李 龍

(中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心陜西總隊，西安 710003)

尾礦庫是貯存金屬和非金屬礦山尾礦或廢渣的場所，是礦產(chǎn)資源利用過程中的一個重要工業(yè)設施[1]。研究區(qū)位于陜西省，該金礦尾礦庫1992年建成投入運行，設計庫容為200×104m3，為三級尾礦庫，服役期滿后，于2012年9月底開始實施閉庫，目前已閉庫。尾礦庫的服務年限和庫容量達到一定時，將會是重大危險源和環(huán)境污染源，重金屬因其持續(xù)性和毒性，顯得尤為危險。金礦尾礦渣中主要污染物有銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、汞(Hg)和砷(As)等重金屬，這些重金屬能從土壤遷移到其它生態(tài)系統(tǒng)組成部分中，如地下水、植物等，并通過飲用水和食物鏈影響人類健康。重金屬污染評價方法種類較為繁多，從地質(zhì)環(huán)境角度來看，應用于重金屬污染評價的方法主要有單因子指數(shù)法、地積累指數(shù)法、內(nèi)梅羅指數(shù)法等[2-4]。地積累指數(shù)不僅反映了元素的自然變化特征，而且可以判別人為活動對環(huán)境的影響，是區(qū)分人為活動的重要參數(shù)[5-7]。因此，本文采用地積累指數(shù)法對尾礦渣中重金屬銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、汞(Hg)和砷(As)的含量進行評價，以期為尾礦庫的土地復墾提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)背景

研究區(qū)為陜西省某金礦尾礦庫，南北長約800多米，東西最長處約200余米。該礦區(qū)主要出露地層有太古界太華群中-高級變質(zhì)巖系和新生界第四系黃土，區(qū)內(nèi)巖漿活動較為發(fā)育，具有期次多、巖性復雜等特點。按時代可分為太古代、元古代、加里東-華力西期、印支期、燕山早期等。研究區(qū)域平均海拔1200 m，屬于暖溫帶南緣季風性濕潤氣候，年平均氣溫11.5℃，年均日照2045 h，年均無霜期195 d，年均降雨量 764.11 mm，年均蒸發(fā)量1033.4 mm。庫區(qū)排水系統(tǒng)基本完備，底端壩面以石塊加固。尾礦庫區(qū)周圍森林茂密，主要有柏、松苦木、槭及竹亞等科。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集與處理

使用GPS衛(wèi)星定位儀進行定位布點采樣。尾礦庫正面示意圖如圖1，尾礦庫從北向南呈梯田狀分布，北寬南窄，坡度約16°，尾礦庫共分為六層，我們將南部最高層稱為第一層，向下依次分層，北部最低層稱為第六層。依據(jù)規(guī)范采用對角線布點法進行布點，圍繞每個采樣點布設中心點1個及四周4個分點，采樣深度20 cm，共取5個分點的礦渣樣品，組成一個約1 kg干重的礦渣混合樣品，然后用無菌的聚乙烯袋將采集的樣品裝好，并貼上標注有采樣序號和日期的標簽。將采集好的礦渣樣品運回實驗室，并置于通風、避光、陰涼、干燥的地方，在室溫條件下將礦渣樣品自然風干，剔除碎石塊和植物根莖。風干樣品粗磨后用瑪瑙研缽細磨，過100目尼龍篩，裝瓶貼簽，用于分析土壤重金屬含量。

圖1 尾礦庫正面示意圖

1.2.2 樣品分析

尾礦渣的重金屬測定：按照國標上測定重金屬的方法先對土壤樣品進行消解，然后將經(jīng)過消解后的土樣，利用火焰原子吸收分光光度法、氫化物發(fā)生-原子熒光法、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定尾礦渣中重金屬銅(Cu)、鉛(Pb)、鋅(Zn)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、鎘(Cd)、汞(Hg)和砷(As)的含量[8]。

1.2.3 評價方法

地積累指數(shù)法(Igeo)是由德國海德堡大學沉積物研究所的科學家Muller在1969年提出的一種研究水環(huán)境中重金屬污染的一個定量指標[9]。利用地積累指數(shù)法評價尾礦渣中重金屬污染狀況及程度較為科學和直觀。因為該方法不但考慮了人為污染因素和環(huán)境地球化學對背景值的影響，還考慮了由于自然成巖作用可能引起的背景值的變動的影響。地積累指數(shù)法常被用來分析重金屬污染的評價，一共分為7級，見表1，計算的公式為：

式中： Cn為樣品中元素n的濃度，BEn為土壤環(huán)境質(zhì)量標準中二級標準值，常量1.5是轉(zhuǎn)換系數(shù)(為消除各地巖石差異可能引起背景值的變動)。

2 結(jié)果與分析

2.1 尾礦庫重金屬污染地積累指數(shù)評價

根據(jù)計算，該尾礦庫8種重金屬元素的地積累指數(shù)及其分級情況見表2?？梢钥闯鲇藐兾魇⊥寥乐亟饘俦尘爸岛蛧冶尘爸涤嬎愕慕Y(jié)果有所不同，這主要是因為各種元素陜西省背景值和國家背景值差異所致。8種重金屬元素的陜西省背景值和國家背景值見表3。

表2 8種重金屬元素按陜西省及國家背景值計算地積累指數(shù)及其分級情況

表3 8種重金屬元素的陜西省土壤背景值和國家土壤背景值 單位：mg/kg

從應用陜西省土壤重金屬背景值計算的地積累指數(shù)結(jié)果來看，該尾礦庫的礦渣中Pb達到了極嚴重污染，Cu達到了中度-強度污染，Hg達到了中度污染，Cd達到了輕度-中度污染，其他重金屬元素的含量均低于陜西省土壤重金屬含量背景值。應用國家背景值進行判斷時，Cu達到了中度污染，Hg達到了輕度-中度污染，在對其他重金屬元素的污染程度進行判斷時，判斷結(jié)果與應用陜西省背景值進行判斷的結(jié)果基本一致。因此，可以看出尾礦庫的主要污染重金屬元素為鉛(Pb)、銅(Cu)、汞(Hg)和鎘(Cd)。

2.2 尾礦庫重金屬元素地積累指數(shù)分級頻率分布

污染頻率是描述污染特征的一種統(tǒng)計分析方法，表示特定區(qū)域內(nèi)，污染因子出現(xiàn)的概率，用以推測該區(qū)域受到污染程度的大小，污染頻率為百分數(shù)，所以污染頻率之和為100%。從8種重金屬元素的地積累指數(shù)分級頻率計算的結(jié)果來看(表4)，Zn、Ni和As三種元素的無污染頻率達到了100%，這說明尾礦渣中這三種元素的含量均低于陜西省和國家背景值；其次是Cr，陜西省背景值下無污染頻率達到了90.9%，國家背景值下無污染頻率達到了81.8%。Cd的輕污染-中度污染頻率最高，Cu的中度污染頻率最高，Pb的污染頻率主要集中在強污染以上，Hg的污染頻率分布比較復雜，主要原因是Hg含量陜西省土壤背景值與國家背景值差異比較大，Hg在強污染以下均有分布，污染頻率主要集中在輕度污染到強度污染，這與地積累指數(shù)的整體評價結(jié)果一致。

表4 尾礦庫8種重金屬地積累指數(shù)分級頻率分布

2.3 尾礦庫6個層次重金屬元素地積累指數(shù)比較研究

尾礦庫6個層次8種重金屬地積累指數(shù)及其分級情況見表5。尾礦庫的礦渣中Pb污染最為嚴重，除第三層和第五層外，其他層礦渣中的Pb都處于極嚴重污染程度。對于第一層，Cu污染程度也比較高，達到了中度污染-強度污染程度，另外Cr和Cd也有輕微污染；第二層與第一層的污染程度基本一致，只是Hg污染達到了中度以上程度；第三層的Pb污染程度為強污染-極嚴重污染，Cu、Cd和Hg污染程度也達到了一定級別；第四層、第五層和第六層的污染情況類似，除受到Pb污染比較嚴重外，還受到Cu、Cd和Hg的污染。

表5 尾礦庫6個層次8種重金屬地積累指數(shù)及其分級情況

3 分析與討論

土壤環(huán)境質(zhì)量評價方法的選擇對土壤污染的評價結(jié)果至關(guān)重要，不同的評價方法可能反映出不同的評價結(jié)果，而地積累指數(shù)法不僅考慮了自然地質(zhì)過程造成的背景值的影響，而且也充分注意了人為活動對重金屬污染的影響，因此，該指數(shù)不僅反映了重金屬分布的自然變化特征，而且可以判別人為活動對環(huán)境的影響，是區(qū)分人為活動影響的重要參數(shù)。由于陜西省的土壤背景值略小于國家土壤背景值，所以應用陜西省土壤背景值計算的地積累指數(shù)判斷出的礦渣污染程度略大于應用國家土壤背景值計算判斷出的結(jié)果，尾礦庫礦渣的鉛(Pb)污染極嚴重，另外銅(Cu)、汞(Hg)和鎘(Cd)也有不同程度的污染，鋅(Zn)、鎳(Ni)和砷(As)三種元素的無污染頻率達到了100%。由于尾礦庫6個層次的礦渣堆積時間有所不同，各個層次汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)三種重金屬的地積累指數(shù)有所不同。

4 結(jié)論

(1)尾礦庫礦渣的鉛(Pb)污染極嚴重，另外銅(Cu)、汞(Hg)和鎘(Cd)也有不同程度的污染，鋅(Zn)、鎳(Ni)和砷(As)三種元素的無污染頻率達到了100%，鉻(Cr)的無污染頻率也達到了80%以上。鉛(Pb)的污染頻率主要集中在強污染以上，鎘(Cd)和銅(Cu)的中度污染頻率較高。

(2)尾礦庫6個層次8種重金屬地積累指數(shù)略有不同，第二層和第六層的汞(Hg)污染達到了中度以上級別，第二層的鎘(Cd)污染達到了中度級別，第三層和第五層的鉛(Pb)污染程度低于其它層，但是都達到了強污染程度，其他元素的地積累指數(shù)在各層基本保持一致。

(3)通過地積累指數(shù)法對尾礦庫的重金屬污染情況進行分析，結(jié)果表明該尾礦庫的重金屬污染物主要是鉛(Pb)、鎘(Cd)、銅(Cu)、汞(Hg)，鋅(Zn)、鎳(Ni)、鉻(Cr)、和砷(As)四種污染物不會對當?shù)丨h(huán)境構(gòu)成污染。