典型岩溶区硫化物矿床——广西贵港锡基坑铅锌矿开采的生态效应

doi:10.19657/j.geoscience.1000-8527.2020.05.09

现代地质 ›› 2020, Vol. 34 ›› Issue (05): 957-969.DOI: 10.19657/j.geoscience.1000-8527.2020.05.09

典型岩溶区硫化物矿床——广西贵港锡基坑铅锌矿开采的生态效应

李博¹(), 杨忠芳¹(), 季文兵¹, 余涛², 侯青叶¹, 何海云¹, 张起钻³, 吴天生⁴, 覃建勋⁴

1.中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院,北京 100083
2.中国地质大学(北京) 数理学院,北京 100083
3.广西壮族自治区地质矿产勘查开发局,广西南宁 530023
4.广西壮族自治区地质调查院,广西南宁 530023

收稿日期:2020-07-10 修回日期:2020-08-22 出版日期:2020-10-28 发布日期:2020-10-29
通讯作者: 杨忠芳
作者简介:杨忠芳,女,教授,博士生导师,1961年出生,地球化学专业,主要从事生态地球化学教学和科研工作。Email: zfyang01@126.com。
李博,女,硕士研究生,1995年出生,地球化学专业,主要从事环境地球化学研究。Email: 575746162@qq.com。
基金资助:
广西壮族自治区环境保护厅项目“广西典型土壤重金属生态地球化学研究”(桂环函[2018]275号);广西壮族自治区国土资源厅项目“广西土壤 Se、Ge、Cd 等元素异常成因与生态效应研究”(桂国土资函[2017]2676号)

Ecological Effect of A Typical Sulfide Deposit in Carbonate Area —Xijikeng Lead-Zinc Mine in Guigang, Guangxi

LI Bo¹(), YANG Zhongfang¹(), JI Wenbing¹, YU Tao², HOU Qingye¹, HE Haiyun¹, ZHANG Qizuan³, WU Tiansheng⁴, QIN Jianxun⁴

1. School of Earth Sciences and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
2. School of Science, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
3. Guangxi Bureau of Geology & Mineral Prospecting & Exploitation, Nanning,Guangxi 530023, China
4. Guangxi Institute of Geological Survey, Nanning,Guangxi 530023, China

Received:2020-07-10 Revised:2020-08-22 Online:2020-10-28 Published:2020-10-29
Contact: YANG Zhongfang

摘要/Abstract

摘要：

硫化物矿床开采的环境污染效应与围岩性质有密切关系,碳酸盐岩类围岩能在一定程度上中和硫化物矿床开采形成的酸性矿山废水(AMD),从而降低酸性废水及重金属的污染危害。以广西贵港锡基坑硫化物矿床为研究区,系统采集了矿石、尾矿、废水、地表水、悬浮物、底积物及地下水样品,测定了重金属含量及pH值等理化指标,研究了岩溶区硫化物矿床开采的生态效应,以期为类似碳酸盐岩地区硫化物矿床开采的环境污染与生态危害评价、矿山环境保护提供科学依据。研究取得结论如下:(1)尾矿及废水样品中Cd、Pb等重金属含量较高,对矿区地表水及地下水质量构成一定的潜在风险;(2)硫化物矿床开采过程释放的重金属元素对矿区地表水有较显著影响,由于碳酸盐岩的中和作用,流出矿区后地表水、悬浮物及底积物中重金属含量迅速降低,重金属潜在风险处于轻微等级;(3)富含Cd、Pb等重金属的矿坑酸性积水,下渗过程中与碳酸盐岩中的Ca²⁺、$CO_{3}^{2-}$、$HCO_{3}^{-}$发生中和反应而沉淀,矿区地下水环境质量良好,除了尾矿库、矿坑水周边存在少量超标样品外,矿区周边村镇地下水质均未受到明显的采矿污染影响。可见,碳酸盐岩类围岩是重金属元素迁移的天然地球化学障,能有效降低硫化物矿床开采的环境污染风险。

关键词: 岩溶区, 铅锌矿, 重金属, 水体质量, 污染评价, 贵港市

Abstract:

The environmental pollution effect of sulfide deposit mining is closely related to the surrounding rock properties. To a certain extent, the surrounding rock of carbonate can neutralize the acid mine drainage (AMD) produced by sulfide mining, so as to reduce the harm of AMD and heavy metals. In this paper, Xijikeng sulfide mining area in Guigang, Guangxi is selected as the research area. In order to study the ecological effects of mining of sulfide deposits in carbonate areas, the samples of ores, tailings, wastewater, surface water, suspended solids, deposits and groundwater were collected systematically in the study area, and they were measured physical and chemical indicators such as heavy metals content and pH. It is expected to provide a scientific basis for ecological hazard assessment and environmental protection of mining of sulfide deposits in similar carbonate areas. The conclusions are as follows: (1) The content such as Cd, Pb and other heavy metals in tailings and wastewater samples are relatively high, which has a great potential risk to the surface water and groundwater in the mining area; (2) For the sulfide deposit in carbonate rocks, the release of heavy metals in the mining process has a significant impact on the surface water in the mining area. But due to the neutralization of the carbonate rocks, the dissolved, suspended and deposited content of heavy metals will decrease rapidly after the surface water flows out of the mining area, and the potential risk of heavy metals is at a slight level; (3)The deep pit water in the mining area is rich in heavy metals. During the infiltration process, due to the buffering effect of a large number of Ca²⁺, $CO_{3}^{2-}$,$HCO_{3}^{-}$ in the carbonate area, the groundwater environment quality of Xijikeng mining area is good. In addition to a small number of samples near the tailings pond and mine pit ponding in the mining area do not meet the standard, the groundwater quality of surrounding villages and towns is not affected by the mining area. It is shown that carbonate rock is the natural geochemical barrier of the migration of heavy metals, which can effectively reduce the environmental pollution risk of sulfide deposits mining.

Key words: carbonate area, lead-zinc mine, heavy metals, water quality, pollution assessment, Guigang City

中图分类号:

X142
TD167

李博, 杨忠芳, 季文兵, 余涛, 侯青叶, 何海云, 张起钻, 吴天生, 覃建勋. 典型岩溶区硫化物矿床——广西贵港锡基坑铅锌矿开采的生态效应[J]. 现代地质, 2020, 34(05): 957-969.

LI Bo, YANG Zhongfang, JI Wenbing, YU Tao, HOU Qingye, HE Haiyun, ZHANG Qizuan, WU Tiansheng, QIN Jianxun. Ecological Effect of A Typical Sulfide Deposit in Carbonate Area —Xijikeng Lead-Zinc Mine in Guigang, Guangxi[J]. Geoscience, 2020, 34(05): 957-969.

图/表 19

图1 研究区岩性简图[6,7]

Fig.1 Brief lithologic map of the study area

图2 锡基坑铅锌矿矿区环境

Fig.2 The mining environment in Xijikeng Pb-Zn mine

图3 研究区采样点位图

Fig.3 Sampling sites of the study area

图4 矿区水体样品采集环境

Fig.4 The environment of water sampling in the mining area

表1 研究区矿石与围岩化学成分

Table 1 Chemical components of ores and wall rocks samples in the study area

样品	元素指标	CaO	TFe₂O₃	MgO	S	As	Cd	Pb	Zn
矿石 (n=4)	最小值	12.03	0.26	9.00	4.24	259.0	164.0	4 190	57 100
	平均值	18.78	6.16	14.00	11.31	2 924.0	336.5	33 194	98 906
	最大值	25.82	19.46	18.24	20.96	6 257.0	528.0	82 395	146 000
围岩 (n=3)	最小值	29.38	0.13	20.42	0.12	4.40	0.10	20.00	60.00
	平均值	30.44	0.73	20.86	0.40	34.50	6.42	222.00	460.00
	最大值	31.46	1.32	21.46	0.94	66.40	15.10	466.00	916.00

表2 研究区尾矿元素含量(n=6)

Table 2 Element content of the tailings samples in the study area(n=6)

元素指标	CaO	TFe₂O₃	MgO	S	As	Cd	Pb	Zn
最小值	0.34	1.29	0.48	0.03	24.30	0.63	76.70	143.00
平均值	20.25	3.80	15.62	0.56	286.05	10.75	913.12	2 735.67
最大值	27.88	12.25	22.71	0.85	554.00	24.40	1 403.00	5 591.00
ΔC_i/%	7.81	-38.34	11.62	-95.01	-90.22	-96.80	-97.25	-97.23

图5 尾矿样品Cd、As与Zn相关关系图

Fig.5 Correlation diagrams of Cd, As and Zn in the tailings samples

表3 矿区水体化学指标特征(n=6)

Table 3 Characteristics of chemical indexes of water samples in the mining area(n=6)

样品号		Ca²⁺	S $O 4 2 -$	As	Cd	Pb	Zn	pH	水温/℃
DW1		113	351	0.000 9	0.020 0	0.027 0	7.54	7.46	32.70
DW2		915	2 159	0.002 7	0.000 9	45.600 0	0.24	11.74	31.90
DW3		666	1 572	0.001 8	0.000 9	46.600 0	0.61	11.81	34.90
DW4		62	263	0.004 8	0.000 3	0.001 4	0.04	7.38	29.90
DW5		25	18	0.002 7	0.000 1	0.001 5	<0.000 8	6.92	31.80
DW6		81	213	0.011 0	0.000 5	0.001 8	0.10	7.19	33.70
GB 25466—2010	直接排放	—	—	0.3	0.05	0.5	1.5	6~9	—
GB 25466—2010	间接排放	—	—	0.3	0.05	0.5	1.5	6~9	—

表3 矿区水体化学指标特征(n=6)

Table 3 Characteristics of chemical indexes of water samples in the mining area(n=6)

样品号		Ca²⁺	S $O 4 2 -$	As	Cd	Pb	Zn	pH	水温/℃
DW1		113	351	0.000 9	0.020 0	0.027 0	7.54	7.46	32.70
DW2		915	2 159	0.002 7	0.000 9	45.600 0	0.24	11.74	31.90
DW3		666	1 572	0.001 8	0.000 9	46.600 0	0.61	11.81	34.90
DW4		62	263	0.004 8	0.000 3	0.001 4	0.04	7.38	29.90
DW5		25	18	0.002 7	0.000 1	0.001 5	<0.000 8	6.92	31.80
DW6		81	213	0.011 0	0.000 5	0.001 8	0.10	7.19	33.70
GB 25466—2010	直接排放	—	—	0.3	0.05	0.5	1.5	6~9	—
GB 25466—2010	间接排放	—	—	0.3	0.05	0.5	1.5	6~9	—

表4 研究区地表水、悬浮物和底积物化学特征(n=7)

Table 4 Chemical characteristics of surface water, suspended solids and deposits in the study area (n=7)

水期	地表水	Ca²⁺	HC $O 3 -$	S $O 4 2 -$	As	Cd	Pb	Zn	pH值	水温/℃
枯水期	最小值	11.60	38.80	8.45	0.000 7	—	0.000 1	0.010 0	6.80	21.30
	平均值	35.73	117.51	20.21	0.003 9	—	0.000 5	0.017 0	—	—
	最大值	45.40	150.00	42.40	0.011 0	—	0.000 8	0.024 0	7.62	24.40
丰水期	最小值	13.20	33.20	4.91	0.001 6	0.000 1	0.001 7	0.001 1	6.57	29.00
	平均值	33.43	99.97	17.06	0.002 5	0.000 2	0.002 2	0.042 6	—	—
	最大值	46.40	146.00	38.60	0.003 7	0.000 4	0.002 4	0.150 0	7.83	32.90
水期	悬浮物	Cd	Pb	Zn	As	底积物	Cd	Pb	Zn	As
枯水期	最小值	0.85	45.29	190.90	27.45	最小值	0.31	25.60	82.90	15.20
	平均值	2.05	147.25	776.05	53.61	平均值	0.92	65.63	279.40	24.56
	最大值	4.84	385.70	1 955.50	129.40	最大值	1.93	124.0	587.00	34.40

表4 研究区地表水、悬浮物和底积物化学特征(n=7)

Table 4 Chemical characteristics of surface water, suspended solids and deposits in the study area (n=7)

水期	地表水	Ca²⁺	HC $O 3 -$	S $O 4 2 -$	As	Cd	Pb	Zn	pH值	水温/℃
枯水期	最小值	11.60	38.80	8.45	0.000 7	—	0.000 1	0.010 0	6.80	21.30
	平均值	35.73	117.51	20.21	0.003 9	—	0.000 5	0.017 0	—	—
	最大值	45.40	150.00	42.40	0.011 0	—	0.000 8	0.024 0	7.62	24.40
丰水期	最小值	13.20	33.20	4.91	0.001 6	0.000 1	0.001 7	0.001 1	6.57	29.00
	平均值	33.43	99.97	17.06	0.002 5	0.000 2	0.002 2	0.042 6	—	—
	最大值	46.40	146.00	38.60	0.003 7	0.000 4	0.002 4	0.150 0	7.83	32.90
水期	悬浮物	Cd	Pb	Zn	As	底积物	Cd	Pb	Zn	As
枯水期	最小值	0.85	45.29	190.90	27.45	最小值	0.31	25.60	82.90	15.20
	平均值	2.05	147.25	776.05	53.61	平均值	0.92	65.63	279.40	24.56
	最大值	4.84	385.70	1 955.50	129.40	最大值	1.93	124.0	587.00	34.40

图6 研究区地表水pH与Ca2+相关关系图

Fig.6 Correlation diagram of Ca2+and pH in surface water of the study area

图7 丰水期重金属在地表水中的迁移

Fig.7 Migration of heavy metals in surface water in flood season

表5 研究区地下水化学成分(n=20)

Table 5 Chemical components of groundwater samples in the study area(n=20)

	Ca²⁺	$S O 4 2 -$	$HC O 3 -$	As	Cd	Pb	Zn	水温/℃
最小值	26.30	14.10	98.90	0.000 4	0.000 1	0.000 4	0.001	24.50
平均值	82.08	59.17	242.60	0.003 5	0.000 9	0.026 3	0.077	—
最大值	121.00	126.00	394.00	0.013 0	0.010 0	0.510 0	0.540	32.50
Ⅲ类限值	—	≤250	—	≤0.01	≤0.005	≤0.01	≤1.00	—
Ⅳ类限值	—	≤350	—	≤0.05	≤0.01	≤0.1	≤5.00	—
Ⅴ类限值	—	>350	—	>0.05	>0.01	>0.1	>5.00	—

表5 研究区地下水化学成分(n=20)

Table 5 Chemical components of groundwater samples in the study area(n=20)

	Ca²⁺	$S O 4 2 -$	$HC O 3 -$	As	Cd	Pb	Zn	水温/℃
最小值	26.30	14.10	98.90	0.000 4	0.000 1	0.000 4	0.001	24.50
平均值	82.08	59.17	242.60	0.003 5	0.000 9	0.026 3	0.077	—
最大值	121.00	126.00	394.00	0.013 0	0.010 0	0.510 0	0.540	32.50
Ⅲ类限值	—	≤250	—	≤0.01	≤0.005	≤0.01	≤1.00	—
Ⅳ类限值	—	≤350	—	≤0.05	≤0.01	≤0.1	≤5.00	—
Ⅴ类限值	—	>350	—	>0.05	>0.01	>0.1	>5.00	—

图8 地下水Ca2+(左)、HCO3-(右)含量随采样深度变化规律

Fig.8 Variation of Ca2+ and HCO3- content in groundwater with sampling depth

图9 研究区井水超标点位示意图

Fig.9 Schematic diagram of groundwater samples exceeding limits in the study area

图10 研究区不同季节水体pH值

Fig.10 pH value of water samples in different seasons in the study area

表6 地累积指数、潜在风险指数分级标准

Table 6 Grading standards of geo-accumulation index and potential ecological risk index

I_geo	级数	污染程度	$E r i$	RI	生态危害
≤0	0	清洁	<40	<150	轻微
0~1	1	轻度	≥40~80	≥150~300	中等
≥1~2	2	偏中	≥80~160	≥300~600	强
≥2~3	3	中度	≥160~320	≥600~1 200	很强
≥3~4	4	偏重	≥320	≥1 200	极强
≥4~5	5	重度	—	—	—
≥5	6	严重	—	—	—

表6 地累积指数、潜在风险指数分级标准

Table 6 Grading standards of geo-accumulation index and potential ecological risk index

I_geo	级数	污染程度	$E r i$	RI	生态危害
≤0	0	清洁	<40	<150	轻微
0~1	1	轻度	≥40~80	≥150~300	中等
≥1~2	2	偏中	≥80~160	≥300~600	强
≥2~3	3	中度	≥160~320	≥600~1 200	很强
≥3~4	4	偏重	≥320	≥1 200	极强
≥4~5	5	重度	—	—	—
≥5	6	严重	—	—	—

图11 研究区悬浮物、底积物重金属地累积指数值

Fig.11 Geo-accumulation indexes of heavy metals in suspended solids and deposits in the study area

图12 研究区悬浮物、底积物的重金属生态风险

Fig.12 Ecological risk of heavy metals in suspended solids and deposits in the study area

图13 尾矿及底积物样品矿物组成 Apy.毒砂;Py.黄铁矿;Qtz.石英;Lm.褐铁矿。

Fig.13 Mineral composition of the tailings and deposits samples

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典型岩溶区硫化物矿床——广西贵港锡基坑铅锌矿开采的生态效应

Ecological Effect of A Typical Sulfide Deposit in Carbonate Area —Xijikeng Lead-Zinc Mine in Guigang, Guangxi

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