中国西北矿区水系沉积物重金属来源贡献与空间控制特征解析

《Frontiers in Environmental Science》：Characterizing the source contributions and spatial controls of heavy metals in stream sediments in northwestern China’s mining areas

本文通过正定矩阵因子分解（PMF）模型与地球化学方法相结合，系统揭示了柴达木盆地典型冲积扇区水系沉积物重金属的来源贡献及空间分异规律。研究基于8,280件样品数据，量化了自然成矿（39.1%）、土壤母质（34.3%）、工业活动（19.1%）和大气沉降（7.4%）四大来源的贡献占比，并发现自然源的空间分布受地质构造与地层格局控制，而人为源集中分布于南部矿区与北部农业区。该成果为矿区重金属风险精准防控提供了科学依据。

　　

引言

水系沉积物作为流域内物质剥蚀-搬运-沉积的集成产物，其重金属含量空间分异受构造活动、水文地质与土地利用等多因素耦合控制。金水口（JSK）地区位于柴达木盆地南缘，金属矿产资源丰富，南部山区分布多个金属矿床，北部平原农业活动频繁，使得沉积物中重金属来源解析成为生态风险管理的关键前提。

材料与方法

研究区属高原大陆性荒漠气候，海拔3,200–4,842米，发育以诺木洪河为主的季节性水系。2018年按0.25 km²网格采集8,280件沉积物样品，检测Au、Ag、As、Hg等16种元素。采用PMF模型进行源解析，其基本公式为：

x_ij= ∑_k=1^pg_ikf_kj+ e_ij

其中g_ik为源贡献率，f_kj为源成分谱，模型通过最小化加权残差Q值优化求解。

重金属浓度特征

数据显示Mn平均浓度最高（516.3 mg/kg），Hg（22.9 mg/kg）、As（7.7 mg/kg）等元素变异系数显著（Hg达785.7%），局部存在极端污染（Hg最高13,147 mg/kg）。与省级背景值对比，Pb、Nb、Co等元素显著富集（p < 0.01），而Au、Cr等因火成岩主导背景而相对亏损。三叠系地层中Au、La、Sb等元素富集明显，与低温热液成矿作用密切相关。

源解析结果

PMF四因子模型（Q/Q_expected=5.76）显示：

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  因子1（大气沉降，7.4%）：以Hg为主导，与农业区化肥农药使用及矿区汞挥发-大气迁移-再沉降过程相关，高值区集中于北部冲积平原。
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  因子2（土壤母质，34.3%）：富含Cr、Cu、Ni、Co等元素，浓度接近背景水平且空间分异较小，主要受二叠系地层母岩控制。
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  因子3（成矿作用，39.1%）：主导Ag、Au、La、Nb等元素富集，与三叠系中酸性侵入岩及构造-热液成矿过程高度吻合，贡献高值区与地层-构造展布一致。
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  因子4（工业活动，19.1%）：以As、Sb关联为特征，空间上集中于南部金属矿区，与有色金属采选活动排放密切相关。

空间分异规律

自然源（因子2+3）贡献超70%，其空间分布受地质条件刚性控制：成矿因子高值区与三叠系地层和岩体边界高度重叠，土壤母质因子则广布于二叠系地层区。人为源中，工业活动贡献集中于南部矿区（占该源70%负荷），大气沉降则沿北部农业区与植被覆盖区形成显著富集带。值得注意的是，气旋流对汞的跨区域传输作用使矿山源汞可能通过大气途径影响远端农业区。

结论与展望

研究明确了自然过程是JSK地区沉积物重金属主导来源，但其空间异质性受“地质背景控格局、人类活动叠加强度”的二元机制驱动。未来需结合多介质监测与水文传输模型，深化重金属迁移转化机制研究，为矿区沉积物重金属精准治理提供空间靶向依据。