中国地质大学（武汉）王焰新院士团队ESR：中国高碘地下水空间分布规律和形成机制

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图 1 中国高碘地下水的分布（蓝色斑块与黑色字体）和预测（棕色斑块与红色字体）（ A ），以及河套盆地、大同盆地、华北平原、鲁西平原和江汉平原地下水中碘浓度垂向分布图（ B ）。

鉴于碘的亲生物特性，生物成因的陆相源 / 海相源的有机质和与有机质结合铁矿物是含水层中碘的主要物源（图 2 ）。相对于内陆盆地，滨海地区浅层和深层地下水会因海侵或海水入侵直接受到海相碘的影响（海洋是地球上最大的碘库）。地下水系统中碘主要以碘酸根（ IO ₃ ⁻ ）、碘离子（ I ⁻ ）和有机碘（ OI ）形态存在，其中 水相中以 I ⁻ 为主，而固相沉积物中则以 IO ₃ ⁻ 和 OI 为主。众多水文地质过程和生物地球化学过程能够促进含水层中沉积相的碘向地下水中释放，从而形成高碘地下水。

图 2 大同盆地（ A 、 E ）、河套盆地（ B 、 F ）和华北平原（ C 、 G ）含水层钻孔沉积物样品中总碘浓度与总有机碳或不同类型铁浓度之间的关系。

含水层中天然水文地质过程能够促进地下水中碘的富集。例如，强烈的蒸发作用可以促进碘在浅层地下水中的富集。随着地下水氧化还原条件的发育，富碘铁矿物的还原性溶解能够导致沉积相碘向地下水中的释放。平坦低洼的盆地 / 平原地区地下水流速通常缓慢，水岩相互作用时间较长，有利于地下水中碘的积累和富集。此外，过度抽取地下水等人类活动，会导致地下水系统中黏土层压实，从而将含碘或利于碘活化溶质（如有机质、竞争性离子）的孔隙水挤出至相邻含水层中。基于以上特征模式，归纳出控制高碘地下水形成的三个主要水文地质过程：蒸发浓缩、压密释放、还原溶解（图 3 ）。

图 3 全球碘循环和地下水系统中碘富集的宏观水文地质过程（蒸发浓缩、压密释放和埋藏溶解）。

微生物介导的碘形态转化是地下水系统 I ⁻ 生成的主要推手。鉴于 IO ₃ ⁻ 和 OI 是含水层沉积物中碘的主要形态， IO ₃ ⁻ 还原和 OI 降解对地下水中 I ⁻ 的形成和富集发挥着重要作用。含水层中的多种生物地球化学过程参与了 IO ₃ ⁻ 还原，例如异化 IO ₃ ⁻ 还原、铁还原、硫酸盐还原，和甲烷的厌氧氧化（图 4 ）。其中既有直接的 IO ₃ ⁻ 酶促还原，也包括间接的代谢还原态产物的 IO ₃ ⁻ 化学还原。此外， OI 中碘也能够通过微生物降解或脱卤作用释放到地下水中。

图 4 碘酸盐还原的微观生物地球化学过程

为了全面理解地下水系统中碘的水文 - 生物地球化学行为，探索可持续的地下水资源治理和供给方案，以及全球碘循环认识，本研究建议从以下五个方面（图 5 ）开展工作：（ 1 ）核设施及核废料处置场地地下水系统放射性碘的监测和风险评估；（ 2 ）地下水系统 OI 种类的鉴定、定量以及形态转化；（ 3 ）甲烷厌氧氧化耦合 IO ₃ ⁻ 还原的分子机理和环境效应；（ 4 ）地下水系统中 I ⁻ 氧化和甲基化过程；（ 5 ）高碘地下水的原位修复技术。

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