《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Heavy metal pollution in soils affected by copper mining and geospatial analysis in the Ophiolite belt of Pakistan
编辑推荐：
土壤重金属污染评估及地质因素影响研究|铜矿开采区|空间分布分析|污染指数|生态风险防控
穆罕默德·阿德南（Muhammad Adnan）|肖宝华（Baohua Xiao）|穆罕默德·乌拜德·阿里（Muhammad Ubaid Ali）|乔汉（Qiao Han）
中国科学院地球化学研究所环境地球化学国家重点实验室，中国贵州省贵阳市550081
摘要
目前，土壤和矿产加工区域中重金属（HMs）造成的环境污染是一个严重问题。本研究评估了巴基斯坦开伯尔-普赫图赫瓦省（Khyber Pakhtunkhwa）穆罕默德凯尔瓦齐里斯坦（Muhammad Khel Waziristan）蛇绿岩带内铜矿丰富地区的土壤重金属污染情况。由于采矿活动，该地区受到Cu、Ni、Pb等有毒金属的严重污染。本研究采用地理空间方法（克里金插值法）、污染指数（如Nemerow污染指数（NPI）、地球累积指数（I-geo）、环境污染风险指数（EPRI）以及主成分分析（PCA）来分析这些污染物的空间分布及其来源。然而，采矿活动加剧了重金属污染，而蛇绿岩地质特征进一步恶化了这一问题，导致重金属浓度超过标准限值。这些结果强调了持续进行环境监测和成功进行矿山修复以减轻采矿对栖息地影响的重要性。我们的发现表明，需要将地质因素和人类活动纳入全球采矿区的污染控制措施中。
引言
由于铜矿开采，特别是巴基斯坦开伯尔-普赫图赫瓦省穆罕默德凯尔蛇绿岩带的铜矿开采，土壤受到重金属污染，这带来了严重的环境挑战。非典型的蛇绿岩带（包括含有铜、铬铁矿和镍矿的地区）在采矿过程中可能会产生有害的重金属污染。这种矿石开采对生态系统的影响非常显著。因此，铜和镍矿尾矿中的重金属会转化为水溶性形式，而这些形式通常难以用传统技术处理，从而造成长期的生态危害[1]。然而，在巴基斯坦，土壤中的重金属污染主要来源于采矿活动，据报道这些污染物的浓度已超出允许限值，其中铜和镍被认为是儿童癌症风险的重要因素[2]。因此，无论是自然来源还是人为来源的重金属污染都是一个亟需全球关注的关键问题[3]。在蛇绿岩地区，土壤和植物中富含重金属，如俾路支斯坦（Baluchistan）所显示的那样，这突显了土壤污染的人为和地质来源[4]；同时，某些植物（如Phoenix dactylifera和Calotropis procera）被认为是有价值的生物指示物和潜在的植物修复剂。然而，采矿作业造成的重金属污染也可能对生态系统产生后果，包括通过食物链的生物累积，可能危及人类和动物的健康[5]、[6]。此外，采矿活动还会产生有害排放物和空气污染物，这些污染物会扰乱当地社区，因此需要采取监管措施来减轻这些区域影响[7]、[8]。含重金属的粉尘可以通过风传播，渗入土壤，并最终进入水体，污染其他环境介质[9]。
研究表明，采矿区水体中的Cr、Ni、Pb等元素浓度很高，常常超过世界卫生组织（WHO）规定的限值，尤其是在莫赫曼德（Mohmand）地区[10]。地表水（包括河流和湖泊）可以通过各种侵蚀、风化和溶解机制从周围的土壤和岩石中吸收重金属[11]。最近已经开发出了污染标准指数，用于制定环境政策[12]。多项研究指出，由于采矿活动和基性及超基性岩石的风化作用，Fe和Cd等元素的污染程度和污染负荷指数都很高[13]。该地区的铜矿开采属于巴基斯坦整体矿产开发的一部分，而铜对于国内使用、经济增长和发展至关重要[14]。然而，该地区的地质背景（属于科希斯坦岛弧（Kohistan Island Arc））有利于多种矿产的形成，包括铜矿，因为活跃的构造运动改变了岩石组合，形成了具有重要价值的矿化带[15]。在该地区，存在火成蛇绿岩（海洋地壳的遗迹），其中含有铜（及其他金属）矿化沉积物，为该地区的矿产资源做出了贡献[16]。在中国德兴铜矿区，土壤中的重金属浓度超过了安全水平，尤其是由于采矿活动导致的铜污染尤为严重[17]。这些数据对于制定有效的管理策略和政策以应对环境退化和保护人类健康至关重要。
最近的研究表明，地理空间建模结合污染指数和多变量统计方法是评估采矿区重金属分布的有效方法，尤其是在亚洲地区。地质统计技术和平均指数是检测污染源和潜在热点（如巴基斯坦的铝土矿开采区和城市土壤）的有效工具[18]、[19]。空间插值方法的应用在污染制图中发挥了核心作用，识别出了主要污染热点，例如印度河和城市地区[20]、[21]。在安徽省桐陵市，发现Cd和Cu等重金属污染严重，污染源可追溯到农业、工业和交通活动[22]。江西省德兴铜矿的铜污染也非常严重，超过50%的土壤样本受到采矿活动的影响[17]。然而，在桐关矿区，Hg、Cd和Pb是主要的生态风险元素，严重污染率为87.91%[23]。多变量模式识别算法在印度中部发现了严重的铜污染，其平均浓度远高于典型地壳水平[24]。博尔（Bor）地区确认铜是主要污染物，当地种植的蔬菜摄入该金属会对健康构成风险[25]。Sarcheshmeh硫化铜矿的研究表明，Cu和Cd是最重要的污染物，其浓度随着距离矿区的增加而降低[26]，这表明需要持续监测和修复措施来减轻由当地地质和采矿产业引起的环境和健康风险。
其他重要的物理化学参数（如pH值和有机碳）也与重金属一起作为背景信息进行计算[27]。克里金插值法是一种地质统计技术，可以预测研究区域内重金属的空间变化和分布，从而有助于建立这些模型[28]、[29]。使用NPI和I-geo等污染指数，还可以将采样点的污染程度分类为轻微/中度/严重污染[30]、[31]。这些多种方法显著增强了人们对空间异质性和重金属污染潜在生态风险的理解，有助于制定具体的修复措施和政策，以减少对环境和人类健康的损害[30]、[31]、[32]。这些全面的评估为可持续的土地资源管理和减轻重金属污染对城市和农业土壤风险的措施提供了依据[27]、[30]。例如，PCA已被成功用于推断重金属暴露的潜在来源，一些金属主要来自矿山和冶炼厂[24]、[33]。这些方法对于识别污染源和评估修复效果也非常重要，例如通过污染指数评估卡坦加塞铜带（Katangese Copperbelt）的植被恢复试验[34]。这项研究为可持续采矿做出了贡献，并对采矿环境影响的科学管理具有重要意义，尤其是在矿产丰富的地区[35]。尽管如此，在区域评估方面仍存在显著差距，无论是在巴基斯坦的国家层面，还是针对基于蛇绿岩带的地质背景和当地采矿排放方面。填补这一差距对于推进生态风险评估和修复决策至关重要，不仅在现场，而且对于理解受铜矿开采影响的复杂地形中的重金属影响也非常重要。
在本研究中，我们旨在系统评估穆罕默德凯尔铜矿区周围土壤中重金属的空间分布和污染程度及其环境影响。研究目标包括：i) 估计来自蛇绿岩的采矿景观中主要重金属的浓度；ii) 使用先进的地质统计方法绘制其变化和异质性地图；iii) 用不同的污染指数分析污染严重程度；iv) 识别需要优先关注的热点区域。这些目标共同构成了描述地质化学复杂采矿区污染物分布的坚实科学基础。
研究区域
该研究区域位于巴基斯坦开伯尔-普赫图赫瓦省的穆罕默德凯尔铜矿附近。它位于一条滑索沿线，属于一个具有复杂地质结构的蛇绿岩带，该地带富含铜矿。研究区域的纬度约为北纬32°57'27"，经度约为东经69°53'12"，总面积约为30平方公里。该地区人口约为69.3万，农业是主要的经济活动，以山地地形为主。
重金属浓度的克里金插值
我们采用了克里金插值法（一种地质统计方法），该方法基于附近测量值之间的空间相关性来预测未采样位置的数值，以分析研究区域内重金属浓度的空间分布。通过克里金插值绘制的重金属地图展示了整个区域的污染变化和分散情况。这些地图有助于理解金属在空间中的分布，并帮助识别污染严重的区域。
结论
本研究探讨了巴基斯坦开伯尔-普赫图赫瓦省穆罕默德凯尔铜矿区土壤中重金属污染的影响。然而，通过地理空间分析、污染指数和统计方法得出结论，采矿是影响重金属污染的关键因素，而研究地点的地质条件进一步加剧了这一污染。Cu、Ni、Pb等金属的浓度超过了允许限值。
资助
本研究得到了中国国家重点研发计划（2019YFC1803601）和中国国家自然科学基金（42330712, U24A20636）的支持。
作者贡献声明
穆罕默德·乌拜德·阿里（Muhammad Ubaid Ali）：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。乔汉（Qiao Han）：撰写 – 审稿与编辑，正式分析。穆罕默德·阿德南（ADNAN MUHAMMAD）：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，验证，软件应用，方法论研究，数据管理，概念构建。肖宝华（Baohua Xiao）：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，项目管理，方法论研究，资金获取，概念构建。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢国际科学组织联盟（ANSO）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有利益冲突。
