《Applied Geochemistry》：Geochemical Characterization and Potential Impact of Coal Mine Drainage on River Water Quality at Selected Coal Mines in the Livingstonia Coalfield, Malawi
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酸矿井水环境效应及硫同位素溯源研究——以马拉维林斯顿煤田为例，揭示Kaziwiziwi露天矿和Mchenga地下矿AMD生成机制，发现排水pH 4.46-7.02，硫酸根92.7-593ppm，硫同位素证实泥岩为AMD主要源岩，通过混合模型预测河水pH波动及金属浓度升高趋势。
阿米杜·A·马克温贾（Amidu A. Makwinja）|弗朗西斯·奇坎达（Frances Chikanda）|乔治·J·马涅亚（George J. Maneya）|菊地良辅（Ryosuke Kikuchi）|瓦卢比塔·穆法洛（Walubita Mufalo）|石田昭泉（Akizumi Ishida）|大竹翼（Tsubasa Otake）
北海道大学工程学院研究生院可持续资源工程系，日本札幌市北区北13-8-西8，邮编060-8628
摘要
煤炭开采可能由于酸性矿井排水（AMD）对环境产生重大影响。为了进一步了解煤炭开采的环境影响，我们在马拉维的卡齐维兹维（Kaziwiziwi）和姆切加（Mchenga）煤矿的利文斯顿尼亚（Livingstonia）煤田进行了研究。分析了矿井排水、河水及岩石样本的地球化学特性，以评估其潜在的环境影响。现场测量和化学分析结果显示，两个地点的矿井排水呈中性至微酸性（pH值介于4.46–7.02之间），其中Fe2+和SO42–的浓度分别为0.30–3.75 ppm和92.7–593 ppm。Fe和SO4离子的存在表明发生了FeS2的氧化反应，这是导致AMD的原因。在卡齐维兹维煤矿，AMD现象出现在尾矿池中；而在姆切加煤矿，则发生在废弃的地下矿井中。卡齐维兹维煤矿的地下排水中含有高浓度的Ca2+、Mg2+和HCO3–，这表明AMD通过与碱性地下水混合而得到自然中和。河水的pH值接近中性，微量元素浓度较低（<1 ppm），表明AMD现象较轻。然而，岩石样本（尤其是泥岩）具有产酸潜力，存在长期AMD风险。稳定同位素分析表明，AMD中的硫酸根离子来源于泥岩，说明这种岩石类型是AMD的主要来源。地球化学混合模型预测，当河水与AMD混合时，pH值会发生变化，溶解金属（如Mn）的浓度也会升高，因此亟需采取监测和缓解措施。
部分内容摘录
引言
酸性矿井排水（AMD）是煤炭和金属开采过程中产生的严重环境问题（Simate和Ndlovu，2014；Qureshi等人，2016；Tomiyama等人，2019；Gücer等人，2020）。AMD是由于硫化铁矿物（如黄铁矿FeS2）在空气和水中氧化而形成的，导致全球采矿区的水源受到污染（Cravotta III，2008a；Burrows等人，2015；Cravotta III，2021；Hedin等人，2024）。这种污染是一个持续存在且广泛存在的问题。
研究区域的位置和水文地质情况
马拉维位于非洲南部（图1a），共有15个煤田，其中13个位于北部，2个位于南部。这些煤田的预计煤炭储量为8亿吨。最大的煤矿床位于北部的Ngana、Livingstonia、Lufia、North Rukuru和Nthalire盆地，以及南部的Mwabvi和Lengwe盆地（英国地质调查局，2009）。所有正在进行的煤炭开采活动都集中在北部地区。
样品采集
我们进行了野外调查，收集了河水、矿井排水和岩石样本。岩石样本包括煤、泥岩和砂岩，这些样本取自尾矿池和矿井作业区。采样时间涵盖了雨季和旱季，以评估矿井排水和河水化学成分的季节性变化。采样工作于2023年进行，雨季采样时间为3月，旱季采样时间为9月。
在卡齐维兹维煤矿，水样采集自...
矿井排水和河水的物理化学特性
矿井排水的pH值介于中性至微酸性之间。卡齐维兹维煤矿矿井排水和河水的物理化学参数的季节性变化见图3和表S1。雨季时，尾矿池（KS2）的矿井排水呈微酸性（pH值4.46），碱度较低（4 mg/L，图3b），氧化还原电位（ORP）较高（380 mV，图3e）。低pH值和低碱度是AMD的典型特征。
结论
利文斯顿尼亚煤田含有大量黄铁矿，这是矿区AMD产生的主要原因。通过对卡齐维兹维和姆切加煤矿的调查显示，根据矿井作业区和尾矿池水样的分析，这两个地点均存在AMD现象。矿井排水呈中性至微酸性，由于黄铁矿的氧化及围岩风化作用，其中含有丰富的金属（Fe、Al、Mn、Ni和Sr）和SO4。
煤和泥岩...
作者贡献声明
阿米杜·阿马里·马克温贾（Amidu Amali Makwinja）：负责撰写、审稿与编辑、原始草稿撰写、数据可视化、方法验证、研究设计、数据分析及概念构建。弗朗西斯·奇坎达（Frances Chikanda）：负责撰写、审稿与编辑、方法验证、研究设计、数据分析及概念构建。瓦卢比塔·穆法洛（Walubita Mufalo）：负责撰写、审稿与编辑、方法验证、研究设计、数据分析及概念构建。石田昭泉（Akizumi Ishida）：负责撰写、审稿与编辑、数据可视化、方法验证及研究设计。
未引用的参考文献
Power, 2025; 世界卫生组织（World Health Organisation），2021; 世界卫生组织（World Health Organisation），2022.利益冲突声明
作者声明：他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们感谢Maxwell Kudzala、Dyson Chisale、Musa Mtelera以及马拉维矿业部和矿业厅的管理层在规划及实施野外考察方面提供的帮助。同时感谢卡齐维兹维和姆切加煤矿的管理层对我们的研究团队的热情接待。此外，也感谢Nono Kimotsuki和Sereyroith Tum在开发地球化学混合模型方面提供的支持。本研究得到了日本国际合作的资助。
