安徽铜陵某废弃金属矿山矿化围岩酸性水污染分析

单士锋

(安徽省地质矿产勘查局321地质队，安徽 铜陵 244033)

0 前言

安徽省矿产资源丰富，探明黑色金属、有色金属、贵金属、硫铁矿等矿产地400余处[1]，多为富硫矿产，矿石中Cu、Pb、Zn、Cd、Cr、As等重金属元素丰度较高。矿山开采使得硫化矿物暴露于外界大气中，发生水氧反应形成酸性矿山废水(Acid Mine Drainage，AMD)[2]。研究表明，矿山酸性废水的形成与金属硫化矿物关系密切，硫化铁矿物的氧化过程就是矿山酸性水的形成过程[3]。在硫化铁的氧化过程中，形成硫酸、硫酸铁，它们又进一步使矿石中的金属生成硫酸盐类，从而生成含多种金属离子的酸性废水[4]。

近年来国内外学者着手源头控制矿山酸性水产生[5]，采用物理包封法、硫化矿物钝化处理法等直接控制污染源[6]，因此，精准识别污染源是矿山酸性水治理的首要前提。作者在矿山环境调查中发现酸性废水污染源除遗留矿体及剥离含矿废石外，矿化围岩也是矿山酸性废水重要污染源，且易被忽视[7]。

1 矿山概况

该矿山为金、铅锌多金属矿山，始建于1976年，采用露天和井下联合开采，至2008年矿山关停。矿山形成一个露采坑及+115 m、+95 m两个采矿巷道。矿山矿化围岩裸露地表形成岩质边坡，地下采空区未充填，地表及巷道内长期渗流酸性废水，矿山生态环境破坏严重。

矿区出露泥盆系至二叠系地层，地层岩性如下：

泥盆系上统五通组(D3w)：岩性为灰白、浅灰色绿色厚～巨厚层石英岩状砂岩，夹灰紫、灰黄色石英砂岩、粉砂岩、粉砂质页岩互层。石炭系下统高骊山组(C1g)：岩性为层状细砂岩、粉砂岩及粉砂质泥岩、炭质页岩互层、夹赤铁矿质页岩，下部为细粒石英砂岩、粉砂岩和粉砂质页岩，是矿体主要赋矿层位。

中、上统黄龙与船山组(C2+3)：岩性为灰白色巨厚层状粗粉晶白云岩。

二叠系下统栖霞组(P1q)：下段岩性为灰-灰黑色厚层状泥晶-细粉晶灰岩，上段岩性为深灰色厚层泥晶-细粉晶灰岩及条带状细粉晶灰岩组成，夹硅质岩。

矿区内断裂构造发育，以F4断层构造为主，F4为逆冲断层，呈倒“S”形自北北西转为近东西横切矿区中部，断面随走向变化由向北东东变为向北西西再转向北北东倾斜，倾角30°～55°，断层下盘为五通组或高骊山组，中上石炭统或栖霞组逆冲其上。断层构造带中地层破碎，发育张性裂隙，是区内主要导矿容矿构造。

矿区内查明硫铁矿矿体2个，氧化铅锌矿体3个，均赋存于下石炭统高骊山组地层中，受高骊山组地层控制。顶板为高骊山组泥岩、炭质页岩，底板为粉砂岩、砂页岩或细砂岩，局部与五通组石英砂岩直接接触(见图1)。

图1 矿区地质剖面图

2 矿化围岩特征

2.1 岩性特征

石炭系下统高骊山组为赋矿层位，也是矿体顶底板围岩。受F4断层影响，普遍发育黄铁矿细脉及裂隙构造，以一组近直立张性裂隙最为发育，一般倾向北，倾角70°～80°，切穿层理面(见图2)，多充填黄铁矿细脉，脉宽一般1～100 mm不等，局部裂隙贯通，形成裂隙带，带宽可达30 cm。

区内裂隙发育有另一组裂隙构造，裂隙倾向西，倾角30°左右，该组裂隙一般紧闭，裂隙面多充填铁质薄膜(见图3)。

2.2 矿化特征

围岩体内矿化以硫铁矿矿化为主，硫铁矿呈细脉状分布于高骊山粉砂岩内，主要矿石矿物有黄铁矿、黄铜矿、磁黄铁矿、方铅矿、闪锌矿、毒砂等；脉石矿物有方解石、石英、高岭石、绿泥石和重晶石。

根据矿石全分析显示，矿石中含有S、Fe、Pb、Zn、Cu、Au、Ag、Mo、Co、Ni、Cr、Tl、Ti、Ga、Ba、F、As、V、Sb、Th、Ln等20余种元素。

图2 C1g地层裂隙构造素描图

图3 C1g地层内裂隙构造及黄铁矿脉(Py)

3 矿化围岩酸性水污染分析

本次工作对矿化围岩边坡区水系进行pH值测试，雨后pH值变化测试，酸性水水质分析，下游土污染测试分析，探讨酸性水产生过程及对下游水土体污染情况。

3.1 pH值分析

矿化围岩地表水pH分析选择雨停后一天，在矿化围岩区不同部位，选择不同类型地表水共测定14件样品(见表1)。结果显示：7件坡面渗水pH在2.0～4.5之间，5件径流水pH在2.5～5.5之间，2件积存水pH均为2.0，表明流经矿化围岩区降水都呈现强酸性。

3.2 pH值变化分析

自降雨结束，监测矿化围岩区地表水pH值，测试C1、C2点水样，其中C1样品处为粉末状黄铁矿细脉矿化，C2样品处为致密条带状黄铁矿细脉。

表1 围岩地表水pH值测定结果表

从pH值变化图(图4)来看，C1点水样在1 d时间内pH值达2.0，C2点水样在4 d时间pH值达2.0。表明流经矿化围岩的地表水均会达到强酸性，酸化速率与矿石构造相关，粉末状矿石较致密状矿石更易产生酸性水[8]。

3.3 水质分析

本次工作取矿化围岩区地表水2件样品(S001、S005)，并取非矿化围岩区地表水1件(S002)进行水质分析(见表2)。其中pH、Cu、Pb、Zn、Cd、As、Hg、Cr、硫酸盐指标与《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)进行比对，其余指标与《地下水质量标准》(GB 14848—2017)进行比对。

图4 矿化围岩区地表水pH值监测变化图

结果显示，矿化围岩区水样pH、Cu、Pb、Zn、TFe、Cd、Mn、Ni、Cr(六价)、硫酸盐均超出标准限值，其中Cu达到4.2～6.75 mg/L，Cd达到0.422～0.730 mg/L，硫酸盐达到981～1 144.07 mg/L，而非矿化围岩区地表水水质未超出标准限值。

表2 地表水分析测试数据(mg/L)

3.4 下游土壤的污染

对酸性水流经下游土壤进行测试分析(T01)，并与未污染区土样(T03)进行对照。结果显示，酸性水流经区土壤中As、Pb超出《土壤环境质量建设用地土壤污染风险管控标准》(GB36600—2017)筛选值，其As、Cd、Pb、Cu、Zn、Hg较对照样有明显升高(表3)。

表3 下游土壤样品分析结果(mg/kg)

4 结论

该矿山以往酸性水治理主要针对地下遗留矿体及采空区，忽视了对矿化围岩的产酸能力的评价，造成酸性水治理的失败。从调查结果来看，矿体围岩中发育大量黄铁矿细脉，这些矿化细脉中含有黄铁矿、黄铜矿等硫化矿物，在与外界空气接触过程中发生水氧反应，生产酸性水并析出重金属元素。从降雨后围岩区地表水pH值分析来看，流经矿化围岩区降水在1～4 d即可产生pH接近2的酸性水，同时酸性水中重金属元素及硫酸盐严重超标，酸性水对下游水体及土壤造成重金属污染。因此，在矿山治理过程中，除应对遗留矿体进行产酸调查外，需加强对矿化围岩产酸能力的调查。在矿山酸性水治理中，有效判别酸性水污染源，采取物理、化学技术手段，隔绝污染源氧化环境，才能实现酸性水源头控制及治理的目的。