矿山地球化学和环境地球化学效应进展

[摘 要]本文主要介绍采矿活动对矿区周围水体及水系沉积物中重金属含量的影响、矿区周围土壤重金属污染的地球化学特征以及表生条件下重金属元素迁移转化途径和规律的相关国内外研究现状.

[关键字]矿山地球化学环境

[中图分类号]X142[文献码]B[文章编号]1000-405X（2013）-4-44-2

矿业在我国经济中占有很大的比重,为我国的经济发展作出了巨大的贡献"在矿山开采和选矿过程中产生的大量废石和尾矿不仅占用耕地,还产生含有害重金属的酸性或碱性排水,带来了严重的环境污染.据1998年不完全统计,我国金属矿山在地面积存的尾矿已达40多亿吨,并以每年约2×108吨的速度在增长（蔡嗣经,杨鹏,2000）.近十几年国内外地球化学在矿山环境方面的研究主要集中在矿区、城市周围及道路两侧由于自然的和人为的因素造成土壤环境、水体、生态环境污染和破坏等方面,尤其采矿活动引起的土壤重金属的污染（王亚平等,1998,2000）.

1采矿活动对矿区周围水体和水系沉积物中重金属含量的影响研究

R.P.Borba等（2002）对巴西IronQuadrangle矿区周围三条河的水、沉积物和风化金矿化岩石中砷的地球化学分布进行了研究,发现水和沉积物中As的最高浓度出现在矿区附近,在表层水中最高可达300ug/kg,水系沉积物中As的含量在20～4000mg/kg之间,通过就地对黄铁矿和毒砂的风化过程取样研究,与矿石堆积风化相关的As的迁移可以追踪到一些已关闭的金矿.As主要吸附在针铁矿上,最终释放进地表水和地下水,这个过程相当于产生大量As污染的矿井废水.河流沉积物和尾矿堆样品的淋滤过程显示,样品中最大释放量为初始As总量的1～4%.

ClaudiaHerr和N.F.Gray（1997）研究了爱尔兰Avoca矿区废弃硫磺和铜矿石产生的酸性排水（AMD）对Avoca河的污染,发现在沉积物中Zn的吸附和解吸附过程中pH扮演了重要角色,当AMD排入时,Zn主要以溶解态存在于河水之中,河流沉积物中的Zn浓度低于背景值,其它重金属元素含量也不高,但当在距矿区下游7公里的一个肥料厂的排水导致河水pH升高时,河水中金属元素产生沉淀,混合区沉积物中Cu和Fe的含量明显增加,Cu的分离主要是共沉积作用.Cd在沉积物样品中未检出,和下层沉积物相比表层沉积物中金属是以絮状物形式沉积在大颗粒表面.

J.M.Ascue等（1995）的测定表明：加拿大某尾矿堆积地区湖底沉积物孔隙水中As、Pb浓度比湖水中高出4个数量级,充分说明As、Pb是由尾矿输入,最终沉积于底泥的.

A.Carrllo-Chez等（2003）对墨西哥Guanajuato矿区的环境地球化学特征进行了研究,实验和现场测试数据表明,由于该地区C/S比高（12：1）,酸中和能力强,因此采矿废物的产生酸性排水的潜力较小,重金属释放到地下水中可能性也不大.大量地球化学证据表明：自然过程中金属元素易吸附在铁的氧化物或氢氧化物表面,在一定程度上控制了溶解性金属的迁移.地下水中Zn的含量并没有受到明显影响.

JohnE.Gray等（2001）对菲律宾Palawan汞矿收集的废矿锻烧过程、水及沉积物的汞和汞的含量的研究,发现附近水体环境受到很大的影响.

2矿区周围土壤重金属污染的地球化学特征研究

M.A.Yukselen（2002）北塞浦路斯Lefke地区重金属污染土壤的特征的研究,发现由于铜矿采矿和冶炼活动,已严重地污染了土壤和海水.根据土壤样品分析结果,Cu和As的含量大大超过了其他严重污染的土壤样品中的极限值.冶炼厂附近海水被Cr、Ni、Cu严重污染,降雨后Cu和Fe的浓度可增加10倍.研究结果认为这些污染物主要来源于尾矿和冶炼废渣的流失.

J.Aguilar等（2004）对西班牙黄铁矿泄漏造成的土壤污染状况进行了深入研究；B.G.Rawlins对英格兰北部土壤的微量重金属污染的研究；Merington等（1994）、JohaMaskall等（1996）,Myoung-Jinkim（2002）等和M.Boni等（1999）研究了重金属矿山（包括古矿）中Pb、Zn、As等重金属元素通过大气降尘和河流向矿周围的土壤、河流沉积物及其植被中迁移情况与规律.Austinmerino等研究了5种土壤的酸化后对重金属含量的影响,实验证明,在土壤中加入酸后可以引起土壤pH降低,以及铝和一些重金属浓度的改变,土壤pH和金属含量是影响金属浓度改变的主要因素.（1995）研究了碳酸盐和硅酸盐对于酸性排水的中和作用"MichelleP（1998）对比研究了富含硫化物和碳酸盐的尾矿与低硫化物含量且不含碳酸盐的尾矿的矿物学和地球化学特征.他们的研究认为矿石中碳酸盐矿物的含量是决定尾矿是否产生酸性排水和重金属释放的主要原因,而不是人们普遍认为的硫化物的含量.Blowes等（1990,1991,1995）通过对加拿大某金属矿山硫化物尾矿空隙水的地球化学和矿物学的研究,提出尾矿层中因不活动硫化物的存在而形成胶结层,在一定程度上阻碍了重金属元素的进一步迁移,并就其潜在意义进行了讨论,为防止矿山酸性废水排水的重金属污染提供了新方法；PrattAR等（1994）实验了在pH为3.0的H2S04的稀溶液条件下磁黄铁矿的氧化淋滤现象,并利用X射线和俄歇电子研究磁黄铁矿表面图象及其在空气中的氧化的机制,对矿山酸性排水产生的原因进行了深入的阐述；Walder等（1995）研究了夕卡岩型Pb-Zn矿床尾矿矿物学和地球化学行为；Buckly等（1987）则研究了黄铁矿.磁铁矿氧化的表面特征.BoElberling等（2000）研究了低温下黄铁矿尾矿的生物和化学氧化.他们调查研究了加拿大北部的Nanisivik矿黄铁矿尾矿活动层中硫化物的生物和化学氧化活动和氧的消耗"通过样品分析发现：黄铁矿的氧化速率与现场氧的摄取速率!实验室热释放测试结果是一致的"尾矿中发现细菌,热值测定表明细菌活动导致的氧化接近正在进行的氧化的三分之一.尽管已经在北极发现淋滤细菌,但是这是第一次证明了北极地区尾矿堆积区所有污染后果中细菌活动的重要性.吴大清等（2001）对环境矿物界面反应动力学进行了研究,重点探讨了地表中各种有毒.有害离子或分子与矿物表面之间的反应速率与反应机制.认为矿物表面存在一组化学活性很强的表面功能基,当它们与环境中毒害物质发生作用时,会因其极性、荷电性和lewis酸碱性不同而表现出不同的作用力和反应速率,进而控制了有毒、有害物质在大气、水体和沉积物中的赋存形态.稳定性及迁移转化速率.

3表生条件下重金属元素迁移转化途径和规律研究

矿山的开采使原来深埋于地下的矿石暴露于地表.在地表的自然和人工风化条件下,矿石中的有害组分,特别是重金属元素向外淋滤迁移,这些重金属元素一旦进入生态循环,就会对生态环境产生严重的威胁,因此对表生条件下重金属元素迁移.富集规律的研究就显得格外重要国外学者在这一方面也做了大量细致的研究.

Coston（1995）、Lin.z（1996）研究了通过共沉淀和吸附隐藏在铁的沉淀物中的Al、Cu、Mg、Si、Zn、S,发现铁沉淀物可以使尾矿中风化淋滤的重金属滞留,阻止重金属的迁移和对环境的释放,但一旦pH下降,铁的沉淀溶解就会使其中的重金属元素得到释放.E.Dinelli和ETateo（2001）对控制意大利北部Vigonzano地区与蛇纹石岩有关的Fe-Cu硫化物矿床的重金属分布的因素进行了分析,对与铁镁质、超铁镁质岩石有关的塞浦路斯型Fe-Cu硫化物矿床形成酸性排水的能力进行了分析,论述了碱性地球化学障碍对重金属元素在地表迁移的抑制作用；

MatsAstrom（1998）对暴露于地表条件下含有AI、Co、Cr、Cu、Fe、Mn、Ni、V细粒矿物的氧化作用和重金属元素的迁移进行了实验研究；J.Aguilar等（2004）、DidJ.walker等（2004）、H.K.T.wong等（1999）、M.simon等（2001）、Clark（2001）等对废弃矿区采矿废弃物引起的重金属污染现象进行了研究分析；JenniferA.Coston（1995）详细分析了自然含Al、Fe的含水层砂对Pb、Zn的表面吸附作用.Z.S.Kooner（1993）对比研究了在水溶液体系中针对铁矿对Cu、Zn、Pb的吸附行为.ZhixunLin（1997）研究了瑞典GaPenderg矿区硫化物尾矿和废石堆的重金属迁移和滞留规律；Mcgregor等（1998）研究了加拿大肖德贝里附近镍矿山尾矿库中重金属元素的富集和迁移.MilenaHonvat等（2003）研究了由于采矿活动造成的汞污染的规律和修复.