QYW鈾礦山地質環境問題及原因探析

彭文彪，羊海文

(1.湖南省核工業地質調查院， 湖南 長沙 410011；2.湖南核工業巖土勘察設計研究院， 湖南 長沙 410011)

0 引 言

閉坑的QYW鈾礦山地處雪峰山脈的北端,湘中資水中游。礦山及影響區面積約7 km2，有行政村6個,總人口約6千人。該礦山在役期間(1974-1986)開采包括5個工業礦段(208、202、207 、216和175地段)[1]，共產出礦石約64.5×104t。1991年開始實施為期7年的退役環境治理，耗資2882萬元，進行了坑(井)口的封堵、建筑物、廢石場、工業場地的處置、污染農田整治和改水。2006年湖南省國土資源部門對該礦區進行了后續治理[2]，總投資420萬元。

1 地質及背景

1.1 地質

礦區主要出露上元古界板溪群五強溪組(Ptbnw)、震旦系長安組+富祿組(Z1c+f)、大塘坡組+金家洞組(Z2d+j)、留茶坡組(Z21)、寒武系牛蹄塘組+污泥塘組(∈1n+w)、探溪組(∈2t)等地層，震旦系-寒武系為黑色巖系。

鈾礦床產于由震旦系—寒武系組成的單斜構造中，北東向的層間擠壓破碎帶(共4條)是含礦帶。含礦層位主要為寒武系下統牛蹄塘組+污泥塘組(∈1n+w)，其次為震旦系上統大塘坡組+金家洞組(Z2d+j)，礦體呈透鏡狀、似層狀、囊狀，產狀與地層、構造產狀基本一致。礦石類型為破碎“富炭泥巖”，以破碎炭質泥(板)巖、破碎泥灰巖、破碎硅板巖、破碎硅質巖為主，礦石呈浸染狀和角礫狀。鈾在礦石中主要是分散吸附狀態，少量呈鈾礦物(鈣鈾云母、銅鈾云母、鈾黑及瀝青鈾礦)形式存在。伴生的Ga、Ni、Cd、Cu、Mo元素達到綜合利用標準。

1.2 礦山三廢狀況

1958年在礦區發現鈾礦隨即進行勘探， 1964～1966年民間采鈾進行土法練鈾，中低品位鈾礦石和共、伴生礦被棄，1974～1986年間礦山生產期間固體廢物迅速積累，范圍不斷擴大。

廢石：現存廢石場(含工業場地)36個，廢石總量87.36×104t，占地總面積約0.14 km2。經退役治理和后續治理，廢石場現在一般穩固，表層均有土層覆蓋保護。

廢水：礦山開采期產生的廢水直排于河溪，受影響的主要有YMC溪(流量4.5 l/s)、LCP溪(15.0 l/s)、LWL溪(前二者匯合處以下段，流量20 l/s)和 SBD 溪(流量0.5 l/s)，LWL溪并入YX河(最大流量28270 l/s，最小203 l/s)，以上所有河、溪最終匯入ZX水庫(見圖1)。現低位坑(如175、207地段)仍有礦坑水溢出，礦坑水直排于近處的河溪。

廢氣：開采期間礦山主要氣載廢物為氡，經治理監測、檢測氡析出率符合國家要求，大氣氡濃度未見明顯異常 ，廢氣對環境影響小。

2 主要地質環境問題

2.1 土壤環境

2.1.1 土鈾污染

統計[3]表明：廢石U濃度范圍值(9.86～328)×10-6，一般為(15.05～99.77) ×10-6，平均59.94×10-6，其構成為圍巖和尾礦石；土壤U濃度范圍值(4.28～162.30)×10-6，平均值(X)為12.49×10-6,標準差(σ)為7.37×10-6，礦區土壤U背景值明顯較高，是湖南省平均水平[4](5.18×10-6)的2.4倍，是U克拉克值[5](2.7×10-6)的4.6倍。

采用內梅羅指數評價礦區土壤污染，由于國家

圖1QYW鈾礦山地質環境調查綜合成果

1—板溪群五強溪組 2—震旦系長安組+富祿組 3—震旦系大塘坡組+金家洞組 4—震旦系留茶坡組 5—寒武系牛蹄塘+污泥塘組 6—寒武系探溪組 7—地層界線 8—土(巖)采樣點及樣號—9-污染河溪水采樣點及樣號 10—礦坑(溢)水 11—廢礦坑位置 12—土壤鈾污染警界線區 13—土壤鈾輕度污染區 14—土壤鎘污染區 15—土壤鈾污染分區代號及級別(Ⅱ,警戒線) 16—土壤鈾污染分區代號及級別(Ⅲ，輕度)。

標準《土壤環境質量標準》(GB15618-2008) 中未涉及U標準值，本次以數理統計的X+2σ(增高異常)為相對標準值(27.23×10-6)。

結果表明：土壤鈾輕度污染(Ⅲ)3處，即：Ⅲ1、Ⅲ2和Ⅲ3，分布在208至202地段、207地段及HJA地段，礦業活動劇烈，面積約0.50 km2(見表1)；處于警戒線(Ⅱ)2處，即：Ⅱ1和Ⅱ2，分布在XJP地段(儲礦場)和YC地段，為礦業活動相關地帶，面積約0.29 km2；其余均為安全(Ⅰ)，分布在礦業活動之外地段或礦業活動相對較弱地段。

表1 礦山土壤鈾污染級別與程度

2.1.2 土鎘污染

礦區土壤pH值平均為5.0。

農田(原種水稻、蔬菜)近0.38 km2范圍遭受了重度鎘污染，污染范圍為LCP溪、YMC溪流經礦山段及其匯流后的LWL溪等河溪的兩岸農田。土壤Cd濃度范圍值為0.34～89.1 mg/kg，平均值為17.9 mg/kg，改種(桑樹)后為11.6 mg/kg，與《土壤環境質量標準》(GB15618-2008)對照，改種前土壤Cd平均水平為第二級標準值(0.25 mg/kg)的71.6倍(即單項污染指數(Pi)為71.6)，改種后，土壤平均水平為第二級標準值的46.4倍(即平均單項污染指數(Pi)為46.4)，改種前后Cd平均水平均處于重度污染之上。

2.2 水環境

礦區主要流域包括YMC溪、LCP溪、SBD溪、HJ溪、XJ溪、LWL溪和YX河,均受到了不同程度的污染(見表2)。以鎘污染、酸性水污染、鈾污染等為主要形態，局部還存在鋅污染，產生原因為礦坑水排放、礦渣廢石場淋濾水。

2.2.1 pH值及水質

礦區地表水pH值范圍為4.0～6.5，4≤pH<5.5以下水點分布在LCP溪至LWL一帶和SBD一帶，其他地段水點pH值6～6.5。礦坑坑道溢水pH為4.0～5.5。《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)pH值標準值為6～9，《農田灌溉水質標準》(GB5084-2005)pH值標準值為5.5～8.5，根據以上標準評判，LCP溪(207礦坑水排放以下)、LWL溪(YMC溪與HJC溪匯合處以下)及SBD溪(216地段)均不符合前者的要求，部分不符合后者的要求。

礦區地表水水質類型較為復雜，主要有：H-C·M、S-C·M、S-M·C、S·H-C·M、S·H-C型水。

礦坑水水質類型為S·H-C和S-M·C型，硫酸根離子濃度較高，分別達132.18 mg/l和1440.38 mg/l。207地段礦坑水(s008)和175地段礦坑水(s001)均為典型的酸性礦坑水(AMD)，其pH值低，富硫酸根，排放口以下的LCP溪全部沉淀有褐紅色絮狀沉淀物；SBD溪(s026)主要受216地段廢石淋濾水補給，該溪水同樣pH值低，富硫酸根，水中沉淀有大量白色絮狀物，明顯具酸性礦坑水的特征。

表2 礦山地表水污染程度

注：U的單位為μg/l，Cd和Zn的單位為mg/l。

礦坑水和廢石淋濾水既是酸性礦坑水，又含有多鐘有毒有害的重金屬元素，是礦山水環境污染的源項。

2.2.2 水鈾污染

檢測的水U濃度范圍：<0.1～2090.0 μg/l，變幅大，相差5個數量級。最低值為溪流水，最高值為礦坑水。低點分布在LCP溪水(207礦坑水排放以上段)及FP溪水；高點分布在流經礦山廢石場，坑口排放點以下的河、溪流水。由于現行標準無U標準值，評價水鈾污染時采用地下水U濃度X·σ2(增高異常值)作為相對標準值(0.61 μg/l)。

礦坑水和廢石淋濾水單項鈾污染指數(Pi)達42.6～3426.2。流經采礦區的地表水系單項鈾污染指數(Pi)為3.8～107.2，礦區主要河、溪均遭鈾重度污染。

2.2.3 水鎘污染

207坑道排水為鎘污染高含量排放點，水Cd濃度是標準值的51.70倍(標準值為0.01 mg/l)。YMC水庫及水庫以下溪水、SBD溪(216地段)、YX河(匯合處)水Cd濃度均超出GB5084-2005標準限值，并達GB3838-2002標準(Ⅴ類水)標準限值。主要河溪均遭鎘污染，鎘單項污染指數(Pi)為1～18.20， 污染程度為輕度、中度和重度。

2.2.4 其它污染

207礦坑水和SBD溪水Zn濃度超出GB5084-2005和GB3838-2002標準(Ⅴ類水)限值，207礦坑水Zn濃度為6.38 mg/l ，達重度污染(Pi=3.16)；SBD溪(S026)水中Zn濃度為2.16 mg/l，達輕度污染(Pi=1.08)。

水系Pb濃度符合標準要求。

2.3 生物污染

根據資料[3],生物U濃度范圍值(0.003～2.31) ×10-6，農作物平均U濃度為0.13×10-6，禽畜類動物平均U濃度2.15×10-6，動物比植物U濃度高出數量級。按照《食品中放射性物質限制濃度標準》 (GB14882-94)估算，每年每成人從糧食中攝入U濃度為47.45 mg，標準年攝入量限值(ALI)為551 mg(成人)，此單項為ALI的8.6%，考慮其他攝入源(如飲水和其他食物)所占份量，此單項攝入份量仍具一定安全性。

礦區農作物(稻米、大豆、蔬菜、紅薯、柑桔、油茶)Cd濃度范圍值為0.000055～9.36 mg/kg，單類均值0.0011～2.57 mg/kg。參照《食品污染物限量》(GB2762-2005)對食品鎘限量(稻米、大豆0.2 mg/kg)的規定，最大均值污染指數(Pi)達12.6，峰值污染指數(Pi)達46.8，生物鎘嚴重超限，礦區鎘的生物效應突出。

3 原因剖析

礦區污染產生的原因有內部和外部因素。黑色巖系(又稱黑色頁巖)是土壤的母質，同時也是原始污染源，自然狀態下，某些重金屬元素如Cd、U、Mo、Ni、V等在土壤中富集，達到了污染程度；污染的地表水灌溉農用地，疊加了二次污染,使得污染物不斷積累；礦業活動加劇了污染范圍和程度。

3.1 黑色巖系是土壤的原始污染源

(1) 巖石主要微量和常量元素。黑色巖系富含微量元素,分布有Cd、Ni、Mo、V、Cu、Zn、U、Se、Au、Ag、稀土(REE)和鉑族元素(PGE)等元素[7￣12]。礦山及周邊分布的震旦系-寒武系地層是黑色巖系，巖石中U、V、Mo、Ni、Cu、Pb和S元素為克拉克值的數倍-數十倍，濃度克拉克值為1.6(Pb)～51.42(S)，表明這些元素在地質體中相對集中，且具高背景特征 (見表3)。礦山圍巖Cd濃度[13]平均為34×10-6，Cd克拉克值為0.2×10-6，其濃度克拉克值為1700，表明Cd在礦區集中程度最高。

表3 礦區周邊黑色巖系(震旦系-寒武系)元素濃度

注：S和 G有機:ω(B)×10-2;其余:ω(B)×10-6.

(2) 礦石及廢石重金屬元素。鈾在礦石中主要是分散吸附狀態，少量呈鈾礦物形式存在。鈾礦石品位(430～1900)×10-6。 Ga、Ni、Cd、Cu、Mo元素達到綜合利用標準， Cd平均品位為146×10-6，鎘與鈾礦共生(不共體)，以硫鎘礦(CdS)形式存在。礦山開采中未對伴(共)生元素進行選冶，采出的其它礦原礦石進入廢石或廢渣中，Ga、Ni、Cd、Cu、Mo等元素不可避免地進入環境中。廢石U濃度范圍值(9.86～328)×10-6，平均為59.94×10-6，其構成一般為圍巖和尾礦石。礦石和廢石(渣)以及近礦圍巖濃集有多種重金屬元素，是礦區重金屬污染的源項。

(3) 土壤重金屬元素。一些學者[9，14，15]對礦區黑色頁巖、土壤污染、環境及其效應進行了研究,指出土壤因繼承母巖的元素富集特征而富集多種重金屬元素(V、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Mo、Cd、Sn、Sb、Ti、Pb、Th、U)。礦區 Mo、Cd、Sb和U富集最強(見表4)，與周邊巖石U、V、Mo、Ni、Cu、Pb相對集中現象相對應。土壤V、Cd、Zn、U和 Cu單值或平均值已超土壤第二級標準值或相對標準值(表4)，Cd 峰值污染指數(Pi)為4.0(重度)，平均污染指數(Pi)為1.0～3.0(輕-中度)；V峰值污染指數(Pi)為8.84，平均污染指數V為1.02～4.67(輕-重度)；Cu、Zn和U污染屬輕度。Mo、Ga和REE富集趨勢明顯，其濃度或許可達污染程度，表明礦區土壤存在多種類型的污染復合。表生作用下，自然狀態下土壤部分元素已達污染水平。

3.2 疊加的二次污染是土壤污染的又一途徑

土壤鎘有兩種來源[16]，一為成土母質，另一為污染(廢氣鎘擴散沉降累積和含鎘污水灌溉積累)。隨水流遷移到土壤中的鎘,可以被土壤吸附,吸附強度與底質粘性和有機質含量等因素有關。鎘一般在土壤表層積聚[17￣20]，礦區土壤耕作層(18 cm內)鎘含量高，較少向下遷移。污灌土壤中鎘存在明顯的累積性，鎘濃度與污染源強度、時間成正相關。

建礦前的民采和土法煉鈾開始產生水環境污染，礦山生產期間土壤環境污染和水環境污染不斷擴大，停產后雖不再直接產生新的土壤環境污染，但礦坑水和廢石淋濾水還持續影響水環境，LCP溪、YMC溪及其匯流后的LWL溪等實際為污水。礦山部分農田在1987年以前一直用以上河溪水灌溉，長期的污灌造成了農田鎘污染不斷積累。原狀土壤Cd平均污染指數(Pi)為1.0～3.0，為輕-中度(個別重度)，疊加了二次污染的土壤鎘平均單項污染指數(Pi)為71.6，為重度污染。疊加了二次污染的土壤Cd為原狀土壤的數十倍，污染程度十分嚴重。

3.3 礦業活動加劇了污染范圍和程度

礦業活動產生了廢石(渣)，廢石(渣)堆放在山谷、綠地，部分還侵占了山塘、河溪，在山洪、雨水等流水的沖刷下，一方面廢石在機械擴散，另一方面廢石中的有害有毒物質也在不斷淋浸、析出，從而使污染不斷擴散、遷移，污染形態也發生轉變。礦業活動加劇了礦石和巖石中硫化礦物的氧化作用，促進形成了酸性礦坑水(AMD)，礦坑水的排放進而污染河溪，污染的河溪水灌溉農田，又促進了土壤鎘(吸附性和難溶性)的積累，從而加劇了礦區土壤鎘污染程度。總之，經過原始態、建礦前、生產期和停產后的四個階段疊合，礦山土壤環境一直處于污染狀態。

表4 礦山土壤及巖石剖面主要重金屬元素濃度

注：表中元素:ω(B)×10-6;土壤樣為全剖面采樣,背景值為湖南省土壤(A層)算術平均值[4](中國環境監測總站，1990);元素濃度數據引自參考文獻[14].

4 討 論

4.1 關于標準值

(1) 現行的土壤環境質量標準無U準值，本文以數理統計的X+2σ(增高異常)為相對標準值，該值為湖南省土壤鈾背景值的5.3倍。而規范中Cd、Ni、V、Cu、Zn和Pb第二級標準值與湖南省背景之比為1.23(V)～2.69(Pb)，由此推測，采用此值作標準值可能略高，致土壤污染程度相對略低。

(2) 現行農田灌溉水質標準和地表水環境質量標準均無U度標準值，由于調查的地表水樣本數少，未進行數理統計。評價水鈾污染時采用地下水U濃度X·σ2(增高異常值)作為相對標準值，該值比湘江中游水U濃度[21](0.46 μg/l)和ZX水庫水U濃度[22](0.52±0.05 μg/l)略高,采用此值作標準值較適中。

標準值的選取是相對的，它會直接影響到污染評價的污染級別。

4.2 關于其它類污染

由于采樣分析的局限，分析的范圍不夠廣，另一方面土樣和水樣分析測試項目不一致，影響了污染的評價廣度，以致漏判，礦區實際上還存在多樣污染類型。

(1) 確認的其它類污染。很明顯，該礦區還存在其它類污染，如V和Cu。已知所有樣品土壤V平均濃度普遍高于第二級標準值(130×10-6)，單項污染指數(Pi)為1.02～4.67，污染程度為輕度-重度；大部分樣品土壤Cu平均濃度也高于第二級標準值(50×10-6)，單項污染指數(Pi)為1.02～1.09，污染程度為輕度。土壤V和Cu污染之前并未被發現和認知。

(2) 待確認的復合污染。表4所示，土壤Mo平均值(4.1～90.3)×10-6，為湖南省背景值(1.4×10-6)的2.93～64.5倍，由于現行規范未列入Mo第二級標準值，根據前述的分析，第二級標準值與湖南省背景值之比一般在1.23～2.69之間，前者遠高于后者，推測土壤Mo或已達到污染水平，污染程度可能較高。此外，土壤Ga和REE元素亦可能達警戒線或輕污染程度。Cd、Zn、Cu、Mo、V和Ni屬可遷移元素，均存在水溶性化合物形態，容易從土壤及其巖石中遷出，水遷移能力較強。推測礦區水環境可能還復合有V、Cu和Mo污染。

5 結 論

(1) 該閉坑鈾礦山地質環境問題主要為土壤環境污染和水環境污染，現已確認：土壤環境污染以鎘和鈾為主；水污染主要有鎘、鈾和鋅,采礦區附近溪水pH值不符合地表水環境質量標準。土壤中，鈾污染為輕度，鎘污染為重度；河溪水中，鈾污染為重度，鎘污染為輕-重度，鋅污染為輕度。調查認為該礦山土壤和水環境均可能存在其它元素復合污染。

(2) 礦區因土壤環境和水環境污染，引發了礦區生物污染，鎘生物效應突出。污染的地表水不適于農田灌溉，礦區不得不進行改種，并由此產生一系列連貫的社會問題，該礦山地質環境脆弱，問題突出，影響較大。

(3) 黑色巖系是土壤的原始污染源，疊加的二次污染是土壤污染的又一途徑。礦坑水和廢石堆淋濾水為酸性礦坑水，是水污染源項。礦業活動加劇了污染范圍和程度，經過原始態、建礦前、生產期和停產后的四個階段疊合，礦山土壤環境一直處于污染狀態，礦產資源的開發利用導致了水環境的污染。

(4) 湖南省是華南主要的黑色巖系分布區，其中的很多地段礦產資源十分豐富。黑色巖系礦產地的土壤可能存在原始污染，或合并有水環境的污染，該類礦山地質環境脆弱。合理規劃礦產資源的開發利用以及加強礦山地質環境保護與治理恢復工作是十分重要。

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