安徽銅陵某廢棄金屬礦山礦化圍巖酸性水污染分析

單士鋒

(安徽省地質礦產勘查局321地質隊，安徽 銅陵 244033)

0 前言

安徽省礦產資源豐富，探明黑色金屬、有色金屬、貴金屬、硫鐵礦等礦產地400余處[1]，多為富硫礦產，礦石中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As等重金屬元素豐度較高。礦山開采使得硫化礦物暴露于外界大氣中，發生水氧反應形成酸性礦山廢水(Acid Mine Drainage，AMD)[2]。研究表明，礦山酸性廢水的形成與金屬硫化礦物關系密切，硫化鐵礦物的氧化過程就是礦山酸性水的形成過程[3]。在硫化鐵的氧化過程中，形成硫酸、硫酸鐵，它們又進一步使礦石中的金屬生成硫酸鹽類，從而生成含多種金屬離子的酸性廢水[4]。

近年來國內外學者著手源頭控制礦山酸性水產生[5]，采用物理包封法、硫化礦物鈍化處理法等直接控制污染源[6]，因此，精準識別污染源是礦山酸性水治理的首要前提。作者在礦山環境調查中發現酸性廢水污染源除遺留礦體及剝離含礦廢石外，礦化圍巖也是礦山酸性廢水重要污染源，且易被忽視[7]。

1 礦山概況

該礦山為金、鉛鋅多金屬礦山，始建于1976年，采用露天和井下聯合開采，至2008年礦山關停。礦山形成一個露采坑及+115 m、+95 m兩個采礦巷道。礦山礦化圍巖裸露地表形成巖質邊坡，地下采空區未充填，地表及巷道內長期滲流酸性廢水，礦山生態環境破壞嚴重。

礦區出露泥盆系至二疊系地層，地層巖性如下：

泥盆系上統五通組(D3w)：巖性為灰白、淺灰色綠色厚～巨厚層石英巖狀砂巖，夾灰紫、灰黃色石英砂巖、粉砂巖、粉砂質頁巖互層。石炭系下統高驪山組(C1g)：巖性為層狀細砂巖、粉砂巖及粉砂質泥巖、炭質頁巖互層、夾赤鐵礦質頁巖，下部為細粒石英砂巖、粉砂巖和粉砂質頁巖，是礦體主要賦礦層位。

中、上統黃龍與船山組(C2+3)：巖性為灰白色巨厚層狀粗粉晶白云巖。

二疊系下統棲霞組(P1q)：下段巖性為灰-灰黑色厚層狀泥晶-細粉晶灰巖，上段巖性為深灰色厚層泥晶-細粉晶灰巖及條帶狀細粉晶灰巖組成，夾硅質巖。

礦區內斷裂構造發育，以F4斷層構造為主，F4為逆沖斷層，呈倒“S”形自北北西轉為近東西橫切礦區中部，斷面隨走向變化由向北東東變為向北西西再轉向北北東傾斜，傾角30°～55°，斷層下盤為五通組或高驪山組，中上石炭統或棲霞組逆沖其上。斷層構造帶中地層破碎，發育張性裂隙，是區內主要導礦容礦構造。

礦區內查明硫鐵礦礦體2個，氧化鉛鋅礦體3個，均賦存于下石炭統高驪山組地層中，受高驪山組地層控制。頂板為高驪山組泥巖、炭質頁巖，底板為粉砂巖、砂頁巖或細砂巖，局部與五通組石英砂巖直接接觸(見圖1)。

圖1 礦區地質剖面圖

2 礦化圍巖特征

2.1 巖性特征

石炭系下統高驪山組為賦礦層位，也是礦體頂底板圍巖。受F4斷層影響，普遍發育黃鐵礦細脈及裂隙構造，以一組近直立張性裂隙最為發育，一般傾向北，傾角70°～80°，切穿層理面(見圖2)，多充填黃鐵礦細脈，脈寬一般1～100 mm不等，局部裂隙貫通，形成裂隙帶，帶寬可達30 cm。

區內裂隙發育有另一組裂隙構造，裂隙傾向西，傾角30°左右，該組裂隙一般緊閉，裂隙面多充填鐵質薄膜(見圖3)。

2.2 礦化特征

圍巖體內礦化以硫鐵礦礦化為主，硫鐵礦呈細脈狀分布于高驪山粉砂巖內，主要礦石礦物有黃鐵礦、黃銅礦、磁黃鐵礦、方鉛礦、閃鋅礦、毒砂等；脈石礦物有方解石、石英、高嶺石、綠泥石和重晶石。

根據礦石全分析顯示，礦石中含有S、Fe、Pb、Zn、Cu、Au、Ag、Mo、Co、Ni、Cr、Tl、Ti、Ga、Ba、F、As、V、Sb、Th、Ln等20余種元素。

圖2 C1g地層裂隙構造素描圖

圖3 C1g地層內裂隙構造及黃鐵礦脈(Py)

3 礦化圍巖酸性水污染分析

本次工作對礦化圍巖邊坡區水系進行pH值測試，雨后pH值變化測試，酸性水水質分析，下游土污染測試分析，探討酸性水產生過程及對下游水土體污染情況。

3.1 pH值分析

礦化圍巖地表水pH分析選擇雨停后一天，在礦化圍巖區不同部位，選擇不同類型地表水共測定14件樣品(見表1)。結果顯示：7件坡面滲水pH在2.0～4.5之間，5件徑流水pH在2.5～5.5之間，2件積存水pH均為2.0，表明流經礦化圍巖區降水都呈現強酸性。

3.2 pH值變化分析

自降雨結束，監測礦化圍巖區地表水pH值，測試C1、C2點水樣，其中C1樣品處為粉末狀黃鐵礦細脈礦化，C2樣品處為致密條帶狀黃鐵礦細脈。

表1 圍巖地表水pH值測定結果表

從pH值變化圖(圖4)來看，C1點水樣在1 d時間內pH值達2.0，C2點水樣在4 d時間pH值達2.0。表明流經礦化圍巖的地表水均會達到強酸性，酸化速率與礦石構造相關，粉末狀礦石較致密狀礦石更易產生酸性水[8]。

3.3 水質分析

本次工作取礦化圍巖區地表水2件樣品(S001、S005)，并取非礦化圍巖區地表水1件(S002)進行水質分析(見表2)。其中pH、Cu、Pb、Zn、Cd、As、Hg、Cr、硫酸鹽指標與《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)進行比對，其余指標與《地下水質量標準》(GB 14848—2017)進行比對。

圖4 礦化圍巖區地表水pH值監測變化圖

結果顯示，礦化圍巖區水樣pH、Cu、Pb、Zn、TFe、Cd、Mn、Ni、Cr(六價)、硫酸鹽均超出標準限值，其中Cu達到4.2～6.75 mg/L，Cd達到0.422～0.730 mg/L，硫酸鹽達到981～1 144.07 mg/L，而非礦化圍巖區地表水水質未超出標準限值。

表2 地表水分析測試數據(mg/L)

3.4 下游土壤的污染

對酸性水流經下游土壤進行測試分析(T01)，并與未污染區土樣(T03)進行對照。結果顯示，酸性水流經區土壤中As、Pb超出《土壤環境質量建設用地土壤污染風險管控標準》(GB36600—2017)篩選值，其As、Cd、Pb、Cu、Zn、Hg較對照樣有明顯升高(表3)。

表3 下游土壤樣品分析結果(mg/kg)

4 結論

該礦山以往酸性水治理主要針對地下遺留礦體及采空區，忽視了對礦化圍巖的產酸能力的評價，造成酸性水治理的失敗。從調查結果來看，礦體圍巖中發育大量黃鐵礦細脈，這些礦化細脈中含有黃鐵礦、黃銅礦等硫化礦物，在與外界空氣接觸過程中發生水氧反應，生產酸性水并析出重金屬元素。從降雨后圍巖區地表水pH值分析來看，流經礦化圍巖區降水在1～4 d即可產生pH接近2的酸性水，同時酸性水中重金屬元素及硫酸鹽嚴重超標，酸性水對下游水體及土壤造成重金屬污染。因此，在礦山治理過程中，除應對遺留礦體進行產酸調查外，需加強對礦化圍巖產酸能力的調查。在礦山酸性水治理中，有效判別酸性水污染源，采取物理、化學技術手段，隔絕污染源氧化環境，才能實現酸性水源頭控制及治理的目的。