1、尾矿砂砷元素的环境地球化学研究摘要：矿山尾矿、矿山酸性排水、河流及其沉积物中的重金属等都极大地影响了矿山地球化学环境1。本文利用淋滤试验，有效预测尾矿砂的酸化情况及其对砷溶出的影响，通过计算砷元素的释放迁移规律，为尾矿库的环境管理提供科学依据。 关键词：尾矿砂；砷元素；地球化学 中图分类号：O611 文献标识码： A 1 前言 矿山环境的地球化学扰动和再平衡是地球化学研究的重要内容2,本次主要研究马鞍桥金矿砷元素的释放迁移规律对周围环境的影响。研究区尾矿库位于马鞍桥矿业公司的东北部，距矿区 5.0km，属围堰型。1996 年始使用，2001 年闭库,库区面积 22ha，汇水面积 0.54km2
2、,由尾矿排放堆积而成，坝高约 100m，尾矿比重 3.12t.m-3，尾矿容重 1.75t.m-3，平均粒径 0.036mm。累计库容 747.66 万 m3，排入尾矿量 1308.41 万t。 2 尾矿砂砷元素的地球化学研究 2.1 尾矿砂基本特征 尾矿砂的理化性质起着加快或减缓砷元素释放的作用，是决定(影响)尾矿库环境效应的重要条件。野外调查及采样：采用多点法采集尾矿砂样品(深度为 15cm） 。野外采回的尾矿样品，放在实验室内自然风干，并进行粒度分析;对做理化性质和含量分析的样品研磨、过 200 目筛，然后进行化学分析。采用 PHS-3B 型酸度计测定 pH 值。 表 1 马鞍桥矿区尾矿
3、砂粒度分析(mm) 粒径(mm) 0.6 0.60.28 0.280.154 0.1540.1 0.10.06 0.060.04 产率(%) 0.65 1.84 15.37 25.36 11.5 9.50 粒径(mm) 产率(%) 0.040.02 9.0 0.020.008 8.50 0.0080.006 2.50 0.0060.004 2.50 0.004 7.00 尾矿砂以细砂和粉砂为主，分别占总量的 54.72%和 29.5%，粘土矿物含量不足 10%，粗砂含量也特别少。因此，马鞍桥矿区尾矿砂比较均匀的粒度分布特征不利于水和自由 O2 的进入。 2.2 尾矿砂中砷元素释放规律 矿山尾矿
4、废渣中原始矿物的氧化和溶解作用导致富含砷元素的酸性矿山水体(AMD)的排放3。这些砷元素可以通过沉淀、吸附或离子交换作用进入次生矿物相，或通过溶解态形式从尾矿和废渣中迁移出去，进而污染地表及地下水。 本次研究主要是考察在自然降水作用下富含砷元素的尾矿砂的地球化学效应，也即讨论尾矿砂中砷元素在自然淋滤状态下向水体等周围环境释放的能力和量。 淋滤试验所用尾矿砂粒径74m。试验考虑的变化参数包括介质 pH值、温度、时间、淋滤液流量等。温度选择为 1221，由于关中地区降雨 pH 值范围为 5.387.36，所以配制 pH 值分为 5.5、6.5 和 7.5 三种酸度的淋滤液。时间共计 30 天。滤出
5、液的理化性质测试时间为每 24 小时测量一次，滤出液的砷元素含量分别在淋滤开始 1 天、8 天、15 天、20 天、25 天和 30 天测量。淋溶前用去离子水浸润淋滤柱，从第二天开始改为 62ml.d-1 。 由图 1 可看出，淋滤开始时，滤出液 pH 值都大于 7.0，且在 30 天的淋滤时间内，pH 值多在 7.0 左右。在短时间内，即使是加入 pH=5.5 的淋滤液，滤出液的酸碱性仍接近中性，说明由于尾矿砂内部的碱性物质足以中和加入液的酸。出现这种现象的另一个原因可能与尾矿砂的矿物成分有关，由于该矿区以蚀变的云母千枚岩、构造片岩类岩石为主要的含矿和赋矿层位，因此，尾矿砂中主要以石英、长石
6、和碳酸盐类矿物等为主。尾矿砂的碳酸盐矿物水解产生的 OH足以中和硫化物矿物氧化产生的 H+。据有关研究表明，尾矿砂充分接触空气一年后，风化分解的速度会明显加快4。关闭后无人为扰动的尾矿库表层出现大量连片酸化斑点证实了这一点。 2.3 尾矿砂中砷元素的迁移规律 尾矿库渗漏和溢流的水是导致尾矿砂中重金属迁移和对土壤与河水污染的主要载体，是最能反映该区尾矿水相互作用与金属迁移特征的。元素的水迁移系数可用下式表示5: Kx 为 x 元素的水迁移系数，mx 为 x 元素在水中(或孔隙水)含量(g.L-1)，a 为水中总矿化度()，nx 为元素 x 在岩石中平均含量()。Kx值愈大，则该元素在岩石中淋失和
7、水迁移能力愈强烈。根据查阅相关资料，水的总矿化度为 323362g/L,本次取值 340g/L。As 在岩石中的平均含量 nx 为 13mg.kg-1。利用尾矿库水(0.008mg.L-1)和尾矿砂的分析数据计算了尾矿砂中砷元素的水迁移系数为 KAs=0.18。与谭凯旋等(2001)研究的湘西金矿尾矿水迁移系数（KAs=6.56）相比6，马鞍桥矿床尾矿砂砷元素的水迁移系数要小得多，这可能与两类矿石的选冶技术不同造成的。譬如两地尾矿库水体的 pH 值差别很大，湘西金矿尾矿库水偏酸性(4.26)，马鞍桥尾矿库水偏碱性(79)，另一个原因是马鞍桥尾矿砂成分比较单一，以硅酸盐矿物和碳酸盐矿物为主，结合
8、在硅酸盐晶格中砷离子在碱性条件下不易释放出来，可溶性随着 pH 值的升高，会迅速降低，所以导致尾矿库尾矿砂中水迁移系数偏低，这与淋滤试验的结果是完全一致的。 在马鞍桥矿区，尾矿库内砷元素的水迁移系数大小并不能反映其污染程度，除了它们的毒性以外，还与当地复杂的矿业活动和降雨有关。虽然尾矿砂中砷的水迁移系数较小，但由于尾矿砂中砷元素的含量较高，所以尾矿砂也是矿区地表水体污染一个主要潜在污染源。因此，控制尾矿库理化条件，降低尾矿砂水相互作用程度，有利于控制尾矿砂对下游水体、土壤的污染。 3 应用地累积指数法(Igeo)评价水体砷污染 矿区由于受纳水体中重金属污染物不易溶解，大部分会迅速地由水相转入固
9、相中，即迅速地结合到悬浮物和沉积物中。因此，沉积物中重金属的分布情况可以反映出所在流域的污染状况。由于本次研究的重点是砷元素，综合考虑人为污染因素，环境地球化学背景值，侧重单一元素，所以利用地累积指数法来评价砷元素的危害程度，不仅可反映了砷元素分布的自然变化特征，而且可以判别人为活动对环境的影响，是区分人为活动影响的重要参数。 地累积指数法(Index of Geoaccumulation)是一种研究水环境沉积物中重金属污染的定量指标，它可以反映沉积物中重金属的富集程度7。其计算式如下: 式中:Cn 是元素 n 在沉积物中的含量;Bn 为粘质沉积岩(即普通页岩)中该元素的地球化学背景值;K 为
10、考虑各地岩石差异可能会引起背景值的变动而取的系数(一般取值为 1.5)。Igeo 值为地累积指数，根据 Igeo 值05 将污染等级分为 6 级，对应污染程度为无污染至极强污染。As 背景值为 13.0mg/kg.根据地积累指数污染分级标准，计算得马鞍桥矿区各研究河段水系沉积物中砷元素的地积累指数及其分级见表 2。 表 2 地累积指数及其分级 采样区间 Igeo 上游区 Igeo 分级 1.74 2 中游区 Igeo 分级 1.16 2 下游区 Igeo 分级 0.99 1 对比区 Igeo 分级 -0.30 0 从表 2 可以看出，马鞍桥矿区地表水体沉积物中砷污染的地累积指数值在 02 之间
11、，与我国大部分河流颗粒物砷的污染水平等级在 13之间，没有表现出明显的砷污染，上游区和中游区属中度污染，下游区污染指数较小，对比区污染指数小于零，表明 As 没有对对比区造成污染。可见 As 污染主要是由上游矿区冶炼排水和矿堆淋滤造成的，矿冶活动对其周围的影响较大，但对下游水体影响较小。 4 结论 重金属和类金属元素在人类改造过的环境中发生的活化、迁移和再分配,必然会对矿业开发区及其临近地区的地球化学平衡带来新的扰动8。研究这种地球化学过程中发生的扰动与平衡,有利于评价环境影响,提出减轻环境影响和治理环境的科学依据。这是矿业活动可持续发展的必由之路。上述对类金属元素砷的释放迁移规律研究是地球化
12、学研究内容,仅仅是这一研究方向的开始。可以说,矿山环境地球化学研究方兴未艾。 参考文献 1 倪师军等.矿业环境影响的地球化学研究J.矿物岩石,2001,21(3):190193 2 余平.采矿环境地球化学研究J.矿产与地质,2002,16,(93):360363 3 肖唐付,洪冰.砷的水地球化学及环境效应J.地质科学情报,2001,20 (1): 7176 4 周涛发, 刘一,张鑫,等. 金属矿山重金属元素污染与治理对策.刘登义.生态安徽的理论与实践.合肥:合肥工业大学出版社，2004.186190 5 王一先等.矿山尾矿表生地球化学过程实验研究J.矿物学报,2003,23(1):5156 6 吴攀,刘从强.矿山环境中(重)金属的释放迁移地球化学及其环境效应.矿物学报，2001,2（2）:213218 7 滕彦国，度先国，倪师军，等.应用地质累积指数评价攀枝花地区土壤重金属污染.重庆环境科学，2002，24(4):2527 8 王华东,郝春曦,王建. 环境中的砷行为、影响、控制.北京:中国环境科学出版社,1992,28
