北京萬(wàn)莊金礦區(qū)土壤重金屬及巖石空間分布特征

姚世廳，馬征征，楊全合

（1.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)總公司，北京 100050；2.北京市地質(zhì)勘察技術(shù)院，北京 100120）

隨著社會(huì)的不斷提速，人類對(duì)資源的需求越來(lái)越大，增加了礦床的開(kāi)采，這也間接的打破了社會(huì)自然與人類自身和諧的平衡，礦床的開(kāi)采不僅將有用成分造福人類，也必將地下的有害礦物暴露于地表環(huán)境，增加了有害重金屬向環(huán)境中的釋放。目前，礦山開(kāi)采引發(fā)的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都給予了廣泛關(guān)注。我國(guó)重點(diǎn)煤礦區(qū)土壤重金屬的分布特征和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)也有很多研究，結(jié)果表明煤礦區(qū)土壤的重金屬有不同程度的污染，對(duì)人類健康可能存在一定風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文針對(duì)北京萬(wàn)莊金礦田及尾礦庫(kù)的土壤及巖石進(jìn)行調(diào)查研究，主要研究土壤中重金屬于巖石的空間分布特征進(jìn)行分析，以期為北京市的重金屬污染防治及礦山修復(fù)工作提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

萬(wàn)莊金礦位于平谷縣城直距17.1公里的劉店鄉(xiāng)孔城峪村。平均海拔高度260米。礦區(qū)內(nèi)植被發(fā)育較弱，覆蓋率在40%左右。平谷—塘子公路通過(guò)礦區(qū)，交通方便。此礦相傳唐代已開(kāi)采，至建國(guó)前均由私人采金。解放后先后由平谷縣礦務(wù)局、市冶金局等多個(gè)部門開(kāi)采，采礦方式為地下開(kāi)采。采礦能力1.5萬(wàn)噸/年，選礦能力1.5萬(wàn)噸/年。該礦于二十世紀(jì)八十年代已停止開(kāi)采[1-3]。

1.2 樣品采集

在工區(qū)范圍內(nèi)采集了4件礦硐外圍的長(zhǎng)城系碳酸鹽巖巖石和1件鐵帽樣品；并在表層采集了103件樣品，其中有57件主要采集在尾礦壩、渣土堆。

1.3 測(cè)試方法

將采集的樣品在常溫下風(fēng)干處理，使用瑪瑙研缽磨成細(xì)粉，稱取過(guò)100目木質(zhì)尼龍篩的土壤樣品0.2 g，并將放于104℃下恒溫干燥大約5小時(shí)的樣品放入鉑金坩堝中，采用硝酸—?dú)浞帷呗人崛嵯夥ǎň唧w操作規(guī)范見(jiàn)《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》）處理后用 Aanalyst 800型原子吸收光譜儀測(cè)定重金屬含量，元素測(cè)量誤差控制在5%以內(nèi)，并采用平行樣進(jìn)行質(zhì)量控制[4]。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

采用SPASS、Excel等相關(guān)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，運(yùn)用MapGIS進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像的處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 研究區(qū)巖石及其元素分布特征

2.1.1 巖石分布特征

該地區(qū)的巖石形成是太古代時(shí)期受構(gòu)造-熱事件影響，發(fā)生了麻粒巖相變質(zhì)作用和混合巖化作用，形成以片麻巖為主體的太古界巖石。自中元古代始，地殼由活動(dòng)轉(zhuǎn)為相對(duì)穩(wěn)定，北京密懷平地區(qū)廣泛沉積了中元古代濱海-淺海相以碎屑巖為主夾碳酸鹽巖的長(zhǎng)城系地層。工區(qū)內(nèi)出露地質(zhì)圖，見(jiàn)圖1。

圖1 萬(wàn)莊金礦工區(qū)地質(zhì)圖

表1 礦區(qū)土壤中重金屬含量（mg·kg-1）統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.1.2 巖石中元素分布特征

在工區(qū)范圍內(nèi)采集了4件礦硐外圍的長(zhǎng)城系碳酸鹽巖巖石和1件鐵帽樣品，分析部分元素含量可得：鐵帽是風(fēng)化后的堆積物，主要是硫化物礦床經(jīng)過(guò)地表化學(xué)、物理等方式氧化后殘留部分，在其堆積物里面含有帽狀的硅質(zhì)、粘土質(zhì)物質(zhì)。鐵帽的出現(xiàn)一般是尋找各種不同硫化物礦床的重要標(biāo)志。其中的含鐵物質(zhì)主要是褐鐵礦等的次生礦物以及一些原生礦物組成[5]。

2.2 土壤元素的分布特征與巖石空間關(guān)系

2.2.1 表層土壤元素重金屬含量

經(jīng)分析103件樣品中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn、Ni的含量。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表中的數(shù)據(jù)，重金屬元素平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、中位數(shù)等均用SPASS（17.0）進(jìn)行分析，表中的背景值是萬(wàn)莊工區(qū)不同巖性區(qū)域土壤元素背景值的均值。

從表1可以看出，萬(wàn)莊金礦區(qū)土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn和Ni的重金屬平均含量分別為0.345mg/kg，26.858mg/kg，0.321mg/kg，68.055mg/kg，30.879mg/kg，59.040ng/g，51.556mg/kg，89.450mg/kg和32.070mg/kg。根據(jù)中國(guó)土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB15618-1995），對(duì)比發(fā)現(xiàn)，說(shuō)明該地區(qū)的重金屬的積累比較嚴(yán)重。

2.2.2 土壤元素分布特征

根據(jù)元素含量制作土壤重金屬元素的含量地球化學(xué)圖。表明，該礦區(qū)土壤中Au、As、Cu、Pb、Zn、Sb等金屬元素表現(xiàn)出同步消長(zhǎng)關(guān)系，也與硫化物中S元素的地球化學(xué)分布極為相似，這也說(shuō)明了鐵帽的存在，元素含量在無(wú)礦硐的山坡上含量為最低。

這些元素在北山呈現(xiàn)為高度濃集狀態(tài)，反映北山可能為金銀等元素的礦床或礦化點(diǎn)，礦硐的存在也說(shuō)明礦點(diǎn)的存在，即這些元素的異常與與金銀礦的存在及開(kāi)采活動(dòng)密切相關(guān)；再其次是在工區(qū)南部的平谷區(qū)尾礦庫(kù)附近呈現(xiàn)為較高含量，該地區(qū)僅屬尾礦堆放，而且其使用年限遠(yuǎn)不及冶煉廠房與國(guó)家尾礦庫(kù)。

Cr、Ni元素的地球化學(xué)分布一致，在孔城峪村的北山、冶煉廠房、尾礦庫(kù)等地呈現(xiàn)為濃集區(qū)，但在北山的高值點(diǎn)與Au等元素并不相同，而且在孔城峪村西南方向的山坡上Cr、Ni也具有濃集中心，但Au等元素卻沒(méi)有，因此，Cr、Ni元素的分布與Au等存在差異，反映出兩者具有不同的地球化學(xué)成因。

2.2.3 土壤元素與巖石分布的空間對(duì)應(yīng)關(guān)系

萬(wàn)莊金礦區(qū)的巖體形成時(shí)代較老，長(zhǎng)城系的大量的地層在山區(qū)都有出露，常見(jiàn)的組主要包括大紅峪組、高于莊組、常州溝組、串嶺溝組等，另有少量的太古界片麻巖系地層，村莊位于山溝平地，為第四系覆蓋層。

在工區(qū)孔城峪村莊的北山巖石中，由Au、Cu、As、Pb、Ni等組成硫化物的元素富集比較多，這些元素的高含量是因?yàn)樵摰貐^(qū)的長(zhǎng)城系團(tuán)山子組、大紅峪組及高于莊組地層的層間虛脫構(gòu)造及斷裂中賦存有金銀等元素的礦化。

2.2.4 工區(qū)土壤與各巖性區(qū)域土壤元素背景值特征

在所采集的土壤樣品中，重點(diǎn)測(cè)試了Au、Ag、As、Sb、Pb、Cu、Zn、Hg、Cd、Cr、S、Ni、Fe等項(xiàng)元素與指標(biāo)中，部分樣品測(cè)試了其它39項(xiàng)元素，統(tǒng)計(jì)了各元素與指標(biāo)的含量平均值與背景值。①元素背景值與全市平原區(qū)的比較：用平谷萬(wàn)莊地區(qū)土壤元素的背景值與北京市平原區(qū)土壤元素背景值進(jìn)行比對(duì)，比值高于1.15的元素有Au、Cd、As、Ag、Pb、Hg、Fe2O3、Cu、Ni、Cr、Zn等11項(xiàng)，占所測(cè)指標(biāo)的74%。其中以Au元素的比值為最高，達(dá)5.6，表明本工區(qū)土壤金元素具有很高的背景，與該地區(qū)賦存金礦的特點(diǎn)相一致。②元素背景值與全市山區(qū)水系沉積物的比較：將萬(wàn)莊地區(qū)土壤元素背景值與全市山區(qū)水系沉積物進(jìn)行比較，在29項(xiàng)可比較的元素中，比值高于1.15的元素有Au、As、Ag、Sb、Pb、Cd、Cu、Zn、Cr、Fe2O3、Ni等11項(xiàng)，占全部項(xiàng)目的69%，即工區(qū)土壤大多數(shù)元素都處于高背景狀態(tài)。

3 結(jié)論

（1）礦區(qū)土壤中As、Cd、Cr、Cu、Hg、Pb、Zn和Ni的重金屬平均含量為0.345mg/kg，26.858mg/kg，0.321mg/kg，68.055mg/kg，30.879mg/kg，59.040ng/g，51.556mg/kg，89.450mg/kg和32.070mg/kg。

（2）礦區(qū)的五件巖石樣分析測(cè)試得出，鐵帽中組成硫化物礦物的多種元素含量異常高，As、Cd、Cu、Zn、Pb等元素含量是白云巖的3～1400倍，其中As元素顯著富集，地質(zhì)背景中已經(jīng)存在。而Ni、Cr元素含量甚至低于白云巖，表明硫化物礦物中這些元素呈貧化狀態(tài)。