運用地球化學防治礦山環(huán)境污染

更新時間：2009-01-10 14:06 來源：作者: 閱讀：2379

摘要：地球化學的基本聯(lián)系；闡述了地球化學勘查方法和對尾礦、廢石以及礦山酸性廢水的治理的應用；探討了美國在礦床的地球化學背景和基準值、礦床地質(zhì)—環(huán)境模型應用方面的先進經(jīng)驗，并針對國情提出了一些其它防治礦山環(huán)境污染的地球化學方法。

礦產(chǎn)資源是人類生產(chǎn)資料和生活資料的基本來源之一，是發(fā)展國民經(jīng)濟的重要物質(zhì)基礎。在我國，95％的能源、80％以上的工業(yè)原材料和70％以上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料都倚賴礦產(chǎn)開發(fā)供給，如冶金、化工、建材、農(nóng)業(yè)、電力、輕工、核工業(yè)等企業(yè)的主要原材料或燃料均來源于此。與此同時，礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用也給我國帶來了沉重的環(huán)境污染。

地球化學是研究地球的化學組成、化學作用和化學演化的科學，是地質(zhì)學與化學、物理學相結合而產(chǎn)生和發(fā)展起來的邊緣學科。地球化學主要研究地球和地質(zhì)體元素及其同位素的組成，定量地測定元素及其同位素在地球各個部分如水圈、大氣圈、生物圈、巖石圈和地質(zhì)體中的分布；研究地球表面和內(nèi)部及某些天體中進行的化學作用，揭示元素及其同位素的遷移、富集和分散規(guī)律；研究地球乃至天體的化學演化，即研究地球各個部分，如大氣圈、水圈、地殼、地幔、地核中和各種巖類以及各種地質(zhì)體中化學元素的平衡、旋回，在時間和空間上的變化規(guī)律。從地球化學的角度看，現(xiàn)代人生活在兩個環(huán)境中。一是天然固有的地球化學環(huán)境，二是在自然環(huán)境上疊加了人類活動的地球化學環(huán)境。就化學元素在地球各圈層中的循環(huán)而論，不論在哪個環(huán)境中，元素的分離、遷移、富集、固定都服從地球化學規(guī)律。運用地球化學的原理和方法能夠較好地闡明污染物在環(huán)境中的遷移規(guī)律，有助于評價環(huán)境質(zhì)量、預測環(huán)境質(zhì)量變化趨勢；有助于了解自然環(huán)境對污染物質(zhì)的同化能力和承載量，進而合理地利用自然凈化能力；有助于制定環(huán)境質(zhì)量標準和制定改造已被污染了的環(huán)境的措施。

1 地球化學勘查方法

勘查,是資源開發(fā)的第一步,同時也是環(huán)境污染防治的第一步。這就要求礦產(chǎn)資源從一開始的勘探以及規(guī)劃和評價上就要給出準確的信息、做出正確的判斷。

成礦物質(zhì)在成礦過程中會在圍巖中留下元素的遷移軌跡或在成礦以后通過分散在四周的巖石、土壤、水系沉淀物、水、植物及氣體中形成各種類型的地球化學分散模式，根據(jù)這些元素的變化軌跡或分散模式可以去追蹤和發(fā)現(xiàn)新的礦床，這就是地球化學勘查方法的理論原理。簡而言之就是通過系統(tǒng)的測量天然物質(zhì)的地球化學性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)各種類型的地球化學異常的一種調(diào)查方法。勘查地球化學就是利用已有的大量資料，系統(tǒng)地研究巖石圈、水圈、生物圈、氣圈、土壤圈和技術圈（人類活動造成的特殊圈）中元素的地理分布，并探討它們在宏觀與微觀尺度內(nèi)的分配與遷移機制。近年來地球化學勘查的應用范圍在逐步擴大，不僅可用于找礦，還可為解決環(huán)境污染、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、地方病以及各種地質(zhì)問題提供有價值的資料。

當前，礦山污染及礦產(chǎn)環(huán)境的綜合評估是國際勘查地球化學界關注的主要問題。建立在地球化學勘查技術基礎上的地球化學填圖項目可使勘查地球化學家開始以全球眼光來看待環(huán)境污染。我國在過去20多年的區(qū)域化探全國掃描計劃中，已經(jīng)取得了全國600多萬平方公里地區(qū)39種元素的3000多萬的高質(zhì)量的海量數(shù)據(jù)。目前，一些國家級別的科研項目都在有條不紊的進行著，這些項目將對我國東部環(huán)境資源預測、西部資源勘查做出極大貢獻。還有一項很有意義的工作就是制作元素地球化學圖集，若是制成全國76種元素的地球化學圖集，將會為數(shù)字化地球、礦產(chǎn)資源評估、新類型資源與材料、環(huán)境監(jiān)控、土地利用及生命演化提供極有價值的資料。隨著技術的進步，地球化學勘查可作為探求找尋大型至巨型礦床的新理論、新方法；以元素在土壤圈、巖石圈、水圈、生物圈中的分布背景，實現(xiàn)對環(huán)境的監(jiān)控；以元素在地球各圈中的遷移、聚集和分散為背景，結合基因工程與生物地球動力學，發(fā)展新的地球化學工程學、植物及微生物治理技術。地球化學方法在礦產(chǎn)勘查中的地位還應該從戰(zhàn)術性向戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變，使地球化學方法真正成為指導礦產(chǎn)勘查部署的戰(zhàn)略性武器。可以預見，地球化學勘查方法給礦山環(huán)境帶來的益處將是全面的。

2 尾礦、廢石和礦山酸性廢水的處理

尾礦和廢石是礦山的主要污染源，也是潛在的最大的“化學炸彈”。用地球化學的觀點來看，這些“炸彈”和之前的“資源”都是地球化學異常。若將尾礦壩或廢石堆看作是與出露礦體類似的異常源，那么在地表作用下，尾礦壩或廢石堆中的雜質(zhì)元素同樣也會進入表生地球化學循環(huán)，在水系、土壤、植被或大氣中發(fā)生遷移、富集。這種表生地球化學遷移形成異常的機理與礦致異常的形成機理是相似的。因此，礦床次生富集帶的地球化學評價和次生暈、分散流、植物和大氣（包括壤中氣）等地球化學找礦評價方法可以用來研究采礦環(huán)境問題，并在此基礎上建立特定采區(qū)的環(huán)境地球化學模式，對采礦環(huán)境污染作出客觀的監(jiān)測和評價，并為防止污染和治理環(huán)境提供可靠的地球化學依據(jù)。

尾礦在氧化條件下的變化和對環(huán)境造成的影響，是地球化學方法首先要解決的問題。在瑞典，研究人員對一廢棄的銅礦山進行了尾礦氧化的動態(tài)地球化學作用追蹤。重點對不同時段地下水和地表水的化學、尾礦砂的化學和礦物學進行了研究。結果發(fā)現(xiàn)尾礦池中硫化礦物的氧化進程使堆積的尾礦砂形成了清晰的化學分帶，由上至下分別是氧化帶、次生高集帶、沉降帶和未蝕變帶。未被氧化的硅酸鹽礦物中的Al、Mg、K等無明顯變化，被氧化了的硫化礦物中的元素發(fā)生了明顯的貧化（如Ni、Li、Co、Zn、Cu和Cd），且硫化礦物氧化和風化釋放的金屬基本滯留在尾砂中，僅有5％～10％的釋放金屬到達地表水系。由于大量未風化尾礦的吸附作用，Zn、Cd、Co和Ni有可能被次生結合到尾礦上，Cu則在氧化前緣緊下方形成明顯富集帶。在接近地下潛水面區(qū)域的氧化帶，硫化物的氧化幾乎完全停止。富集的銅有可能被部分溶解，并隨地下水的運動遷移。氧化帶滲漏出的酸水也會促使被吸附的Zn、Cd、Co和Ni的再度溶解，并被搬運走。因而在計劃重新利用尾礦砂時，必須高度重視其潛在的危害。

硫化物的氧化會帶來礦山酸性物質(zhì)的排放問題，但在特定條件下也會形成次生富集，有時還會形成有潛在經(jīng)濟價值的次生礦物。與此同時，硫化物礦物的氧化作用還是礦山水文環(huán)境中酸的主要來源，特別是含鐵硫化物。制約硫化物氧化作用的因素有很多，包括：1）與硫化物接觸的溶液pH值；2）礦物的化學性質(zhì)、表面積和形態(tài)特征；3）溶液中O2和Fe3＋的含量；4）溫度；5）硫化物與共存礦物的相互作用；6）微生物的影響。所以，研究廢石尾礦堆中的化學反應和礦物氧化過程必須綜合考慮各種地球化學條件的制約。

在處理礦山酸性廢水時，常用的有選礦流程技術改造、中和法、硫化法、沉淀浮選法、萃取電積法以及人工濕地法，但是無論哪一種方法都無法在防治上達到一個完整、統(tǒng)一的高度。運用地球化學，有助于更好地理解礦山酸性廢水產(chǎn)生的過程，彌補各種方法的不足。值得深入研究的有：1）在充分掌握水文和地質(zhì)環(huán)境的資料上，建立礦山酸性廢水的水文地球化學演化模型并對目標進行模擬，這樣既可以預測或是預防礦山酸性廢水的發(fā)生，還可為治理酸性廢水帶來有針對性的指導；2）由于金屬污染的危害嚴重，因此對于礦山酸性廢水中的金屬形態(tài)的多變、其轉(zhuǎn)化過程和生態(tài)效應的復雜，有必要在掌握地球化學知識的基礎上進行廣泛、細致的研究。

3 國外的先進經(jīng)驗

隨著人們對環(huán)境問題的擔憂的升級，傳統(tǒng)型資源學面臨著生存危機。美國地質(zhì)調(diào)查局的資源學家們及時改變思路，將研究領域由單純的資源勘查與評價調(diào)整為資源環(huán)境一體化研究，這不但改善了自己的生存問題，還提出了解決環(huán)境問題的新思路。環(huán)境礦床學的研究任務主要為：1）與開采或受擾動的礦床環(huán)境作用相關的科學問題；2）為環(huán)境學家、公眾和政府制定環(huán)境條例提供科學依據(jù)。資源學家進入環(huán)境領域，彌補了過去環(huán)境學家不了解礦床環(huán)境作用復雜性等的問題，而且資源學家了解礦床方面的所有問題，他們不僅可向其它學科、公眾和政府普及這方面的知識，讓礦山環(huán)境條例的制定更具科學性，為礦業(yè)生存營造更輕松的環(huán)境，而且可為礦床開采過程中的環(huán)境保護提供科學的指導性建議。具體工作有：

（1）礦床的地球化學背景和基準值研究

從1995年開始，美國地質(zhì)調(diào)查局著手研究廢棄礦山和在產(chǎn)礦山描述土壤、沉積物、水體和生物群的地球化學背景或地球化學基準值。主要工作有：1）主要停產(chǎn)和廢棄礦床區(qū)域基準值的地球化學填圖；2）不同類型未開發(fā)礦床的區(qū)域和局部化學元素的基準值調(diào)查，為評價采礦環(huán)境效應提供參照對比資料。地球化學背景是未受人類活動影響的自然物質(zhì)中元素的濃度。與此相反，基準值則代表在人類活動擾動地區(qū)的元素濃度。地球化學基準值要求確定地球表面和近地表環(huán)境受人類活動，如城市化、農(nóng)業(yè)、采礦、廢棄物、工業(yè)污染或自然作用，如火山噴發(fā)、洪水、颶風和沙塵暴影響的化學元素的自然豐度和空間分布。人類活動導致的環(huán)境變化是疊加在不同的天然地球化學背景上，而背景區(qū)微量元素的豐度在很短范圍內(nèi)的變化可達幾個數(shù)量級。地球化學背景和基準值的研究，為我們了解地球表面和近地表元素豐度提供了基礎資料。這方面的知識將使科學家、土地管理者和環(huán)保專家更好地檢測由人類活動或自然作用引起的環(huán)境變化，測量其影響強度，確定化學物質(zhì)的來源。成果可用于研究以下方面的問題：1）根據(jù)自然地球化學變化，能夠建立地質(zhì)介質(zhì)如土壤的環(huán)保“安全限”、“危害限”、“必須治理限”；2）土壤和農(nóng)作物的農(nóng)業(yè)地球化學基準值，建立潛在有害元素活動性和生物聚集模型；3）表生介質(zhì)化學元素含量過高和過低對人和動物健康的影響。

（2）礦床地質(zhì)—環(huán)境模型

礦床地質(zhì)—環(huán)境模型（見下圖）是一種能夠表征某種類型礦床的環(huán)境性狀的地質(zhì)環(huán)境模型，可以較為系統(tǒng)地描述不同礦種、不同礦床類型的各種地質(zhì)屬性和特征對其附近水系沉積物、土壤、地表徑流、地下水和空氣等環(huán)境質(zhì)量的影響，同時可介紹金屬元素的遷移、擴散對包括人類在內(nèi)的各種生物的影響，分析礦床地質(zhì)—環(huán)境模型要素可為解決重要的環(huán)境問題提供重要依據(jù)，是預測礦床和礦產(chǎn)開發(fā)會造成的環(huán)境影響的基本手段。這類模型以與礦床有關的自然作用和人為影響的描述性和經(jīng)驗性研究成果為基礎。某一類型礦床的地質(zhì)環(huán)境模型不僅能夠表征采礦前的巖石、土壤、沉積物、水體的環(huán)境性狀，而且還能夠描述和預測該類礦床開采及其金屬加工可能造成的環(huán)境影響，如坑道的特征和規(guī)模、廢石特征和數(shù)量以及他們與環(huán)境間的相互作用。

該模型將地質(zhì)屬性納入環(huán)境概念的框架中，可以借助地理學的理論很好地闡釋環(huán)境結果，起到很好的預測和預防效果。受這個啟發(fā)，將思路延伸至地理科學的另外兩門重要分支—地質(zhì)災害學和地理資源學，結合以往礦山開發(fā)活動帶來的經(jīng)驗教訓，開發(fā)出兩個并列的或者附屬的模型。礦山活動帶來的地質(zhì)災害以采礦爆破誘發(fā)地震、崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫、水土流失、土地沙化、特殊技術層自燃、尾礦庫潰壩、瓦斯爆炸等作為要素；礦山活動帶來的資源毀損以土地資源破壞、礦產(chǎn)資源自身破壞、植被資源破壞、生物多樣性破壞、地質(zhì)遺跡破壞、風景景觀破壞、人文景觀破壞、礦產(chǎn)開發(fā)自身資源消耗等作為要素，同樣借助環(huán)境概念框架構建模型，可以起到類似的預測預防效果。如果借助資源科學中的資源經(jīng)濟學手段，還可構建一個以資源開發(fā)的經(jīng)濟分析，以利潤—成本研究、風險評價、不確定性、環(huán)境成本的外在化和資源價值的無形化、開礦床發(fā)的空間效應等為中心規(guī)劃、決策型的模型。整合幾個模型，一個高度綜合的人口—資源—環(huán)境—發(fā)展的模型就得以構建了。

4 結語

礦山與地表水環(huán)境、環(huán)境中的重金屬、環(huán)境中的有機污染物、土壤環(huán)境地球化學、痕量氣體及生物地球化學、環(huán)境地球化學與健康等地球化學的重要分支無疑都是礦山環(huán)境污染防治的良好幫手。地球化學支持還具備一個特別的意義，它還是礦山實現(xiàn)清潔生產(chǎn)的一項基礎工作。可以相信，礦山的環(huán)境污染問題將會逐漸的倚賴地球化學。在礦產(chǎn)資源的勘查以及規(guī)劃與評價、尾礦和廢石處理、酸性廢水的處理等方面，國內(nèi)在地球化學方法上已經(jīng)有了一定的研究和應用，在不斷的吸取和借鑒國外的教訓和先進經(jīng)驗的同時，地球化學在以下一些方面也會大有作為：

（1）金屬的釋放遷移規(guī)律及環(huán)境效應；

（2）土壤及植物的環(huán)境地球化學研究以及退役礦山的生態(tài)恢復；

（3）特殊礦床環(huán)境效應研究；

（4）礦山地質(zhì)以及環(huán)境災害預測；

（5）礦集區(qū)流域性礦床環(huán)境綜合研究；

（6）結合資源、環(huán)境、經(jīng)濟的礦產(chǎn)開發(fā)綜合模型等。

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