柳建平1，趙元藝2，王曉亮3，路 璐2，張光弟2

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）海洋學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)科學(xué)院礦產(chǎn)資源研究所，北京 100037；3.中國地質(zhì)大學(xué)（北京） 地球科學(xué)與資源學(xué)院，北京 100083）

德興銅礦是我國最大的斑巖型露天銅礦，包括銅廠、富家塢和朱砂紅3個銅礦。Cu的保有資源量6.964×106t，Au的儲量達580 t，為我國最大的露天開采銅礦山[1]。目前正在開采的銅廠和富家塢自1958年開始露天開采。德興銅礦是我國的重要礦山之一，金屬銅產(chǎn)量約占全國銅產(chǎn)量的1/5。2012年，江銅共生產(chǎn)1.20×106t銅精礦，為國民經(jīng)濟發(fā)展作出了巨大的貢獻。

德興銅礦經(jīng)過多年的開采，產(chǎn)生了大量品位較低的礦石及廢礦石，堆積在礦區(qū)的主要河流大塢河上游的祝家村、楊桃塢排石場。為了回收和利用低品位銅，礦山用硫桿菌和稀硫酸噴淋對排石場的礦石來浸取銅，在這個過程中產(chǎn)生了大量的酸性水。大塢河水影響到了下游有關(guān)地區(qū)[2-3]，致使下游重金屬污染嚴重，并已經(jīng)影響到鄱陽湖的底泥[4]。德興銅礦地區(qū)的環(huán)境問題一直被很多學(xué)者所關(guān)注[5-13]，通過新聞媒體的報道也較為多見[14]，但是前人將污染的問題全部歸結(jié)為礦山外排廢水。筆者認為，德興銅礦的環(huán)境污染問題除了礦山外排廢水之外，還有礦床本身的原因[15-17]，要系統(tǒng)分析。礦山所在地的政府要在科學(xué)研究成果的理論指導(dǎo)下，引導(dǎo)相關(guān)地區(qū)的居民，采取積極的態(tài)度，盡量降低污染造成的影響，為建設(shè)和諧礦地關(guān)系與生態(tài)文明作貢獻。

1 環(huán)境影響因素

1.1 地質(zhì)因素

1.1.1 礦床礦物組成

德興銅礦礦石的礦物成分達90種以上，其中金屬礦物50多種，非礦物40多種。礦石中金屬硫化物含量為4%～5%，其中黃鐵礦、黃銅礦最多，主要的礦石礦物有黃鐵礦、黃銅礦。其次是輝鉬礦、砷黝銅礦、斑銅礦等。黃鐵礦與黃銅礦是最為重要的兩種硫化物。黃鐵礦：FeS2，礦石中平均含量1%～5%，細脈浸染型礦石平均3%，類質(zhì)同像混入物主要有Co、Ni及微量Cu、As、Se、Te、Au、Ag、Re等。黃銅礦：CuFeS2，平均含量 1%～2%，含 As、Au、Ag、Se、Te等微量元素。

1.1.2 原生地球化學(xué)異常

德興銅礦的原巖、蝕變巖和礦體微量元素含量研究結(jié)果，Cu、Mo、Au、Ag、W、Sn等按礦體—蝕變巖—圍巖遞減。在接觸礦體上出現(xiàn)Cu、Mo、Ag、Au濃集中心，并與礦體中心一致，礦體周邊蝕變變質(zhì)巖過渡帶上出現(xiàn)Mn、Co、Pb、W、Sn元素異常，形成礦體—圍巖的側(cè)向分帶。沿垂向從上向下Ag→Cu→Mo→W、Sn逐漸減少。

1.1.3 次生地球化學(xué)異常

德興銅礦的次生地球化學(xué)異常呈北西向帶狀和環(huán)狀復(fù)合展布，面積約 25 km2。外圍由 Pb、Zn、As、Ni、Co、Mn等元素組成，呈條帶狀分布于礦田邊緣蝕變巖和未蝕變淺變質(zhì)巖過渡帶上。內(nèi)部帶由 Cu、Mo、Ag、W、Sn、Bi等元素組成，呈面狀或零星分布于礦體所在部位。銅廠采場有面積大、濃度高、形狀規(guī)則的Cu、Mo、Ag異常，且有Ni、Sn、Bi異常相伴，表明礦體已剝蝕較深。

1.1.4 自然地理與地形條件

德興銅礦處于亞熱帶多雨的江南丘陵地區(qū)，氣溫較高，降水充沛。礦區(qū)所在地坡度較大，地下水流動快。礦體大多在山脊，很容易被風(fēng)化淋濾。中國的南方地區(qū)多為酸雨，在這種自然條件下，Cu和Fe等金屬易于淋濾、遷移和富集。礦區(qū)的山脈多為北東走向，大塢河的源區(qū)由流經(jīng)礦區(qū)的3條水系構(gòu)成，將其分割為南山和北山兩部分。礦區(qū)地勢較低緩，東西之間被大塢河河谷切割。因此本區(qū)容易造成酸性淋濾和Cu、Fe等元素流失，并向大塢河方向遷移，影響大塢河流域的環(huán)境。

1.1.5 礦山開采前對環(huán)境釋放元素總量

礦山開采前，形成礦體為中心的朱砂紅－銅廠－富家塢北西向土壤 Cu、Mo、Pb、Zn、W、Sn異常和 Cu2+、SO42-、pH水化學(xué)異常，沿大塢河水系分布，異常面積在20～25 km2之間。筆者通過系統(tǒng)的計算，得知礦床開采前對環(huán)境釋放Cu和S分別約2.1×104t和7.6×104t，Mo流失941 t。因此，Cu和S對環(huán)境貢獻明顯，而Mo對環(huán)境的影響相對較小。礦山開采前或初期，在人工影響較小的情況下，礦石（或巖石）經(jīng)過自然風(fēng)化剝蝕淋濾和成土成壤作用，土壤中保存的Cu的重量，相當(dāng)于礦（巖）石Cu流失量的1/3，其余2/3的Cu沿大塢河—樂安河—鄱陽湖流域流失。

因此，德興銅礦在開發(fā)之前，就已經(jīng)向環(huán)境釋放了大量的重金屬元素，這是礦床的環(huán)境屬性[18]的體現(xiàn)。

1.2 開采歷史與開采方式

早在唐代，德興銅礦的銅廠礦區(qū)（古稱銅山）已開始開采銅礦，至今累計開采時間長達500余年，我國解放前最高年產(chǎn)量達2.5×104kg，留下的甚多老窟，最大的采空區(qū)長22m，寬17m，高4m，這在大塢河的源頭即大塢頭至今還可見到，其具有重大的科普價值，應(yīng)該予以保護，但是老窟中流出的廢水對周圍環(huán)境還是有一定的影響。

德興銅礦成立于1958年8月，此后開始了大規(guī)模的開發(fā)。1971年，銅廠銅礦轉(zhuǎn)入露天開采；1980年，南山礦段投入生產(chǎn)，選礦工藝為浮選法。開采的廢石堆放于南山和北山兩個廢石場，南山堆放廠利用堆浸法生產(chǎn)高純度電解銅，其中的酸性廢水當(dāng)水位上漲時排入大塢河，對沿岸地區(qū)產(chǎn)生影響。大山子和泗洲鎮(zhèn)選廠現(xiàn)每日處理礦石2.0×105t，尾砂連同選礦廢水排入4#尾砂庫。尾砂經(jīng)分離后，堆積成尾砂壩，4#尾砂壩規(guī)模浩大，為“亞洲第一壩”。部分廢水由壩基浸出流入小溪，最終匯入樂安河。在選礦過程中使用的浮選劑（黑藥和黃藥）可能造成的有機污染問題也有研究，如史蓉蓉[19]研究了大塢河至樂安江水體中浮選劑被污染情況，發(fā)現(xiàn)黑藥和黃藥在酸性和高溫條件下較易分解，大塢河與樂安江匯合口下游1 000m處浮選劑的影響已減至很弱，而枯水期礦山酸性廢水幾乎斷流，導(dǎo)致大塢河也受到堿性廢水中浮選劑的污染。

德興銅礦富含黃鐵礦，黃鐵礦是自然界分布最廣、數(shù)量最多的硫化物。開采過程中剝離的廢石露天堆存于采場周圍的廢石場。在適宜的條件下，廢石與周圍環(huán)境通過一系列的化學(xué)反應(yīng)及其在微生物的催化作用下，使釋放的硫氧化形成酸。其中，黃鐵礦經(jīng)系列復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)可簡單地以下列反應(yīng)式表示：

Fe2+可以進一步被氧化為Fe3+，并消耗一部分H+，化學(xué)反應(yīng)式為：

Fe3+一方面可以作為氧化劑進一步氧化黃鐵礦，另一方面也可以水解形成Fe（OH）3沉淀并釋放出更多的H+：

其總的化學(xué)反應(yīng)過程可以表示為：

另外，黃銅礦是德興銅礦區(qū)最主要的有用礦物，占原生礦石中銅礦物含量的90%以上。其在自然界的化學(xué)反應(yīng)式為：

可以看出，黃銅礦的氧化過程雖然沒有產(chǎn)生H+而造成礦山酸性廢水污染，但其產(chǎn)生的大量可溶性Cu2+是造成礦山重金屬環(huán)境污染的主要來源。對含銅廢石進行細菌浸出試驗研究，認為利用細菌的作用對低品位硫化銅礦石進行浸出，能有效地促進硫化銅礦物中銅的浸出，提高銅浸出率[20]。因此，德興銅礦的硫化物在自然條件和酸性水的作用下，產(chǎn)生酸性水和重金屬元素，對環(huán)境產(chǎn)生影響。

2 礦山廢水的影響范圍

礦山自身生成的廢水與外排的廢水沿著大塢河等河流順流而下，影響到相關(guān)地區(qū)，但是究竟影響到河床及兩側(cè)的什么位置，前人并無明確的結(jié)論。筆者開展了系統(tǒng)的野外觀察和樣品采集與測試，本文從第四紀(jì)地質(zhì)與地貌即河流階地的角度，對此問題進行了研究。

河流階地是河流下切侵蝕，使原先的河谷底部（河漫灘或河床）超出一般洪水位，呈階梯狀分布在河谷谷坡的地形。河流階地由低處往高處，分別稱為一級階地、二級階地等。在樂安河支流大塢河與浮溪河，有3～5級階地發(fā)育，其中第一、二級階地比較發(fā)育，占據(jù)支谷底部的大部分地面，且十分平坦，成為農(nóng)田與村莊的主要所在地。但高階地沉積物保存不易，僅第三級階地的紅土礫石層見于浮溪河谷中的社村與燈上村兩處。

現(xiàn)代河床與河漫灘系由松散的砂礫石堆積構(gòu)成，其高出河面一般不超過6m。因經(jīng)常受洪水淹沒，故未在其上進行農(nóng)業(yè)種植，其局部地段的沉積物被作為建筑物的沙石料開采。第一級階地（T1）：由松散的上部砂層與下部的礫石堆積物組成的堆積階地，其頂部僅發(fā)育風(fēng)化程度很低的灰黑色土壤層高出河面6～15m。第一級階地的階地面十分平坦，因有時會被較大的洪水淹沒，故只被開墾成為該地區(qū)的主要農(nóng)田，基本上沒有村莊建于其上。該階地在樂安河沿岸分布十分廣泛。第二級階地（T2）：由于往往分布在第一級階地之后，大多通過磚廠的取土坑而僅見其上部的堆積物，在頂部的棕色黏土質(zhì)古土壤層之下，階地沉積物為棕黃色，發(fā)育有弱網(wǎng)紋狀構(gòu)造的粉、細砂質(zhì)黏土層，向下漸變?yōu)樽攸S色黏土質(zhì)細砂層，其特點是沉積物沒有顯示出紅的色調(diào)。據(jù)調(diào)查，約在10m之下，沉積物漸變?yōu)樗缮⒌纳皩樱偻聞t為礫石層。因目前尚未見到第二級階地之下的基巖，故第二級階地大多數(shù)應(yīng)為堆積階地，其高出河面12～22m。第二級階地的階地面也很平坦，且很少會被洪水淹沒，故樂安河沿岸的大多數(shù)村莊建于其上。該階地在樂安河沿岸分布也十分廣泛，如?？?、湖田、浮溪口、曹門、太白、下沽口、新村、水東洲、水東等地。除了村莊之外，也被開辟為農(nóng)田或磚瓦廠制作磚的黏土土質(zhì)來源。

我們近10年的研究結(jié)果表明，大塢河酸性水的主要影響范圍為現(xiàn)代河床與河漫灘和一級階地，二級階地以上的地區(qū)基本未受影響。

3 礦山開發(fā)對農(nóng)作物的影響

經(jīng)對第一、二級階地上種植的稻谷籽實（大米）和小白菜采用國家糧食和蔬菜的國家標(biāo)準(zhǔn)進行重金屬的環(huán)境質(zhì)量評價，結(jié)果表明，大米在一級階地的銅和鎘超標(biāo)樣品占一級階地樣品數(shù)的40%和30%，二級階地銅和鎘超標(biāo)比例分別為21.4%和17.8%。小白菜中的銅和砷超標(biāo)數(shù)占一級階地樣品數(shù)的92%和33.3%，而二級階地分別為33.3%和50%。

兩個階地上的大米和小白菜相比，大米對重金屬的富集系數(shù)（即大米的元素含量與對應(yīng)土壤元素含量的比值）相對較小，而小白菜對鎘元素的富集系數(shù)達到非常高的水平。各種重金屬元素的富集系數(shù)，大米中Cu的變化范圍為1.06~38.9；Pb的變化范圍為0.16~1.18，Cd的變化范圍為19.02~255.56，As的變化范圍為0.6~3.02，Hg的變化范圍為0.47~14.56，Cr的變化范圍為0.05~0.18。小白菜中Cu的變化范圍為3.67~43.56，Pb的變化范圍為1.43~12.25，Cd的變化范圍為52.5~1 730.0，As的變化范圍為1.23~42.19，Hg的變化范圍為0.47~80.56。大米和小白菜的這種重金屬元素富集系數(shù)的差異，是由于不同植物生長期間吸收重金屬的能力不同所致。

4 對策建議

4.1 礦山

鑒于楊桃塢和朱家村排石場是德興銅礦酸性水的主要來源，需要認識到其治理的長期性和艱巨性，在制定規(guī)劃和措施以及建設(shè)治污工程時要立足于這一觀點。

治理大塢河，源頭治理是根本，清污分流是關(guān)鍵。由于大塢河上游3條水系都穿越了廢石場和采場，也就是說這些廢石場和采場都屬于大塢河的上游匯水區(qū)，它們給酸性水的產(chǎn)生和遷移提供了充足的水動力條件。因此，為了降低大塢河中酸性水的總量，建議礦山將這3條水系的水在流經(jīng)廢石場和采場之前分流出去，不要和這些地方的酸性水混合，達到清污分流，降低酸性水庫的壓力。

盡量提高電解銅廠的生產(chǎn)能力，使生產(chǎn)的酸性水全部用于生產(chǎn)。確需外排酸性水時，通過已經(jīng)完成的廢水處理廠以堿性水中和，確保pH值升高到國家規(guī)定值后再外排；也可在豐水季節(jié)pH達標(biāo)后外排。

4.2 當(dāng)?shù)鼐用?/h3>

德興銅礦對環(huán)境的影響在開發(fā)之前就已經(jīng)存在，德興地區(qū)的土壤中的重金屬元素多數(shù)已經(jīng)超過國家種植農(nóng)作物土壤的標(biāo)準(zhǔn)，再加上自唐朝至今斷斷續(xù)續(xù)的開采，導(dǎo)致礦山地區(qū)的環(huán)境問題確實存在，大塢河的河床和河漫灘以及一級階地已經(jīng)被嚴重污染，這些地方種植的農(nóng)作物部分重金屬元素超標(biāo)。因此，建議在一級階地上不要再種植任何食用植物，但是可以種植竹子等非食用作物。在二級階地上，盡管未受到礦山廢水的污染，但是其背景值過高，可以選擇種植吸收重金屬能力弱的農(nóng)作物，如水稻，但是不宜種植吸收重金屬能力強的農(nóng)作物，如小白菜。

5 結(jié)論

德興特大型銅礦床為影響環(huán)境的原始源，礦山開發(fā)之前對環(huán)境釋放Cu和S分別約2.1×104t和7.6×104t，Mo流失941 t。土壤中保存的Cu量，相當(dāng)于礦（巖）石Cu流失量的1/3，其余2/3的Cu沿大塢河—樂安河—鄱陽湖流域流失。廢石排放場和低品位礦石酸性堆淋是大塢河流域酸性水和重金屬污染的人工污染源。德興銅礦的環(huán)境問題是自然因素（礦床礦物組成、原生地球化學(xué)、次生地球化學(xué)、自然地理與地形條件）和人工因素（開采歷史與開采方式）復(fù)合的結(jié)果。

大塢河酸性水主要影響的范圍為現(xiàn)代河床與河漫灘和一級階地，二級階地以上的地區(qū)基本上未受影響。

建議對礦山進行源頭治理，清污分流；提高電解銅廠的生產(chǎn)能力，外排酸性水要通過酸堿中和或稀釋達標(biāo)后排放。當(dāng)?shù)鼐用癫灰僖患夒A地種植任何食用植物，可以種植竹子等非食用作物；可在二級階地上繼續(xù)種植水稻，但是不宜種植小白菜。

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