重金属的地质归宿
时间：2023年01月30日
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自然资源部海底科学实验室西南印度洋硫化物项目组胡思谊博士（第一作者）、陶春辉研究员（通讯作者）及其合作者在海底热液硫化物氧化过程中元素的释放、迁移和富集规律研究方面取得重要进展。相关成果以“Transformation of minerals and mobility of heavy metals during oxidative weathering of seafloor massive sulfide and their environmental significance”为题发表于国际学术期刊Science of the Total Environment。
海底热液硫化物与氧化性的海水接触普遍易发生氧化风化（oxidative weathering），并伴随着一系列新旧矿物的更替和各类元素的再分配。目前我们对海底热液硫化物氧化过程中矿物类型转换相关的认识较为模糊；对氧化产物的地球化学组成随时间的变化特征的认识仍然不足。这些基础知识的匮乏将不利于未来环境友好型、高经济效益型深海采矿。基于此，Hu et al. (2022) 对西南印度洋脊玉皇热液区不同氧化程度的硫化物样品进行了剖面取样和宏观差异取样。对这些样品开展了系统的矿物学、地球化学和形貌学分析。试图构建海底热液硫化物氧化过程中矿物转换和元素迁移的模型，揭示氧化次生产物对硫化物释放的元素和海水中的元素的影响，评估硫化物氧化对海洋环境的潜在重金属危害。
研究发现海底热液硫化物在氧化初期普遍会先形成高铁硫酸盐矿物，包括黄钾铁矾、黄钠铁矾和纤钠铁矾等。同时还有可能直接氧化形成非晶态铁氧化物（如，水铁矿）。高铁硫酸盐矿物无法在弱碱性的海水中长期保存，最终也会转化为非晶态铁氧化物。随着时间的推移，非晶态铁氧化物会发生老化脱水，形成更为稳定的脉状/层状针铁矿。此外，还观察到了球刺状针铁矿的存在，推断是由施威特曼石水解形成的，也暗示了海底热液硫化物氧化可能会形成施威特曼石。氧化次生产物典型的与微生物相关的形貌学特征，再次印证了微生物在海底热液硫化物氧化过程中扮演着重要角色。根据这些认识，建立了海底热液硫化物氧化过程中矿物的转换模型（图1）。
图1. 海底热液硫化物氧化过程中矿物转换模型
图2. 氧化物生长和重金属累积模型
该研究受到国家重点研发计划（2018YFC0309902)、中国博士后科学基金（2021M693778）、中科院海洋所开放基金（MGE2021KG03）和中国大洋专项（DY135-S1-01-06、DY135-S1-01-01）的联合资助。
引用：
Hu S., Tao C.*, Liao S., Zhu C., Qiu Z., 2022. Transformation of minerals and mobility of heavy metals during oxidative weathering of seafloor massive sulfide and their environmental significance. Science of the total environment, 819, 153091.
