废弃金矿地球化学遗产的环境与人体健康效应——南非 Barberton 绿岩带 Bonanza 金矿案例研究

《Journal of African Earth Sciences》：Environmental and human health implications of the geochemical heritage of an abandoned Gold Mine: The case study from the Bonanza Gold Mine, Barberton Greenstone Belt, South Africa

　　

摘要：废弃金矿是持续性的环境污染源，可通过释放富集潜在有毒元素（PTEs）的废水，对淡水资源和农业用地产生显著风险。本研究调查了南非 Barberton 绿岩带废弃 Bonanza 金矿上下游河流水体及沉积物的理化特征、主要离子和 PTEs 浓度。研究人员采用水质指数（WQI）和环境水质指数（EWQI）评价河流水是否适于生活用水；采用非致癌危害指数（HI）和致癌风险（CR）评估饮用水摄入相关的人体健康风险；采用地累积指数（GI）评估沉积物污染。研究还应用多元统计技术，包括 Pearson 相关分析、主成分分析（PCA）和聚类分析（CA），以识别污染来源及控制 PTEs 分布的因素。结果表明，下游水样中 Fe、Ni、As 和 Mn 超过世界卫生组织（WHO）与南非国家标准（SANS）指导值，显示污染主要来自废弃金矿排放物。多元分析显示 As、Ni、Mn 和 Fe 具有共同的地球化学行为，而 Hg 与这些元素相关性较弱，提示其还可能受到非法金矿开采活动的额外输入。下游河流沉积物中 As 和 Ni 显著富集，且根据 GI 值被归类为高度污染。水质指数显示，约 30% 的河流水样不适于人类饮用。健康风险评估表明，80% 儿童和 50% 成人面临不可接受的非致癌风险，而全部儿童及 80% 成人的致癌风险值均超过可接受限值。下游 PTEs 浓度升高突出了废弃金矿开采是主导性污染来源。本研究提供了支撑后续监测与管理的基线数据，包括季节变化评估。

该文发表于《Journal of African Earth Sciences》，聚焦南非 Barberton 绿岩带 Sheba 社区附近废弃 Bonanza 金矿所遗留的地球化学环境问题及其健康效应。研究背景在于，废弃矿山尤其是废弃金矿，可长期通过尾矿和泥坝向周边环境释放潜在有毒元素（PTEs），并在硫化物矿物氧化过程中形成酸性矿山排水（AMD，酸性含金属废水），进而污染溪流水、土壤及农业用地。对于依赖附近地表水作为生活用水来源的社区而言，这种污染不仅具有环境累积性，还可能转化为持续的公共卫生风险。文中指出，As、Ni、Mn、Fe 和 Hg 等元素具有持久性，在一定 pH 条件下易在河流沉积物中沉降并长期影响水质；其中 As、Cr 和 Ni 在饮用水中的暴露具有致癌性。尽管既往研究已提示 Bonanza 金矿尾矿受水力和风力侵蚀后可向 Fig Tree Creek 扩散污染物，但针对该区地表水质量、沉积物污染程度、污染控制因素及居民饮用暴露健康风险的系统性评估仍然不足，因此开展本研究具有明确的环境管理与健康风险防控价值。

研究人员围绕 Fig Tree Creek 及其与 Kaap River、Crocodile River 的水系联系，系统评估废弃 Bonanza 金矿的环境遗留效应。研究目标包括：分析不同用水点位河流沉积物的地球化学特征；分析当地社区取用河水的水文地球化学（hydrogeochemical）特征；评估受污染河水用于饮用及灌溉所引发的生态与人体健康风险；并识别非法采金活动是否对区域污染产生额外影响。综合研究表明，废弃金矿是该区下游河水及沉积物中潜在有毒元素富集的主导来源，同时 Hg 的分布特征提示非法采金可能构成附加输入源。研究结论强调，该矿区遗留污染已使部分地表水失去饮用适宜性，并对儿童和成人构成显著的非致癌与致癌健康风险，因此该研究对废弃矿山环境监管、社区饮水安全和跨流域污染监测具有重要意义。

在技术方法上，研究人员于南非 Barberton 绿岩带 Sheba 社区周边水系布设采样点，采集 Fig Tree Creek、Kaap River 和 Crocodile River 的 11 个地表水样点（W1–W11）及相应河流沉积物样品，并按相对废弃矿山的位置划分为上游和下游点位。研究结合水体理化参数测定、主要离子与 PTEs 浓度分析，采用水质指数（WQI）和环境水质指数（EWQI）评估生活用水适宜性，采用非致癌危害指数（HI）与致癌风险（CR）开展健康风险评估，采用地累积指数（GI）评估沉积物污染程度，同时使用 Pearson 相关分析、主成分分析（PCA）和聚类分析（CA）解析污染来源与分布控制因素。需要指出的是，样品采集主要发生于雨季强降雨之后，未充分覆盖季节变化。

**Study area**
研究区位于南非 Barberton 绿岩带的 Sheba 社区，地貌以深切割起伏地形为特征，海拔变化显著。区域植被属于稀树草原生物群系（Savanna Biome）的 Sour Bushveld，并包含 Cape Fynbos 成分。该区金矿化与黄铁矿（pyrite，FeS₂）、毒砂（arsenopyrite，FeAsS）等硫化物矿物相关，这一地质矿物学背景对后续 PTEs 的释放与迁移具有决定性作用。研究区沉积地层富 Fe，并含铁质燧石岩，矿物风化及尾矿侵蚀共同构成污染物输入的重要基础。

**Water**
研究人员在 Fig Tree Creek、Kaap River 和 Crocodile River 共设置 11 个地表水采样点，并依据采样点位于废弃矿山的上游或下游进行分类。这一设计使研究能够直接比较矿山上游背景条件与下游受影响条件之间的差异，从而识别废弃矿山排放对河流水化学组成的影响。

**Water quality index (WQI)**
研究采用 WQI 作为生活用水综合评价工具，通过参数相对权重、质量评级及综合指数计算，评价各采样点地表水对居民日常使用的适宜性。与此同时，EWQI 用于强化环境水质量维度的综合判断。相关评价标准参考 WHO 与 SANS 饮用水指导值，使结果具有明确的规范对照意义。

**Water Physicochemical Properties**
研究结果显示，整个研究区河流水体总体表现为微酸性至中性，pH 范围为 7.1–8.3，平均值为 7.79 ±0.43。局部下游点位 W6 的 pH 略有升高，研究人员将其解释为与废弃矿山碳酸盐含量较高尾矿风化产生的碱性过程有关。理化性质的空间变化提示，下游河段已受到矿业遗留物风化淋滤过程的影响，这为后续主要离子和 PTEs 分布差异提供了背景解释。

就污染水平而言，下游水样中 Fe、Ni、As 和 Mn 超过 WHO 和 SANS 指导值，说明废弃金矿排放物已对下游河流水体造成显著污染。结合主要离子和元素行为分析，研究认为硫酸盐（SO₄^2-）可指示硫化物矿物氧化和 AMD 过程，而硝酸盐（NO₃^-）、磷酸盐（PO₄^3-）与农业径流或污水输入相关，氯离子（Cl^-）则与盐化作用有关。这说明研究区水化学并非受单一过程控制，但矿山相关来源在下游仍占主导地位。

多元统计分析进一步增强了污染来源判识。Pearson 相关分析、PCA 与 CA 共同表明，As、Ni、Mn 和 Fe 之间具有一致或相近的地球化学行为，提示这些元素可能受共同来源和相似迁移机制控制，且与废弃金矿尾矿淋滤存在密切联系。相比之下，Hg 与这些元素之间相关性较弱，表明其来源并不完全一致。研究据此指出，Hg 除可能与矿山遗留物有关外，还可能受到研究区非法采金活动的附加影响。这一发现使污染源解析从单一废弃矿山排放扩展到区域人为活动复合输入的层面。

在沉积物方面，下游河流沉积物明显富集 As 和 Ni，并依据 GI 结果被归类为高度污染。由于许多 PTEs 会在适当的水化学条件下从水体向沉积物转移并沉积，沉积物不仅记录了长期污染累积过程，也可能在环境条件变化时再次释放污染物，成为二次污染源。因此，沉积物污染结果表明，Bonanza 金矿的地球化学遗产并不限于瞬时水污染，而是已在河流系统中形成持续性的污染储库。

在水质适宜性评价方面，WQI 和 EWQI 结果显示，约 30% 的河流水样不适宜人类饮用。这一结果直接说明，受废弃矿山影响的部分河段已失去作为安全生活用水来源的功能。考虑到研究区存在依赖附近溪流取水的社区，这一结论具有直接的民生意义，也反映出矿业遗留问题与供水脆弱性之间的现实叠加。

健康风险评估结果则进一步揭示了污染的公共卫生后果。非致癌风险评价显示，80% 的儿童和 50% 的成人 HI 超出可接受水平，提示长期饮用受污染水体可能引发显著健康危害。致癌风险评价进一步表明，所有儿童以及 80% 的成人 CR 均超过可接受限值，显示研究区饮水暴露已达到不容忽视的风险水平。儿童风险明显高于成人，反映出相同暴露条件下儿童对 PTEs 摄入更为敏感。该结果与下游 As、Ni 等元素超标情况相一致，说明这些元素是驱动健康风险的关键因子。

讨论部分围绕污染来源、迁移行为及风险意义展开。研究人员认为，废弃 Bonanza 金矿尾矿和泥坝在降雨、侵蚀及风化作用下持续向 Fig Tree Creek 释放 PTEs，是下游水体和沉积物污染的核心驱动因素。当地地质背景中 Fe 富集沉积物、铁质燧石岩以及黄铁矿、毒砂等硫化物矿物的存在，又进一步增强了 Fe、Mn、As 等元素的自然释放潜势，使矿业遗留污染与地质背景效应发生叠加。与此同时，Hg 的异常行为提示非法采金活动可能构成局部附加源。研究也明确指出其局限性：样品主要在雨季采集，未系统考察季节差异；未开展形态分析（speciation analysis），因此对金属迁移性和生物可利用性（bioavailability）的解释仍有限；沉积物采样点也受可达性限制。尽管如此，研究仍提供了区域污染现状的基线资料，为未来干季—雨季对比监测、污染治理和风险管理奠定了基础。

研究结论部分可概括为：本研究系统评估了南非 Barberton 绿岩带 Sheba 地区废弃 Bonanza 金矿对 Fig Tree Creek 水质的环境影响。研究综合理化分析、主要离子化学、PTEs 浓度测定、多元统计、水质指数及健康风险评价，识别了矿区排放对下游河流系统的显著影响。结果表明，下游水体中 Fe、Ni、As 和 Mn 超标，沉积物中 As 与 Ni 明显富集且污染程度高；约 30% 的水样不适于人类饮用；多数儿童与相当比例成人面临不可接受的非致癌风险，且儿童及多数成人的致癌风险超过可接受范围。综合而言，废弃金矿是该区污染的主要来源，Hg 可能还受到非法采金活动影响。研究为该区域后续环境监测、季节变化评估和管理干预提供了关键基线数据。