本研究在对湘江下游河床沉积物重金属污染进行地球化学分析的基础上,利用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜-能谱仪(SEM-EDS)等技术,对沉积物的矿物组成进行分析研究,厘定沉积物的矿物组成特征,探讨沉积物中重金属的矿物赋存特征,分析重金属的活性,阐明沉积物重金属污染与其矿物组成的关系,从而为预测流域重金属污染发展变化趋势、进行重金属污染防治等提供科学参考。得到如下研究结果。湘江下游河床沉积物矿物组成复杂,其矿物组成包括轻矿物和重矿物两部分。轻矿物主要包括碎屑矿物(石英、钾长石、钠长石)、黏土矿物(云母、伊利石、高岭石、绿泥石等)、碳/硫酸盐矿物(方解石、白云石、石膏等)等,含量在95%以上;重矿物主要是铁质矿物(赤铁矿、磁铁矿、针铁矿、钛铁矿)、稳定重矿物(锆石、金红石、磷灰石、石榴子石等)、不稳定重矿物(角闪石、辉石等)等,含量低于5%。与其他河段沉积物相比,株洲霞湾段沉积物的矿物组成以碎屑矿物含量明显较低,黏土矿物、碳/硫酸盐矿物、铁质矿物等含量明显偏高为特征。这与其沉积物中Si O2、K2O的含量明显偏低,TiO2、Fe2O3、CaO等含量明显偏高的元素分布特征相对应。矿物组成和主元素分析显示,沉积物物源可能主要与流域花岗岩、碳酸盐岩及砂岩等不同类型的岩石有关。地累积指数(Igeo)和综合富集指数(EI)评价结果显示,沉积物中Mn、Cu、Zn、Pb等重金属达中度以上污染水平,Sc、Cr、Co、Ni、Th、U等重金属多达中度污染水平,而Ba、V等为轻度污染水平。其中,株洲霞湾段沉积物中Cu、Zn、Pb、Mn等重金属达严重污染水平,是湘江下游河床沉积物重金属污染最严重的河段。这种明显不同于其他河段沉积物的重金属污染特征,与沉积物明显不同的矿物组成特征(碎屑矿物含量较低,而黏土矿物、碳/硫酸盐矿物、铁质矿物等的含量偏高)相对应。暗示沉积物重金属污染可能与其矿物组成密切相关。矿物含量(%)与重金属的地累积指数(Igeo)相关性分析显示,黏土矿物、铁质矿物、碳/硫酸盐矿物等可能是湘江下游沉积物重金属的主要赋存矿物。结合主元素含量(%)与重金属的地累积指数(Igeo)主成分分析结果可推断:V、Th、Cr、Sc等重金属主要趋于赋存在伊利石等黏土矿物中,Ba主要赋存于碎屑矿物(如石英、长石等)中。这些赋存在硅酸盐矿物相中的重金属化学活性不强,不易被活化释出,对环境不具潜在危害性。而Co、Cu、Zn、Pb、U等重金属主要趋于赋存在铁质矿物(如赤铁矿等)、碳/硫酸盐矿物(如方解石等)中,Mn主要以锰氧化物形式存在。铁锰氧化物矿物、碳酸盐矿物因水环境条件变化(如pH值、Eh值降低等)而很不稳定(化学分解、溶解等)。故赋存在这些矿物中的重金属Co、Cu、Zn、Pb等随水环境条件变化而可能因其寄主矿物的分解而释出,转入水体,从而对环境产生明显的影响,是今后流域重金属污染防治需要重点关注的对象。因此,湘江下游沉积物重金属污染严重,重金属污染程度与元素组合特征和沉积物矿物组成密切相关。