高砷地下水在全世界广泛分布,已经对数百万人的健康产生了重大影响[1]。近来铁同位素被用于描述水体环境中铁循环的特征,但是没有高砷地下水中铁同位素特征的信息。由于地下水中砷的行为与含水层中铁循环密切相关[2],因此铁同位素特征可能有助于描述控制浅层地下水砷浓度的地球化学过程。本次研究首次观测高砷地下水中铁同位素的分馏,并依据铁同位素特征评价浅层含水层铁循环与砷行为。在内蒙河套盆地采集了30个地下水样品进行化学以及同位素分析。在浅水含水层中采集了32个沉积物样品用于铁同位素分析。结果显示,地下水中通常富集轻铁同位素,δ56Fe的值在-3.40‰-0.58‰之间,中位数是-1.14‰;而沉积物中δ56Fe的值较大,在-1.10‰-0.75‰之间,中位数是+0.36‰。相对于有氧条件,在还原条件地下水通常具有更高的δ56Fe的值。通常在还原条件下高砷地下水具有高δ56Fe的值,低砷地下水通常具备低δ56Fe的值。虽然沉积物中δ56Fe的值不受岩性的控制,但在沉积物氧化还原过渡带上观测到δ56Fe的值变化较大。在此基础上,识别出了浅层地下水中铁循环的三条路径,包括Fe(III)氧化物的异化还原、Fe(II)的再吸附、以及黄铁矿和菱铁矿的沉淀[3]。在缺氧条件下,Fe(III)氧化物的异化还原导致地下水中δ56Fe的值偏低(约-1.0‰)[4]、砷浓度偏高(>50μg/L)。在缺氧—亚氧化条件下,微生物介导还原产生的Fe(II)中重铁同位素优先被吸附[5],导致地下水中轻铁同位素进一步富集(δ56Fe的值低达-3.4‰)。As的再吸附随着Fe(II)的再吸附发生而发生,降低了地下水的As浓度。在强还原条件下,轻铁同位素黄铁矿和/或菱铁矿的沉淀使地下水中δ56Fe值增加,达到+0.85‰,随后通过共同沉淀降低了As浓度。在大多数地下水中这些途径的混合效应调节着As和铁的循环。因此,本研究为还原性含水层高砷地下水的形成提供了理论支持。