QYW铀矿山地质环境问题及原因探析

2014-03-23彭文彪羊海文

采矿技术 2014年6期

彭文彪，羊海文

(1.湖南省核工业地质调查院，湖南长沙 410011；2.湖南核工业岩土勘察设计研究院，湖南长沙 410011)

0 引言

闭坑的QYW铀矿山地处雪峰山脉的北端,湘中资水中游。矿山及影响区面积约7 km2，有行政村6个,总人口约6千人。该矿山在役期间(1974-1986)开采包括5个工业矿段(208、202、207 、216和175地段)[1]，共产出矿石约64.5×104t。1991年开始实施为期7年的退役环境治理，耗资2882万元，进行了坑(井)口的封堵、建筑物、废石场、工业场地的处置、污染农田整治和改水。2006年湖南省国土资源部门对该矿区进行了后续治理[2]，总投资420万元。

1 地质及背景

1.1 地质

矿区主要出露上元古界板溪群五强溪组(Ptbnw)、震旦系长安组+富禄组(Z1c+f)、大塘坡组+金家洞组(Z2d+j)、留茶坡组(Z21)、寒武系牛蹄塘组+污泥塘组(∈1n+w)、探溪组(∈2t)等地层，震旦系-寒武系为黑色岩系。

铀矿床产于由震旦系—寒武系组成的单斜构造中，北东向的层间挤压破碎带(共4条)是含矿带。含矿层位主要为寒武系下统牛蹄塘组+污泥塘组(∈1n+w)，其次为震旦系上统大塘坡组+金家洞组(Z2d+j)，矿体呈透镜状、似层状、囊状，产状与地层、构造产状基本一致。矿石类型为破碎“富炭泥岩”，以破碎炭质泥(板)岩、破碎泥灰岩、破碎硅板岩、破碎硅质岩为主，矿石呈浸染状和角砾状。铀在矿石中主要是分散吸附状态，少量呈铀矿物(钙铀云母、铜铀云母、铀黑及沥青铀矿)形式存在。伴生的Ga、Ni、Cd、Cu、Mo元素达到综合利用标准。

1.2 矿山三废状况

1958年在矿区发现铀矿随即进行勘探， 1964～1966年民间采铀进行土法练铀，中低品位铀矿石和共、伴生矿被弃，1974～1986年间矿山生产期间固体废物迅速积累，范围不断扩大。

废石：现存废石场(含工业场地)36个，废石总量87.36×104t，占地总面积约0.14 km2。经退役治理和后续治理，废石场现在一般稳固，表层均有土层覆盖保护。

废水：矿山开采期产生的废水直排于河溪，受影响的主要有YMC溪(流量4.5 l/s)、LCP溪(15.0 l/s)、LWL溪(前二者汇合处以下段，流量20 l/s)和 SBD 溪(流量0.5 l/s)，LWL溪并入YX河(最大流量28270 l/s，最小203 l/s)，以上所有河、溪最终汇入ZX水库(见图1)。现低位坑(如175、207地段)仍有矿坑水溢出，矿坑水直排于近处的河溪。

废气：开采期间矿山主要气载废物为氡，经治理监测、检测氡析出率符合国家要求，大气氡浓度未见明显异常，废气对环境影响小。

2 主要地质环境问题

2.1 土壤环境

2.1.1 土铀污染

统计[3]表明：废石U浓度范围值(9.86～328)×10-6，一般为(15.05～99.77) ×10-6，平均59.94×10-6，其构成为围岩和尾矿石；土壤U浓度范围值(4.28～162.30)×10-6，平均值(X)为12.49×10-6,标准差(σ)为7.37×10-6，矿区土壤U背景值明显较高，是湖南省平均水平[4](5.18×10-6)的2.4倍，是U克拉克值[5](2.7×10-6)的4.6倍。

采用内梅罗指数评价矿区土壤污染，由于国家

图1QYW铀矿山地质环境调查综合成果

1—板溪群五强溪组 2—震旦系长安组+富禄组 3—震旦系大塘坡组+金家洞组 4—震旦系留茶坡组 5—寒武系牛蹄塘+污泥塘组 6—寒武系探溪组 7—地层界线 8—土(岩)采样点及样号—9-污染河溪水采样点及样号 10—矿坑(溢)水 11—废矿坑位置 12—土壤铀污染警界线区 13—土壤铀轻度污染区 14—土壤镉污染区 15—土壤铀污染分区代号及级别(Ⅱ,警戒线) 16—土壤铀污染分区代号及级别(Ⅲ，轻度)。

标准《土壤环境质量标准》(GB15618-2008) 中未涉及U标准值，本次以数理统计的X+2σ(增高异常)为相对标准值(27.23×10-6)。

结果表明：土壤铀轻度污染(Ⅲ)3处，即：Ⅲ1、Ⅲ2和Ⅲ3，分布在208至202地段、207地段及HJA地段，矿业活动剧烈，面积约0.50 km2(见表1)；处于警戒线(Ⅱ)2处，即：Ⅱ1和Ⅱ2，分布在XJP地段(储矿场)和YC地段，为矿业活动相关地带，面积约0.29 km2；其余均为安全(Ⅰ)，分布在矿业活动之外地段或矿业活动相对较弱地段。

表1 矿山土壤铀污染级别与程度

2.1.2 土镉污染

矿区土壤pH值平均为5.0。

农田(原种水稻、蔬菜)近0.38 km2范围遭受了重度镉污染，污染范围为LCP溪、YMC溪流经矿山段及其汇流后的LWL溪等河溪的两岸农田。土壤Cd浓度范围值为0.34～89.1 mg/kg，平均值为17.9 mg/kg，改种(桑树)后为11.6 mg/kg，与《土壤环境质量标准》(GB15618-2008)对照，改种前土壤Cd平均水平为第二级标准值(0.25 mg/kg)的71.6倍(即单项污染指数(Pi)为71.6)，改种后，土壤平均水平为第二级标准值的46.4倍(即平均单项污染指数(Pi)为46.4)，改种前后Cd平均水平均处于重度污染之上。

2.2 水环境

矿区主要流域包括YMC溪、LCP溪、SBD溪、HJ溪、XJ溪、LWL溪和YX河,均受到了不同程度的污染(见表2)。以镉污染、酸性水污染、铀污染等为主要形态，局部还存在锌污染，产生原因为矿坑水排放、矿渣废石场淋滤水。

2.2.1 pH值及水质

矿区地表水pH值范围为4.0～6.5，4≤pH<5.5以下水点分布在LCP溪至LWL一带和SBD一带，其他地段水点pH值6～6.5。矿坑坑道溢水pH为4.0～5.5。《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)pH值标准值为6～9，《农田灌溉水质标准》(GB5084-2005)pH值标准值为5.5～8.5，根据以上标准评判，LCP溪(207矿坑水排放以下)、LWL溪(YMC溪与HJC溪汇合处以下)及SBD溪(216地段)均不符合前者的要求，部分不符合后者的要求。

矿区地表水水质类型较为复杂，主要有：H-C·M、S-C·M、S-M·C、S·H-C·M、S·H-C型水。

矿坑水水质类型为S·H-C和S-M·C型，硫酸根离子浓度较高，分别达132.18 mg/l和1440.38 mg/l。207地段矿坑水(s008)和175地段矿坑水(s001)均为典型的酸性矿坑水(AMD)，其pH值低，富硫酸根，排放口以下的LCP溪全部沉淀有褐红色絮状沉淀物；SBD溪(s026)主要受216地段废石淋滤水补给，该溪水同样pH值低，富硫酸根，水中沉淀有大量白色絮状物，明显具酸性矿坑水的特征。

表2 矿山地表水污染程度

注：U的单位为μg/l，Cd和Zn的单位为mg/l。

矿坑水和废石淋滤水既是酸性矿坑水，又含有多钟有毒有害的重金属元素，是矿山水环境污染的源项。

2.2.2 水铀污染

检测的水U浓度范围：<0.1～2090.0 μg/l，变幅大，相差5个数量级。最低值为溪流水，最高值为矿坑水。低点分布在LCP溪水(207矿坑水排放以上段)及FP溪水；高点分布在流经矿山废石场，坑口排放点以下的河、溪流水。由于现行标准无U标准值，评价水铀污染时采用地下水U浓度X·σ2(增高异常值)作为相对标准值(0.61 μg/l)。

矿坑水和废石淋滤水单项铀污染指数(Pi)达42.6～3426.2。流经采矿区的地表水系单项铀污染指数(Pi)为3.8～107.2，矿区主要河、溪均遭铀重度污染。

2.2.3 水镉污染

207坑道排水为镉污染高含量排放点，水Cd浓度是标准值的51.70倍(标准值为0.01 mg/l)。YMC水库及水库以下溪水、SBD溪(216地段)、YX河(汇合处)水Cd浓度均超出GB5084-2005标准限值，并达GB3838-2002标准(Ⅴ类水)标准限值。主要河溪均遭镉污染，镉单项污染指数(Pi)为1～18.20，污染程度为轻度、中度和重度。

2.2.4 其它污染

207矿坑水和SBD溪水Zn浓度超出GB5084-2005和GB3838-2002标准(Ⅴ类水)限值，207矿坑水Zn浓度为6.38 mg/l ，达重度污染(Pi=3.16)；SBD溪(S026)水中Zn浓度为2.16 mg/l，达轻度污染(Pi=1.08)。

水系Pb浓度符合标准要求。

2.3 生物污染

根据资料[3],生物U浓度范围值(0.003～2.31) ×10-6，农作物平均U浓度为0.13×10-6，禽畜类动物平均U浓度2.15×10-6，动物比植物U浓度高出数量级。按照《食品中放射性物质限制浓度标准》 (GB14882-94)估算，每年每成人从粮食中摄入U浓度为47.45 mg，标准年摄入量限值(ALI)为551 mg(成人)，此单项为ALI的8.6%，考虑其他摄入源(如饮水和其他食物)所占份量，此单项摄入份量仍具一定安全性。

矿区农作物(稻米、大豆、蔬菜、红薯、柑桔、油茶)Cd浓度范围值为0.000055～9.36 mg/kg，单类均值0.0011～2.57 mg/kg。参照《食品污染物限量》(GB2762-2005)对食品镉限量(稻米、大豆0.2 mg/kg)的规定，最大均值污染指数(Pi)达12.6，峰值污染指数(Pi)达46.8，生物镉严重超限，矿区镉的生物效应突出。

3 原因剖析

矿区污染产生的原因有内部和外部因素。黑色岩系(又称黑色页岩)是土壤的母质，同时也是原始污染源，自然状态下，某些重金属元素如Cd、U、Mo、Ni、V等在土壤中富集，达到了污染程度；污染的地表水灌溉农用地，叠加了二次污染,使得污染物不断积累；矿业活动加剧了污染范围和程度。

3.1 黑色岩系是土壤的原始污染源

(1) 岩石主要微量和常量元素。黑色岩系富含微量元素,分布有Cd、Ni、Mo、V、Cu、Zn、U、Se、Au、Ag、稀土(REE)和铂族元素(PGE)等元素[7￣12]。矿山及周边分布的震旦系-寒武系地层是黑色岩系，岩石中U、V、Mo、Ni、Cu、Pb和S元素为克拉克值的数倍-数十倍，浓度克拉克值为1.6(Pb)～51.42(S)，表明这些元素在地质体中相对集中，且具高背景特征 (见表3)。矿山围岩Cd浓度[13]平均为34×10-6，Cd克拉克值为0.2×10-6，其浓度克拉克值为1700，表明Cd在矿区集中程度最高。

表3 矿区周边黑色岩系(震旦系-寒武系)元素浓度

注：S和 G有机:ω(B)×10-2;其余:ω(B)×10-6.

(2) 矿石及废石重金属元素。铀在矿石中主要是分散吸附状态，少量呈铀矿物形式存在。铀矿石品位(430～1900)×10-6。 Ga、Ni、Cd、Cu、Mo元素达到综合利用标准， Cd平均品位为146×10-6，镉与铀矿共生(不共体)，以硫镉矿(CdS)形式存在。矿山开采中未对伴(共)生元素进行选冶，采出的其它矿原矿石进入废石或废渣中，Ga、Ni、Cd、Cu、Mo等元素不可避免地进入环境中。废石U浓度范围值(9.86～328)×10-6，平均为59.94×10-6，其构成一般为围岩和尾矿石。矿石和废石(渣)以及近矿围岩浓集有多种重金属元素，是矿区重金属污染的源项。

(3) 土壤重金属元素。一些学者[9，14，15]对矿区黑色页岩、土壤污染、环境及其效应进行了研究,指出土壤因继承母岩的元素富集特征而富集多种重金属元素(V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Cd、Sn、Sb、Ti、Pb、Th、U)。矿区 Mo、Cd、Sb和U富集最强(见表4)，与周边岩石U、V、Mo、Ni、Cu、Pb相对集中现象相对应。土壤V、Cd、Zn、U和 Cu单值或平均值已超土壤第二级标准值或相对标准值(表4)，Cd 峰值污染指数(Pi)为4.0(重度)，平均污染指数(Pi)为1.0～3.0(轻-中度)；V峰值污染指数(Pi)为8.84，平均污染指数V为1.02～4.67(轻-重度)；Cu、Zn和U污染属轻度。Mo、Ga和REE富集趋势明显，其浓度或许可达污染程度，表明矿区土壤存在多种类型的污染复合。表生作用下，自然状态下土壤部分元素已达污染水平。

3.2 叠加的二次污染是土壤污染的又一途径

土壤镉有两种来源[16]，一为成土母质，另一为污染(废气镉扩散沉降累积和含镉污水灌溉积累)。随水流迁移到土壤中的镉,可以被土壤吸附,吸附强度与底质粘性和有机质含量等因素有关。镉一般在土壤表层积聚[17￣20]，矿区土壤耕作层(18 cm内)镉含量高，较少向下迁移。污灌土壤中镉存在明显的累积性，镉浓度与污染源强度、时间成正相关。

建矿前的民采和土法炼铀开始产生水环境污染，矿山生产期间土壤环境污染和水环境污染不断扩大，停产后虽不再直接产生新的土壤环境污染，但矿坑水和废石淋滤水还持续影响水环境，LCP溪、YMC溪及其汇流后的LWL溪等实际为污水。矿山部分农田在1987年以前一直用以上河溪水灌溉，长期的污灌造成了农田镉污染不断积累。原状土壤Cd平均污染指数(Pi)为1.0～3.0，为轻-中度(个别重度)，叠加了二次污染的土壤镉平均单项污染指数(Pi)为71.6，为重度污染。叠加了二次污染的土壤Cd为原状土壤的数十倍，污染程度十分严重。

3.3 矿业活动加剧了污染范围和程度

矿业活动产生了废石(渣)，废石(渣)堆放在山谷、绿地，部分还侵占了山塘、河溪，在山洪、雨水等流水的冲刷下，一方面废石在机械扩散，另一方面废石中的有害有毒物质也在不断淋浸、析出，从而使污染不断扩散、迁移，污染形态也发生转变。矿业活动加剧了矿石和岩石中硫化矿物的氧化作用，促进形成了酸性矿坑水(AMD)，矿坑水的排放进而污染河溪，污染的河溪水灌溉农田，又促进了土壤镉(吸附性和难溶性)的积累，从而加剧了矿区土壤镉污染程度。总之，经过原始态、建矿前、生产期和停产后的四个阶段叠合，矿山土壤环境一直处于污染状态。

表4 矿山土壤及岩石剖面主要重金属元素浓度

注：表中元素:ω(B)×10-6;土壤样为全剖面采样,背景值为湖南省土壤(A层)算术平均值[4](中国环境监测总站，1990);元素浓度数据引自参考文献[14].

4 讨论

4.1 关于标准值

(1) 现行的土壤环境质量标准无U准值，本文以数理统计的X+2σ(增高异常)为相对标准值，该值为湖南省土壤铀背景值的5.3倍。而规范中Cd、Ni、V、Cu、Zn和Pb第二级标准值与湖南省背景之比为1.23(V)～2.69(Pb)，由此推测，采用此值作标准值可能略高，致土壤污染程度相对略低。

(2) 现行农田灌溉水质标准和地表水环境质量标准均无U度标准值，由于调查的地表水样本数少，未进行数理统计。评价水铀污染时采用地下水U浓度X·σ2(增高异常值)作为相对标准值，该值比湘江中游水U浓度[21](0.46 μg/l)和ZX水库水U浓度[22](0.52±0.05 μg/l)略高,采用此值作标准值较适中。

标准值的选取是相对的，它会直接影响到污染评价的污染级别。

4.2 关于其它类污染

由于采样分析的局限，分析的范围不够广，另一方面土样和水样分析测试项目不一致，影响了污染的评价广度，以致漏判，矿区实际上还存在多样污染类型。

(1) 确认的其它类污染。很明显，该矿区还存在其它类污染，如V和Cu。已知所有样品土壤V平均浓度普遍高于第二级标准值(130×10-6)，单项污染指数(Pi)为1.02～4.67，污染程度为轻度-重度；大部分样品土壤Cu平均浓度也高于第二级标准值(50×10-6)，单项污染指数(Pi)为1.02～1.09，污染程度为轻度。土壤V和Cu污染之前并未被发现和认知。

(2) 待确认的复合污染。表4所示，土壤Mo平均值(4.1～90.3)×10-6，为湖南省背景值(1.4×10-6)的2.93～64.5倍，由于现行规范未列入Mo第二级标准值，根据前述的分析，第二级标准值与湖南省背景值之比一般在1.23～2.69之间，前者远高于后者，推测土壤Mo或已达到污染水平，污染程度可能较高。此外，土壤Ga和REE元素亦可能达警戒线或轻污染程度。Cd、Zn、Cu、Mo、V和Ni属可迁移元素，均存在水溶性化合物形态，容易从土壤及其岩石中迁出，水迁移能力较强。推测矿区水环境可能还复合有V、Cu和Mo污染。

5 结论

(1) 该闭坑铀矿山地质环境问题主要为土壤环境污染和水环境污染，现已确认：土壤环境污染以镉和铀为主；水污染主要有镉、铀和锌,采矿区附近溪水pH值不符合地表水环境质量标准。土壤中，铀污染为轻度，镉污染为重度；河溪水中，铀污染为重度，镉污染为轻-重度，锌污染为轻度。调查认为该矿山土壤和水环境均可能存在其它元素复合污染。

(2) 矿区因土壤环境和水环境污染，引发了矿区生物污染，镉生物效应突出。污染的地表水不适于农田灌溉，矿区不得不进行改种，并由此产生一系列连贯的社会问题，该矿山地质环境脆弱，问题突出，影响较大。

(3) 黑色岩系是土壤的原始污染源，叠加的二次污染是土壤污染的又一途径。矿坑水和废石堆淋滤水为酸性矿坑水，是水污染源项。矿业活动加剧了污染范围和程度，经过原始态、建矿前、生产期和停产后的四个阶段叠合，矿山土壤环境一直处于污染状态，矿产资源的开发利用导致了水环境的污染。

(4) 湖南省是华南主要的黑色岩系分布区，其中的很多地段矿产资源十分丰富。黑色岩系矿产地的土壤可能存在原始污染，或合并有水环境的污染，该类矿山地质环境脆弱。合理规划矿产资源的开发利用以及加强矿山地质环境保护与治理恢复工作是十分重要。

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