廣東大寶山金屬硫化物礦床開發(fā)的環(huán)境地球化學效應——兼論鋅的生態(tài)環(huán)境地球化學遷移.pdf

1、礦產(chǎn)開采產(chǎn)生的固體廢棄物、酸性廢水、重金屬離子是礦山開發(fā)的三大環(huán)境公害。廣東大寶山地處氣候溫暖濕潤的華南地區(qū)，是全國著名的Fe-Cu多金屬含硫化物礦床，礦產(chǎn)開發(fā)對環(huán)境的影響有典型的區(qū)域性和代表性。受該礦山開發(fā)的影響，下游的上壩村成為遠近聞名的“癌癥”村和貧困村，部分村民中出現(xiàn)“痛痛病”疑似癥狀。 本研究對大寶山礦區(qū)及其下游臨區(qū)進行了系統(tǒng)的野外考察和采樣，并在實驗室較全面分析了尾礦庫尾砂、采選廢水、尾礦庫積水、河流水、河流沉積物

2、、土壤、可食用葉菜類蔬菜等樣品；評估重金屬在不同環(huán)境介質(zhì)中的污染程度及潛在風險，揭示重金屬在不同環(huán)境體系中的存在形態(tài)及釋放、遷移、轉(zhuǎn)化規(guī)律，深入剖析該礦山開發(fā)的環(huán)境地球化學效應以及重金屬的生態(tài)地球化學遷移過程等。 本研究取得以下主要結(jié)論和認識： (1)尾砂庫堆放的尾砂是下游酸性廢水形成和重金屬釋放的主要源頭。尾砂中含有大量的黃鐵礦、磁黃鐵礦、閃鋅礦等金屬硫化物礦物，其重金屬Pb、Zn、Cd、Cu、Ni、Cr、Mn含量

3、分別高達637.40、5330.37、17.76、421.12、61.15、67.54、1580.24 mg/kg。它們的形態(tài)分布以殘渣態(tài)和鐵錳氧化態(tài)為主，其次是可交換態(tài)、碳酸鹽態(tài)和有機態(tài)，后三種形態(tài)具有較強的活化遷移潛力，Pb、Zn、Cd和Cu這三種形態(tài)分別占總量的40﹪、20﹪、40﹪和32﹪。 (2)受尾砂庫外排酸性廢水的影響，大寶山流域水體具有低的pH值、高的SO<,4><'2->和重金屬含量特點，且SO<,4><'2

4、->和重金屬含量與pH值呈負相關(guān)。順向下游地區(qū)，水體pH值逐步升高，SO<,4><'2->和重金屬含量降低，明顯指示它們與礦山及礦山開發(fā)的直接關(guān)系。在風化淋濾實驗中，尾砂礦物破碎細化，并釋放出高濃度的重金屬。淋濾初期重金屬從硫化物中釋放尤其快而多，隨時間增加淋濾液的pH值逐漸升高，重金屬濃度逐漸降低，呈顯著負相關(guān)。 (3)沿橫石水上游順流而下，重金屬Pb、Zn、Cd、Cu在河水中的含量逐步減低，但均超標(農(nóng)田灌溉水質(zhì)標準)。在

5、鐵龍河段，Pb、Zn、Cd、Cu超標最高分別達21倍、27倍、62倍、18倍；在槽對坑河段，超標最高分別達10倍、17倍、33倍、13倍；在橫石水河段，超標最高分別達7倍、11倍、16倍、4倍。在上壩村，其Pb、zn、Cd、Cu、Ni的超標分別達到7.0倍、5.5倍、16.2倍、4.0倍、2.8倍。 (4)水體的污染評價結(jié)果顯示，在鐵龍河段，重金屬單因子污染指數(shù)均很高，并以Cd為最，綜合污染指數(shù)P<,I>表現(xiàn)為重度污染。在槽對

6、坑河段，仍以Cd的污染最重，但整體污染程度低于鐵龍河段，綜合污染指數(shù)P<,I>顯示現(xiàn)為中-輕度污染。在橫石水河段，單因子污染指數(shù)以Pb、Zn、Cd為最高，綜合污染指數(shù)仍表現(xiàn)為中-輕度污染。相比較，未受礦山污染的太平河、冷水涇、丘屋壩河段，其單因子指數(shù)和綜合污染指數(shù)均顯示為未污染。 (5)重金屬離子排入下游河流后，部分會發(fā)生沉降，并在沉積物中累積。地累積系數(shù)顯示，沉積物中Pb、Zn、Cd、Cu都存在不同程度的污染，最嚴重的Cd甚

7、至達到強-很強污染，Pb、Zn也分別形成了強污染和中-強污染，且上游污染明顯重于下游地區(qū)。上壩村灌溉主渠Pb、zn、Cd、Cu也形成中.強污染，仍以Cd為最嚴重。 (6)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)受影響最嚴重是污灌土壤。表層土壤重金屬含量普遍高于國家土壤二級標準，但近年來灌溉水源的替代改變了縱向變化格局。地累積系數(shù)顯示，Cd污染最為嚴重，污染等級甚至達到強-很強污染，Pb、Zn也分別形成了強污染和中-強污染。上壩村Pb、zn、Cd、Cu也形

8、成不同程度的污染，仍以Cd為最嚴重，達到強污染。 (7)在整個流域，土壤重金屬單因子污染指數(shù)均異常高，仍以Cd最為嚴重，綜合污染指數(shù)P<,I>顯示為中度污染，內(nèi)梅羅綜合指數(shù)P<,N>為重度污染。若以未受礦山廢水影響的陳公灣表土為評價基準時，Cd單因子污染貢獻有所降低，而Pb、zn、Cu、Ni、Cr則有很大程度的增加，P<,I> 和P<,N>仍異常高，分別顯示為中度和重度污染，污染情況與河流水體及河流沉積物類似。這表明，污染表征

9、顯然和大寶山開采礦種及伴生元素種類有關(guān)，但Cd還與當?shù)氐母弑尘懊芮邢嚓P(guān)。 (8)重金屬可交換態(tài)是植物吸收利用主要形態(tài)，該區(qū)表層土壤具有較高的可交換態(tài)含量，并隨總量的增加而增加，與土壤pH值表現(xiàn)為負相關(guān)。在土壤剖面上，重金屬可交換態(tài)含量向下迅速降低，并逐漸趨于穩(wěn)定，應和耕作有關(guān)。除Pb在鐵龍庫口、水樓下村和上壩村表層土中，可交換態(tài)含量所占比例異常大之外，整個剖面上全部元素均以殘渣態(tài)和鐵錳氧化態(tài)為主，可交換態(tài)、有機態(tài)和碳酸鹽態(tài)次之

10、。但可交換態(tài)、有機態(tài)和碳酸鹽態(tài)生物有效性較高。元素活性以Pb、Cd最高。 (9)重金屬在蔬菜中含量與根系土總量未表現(xiàn)出顯著相關(guān)性，根系土Pb含量未超出國家土壤二級標準，但葉菜類蔬菜中Pb卻全部超出食品衛(wèi)生限量標準，超標倍數(shù)在1.5-4倍之間；根系土Cd總量超出國家土壤二級標準，但蔬菜并未全部超標。Zn、Cu、Ni則在根系土和蔬菜中均僅有少數(shù)樣品輕微超標。該地區(qū)土壤Pb具有較高的活性，更利于生物的吸收利用。 (10)潛

11、在生態(tài)風險評價顯示，整個流域存在著高的潛在生態(tài)風險，其平均潛在生態(tài)風險指數(shù)彤為704.9，顯示為強風險。上壩村3塊水田潛在生態(tài)風險指數(shù)彤均接近600，近強風險，而其余表層土彤均高于600，為強風險。陳公灣因Cd的拉高，潛在生態(tài)風險指數(shù)彤達到365.3，顯示為中等風險。根系土潛在生態(tài)風險指數(shù)RI在華屋村、涼橋村、水樓下村顯示強風險，上壩村顯示為中等風險，風險危害向下游呈降低趨勢。 (11)從尾砂向生命系統(tǒng)釋放遷移過程的4個重要的

12、反應界面控制了重金屬的生態(tài)環(huán)境地球化學遷移。尾砂/水反應界面，控制重金屬從源頭尾砂中的釋放；水/沉積物反應界面，控制重金屬在水體中與河流沉積物的沉淀與釋放的平衡；土壤/間隙水溶液界面，控制土壤生物有效性；土壤/植物界面，控制生物對重金屬的吸收與利用。通過調(diào)節(jié)反應界面的環(huán)境條件，可以阻止反應的發(fā)生，為環(huán)境治理修復的提供參考依據(jù)。 (12)各介質(zhì)間的相互作用較好地刻畫大寶山礦區(qū)因為礦產(chǎn)開采，重金屬元素從內(nèi)生環(huán)境中曝露，然后在表生環(huán)

13、境中釋放、遷移、轉(zhuǎn)化、歸宿的遷移模式。 礦區(qū)重金屬元素的遷移，導致了礦區(qū)周圍及下游地區(qū)環(huán)境中重金屬顯著積累，生態(tài)壓力不斷加劇，并以食物鏈的方式進入植物和動物體內(nèi)，最后通過多種途徑進入人體，危害生命健康和生態(tài)安全。本研究的創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在： (1)選取危害嚴重、代表性強的大寶山礦為研究對象，剖析其開發(fā)引起的環(huán)境地球化學效應，對其它熱濕地區(qū)金屬硫化物礦山研究和污染治理提供示范意義。 (2)對大寶山礦生態(tài)系統(tǒng)進

14、行深入剖析，揭示大寶山周邊及下游地區(qū)的污染表征與礦山開采礦種及伴生元素種類有關(guān)，且Cd還與當?shù)氐母弑尘懊芮邢嚓P(guān)。 (3)剖析重要介質(zhì)間的相互作用，揭示尾砂/水界面、河底沉積物/水界面、土壤/間隙水溶液界面及土壤/植物界面等4個重要界面交互作用控制重金屬從礦山尾砂向生命系統(tǒng)轉(zhuǎn)移的生態(tài)環(huán)境地球化學遷移圖像：尾砂/水反應界面，決定重金屬從源頭尾砂中的釋放；水/沉積物反應界面，決定重金屬在水體中與河流沉積物的沉淀與釋放的平衡；土壤/間