Recent Research and Development on Dissolution and Release of Contaminants in Mineral Products
-
摘要: 我国原矿、精矿消费量和尾矿产出量巨大，这些矿产品中有毒有害污染物的溶解释放(称为“溶出”)已经成为一个普遍存在的环境问题。本文阐述了目前国内外矿产品污染物溶出的研究现状，总结了研究矿产品中污染物溶出最常用的四种模拟试验方法(湿度室试验、淋滤柱试验、静态浸泡试验、萃取试验)的应用进展。湿度室试验可模拟自然风化过程，确定污染物溶出速率和产物；淋滤柱试验可模拟降水和喷淋过程，提供污染物吸附和解吸附动力学依据；静态浸泡试验可模拟被水浸泡过程，探明溶出规律和产物；萃取试验可对污染物进行形态分析，评估介质中污染物的流动性、稳定性等。污染物溶出的各种影响因素由强到弱依次是pH值、淋溶浸泡时间、温度、固液比、矿石粒径，多数情况下pH值越大、浸泡时间越长、温度越高、固液比越小、粒径越小越有利于污染物的溶出。溶出是一个长期和具有潜伏性的过程，其内部发生一系列物理化学反应，显示出与扩散效应不同的规律。目前这方面的研究对象还主要集中于废弃的尾矿，对经运输、堆放并在人类生活区使用的原矿、精矿产品的污染物溶出有待进一步研究，需要对其溶出污染进行预测和评估，采取有效措施控制和治理矿产品的污染。
Abstract: The consumption of raw ore and ore concentrate and the product of tailings are currently very high in China. The hazardous and toxic contaminants released from mineral products have become a general environmental problem. In this paper the components of contaminants in mineral products and recent research involving them is briefly introduced. The four different leaching simulation experiments of humidity cell, column, static immersion and extraction are discussed in this paper. The humidity cell experiment can simulate natural weathering reactions of products and determine the dissolution rates of contaminants and related products. The column experiment can simulate hydrometeor or drench conditions to provide the kinetic basis for both adsorption and desorption. The static immersion experiment can simulate immersion processing in water, in order to study the release law and related products. The extraction experiment can be used to conduct chemical morphological analysis for contaminants to evaluate the mobility and stability of contaminants in a medium. Various impact factors for contamination dissolution are summarized. Influencing factors in order of strong to weak were pH, leaching or soaking time, temperature, and solid-liquid ratio and ore particle size. In most cases, the higher the pH, the longer leaching or soaking time, the higher the temperature, the smaller solid-to-liquid ratio and the smaller the mineral products particle size, the easier to leach contaminants. Leaching of contaminants was found to be a long-term and latent process. There was a series of physical and chemical reactions that took place inside the products, which indicated the different leaching rules with the diffusion effect. At present, the object of this study is mainly focused on tailings, however, the leached contaminants from the stacked raw ore and ore concentrate products for human use need further research. Leached contaminants need to be predicted and assessed in order to take effective measures to control or manage pollution from mineral ores. -
我国铁矿石资源丰富，储量居世界第五位[1]；但是资源禀赋条件很差，贫矿多，富矿少，铁矿石平均品位只有33%，比世界铁矿石供应大国的平均品位低20%[2]。我国西北地区已探明铁资源量对国内铁资源总量的贡献较少，比重仅为4%，原因主要是在西北地区铁的勘查、研究程度较低、资源预测不足[3]。目前，经济的持续高速发展已经突显出我国铁矿石等战略矿产资源的短缺性，因此在勘查程度低的地区加强铁矿石资源找矿和研究，寻找大矿和富矿资源后备基地的任务紧迫。
近些年来，依托国家科技支撑计划等科研项目，一些矿床学工作者针对新疆阿尔泰南缘一带尤其是阿舍勒、冲乎尔、克兰、麦兹四个泥盆纪火山沉积盆地中分布的主要铁矿床成矿作用及其成矿规律、成矿潜力进行较为系统的研究，获得了较丰富的科研成果。除此之外，其他小型铁矿床(如库额尔齐斯)还没有得到较好关注。库额尔齐斯铁矿床位于新疆富蕴县境内，属一小型富铁矿床，代表区内一种铁成矿作用类型，研究和查清这类矿床的成矿作用、成矿机制，不仅可以为研究、总结区域铁成矿规律提供基础资料，也能为寻找同类型富铁矿床提供找矿方向。本文对库额尔齐斯铁矿床开展详细的野外地质调查，在此基础上，利用激光
剥蚀-多接收器电感耦合等离子体质谱法(LA-MC-ICP-MS)锆石精确定年技术和稳定同位素测试技术，进行年代学和硫同位素组成等特征的研究，探讨该铁矿成矿时代、成矿物质来源等，总结其成矿作用、成矿机制。
1. 区域地质背景
库额尔齐斯铁矿床产于准噶尔褶皱系北缘与阿尔泰褶皱系的接合带内，隶属阿尔泰造山带南缘南界附近。大地构造上位于哈萨克斯坦-准噶尔板块与西伯利亚板块之间的额尔齐斯构造混杂带(图 1)，南距额尔齐斯断裂不远，北侧与克兹加尔-特斯巴汗大断裂相邻。区域出露地层以古生界泥盆系、石炭系为主，其次为新生界第三系和第四系。区域岩浆活动频繁，海西中晚期侵入岩为主，花岗岩分布广泛，次为中基性岩体(如辉绿岩、辉绿玢岩、闪长岩、闪长玢岩等)，多呈岩脉、岩株、岩枝等形态产出。区内构造活动强烈，经多次构造变动，形成了一系列NW-SE向褶皱和断裂。在此基础上又叠加NWW、NNW向构造，形态复杂，成矿活动明显。
![]()
2. 矿床地质特征
矿区出露上石炭统喀喇额尔齐斯组(图 1)。地层陡倾，总体走向113°。该组可分为四个岩性段，第四岩性段为矿床赋矿层位，岩性主要为斜长片麻岩、角闪斜长片岩、变砂岩等。矿区较大型的断裂为北东向压扭性断裂，斜切并错断矿体。矿区西南部发育酸性侵入岩，以二长花岗岩、花岗斑岩为主。
铁矿体呈层状、透镜状不连续带状分布，产出受角闪斜长片麻岩层位控制，分带性明显。由内向外依次为： 块状矿体→条带状及浸染状矿体→斜长片麻岩。矿石以块状为主，部分矿石中表现出变余微细层理。金属矿化以磁铁矿为主，少量磁赤铁矿、钛铁矿、黄铁矿。围岩蚀变发育于矿体或花岗斑岩脉与角闪斜长片麻岩的接触带，矿体膨大部分尤为发育，以绿帘石化、绿泥石化、阳起石化、透-钙铁辉石化为主。其中绿帘石-绿泥石-阳起石化蚀变与铁矿化密切相关，铁富集程度与蚀变强弱正相关。
3. 岩体地质及岩石学
矿区出露的二长花岗岩呈岩枝及岩株状产出，在部分地段穿切矿体，为成矿期后侵入。花岗斑岩多分布于矿体内及其附近，呈岩脉，岩墙产出，平行于矿体分布，经野外地质观察认为与铁矿有成因联系。
二长花岗岩为肉红色，半自形-它形粒状结构，局部为文象结构，块状构造，由条纹长石、钾长石、斜长石、石英及少量黑云母组成，其中条纹长石、钾长石占25%～30%，粒径0.4～3 mm；斜长石占20%～25%，粒径0.6～2 mm；石英占30%～35%，粒径0.4～2 mm，充填在长石间；黑云母占1%～5%，呈片状，部分已蚀变为绿泥石。副矿物有十字石、电气石、矽线石、钛铁矿等。
花岗斑岩呈肉红色，具斑状结构，块状构造，斑晶含量占30%左右，成分为斜长石、钾长石及石英，粒径为0.25～0.4 mm；基质为全晶质，成分为钾长石、斜长石、石英及少量的黑云母等，粒度0.05～0.2 mm。
4. 岩体锆石U-Pb年代学研究
4.1 样品采集及分析方法
分别采集矿区内二长花岗岩和矿体附近花岗斑岩的新鲜岩石样品，用于挑选锆石并进行成岩年龄测定。锆石单矿物的挑选由河北省廊坊市科大技术服务公司完成。锆石样品靶的制作和锆石阴极发光照相在北京离子探针中心进行。
锆石U-Pb定年在中国地质科学院矿产资源研究所同位素实验室LA-MC-ICP-MS完成，所用仪器为Finnigan Neptune型MC-ICP-MS及与之配套的Newwave UP 213激光剥蚀系统[5]。锆石定年激光剥蚀的斑束直径为25 μm，频率为10 Hz，能量密度约为2.5 J/cm2，以He为载气。信号较小的207Pb、206Pb、204Pb(+204Hg)和202Hg用离子计数器接收，208Pb、232Th、238U信号用法拉第杯接收，实现所有目标同位素信号的同时接收，且不同质量数的峰基本上都是平坦的，进而可以获得高精度的数据，均匀锆石颗粒207Pb/206Pb、206Pb/238Pb、207Pb/235U的测试精度(2σ)均为2%左右，对锆石标准的定年精度和准确度在1%左右(2σ)。LA-MC-ICP-MS激光剥蚀采样采用单点剥蚀的方式，数据分析前用锆石GJ-1进行调试仪器，使之达到最优状态。锆石U-Pb定年以锆石GJ-1为外标，U、Th含量以锆石M127(U含量923 μg/g，Th含量439 μg/g，Th/U比值0.475)[6]为外标进行校正。在测试过程中每测定10个样品点后，前后重复测定3个锆石标准样品(2个GJ-1和1个Plešovice)进行校正，观察仪器的状态以保证测试精度。样品的同位素比值和元素含量计算采用ICP-MS DataCal程序处理[6]，204Pb由离子计数器检测。204Pb含量异常高的分析点可能受包裹体等普通铅的影响，对204Pb含量异常高的分析点在计算式中剔除。锆石年龄谐和图用Isoplot 3.0程序[7]获得，表达式中所列单个数据点的误差均为1σ，加权平均年龄具95%的置信度，年龄值选用206Pb/238U年龄。
4.2 锆石特征及定年结果
花岗斑岩锆石阴极发光照片(图 2)显示，锆石主要呈浅灰褐色、半透明状，表面一般较光滑，常见表面分布着较多裂纹，有些较粗糙具蚀变斑点；锆石形态多不完整，呈100～170 μm的碎块。从残留的晶型判断，锆石颗粒一般较大(200～300 μm)，呈板柱状，长宽比在1∶2～1∶3。阴极发光图像显示(图 2a)，绝大多数锆石具有显著的环带构造，有些可见锆石边缘的增生边构造。
![]()
图 2 花岗斑岩(a)和二长花岗岩(b)中锆石的阴极发光图像Figure 2. Cathodoluminescence images of the zircons from (a) granitic porphyry and (b) monzonitic granite二长花岗岩中锆石呈浅灰-浅褐色，表面一般较光滑，裂纹较花岗斑岩不发育。锆石形态相对完整，大小一般为120～160 μm，呈短柱状或板状，长宽比1∶2。较多锆石呈棱角不分明的圆弧状，或颗粒边缘呈港湾状(图 2b)。锆石晶体内较发育振荡环带结构，是典型的岩浆成因锆石。
通过透射光、反射光和阴极发光图像研究，分别在上述两种花岗岩中各选择20颗锆石进行LA-MC-ICPMS的U-Pb分析，年龄分析结果列于表 1。本次锆石定年过程中测得Plešovice 标准样品的结果为(337.48±0.66) Ma(n=5，2σ)，其年龄推荐值为(337.13±0.37) Ma(2σ)[8](Slama等,2008)，两者在误差范围内一致，说明本次测年分析是准确、可靠的。表 1显示，绝大多数测点数据的谐和度在98%以上，仅花岗斑岩样品的2号测点数据谐和度略低，为93%。花岗斑岩中锆石U含量变化不大，在186.3～423.5 μg/g，多数集中在200～300 μg/g；Th含量变化也不大，在101.3～298.1 μg/g；Th/U比值为0.34～0.81，均大于0.1，表明锆石为岩浆成因[9-10]。20个测点中19个测点都位于谐和线上或附近(图 3)，一个测点(2号点)偏离谐和线较远。谐和线上或附近的测点有18个点成群分布，而另一点(14号点)偏离群较远。考虑到2号测点靠近核部位置(图 2a)，其年龄值(283.1 Ma)可能是继承锆石与新生锆石的混合年龄，且发生明显放射成因Pb丢失，使得测点偏离谐和线较远；而14号测点年龄值(266 Ma)可能混合有变质年龄。因此上述两个测点年龄不参加年龄计算。其余18个测点年龄值集中在273～282.6 Ma，基本给出一致的206Pb/238U年龄，206Pb/238U加权平均年龄为(278.7±0.94) Ma(MSDW=1.6)，即可代表花岗斑岩体的形成时代。
表 1 矿区花岗斑岩和二长花岗岩锆石U-Pb定年数据Table 1. The U-Pb dating data of granitic porphyry and monzonitic granite花岗斑岩锆石U-Pb同位素分析数据 测点 wB/(μg·g-1) Th/U 206Pb/238U 207Pb/235U 208Pb/232Th 207Pb/206Pb 206Pb/238U 207Pb/235U 207Pb/206Pb 谐和度 U Th 比值 1σ 比值 1σ 比值 1σ 比值 1σ 年龄/Ma 1σ 年龄/Ma 1σ 年龄/Ma 1σ ker01-1 353.5 286.2 0.81 0.044 0.000364 0.32 0.00264 0.0035 0.00024 0.052 0.00040 279.2 2.2 281.6 2.0 305.6 12.0 99% ker01-2 242.4 128.7 0.53 0.045 0.000394 0.35 0.0031 0.0038 0.00031 0.056 0.00041 283.1 2.4 301.6 2.3 450.0 21.3 93% ker01-3 236.0 141.4 0.60 0.044 0.000360 0.32 0.00305 0.0034 0.00029 0.053 0.00041 280.2 2.2 283.5 2.3 322.3 18.5 98% ker01-4 265.0 138.2 0.52 0.045 0.000357 0.32 0.00243 0.0026 0.00023 0.052 0.00034 282.1 2.2 283.6 1.9 301.9 17.6 99% ker01-5 304.8 145.3 0.48 0.044 0.000311 0.32 0.00244 0.0033 0.00023 0.053 0.00031 279.1 1.9 282.2 1.9 309.3 13.0 98% ker01-6 384.9 298.1 0.77 0.045 0.000306 0.33 0.00249 0.0027 0.00016 0.053 0.00031 282.6 1.9 285.9 1.9 322.3 14.8 98% ker01-7 341.1 166.0 0.49 0.045 0.000338 0.32 0.00263 0.0040 0.00026 0.052 0.00030 282.0 2.1 283.9 2.0 298.2 17.6 99% ker01-8 281.3 133.9 0.48 0.044 0.000321 0.31 0.0026 0.0031 0.00025 0.052 0.00033 277.9 2.0 276.9 2.0 333.4 14.8 99% ker01-9 207.5 132.1 0.64 0.044 0.000281 0.32 0.00319 0.0023 0.00021 0.052 0.00041 278.4 1.7 279.7 2.5 287.1 -13.9 99% ker01-10 228.2 148.9 0.65 0.044 0.000295 0.33 0.00262 0.0023 0.00019 0.054 0.00040 279.8 1.8 289.4 2.0 368.6 16.7 96% ker01-11 186.3 131.1 0.70 0.043 0.000345 0.31 0.00325 0.0026 0.00022 0.052 0.00039 274.3 2.1 275.0 2.5 279.7 18.5 99% ker01-12 186.5 127.4 0.68 0.044 0.000357 0.32 0.00354 0.0027 0.00023 0.052 0.00047 277.6 2.2 279.7 2.7 298.2 20.4 99% ker01-13 198.0 128.0 0.65 0.044 0.000311 0.31 0.00297 0.0029 0.00023 0.051 0.0004 278.2 1.9 273.5 2.3 235.3 16.7 98% ker01-14 197.4 113.2 0.57 0.042 0.000352 0.30 0.00311 0.0026 0.00021 0.052 0.00038 266.0 2.2 269.7 2.4 301.9 16.7 98% ker01-15 310.0 147.0 0.47 0.044 0.000295 0.32 0.00228 0.0024 0.00019 0.052 0.00031 279.0 1.8 279.9 1.8 287.1 13.0 99% ker01-16 187.1 109.2 0.58 0.044 0.000296 0.31 0.00291 0.0026 0.00022 0.052 0.00037 279.1 1.8 277.7 2.3 264.9 13.9 99% ker01-17 423.5 265.6 0.63 0.044 0.000318 0.31 0.00236 0.0023 0.00015 0.051 0.00027 279.4 2.0 277.3 1.8 261.2 8.3 99% ker01-18 300.4 101.3 0.34 0.044 0.000312 0.31 0.00259 0.0037 0.00028 0.051 0.00030 279.2 1.9 275.0 2.0 239.0 8.3 98% ker01-19 190.1 113.8 0.60 0.043 0.000421 0.30 0.00375 0.0021 0.00021 0.051 0.00048 273.0 2.6 270.1 2.9 255.6 50.0 98% ker01-20 257.3 154.9 0.60 0.043 0.000321 0.30 0.00264 0.0022 0.0002 0.051 0.00036 273.3 2.0 268.1 2.1 233.4 16.7 98% 二长花岗岩锆石U-Pb同位素分析数据 测点 wB/(μg·g-1) Th/U 206Pb/238U 207Pb/235U 208Pb/232Th 207Pb/206Pb 206Pb/238U 207Pb/235U 207Pb/206Pb 谐和度 U Th 比值 1σ 比值 1σ 比值 1σ 比值 1σ 年龄/Ma 1σ 年龄/Ma 1σ 年龄/Ma 1σ ker02-1 681.1 82.6 0.12 0.043 0.00032 0.31 0.00239 0.0030 0.00031 0.052 0.00025 273.4 2.0 275.1 1.8 300.1 9.3 99% ker02-2 241.9 113.1 0.47 0.044 0.00035 0.31 0.00334 0.0031 0.00029 0.052 0.00040 275.0 2.1 277.3 2.6 294.5 21.3 99% ker02-3 196.3 24.8 0.13 0.067 0.00109 0.51 0.00962 0.0166 0.00168 0.055 0.00036 420.4 6.6 420.8 6.5 416.7 -17.6 99% ker02-4 122.8 32.0 0.26 0.055 0.00060 0.40 0.00459 0.0097 0.00097 0.053 0.00039 347.4 3.7 342.5 3.3 322.3 16.7 98% ker02-5 960.7 239.4 0.25 0.044 0.00028 0.31 0.00238 0.0026 0.00020 0.052 0.00027 275.0 1.7 274.1 1.8 264.9 13.0 99% ker02-6 613.7 114.6 0.19 0.043 0.00030 0.31 0.00244 0.0035 0.00032 0.051 0.00022 273.1 1.9 271.8 1.9 261.2 41.7 99% ker02-7 581.1 53.3 0.09 0.044 0.00045 0.32 0.00354 0.0050 0.00054 0.052 0.00029 276.8 2.8 278.3 2.7 300.1 11.1 99% ker02-8 7.3 3.9 0.53 0.068 0.00167 0.54 0.03039 0.1032 0.02170 0.059 0.00331 421.2 10.1 438.2 20.0 553.7 119.4 96% ker02-9 460.0 23.0 0.05 0.044 0.00029 0.31 0.00230 0.0119 0.00148 0.052 0.00027 275.7 1.8 275.2 1.8 272.3 11.1 99% ker02-10 143.5 68.1 0.47 0.043 0.00031 0.30 0.00360 0.0042 0.00052 0.051 0.00053 273.7 1.9 270.1 2.8 239.0 24.1 98% ker02-11 160.2 79.0 0.49 0.043 0.00032 0.31 0.00372 0.0042 0.00045 0.052 0.00050 272.8 2.0 272.2 2.9 333.4 22.2 99% ker02-12 654.5 20.0 0.03 0.044 0.00026 0.31 0.00241 0.0099 0.00124 0.052 0.00026 274.7 1.6 275.3 1.9 279.7 -16.7 99% ker02-13 415.7 90.2 0.22 0.043 0.00026 0.31 0.00247 0.0041 0.00039 0.052 0.00031 271.8 1.6 273.6 1.9 300.1 13.0 99% ker02-14 159.8 190.8 1.19 0.056 0.00042 0.42 0.00401 0.0033 0.00024 0.055 0.00047 350.1 2.5 359.6 2.9 433.4 18.5 97% ker02-15 291.4 175.2 0.60 0.043 0.00044 0.31 0.00400 0.0029 0.00026 0.051 0.00037 274.4 2.7 272.8 3.1 257.5 14.8 99% ker02-16 117.6 55.1 0.47 0.055 0.00051 0.41 0.00564 0.0040 0.00043 0.054 0.00053 346.7 3.1 351.5 4.0 383.4 22.2 98% ker02-17 398.6 32.4 0.08 0.043 0.00033 0.31 0.00299 0.0074 0.00105 0.051 0.00027 274.2 2.0 272.7 2.3 257.5 38.9 99% ker02-18 211.8 80.6 0.38 0.055 0.00043 0.40 0.00403 0.0044 0.00045 0.054 0.00037 343.9 2.6 344.9 2.9 350.1 10.2 99% ker02-19 179.1 85.7 0.48 0.055 0.00045 0.41 0.00357 0.0047 0.00045 0.054 0.00037 346.8 2.8 351.1 2.6 383.4 14.8 98% ker02-20 345.3 137.4 0.40 0.056 0.00044 0.42 0.00319 0.0034 0.00033 0.055 0.00032 348.2 2.7 357.0 2.3 416.7 -17.6 97% ![]()
图 3 花岗斑岩锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb年龄谐和图Figure 3. Zircon LA-MC-ICP-MS U-Pb concordia diagrams of granitic porphyry二长花岗岩中锆石U含量变化很大，在7.3～960.7 μg/g；Th含量变化较大，在3.9～239.4 μg/g。各测点U、Th含量表现出较好的相关性，Th/U值为0.03～1.19，其中的4个测点Th/U值小于0.1，反映这些锆石可能具有部分变质特征，其余均显著大于0.1，综合判断锆石主要表现为岩浆成因[9-10]。20个测点均分布于谐和线上及附近，可分为三组。3号年龄(420.4±6.6) Ma和8号年龄(421.2±10.1) Ma，这两个测点组成420 Ma左右的年龄值，可能代表了继承锆石和捕获锆石的年龄值；4、14、16、18、19、20号等6个测点年龄值在344～350 Ma，集中于347 Ma左右，可能是捕获的早石炭世岩浆成因锆石(图 2b)。其余12个测点都位于谐和线上且集中成群分布(图 4)，年龄值集中在271.8～276.8 Ma，基本给出一致的206Pb/238U年龄，206Pb/238U加权平均年龄为(274.1±1.1) Ma(MSDW=0.47)，与等时线年龄完全一致，代表了岩体的形成时代。
![]()
图 4 二长花岗岩锆石LA-MC-ICP-MS U-Pb年龄谐和图Figure 4. Zircon LA-MC-ICP-MS U-Pb concordia diagrams of monzonitic granite4.3 岩体侵入时代及其地质意义
前人对矿区出露的两个花岗岩体没有进行较详细的研究，尤其是年代学方面还缺乏精确测定。本文LA-MC-ICP-MS定年结果表明，花岗斑岩年龄为(278.7±0.94) Ma，二长花岗岩年龄为(274.1±1.1) Ma，均形成于早二叠世时期。结合二者的定年结果和岩石学特征以及铁矿化特征判断： 这两个岩体可能是同一岩浆房内岩浆在不同阶段侵入的产物；花岗斑岩形成于早期阶段的浅部，并伴随铁的矿化作用；而二长花岗岩则形成于晚阶段的相对深部，同时对早期铁矿化具有破坏作用。
研究表明，进入中石炭世时期，阿尔泰已经完成俯冲碰撞过程，造山带已基本成形，进入板内演化过程[11]。额尔齐斯构造带即为阿尔泰造山带或西伯利亚板块南侧的分界[12]。从目前已有的同位素年代学研究成果来看，奥陶纪中期-泥盆纪时期是该区岩浆侵入活动最为强烈的时期。尽管如此，阿尔泰造山带中尤其是阿尔泰南缘或额尔齐斯构造混杂带内及附近也广泛发育一些海西晚期形成的侵入岩，多呈岩株状或线状展布的岩体分布，如280 Ma左右形成的塔克什肯口岸富碱侵入岩体(286 Ma)[13]、乌夏沟苏长-正长岩岩体(275.9 Ma)[14]、喀拉通克铜镍矿苏长岩体(287 Ma)[15]、玛因鄂博断裂带中的花岗质糜棱岩体(281 Ma)[16]、断裂带北东侧的玛因鄂博花岗岩体(283 Ma)[17]、富蕴南线形花岗岩体(281 Ma和275 Ma)[18]、可斯尔鬼花岗岩体(286.6 Ma，刘锋等，2012，待发表)[19]、喇嘛昭花岗岩(276 Ma)[20]、克因布拉克矿区二云母正长花岗岩体(278.6 Ma)[21]，以及本文的花岗斑岩、二长花岗岩等。阿尔泰南缘在海西晚期280 Ma左右时期正处于后碰撞环境[22-24]，指示上述岩体均形成于相同的构造环境。
新疆北部乃至整个中亚造山带发育大量晚石炭世-早二叠世(300～270 Ma)岩浆事件和二叠纪裂谷盆地指示了板内大规模的地壳伸展[20, 25-28]。阿尔泰南缘额尔齐斯-玛因鄂博断裂带南侧的阿热勒托别岩体(300 Ma)被认为是拉张作用较早期的产物，而玛因鄂博断裂带中的花岗质糜棱岩体(281 Ma)、断裂带北侧玛因鄂博花岗岩体(283 Ma)等形成于拉张作用较晚期[16]。本文研究的这两个酸性岩体产于额尔齐斯构造带，它们的侵入时期也正好位于本区晚石炭世-早二叠世地壳伸展拉张作用环境下的岩浆活动期内。
5. 稳定同位素特征研究
5.1 样品及分析方法
硫同位素样品采自铁矿体中及矿体边部含磁铁矿热液蚀变岩中的黄铁矿，共计15件。黄铁矿单矿物的挑选由河北省廊坊市科大技术服务公司完成，单矿物纯度达99%以上。黄铁矿硫同位素测试在中国地质科学院矿产资源研究所同位素实验室完成。
硫同位素分析流程为： 在高温、真空条件下，硫化物样品以Cu2O作为氧化剂制样，提纯为纯净的BaSO4，再用V2O5氧化法制备SO2，释放的SO2进行硫同位素测试。硫同位素比值采用MAT 251 EM质谱计进行测试，以国际标准样品V-CDT为标准，分析精密度达±0.2‰。
5.2 同位素分析结果及其地质意义
黄铁矿硫同位素分析结果列于表 2。库额尔齐斯铁矿中黄铁矿δ34S值变化于-7.2‰～0.7‰，多数为负值，总体分布于0值附近，集中于-3.0‰～1.0‰之间，平均值-1.6‰。硫同位素组成直方图(图 5)显示δ34S值分布并非塔式的正态分布，而是左倾的单边分布。δ34S值在-1.0‰～1.0‰，为相对峰值。
![]()
图 5 库额尔齐斯铁矿硫同位素图解Figure 5. The isotopic diagram of sulfur in pyrite from the Kuerqis iron deposit表 2 矿床硫同位素组成结果Table 2. The isotopic component for sulfur in deposit样品编号 矿物名称 δ34SV-CDT/‰ Ker 14 黄铁矿 -7.2 Ker 15 黄铁矿 -3.9 Ker 20 黄铁矿 -2.9 Ker 21 黄铁矿 -0.6 Ker 22 黄铁矿 0.1 Ker 23 黄铁矿 -0.5 Ker 24 黄铁矿 -1.8 Ker 25 黄铁矿 0.3 Ker 26 黄铁矿 -2.4 Ker 27 黄铁矿 -2.5 Ker 34 黄铁矿 -1.4 Ker 35 黄铁矿 0.3 Ker 36 黄铁矿 0.7 Ker 40 黄铁矿 0.1 Ker 41 黄铁矿 -1.7 图 5显示，铁矿中15件黄铁矿的硫同位素组成位于沉积物和变质岩变化范围之内，但变化明显较上述二者硫同位素组成小得多，虽然有一个较小的负值(-7.2‰)，但大多数集中在0值附近，显示成矿物质具有幔源岩浆特征。硫同位素组成特点说明深源岩浆在向上运移过程中可能与围岩或早期沉积铁矿发生了明显的硫同位素交换。
6. 结语
库额尔齐斯铁矿中矿体与地层产状具有一致性，部分矿石中表现出变余微细层理等地质特征，表明矿床具有火山沉积成因。但不可否认的是，矿石的结构构造特征、围岩蚀变特征及与铁矿体的关系、花岗斑岩与铁矿化的关系均表明矿床具有显著的岩浆热液特征。由此可见，铁矿床的形成具有沉积成因，始于晚石炭世的火山沉积，但主要与花岗斑岩的侵入活动有关，主要形成于279 Ma左右的花岗岩浆活动的热液期。
矿区内两个酸性侵入岩侵入时代表明，它们都属于阿尔泰南缘广泛发育的海西晚期(280 Ma左右)的岩浆事件，产于二叠纪裂谷盆地，指示早二叠世板内地壳伸展拉张作用。库额尔齐斯铁矿的形成暗示该区域在这一时期可能存在与花岗岩热液活动有关的铁等金属成矿作用，因此有必要注意区内早二叠世花岗岩体与围岩接触带附近的找矿。
-
表 1 矿产品中污染物溶出方法对比
Table 1 Comparison of leaching methods of contaminants in mineral products
溶出方法 样品要求 模拟条件 操作性 试验时间 评估内容 湿度室试验 可为原样 模拟自然风化 较简单 长期 溶出速率和产物 淋滤柱试验 需粉碎 模拟降水和喷淋 较简单 长期 吸附和解吸附动力学 静态浸泡试验 可为原样 模拟受水浸泡 简单 长期 溶出规律和产物 萃取试验 需粉碎 无 繁琐 短期 形态分析 
下载: 导出CSV
表 2 污染物溶出模拟试验用溶剂的对比
Table 2 Comparison of menstruum used in leaching simulation experiment
浸取溶液 试验目的 溶出污染物的选择性 去离子水 监测溶出液pH值并分析溶出物 水溶性离子溶出 矿化水 观察淤泥等添加物对溶出的影响 水溶性离子溶出 酸性溶液 观察对酸的缓冲和pH值对溶出的影响 Cu、Pb、Zn等重金属及有机物易溶出 碱性溶液 观察对碱的中和和pH值对溶出的影响 Se、Mo等金属易溶出
下载: 导出CSV
表 3 各因素对污染物溶出的影响
Table 3 Impact of various factors on contaminants leaching
影响因素 矿产品中主要污染物的溶出情况 溶出总量 溶出速率 影响强度 pH值 Cu、Pb、Zn等呈V形，酸性条件易溶出Se、Mo等呈负相关，碱性条件易溶出总有机物等呈负相关 与溶出总量一致 重金属、总有机物等多数污染物影响大；磷影响小 时间 正相关 负相关 大 温度 正相关 正相关 较大 固液比 负相关 负相关 一般 矿石粒径 负相关 负相关 小
下载: 导出CSV
-
Andres N F, Francisco M S. Effects of sewage sludge application on heavy metal leaching from mine tailings impoundments [J]. Bioresource Technology, 2008, 99: 7521-7530. doi: 10.1016/j.biortech.2008.02.022
廖国礼, 吴超.资源开发环境重金属污染与控制[M].长沙: 中南大学出版社, 2005: 8-9. Romero F M, Armienta M A, González H G. Solid-phase control on the mobility of potentially toxic elements in an abandoned lead/zinc mine tailings impoundment, Taxco, Mexico [J]. Applied Geochemistry,2007,22(1): 109-127. doi: 10.1016/j.apgeochem.2006.07.017
王志楼, 谢学辉, 王慧萍, 郑春丽, 柳建设.典型铜尾矿库周边土壤重金属复合污染特征[J].生态环境学报, 2010, 19(1): 113-117. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TRYJ201001025.htm 杨明, 罗汉金, 黄颜珠, 党志.大宝山矿区氟污染特征及土壤溶出状态[J].生态环境学报, 2009, 18(4): 1291-1298. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TRYJ200904020.htm Xiao L P, Li Y, Zhang L. Experimental research on contamination dissolution-releasing characteristics of coal gangue in soaking operation [J]. Advanced Materials Research, 2012, 455-456: 1371-1377.
HJ/T 299—2007, 固体废物; 浸出毒性浸出方法; 硫酸硝酸法[S]. Bermea O M, Chávez A C, Hernández E, Partida E G. Determination of metals for leaching experiments of mine tailings: Evaluation of the potential environmental hazard in the Guanajuato mining district, Mexico [J]. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 2004, 73(4): 770-776.
Diehl S F, Smith K S, Desborough G A, White W W, Lapakko K A, Goldhaber M B, Fey D L. Trace-metal sources and their release from mine wastes: Examples from humidity cell tests of hard-rock mine waste and from Warrior Basin coal [M]//Billings Montana: American Society of Mining and Reclamation, 2003: 232-253.
Zhu D, Schwab A P, Banks M K. Heavy metal leaching from mine tailings as affected by plants [J]. Journal of Environmental Quality, 1998, 28(6): 1727-1732.
蓝崇钰, 束文圣, 张志权.酸性淋溶对铅锌尾矿金属行为的影响及植物毒性[J].中国环境科学, 1996, 16(6): 461-465. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGHJ606.019.htm 王一先, 白正华.矿山尾砂表生地球化学过程实验研究[J].矿物学报, 2003, 23(1): 52-58. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KWXB200301008.htm 胡宏伟, 束文圣, 蓝崇钰, 王伯荪.乐昌铅锌尾矿的酸化及重金属溶出的淋溶实验研究[J].环境科学与技术, 1999, 13(3): 1-3. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FJKS903.000.htm 王兰, 刘方, 王俭, 李金娟.铅锌矿渣酸性淋溶下重金属释放特征及其对植物幼苗生长的影响[J].生态学杂志, 2010, 29(6): 1121-1126. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-STXZ201006013.htm 马少健, 胡治流, 陈建华, 陈建新, 林美群.硫化矿尾矿重金属离子溶出实验研究[J].广西大学学报, 2002, 27(4): 273-276. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GXKZ200204001.htm 肖利萍, 梁冰, 陆海军, 毕业武, 张传成, 狄军贞.煤矸石浸泡污染物溶解释放规律研究——阜新市新邱露天煤矿不同风化煤矸石在不同固液比条件下浸泡实验[J].中国地质灾害与防治学报, 2006, 17(2): 151-155. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGDH200602033.htm 林美群, 马少健, 王桂芳, 刘平, 苏秀娟, 覃祥敏.环境因素对硫化矿尾矿重金属溶出影响的模拟试验[J].金属矿山, 2008, 38(6): 108-111. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSKS200806032.htm 马少健, 李辉, 莫伟, 苏秀娟, 王桂芳, 汪颖.钼矿尾矿铜铅重金属离子溶出规律研究[J].中国矿业大学学报, 2009, 38(6): 829-834. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGKD200906015.htm 曹云全, 张双圣, 刘汉湖, 刘伟.煤矸石中重金属动态淋滤和静态浸泡溶出特征研究[J].河北工程大学学报: 自然科学版, 2010, 27(1): 76-80. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HJXU201001020.htm Voegelin A, Barmettler K, Kretzschmar R. Heavy metal release from contaminated soils: Comparison of column leaching and batch extraction results [J]. Journal of Environmental Quality, 2003, 32: 865-875. doi: 10.2134/jeq2003.8650
Dang Z, Liu C Q, Haigh M J. Mobility of heavy metals associated with the natural weathering of coal mine spoils [J]. Environmental Pollution, 2002,118(3): 419-426. doi: 10.1016/S0269-7491(01)00285-8
Dold B. Speciation of the most soluble phase in a sequential extraction procedure adapted for geochemical studies of copper sulfide mine waste [J]. Journal of Geochemical Exploration, 2003, 80(1): 55-68. doi: 10.1016/S0375-6742(03)00182-1
Marguí E, SalvadÓ V, Queralt I, Hidalgo M. Comparison of three-stage sequential extraction and toxicity characteristic leaching tests to evaluate metal mobility in mining wastes [J]. Analytica Chimica Acta, 2004,524:151-159. doi: 10.1016/j.aca.2004.05.043
Zhang H, He P J, Shao L M, Li X J. Leaching behavior of heavy metals form municipal solid waste incineration bottom ash and its geochemical modeling [J]. Journal of Material Cycles and Waste Management, 2008, 10(1): 7-13. doi: 10.1007/s10163-007-0191-z
Jing C Y, Meng X G, Korfiatis G P. Lead leachability in stabilized/solidified soil samples evaluated with different leaching tests [J]. Journal of Hazardous Materials, 2004, 114(1/3): 101-110.
马少健, 王桂芳, 陈建新, 莫伟, 林美群.硫化矿尾矿堆的温度变化和动态淋溶规律研究[J].金属矿山, 2004(10): 59-62. doi: 10.3321/j.issn:1001-1250.2004.10.018 Lee P K, Kang M J, Choi S H, Touray J C. Sulfide oxidation and the natural attenuation of arsenic and trace metals in the waste rocks of the abandoned Seobo tungsten mine, Korea [J]. Applied Geochemistry, 2005, 20(9): 1687-1703. doi: 10.1016/j.apgeochem.2005.04.017
王俭, 吴永贵, 刘方, 喻阳华, 曾理, 秦中, 苏连文.浸提剂pH值对煤矸石和煤泥污染物浸出特性的影响研究[J].农业环境科学学报, 2010, 29(6): 1144-1149. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NHBH201006022.htm Al-Abed S R, Hageman P L, Jegadeesan G, Madhavan N, Allen D. Comparative evaluation of short-term leach tests for heavy metal release from mineral processing waste[J]. Science of the Total Environment, 2006, 364: 14-23. doi: 10.1016/j.scitotenv.2005.10.021
于常武, 许士国, 陈国伟, 周立岱.矽卡岩型钼矿尾砂中重金属Mo的淋滤实验研究[J].生态环境, 2008, 17(2): 636-640. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-TRYJ200802040.htm 周娜娜, 汤亚飞, 梁震.磷矿浮选尾矿水污染物释放的实验[J].武汉工程大学学报, 2011, 33(3): 33-35. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-WHHG201103010.htm 王俊桃, 毛云, 刘锦梅, 郭迎.硫化矿物中无机盐及重金属离子溶出的影响因素探讨[J].安全与环境工程, 2007, 14(1): 4-8. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-KTAQ200701001.htm
计量
- 文章访问数: 1111
- HTML全文浏览量: 356
- PDF下载量: 8
京公网安备 11010202008159号