摘要：地球化學(xué)的基本聯(lián)系；闡述了地球化學(xué)勘查方法和對(duì)尾礦、廢石以及礦山酸性廢水的治理的應(yīng)用；探討了美國(guó)在礦床的地球化學(xué)背景和基準(zhǔn)值、礦床地質(zhì)—環(huán)境模型應(yīng)用方面的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，并針對(duì)國(guó)情提出了一些其它防治礦山環(huán)境污染的地球化學(xué)方法。

礦產(chǎn)資源是人類生產(chǎn)資料和生活資料的基本來源之一，是發(fā)展國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。在我國(guó)，95％的能源、80％以上的工業(yè)原材料和70％以上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料都倚賴礦產(chǎn)開發(fā)供給，如冶金、化工、建材、農(nóng)業(yè)、電力、輕工、核工業(yè)等企業(yè)的主要原材料或燃料均來源于此。與此同時(shí)，礦產(chǎn)資源的開發(fā)和利用也給我國(guó)帶來了沉重的環(huán)境污染。

地球化學(xué)是研究地球的化學(xué)組成、化學(xué)作用和化學(xué)演化的科學(xué)，是地質(zhì)學(xué)與化學(xué)、物理學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生和發(fā)展起來的邊緣學(xué)科。地球化學(xué)主要研究地球和地質(zhì)體元素及其同位素的組成，定量地測(cè)定元素及其同位素在地球各個(gè)部分如水圈、大氣圈、生物圈、巖石圈和地質(zhì)體中的分布；研究地球表面和內(nèi)部及某些天體中進(jìn)行的化學(xué)作用，揭示元素及其同位素的遷移、富集和分散規(guī)律；研究地球乃至天體的化學(xué)演化，即研究地球各個(gè)部分，如大氣圈、水圈、地殼、地幔、地核中和各種巖類以及各種地質(zhì)體中化學(xué)元素的平衡、旋回，在時(shí)間和空間上的變化規(guī)律。從地球化學(xué)的角度看，現(xiàn)代人生活在兩個(gè)環(huán)境中。一是天然固有的地球化學(xué)環(huán)境，二是在自然環(huán)境上疊加了人類活動(dòng)的地球化學(xué)環(huán)境。就化學(xué)元素在地球各圈層中的循環(huán)而論，不論在哪個(gè)環(huán)境中，元素的分離、遷移、富集、固定都服從地球化學(xué)規(guī)律。運(yùn)用地球化學(xué)的原理和方法能夠較好地闡明污染物在環(huán)境中的遷移規(guī)律，有助于評(píng)價(jià)環(huán)境質(zhì)量、預(yù)測(cè)環(huán)境質(zhì)量變化趨勢(shì)；有助于了解自然環(huán)境對(duì)污染物質(zhì)的同化能力和承載量，進(jìn)而合理地利用自然凈化能力；有助于制定環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和制定改造已被污染了的環(huán)境的措施。

1 地球化學(xué)勘查方法

勘查,是資源開發(fā)的第一步,同時(shí)也是環(huán)境污染防治的第一步。這就要求礦產(chǎn)資源從一開始的勘探以及規(guī)劃和評(píng)價(jià)上就要給出準(zhǔn)確的信息、做出正確的判斷。

成礦物質(zhì)在成礦過程中會(huì)在圍巖中留下元素的遷移軌跡或在成礦以后通過分散在四周的巖石、土壤、水系沉淀物、水、植物及氣體中形成各種類型的地球化學(xué)分散模式，根據(jù)這些元素的變化軌跡或分散模式可以去追蹤和發(fā)現(xiàn)新的礦床，這就是地球化學(xué)勘查方法的理論原理。簡(jiǎn)而言之就是通過系統(tǒng)的測(cè)量天然物質(zhì)的地球化學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)各種類型的地球化學(xué)異常的一種調(diào)查方法?？辈榈厍蚧瘜W(xué)就是利用已有的大量資料，系統(tǒng)地研究巖石圈、水圈、生物圈、氣圈、土壤圈和技術(shù)圈（人類活動(dòng)造成的特殊圈）中元素的地理分布，并探討它們?cè)诤暧^與微觀尺度內(nèi)的分配與遷移機(jī)制。近年來地球化學(xué)勘查的應(yīng)用范圍在逐步擴(kuò)大，不僅可用于找礦，還可為解決環(huán)境污染、農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、地方病以及各種地質(zhì)問題提供有價(jià)值的資料。

當(dāng)前，礦山污染及礦產(chǎn)環(huán)境的綜合評(píng)估是國(guó)際勘查地球化學(xué)界關(guān)注的主要問題。建立在地球化學(xué)勘查技術(shù)基礎(chǔ)上的地球化學(xué)填圖項(xiàng)目可使勘查地球化學(xué)家開始以全球眼光來看待環(huán)境污染。我國(guó)在過去20多年的區(qū)域化探全國(guó)掃描計(jì)劃中，已經(jīng)取得了全國(guó)600多萬平方公里地區(qū)39種元素的3000多萬的高質(zhì)量的海量數(shù)據(jù)。目前，一些國(guó)家級(jí)別的科研項(xiàng)目都在有條不紊的進(jìn)行著，這些項(xiàng)目將對(duì)我國(guó)東部環(huán)境資源預(yù)測(cè)、西部資源勘查做出極大貢獻(xiàn)。還有一項(xiàng)很有意義的工作就是制作元素地球化學(xué)圖集，若是制成全國(guó)76種元素的地球化學(xué)圖集，將會(huì)為數(shù)字化地球、礦產(chǎn)資源評(píng)估、新類型資源與材料、環(huán)境監(jiān)控、土地利用及生命演化提供極有價(jià)值的資料。隨著技術(shù)的進(jìn)步，地球化學(xué)勘查可作為探求找尋大型至巨型礦床的新理論、新方法；以元素在土壤圈、巖石圈、水圈、生物圈中的分布背景，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的監(jiān)控；以元素在地球各圈中的遷移、聚集和分散為背景，結(jié)合基因工程與生物地球動(dòng)力學(xué)，發(fā)展新的地球化學(xué)工程學(xué)、植物及微生物治理技術(shù)。地球化學(xué)方法在礦產(chǎn)勘查中的地位還應(yīng)該從戰(zhàn)術(shù)性向戰(zhàn)略性轉(zhuǎn)變，使地球化學(xué)方法真正成為指導(dǎo)礦產(chǎn)勘查部署的戰(zhàn)略性武器。可以預(yù)見，地球化學(xué)勘查方法給礦山環(huán)境帶來的益處將是全面的。

2 尾礦、廢石和礦山酸性廢水的處理

尾礦和廢石是礦山的主要污染源，也是潛在的最大的“化學(xué)炸彈”。用地球化學(xué)的觀點(diǎn)來看，這些“炸彈”和之前的“資源”都是地球化學(xué)異常。若將尾礦壩或廢石堆看作是與出露礦體類似的異常源，那么在地表作用下，尾礦壩或廢石堆中的雜質(zhì)元素同樣也會(huì)進(jìn)入表生地球化學(xué)循環(huán)，在水系、土壤、植被或大氣中發(fā)生遷移、富集。這種表生地球化學(xué)遷移形成異常的機(jī)理與礦致異常的形成機(jī)理是相似的。因此，礦床次生富集帶的地球化學(xué)評(píng)價(jià)和次生暈、分散流、植物和大氣（包括壤中氣）等地球化學(xué)找礦評(píng)價(jià)方法可以用來研究采礦環(huán)境問題，并在此基礎(chǔ)上建立特定采區(qū)的環(huán)境地球化學(xué)模式，對(duì)采礦環(huán)境污染作出客觀的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)，并為防止污染和治理環(huán)境提供可靠的地球化學(xué)依據(jù)。

尾礦在氧化條件下的變化和對(duì)環(huán)境造成的影響，是地球化學(xué)方法首先要解決的問題。在瑞典，研究人員對(duì)一廢棄的銅礦山進(jìn)行了尾礦氧化的動(dòng)態(tài)地球化學(xué)作用追蹤。重點(diǎn)對(duì)不同時(shí)段地下水和地表水的化學(xué)、尾礦砂的化學(xué)和礦物學(xué)進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)尾礦池中硫化礦物的氧化進(jìn)程使堆積的尾礦砂形成了清晰的化學(xué)分帶，由上至下分別是氧化帶、次生高集帶、沉降帶和未蝕變帶。未被氧化的硅酸鹽礦物中的Al、Mg、K等無明顯變化，被氧化了的硫化礦物中的元素發(fā)生了明顯的貧化（如Ni、Li、Co、Zn、Cu和Cd），且硫化礦物氧化和風(fēng)化釋放的金屬基本滯留在尾砂中，僅有5％～10％的釋放金屬到達(dá)地表水系。由于大量未風(fēng)化尾礦的吸附作用，Zn、Cd、Co和Ni有可能被次生結(jié)合到尾礦上，Cu則在氧化前緣緊下方形成明顯富集帶。在接近地下潛水面區(qū)域的氧化帶，硫化物的氧化幾乎完全停止。富集的銅有可能被部分溶解，并隨地下水的運(yùn)動(dòng)遷移。氧化帶滲漏出的酸水也會(huì)促使被吸附的Zn、Cd、Co和Ni的再度溶解，并被搬運(yùn)走。因而在計(jì)劃重新利用尾礦砂時(shí)，必須高度重視其潛在的危害。

硫化物的氧化會(huì)帶來礦山酸性物質(zhì)的排放問題，但在特定條件下也會(huì)形成次生富集，有時(shí)還會(huì)形成有潛在經(jīng)濟(jì)價(jià)值的次生礦物。與此同時(shí)，硫化物礦物的氧化作用還是礦山水文環(huán)境中酸的主要來源，特別是含鐵硫化物。制約硫化物氧化作用的因素有很多，包括：1）與硫化物接觸的溶液pH值；2）礦物的化學(xué)性質(zhì)、表面積和形態(tài)特征；3）溶液中O2和Fe3＋的含量；4）溫度；5）硫化物與共存礦物的相互作用；6）微生物的影響。所以，研究廢石尾礦堆中的化學(xué)反應(yīng)和礦物氧化過程必須綜合考慮各種地球化學(xué)條件的制約。

在處理礦山酸性廢水時(shí)，常用的有選礦流程技術(shù)改造、中和法、硫化法、沉淀浮選法、萃取電積法以及人工濕地法，但是無論哪一種方法都無法在防治上達(dá)到一個(gè)完整、統(tǒng)一的高度。運(yùn)用地球化學(xué)，有助于更好地理解礦山酸性廢水產(chǎn)生的過程，彌補(bǔ)各種方法的不足。值得深入研究的有：1）在充分掌握水文和地質(zhì)環(huán)境的資料上，建立礦山酸性廢水的水文地球化學(xué)演化模型并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行模擬，這樣既可以預(yù)測(cè)或是預(yù)防礦山酸性廢水的發(fā)生，還可為治理酸性廢水帶來有針對(duì)性的指導(dǎo)；2）由于金屬污染的危害嚴(yán)重，因此對(duì)于礦山酸性廢水中的金屬形態(tài)的多變、其轉(zhuǎn)化過程和生態(tài)效應(yīng)的復(fù)雜，有必要在掌握地球化學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上進(jìn)行廣泛、細(xì)致的研究。

3 國(guó)外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)

隨著人們對(duì)環(huán)境問題的擔(dān)憂的升級(jí)，傳統(tǒng)型資源學(xué)面臨著生存危機(jī)。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的資源學(xué)家們及時(shí)改變思路，將研究領(lǐng)域由單純的資源勘查與評(píng)價(jià)調(diào)整為資源環(huán)境一體化研究，這不但改善了自己的生存問題，還提出了解決環(huán)境問題的新思路。環(huán)境礦床學(xué)的研究任務(wù)主要為：1）與開采或受擾動(dòng)的礦床環(huán)境作用相關(guān)的科學(xué)問題；2）為環(huán)境學(xué)家、公眾和政府制定環(huán)境條例提供科學(xué)依據(jù)。資源學(xué)家進(jìn)入環(huán)境領(lǐng)域，彌補(bǔ)了過去環(huán)境學(xué)家不了解礦床環(huán)境作用復(fù)雜性等的問題，而且資源學(xué)家了解礦床方面的所有問題，他們不僅可向其它學(xué)科、公眾和政府普及這方面的知識(shí)，讓礦山環(huán)境條例的制定更具科學(xué)性，為礦業(yè)生存營(yíng)造更輕松的環(huán)境，而且可為礦床開采過程中的環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)的指導(dǎo)性建議。具體工作有：

（1）礦床的地球化學(xué)背景和基準(zhǔn)值研究

從1995年開始，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局著手研究廢棄礦山和在產(chǎn)礦山描述土壤、沉積物、水體和生物群的地球化學(xué)背景或地球化學(xué)基準(zhǔn)值。主要工作有：1）主要停產(chǎn)和廢棄礦床區(qū)域基準(zhǔn)值的地球化學(xué)填圖；2）不同類型未開發(fā)礦床的區(qū)域和局部化學(xué)元素的基準(zhǔn)值調(diào)查，為評(píng)價(jià)采礦環(huán)境效應(yīng)提供參照對(duì)比資料。地球化學(xué)背景是未受人類活動(dòng)影響的自然物質(zhì)中元素的濃度。與此相反，基準(zhǔn)值則代表在人類活動(dòng)擾動(dòng)地區(qū)的元素濃度。地球化學(xué)基準(zhǔn)值要求確定地球表面和近地表環(huán)境受人類活動(dòng)，如城市化、農(nóng)業(yè)、采礦、廢棄物、工業(yè)污染或自然作用，如火山噴發(fā)、洪水、颶風(fēng)和沙塵暴影響的化學(xué)元素的自然豐度和空間分布。人類活動(dòng)導(dǎo)致的環(huán)境變化是疊加在不同的天然地球化學(xué)背景上，而背景區(qū)微量元素的豐度在很短范圍內(nèi)的變化可達(dá)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。地球化學(xué)背景和基準(zhǔn)值的研究，為我們了解地球表面和近地表元素豐度提供了基礎(chǔ)資料。這方面的知識(shí)將使科學(xué)家、土地管理者和環(huán)保專家更好地檢測(cè)由人類活動(dòng)或自然作用引起的環(huán)境變化，測(cè)量其影響強(qiáng)度，確定化學(xué)物質(zhì)的來源。成果可用于研究以下方面的問題：1）根據(jù)自然地球化學(xué)變化，能夠建立地質(zhì)介質(zhì)如土壤的環(huán)保“安全限”、“危害限”、“必須治理限”；2）土壤和農(nóng)作物的農(nóng)業(yè)地球化學(xué)基準(zhǔn)值，建立潛在有害元素活動(dòng)性和生物聚集模型；3）表生介質(zhì)化學(xué)元素含量過高和過低對(duì)人和動(dòng)物健康的影響。

（2）礦床地質(zhì)—環(huán)境模型

礦床地質(zhì)—環(huán)境模型（見下圖）是一種能夠表征某種類型礦床的環(huán)境性狀的地質(zhì)環(huán)境模型，可以較為系統(tǒng)地描述不同礦種、不同礦床類型的各種地質(zhì)屬性和特征對(duì)其附近水系沉積物、土壤、地表徑流、地下水和空氣等環(huán)境質(zhì)量的影響，同時(shí)可介紹金屬元素的遷移、擴(kuò)散對(duì)包括人類在內(nèi)的各種生物的影響，分析礦床地質(zhì)—環(huán)境模型要素可為解決重要的環(huán)境問題提供重要依據(jù)，是預(yù)測(cè)礦床和礦產(chǎn)開發(fā)會(huì)造成的環(huán)境影響的基本手段。這類模型以與礦床有關(guān)的自然作用和人為影響的描述性和經(jīng)驗(yàn)性研究成果為基礎(chǔ)。某一類型礦床的地質(zhì)環(huán)境模型不僅能夠表征采礦前的巖石、土壤、沉積物、水體的環(huán)境性狀，而且還能夠描述和預(yù)測(cè)該類礦床開采及其金屬加工可能造成的環(huán)境影響，如坑道的特征和規(guī)模、廢石特征和數(shù)量以及他們與環(huán)境間的相互作用。

該模型將地質(zhì)屬性納入環(huán)境概念的框架中，可以借助地理學(xué)的理論很好地闡釋環(huán)境結(jié)果，起到很好的預(yù)測(cè)和預(yù)防效果。受這個(gè)啟發(fā)，將思路延伸至地理科學(xué)的另外兩門重要分支—地質(zhì)災(zāi)害學(xué)和地理資源學(xué)，結(jié)合以往礦山開發(fā)活動(dòng)帶來的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，開發(fā)出兩個(gè)并列的或者附屬的模型。礦山活動(dòng)帶來的地質(zhì)災(zāi)害以采礦爆破誘發(fā)地震、崩塌、滑坡、泥石流、地面塌陷、地裂縫、水土流失、土地沙化、特殊技術(shù)層自燃、尾礦庫潰壩、瓦斯爆炸等作為要素；礦山活動(dòng)帶來的資源毀損以土地資源破壞、礦產(chǎn)資源自身破壞、植被資源破壞、生物多樣性破壞、地質(zhì)遺跡破壞、風(fēng)景景觀破壞、人文景觀破壞、礦產(chǎn)開發(fā)自身資源消耗等作為要素，同樣借助環(huán)境概念框架構(gòu)建模型，可以起到類似的預(yù)測(cè)預(yù)防效果。如果借助資源科學(xué)中的資源經(jīng)濟(jì)學(xué)手段，還可構(gòu)建一個(gè)以資源開發(fā)的經(jīng)濟(jì)分析，以利潤(rùn)—成本研究、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、不確定性、環(huán)境成本的外在化和資源價(jià)值的無形化、開礦床發(fā)的空間效應(yīng)等為中心規(guī)劃、決策型的模型。整合幾個(gè)模型，一個(gè)高度綜合的人口—資源—環(huán)境—發(fā)展的模型就得以構(gòu)建了。

4 結(jié)語

礦山與地表水環(huán)境、環(huán)境中的重金屬、環(huán)境中的有機(jī)污染物、土壤環(huán)境地球化學(xué)、痕量氣體及生物地球化學(xué)、環(huán)境地球化學(xué)與健康等地球化學(xué)的重要分支無疑都是礦山環(huán)境污染防治的良好幫手。地球化學(xué)支持還具備一個(gè)特別的意義，它還是礦山實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作?？梢韵嘈?，礦山的環(huán)境污染問題將會(huì)逐漸的倚賴地球化學(xué)。在礦產(chǎn)資源的勘查以及規(guī)劃與評(píng)價(jià)、尾礦和廢石處理、酸性廢水的處理等方面，國(guó)內(nèi)在地球化學(xué)方法上已經(jīng)有了一定的研究和應(yīng)用，在不斷的吸取和借鑒國(guó)外的教訓(xùn)和先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，地球化學(xué)在以下一些方面也會(huì)大有作為：

（1）金屬的釋放遷移規(guī)律及環(huán)境效應(yīng)；

（2）土壤及植物的環(huán)境地球化學(xué)研究以及退役礦山的生態(tài)恢復(fù)；

（3）特殊礦床環(huán)境效應(yīng)研究；

（4）礦山地質(zhì)以及環(huán)境災(zāi)害預(yù)測(cè)；

（5）礦集區(qū)流域性礦床環(huán)境綜合研究；

（6）結(jié)合資源、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)的礦產(chǎn)開發(fā)綜合模型等。

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