中国西北部 Bayan Obo 稀土尾矿下游地下水中铀的失衡现象

《Journal of Environmental Radioactivity》：Uranium disequilibrium in groundwater downgradient of the Bayan Obo rare earth tailings, Northwest China

铀同位素地球化学与地下水流动机制研究| Bayan Obo稀土尾矿下游系统| 234U/238U与230Th/232Th比值分析| 水岩相互作用定量| 地下水补给贡献率估算

　　

黄翔

中国科学院青藏高原研究所，中国北京

摘要

了解地下水中铀同位素的失衡对于追踪溶质迁移和评估全球受采矿影响地区的长期污染风险至关重要。本研究结合了水文地球化学和铀系同位素分析（²³⁴U/²³⁸U、²³⁰Th/²³²Th、²²⁶Ra），沿着巴彦敖包稀土尾矿池的典型流向下方向进行测量，以阐明铀的迁移性和混合过程。溶解态铀显示出一致的²³⁴U富集现象，铀浓度与活度比之间存在强烈的线性相关性（R² = 0.87，p = 0.002），表明尾矿影响区与区域地下水之间存在保守的二元混合。沿流动路径，²³⁴U/²³⁸U和²³⁴U过量值的空间下降表明发生了同位素均质化和稀释作用，而钍和镭的同位素行为可能主要受表面物质（如Fe/Mn（氢）氧化物）和盐碱化的影响。质量平衡分析表明，地下水约占总河流流量的8%，并携带少量但可检测到的铀通量。这些结果展示了铀系同位素失衡在量化采矿影响环境中的水-岩相互作用和地下水流动动态方面的诊断价值。

引言

采矿和矿物加工活动会产生大量细粒尾矿，这些尾矿是周围环境长期化学和放射性污染的来源，并存在故障风险（Hudson-Edwards等人，2024年；Giljum等人，2025年）。特别是与稀土元素（REE）提取相关的尾矿储存设施通常含有较高浓度的铀（U）、钍（Th）和其他放射性核素（Xu等人，2005年；Wu等人，2011年；Standaert，2019年；Bradsher，2025年）。通过围堰壁、基础或水力连接的渗漏可以将溶解态和胶体物质输送到浅层含水层，从而改变地下水的氧化还原电位、碱度、离子强度等性质。这种扰动会影响氧化还原敏感元素和放射性核素在下游水文地质系统中的形态、迁移性和分配（Huang等人，2014年，2016a年；Tomiyama和Igarashi，2022年；Smedley和Kinniburgh，2023年）。类似的过程在全球的磷酸盐、铀和稀土矿区都有记录，其中盐度、硫酸盐和溶解态铀的浓度在源头几公里外仍然很高（例如，Avisar和Kronfeld，2009年；Ammar等人，2010年；Chkir等人，2009年）。位于中国北部的内蒙古巴彦敖包地区是全球最大的稀土矿床之一，是这种人为水文地球化学改变的最显著例子之一，先前的研究指出，在尾矿设施下游的地下水和土壤中总溶解固体（TDS）、硫酸盐和有毒微量元素显著增加（例如，Wang等人，2011年；Li等人，2016年；Huang等人，2016a年，2016b年；Wu，2025年）。

铀系同位素的失衡为研究地下水中的此类地球化学转变提供了一个基于机制的示踪系统（Thurber，1962年；Osmond和Cowart，2000年；Bonotto，2013年；Thollon等人，2020年）。在氧化环境中，铀主要以六价铀酰碳酸盐复合物的形式存在（例如，[UO₂(CO₃)₃]^4-、[Ca₂UO₂(CO₃)^{3]0），这些复合物在接近中性到碱性的条件下仍然具有很高的溶解度。238U衰变为234Th时产生的α反冲效应会将234U原子从矿物晶格中置换出来，形成在水分-岩石相互作用过程中优先被淋溶的表面损伤区（Porcelli和Swarzenski，2003年；Milena-Pérez等人，2021年）。这种反冲辅助的淋溶作用使溶液中的234U相对于238U富集，导致234U/238U活度比超过长期平衡值。由于钍的溶解度较低且主要以颗粒态迁移，U–Th失衡的变化反映了溶解态和胶体结合态迁移之间的微妙差异（Osmond和Cowart，2000年；Porcelli和Swarzenski，2003年）。因此，结合使用234U/238U、230Th/232Th和226Ra可以洞察一系列水文地球化学过程，包括反冲诱导的淋溶、吸附-解吸反应、碳酸盐络合以及化学性质不同的水体之间的混合（Paces等人，2002年；Ammar等人，2010年；Bonotto，2017年）。}

在过去五十年中，铀系同位素被广泛用于阐明不同岩性和气候条件下的含水层中地下水的演变（Kronfeld等人，1979年；Osmond和Cowart，2000年；Chkir和Zouari，2007年；Tokarev等人，2025年）。在碳酸盐和封闭系统中的经典应用表明，²³⁴U/²³⁸U的空间变化可以划定补给区、追踪区域流动路径，并估计地下水停留时间（10³–10⁶年尺度）（Kaufman等人，1969年；Paces等人，2002年）。随后在火山岩、砂岩和冲积含水层中的研究确立了AR与溶解态铀浓度倒数（1/[U]）之间的线性关系的实用性，用于量化二元或三元混合过程（Kronfeld等人，1979年；Bonotto，2013年；Milena-Pérez等人，2021年；Fracalossi等人，2026年），以及log[U]–AR遗传铀图用于区分氧化补给区和还原积累区（Bonotto，2013年）。类似的机制框架也被应用于评估盐碱化和蒸发岩的贡献（Avisar和Kronfeld，2009年）以及重建大陆盆地的古流动系统（Chkir和Zouari，2007年；Chkir等人，2009年）。最近的研究进一步证明了U–Th衰变系列同位素在研究地下水-地表水交换、地下流动路径和多种水文地质环境中的混合过程方面的有效性，包括高原湖泊、干旱内陆盆地和沿海含水层系统（Peng等人，2015年；Qin等人，2022年；Li等人，2025年；Zhu等人，2025年）。尽管取得了这些成功，但将铀系同位素与水文地球化学参数结合起来研究地下水流过程仍然很少见，尤其是在受稀土采矿影响的地区。

在巴彦敖包采矿区，之前的水文地球化学研究记录了尾矿池周围浅层含水系统中主要离子、硫酸盐和痕量金属的升高（例如，Wang等人，2011年；Huang等人，2016a年；Teng和Chen，2016年；Tang等人，2020年）。然而，这一地下水中铀和钍的同位素组成和失衡状态尚未得到系统研究。关于以下关键问题仍需解答：（i）铀系特征在多大程度上可以区分受尾矿影响的水和区域背景地下水；（ii）氧化还原转变和碳酸盐络合作用在控制铀迁移中的作用；（iii）地下水排放对黄河的定量贡献。解决这些问题对于建立水文流动和放射性核素传输的机制理解以及为世界上最大的稀土矿尾矿建立长期监测的同位素基线至关重要。

通过沿着从巴彦敖包尾矿池到黄河的流向下方向，整合水文地球化学和铀系同位素测量（²³⁴U/²³⁸U、²³⁰Th/²³²Th、²²⁶Ra），本研究旨在（1）表征地下水盐度、碱度和氧化还原条件的空间变化，并将其与铀同位素特征联系起来；（2）利用遗传铀图和AR–1/[U]诊断方法解释²³⁴U/²³⁸U模式，以阐明主导的地球化学和混合过程；（3）构建基于同位素的质量平衡框架，以限制地下水对下游黄河的贡献。结果为评估尾矿储存设施对附近地下水的影响提供了综合的水同位素基线，并展示了铀系失衡作为稀土采矿环境中污染物迁移示踪剂的价值。

章节片段

水文地质环境

位于中国西北部的内蒙古巴彦敖包采矿区属于半干旱大陆性气候，年平均降水量（约350毫米）远低于潜在蒸发量（>2000毫米/年）。浅层水文地质系统由第四纪冲积和风化沉积物（厚度10–40米）组成，局部下层为低渗透性的粘土和风化基岩。地下水主要存在于非封闭到半封闭的含水层中

水样采集

2014年7月，在从巴彦敖包尾矿池到黄河的约12公里流向下方向上采集了水样（图1）。采样网络包括尾矿浆液上清液（“池塘”）、一条排水沟、沿区域地下水流动路径分布的七个监测井（GW07–GW17）以及靠近灌溉河岸的一个黄河站点。采样程序遵循Huang等人（2016a）和Guo等人（2012）的方法，并根据最近的同位素研究进行了质量保证/质量控制（QA/QC）调整

U-Th同位素和水文地球化学特征

溶解态铀浓度（记为[U]）范围为0.182至10.7微克·升^?1，其中尾矿上清液和排水沟中的浓度最高，随后沿流向下方向逐渐降低（表1）。尾矿池和排水沟样品显示出总溶解固体（TDS高达43微克·升^?1）以及高浓度的硫酸盐、氯化物和钠，反映了尾矿池水中的蒸发浓缩和离子富集现象。更下游的地下水显示出

结论

本研究旨在调查巴彦敖包尾矿池下游地下水中铀系同位素的地球化学过程。主要发现和结论如下：

1)

地下水显示出显著的²³⁴U富集现象，铀浓度与²³⁴U/²³⁸U活度比之间存在明显的相关性。这种关系表明，在下游含水层-河流系统中，尾矿影响区与区域地下水之间存在保守的二元混合

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢副编辑和三位匿名审稿人的彻底评估和建设性评论。本工作部分得到了中国环境保护部的财政支持（资助编号：201309005）。