碘是维持生物生长发育必需的微量元素。人体内2/3碘存在于甲状腺中,其主要生理作用通过形成甲状腺激素而发生。机体长期碘摄入不足或摄入过量,均可造成甲状腺疾病,甚至可致甲状腺癌。由于海相碘来源分布集中且富集程度高,目前,世界范围内针对高碘性甲状腺肿及有关碘的生物地球化学行为特征报道与研究均集中于滨海地区及国家,如瑞士、丹麦等。本研究选取我国山西内陆盆地大同盆地为研究区,以内陆区原生高碘地下水为研究对象,探讨盆地高碘地下水系统中碘的迁移转化富集规律,查明碘来源,研究影响控制其迁移富集规律的主要地球化学过程,以期丰富对内陆地区原生高碘地下水形成机制的认识,更对减轻饮用高碘水对人体健康造成的危害,保证居民饮用水安全、缓解当地水资源供需紧张的现状及妥善处理高碘地下水具有重要的现实意义。论文主要研究内容及成果主要分为以下几部分：1、刻画盆地内地下水系统中碘的空间分布特征、地下水化学组分演化特征及利于碘赋存的地下水环境特征大同盆地原生高碘地下水系统中碘含量最高可达1,890μg/L,远高于国家饮用水标准。高碘地下水分布区,沉积物碘含量浓度变化范围为0.18-1.46 mg/kg。地下水及沉积物中碘含量同有机质组成均表现出较为明显的正相关性。垂向上,高碘地下水主要分布于浅层(10～20 m)及中深层含水层(>65 m)中,其中浅层高碘地下水离子含量明显高于中深层地下水样品,同时,浅层地下水样品碘含量同总溶解性固体表现出较好的相关性,表明盆地内在强烈的蒸发浓缩作用下可造成浅层地下水中碘发生浓缩,进而使得浅层地下水样品中碘浓度较高；中深层地下水中较高的碘含量则主要受原生封闭水环境下的水岩相互作用影响控制；水平方向上,高碘地下水主要分布于盆地中心排泄区内,以高pH、弱氧化／还原环境为主,同时地下水系统中富含有机质,微生物活动强烈。2、运用HPLC-ICP-MS联用测试技术,表征盆地内地下水中碘形态赋存特征,并结合沉积物不同碘形态吸附行为表征,进一步深入分析不同碘形态在地下水系统中释放迁移演化过程对盆地内不同区域、不同地下水环境及不同碘含量地下水样品测试分析其无机碘形态组成,并运用差减法估测有机碘含量,结果表明,盆地内原生高碘地下水中碘主要以碘离子形态存在于地下水中,并包含有一定量碘酸根离子,有机碘主要出现于浅层地下水中,推测其主要来源为人为影响,同时在东辛寨村中深层含水层中(DT12-63,83 m,为上层封存井结构,所采样品来自中深层含水层)有一定量原生有机碘赋存(60μg/L),表明在盆地深层含水层中存在有机碘的迁移释放过程。地下水系统氧化还原环境是地下水中无机碘赋存形态的主要控制因素,碘酸根离子主要赋存于弱氧化及强氧化环境中,在强还原环境中,碘仅以碘离子的形式赋存于地下水中。有文献研究表明,在海相沉积物中,碘的主要赋存形态顺序依次是有机质>碘酸根>碘离子。后续盆地沉积物不同碘形态吸附行为特征表征结果表明,盆地沉积物对碘离子吸附能力明显低于碘酸根,后者吸附能力随沉积物有机质含量升高而升高。文献室内模拟实验研究结果表明,在自然条件下,因热力学限制及中间产物单质碘不稳定性与极易与有机质结合等特征,使得碘离子在氧化环境中较难直接转化为碘酸根离子,因此,推测在盆地内碘主要以碘酸根及部分有机碘的形式迁移释放至地下水中,在有利的氧化还原环境中,进一步发生不同形态碘的迁移转化。3、通过沉积物连续提取及室内条件吸附实验,揭示盆地沉积物中碘的主要赋存介质及影响碘在沉积物-地下水系统迁移释放的主要控制因素利用室内沉积物连续提取手段,分别提取沉积物中不同赋存介质碘的贡献率,主要包括可溶态、交换态、金属矿物赋存态、有机介质赋存态及残留态。结果表明,沉积物中碘主要赋存介质为金属矿物及有机组分,同前人研究海相沉积介质表征结果相一致。在沉积物原样不同碘形态吸附行为表征基础上,进一步开展不同碘形态的条件吸附实验,实验设定,依据不同化学手段去除沉积物部分金属矿物组分及有机组分,再刻画不同碘形态的吸附行为特征。实验结果表明,同沉积物原样结果相一致,处理后沉积物样品对碘离子吸附能力明显低于碘酸根离子,同时处理样品对碘酸根的吸附能力随有机质含量升高而升高：盆地内表层土壤同沉积物表现出不同的吸附行为特征,运用双氧水去除土壤及沉积物近代有机组分,表明表层土壤有机质以近代有机质为主,处理后样品对碘酸根离子的吸附能力明显降低,沉积物近代有机质组分明显低于表层土壤,处理后样品对碘酸根离子吸附能力较处理前原样升高,表明盆地沉积物不同年代有机质组分可影响碘在沉积物中赋存释放能力。4、运用地下水氢、氧、氯稳定同位素及氯溴摩尔比值特征,刻画盆地内表层周期性人为灌溉活动对地下水组分及碘在浅层地下水中迁移富集的影响。盆地地下水氢氧同位素组成均处于全球大气降水线下方,表明盆地地下水受到蒸发浓缩作用影响。同时,依据实地所采集地下水井结构不同,可将氢氧同位素所涉及地下水样品分为两类：混合地下水及浅层封存承压混合水,前者地下水样品为实际井深所覆盖含水层混合水,后者是人为封存浅层含水层,限制表层人为活动对所采集地下水样品影响；两种地下水样品氢氧同位素组成呈明显分层性,混合地下水氢氧同位素组成重于浅层封存承压混合水。依据前人文献所界定水体离子强度所产生的同位素效应,盆地浅层地下水富离子程度所产生的同位素效应可忽略不计。同时,依据盆地实际条件,在表层人为灌溉活动中,主要以桑干河上游水库水为灌溉水源,灌溉补给至盆地地下水中,上游水库氢氧同位素组成明显重于盆地地下水样品,表明浅层混合地下水样品重同位素富集效应主要为富重同位素上游水库与贫重同位素原位地下水混合所致,同时,进一步运用同位素二端元混合模型定量表征上述混合贡献率。除强烈蒸发浓缩作用所致浅层地下水离子含量浓缩外,灌溉过程中所产生的表层盐碱土壤冲刷过程也可造成浅层地下水中离子含量上升,盆地内表层盐碱土可溶性组分结果表明,盐碱土可冲刷组分以Na-Cl岩盐为主,用氯溴摩尔比值及氯同位素瑞利分馏模型进一步定性定量表征上述过程,计算结果表明,在冲刷过程中,约2%-5%盐碱土表面可溶性组分进入地下水中。浅层地下水样品氧化还原环境表征结果发现,盆地中心强烈的人为灌溉活动可使得浅层地下水氧化还原环境发生扰动,形成利于碘赋存的弱氧化／还原环境,同时强烈的蒸发浓缩作用使得碘在地下水中发生浓缩富集,为碘在浅层地下水(10～20 m)发生富集的主要原因。5、运用盆地地下水及沉积物锶同位素空间变化特征,定性定量刻画盆地范围内地下水水流场信息,在此基础上,利用地下水系统钙同位素变化特征建立地下水系统中微生物作用模型,并详细刻画碘在水流场及有机质降解过程的迁移转化特征盆地范围内地下水样品锶同位素水平等值线表明盆地范围内地下水主要从盆地东西边缘及盆地西南部补给流至盆地中心排泄区。选取代表性水流场剖面模拟计算地下水流动过程中地下水锶含量及锶同位素演化过程,模拟计算结果表明,地下水流速从盆地补给至排泄区逐渐降低,同时,在忽略人为扰动及水位周期性波动条件下,盆地封闭条件下地下水净流速较为缓慢,为盆地中心中深层封闭利碘赋存的弱还原型地下水环境的形成提供有力证据。在上述地下水及沉积物组成特征结果表明盆地内地下水系统中有机质对碘的迁移富集起到至关重要的作用,同时有文献研究表明盆地中心地下水系统中微生物活动强烈,因此推测在盆地中心富有机质地下水环境中,微生物可利用有机质作为电子供体,不同氧化还原对作为电子受体,降解沉积物中有机质同时释放二氧化碳及赋存于其上的碘进入地下水中,同时该过程可造成碳酸盐发生溶解／沉淀过程,进而可造成地下水系统中钙同位素分馏,基于上述过程,综合运用微生物讲解monod模型定量表征该过程。