运用地球化学防治矿山环境污染
摘要：地球化学的基本联系；阐述了地球化学勘查方法和对尾矿、废石以及矿山酸性废水的治理的应用；探讨了美国在矿床的地球化学背景和基准值、矿床地质—环境模型应用方面的先进经验，并针对国情提出了一些其它防治矿山环境污染的地球化学方法。
矿产资源是人类生产资料和生活资料的基本来源之一，是发展国民经济的重要物质基础。在我国，95％的能源、80％以上的工业原材料和70％以上的农业生产资料都倚赖矿产开发供给，如冶金、化工、建材、农业、电力、轻工、核工业等企业的主要原材料或燃料均来源于此。与此同时，矿产资源的开发和利用也给我国带来了沉重的环境污染。
地球化学是研究地球的化学组成、化学作用和化学演化的科学，是地质学与化学、物理学相结合而产生和发展起来的边缘学科。地球化学主要研究地球和地质体元素及其同位素的组成，定量地测定元素及其同位素在地球各个部分如水圈、大气圈、生物圈、岩石圈和地质体中的分布；研究地球表面和内部及某些天体中进行的化学作用，揭示元素及其同位素的迁移、富集和分散规律；研究地球乃至天体的化学演化，即研究地球各个部分，如大气圈、水圈、地壳、地幔、地核中和各种岩类以及各种地质体中化学元素的平衡、旋回，在时间和空间上的变化规律。从地球化学的角度看，现代人生活在两个环境中。一是天然固有的地球化学环境，二是在自然环境上叠加了人类活动的地球化学环境。就化学元素在地球各圈层中的循环而论，不论在哪个环境中，元素的分离、迁移、富集、固定都服从地球化学规律。运用地球化学的原理和方法能够较好地阐明污染物在环境中的迁移规律，有助于评价环境质量、预测环境质量变化趋势；有助于了解自然环境对污染物质的同化能力和承载量，进而合理地利用自然净化能力；有助于制定环境质量标准和制定改造已被污染了的环境的措施。
1 地球化学勘查方法
勘查,是资源开发的第一步,同时也是环境污染防治的第一步。这就要求矿产资源从一开始的勘探以及规划和评价上就要给出准确的信息、做出正确的判断。
成矿物质在成矿过程中会在围岩中留下元素的迁移轨迹或在成矿以后通过分散在四周的岩石、土壤、水系沉淀物、水、植物及气体中形成各种类型的地球化学分散模式，根据这些元素的变化轨迹或分散模式可以去追踪和发现新的矿床，这就是地球化学勘查方法的理论原理。简而言之就是通过系统的测量天然物质的地球化学性质，发现各种类型的地球化学异常的一种调查方法。勘查地球化学就是利用已有的大量资料，系统地研究岩石圈、水圈、生物圈、气圈、土壤圈和技术圈（人类活动造成的特殊圈）中元素的地理分布，并探讨它们在宏观与微观尺度内的分配与迁移机制。近年来地球化学勘查的应用范围在逐步扩大，不仅可用于找矿，还可为解决环境污染、农业、畜牧业、地方病以及各种地质问题提供有价值的资料。
当前，矿山污染及矿产环境的综合评估是国际勘查地球化学界关注的主要问题。建立在地球化学勘查技术基础上的地球化学填图项目可使勘查地球化学家开始以全球眼光来看待环境污染。我国在过去20多年的区域化探全国扫描计划中，已经取得了全国600多万平方公里地区39种元素的3000多万的高质量的海量数据。目前，一些国家级别的科研项目都在有条不紊的进行着，这些项目将对我国东部环境资源预测、西部资源勘查做出极大贡献。还有一项很有意义的工作就是制作元素地球化学图集，若是制成全国76种元素的地球化学图集，将会为数字化地球、矿产资源评估、新类型资源与材料、环境监控、土地利用及生命演化提供极有价值的资料。随着技术的进步，地球化学勘查可作为探求找寻大型至巨型矿床的新理论、新方法；以元素在土壤圈、岩石圈、水圈、生物圈中的分布背景，实现对环境的监控；以元素在地球各圈中的迁移、聚集和分散为背景，结合基因工程与生物地球动力学，发展新的地球化学工程学、植物及微生物治理技术。地球化学方法在矿产勘查中的地位还应该从战术性向战略性转变，使地球化学方法真正成为指导矿产勘查部署的战略性武器。可以预见，地球化学勘查方法给矿山环境带来的益处将是全面的。
2 尾矿、废石和矿山酸性废水的处理
尾矿和废石是矿山的主要污染源，也是潜在的最大的“化学炸弹”。用地球化学的观点来看，这些“炸弹”和之前的“资源”都是地球化学异常。若将尾矿坝或废石堆看作是与出露矿体类似的异常源，那么在地表作用下，尾矿坝或废石堆中的杂质元素同样也会进入表生地球化学循环，在水系、土壤、植被或大气中发生迁移、富集。这种表生地球化学迁移形成异常的机理与矿致异常的形成机理是相似的。因此，矿床次生富集带的地球化学评价和次生晕、分散流、植物和大气（包括壤中气）等地球化学找矿评价方法可以用来研究采矿环境问题，并在此基础上建立特定采区的环境地球化学模式，对采矿环境污染作出客观的监测和评价，并为防止污染和治理环境提供可靠的地球化学依据。
尾矿在氧化条件下的变化和对环境造成的影响，是地球化学方法首先要解决的问题。在瑞典，研究人员对一废弃的铜矿山进行了尾矿氧化的动态地球化学作用追踪。重点对不同时段地下水和地表水的化学、尾矿砂的化学和矿物学进行了研究。结果发现尾矿池中硫化矿物的氧化进程使堆积的尾矿砂形成了清晰的化学分带，由上至下分别是氧化带、次生高集带、沉降带和未蚀变带。未被氧化的硅酸盐矿物中的Al、Mg、K等无明显变化，被氧化了的硫化矿物中的元素发生了明显的贫化（如Ni、Li、Co、Zn、Cu和Cd），且硫化矿物氧化和风化释放的金属基本滞留在尾砂中，仅有5％～10％的释放金属到达地表水系。由于大量未风化尾矿的吸附作用，Zn、Cd、Co和Ni有可能被次生结合到尾矿上，Cu则在氧化前缘紧下方形成明显富集带。在接近地下潜水面区域的氧化带，硫化物的氧化几乎完全停止。富集的铜有可能被部分溶解，并随地下水的运动迁移。氧化带渗漏出的酸水也会促使被吸附的Zn、Cd、Co和Ni的再度溶解，并被搬运走。因而在计划重新利用尾矿砂时，必须高度重视其潜在的危害。
硫化物的氧化会带来矿山酸性物质的排放问题，但在特定条件下也会形成次生富集，有时还会形成有潜在经济价值的次生矿物。与此同时，硫化物矿物的氧化作用还是矿山水文环境中酸的主要来源，特别是含铁硫化物。制约硫化物氧化作用的因素有很多，包括：1）与硫化物接触的溶液pH值；2）矿物的化学性质、表面积和形态特征；3）溶液中O2和Fe3＋的含量；4）温度；5）硫化物与共存矿物的相互作用；6）微生物的影响。所以，研究废石尾矿堆中的化学反应和矿物氧化过程必须综合考虑各种地球化学条件的制约。
在处理矿山酸性废水时，常用的有选矿流程技术改造、中和法、硫化法、沉淀浮选法、萃取电积法以及人工湿地法，但是无论哪一种方法都无法在防治上达到一个完整、统一的高度。运用地球化学，有助于更好地理解矿山酸性废水产生的过程，弥补各种方法的不足。值得深入研究的有：1）在充分掌握水文和地质环境的资料上，建立矿山酸性废水的水文地球化学演化模型并对目标进行模拟，这样既可以预测或是预防矿山酸性废水的发生，还可为治理酸性废水带来有针对性的指导；2）由于金属污染的危害严重，因此对于矿山酸性废水中的金属形态的多变、其转化过程和生态效应的复杂，有必要在掌握地球化学知识的基础上进行广泛、细致的研究。
3 国外的先进经验
随着人们对环境问题的担忧的升级，传统型资源学面临着生存危机。美国地质调查局的资源学家们及时改变思路，将研究领域由单纯的资源勘查与评价调整为资源环境一体化研究，这不但改善了自己的生存问题，还提出了解决环境问题的新思路。环境矿床学的研究任务主要为：1）与开采或受扰动的矿床环境作用相关的科学问题；2）为环境学家、公众和政府制定环境条例提供科学依据。资源学家进入环境领域，弥补了过去环境学家不了解矿床环境作用复杂性等的问题，而且资源学家了解矿床方面的所有问题，他们不仅可向其它学科、公众和政府普及这方面的知识，让矿山环境条例的制定更具科学性，为矿业生存营造更轻松的环境，而且可为矿床开采过程中的环境保护提供科学的指导性建议。具体工作有：
（1）矿床的地球化学背景和基准值研究
从1995年开始，美国地质调查局着手研究废弃矿山和在产矿山描述土壤、沉积物、水体和生物群的地球化学背景或地球化学基准值。主要工作有：1）主要停产和废弃矿床区域基准值的地球化学填图；2）不同类型未开发矿床的区域和局部化学元素的基准值调查，为评价采矿环境效应提供参照对比资料。地球化学背景是未受人类活动影响的自然物质中元素的浓度。与此相反，基准值则代表在人类活动扰动地区的元素浓度。地球化学基准值要求确定地球表面和近地表环境受人类活动，如城市化、农业、采矿、废弃物、工业污染或自然作用，如火山喷发、洪水、飓风和沙尘暴影响的化学元素的自然丰度和空间分布。人类活动导致的环境变化是叠加在不同的天然地球化学背景上，而背景区微量元素的丰度在很短范围内的变化可达几个数量级。地球化学背景和基准值的研究，为我们了解地球表面和近地表元素丰度提供了基础资料。这方面的知识将使科学家、土地管理者和环保专家更好地检测由人类活动或自然作用引起的环境变化，测量其影响强度，确定化学物质的来源。成果可用于研究以下方面的问题：1）根据自然地球化学变化，能够建立地质介质如土壤的环保“安全限”、“危害限”、“必须治理限”；2）土壤和农作物的农业地球化学基准值，建立潜在有害元素活动性和生物聚集模型；3）表生介质化学元素含量过高和过低对人和动物健康的影响。
（2）矿床地质—环境模型
矿床地质—环境模型（见下图）是一种能够表征某种类型矿床的环境性状的地质环境模型，可以较为系统地描述不同矿种、不同矿床类型的各种地质属性和特征对其附近水系沉积物、土壤、地表径流、地下水和空气等环境质量的影响，同时可介绍金属元素的迁移、扩散对包括人类在内的各种生物的影响，分析矿床地质—环境模型要素可为解决重要的环境问题提供重要依据，是预测矿床和矿产开发会造成的环境影响的基本手段。这类模型以与矿床有关的自然作用和人为影响的描述性和经验性研究成果为基础。某一类型矿床的地质环境模型不仅能够表征采矿前的岩石、土壤、沉积物、水体的环境性状，而且还能够描述和预测该类矿床开采及其金属加工可能造成的环境影响，如坑道的特征和规模、废石特征和数量以及他们与环境间的相互作用。
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该模型将地质属性纳入环境概念的框架中，可以借助地理学的理论很好地阐释环境结果，起到很好的预测和预防效果。受这个启发，将思路延伸至地理科学的另外两门重要分支—地质灾害学和地理资源学，结合以往矿山开发活动带来的经验教训，开发出两个并列的或者附属的模型。矿山活动带来的地质灾害以采矿爆破诱发地震、崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂缝、水土流失、土地沙化、特殊技术层自燃、尾矿库溃坝、瓦斯爆炸等作为要素；矿山活动带来的资源毁损以土地资源破坏、矿产资源自身破坏、植被资源破坏、生物多样性破坏、地质遗迹破坏、风景景观破坏、人文景观破坏、矿产开发自身资源消耗等作为要素，同样借助环境概念框架构建模型，可以起到类似的预测预防效果。如果借助资源科学中的资源经济学手段，还可构建一个以资源开发的经济分析，以利润—成本研究、风险评价、不确定性、环境成本的外在化和资源价值的无形化、开矿床发的空间效应等为中心规划、决策型的模型。整合几个模型，一个高度综合的人口—资源—环境—发展的模型就得以构建了。
4 结语
矿山与地表水环境、环境中的重金属、环境中的有机污染物、土壤环境地球化学、痕量气体及生物地球化学、环境地球化学与健康等地球化学的重要分支无疑都是矿山环境污染防治的良好帮手。地球化学支持还具备一个特别的意义，它还是矿山实现清洁生产的一项基础工作。可以相信，矿山的环境污染问题将会逐渐的倚赖地球化学。在矿产资源的勘查以及规划与评价、尾矿和废石处理、酸性废水的处理等方面，国内在地球化学方法上已经有了一定的研究和应用，在不断的吸取和借鉴国外的教训和先进经验的同时，地球化学在以下一些方面也会大有作为：
（1）金属的释放迁移规律及环境效应；
（2）土壤及植物的环境地球化学研究以及退役矿山的生态恢复；
（3）特殊矿床环境效应研究；
（4）矿山地质以及环境灾害预测；
（5）矿集区流域性矿床环境综合研究；
（6）结合资源、环境、经济的矿产开发综合模型等。
参考文献：
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