矿山开采对辽宁柴河流域生态环境的影响_马力.pdf

第 26 卷第 4 期 2007 年 8 月 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol． 26，No． 4 August， 2007 文章编号 02545357 2007 04029305 矿山开采对辽宁柴河流域生态环境的影响 马力，杨晓波，边维勇，谢忠，佟成冶 辽宁地质矿产调查院，辽宁 沈阳110032 摘要 通过辽宁铁岭地区柴河流域的多介质采样研究， 系统阐述了铅锌矿开采对流域地球 化学特征和生态地球化学特征的改变， 揭示了元素迁移转化规律， 以及对矿区居民的影响。矿山 开采造成其下游土壤、 水、 水系沉积物中 Ca、 Mg、 Cd、 Hg、 Pb、 Zn 和 S 等元素的高度积累， 受河流 沉积作用影响而表现出纵向和垂向上的有规律变化。土壤、 水、 水系沉积物等介质中的重金属积 累通过河流活动对生态环境构成影响， 造成不同种植区域农作物籽实中含量的差异性。重金属 元素通过进食和饮水等生理活动进入人体， 在头发中聚集， 使矿区居民头发中 Cd 等重金属含量 高于辽宁其他地区。 关键词 地球化学特征; 重金属积累; 土壤; 水; 水系沉积物; 农作物; 柴河流域; 铅锌矿 中图分类号 P596; X508文献标识码 A 收稿日期 2007- 02- 28; 修订日期 2007- 04- 20 基金项目 国土资源地质大调查 辽宁省辽河流域农业地质调查项目资助 2004142000004 作者简介 马力 1970 ， 男， 吉林九台市人， 博士， 现从事环境地球化学研究。E- mail mali119 sina． com。 The Influence of Mine Exploitation on Ecological Environment of Chaihe Drainage Area of Liaoning Province MA Li，YANG Xiao- bo，BIAN Wei- yong，XIE Zhong，TONG Cheng- ye Liaoning Institute of Geological Survey，Shenyang110032，China Abstract Based on the analytical data of the samples collected from Chaihe Drainage Area of Liaoning Province， the influence of mine exploitation on ecological environment in this area was studied． The results from the study show that due to the mine exploitation of lead- zinc mineral in the upper stream area of Chaihe river，the elements of Ca，Mg，Cd，Hg，Pb，Zn and S are highly accumulated in soils and steam sediments in the downstream area． Furthermore，some heavy metal elements selectively enter into the seeds and fruits of the crops from the soil and water． And the heavy metal elements，in turn，enter into the human body through the daily diet and accumulated in human hair． The analytical date from the human hair samples from mine areas residents show that the contents for some heavy metal elements，such as Cd，are much higher than those from other areas in Liaoning Province． Key words geochemical characteristics; heavy element accumulation; soil; water; stream sediment; crop; Chaihe Drainage Area; lead- zinc mineral 矿山开采无疑会对周边的生态环境产生影响， 多数情况下人们比较注重对山体和植被等景观条 件破坏的研究， 而对地球化学环境的改变则一直持 漠视的态度 ［1 ］。国外对于小流域的研究更侧重于 自然状态下元素的风化规律 ［2 －3 ］， 国内针对表生状 态下元素迁移也有论述 ［4 －9 ］， 关于人为活动对环境 影响则涉及较少。本文通过对辽宁铁岭地区柴河 流域的土壤、 水、 水系沉积物、 农作物、 人发等多介 质采样研究， 系统阐述了铅锌矿开采对流域地球化 学特征和生态地球化学特征的改变， 指出影响范围 392 ChaoXing 和特征， 揭示元素迁移转化规律， 以及对矿区居民 的影响。这项工作对深入认识人类活动对环境的 影响， 及流域环境治理、 农业规划、 减灾防病等工作 将提供极有力的技术支持。 1工作区概况 1． 1柴河概况 柴河是辽河的主要支流之一， 发源于抚顺市清 原满族自治县， 河流全长142． 8 km， 流域面积1501 km2， 贯穿铁岭市区， 于铁岭城北汇入辽河， 是辽北 地区群众饮水、 灌溉的主要水源。柴河水库位于柴 河下游， 蓄水量在 2 亿立方米以上， 从柴河水库到 汇入辽河流经铁岭 12 km， 年流量约达 12 亿立方 米， 是铁岭市人民饮水的最主要水源， 水质优劣直 接影响流域内农业生产安全和人民的生活。 1． 2柴河铅锌矿 柴河铅锌矿 关门山铅锌矿 是一个大型的铅 锌矿床， 位于柴河流域上游。20 世纪 50 年代开始 大规模开采， 到 70 年代后期， 矿床储量已消耗殆 尽， 1989 年正式闭坑。柴河铅锌矿矿石主要成分 为闪锌矿、 方铅矿和黄铁矿， 赋矿围岩为长城系高 于庄组灰岩和白云质灰岩。 近年来， 柴河铅锌矿仍然存在残留矿体和支撑 用矿柱等小规模开采活动， 坑道涌水日夜不停地直 接排入柴河， 且多年开采和冶炼产生的尾矿和废渣 露天堆放在矿山附近的山凹处， 离河道不足100 m 图 1 ， 对柴河水质造成很大的危害。 图 1柴河地区地理略图及采样位置图 Fig． 1The map of Chaihe River area and sampling positions 2样品采集、 加工和测试 采样工作于 2005 年 9 月间和 2006 年 7 月分 两次进行。第一次系统采集土壤、 地下水、 坑道排 水、 农作物和人发样品; 第二次主要采集河水和水 系沉积物样品 图 1 。 2． 1土壤和植物样采集与加工 以柴河铅锌矿为工作对象， 在不同河段布置垂 直河道方向的剖面， 采集从河岸至河道的土壤样 品， 共计 56 个， 部分土壤样品对应采集其上种植的 玉米和水稻籽实。土壤装袋阴干后， 筛取粒度小于 0． 84 mm 20 目 的样品送样; 选取 5 件水稻去壳， 10 件玉米剥粒， 制成分析样品。 2． 2水样和水系沉积物采集 从上游至下游按一定距离采集河水样品 25 件， 对应采集水系沉积物 25 件。在坑道排水口采集坑 道涌水2 件， 在附近采集地下水 居民饮用井水 2 件和河水样品2 件。水样采集按采样规范操作。 2． 3人发样品采集 选取常年居住在尾矿坝附近猴石村的原矿山 职工， 年龄 50 ～60 岁， 男女各半， 采集共 8 件人发 样品。头发主要选取后枕部自然生长、 未经烫染的 头发， 重量为 2 ～ 5 g。发样先经 1 的洗涤剂清 洗， 除去油脂等附着物， 再用蒸馏水浸泡， 冲洗干 净， 于60℃烘干。 2． 4样品分析测试 样品分析测试工作由辽宁地质勘察局分析测试 中心完成。测试过程中通过使用中国地质调查局提 供的标准样品、 送样者预先插入的重复样品和测试者 自身插入的密码样检验分析测试质量。结果经中国 地质调查局组织的专家团检查和验收， 评定为优秀。 492 第 4 期 岩矿测试 http ∥ykcs． i3t． com． cn/ 2007 年 ChaoXing 3柴河生态环境特征 3． 1柴河流域土壤地球化学特征 柴河地区土壤多数元素含量与全国土壤平均值 和流域平均值相比， 都在正常范围内。突出特点是 Cd、 Hg、 Pb、 Zn 和 S 等元素在柴河流域部分土壤样 品中含量极高， 变化范围大 表 1 。其中， Cd 最高 含量是中国土壤平均值的2400 倍; Pb 和 Zn 的含量 也非常高， 分别达到 187 和 262 倍。柴河流域土壤 中 S 的含量水平虽低于 Cd、 Pb 和 Zn， 平均含量仍高 达中国土壤平均值的4．39 倍， 最高为83 倍。 表 1柴河流域土壤重金属元素含量统计 Table 1Statistics of heavy element contents in soils from Chaihe River basin 项目 wB/ μgg －1 CdHgPbZnMgOCaOS 柴河流域土壤 含量平均值 16．2540．2702809562．192．56659 柴河流域土壤 含量最小值 0．1500．02017290．470．5975 柴河流域土壤 含量最大值 216．0000．940430017800 11．18 17．4712493 中国土壤 平均值 0．0900．04023681．803．20150 辽河流域土壤 含量平均值 0．1800．05026591．261．64255 柴河与中国土 壤含量比值 180．606．7512．1714．05 1．220．804．39 柴河与辽河流域 土壤含量比值 90．305．4010．5916．06 1．741．562．58 由于该地区风化的母岩主要是各类碳酸岩， CaO 和 MgO 在土壤中含量也很高， 与辽河流域土壤平均 值相比为1．56 和1．74 倍， 最高值达到11 和9 倍。 自上游至下游， 上述元素含量在河床中土壤表现 出明显的变化规律 图2 。上游 P01 和 P02 剖面 河 床中土壤 Cd 等元素含量相对较低。上游河床土壤的 风化母岩是碳酸岩， 邻近矿床， Pb、 Zn 等元素的背景值 高， 造成土壤元素含量相应较高。至 P03 剖面土壤中 各相应元素含量激增， Cd 由全国土壤背景值的 6 ～7 倍， 越升至560 倍; Hg、 Pb、 Zn 也高达十几倍至几十倍; S、 CaO 和 MgO 的升幅略小。P04 和 P05 剖面土壤中 仍维持很高的含量水平， 到 P06 开始急剧下降， P07 和 P08 恢复至正常水平 图2 。 在矿山下游各剖面中 Cd 等元素含量亦呈有规 律变化， 主要表现为含量值由两侧河岸至河床中央 连续升高， 其中 P05 剖面特征尤为明显。P03 与 P05 剖面不同， 河岸一侧是尾矿坝， 受是尾矿渣堆放的 影响， 元素含量由矿坝向对岸持续降低 图3 。 图 2河床中土壤元素含量空间变化 Fig． 2Spatial variation of element contents in soils from stream bed 以全国土壤平均值标准化［8 ］。 图 3 P03 和 P05 剖面土壤元素含量变化 Fig． 3Spatial variation of element contents in soils from P03 and P05 profiles 以全国土壤平均值标准化［8 ］。 3． 2柴河流域水地球化学特征 地表水含量没有可以利用的统一背景值， 本次使 用柴河干流水体含量作为参考值。柴河流域水体中 阳离子含量普遍较低， 含量较高的有 Cd、 Pb、 Zn、 Ca 和 Mg， 分别为参考值的1．18、 1．33、 1．44、 1．05和1．52 倍。 干流河水中 Cd、 Ca 和 Mg 离子的变化相对平 缓， 上游含量较低， 于铅锌矿所在支流汇入后有所 升高， 然后逐渐降低。Pb 和 Zn 含量变化虽然呈跳 跃状态， 但总体规律与 Cd、 Ca 和 Mg 离子变化一 致。铅锌矿所在支流中除 Pb 以外各离子含量远远 高出干流水体 图 4 。 3． 3柴河流域水系沉积物地球化学特征 柴河流域水系沉积物中 Cd、 Hg、 Pb、 Zn 和 S 的 含量较高 表 2 ， 由上游至下游与土壤和水体中相 应元素的空间变化规律均为相似， 都表现为由低至 高， 再由高至低的变化规律 图 5 。 592 第 4 期马力等 矿山开采对辽宁柴河流域生态环境的影响第 26 卷 ChaoXing 图 4柴河河水中离子含量空间变化 Fig． 4Spatial variation of ion contents in water from Chaihe River 以辽河水体平均含量标准化。 图 5柴河流域水系沉积物元素含量空间变化 Fig． 5Spatial variation of element contents in sediments from Chaihe River basin 以全国水系沉积物平均值标准化［8 ］。 表 2柴河流域水系沉积物重金属元素含量统计 Table 2Statistics of heavy element contents in sediments from Chaihe River basin 项目 wB/ μgg －1 CdHgPbZnSMgOCaO 柴河水系沉积物 含量平均值 1．0670．190622852671．822．42 柴河水系沉积物 含量最小值 0．0970．0221433940．860．95 柴河水系沉积物 含量最大值 15．2002．02065939474754．566．00 中国水系沉积物 平均值 0．1400．04225681．801．80 柴河与中国水系 沉积物含量比值 7．624．522．484．201．011．35 3． 4柴河流域农作物和人发元素含量特征 农作物中元素的含量尚无被广泛接受的参考 值， 各文献中提供的数值因样品制备方法、 分析方 法以及实验室的不同而存在较大差异。考虑这些 因素， 本次研究使用辽宁北部地区 铁岭沈阳 的含量值作为参考值， 以便了解柴河地区农作物的 元素含量特征。通过比较发现， 柴河流域水稻中 Cd 和 Pb 的含量明显高于辽宁北部其他地区， 玉米 与参考值相比略高 表 3 。 表 3柴河流域农作物重金属元素含量统计 Table 3Statistics of heavy element content in crops from Chaihe River basin 样品项目 重金属元素 CdHgPb 柴河 水稻 平均含量 珔 wB/ μgg －1 2992．140．37 参考值w参考值/ μgg －1 1175．950．12 比值 珔 wB/w参考值2．560．363．04 柴河 玉米 平均含量 珔 wB/ μgg －1 2327．710．14 参考值w参考值/ μgg －1 2084．920．11 比值 珔 wB/w参考值1．121．571．20 农作物中 Cd 等重金属元素含量的空间变化 与土壤具有高度的一致性。在沿河流方向的纵向 上和垂直河流流向的垂向上， 籽实中 Cd 等重金属 含量都呈有规律变化。纵向上， 上游水稻籽实中 Cd 等重金属含量高于下游。P05 剖面的两个水稻 籽实中 Cd 平均含量为 556 μg/g， 下游 P08 剖面三 个籽实中平均含量为 128 μg/g， 二者比值为 4． 34， 相差悬殊; Hg 和 Pb 平均含量比值为1． 21 和3． 48。 P01 和 P02 剖面在河床处种植玉米的籽实中 Cd 含 量 195 μg/g 和127 μg/g 较低， P03 536 μg/g 剖 面骤升， P04 325 μg/g 开始降低， P06 和 P07 173 和 139 μg/g 恢复正常含量水平。垂向上， 河床中 种植农作物籽实中 Cd 等重金属含量要高于山坡 处， P03 剖面河床处采集的玉米籽实中 Cd 含量是 山坡处的 3． 02 倍。 人发样品中元素含量使用辽河流域人发中元 素含量平均值作为参考值。经比较发现矿区居民 人发样品中 Cd 和 Pb 的含量极高， 分别达到参考 值的 18． 07 和 21． 72 倍。 4讨论 4． 1矿山对周边环境的影响范围和方式 由于尾矿坝距离河道非常近， 尾矿渣在雨季受 到雨水的冲刷， 顺排水渠直接进入下方河道中， 构 692 第 4 期 岩矿测试 http ∥ykcs． i3t． com． cn/ 2007 年 ChaoXing 成对下游土壤、 水系沉积物、 农作物和居民的影响。 Ca、 Mg、 Cd、 Hg、 Pb、 Zn 和 S 等元素有着不同原生或 内生状态， 在柴河铅锌矿周边区域内， Ca、 Mg 主要 以碳酸岩形式存在， 而 Cd、 Hg、 Pb、 Zn 和 S 则主要 以硫化物形式存在。 矿山开采和冶炼使矿石和围岩破碎暴露， 进而 由水流作用进入河道中， 沉积在河床上。在短距离 内受河流作用以机械方式向下游迁移， 造成矿山附 近河段中土壤和水系沉积物中的含量远远高出其他 区域， 随化学风化的进行， 原生矿物被迅速分解， 元 素以离子状态进入水中被迁移， 使土壤和水系沉积 物中含量骤减。柴河流域为低山 － 丘陵区， 河道窄， 河流沉积作用只限于河道内， 对两岸山坡不构成影 响， 使两岸土壤中重金属元素含量低于河道处。 坑道涌水中 Cd、 Pb 和 Zn 等离子含量远高于 柴河各区段水体， 造成排入处河水中相应离子含量 增高， 在下游由于其他支流的汇入而被稀释到正常 含量水平。坑道涌水也导致地下水中重金属离子 含量增高。 4． 2重金属元素对生态环境的影响 矿山开采造成土壤中 Cd 等重金属积累直接 影响到生态环境。矿区周边及其下游河床土壤上 种植的农作物中重金属含量远超过铁岭其他地区。 纵向和垂向上的变化特征反映出矿山开采带来的 生态环境影响十分明显， 其中， Cd 的生态影响最为 显著， 水稻、 玉米籽实中的含量与其生长的立地土 壤含量呈现明显正相关， 高含量 Cd 的土壤造成籽 实中的高度积累 图 6 。 图 6农作物籽实与立地土壤中 Cd 含量散点图 Fig． 6Scatter spot graph of Cd content in crop grains vs growth soils 通过水稻、 玉米和蔬菜等农作物的进食和地下 水的饮用等途径， Cd等重金属进入到人体， 积聚在 头发中， 因此矿山附近居民头发中重金属含量极高， Cd 和 Hg 含量接近或略超过中国上限， Pb 含量是中 国上限的2．3 ～3．0 倍， 远高于辽宁其他地区。 5结语 1 矿山开采造成其下游土壤、 水系沉积物中 Ca、 Mg、 Cd、 Hg、 Pb、 Zn 和 S 等元素的高度积累， 受 河流沉积作用影响而表现出纵向和垂向上的有规 律变化。 2 Ca、 Mg、 Cd、 Hg、 Pb、 Zn 和 S 等元素在土壤 和水系沉积物中的迁移， 在上游以机械形式为主， 至中游后主要受化学风化制约。 3 土壤、 水系沉积物和水等介质中的重金属 通过河流活动对生态环境构成影响， 造成不同种植 区域内农作物籽实中的含量差异性。 4 重金属元素通过进食和饮水等生理活动 进入人体， 在头发中聚集， 使矿区居民头发中 Cd 等重金属含量高于辽宁其他地区。 6参考文献 ［ 1］ 侯俊华， 霍进臣． 辽宁采矿业对环境的影响与水土 流失防治对策［ J］ ． 中国水土保持， 2005 4 44 －45． ［ 2］Aubert D，Still P，Probst A． REE Fractionation during Granite Weathering and Removal by Waters and Suspended Loads Sr and Nd Isotopic Evidence［J］ ． Geochimica et Cosmochimica Acta， 2001， 65 3 387 －406． ［ 3］ Drever J I，Clow D W． Weathering Rates in Catchments ［ J］ ． Reviews in Mineralogy and Geochemistry， 1995， 31 1 463 －483． ［ 4］ 马力， 郝立波， 潘军， 等． 大兴安岭阿龙山地区流纹岩 风化的地球化学特征［ J］ ． 吉林大学学报 地球科学 版， 2003， 33 3 296 －299， 314． ［ 5］ 郝立波， 马力， 赵海滨． 岩石风化成土过程中元素均 一化作用及机理 以大兴安岭北部火山岩区为例 ［ J］ ． 地球化学， 2004， 33 2 131 －138． ［ 6］葛晓立， 刘晓端， 潘小川， 等． 密云水库水体的地球 化学特征［ J］ ． 岩矿测试， 2003， 22 1 44 －48． ［ 7］ 刘晓端， 徐清， 刘浏， 等． 密云水库沉积物 － 水界面磷 的地 球 化 学 作 用［J］ ． 岩 矿 测 试， 2004， 23 4 246 －250． ［ 8］ 陈红军， 徐怀曽， 冯流， 等． 永定河沉积物中磷的存在 形态及其指示意义［J］ ． 岩矿测试， 2005， 24 3 176 －180． ［ 9］鄢明才， 迟清华． 中国东部地壳与岩石化学组成 ［ M］ ． 北京 科学出版社， 1997 134 －136． 792 第 4 期马力等 矿山开采对辽宁柴河流域生态环境的影响第 26 卷 ChaoXing