ژئوشیمی زیست محیطی عبارتی است که به مطالعه تأثیر عوامل زیست محیطی بر ترکیبات شیمیایی در محیط زمینی اشاره دارد. در این حوزه، شیمیدانان و علمای زمین شناسی با استفاده از تجزیه و تحلیل عناصر و ترکیبات شیمیایی، تأثیر فعالیت‌های زنده و عوامل محیطی بر زمین را مورد مطالعه قرار می‌دهند. این زمینه در پژوهش‌های مربوط به محیط زیست، زیست‌شناسی، و مدیریت منابع طبیعی بسیار اهمیت دارد. با مطالعه ژئوشیمی زیست محیطی، می‌توان به تدابیر بهینه تری برای حفظ و مدیریت محیط زیست و منابع طبیعی دست یافت.
تعریف ژئوشیمی محیطی
در زبانی ساده، ژئوشیمی به معنای مطالعه توزیع و مقدار عناصر در سطح زمین است. این علم به چندین شاخه تقسیم می‌شود، از جمله ژئوشیمی نظری، کاربردی، اکتشافی، هسته‌ای، آلی و محیطی. ژئوشیمی محیطی به بررسی تأثیر عناصر شیمیایی بر محیط زیست می‌پردازد و به مطالعه تأثیرات آلاینده‌ها بر آب، خاک، و هوا می‌پردازد. این علم ارتباط بین ترکیبات شیمیایی و سلامت گیاهان، حیوانات، و انسان‌ها را بررسی می‌کند و در جلوگیری از آلودگی محیط زیست نیز نقش مهمی دارد. در اساس، ژئوشیمی محیط زیست به مطالعه توزیع عناصر شیمیایی در اقلیم‌ها، آب و هوا، خاک، و زیستگاه‌ها می‌پردازد و تأثیرات آلاینده‌ها را بر محیط زیست بررسی می‌کند.
چکیده :
یکی از مسائل جدی در صنعت معدنکاری در سراسر جهان، آلودگی زیست محیطی ناشی از مناطق معدنی متروکه و رها شده است. باطله‌های معدنی باعث آلودگی خاک و منابع طبیعی به فلزات و مواد سمی می‌شوند. اثرات هواشناسی نیز مانند باران‌های سنگین باعث پخش و انتشار فلزات در مناطق نیمه خشک، به ویژه در خاک، و در ندرت‌ترین حالت‌ها در پوشش گیاهی این مناطق می‌شود. این مطالعه به تجزیه و تحلیل ژئوشیمیایی و زمین‌آماری آلودگی خاک به عناصر سمی در معدن کیتارا در کشور مراکش پرداخته و با آنالیز برای 41 عنصر شیمیایی، از جمله مس، مس، سرب، روی، آرسنیک، و آهن، انجام شده است.
نتایج نشان می‌دهد که خاک در منطقه مورد مطالعه آلوده به فلزات و مواد شبه فلزی است که حداقل مقادیر ژئوشیمیایی را تجاوز کرده‌اند. نقشه‌های ژئوشیمیایی نشان می‌دهد که باطله‌های معدنی عامل اصلی آلودگی خاک در این منطقه هستند و با بارش باران، فلزات و مواد شبه فلزی از باطله‌های معدنی در پایین‌ترین نقاط منطقه به خاک منتشر می‌شوند. این مطالعه امیدوار است که به عنوان یک منبع ارزشمند برای سیاست‌گذاران، مدیران و تصمیم‌گیران در ارزیابی آلودگی خاک در مناطق معدنی متروکه واقعیت شناخته شود و به توسعه و پایداری محیط زیستی کمک کند.
مقدمه
در مناطقی که فعالیت‌های معدنی انجام می‌شود، مسئله زهکشی اسیدی معدن (AMD=Acid Mine Drainage) به عنوان یک مسئله مهم زیست محیطی مطرح می‌شود. این پدیده به وجود می‌آید زمانی که کانی‌های سولفیدی مانند پیریت و پیروتیت اکسیده می‌شوند. اکسیداسیون این کانی‌ها باعث افزایش حلالیت فلزات سمی در باطله‌های معدنی (باطله‌های روباز و زیرزمینی) می‌شود و در نتیجه به آلودگی زیست محیطی خاک منجر می‌شود. زمانی که باران به خاک و سنگ وارد می‌شود، منافذ و فضاهای خالی در میان آنها را پر می‌کند و جریان آب در اثر نفوذ آب باران در منافذ ایجاد می‌شود. نوع و میزان منافذ وابسته به شرایط زمین‌شناسی منطقه است.
با توجه به اینکه فلزات سنگین در خاک و سنگ حل می‌شوند و به وسیله نفوذ آب در منافذ و املاح پراکنده می‌شوند، این پدیده باعث پخش و آلودگی محیط اطراف می‌شود. همچنین، حل شدن فلزات در خاک و سنگ می‌تواند نوعی ناپایداری در محیط ایجاد کند که به عنوان آلودگی محیطی معروف است و در مورد زمین‌شناسی سایت‌های معدنی که تمرکز این مطالعه بر روی آنهاست، اهمیت دارد.
همچنین، نقشه‌های ژئوشیمیایی معادن می‌توانند به عنوان ابزاری موثر در برنامه‌ریزی محیط زیست مورد استفاده قرار گیرند. این نقشه‌ها اطلاعات مفیدی از جمله توزیع و فراوانی عناصر ژئوشیمیایی و مکان منبع آنها را نشان می‌دهند. مقدار حد زمینه ژئوشیمیایی (GB) نیز به عنوان یک پارامتر مهم در مطالعات زیست محیطی تعریف می‌شود و از ابزار داده‌کاوی به نام تحلیل داده‌های کاوشی (EDA) برای تعیین این مقدار بهره‌برداری می‌شود.
در پایان، سیستم اطلاعات جغرافیایی (GIS) به عنوان یکی از ابزارهای اصلی برای بررسی مشکلات ژئوشیمیایی محیطی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این سیستم اطلاعاتی به تحلیل آماری داده‌های مکانی و پارامتری خاک کمک می‌کند و ابزار موثری برای بررسی تنوع مکانی آلودگی‌ها و آلاینده‌ها است. تجزیه و تحلیل زمین‌آماری کریجینگ در محیط GIS نیز به عنوان یک روش پیشرفته برای تهیه نقشه‌های ژئوشیمیایی محیطی برای عناصر آلوده و سمی در مناطق مورد مطالعه مورد استفاده قرار می‌گیرد.
هدف از این مطالعه به شرح زیر است:
- تعیین خصوصیات ژئوشیمیایی خاک و باطله در معدن کیتارا
- تعیین مقدار حد زمینه ژئوشیمیایی از عناصر انتخاب شده در خاک کیتارا
- تهیه نقشه های ژئوشیمیایی در مورد عناصر مشکوک به سمی بودن و مقایسه نتایج با مقدار زمینه بدست آمده ژئوشیمیایی که این مسائل نشان دهنده میزان آلودگی منطقه معدنکاری کیتارا و خاک اطراف این معدن و بررسی خطرات زیست محیطی و بهداشتی در این منطقه می پردازد.
منطقه مورد مطالعه
معدن کیتارا در روستای کیتارا در نزدیکی 35 کیلومتری شمال غربی مراکش واقع شده است، واقع در قلب کوه‌های JEBILET. بر اساس داده‌های سرشماری دولتی از سال 2004، جمعیت این روستا حدود 2000 نفر است. منطقه‌ای با آب و هوای نیمه خشک است که دما در ژانویه به حداقل 12 درجه سانتیگراد و در جولای به حداکثر 29 درجه سانتیگراد می‌رسد. بارندگی متوسط در سال حدود 250 میلیمتر و نرخ تبخیر سالیانه 450 میلیمتر گزارش شده است. بادهای اصلی در منطقه از سمت شمال شرق به سوی جنوب غرب جاری هستند. این منطقه دارای جریان آب و رودخانه دائمی نمی‌باشد و آب‌های سطحی آن به صورت موقت و در دوره‌های بارش جاری می‌شوند.
معدن کیتارا در سه فاز مختلف بهره‌برداری شده است. در فاز اول (1938 تا 1962)، اکسید آهن به عنوان مثال هماتیت از بخش کلاهک آهنی استخراج شد که در صنعت رنگ‌سازی مورد استفاده قرار گرفت. در فاز دوم (1955 تا 1966)، پیریت به میزان 180 هزار تن سولفید استخراج شد. در این دو فاز، استخراج سنگ معدن به شکل خام بود و هیچ کانی‌شناسی دقیقی در نظر گرفته نشد. در فاز سوم (1964 تا 1981)، معدن تولید پیروتیت با درصد عیار سولفید انجام شد. از جمله روش‌های استفاده شده در این مرحله، قسمت کانه‌آرایی و روش جداسازی ثقلی (پرعیارسازی ثقلی) برای جداسازی مواد، به ویژه فلزات سولفیدی، است.
در طی این دوره، بیش از 3 میلیون تن از مواد باطله معدنی در منطقه حدود 30 هکتاری ذخیره شدند. بیشتر باطله‌های معدن کیتارا شامل کانی‌های سولفیدی نظیر پیروتیت، پیریت، کالکو پیریت، گالن و اسفالریت است و این باطله‌ها مقادیر قابل توجهی از زهکشی اسیدی معدن (AMD) تولید می‌کنند. بر اساس مطالعات پیشین، آب منطقه دارای PH بین 2.9 تا 4.2 و غلظت بالایی از سولفات (5000 تا 47 میلی‌گرم بر لیتر) و آهن (12000 تا 1 میلی‌گرم بر لیتر)، و غلظت مس و روی (58 تا 47 میلی‌گرم بر لیتر) بوده است.
همچنین، در سایت معدنی کیتارا، برخی از کانی‌های ثانویه در سطح زمین مشاهده شده‌اند، از جمله گوتیت، ژادوسیت، آلونیت و گچ. وجود این کانی‌های ثانویه به مقادیر زیاد نشان‌دهنده وجود AMD بسیار فعال در منطقه است. کانسار سولفیدی کیتارا از نوع رسوبات دگرگونی است که سنگ میزبان آن از نوع آتشفشانی است و متشکل از پروتیت‌های عظیم با مقدار کمی از اسفالریت، گالن، کالکو پیریت و پیریت در فاز کوهزایی مربوط به دوره دگرگونی هرسنین میباشد. در بخش‌های پایین‌تر کیتارا، لایه‌های شیل دگرسانی وجود دارند که امکان نفوذ AMD را ایجاد می‌کنند. همچنین، در جدول آب‌های زیرزمینی اطراف این سازند، عمق آب‌ها بین 10 تا 20 متر است.
نمونه برداری و آماده سازی نمونه
به منظور انجام این کار، انتخاب نقاط نمونه‌برداری باید با توجه به معیارهای مناسب انجام شود. پس از مرور نقشه‌های توپوگرافی و زمین‌شناسی و مطالعات پیشین انجام شده در معدن کیتارا که در وضعیت ترک کرده قرار دارد، نمونه‌برداری از خاک در 3 نقطه مختلف بر اساس موقعیت مکانی باطله‌های معدن انجام شد. طراحی نقاط نمونه‌برداری باید با توجه به شیب منطقه، غلظت عناصر، و قابلیت تحرک عناصر انجام شود. فواصل بین نقاط نمونه‌برداری متغیر بوده و از 150 متر تا 350 متر انتخاب شد. 4 گروه از نمونه‌های خاک جمع‌آوری شده عبارتند از:
- نمونه هایی که در بالادست معدن از ضایعات معدن گرفته شده است(حدود 13 نمونه)
- نمونه هایی در نزدیکی باطله معدنی (27 نمونه)
- نمونه هایی در پایین دست سایت معدنی (22 نمونه)
- نمونه گیری از باطله های معدن کیتارا (12 نمونه)
در نهایت، 620 نمونه خاک (شماره‌های s1 تا s62) و 12 نمونه زباله معدنی (شماره‌های r1 تا r12) از سایت و محیط اطراف منطقه با مساحت حدود 6 کیلومتر مربع جمع‌آوری شد. موقعیت‌های جغرافیایی نقاط نمونه‌برداری با دقت 5 متر با استفاده از سیستم موقعیت‌یاب جهانی (GPS) و در سیستم تصویر لامبرت شمال مراکش برنامه‌ریزی و در نقشه مورد نظر اجرا شد. نمونه‌ها از عمق 20 سانتیمتری خاک با استفاده از یک بیل فولادی ضد زنگ گرفته شدند و به‌منظور کاهش خطاها در نمونه‌برداری، هر نمونه به 4 بخش تقسیم شده و سپس در کیسه‌های پلی‌اتیلنی نگهداری شد. پس از این مرحله، هر نمونه در دمای حدود 100 درجه سانتیگراد در آون قرار گرفت و سپس از طریق یک مش 2 میلیمتری الک و سرند شد.
تجزیه و تحلیل شیمیایی عناصر در آزمایشگاه ACME ANALYTICAL (واقع در کانادا، شهر ونکوور) که دارای گواهی ISO 9002 است، انجام شد. نمونه‌های محلول شده با استفاده از دستگاه طیف‌سنجی جرمی توسط پلاسمای جفت‌شده القایی ICP-MS تجزیه و تحلیل شدند. برای اطمینان از صحت آزمایش، دقت آن با استفاده از داده‌های تکراری تعیین شد. همچنین، برای اعتبارسنجی نتایج، از نمونه استاندارد استفاده شد. با استفاده از نمونه استاندارد OREAS 45C که از خاک منطقه‌ای در جنوب غرب استرالیا تهیه شده بود، میزان خطای آزمایش به حدود 5٪ تعیین شد. در اینجا، دقت به معنای داده‌های تکراری و صحت به معنای نمونه استاندارد اشاره دارد.
تجزیه و تحلیل آماری
آمار توصیفی :
اطلاعات آماری در زیر برای تجزیه و تحلیل 41 عنصر به دست آمده است و شامل مواردی نظیر حداقل، حداکثر داده‌ها، میانگین، میانه، انحراف معیار، واریانس، چولگی، کشیدگی، و آزمون K-S میباشد که در جداول 1 و 2 آمده است. این پارامترها به همراه خلاصه نتایج حاصله از آنها، جهت مقایسه داده‌ها و تفسیر نتایج بسیار مفید خواهند بود.
فهرست مطالب
تعریف
چکیده
مقدمه
منطقه مورد مطالعه
نمونه برداری و آماده سازی نمونه
تجزیه و تحلیل آماری
عوامل غنی سازی
روش تجزیه و تحلیل اکتشافی داده ها(EDA) :
بحث و نتایج
نقشه های ژئوشیمیایی و معیارهای تجزیه و تحلیل
نتیجه گیری