德兴铜矿对环境的影响与对策建议*

2013-04-04柳建平1赵元艺2王晓亮3璐2张光弟2

科学之友 2013年1期

柳建平1，赵元艺2，王晓亮3，路璐2，张光弟2

（1.中国地质大学（北京）海洋学院，北京 100083；2.中国地质科学院矿产资源研究所，北京 100037；3.中国地质大学（北京）地球科学与资源学院，北京 100083）

德兴铜矿是我国最大的斑岩型露天铜矿，包括铜厂、富家坞和朱砂红3个铜矿。Cu的保有资源量6.964×106t，Au的储量达580 t，为我国最大的露天开采铜矿山[1]。目前正在开采的铜厂和富家坞自1958年开始露天开采。德兴铜矿是我国的重要矿山之一，金属铜产量约占全国铜产量的1/5。2012年，江铜共生产1.20×106t铜精矿，为国民经济发展作出了巨大的贡献。

德兴铜矿经过多年的开采，产生了大量品位较低的矿石及废矿石，堆积在矿区的主要河流大坞河上游的祝家村、杨桃坞排石场。为了回收和利用低品位铜，矿山用硫杆菌和稀硫酸喷淋对排石场的矿石来浸取铜，在这个过程中产生了大量的酸性水。大坞河水影响到了下游有关地区[2-3]，致使下游重金属污染严重，并已经影响到鄱阳湖的底泥[4]。德兴铜矿地区的环境问题一直被很多学者所关注[5-13]，通过新闻媒体的报道也较为多见[14]，但是前人将污染的问题全部归结为矿山外排废水。笔者认为，德兴铜矿的环境污染问题除了矿山外排废水之外，还有矿床本身的原因[15-17]，要系统分析。矿山所在地的政府要在科学研究成果的理论指导下，引导相关地区的居民，采取积极的态度，尽量降低污染造成的影响，为建设和谐矿地关系与生态文明作贡献。

1 环境影响因素

1.1 地质因素

1.1.1 矿床矿物组成

德兴铜矿矿石的矿物成分达90种以上，其中金属矿物50多种，非矿物40多种。矿石中金属硫化物含量为4%～5%，其中黄铁矿、黄铜矿最多，主要的矿石矿物有黄铁矿、黄铜矿。其次是辉钼矿、砷黝铜矿、斑铜矿等。黄铁矿与黄铜矿是最为重要的两种硫化物。黄铁矿：FeS2，矿石中平均含量1%～5%，细脉浸染型矿石平均3%，类质同像混入物主要有Co、Ni及微量Cu、As、Se、Te、Au、Ag、Re等。黄铜矿：CuFeS2，平均含量 1%～2%，含 As、Au、Ag、Se、Te等微量元素。

1.1.2 原生地球化学异常

德兴铜矿的原岩、蚀变岩和矿体微量元素含量研究结果，Cu、Mo、Au、Ag、W、Sn等按矿体—蚀变岩—围岩递减。在接触矿体上出现Cu、Mo、Ag、Au浓集中心，并与矿体中心一致，矿体周边蚀变变质岩过渡带上出现Mn、Co、Pb、W、Sn元素异常，形成矿体—围岩的侧向分带。沿垂向从上向下Ag→Cu→Mo→W、Sn逐渐减少。

1.1.3 次生地球化学异常

德兴铜矿的次生地球化学异常呈北西向带状和环状复合展布，面积约 25 km2。外围由 Pb、Zn、As、Ni、Co、Mn等元素组成，呈条带状分布于矿田边缘蚀变岩和未蚀变浅变质岩过渡带上。内部带由 Cu、Mo、Ag、W、Sn、Bi等元素组成，呈面状或零星分布于矿体所在部位。铜厂采场有面积大、浓度高、形状规则的Cu、Mo、Ag异常，且有Ni、Sn、Bi异常相伴，表明矿体已剥蚀较深。

1.1.4 自然地理与地形条件

德兴铜矿处于亚热带多雨的江南丘陵地区，气温较高，降水充沛。矿区所在地坡度较大，地下水流动快。矿体大多在山脊，很容易被风化淋滤。中国的南方地区多为酸雨，在这种自然条件下，Cu和Fe等金属易于淋滤、迁移和富集。矿区的山脉多为北东走向，大坞河的源区由流经矿区的3条水系构成，将其分割为南山和北山两部分。矿区地势较低缓，东西之间被大坞河河谷切割。因此本区容易造成酸性淋滤和Cu、Fe等元素流失，并向大坞河方向迁移，影响大坞河流域的环境。

1.1.5 矿山开采前对环境释放元素总量

矿山开采前，形成矿体为中心的朱砂红－铜厂－富家坞北西向土壤 Cu、Mo、Pb、Zn、W、Sn异常和 Cu2+、SO42-、pH水化学异常，沿大坞河水系分布，异常面积在20～25 km2之间。笔者通过系统的计算，得知矿床开采前对环境释放Cu和S分别约2.1×104t和7.6×104t，Mo流失941 t。因此，Cu和S对环境贡献明显，而Mo对环境的影响相对较小。矿山开采前或初期，在人工影响较小的情况下，矿石（或岩石）经过自然风化剥蚀淋滤和成土成壤作用，土壤中保存的Cu的重量，相当于矿（岩）石Cu流失量的1/3，其余2/3的Cu沿大坞河—乐安河—鄱阳湖流域流失。

因此，德兴铜矿在开发之前，就已经向环境释放了大量的重金属元素，这是矿床的环境属性[18]的体现。

1.2 开采历史与开采方式

早在唐代，德兴铜矿的铜厂矿区（古称铜山）已开始开采铜矿，至今累计开采时间长达500余年，我国解放前最高年产量达2.5×104kg，留下的甚多老窟，最大的采空区长22m，宽17m，高4m，这在大坞河的源头即大坞头至今还可见到，其具有重大的科普价值，应该予以保护，但是老窟中流出的废水对周围环境还是有一定的影响。

德兴铜矿成立于1958年8月，此后开始了大规模的开发。1971年，铜厂铜矿转入露天开采；1980年，南山矿段投入生产，选矿工艺为浮选法。开采的废石堆放于南山和北山两个废石场，南山堆放厂利用堆浸法生产高纯度电解铜，其中的酸性废水当水位上涨时排入大坞河，对沿岸地区产生影响。大山子和泗洲镇选厂现每日处理矿石2.0×105t，尾砂连同选矿废水排入4#尾砂库。尾砂经分离后，堆积成尾砂坝，4#尾砂坝规模浩大，为“亚洲第一坝”。部分废水由坝基浸出流入小溪，最终汇入乐安河。在选矿过程中使用的浮选剂（黑药和黄药）可能造成的有机污染问题也有研究，如史蓉蓉[19]研究了大坞河至乐安江水体中浮选剂被污染情况，发现黑药和黄药在酸性和高温条件下较易分解，大坞河与乐安江汇合口下游1 000m处浮选剂的影响已减至很弱，而枯水期矿山酸性废水几乎断流，导致大坞河也受到碱性废水中浮选剂的污染。

德兴铜矿富含黄铁矿，黄铁矿是自然界分布最广、数量最多的硫化物。开采过程中剥离的废石露天堆存于采场周围的废石场。在适宜的条件下，废石与周围环境通过一系列的化学反应及其在微生物的催化作用下，使释放的硫氧化形成酸。其中，黄铁矿经系列复杂的氧化还原反应可简单地以下列反应式表示：

Fe2+可以进一步被氧化为Fe3+，并消耗一部分H+，化学反应式为：

Fe3+一方面可以作为氧化剂进一步氧化黄铁矿，另一方面也可以水解形成Fe（OH）3沉淀并释放出更多的H+：

其总的化学反应过程可以表示为：

另外，黄铜矿是德兴铜矿区最主要的有用矿物，占原生矿石中铜矿物含量的90%以上。其在自然界的化学反应式为：

可以看出，黄铜矿的氧化过程虽然没有产生H+而造成矿山酸性废水污染，但其产生的大量可溶性Cu2+是造成矿山重金属环境污染的主要来源。对含铜废石进行细菌浸出试验研究，认为利用细菌的作用对低品位硫化铜矿石进行浸出，能有效地促进硫化铜矿物中铜的浸出，提高铜浸出率[20]。因此，德兴铜矿的硫化物在自然条件和酸性水的作用下，产生酸性水和重金属元素，对环境产生影响。

2 矿山废水的影响范围

矿山自身生成的废水与外排的废水沿着大坞河等河流顺流而下，影响到相关地区，但是究竟影响到河床及两侧的什么位置，前人并无明确的结论。笔者开展了系统的野外观察和样品采集与测试，本文从第四纪地质与地貌即河流阶地的角度，对此问题进行了研究。

河流阶地是河流下切侵蚀，使原先的河谷底部（河漫滩或河床）超出一般洪水位，呈阶梯状分布在河谷谷坡的地形。河流阶地由低处往高处，分别称为一级阶地、二级阶地等。在乐安河支流大坞河与浮溪河，有3～5级阶地发育，其中第一、二级阶地比较发育，占据支谷底部的大部分地面，且十分平坦，成为农田与村庄的主要所在地。但高阶地沉积物保存不易，仅第三级阶地的红土砾石层见于浮溪河谷中的社村与灯上村两处。

现代河床与河漫滩系由松散的砂砾石堆积构成，其高出河面一般不超过6m。因经常受洪水淹没，故未在其上进行农业种植，其局部地段的沉积物被作为建筑物的沙石料开采。第一级阶地（T1）：由松散的上部砂层与下部的砾石堆积物组成的堆积阶地，其顶部仅发育风化程度很低的灰黑色土壤层高出河面6～15m。第一级阶地的阶地面十分平坦，因有时会被较大的洪水淹没，故只被开垦成为该地区的主要农田，基本上没有村庄建于其上。该阶地在乐安河沿岸分布十分广泛。第二级阶地（T2）：由于往往分布在第一级阶地之后，大多通过砖厂的取土坑而仅见其上部的堆积物，在顶部的棕色黏土质古土壤层之下，阶地沉积物为棕黄色，发育有弱网纹状构造的粉、细砂质黏土层，向下渐变为棕黄色黏土质细砂层，其特点是沉积物没有显示出红的色调。据调查，约在10m之下，沉积物渐变为松散的砂层，再往下则为砾石层。因目前尚未见到第二级阶地之下的基岩，故第二级阶地大多数应为堆积阶地，其高出河面12～22m。第二级阶地的阶地面也很平坦，且很少会被洪水淹没，故乐安河沿岸的大多数村庄建于其上。该阶地在乐安河沿岸分布也十分广泛，如海口、湖田、浮溪口、曹门、太白、下沽口、新村、水东洲、水东等地。除了村庄之外，也被开辟为农田或砖瓦厂制作砖的黏土土质来源。

我们近10年的研究结果表明，大坞河酸性水的主要影响范围为现代河床与河漫滩和一级阶地，二级阶地以上的地区基本未受影响。

3 矿山开发对农作物的影响

经对第一、二级阶地上种植的稻谷籽实（大米）和小白菜采用国家粮食和蔬菜的国家标准进行重金属的环境质量评价，结果表明，大米在一级阶地的铜和镉超标样品占一级阶地样品数的40%和30%，二级阶地铜和镉超标比例分别为21.4%和17.8%。小白菜中的铜和砷超标数占一级阶地样品数的92%和33.3%，而二级阶地分别为33.3%和50%。

两个阶地上的大米和小白菜相比，大米对重金属的富集系数（即大米的元素含量与对应土壤元素含量的比值）相对较小，而小白菜对镉元素的富集系数达到非常高的水平。各种重金属元素的富集系数，大米中Cu的变化范围为1.06~38.9；Pb的变化范围为0.16~1.18，Cd的变化范围为19.02~255.56，As的变化范围为0.6~3.02，Hg的变化范围为0.47~14.56，Cr的变化范围为0.05~0.18。小白菜中Cu的变化范围为3.67~43.56，Pb的变化范围为1.43~12.25，Cd的变化范围为52.5~1 730.0，As的变化范围为1.23~42.19，Hg的变化范围为0.47~80.56。大米和小白菜的这种重金属元素富集系数的差异，是由于不同植物生长期间吸收重金属的能力不同所致。

4 对策建议

4.1 矿山

鉴于杨桃坞和朱家村排石场是德兴铜矿酸性水的主要来源，需要认识到其治理的长期性和艰巨性，在制定规划和措施以及建设治污工程时要立足于这一观点。

治理大坞河，源头治理是根本，清污分流是关键。由于大坞河上游3条水系都穿越了废石场和采场，也就是说这些废石场和采场都属于大坞河的上游汇水区，它们给酸性水的产生和迁移提供了充足的水动力条件。因此，为了降低大坞河中酸性水的总量，建议矿山将这3条水系的水在流经废石场和采场之前分流出去，不要和这些地方的酸性水混合，达到清污分流，降低酸性水库的压力。

尽量提高电解铜厂的生产能力，使生产的酸性水全部用于生产。确需外排酸性水时，通过已经完成的废水处理厂以碱性水中和，确保pH值升高到国家规定值后再外排；也可在丰水季节pH达标后外排。

4.2 当地居民

德兴铜矿对环境的影响在开发之前就已经存在，德兴地区的土壤中的重金属元素多数已经超过国家种植农作物土壤的标准，再加上自唐朝至今断断续续的开采，导致矿山地区的环境问题确实存在，大坞河的河床和河漫滩以及一级阶地已经被严重污染，这些地方种植的农作物部分重金属元素超标。因此，建议在一级阶地上不要再种植任何食用植物，但是可以种植竹子等非食用作物。在二级阶地上，尽管未受到矿山废水的污染，但是其背景值过高，可以选择种植吸收重金属能力弱的农作物，如水稻，但是不宜种植吸收重金属能力强的农作物，如小白菜。

5 结论

德兴特大型铜矿床为影响环境的原始源，矿山开发之前对环境释放Cu和S分别约2.1×104t和7.6×104t，Mo流失941 t。土壤中保存的Cu量，相当于矿（岩）石Cu流失量的1/3，其余2/3的Cu沿大坞河—乐安河—鄱阳湖流域流失。废石排放场和低品位矿石酸性堆淋是大坞河流域酸性水和重金属污染的人工污染源。德兴铜矿的环境问题是自然因素（矿床矿物组成、原生地球化学、次生地球化学、自然地理与地形条件）和人工因素（开采历史与开采方式）复合的结果。

大坞河酸性水主要影响的范围为现代河床与河漫滩和一级阶地，二级阶地以上的地区基本上未受影响。

建议对矿山进行源头治理，清污分流；提高电解铜厂的生产能力，外排酸性水要通过酸碱中和或稀释达标后排放。当地居民不要再一级阶地种植任何食用植物，可以种植竹子等非食用作物；可在二级阶地上继续种植水稻，但是不宜种植小白菜。

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