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安徽铜陵矿区重金属元素释放迁移地球化学特征及其环境效应研究

张鑫  
【摘要】:矿山开采和矿石选冶引起的环境污染与生态破坏是一个全球性的问题,越来越受到人们的关注,已成为环境地球化学研究的一个重要领域。长期以来,由于AMD具有较低的pH值和较高的重金属含量,加之其生态危害严重而备受重视,并取得了若干重要研究进展。在以硫化物矿物为主的有色多金属矿山环境中,AMD和重金属污染问题尤其突出。 铜陵地区是世界上典型的矽卡岩铜金矿集区之一,是一个有3千多年开采历史的极具特色的有色多金属矿区。本文通过细致地野外工作和室内分析研究,对铜陵矿区尾矿库、废石堆、水系及其沉积物、土壤和植物等环境地球化学以及新桥层状硫化物铜矿床和药圆山矽卡岩型铜矿床等两类代表性矿床开采剖面风化特征研究,揭示了硫化物矿物的氧化产酸机制,重金属在废石堆、尾矿砂中的释放、迁移、转化规律,以及重金属在废石、尾矿砂、土壤和水系沉积物中的存在形态和生物活性,同时还详细研究了重金属在地表水、沉积物、尾矿库和土壤中的空间分布特征,全面系统地分析了矿山开采活动给铜陵地区带来的环境影响,并建立了重金属在不同介质体中及其之间释放、迁移和转化模式。 新桥铜矿床风化剖面的CIA值变化很大,矿体风化作用进行的比较彻底,且主要发生在岩-土界面附近。药圆山铜矿床风化剖面常量成分的变化主要发生在矿石的逐步变化过程中,而在岩-土界面附近常量元素含量变化并不明显。两类矿床开采剖面风化过程中,部分重金属元素从硫化物矿物中释放的相对能力大小为PbZnNiCoCu。风化土壤中的L_(REE)/H_(REE)比值都比较高,不同风化层中稀土元素配分曲线比较相似,为右倾的轻稀土富集型,反映了铜陵湿热的风化条件和低pH值淋滤环境。 研究表明,以含硫化物矿物为主的废弃石堆中的重金属随着堆积时间的增加,含量逐渐减少,具有明显的阶段性和分带性。废弃石中的重金属元素相对迁移速率为CrMnZnCoHgCdAsPbCu,与其赋存状态和初始含量有关。根据拟合方程计算得废矿石中的各重金属元素含量值在自然状态下降到土壤自然背景值所需要的理想时间分别为:Cu:103.2a、Pb:101.4a、Zn:42.7a、As:95.6a、Cd:91.2a、Hg:72.1a、Mn:39.6a、Co:45.5a、Cr:1.43a,由于废矿石中Ni含量低于土壤自然背景值,所以不存在释放年限问题。 淋滤实验表明,尾矿砂在堆放的初期一般不会发生酸化,且重金属的浸取率很低。尾矿砂-水的相互作用导致了尾矿中元素的活化迁移和对水体的污染。铜陵矿区尾矿砂中重金属元素Pb、Hg的水迁移能力较强,水迁移系数分别为9.95和5.56,As、Cr、Co的迁移能力较低,水迁移系数只有0.08、0.07和0.05,其余元素的水迁移系数也均小于1。虽然尾矿砂中重金属的水迁移系数较小,但由于铜陵矿区尾矿砂中重金属元素的含量较高,所以尾矿砂也是铜陵地表水体重金属污染一个主要潜在污染源。通过对部分重金属释放规律的负指数方程拟合可知,尾矿砂中Cu、Pb、Zn、Cd、As、Cr等含量降低到土壤容许值所需时间分别为:Cu:143a、Pb:8a、Zn:105a、Cd:79.4a、As:59a和Cr:11.6a。尾矿砂中重金属的相对释放速率为:PbCrAsCdZnCu。 复垦的林冲尾矿库重金属空间分布特征为:横向上总的趋势为周边亏损、中间富集,As、Cd含量则为中间含量低于周边含量;垂向上,在40~60cm深处,Co、As、Cu、Zn、Cd、Ni、Pb等均表现出明显的富集,可能是人工复垦和浅层的风化有利于这些重金属离子的垂向迁移,使重金属离子在复垦层下界面(一般为40cm)处富集。


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