小秦岭金矿带矿山地质环境调查与防治研究——中国地质调查局西安地质调查中心成果

2017-04-28

20世纪80年代中后期至2000年间，由于社会环境保护意识不足，“先开发、后治理”，导致陕豫接壤的小秦岭金矿区矿业秩序混乱，生态环境遭到严重破坏。中国地质调查局西安地质调查中心在中国地质调查“小秦岭金矿带矿山环境地质问题调查与评价”项目的基础上，系统开展了小秦岭金矿区矿山地质环境问题调查及其防治技术研究，形成了多项原创性成果。查明了矿渣型泥石流地质灾害及其隐患分布与危害，研究了其成灾机理及防治模式；开展了矿区水土重金属污染及其环境效应防治技术研究。通过地质调查查明了主要矿山地质环境问题的现状与危害，通过科学研究、野外试验以及动态监测，深入揭示了矿山地质环境问题的形成机理，并据此提出防治技术。该成果是“小秦岭金矿区矿山地质环境问题调查 (1212010741003)”及国家自然科学基金项目“矿渣型泥石流起动机理与临界条件研究”（40872208）和国土资源行业科研专项“金矿区农田土壤重金属污染风险评估及阻断研究”（200811061）的共同成果。主要完成人有：徐友宁、张江华、陈华清、乔冈、柯海玲、刘瑞平、何芳、赵阿宁、杨敏。

一、主要成果

1．全面系统地查明了小秦岭金矿区59条矿渣型泥石流隐患沟。55.6%的矿渣堆挤占了2/3或全部支沟行洪通道；68%废渣堆没有拦渣护挡设施，稳定性差的渣堆占到总数的71%。构建了矿山泥石流易发性的9项评价指标体系，评价了59条矿渣型泥石流隐患沟的危险性大小，为矿山泥石流预防和治理提供了第一手调查数据。

2．系统地调查了重金属元素从金矿石中释放、在地表水及地下水中迁移转化及在农田土壤中累积的情况。铅、镉、铜、锌主要来源于含金石英脉矿石，汞则是选矿过程中的外源添加物。选矿、冶炼“三废”是水土环境的主要污染源。通过农田土壤重金属污染评价、不同污染方式影响下土壤垂向上重金属含量的变化研究以及农作物、水果、鸡内脏、人群头发重金属风险评估，揭示了水土环境重金属污染的严重性和治理的紧迫性。

3．查明和分析了10条水系及其底泥中重金属污染现状和变化趋势。10条水系中的9条水系丧失了三类水功能。汞、铅、镉、铜 和锌是底泥的主要累积元素，最大累积倍数分别为对照区的906.41、456.07、531.17、112.68 和97.63。底泥重金属含量是同地点河水的几千至十几万倍，河流底泥成为河水的重要二次污染源。底泥中重金属主要来自于尾矿渣中的重金属，底泥垂向剖面上重金属含量的年际变化一定程度上反映了矿业污染历史的变化。

4．查明了农业生产区地下水重金属及氰化物的污染现状，揭示了黄土分布区土壤污染对地下水影响较轻的机理。铜、锌、铅、汞、CN^-对浅层地下水影响较大，局部民用井水汞、铅、CN^-含量超过了国家地下水三类标准，部分地区机井水铬含量超标，严重危及群众健康。河床淤泥在一定程度上阻止了河水中重金属进入地下水。重金属在黄土区包气带中最大迁移深度60cm，深厚黄土层成为阻碍重金属元素下潜污染地下水的一大因素。

5．查明了农田土壤重金属的污染程度、时空变化及潜在生态风险。部分地区农田污染严重，主要超标元素是汞、铅、铜、镉和锌。

6．土壤污染区内小麦中汞超标普遍，部分玉米汞、铅、镉超标；叶菜类汞、铅100%超标，半数以上镉超标，部分地区已不适宜种植叶菜类蔬菜作物；果实类蔬菜中91.7%的样品汞超标；块根类蔬菜中汞、铅、镉均有超标，汞、铅、镉超标率分别为66.7%、25.0%、16.7%。农作物中重金属含量与土壤重金属有效态含量呈现一定的正相关关系。土壤有机质含量、酸碱度是控制重金属形态的主要因素。土壤重金属污染区农作物超标普遍。

7．水土环境污染区内人群头发中汞、铅、镉平均含量分别是对照区的7.81倍、6.75倍、4.20倍。2005—2009年，污染区人发中重金属含量仍持续累积。人体健康风险评价表明，土壤重金属污染程度愈重，人体健康风险愈高。地下水中的铬、土壤中的汞和受污蔬菜、粮食是危害人体健康的重要因素。

8．小秦岭金矿区矿山地质环境持续监测表明，重金属污染源在减少，地表水重金属及氰化物污染程度有所减弱，但矿山泥石流隐患依然严重；农田土壤中汞、铅、镉仍在累积，地下水重金属含量呈显增大趋势。

二、主要创新点

1．全面系统地查明了小秦岭金矿带金矿开发产生的主要矿山地质环境问题，获取了30 000余个第一手实际调查数据，形成了一批原创性成果。系统地查明了小秦岭金矿带2 000平方公里范围内的矿渣型泥石流、多环境介质（农田土壤、地下水、河水及其底泥）中重金属污染的现状和环境效应（农作物、蔬菜、水果、鸡内脏及人体健康），为科学防范矿渣型泥石流地质灾害、水土环境重金属污染区癌症高发提供了重要依据。调查数据直接支撑了灵宝市资源枯竭型城市矿山地质环境治理工程、陕西潼关资枯竭型城市地质环境治理示范工程，以及国家小秦岭金矿矿山公园、国土资源部野外科学观测研究基地的建设。

2．研究了矿渣型泥石流起动的临界条件，构建了堵溃型矿山泥石流成灾模式，提出了固渣、排水、疏浚行洪通道的防治新理念，为科学预防、治理矿渣型泥石流提供了理论与技术支撑。矿渣型泥石流是山地矿山危害最严重的人工泥石流，其形成机理及成灾模式显著不同于一般泥石流。矿山废石渣大于2毫米的粗颗粒占泥石流物源的93%，渣堆孔隙度大，连通性好，透水性强。通过上述参数的调查及野外废渣堆放水模拟起动试验，结合典型泥石流沟案例解剖，构建了堵溃型矿山泥石流的成灾模式，据此提出了拦渣、排水、疏浚行洪通道的矿渣型泥石流防治新理念，更好地指导了小秦岭矿山泥石流治理工程，避免了拦沟修建重力坝存在的问题：一是不经济、二是“零存整取”后续的灾害放大效应。

3．系统地揭示了小秦岭金矿区水土环境重金属污染的严重性及其人群健康环境效应，构建了评判矿区土壤重金属累积影响的方法，确定了土壤重金属总量、有效态含量与农作物含量之间的关系，为矿区水土污染早期预警与治理提供了理论支撑。查明了小秦岭金矿区水土环境中汞、铅、镉超标现状及趋势；提出了评判矿业活动对农田土壤重金属累积影响的对照值方法，确定了重金属环境污染与农作物风险的关系；以土壤综合污染区为对象，系统评价了土壤、地下水、农作物中重金属的人体健康风险，“菜篮子”“粮袋子”及人发重金属超标风险，认为人体健康风险超出可接受的水平，水土环境污染区可能成为新的癌症高发区。研究结果直接支撑了潼关金矿区水土环境预警及修复工程。

4．有毒重金属尾矿渣场安全经济复垦还田的创新技术方法，直接支撑了潼关县尾矿渣复垦还田示范工程，为消除尾矿渣环境污染、恢复耕地发挥了重要的科技支撑作用。通过不同污染方式下（大气污染、污水灌溉、河水灌溉、尾矿渣堆淋）农田、废弃尾矿渣场复垦还田的野外修复种植实验和室内盆栽试验，创建了含有毒重金属的尾矿渣场安全经济复垦还田的技术方法，即三合土隔离层、分层覆土、分层碾压的多重阻隔新思路、新技术、新工艺，阻隔了尾矿渣中的重金属通过毛细作用上升到耕作层，减低复垦还田覆土厚度，保障了尾矿渣复垦还田安全性。研究成果直接指导了陕西潼关金矿区地质环境的治理示范工程中废弃尾矿渣场复垦工作。

三、应用情况

利用翔实的矿山地质环境调查成果，成功申报了“河南灵宝市资源枯竭型城市地质环境治理重点工程”“陕西潼关金矿区地质环境治理示范工程”、陕西潼关县重金属污染防治等重点项目，累计获中央财政专项经费5.25亿元，促进了这两个资源枯竭型城市地质环境的改善。项目还编制了《贵金属矿山地质环境调查评价及恢复治理技术规范》和《1:5万矿山地质环境调查评价规范》，促进了矿区地质环境防治工作。

专家简介

徐友宁，1963年生，博士，三级研究员，中国地质调查局西安地质调查中心实验测试中心主任，国土资源部陕西潼关金矿区矿山地质环境野外科学观测基地主任。主要从事矿山地质环境调查、研究及防治工作。