全球金属矿业污染对海洋环境风险的评估：基于气候变化的未来热点识别与治理优先级研究

《Earth-Science Reviews》：Assessing the global metal mining pollution risk to the marine environment

　　

摘要专业翻译 矿业是海洋环境中金属污染物的主要来源。金属矿山的污染物通过河流和风成过程进行输送。由于气候变化，自然灾害将加剧这些污染物向海岸带的迁移。美洲、北欧、地中海、东亚和澳大利亚地区面临的风险升高。研究识别出热点区域，以聚焦监测与修复工作。人类活动如今在塑造地球关键过程中已可与地质力量相抗衡（Steffen等，2018）。地球沉积物收支中约三分之一由固体矿山废弃物构成，金属开采在60年期间导致沉积物产量增加910%（图1a；Hodges，1995；Syvitski等，2022）。因此，全球约1亿公顷陆地被数百亿吨矿山废弃物覆盖（Lottermoser，2010）。2010年，矿山废弃物产量约为自然来源释放沉积物的六倍，而自然来源向河流和海洋的输送通量因大坝拦截而减少（图1a；Syvitski等，2022）。日益增长的矿山相关沉积物产量主要受人口增长和经济活动对金属需求增加的驱动（Oberle等，2019）。1970年至2024年间，金属矿石（铁、铝、铜及其他有色金属）开采量从27亿吨增至106亿吨（图1b；Oberle等，2019）。与此同时，技术进步使企业能够开采品位更低的矿床（图1B），从而在单位金属提取中产生更多废弃物，且由于政治稳定性增强等因素，更多矿床变得可开采。这些因素共同导致市场资本价值达到约1万亿美元，2023年收入达8450亿美元（Hudson-Edwards，2016；PwC，2024；West，2011）。这种增长伴随着严重的环境和生态代价。自然丰度低（<地壳的0.01%）的金属和类金属（以下简称金属），如铅（Pb）、锌（Zn）、铜（Cu）和砷（As），与矿山废弃物相关，可污染河流和洪泛区至危险浓度，对包括人类在内的多个营养级构成严重风险（Gall等，2015）。近期研究表明，在全球陆地环境中，金属矿山影响164,000 km2洪泛区、479,000 km河道及约2300万人口。这种污染主要来自活跃（仍在运营）和非活跃（已关闭）矿山及尾矿（即矿石提取金属后留下的化学处理材料）的长期排放，以及尾矿坝溃坝（TDF）的间歇性释放（图1c；Macklin等，2023）。然而，尽管这些是大多数研究的焦点，受影响的不仅限于陆地环境。地球海岸线占陆地排水面积的87%（V?r?smarty等，2000）。研究表明，超过90%的金属与沉积物结合（Lewin和Macklin，1987；Macklin等，2006），导致污染物大量输运至沿海环境（Brunskill，2012；Dold，2014；Hudson-Edwards，2016；Koski，2012）。许多生活在受采矿影响沿海区域的海洋生物可积累金属，为污染物进入食物链及依赖水生资源的社区提供了切入点（如Ayuso和Foley，2009；Koski，2012；Koski等，2008）。因此，金属开采对沿海区域构成了额外的人为压力，其中47.9%的沿海区域已受到渔业和化肥使用等人类活动的严重影响，包括近一半的受保护沿海区域（Williams等，2022）。保护海洋生态系统、沿海生计和人类健康需要协调的国际监管、针对特定地点的风险管理以及监测和修复技术的进步。这反过来依赖于对采矿造成的海洋污染全球范围的可靠估算，以及识别气候驱动灾害最可能加剧污染物动员和扩散的区域。

论文主体内容专业总结

1. 引言

论文引言部分阐述了金属采矿活动对全球环境，特别是海洋环境构成的日益严峻的威胁。研究指出，人类活动在塑造地球关键过程中已与地质力量相当，全球约三分之一的沉积物预算由固体矿山废弃物构成。1970年至2024年间，金属矿石开采量从27亿吨增至106亿吨，导致大量废弃物产生。这些废弃物中含有铅（Pb）、锌（Zn）、铜（Cu）和砷（As）等自然丰度极低的金属和类金属，可污染河流和洪泛区至危险浓度。尽管陆地环境是多数研究的焦点，但地球海岸线占陆地排水面积的87%，超过90%的金属与沉积物结合，导致污染物大量输运至沿海环境。许多海洋生物可积累金属，为污染物进入食物链提供了切入点。研究还强调，全球47.9%的沿海区域已受到人类活动的严重影响。

1.1. 气候变化灾害对金属采矿污染物的影响

该部分讨论了气候变化如何加剧金属采矿污染物的迁移和释放。研究指出，与化石燃料燃烧相关的温室气体排放导致的大气变暖预计到2040年将达到约1.5°C。在代表性浓度路径（RCP）情景下，预计许多海洋、大气和其他自然过程将受到不同程度的影响。全球对大气变暖的响应包括陆地和海洋温度升高、海平面上升加速、海洋酸化、海洋脱氧以及全球水文循环的强化。这些过程可能通过以下方式加剧沉积物通量和金属释放：流域温度升高增加受污染土壤的侵蚀；全球径流增强提高河流携带潜在有毒废弃物的能力；荒漠化导致更多风成金属氧化物输运；受污染沉积物被淹没并转移入海；沿海能量增加及受污染沉积物向水柱混合；改变化学条件（如氧含量和酸度）影响金属生物有效性；极端天气对尾矿坝结构的影响。近期评估发现，大多数尾矿储存设施（TSF）位于易受永久冻土融化、冻融循环变化和风力再悬浮影响的寒冷和干旱地区。到21世纪后期，更温带和热带条件的出现将为数千个TSF带来更高降雨量，使其面临更高的溃坝风险。

1.2. 目标与目的

本节明确了研究的总体目标：通过评估可能影响沿海区域的采矿活动（活跃矿山、非活跃矿山、TSF、TDF）的当前范围和状态、这些区域的主要自然和气候驱动灾害以及这些灾害未来的变化，为人类和气候压力对采矿相关金属释放进入海洋环境所构成的全球风险提供新见解。研究首先概述金属矿山污染物向海岸的潜在输运路径；其次，基于此分析编制可能污染海洋环境的活跃和非活跃矿山及TSF数据库，以及已知影响海岸的TDF；第三，将金属矿山数据库与21世纪末相关自然过程的气候预测图进行比较，以了解可能加剧未来采矿相关金属污染的关键灾害；第四，识别气候灾害重叠的区域，以隔离未来海洋采矿相关金属污染的潜在热点；最后，讨论需要监测的沿海区域以及减轻污染对海洋生态系统和沿海社区影响的治理和干预技术。

2. 海岸环境中矿山废弃物的输运路径与影响

本节区分了金属矿山污染物向海岸输运的路径，将长期暴露（如来自活跃和非活跃矿山）与高能量TDF（快速释放大量受污染水和沉积物）分开讨论。

2.1. 长期暴露

地下和露天开采使基岩和大量废弃物暴露于大气和大气降水，通过氧化、风化和侵蚀导致金属释放到当地环境，这一过程在矿山关闭后可持续数百年至数千年。矿山尾矿是矿石提取后留下的粉状和化学处理部分，储存在筑坝的尾矿池中或通过河流或建造的管道直接输送到海岸线。尾矿的细粒特性和处理过程中添加的试剂使其特别具有化学反应性和环境危害性。金属负载废弃物还可通过TDF、直接海上处置以及河流和河口系统进入海洋环境。菲律宾、智利北部和西班牙记录了数十年来数百万吨尾矿向近岸浅水处置点的输送，导致广泛的沿海污染。从全球角度看，河流输运是金属污染物的主要扩散途径。超过90%的矿山相关金属与沉积物结合，输运至采矿作业下游10至100公里处，导致在洪泛区、河道、河口和海岸的积累和储存。采矿活动停止后，受污染沉积物的再悬浮可持续数百年。金属污染物还可通过大气路径输运至沿海环境。金属采矿可产生大量富含铅（Pb）、砷（As）、铬（Cr）、汞（Hg）和微量金属的颗粒物和气溶胶排放。矿物破碎和研磨、矿石冶炼以及尾矿的风蚀可产生细至粗颗粒物排放，可输运数百公里。富含金属的颗粒物和风化物盐可被雨水轻易溶解，导致河口和沿海水域金属负荷增加。

2.2. 尾矿坝溃坝

大多数尾矿储存在现场的TSF中，通常涉及将尾矿储存在称为坝的加高堤坝后面的蓄水区。TSF失效导致受污染水和尾矿不受控制地释放到当地环境，通常通过坝体溃口、裂缝渗漏或洪水。TSF失效的严重程度不一，从现场控制、防止环境污染的废弃物相关事故，到导致生命损失和社会、环境及经济破坏的灾难。斜坡失效和漫顶是TDF最常见的原因，其次是渗漏和结构倒塌。迄今为止，TDF污染已影响5300公里河流和4950 km²洪泛区，估计造成2650人死亡，约317,000人流离失所。富含尾矿的失效事件其影响持续时间长（数年至数十年），而水污染影响持续数周至数年。在极端情况下，内陆TDF的冲击距离可达沿海环境，导致沉积物广泛污染。例如，1996年菲律宾马林杜克岛Marcopper TDF向海岸输送约1,600,000 m³尾矿；西班牙Los Frailes TDF向Guadiamar河释放1,600,000 m³尾矿和5,500,000 m³受污染水，并被携带至西班牙海岸；巴西Fund?o和Santarém矿山TDF是有记录以来最大的一次，向大西洋释放43,700,000 m³尾矿和水，沿668公里河流输运。

2.3. 海洋生态系统影响

联合国国际资源小组将生态毒性解释为有毒物质排放后在各种环境介质（空气、水和土壤）之间输运、降解和转移，可能导致直接或间接暴露，暴露后可能产生毒性效应。贵金属和铜的开采和加工相对于其产量具有高毒性，源于硫化物尾矿的浸出和泄漏以及分离高品位矿石所需的技术。2000年至2015年间，铁、钢、铝、铜、金、铂和钢开采及加工排放的模拟生态毒性影响上升约50%。一些海洋植物和动物可从受采矿影响的沿海沉积物和海水中生物积累金属，尾矿沉积导致的浊度和沉积速率增加可影响海洋动物群。例如，美国受酸性金属丰富排水影响区域的贻贝、蛤、蟹和龙虾等穴居和固着生物的金属浓度高于耐受水平；格陵兰Black Angel矿山的尾矿导致沉积物铅（Pb）水平高，沉积33年后底栖群落退化；智利Calacan湾和加拿大Kitsault钼矿尾矿及西班牙Portman湾沉积物的孔隙水对海胆等底栖生物具有急性毒性水平；智利Cha?aral湾大量矿山尾矿和相关生物可利用铜导致藻类、固着无脊椎动物和小型底栖动物的多样性和丰度降低；菲律宾Marinduque岛和巴布亚新几内亚Misima岛的Porites珊瑚富集了与Marcopper矿山灾难和黄金开采开始相关的金属；英国受采矿影响的河口（如西南地区）中，金属污染的生物指示物（即软体动物、藻类和蠕虫）在采矿停止一个世纪后仍高于背景水平。金属矿山相关沉积物污染可通过摄入沉积物或受污染底栖生物直接和间接影响鱼类。金属暴露可导致鱼类生物多样性丧失和种群下降，原因是生殖损伤、行为改变和生长速率降低。短期TDF可导致数百万鱼类死亡。长期暴露可导致渔业和水产养殖产量严重损失，通过受污染海产品对人类健康构成风险。金属矿山废弃物对沿海水域和沉积物的毒性污染代表着一个日益增长且未被充分认识的全球威胁。尽管近期评估估计约2300万人和约600万牲畜暴露于洪泛区矿山污染，但海洋环境的等效全球规模评估仍然缺乏。沿海区域（定义为距海岸50公里）占全球人口的四分之一，预计到2100年沿海特大城市将集中增长。因此，沿海地区存在与洪泛区人口规模相当的高密度人口，易受自然灾害和矿山废弃物风险影响。然而，目前对金属矿山对海洋环境影响的理解仅限于零散的局部案例研究，这一关键知识空白限制了量化完全暴露程度的能力，并削弱了有效监测、治理和修复策略的制定。

3. 数据与方法

3.1. 全球矿山数据库

为评估金属采矿对海洋环境的风险，研究汇集了来自WAPHA全球金属矿山数据库的活跃和非活跃矿山、TDF事件和TSF位置的免费空间数据。这些数据集使用金属衰减距离或TDF冲击距离进行过滤，以隔离可能影响沿海社区和生态系统的采矿活动。

3.1.1. 活跃和非活跃矿山

活跃和非活跃矿山的免费数据来自美国地质调查局（USGS）的矿产资源数据系统、英国地质调查局（BGS）的BritPits调查和WAPHA全球金属矿山数据库。合并后，数据库包括全球25,957个活跃矿山和183,597个非活跃矿山。选择了18种商品（锑、砷、钡（包括毒重石）、镉、钴、铜、铬、金、铅、汞、镍、铂、银、铊、锡、钨、铀、锌），因为它们在地壳中自然丰度低（<0.01%），且通常与金属矿山相关污染有关。为隔离可能污染沿海环境的活跃和非活跃矿山，使用铅（13.3公里）、铜（14.2公里）、锌（8公里）和砷（87.1公里）干预阈值距离的95%置信区间上限过滤全球矿山数据库。每种商品根据Macklin等人（2023）表S7中呈现的典型元素关联分配干预阈值距离。干预阈值距离基于近期模型，该模型基于来自79个国家覆盖六个不同气候区的739个样本点，发现铅（Pb）、铜（Cu）、锌（Zn）和砷（As）在矿山下游分别保持高于荷兰干预限值8.6±4.7、10.3±3.9、6.5±1.5和45.6±41.5公里。

3.1.2. 尾矿储存设施与溃坝

TSF和TDF的免费数据来自WAPHA全球金属矿山数据库、全球尾矿门户、ICOLD/UNEP 2001汇编、WISE数据库和世界矿山尾矿溃坝（自1915年起）数据库。TDF根据严重程度分为五个等级。全球报告的399起TDF中，只有12起与失效期间对沿海环境的影响相关。最极端事件（1级）发生在巴西、美国、菲律宾和西班牙。巴西Fund?o TDF导致Santarém尾矿坝侵蚀，造成19人死亡，释放43,700,000 m³富铁尾矿进入附近河流，输运668公里至大西洋海岸。美国Hopewell矿山从粘土沉淀池释放1,900,000 m³物质进入附近湿地和Alafia河，到达佛罗里达州坦帕湾。菲律宾Marcopper矿山灾难释放1,900,000 m³富铜尾矿进入Boac河，输运26公里至马林杜克岛海岸。西班牙Los Frailes矿山灾难向Guadiamar河释放6,600,000 m³尾矿和受污染水，输运41公里至西班牙海岸。2级TDF也可输运足够距离到达沿海环境。2004年，佛罗里达州Riverview的堤坝在Frances飓风的波浪作用下破裂，向Hillsborough湾溢出227,000 m³污染水。七年前，附近的Mulberry磷酸盐坝破裂，向坦帕湾释放200,000 m³酸性水，导致0.05至300万条鱼死亡。如果TSF靠近海岸，3级TDF可污染海洋环境。数据库中全球记录了11,472个TSF。虽然最极端的1级TDF记录输运距离可达668公里到达海岸，但大多数报告的TDF冲击距离为40±18公里（n=115）。为隔离可能通过TDF污染沿海环境的潜在TSF，使用报告的TDF冲击距离的95%置信区间上限（58公里）从海岸线过滤全球TSF数据库。

3.2. 气候变化情景

在沿海管理、气候服务和适应规划的背景下，需要最坏情况情景（如2100年的低概率高影响预测）用于利益相关者参与。最坏情况情景也用于通过适应性路径规划对国家级沿海政策和指南进行压力测试。研究使用最坏情况情景评估气候变化对金属释放进入海洋环境的影响，并识别面临多重灾害风险最高的区域。这基于采矿基础设施的阈值驱动失效行为和金属矿山污染物在沿海系统中的长期持久性，其中风险低估会带来重大后果。研究选择了IPCC RCP8.5情景，该情景代表最坏情况，假设温室气体排放将在21世纪持续增长（到2050年翻倍）且不受减缓。分析选择的数据集包括：K?ppen-Geiger气候区，基于月降水量和气温阈值将气候分为五个主要类别和三十个子类型；CMIP6预测的降水变化；以及极端海平面，即海面高度、风暴潮、百年一遇波浪、高潮位（第95百分位）和低概率海平面上升情景的组合。

4. 地球系统对气候变化的响应与金属矿山污染的轨迹

数据库显示，有4094个活跃矿山、28,563个非活跃矿山和1427个TSF可能污染沿海环境。本节将过滤后的全球金属矿山数据库与2100年预测的气候变化、年平均降水和极端海平面进行比较，直接评估高温、洪水和海岸侵蚀等灾害对金属矿山污染轨迹的影响。

4.1. K?ppen-Geiger气候区

将过滤后的全球金属矿山数据库与K?ppen-Geiger气候区进行比较，显示当前（1991–2020）和预测（2071–2099）的主导气候条件。目前，60%的活跃矿山和72%的非活跃矿山位于温带条件，而大多数TSF（57%）位于沙漠和寒冷气候。如果人为引起的气候变化持续不减，温带地区拥有活跃（99%更多矿山）和非活跃（252%更多矿山）矿山及TSF（148%更多TSF）将经历更炎热的夏季。沙漠和草原气候中的活跃矿山、非活跃矿山和TSF数量也将分别增加201%和138%、251%和606%、684%和4700%至更炎热条件。寒冷气候中活跃矿山、非活跃矿山和TSF的百分比到2100年可能分别向更温暖条件转变33%、145%和38%。同时，位于苔原和霜冻气候的采矿活动将下降49–100%。这表明大多数矿山将经历气温的强烈上升。更高气温将影响河流温度和沉积物产生及输运。向更炎热温带环境的转变将导致更多土壤形成、冻融循环、更强的植物根系系统和更高水平的海岸侵蚀。这对位于更高温度区域的采矿活动至关重要，因为这些过程可能导致尾矿和洪泛区及河岸受污染沉积物的更大侵蚀，以及TSF的潜在结构失效，导致更多潜在有毒金属向河口和沿海环境输出。沙漠和草原气候中的更高气温将通过植被丧失、荒漠化和更高风速提供更多风成沉积物和更频繁的沙尘暴。这将为尾矿和受污染灰尘的风力再悬浮提供途径，使富含金属的颗粒物沿海岸扩散更远距离。更温暖的流域将增加河流的沉积物产量和河流负荷。极地、亚极地和高山区域将成为更高河流负荷的热点，北极永久冻土融化将导致融冻塌陷和热喀斯特河道发展，提供新的沉积物来源。因此，变暖寒冷气候中的采矿活动可能因更高的沉积物产量、永久冻土融化和冰川径流而向沿海环境输出更多金属负载沉积物。此外，TSF可能因永久冻土融化而更容易失效，向当地环境释放尾矿。

4.2. 全球降水变化

全球变暖将强化水文循环，因此应增加全球径流和河流的携带能力，增强潜在有毒矿山废弃物的产生和输运。热带气候中的活跃和非活跃矿山及TSF可能从雨林向季风和热带稀树草原条件转变，最干旱月份降水量更高，变化幅度可达100%。相反，更炎热的夏季和荒漠化可能导致其他气候区矿山和TSF的降雨量降低。将全球矿山数据库与2071–2099年CMIP6降水预测进行比较表明存在不同的暴露路径。虽然大多数TSF（56%）预计将经历降雨量减少，但28%可能增加20–30%。相比之下，约76%的活跃和非活跃矿山预计将获得更高降水量，其中2–5%暴露于30–40%的增加。这些转变表明，增强的河流输运和增加的沙尘产生可能作为竞争但区域依赖的污染物扩散路径。降水动态的变化（如雨滴大小、雪和冰雹）、蒸发和土地覆盖可能导致径流和河流携带能力的空间异质变化。在大陆尺度上，降雨的重新分布可通过将高降水中心转移到矿点来影响沉积物输运，为支流提供更多受污染沉积物负荷。对流性降雨极端事件，加上热带地区植物根系结构减少和更高的生物地球化学风化速率，将向海洋环境输出大量溶解物质和潜在有毒金属。降雨量和强度也是TDF的重要因素，更高降雨量与更多TDF相关，使28%的完整TSF到2100年面临更高的失效风险。过量的池塘水漫过坝顶，如南非Merriespruit和罗马尼亚Baia Mare及Baia Bor?a，以及洪水淹没附近水道导致外部侵蚀，如加拿大Pinchi湖和巴西Pico de S?o Luis，约占记录的TDF的23%，向当地环境释放金属负载水和尾矿水。极端降雨也与意大利Val di Stava因排水系统不足导致的TSF结构失效有关。大多数TSF预计将获得较低降雨量和较高蒸发量，这可能刺激尾矿的风力搬运。