湘南骑田岭南坡环境地球化学特征研究

2022-01-07陈希清秦拯纬李剑锋张遵遵卢友月付建明

华南地质 2021年3期

陈希清，秦拯纬，李剑锋，夏杰，张遵遵，卢友月，付建明

（中国地质调查局武汉地质调查中心（中南地质科技创新中心），武汉430205；中国地质调查局花岗岩成岩成矿地质研究中心，武汉 430205）

南岭主要由越城岭、都庞岭、萌渚岭、骑田岭和大庾岭等5个山岭组成，区内矿产资源十分丰富，是我国南方有色金属、黑色金属、稀有金属、贵金属的重要资源地和产区，是世界钨矿床和原生锡矿床分布最密集的地区之一[1-2]，因此，也称之为南岭成矿带。其中，骑田岭又名桂阳岭、客岭山、黄岑山、折岭等，位于湖南省东南部宜章县、郴州市之间，主体由燕山早期花岗岩体构成，面积数千km2，主峰海拔1510 m，为湘江支流耒水和珠江水系北江西源武水的分水岭。骑田岭地区矿产资源丰富，主要集中分布于其山腰及山脚地带，如新田岭钨矿查明储量30多万吨[3]，鲁塘地区石墨矿探明储量3000多万吨[4]。此外，还勘查出煤矿、花岗岩、大理岩及矿泉水等矿产资源，矿业开发对繁荣地方经济起了重要作用。近年来，骑田岭地区找矿又取得重大突破，在其南部花岗岩中发现了具有超大型规模远景的白腊水锡多金属矿床[5]，该区又成为了国内外花岗岩与成矿研究的热点地区，同时，相关的锡矿开采活动也随之展开。

随着人们物质文化生活水平日益提升，“绿水青山就是金山银山”理念深入人心，人民群众开始更加注重生活的环境质量。湘江、珠江流域的环境污染问题一直备受关注[6-12]。骑田岭地区位于流域上游，不可否认，矿山开采活动会对矿区及其下游地区造成不同程度的环境影响。到目前为止，有关骑田岭花岗岩与钨锡多金属矿床的研究已开展过大量工作[13-18]，而涉及环境地球化学调查资料较缺乏。本文以骑田岭南坡上部的仰天湖高山草场、中部的芙蓉洞禾花鱼养殖区、中下部的白腊水锡矿区及其下游地区作为研究对象，对不同生态环境区域内土壤、地表水体开展分析研究，以期为地方政府科学规划部署和美丽乡村建设提供环境地球化学基础资料。

1 基本情况

骑田岭主体由燕山早期花岗岩构成。岩体平面上呈近等轴状，面积约520 km2，主要岩性为中－细粒斑状角闪黑云二长花岗岩、粗－中粒斑状黑云正长花岗岩。区内地层比较简单，主要为石炭纪和二叠纪的碳酸盐岩及少量粉砂质页岩、硅质页岩、长石石英砂岩等，围绕骑田岭花岗岩体分布。

骑田岭顶部自然环境优美，现有仰天湖风景区。仰天湖面积20多亩，湖水碧透、平静如镜，湖泊周围海拔1100—1400 m之间，属仰天湖高山草场，面积约40多km2。草场外围有原始森林，远离城镇和工业区，无大气污染和酸雨、沙尘污染，空气清新。近年，骑田岭顶部修建了许多大型风力发电机，正为国家提供大量清洁能源。同时，风力发电机也成为了仰天湖风景区的一大景观。

山顶向下不远的仰天湖瑶族乡芙蓉洞、磨池水、宽洞等中-中低山地带，平均海拔1100 m，有水田面积数万亩，是郴州高山禾花鱼的重要原产地和核心主产区，素有“郴州高山禾花鱼之乡”的美誉。得天独厚的地理、气候和优质的水、土壤等资源优势，为禾花鱼的生长提供了优质环境，成就了曾为贡品的禾花鱼。

白腊水锡多金属矿是近年来南岭地区发现的具有超大型规模远景的矿床，产在骑田岭花岗岩与围岩南接触带附近的花岗岩中，主要矿床类型有夕卡岩-破碎带蚀变岩复合型、蚀变花岗岩型等。云锡集团已投入大量人、财、物，各种采、选基础设施已建设完成，目前已在小规模开采。

为了更好地促进矿业开发与环境保护协同发展，我们选择骑田岭南坡的仰天湖高山草场、芙蓉洞禾花鱼养殖区、白腊水锡矿区及其下游洪水江（图1）的土壤、地表水体为主要研究对象，分析评价它们的环境地球化学现状。通过开展上述地区的水土环境地球化学调查研究，查明地表水体及土壤重金属含量及变化特征，分析环境现状、矿山开发导致矿山及周边土壤污染程度、范围及变化规律，追踪矿山污染源；研究养殖、采矿等人类活动对自然水体水质的影响程度、有毒有害元素含量变化和降解规律，为地方政府科学决策提供环境地球化学基础数据。

图1 骑田岭自然景观及环境调查采样点分布图Fig.1 The natural landscape map and sampling points distribution of the Qitianling area

2 样品采集、分析方法及评价标准

本次研究工作野外调查和相关土壤、水等样品的采样时间为2020年5月。

2.1 样品采集与分析方法

1∶1万土壤剖面测量：在仰天湖高山草场、禾花鱼养殖区和白腊水锡矿区各部署了1条土壤剖面（图1），采样间隔为40 m。3条剖面分别采集土壤样品38件、38件和28件，总计104件。土壤样品采集地表下0～20 cm的原始新鲜土壤，为增加土壤样品的代表性，采用多点采样法，去除杂草、草根、砾石等杂物，留取1.0 kg装入样品袋（干净的棉样袋）。在日光下干燥，用40目尼龙筛过筛，取筛下粒级样品150 g。另外，采集白腊水锡矿尾砂样品2个。

水样采集：在仰天湖高山草场、禾花鱼养殖区、白腊水锡矿区和下游洪水江分别采集地表水样8组、6组和39组，每组样2瓶，每瓶500克。所有样品用塑料瓶装，装瓶前将样瓶润洗3次并在水下盖紧瓶盖。确保水样2天内及时送实验室分析测试。

样品测试在国土资源部中南矿产资源监督检测中心进行，测试仪器为电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）X serisⅡ和电感耦合等离子体发射光谱谱仪（ICP-AES）ICAP 6300。参照 DZ/T0064-93地下水质检验方法[19]，测试了土壤和尾砂样品的F、Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Co、Cd、Mo、As、Hg、Se、pH、有机质等；水样分析 Cu、Pb、Zn、Cr、Cd、As、Hg、Sn、Tl、K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cr6+、NH4+、COD（Mn）、Cl-、F-、SO42-、NO3-、NO2-、可溶性 SiO2、pH、总硬度、矿化度、Mn、Fe、溶解氧、电导率等。土壤和水样的采样、分析测试精度均能满足相关规范和本研究工作的要求。

2.2 评价标准、方法

土壤pH地球化学等级划分依据为中国地质调查局《土地质量地球化学评价规范》DZ/T 0295-2016[20]中的土壤酸碱度（pH）分级标准。依据《土壤环境质量农用地土壤污染风险管控标准（试行）》（GB15618—2018）[21]对骑田岭地区农用地土壤污染风险元素镉（Cd）、汞（Hg）、砷（As）、铅（Pb）、铬（Cr）、铜（Cu）、镍（Ni）、锌（Zn）等金属元素进行风险筛查评价。

地表水质量评价据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）[22]，选取地表水环境质量评价指标为：溶解氧、高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH3-N）、总氮（N）、铜（Cu）、锌（Zn）、氟化物（F-）、砷（As）、汞（Hg）、镉（Cd）、六价铬（Cr6+）、铅（Pb）。依据地表水环境质量标准基本项目标准限值，对参加评价的项目进行单项组分评价，划分组分所属质量级别，分为五类。对各类别按表1规定确定单项组分评价分值Fi。

表1 地表水质量单项组分评价分值表Table 1 The evaluation score of surface water quality based on single component

样品综合评价指数F值，按F＝[(Fi平均2+Fimax2)/2]1/2公式计算，式中Fi平均为单项组分评分值Fi的平均值，Fimax为单项组分评分值Fi中的最大值。并据综合评价指数F值以表2为划分依据确定地表水环境质量级别。

表2 地表水质量分级表Table 2 The assessment standards of surface water quality

地表水污染评价选用指标为高锰酸盐指数（CODMn）、氨氮（NH3-N）、总氮（N）、铜（Cu）、锌（Zn）、氟化物（F-）、砷（As）、汞（Hg）、镉（Cd）、六价铬（Cr6+）、铅（Pb）及硫酸盐（SO42-）、氯化物（Cl-）、硝酸盐（以 N 计）、铁 (Fe) 、锰(Mn)、Tl等 17项。按《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）[22]Ⅲ类标准限值进行水质单项污染指数Pi计算。单项污染指数Pi＝Ci/Co（Ci为样品中污染物实测含量，Co为标准限值）。综合污染指数按Pz＝[(Pi平均2+Pimax2)/2]1/2公式进行计算，式中Pi平均为同一样品中多种污染物单项污染指数的平均值，Pimax为同一样品中多种污染物单项污染指数的最大值。据综合污染指数Pz值和表3划分地表水污染等级。

表3 地表水污染评价分级表Table 3 The assessment standards of surface water pollution

3 环境地球化学特征

3.1 仰天湖高山草场

3.1.1 土壤地球化学

仰天湖高山草场地区38个土壤样品pH值及重金属元素含量统计结果见表4，重金属元素含量变化见图2。

图2 仰天湖HT11线环境地球化学剖面图Fig.2 The environmental geochemical profile across line HT11 in the Yangtian Lake area

表4 仰天湖土壤pH值及重金属含量统计表Table 4 The statistics of pH values and heavy metal contents of soil in the Yangtian Lake area

仰天湖高山草场的土壤pH值在5.23～7.77之间，平均值5.93，酸碱性变化不大（表4，图2），总体为弱酸性。

土壤中 Cd、Hg、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn 等 7 种重金属元素含量均值（表4）均远低于土壤污染风险筛选值标准。

土壤 As的均值（49.16 mg·kg-1）略为超标（表4），超标样品为HT11-28～HT11-33等6个点（图2），其 As含量分别达 149、812、64.6、73.6、61.4、212 mg·kg-1。经检查，As高含量值连续出现地段，现为仰天湖风电场大型风机、货物堆场和简易公路，土壤As的局部高含量、超标可能为风电建设场地开挖和相关大型设备运输等近期人为活动，地表土壤层破坏，局部基岩外露引起。

总体看，仰天湖高山草场地区土壤环境地球化学现状良好，同时要注意在高山生态脆弱区适当控制基建活动规模，并对人工开挖施工区进行及时修复、保护。

3.1.2 地表水地球化学

在仰天湖及湖周边小溪中采集了8组地表水水样（分析结果表略），根据《地表水环境质量标准》（GB3838-2002）[22]和表1、2、3，其水质单项组分评价和水质综合评价结果见表5，水污染等级见表6。

表6 仰天湖地表水污染等级表Table 6 The assessment and grading of the surface water pollution in the Yangtian Lake area

8组水样中，水质优良1个，占12.5%；良好1个，占12.5%；水质较差6个，占75.0%。其中，仰天湖外围地区小溪水质较好（HS05-52、HS05-53）（表5）。从表5可以看出，仰天湖水质较差关键影响因素是水质的总氮太高所致，初步分析认为：仰天湖湖岸山坡上牧场放牧强度较高，受地形影响，动物排泄物多进入湖中，加之采样时段降水少，湖内水位较低水量少，导致湖内水体总氮水平较高，水质略有下降。另外，5月为旅游季节，大量人员涌入也是影响因素之一；牧民集中安置村庄（HS05-45）内水塘水质下降也同样可能与人类活动有关。

表5 仰天湖地表水质量分级表Table 5 The assessment and grading of the surface water quality in the Yangtian Lake area

仰天湖地区地表水体污染指数计算显示（表6），各单项指标（Pi）除总氮外大多极低，8个样品的综合污染指数（Pz）多小于2.0，清洁-轻污染样数占比87.5%，总体污染水平较低。随着雨季到来、温度升高，湖水水量增加和湖中水草等生长消耗，有机氮等将迅速下降，水质好转。

3.2 禾花鱼养殖区

3.2.1 土壤地球化学

禾花鱼养殖区38个土壤样品pH值及重金属元素含量（表略）统计结果见表7，重金属元素含量变化见图3。

图3 禾花鱼养殖区HT10线环境地球化学剖面图Fig.3 The environmental geochemical profile across line HT10 around the Hehua carp breeding base

表7 禾花鱼养殖区土壤pH值及重金属含量统计表Table 7 The statistics of pH values and heavy metal contents of soil around the Hehua carp breeding base

养殖区土壤样品测试结果显示，养殖区农田、林地土壤pH值平均6.25（范围为4.82～7.7），为弱酸性土壤。

土壤 Cd、Hg、As、Cr、Cu、Ni、Zn 等 7 种重金属元素含量均值均低于土壤污染风险筛选值标准。Pb的均值（132.09 mg·kg-1）略为超标，超标样品为 HT10-1～HT10-2、HT10-11～HT10-17 、HT10-36～HT10-38等点，Pb含量为 110～554 mg·kg-1，超标样品点均位于土壤剖面两端公路侧和中部的磨池水村内公路、民房边，Pb的较高含量可能与燃油车辆排放公路两侧土壤中富集等交通运输活动有关；村庄外围水田、林地Pb含量较低，无风险。

养殖区农田、林地土壤重金属含量总体较低，土壤环境地球化学现状良好。

3.2.2地表水地球化学

在芙蓉洞村溪沟及禾花鱼养殖稻田（图4）中采集6组水样，其水质单项组分评价和水质综合评价结果见表8，水污染等级见表9。

图4 禾花鱼养殖稻田Fig.4 Hehua carp breeding in rice field

6组水样中（表8），水质良好2组（HS05-46、HS05-51），占 33.3%；水质较差 3组（HS05-48、HS05-49、HS05-50），占 50.0%；极差 1个（HS05-47），占 16.7%。其中，水质良好的 HS05-46、HS05-51样采自水田边小溪沟内，为养殖区灌溉水源；其它4组水样采自禾花鱼养殖稻田中。由表8可见，总氮、氨氮、化学需氧量等单项组分评价分值Fi较高，水质下降，初步分析认为这与水样采取时正值当地稻田春耕、秧苗移栽期关系极大，如HS05-47号样采自正在施撒农家肥（大粪）的秧田，随秧苗成长对氮等养分大量吸收转换和溪水的不断注入更换，农田水质将会逐步好转。

表8 禾花鱼养殖区地表水质量分级表Table 8 The assessment and grading of the surface water quality in the Hehua carp breeding base

地表水体污染指数计算显示（表9），各单项指标（Pi）大多极低，6个样品的综合污染指数Pz多小于1.27，清洁-轻污染样数占比83.3%，污染水平极低，利于当地特色水产养殖。

表9 禾花鱼养殖区地表水污染等级表Table 9 The assessment and grading of the surface water pollution in the land of Hehua Fish

3.3 白腊水锡矿采选区

3.3.1 选场尾砂重金属含量

尾矿堆存往往占用大量耕地，并且容易造成矿区周边环境污染。对自然生态环境的影响具体表现在：堆存的尾矿易流动和塌漏，造成植被破坏和伤人事故，尤其在雨季极易引起塌陷和滑坡；尾矿中有害成分及残留选矿药剂对生态环境的破坏严重，尤其是含重金属的尾矿。

白腊水锡矿采选区现有较大尾砂库两个（图5、图6），由于矿山开采时间不长，库容相对充裕、安全，仅需注意尾砂中重金属淋浸流失对生态环境造成的影响。分别采自两个尾砂库的2个尾砂样品重金属含量见表10。

图5 白腊水锡矿选厂和尾砂库（HY11）Fig.5 The ore concentrator and tailing pond (HY11) in the Bailashui deposit

图6 白腊水锡矿选厂尾砂库（HY12）Fig.6 The tailing pond (HY12) in the Bailashui deposit

表10 白腊水锡矿选场尾砂样中重金属和F、S含量表Table 10 The contents of F and S as well as heavy metals of Tin tailings in the Bailashui deposit

分析结果表明，尾砂样HY11、HY12中的部分元素含量不同，尤其是 Cu、As、F、S 等元素含量差别大，两处尾砂库内物质成分不同，这与现场调查的情况一致：HY12样所处尾砂库内尾砂呈均匀的灰白色（图6），为锡矿石经分选后尾砂的正常状态，HY12样代表着正常尾砂元素含量水平；HY11样所处尾砂库内整体呈褐红色（图5），可能是现阶段矿山建设，有较多地表矿化体中的硫化物风化后未经分选流入库内，引起了Cu等元素含量异常升高。总体来看，相比国标（GB15618—2018）[21]土壤重金属风险筛选值，白腊水锡矿选场尾砂中Hg含量极低，Cr、Ni含量相对较低，其它重金属元素Cd、As、Pb、Cu、Zn 等含量水平较高，远超出国标土壤风险筛选值；加之尾砂中存在的大量硫化物（S均值达1450 mg·kg-1）将逐步氧化产生大量酸性水，浸淋释放出重金属元素，渗透进入山区水体和土壤中，造成环境污染风险。尾砂中F的高含量（F均值达 10010 mg ·kg-1）可能是下游洪水江氟化物（F-）超标、水污染的主要原因（见后文）。

同时，尾砂分析结果显示白腊水锡矿矿石中Hg含量极低，矿区及周边生活用水中汞（Hg）污染物来源应为锡矿和附近大理石矿开采等人为活动，加剧开采区碳酸盐岩围岩汞元素活化释放引起。

3.3.2 土壤地球化学

横切白腊水锡矿区的土壤剖面（图7）28个土壤样品测试结果（表略）统计显示（表11）：土壤样品pH值平均值为6.30，总体呈弱酸性。pH值波动范围较大（4.24～8.14），离差高达1.15，局部地段土壤酸碱度变化明显，可能与矿区内矿山开挖、矿粉扬尘和各类基础设施建设引起的粉尘沉降风化和土壤扰动有关。

表11 白腊水土壤pH值及重金属含量表Table 11 The pH values and heavy metal contents of soil around the Bailashui deposit

图7 白腊水锡矿区HT12线环境地球化学剖面图Fig.7 The environmental geochemical profile across line HT12 in the Bailashui deposit

土壤中 Hg、Pb、Cr、Cu、Ni、Zn 等 6 种重金属元素含量（表略）平均值相对较低（表11），低于土壤污染风险筛选值标准，但元素含量起伏变化明显，部分样品的 Pb、Cu、Ni、Zn 含量较高，已超出国标风险筛选值，在矿区花岗岩接触带、矿体矿化带位置尤其明显（如剖面上HT12-6、HT12-7、HT12-8点），远离则有降低的趋势（图7）。

锡矿采区土壤As污染突出（表11）：As含量均值高达 187.1 mg·kg-1，含量范围12～1120 mg·kg-1。其均值为国标风险筛选值（40 mg·kg-1）的4.68倍，超农用土壤污染风险管制值（150 mg·kg-1）；极大值高达1120 mg·kg-1。矿区土壤Cd污染较明显（表11）：其均值为 0.40 mg·kg-1，含量范围0.019～2.62mg·kg-1。平均值为国标风险筛选值（0.3 mg·kg-1）的1.33倍，部分点含量较高，极大值高达 2.62 mg ·kg-1。土壤 As、Cd 污染与矿山开采活动关系密切（图7），二者峰值含量点均位于花岗岩接触带（矿体）附近位置（HT12-6、HT12-8点）。随着锡矿的开采，矿体附近原有表土被人工剥掉，矿化的基岩和矿体裸露，导致采区局部土壤As、Cd污染。

总体来看，白腊水锡矿区及周边土壤环境质量现状较差，土壤污染区域主要与矿山开采活动关系密切，远离采坑则污染水平下降明显。需要加强开采、运输和选矿等各个环节的管理，严格控制废弃矿渣等的堆放。

3.3.3 地表水地球化学

在白腊水锡矿采区（大坑里－观音田）、矿区外围（安源－小吉冲）及矿区下游洪水江小吉冲－泗溪段（约10.3 km）共采集39组地表水水样（分析结果表略），总体看地表水水质较差、污染较严重。

白腊水锡矿采区地表（积水滩）、尾砂库和排水沟的8组水样水质综合评价和污染等级计算结果见表12、13。

表12 白腊水锡矿采区地表水质量分级表Table 12 The assessment and grading of the surface water quality in the Bailashui deposit

矿区8个地表水水质综合评价结果为水质较差2个，占25%；水质极差6个，占75%。除HS05-9样为轻污染外，其它7个地表水污染评价分级均为重污染。污染物主要为汞（Hg）、氟化物（F-）、砷（As），其次为锰 (Mn)、铊（Tl）等。锡矿开采中形成的选矿废水、废渣堆淋漓水、尾矿渗漏水等应为矿区及下游地表水体的主要污染物来源。

采自矿区周边小溪、农家饮用水井、灌溉水渠及小河沟内的10组水样分析结果（表略）统计显示（表14、15），仅极少部分的矿区上方溪水如HS05-25水质为良好，附近饮用水和农田灌溉用水水质一般为较差级，其F值介于7.10－7.16间。10组水样污染评价分级中仅1组溪水为尚清洁，轻污染、中污染、重污染各占3组，主要污染物为汞（Hg），极个别样的总氮、铁超标。分析认为，锡矿区周边生活和灌溉用水受到不同程度的汞（Hg）污染，水质较差，这可能与矿区内污染的水向外溢流排放关系较大。同时，西侧安源大理石采场（下关桥亭附近）的采石活动也极有可能造成附近水体的汞（Hg）污染。

表14 白腊水锡矿外围饮用和灌溉水质量分级表Table 14 The assessment and grading of the drinking and irrigation water quality outside the Bailashui deposit

骑田岭南坡清水江至泗溪间的清水江－洪水江总体流向南（图1），全长15.0 km，其在大坑里－观音田之间穿过白腊水锡矿采区，流经小吉冲、洪水江村等地最后注入武水。洪水江沿线不同断面15组地表水样水质综合评价指标和水污染评价指标计算结果显示，水样大部分存在砷（As）、汞（Hg）、氟化物（F-）、锰 (Mn)、铊（Tl）等明显污染超标，并以砷（As）、汞（Hg）污染为甚（表16）。洪水江中15个水样，污染等级为轻污染的5个，占33.3%，重污染的10个，占66.7%。

表15 白腊水锡矿外围饮用和灌溉水污染等级表Table 15 The assessment and grading of the drinking and irrigation water pollution outside the Bailashui deposit

表16 洪水江不同断面水体主要污染物污染指数表Table 16 The main pollutant index of water bodies in diあerent sections of the Hongshui River

洪水江流经白腊水矿区后，水质状况呈现规律性变化（图8）：矿区上游（HS05-2、HS05-3）污染指数Pz值为1.14、1.56，为轻污染，主要污染物为汞（Hg）。受采矿活动影响，矿区段（2.3 km）所采水样 HS05-4、HS05-6、HS05-15、HS05-16、HS05-20、HS05-22的污染指数Pz值为4.09－ 9.23，砷（As）、汞（Hg）、氟化物（F-）、锰 (Mn)、铊（Tl）等污染超标。采矿区地表水、坑道排水、矿石堆渗滤水等汇集排入洪水江，于观音田－小吉冲段（1.3 km）各类污染达峰值，综合污染指数Pz值迅速升高达7.67 ～ 13.65（HS05-28、HS05-29）。随西支流（五里桥）等大小不等的溪流注入，洪水江小吉冲以下段水体（9.8km）的综合污染指数Pz值迅速下降，水质明显好转，其单项指标PAs4.68→1.03，PHg2.8 → 2.00，氟化物（F-）、锰 (Mn)和铊（Tl）等则完全降解为标准值以下。至洪水江口段（HS05-37），洪水江水Pz值降为1.43为轻污染，水质明显好于汇入口上游的武水水质（HS05-38，Pz值2.35，中污染），随两江汇合武水水质状况略有好转（HS05-39，Pz值1.79，轻污染）。分析认为，随着湘南地区雨季到来，洪水江径流水量增加，其矿区下游水质可能还会进一步改善。骑田岭地区白腊水锡矿等的锡矿开采活动不应是珠江上游武水的可能污染物主要来源。