本研究由Omar R. Salinas Villafane（北海道大学工程研究生院地下水与物质传输实验室）、Toshifumi Igarashi（北海道大学）以及Mitsuru Kurosawa和Toshio Takase（三菱材料株式会社）合作完成，研究成果发表于Applied Geochemistry期刊2012年第27卷第2271–2279页。
一、学术背景
本研究针对封闭矿山场地（closed mine site）中因酸性环境和矿物风化导致的潜在有毒金属（potentially toxic metals, PTMs）（如铜、铅、锌）淋溶问题展开。矿山关闭后，表层岩石和尾矿长期暴露于风化作用，导致硫化矿物（如黄铁矿）氧化为次生矿物（如碳酸盐、氧化物），并通过酸性孔隙水（porewater）迁移至周边水体，造成污染。
研究背景基于两个关键问题：
1. 酸化岩石排水（acid rock drainage, ARD）的长期环境影响；
2. 实验室柱实验（column experiments）与野外观察（field observations）数据的一致性尚未充分验证。
研究目标是通过对比实验室柱实验（模拟不同风化岩层厚度）和野外现场孔隙水采样数据，评估铜、铅、锌的淋溶行为差异，并探讨其地球化学控制机制。
二、研究流程
1. 样品采集与表征
- 研究对象：日本秋田县Kazuno市Komaki矿山的表层风化岩石（K1、K2、K3）和新鲜岩石（K4）。
- 分析方法：
- 化学组成：能量色散X射线荧光光谱仪（XRF）测定主量元素和金属含量（如Cu、Pb、Zn）。
- 矿物组成：X射线衍射（XRD）鉴定矿物相（如石英、黄铁矿、重晶石）。
- 淋溶实验：批量浸出实验（batch leaching test）测定岩石浸出液的pH、氧化还原电位（ORP）及金属浓度。
2. 实验室柱实验
- 实验设计：
- 3组PVC柱（直径52 mm，高度400 mm），分别填充10 cm（Case 1）、20 cm（Case 2）、30 cm（Case 3）厚度的K2风化岩石。
- 模拟降雨：每周添加60 mL去离子水（模拟当地每两周降雨量），持续75周。
- 监测参数：
- 淋滤液的pH、ORP、电导率（EC）及金属浓度（Cu、Pb、Zn、Fe、Ca²⁺、SO₄²⁻等），使用ICP-AES和离子色谱分析。
- 数据处理：计算分配系数（logKd）评估金属固-液相分配行为。
3. 野外观察
- 采样设计：
- 在矿山现场设置孔隙水采样系统（porous cups），埋置于-15 cm、-45 cm、-70 cm、-95 cm深度，持续18个月采样7次。
- 真空泵提取孔隙水，分析其化学组成并与柱实验结果对比。
4. 地球化学模拟
- 使用PHREEQC软件计算矿物饱和度指数（saturation index, SI），验证控制金属溶解度的次生矿物相（如铅矾anglesite）。
三、主要结果
风化岩石特性：
- 风化岩石硫含量（0.48–0.77 wt.%）低于新鲜岩石（1.0 wt.%），表明长期氧化作用消耗了硫化矿物。
- 浸出液pH为2.96–4.52，呈现酸性环境，金属浓度显著高于未污染土壤（如Pb达4.20 mg/L）。
柱实验与野外数据的对比：
- Cu和Zn：浓度随岩层厚度增加而升高（如Case 3中Cu达1.80 mg/L，Zn达2.37 mg/L），与野外深层孔隙水（-95 cm处Cu 2.48 mg/L，Zn 1.25 mg/L）趋势一致，表明淋溶受流动路径长度影响。
- Pb：浓度不受岩层厚度影响（柱实验均值为4–7 mg/L，野外为3–4 mg/L），地球化学模拟证实其溶解度受铅矾（PbSO₄）沉淀控制。
机制分析：
- Cu和Zn：释放主要源于硫化矿物氧化及次生相（如硫酸盐）溶解。
- Pb：低pH下铅矾的形成限制了其迁移能力。
四、结论与意义
科学价值：
- 首次通过对比实验室与野外数据，证实风化岩层厚度是预测Cu和Zn迁移的关键参数，而Pb受矿物溶解度控制。
- 揭示了ARD场地中金属淋溶的长期性及地球化学控制机制。
应用价值：
- 为矿山修复方案设计（如覆盖层厚度优化）提供了理论依据，建议优先考虑Cu和Zn的迁移控制。
五、研究亮点
- 方法创新：结合柱实验与长期野外监测，验证了实验室模拟的可靠性。
- 发现特殊性：揭示了Pb与其他金属（Cu、Zn）在迁移行为上的显著差异。
- 数据支撑：通过地球化学模拟明确了铅矾的溶解控制作用。
六、其他价值
研究发现，矿山水处理厂下游浅层地下水（-35 m）中Cu和Zn浓度（16.2 mg/L和16.4 mg/L）显著高于表层孔隙水，进一步支持了深度对金属积累的影响。