唐山—古冶土壤Se、Hg異常成因及生態(tài)效應(yīng)

王蔭楠

摘要：河北是礦業(yè)大省，各類礦產(chǎn)資源比較豐富，尤其是唐山地區(qū)，以鐵、煤礦為最。2007年，河北省地質(zhì)調(diào)查院在河北平原多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查中，在開灤煤礦區(qū)唐山-古冶一帶發(fā)現(xiàn)了以Se、Hg元素為主的多元素土壤地球化學(xué)異常。本文通過對唐山一古冶異常的環(huán)境背景、地球化學(xué)特征、異常成因及異常源分析、生態(tài)效應(yīng)評價(jià)等幾個(gè)方面進(jìn)行解釋。通過對異常的分析表明，冶煉、燃煤產(chǎn)生的大氣降塵是整個(gè)地區(qū)形成異常的主要原因。

關(guān)鍵字：地球化學(xué)異常；礦業(yè)活動(dòng)；大氣降塵

在世界范圍內(nèi)，礦業(yè)活動(dòng)是影響生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要因素。由于河北省冀東地區(qū)礦產(chǎn)資源豐富，礦業(yè)調(diào)查、開采活動(dòng)比較頻繁。在長期的礦山開采、礦石冶煉過程中，使成礦和伴生元素產(chǎn)生了顯著異常。另一方面，由于該區(qū)工業(yè)發(fā)達(dá)，大型工廠較多，且人口眾多比較密集，工業(yè)產(chǎn)生的廢水、廢氣及人為活動(dòng)也是異常產(chǎn)生的重要原因。2007年，河北省地質(zhì)調(diào)查院在河北平原開展多目標(biāo)地球化學(xué)調(diào)查，在唐山一古冶一帶發(fā)現(xiàn)以Se、Hg元素為主的多元素土壤地球化學(xué)異常。

1.異常地理位置

唐山一古冶異常位于冀東平原唐山市境內(nèi)。東經(jīng)118°2′—118°31′；北緯39°30′—39°50′。異?？偯娣e約900km2。異常區(qū)包括唐山市豐南區(qū)、唐山市城區(qū)及古冶區(qū)（見圖1-1）。

2.異常環(huán)境背景

河北是礦業(yè)大省，各類礦物資源較豐富，尤其是冀東的唐山地區(qū)。冀東鐵礦區(qū)是全國三大鐵礦生產(chǎn)基地之一，開灤煤礦更是久負(fù)盛名，它是河北省重要的煤炭生產(chǎn)基地。由于該區(qū)長期受到產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)特征影響，在煤礦開采過程中，形成了采煤塌陷區(qū)及具有有害化學(xué)元素的煤渣煤灰，大氣污染嚴(yán)重，對區(qū)域生態(tài)環(huán)境與建設(shè)造成巨大破壞。異常區(qū)內(nèi)唐山市為河北省重要工業(yè)城市，大型、超大型工廠眾多，許多工廠位于市區(qū)內(nèi)，每天排放大量工業(yè)廢氣，使大氣中布滿各類有害元素，大氣降塵污染嚴(yán)重。

3.異常地球化學(xué)特征

3.1異常元素分布特征

唐山一古冶異常主要由Se、Hg、S、orgC元素組成，也包含有Cd、Ph、Zn、U、sb等重金屬弱異常。其中Se面積達(dá)1028km²，走向北東，平均值0.53mg/kg，最高值3.0 mg/kg。Hg異常由兩部分組成，分別出現(xiàn)在唐山市和古冶鎮(zhèn)，異常總面積314km²；異常平均值62.53μg/&g，最高值280μg/kg。該異常區(qū)沿交通線分布，根據(jù)圖3-1可以明顯的看出se、Hg異常在古冶鎮(zhèn)東部非常吻合，應(yīng)為煤炭直接污染的結(jié)果。在唐山市南部和東部Se、Hg異常中心偏離，其異常成因應(yīng)為燃煤降塵所致。

3.2異常元素參數(shù)特征

根據(jù)表3-1可以看出唐山一古冶異常表層土壤Se、Hg含量值高于河北省平原土壤背景

值一倍以上；根據(jù)表3-2可以看出深層土壤中Se、Hg平均含量值與河北省平原區(qū)深層土壤

含量接近。說明異常為外來物資所致。Se、Hg兩元素的變異系數(shù)均大于0.2，說明異常含量有較大的離散性，為多處異常源的所致。

4.異常成因分析

4.1表層土壤水平剖面特征

布置南北向表層土壤水平剖面三條，剖面于南部到達(dá)正常區(qū)，取樣間距500米。Ⅲ號剖面布于異常中心古冶鎮(zhèn)，圖4-1為該剖面上Se、Hg、orgC含量變化折線圖。剖面土壤中Se、Hg含量均遠(yuǎn)大于異常下限，異常重現(xiàn)。同時(shí)，Se、Hg、orgC三者之間具有較為明顯的共消長關(guān)系，特別是Se與orgC之間的協(xié)同關(guān)系更為顯著?？梢?，Se、Hg異常與有機(jī)碳的關(guān)系十分密切。

4.2土壤垂向剖面特征

于異常中心區(qū)域布置垂向剖面2處，從T1-T2剖面元素含量變化趨勢如圖4-2所示。從圖中可看出，強(qiáng)異常元素Hg、Se、S等在表層土壤中的富集趨勢非常顯著，弱異常元素Cu、Ph、Zn也有一定的富集。無論是強(qiáng)、弱異常元素，在土壤60厘米以下的含量迅速降低，且基本保持平穩(wěn)。而常量元素Fe₂O₃及Al₂O₃的含量主要與土壤礦物組成有關(guān)，異常元素并未表現(xiàn)出與Fe₂O₃及Al₂O₃之間的共消長關(guān)系。從土壤剖面調(diào)查結(jié)果可知，異常元素與有機(jī)碳關(guān)系密切，且在表層土壤中富集，具人為源輸入特征。

5.異常源分析

異常出現(xiàn)在開灤煤田這一特殊的生態(tài)環(huán)境單元內(nèi)，且異常元素與煤炭的成礦元素有機(jī)碳的關(guān)系十分密切，初步推斷異?？赡芘c煤礦的開采有關(guān)。

為進(jìn)一步確定異常源，在異常區(qū)內(nèi)采集煤及煤矸石樣品各一件，分析結(jié)果列于表5-1。

從表5-1中可看出，煤及矸石樣品中，主要異常元素Se、Hg、S三元素都有特別高的含量，如Se含量分別為5.43mg/kg和1.27mg/kg，分別是區(qū)域土壤背景值的25.8和6倍。據(jù)研究，煤中含有較高的Se，如中國煤中Se平均含量為6.22mg/kg，是地殼克拉克值的89倍，因此，推斷異常區(qū)內(nèi)煤是異常元素的初始來源。

唐山市是著名的煤炭產(chǎn)地，煤炭開采歷史悠久。在長期的開采、運(yùn)輸?shù)冗^程中，使異常元素隨煤粉散落進(jìn)入地表土壤；加之工業(yè)和生活用燃煤，使得大量S、Se、Hg元素隨煙塵進(jìn)入大氣后，又降落于地面并累積。

6.異常生態(tài)效應(yīng)評價(jià)

6.1植物樣中異常元素含量

在異常區(qū)內(nèi)共采集6個(gè)玉米籽實(shí)及其根系土樣品，分析結(jié)果列表6-1中。

玉米與根系土含量之間未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性，玉米中異常元素的含量均未超過食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，且含量均很低，即該異常未對玉米這種糧食作物的食用安全性構(gòu)成威脅。

6.2淺層地下水重金屬元素含量

淺層地下水調(diào)查在本異常區(qū)內(nèi)共采集淺層地下水樣品11件，分析結(jié)果列表6-2。

從表中可看出，除個(gè)別樣品的zn元素外，其余各異常元素在地下水中的含量均未超過Ⅰ標(biāo)準(zhǔn)，即異常元素亦未對淺層地下水水質(zhì)產(chǎn)生明顯影響。

7.異常主要結(jié)論

唐山一古冶異常中表層土壤異常與有機(jī)碳關(guān)系密切，呈共消長關(guān)系。由于異常區(qū)內(nèi)長期進(jìn)行冶煉、煤炭開采，空氣污染嚴(yán)重，使強(qiáng)異常Se、Hg等元素在大氣降塵中高度富集，并降落地面，形成異常。加之異常區(qū)內(nèi)工業(yè)發(fā)達(dá)，人口眾多，工業(yè)廢物與生活垃圾也是形成異常的原因。異常帶中強(qiáng)異常元素在表層土壤中富集比較明顯，而在深層土壤中強(qiáng)異常元素迅速降低，土壤并沒有受到污染，具有人為源輸入的特征。異常區(qū)內(nèi)強(qiáng)異常元素并未對農(nóng)作物、地下水造成污染。但區(qū)內(nèi)空氣質(zhì)量較差，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量趨于下降。

在唐山—古冶異常中，Se元素異常面積比較大，強(qiáng)度比較高。除了在礦區(qū)中異常強(qiáng)度大外，在礦區(qū)外圍的農(nóng)田中也存在著Se異常。在異常區(qū)內(nèi)，各種有害元素及重金屬元素在糧食作物中并未超過食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，但Se元素含量偏高，可以考慮富硒農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)，充分利用各種礦山資源，將環(huán)境影響因子轉(zhuǎn)化為有利的農(nóng)業(yè)資源。