1.3.1. Tại các mỏ quặng ở Việt Nam
Việt Nam hiện nay có tới 5000 mỏ và điểm khống sản đang khai thác bao gồm 60 loại khoáng sản khác nhau với khoảng 2.000 doanh nghiệp tham gia hoạt động khai thác [7]. Mặc dù đóng góp của nền cơng nghiệp khai khống vào GDP
17
của Việt Nam chiếm khoảng 11% nhưng cơng nghiệp khai khống đang đứng trước nhiều thách thức: khai thác sử dụng chưa có hiệu quả làm cho tài nguyên thiên nhiên cạn kiệt; đặc biệt tác động xấu tới cảnh quan và môi trường, gây ơ nhiễm nguồn nước, khơng khí, đất đai, ảnh hưởng đến đa dạng sinh học và nhiều nghành kinh tế khác.
Từ đầu năm 2007, các nhà khoa học thuộc Viện Công nghệ Môi Trường – Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Viện Sinh thái và Tài nguyên Sinh vật, Đại học Quốc gia Hà Nội đã lấy hàng trăm mẫu đất và cây tại các vùng mỏ để phân tích thành phần, hàm lượng kim loại nặng. Qua phân tích cho thấy, tất cả các mỏ đều là điểm nóng về ơ nhiễm, điển hình là mỏ thiếc xã Hà Thượng và mỏ than núi Hồng bị ô nhiễm asen nghiêm trọng, với hàm lượng asen trong đất gấp 17 – 308 lần tiêu chuẩn cho phép của Việt Nam, thậm chí có nơi hàm lượng asen trong đất lên đến 15.166 ppm, gấp 1.262 lần theo quy định. Mỏ kẽm, chì làng Hích cũng có hàm lượng chì gấp 186 lần tiêu chuẩn và kẽm 49 lần.
Việc khai thác mỏ thiếc, đuôi quặng thường chứa arsenopyrit (1 – 2%), chalcopyrit (1%) và pyrit (10 – 15%) [3]. Các khoáng vật sulfua này bị oxi hố tạo ra dịng thải axit mỏ và dung dịch giàu kim loại. Sự lan toả của As và sự oxi hoá các kim loại độc hại như Cu, Cd từ các dòng rỉ từ dòng thải axit mỏ qua các đống thải cũng khơng được chú ý. Có nơi nước thải từ mỏ và xưởng tuyển được thải trực tiếp ra cánh đồng lúa với hàm lượng asen gấp 30 lần nước bình thường. Ở mỏ thiếc Quỳ Hợp, dòng thải của nhà máy được thải trực tiếp ra con suối gần đó. Hàm lượng As trong chất thải rắn rất cao (355 mg/kg) so với hàm lượng được coi là không ô nhiễm trên thế giới là 5 – 20 mg/kg.
Ngồi việc làm ơ nhiễm nguồn nước, các loại bùn thải từ khu vực khai thác đổ ra các khu vực xung quanh, theo thời gian chúng làm ô nhiễm đất tại các khu vực này, diện tích đất nơng nghiệp không những bị thu hẹp mà còn bị hoang hố, ơ nhiễm khơng sử dụng canh tác được. Mặt khác, do sử dụng nguồn nước tương đối lớn nên ngồi việc làm ơ nhiễm, giảm chất lượng nguồn nước, việc khai thác
18
khoáng sản đã làm cho hệ thống tưới tiêu thay đổi, nguồn nước cạn kiệt, do đó, diện tích đất nơng nghiệp bị ảnh hưởng rất nhiều.
Điển hình về việc bồi lấp sông, suối, ao hồ do khai thác quặng mà trong thời gian gần đây gây bức xúc trong dư luận là việc khai thác mỏ quặng ở các dãy núi xung quanh lưu vực nước chảy về bồi lấp nhanh chóng Hồ Ba Bể. Những công trường khai thác bằng nhiều máy móc với cơng suất lớn đã đưa khối lượng đất lớn dồn xuống chân núi và rìu khe Khuồi Giang. Khi có mưa đất bùn sét, hố chất rửa quặng, dầu mỡ của máy móc thải ra theo các suối chảy vào Hồ Ba Bể làm cho Hồ bồi lấp với tốc độ khủng khiếp. Ngồi ra, diện tích đất nơng nghiệp cũng bị một lượng mùn đọng lại làm cho cây trồng không phát triển được.
Tại mỏ Cromit Cổ Định [4], nguồn nước trong khu vực trước khi khai thác có 4 suối nhỏ, chảy từ núi Na Sơn đổ vào sông Lê, với tổng lưu lượng xấp xỉ 100 l/s; hệ thống các ao hồ nhỏ nằm rải rác với tổng diện tích mặt nước khoảng 80 ha. Sau 40 năm khai thác, 4 suối đã biến mất, bên cạnh đó lại xuất hiện một số hồ lớn như Cổ Định, Hồ n, hồ bãi thải quặng đi, vì vậy tổng diện tích mặt nước đã tăng 200 ha. Khai thác quặng Cromit Cổ Định đã làm tăng lượng nước mặt. Nước mặt vùng mỏ có tính axit, khống chất, cặn lắng, chất thải cứng và các chất hữu cơ, dầu mỡ…làm ô nhiễm nguồn nước, huỷ hoại thảm thực vật và cây trồng.
1.3.2. Tại khu vực mỏ đồng Sinh Quyền – Lào Cai
Khu mỏ Sinh quyền mặc dù có trữ lượng đồng lớn và đa dạng các khoáng vật, được khai thác theo quy mơ cơng nghiệp nhưng trình độ chế biến sâu quặng cịn thấp, sản phẩm cuối cùng còn hạn chế. Tại khu mỏ này trong giai đoạn 1994 – 2005 chủ yếu mới là tinh quặng đồng, hàm lượng Cu: 18 – 20%, trong đó có chứa 6 – 8 gam/tấn Au, tinh quặng magnetit Fe khoảng 52%. Các thành phần có ích khác đi kèm chưa được thu hồi, đều bị đưa vào bãi thải làm nguy cơ ô nhiễm kim loại nặng và chất độc hại ngày càng cao.
19
Khu mỏ đồng Sinh Quyền hàng năm thải ra khoảng hàng trăm triệu tấn đất đá còn lẫn quặng, khoảng một triệu tấn chất thải (dưới dạng bùn quặng) từ khâu tuyển quặng và hàng chục nghìn tấn thải từ khâu luyện quặng. Mỏ dự kiến hoạt động trong khảng thời gian 50 năm và tất nhiên sẽ sinh ra một khối lượng khổng lồ chất thải nguy hại cho mơi trường.[10]
1.4. Q trình phong hố quặng [7,12]
Phong hóa là hiện tượng biến đổi, phá hủy tại chỗ đất đá ở phần trên cùng của vỏ trái đất do các tác nhân trong khí quyển, thủy quyển và sinh quyển (như khơng khí, nước, nguồn năng lượng bức xạ mặt trời, sự biến đổi nhiệt độ, các quá trình kết tinh và hoạt động của sinh vật...) làm đất đá và khoáng vật bị thay đổi thành phần, cấu trúc và tinh thể.
Các đá được tạo thành dưới sâu trong điều kiện giống như điều kiện lúc hình thành, nghĩa là tồn tại cũng ở sâu trong điều kiện nhiệt độ, áp suất cao thì chúng sẽ ở trạng thái cân bằng. Nhưng nếu vì một lý do nào đó, các đá bị phơi ra bề mặt để chịu những điều kiện mới: điều kiện về nhiệt độ, áp suất và các điều kiện vật lý của môi trường xung quanh khác hẳn với môi trường khi chúng cịn nằm sâu thì các đá dần dần bị biến đổi.
Có 3 loại phong hố đá và khống vật là phong hoá vật lý, phong hoá hoá học và phong hoá sinh học. Sự phân chia các loại phong hoá chỉ là tương đối vì trong thực tế các yếu tố ngoại cảnh đồng thời tác động lên đá và khoáng vật, do vậy 3 loại phong hố đồng thời cùng diễn ra. Các q trình phong hố liên quan mật thiết và hỗ trợ cho nhau, tuỳ điều kiện cụ thể mà một trong 3 quá trình xảy ra mạnh hơn.
1.4.1. Phong hoá vật lý
Phong hoá vật lý là quá trình làm các đá bị biến đổi mà khơng kèm sự biến đổi về thành phần khống vật mà chỉ biến đổi về kiến trúc, cấu tạo của đá và biến đá từ nguyên khối thành cục, vụn, hạt.
20
Phong hoá vật lý bao gồm những dạng sau:
* Phong hoá nhiệt: Động lực thúc đẩy các q trình phong hóa nhiệt là sự nung nóng bởi bức xạ mặt trời và các hoạt động địa chất ngoại lực như nước chảy, gió thổi xảy ra trên bề mặt vỏ Trái Ðất. Các lớp đất đá ở những độ sâu khác nhau có nhiệt độ khác nhau, do đó bị giãn nở khác nhau, khiến cho độ liên kết giữa các lớp bị phá hủy dần rồi vỡ thành nhiều mảnh vụn. Các loại đá có cấu tạo tinh thể, có các hạt với thành phần khoáng vật khác nhau, do đó có độ hấp phụ năng lượng mặt trời và độ giãn nở khác nhau, dẫn đến sự phá hủy các khối đá cứng chắc thành những vụn, như trong trường hợp tạo cát ở các vùng khơ nóng. Mặt khác, trong những điều kiện đất đá giống nhau thì khi dao động nhiệt độ càng đột ngột và có biên độ càng lớn, hiệu ứng phong hóa nhiệt càng mạnh.
Như vậy, đối với loại phong hóa này, dao động nhiệt độ giữa ngày và đêm đáng chú ý hơn cả. Phong hóa nhiệt hoạt động rất mạnh ở các khí hậu khơ nóng – các vùng sa mạc và bán sa mạc. Còn ở các vùng ẩm ướt, do lớp phủ thực vật và thổ nhưỡng phát triển mạnh, bề mặt đá gốc được che phủ, biên độ dao động nhiệt độ giữa ngày và đêm nhỏ nên q trình xảy ra yếu hơn.
Trong đá thường có các lỗ hổng và các vết nứt nguyên sinh chứa đầy khí hay nước. Khi nhiệt độ xuống thấp dưới OoC, nước ở thể lỏng chuyển thành thể rắn (nước đóng băng) làm tăng thể tích tạo áp lực lớn lên thành khe nứt. Vì vậy, sau mỗi lần nước trong khe nứt hóa băng, bản thân khe nứt lại bị giãn ra thêm một chút.Hiện tượng hóa băng và tan băng xảy ra nhiều lần, khối đá bị phong hóa băng giá có thể bị vỡ thành nhiều những tảng và mảnh vụn.
* Phong hoá cơ học do muối khoáng kết tinh: Nước trên bề mặt bốc hơi gây ra sự vận chuyển nước mao dẫn lên mặt đất. Trong q trình này, nước mao dẫn hồ tan các muối khoáng và đưa lên trên bề mặt. Tại đây, nước có chứa muối khống lại tiếp tục bốc hơi đồng thời muối khống bị kết tinh. Trong q trình kết tinh, thành
21
mao dẫn phải chịu một áp lực lớn khiến cho bề mặt nham thạch bị rạn nứt gây ra giãn nở phá vỡ nham thạch.
* Phong hoá cơ học do sinh vật: Trong quá trình sống, các sinh vật đặc biệt là hệ thống rễ thực vật có khả năng xuyên vào các khe, kẽ nứt của đá. Các rễ cây phát triển dần làm kẽ nứt ngày càng rộng, gây nứt vỡ đất đá.
Các mảnh vụn sinh ra có thể di chuyển đi nơi khác theo dịng nước chảy hoặc gió thổi sẽ phá huỷ các đá trên đường di chuyển của chúng. Phong hố vật lý có tính chất tiên phong, tạo điều kiện thuận lợi cho phong hoá hoá học và sinh học.
1.4.2. Phong hố hố học
Phong hóa hóa học là q trình phá thủy đất đá do tác động hóa học giữa các khống vật của đất, đá với nước, khơng khí, các chất hóa học chứa trong nước, đất đá bị biến đổi về thành phần khống vật và hóa học.
Trong q trình phong hố tự nhiên, nhờ tác dụng phá vỡ, chia nhỏ đất đá và nham thạch của các tác nhân vật lý ở q trình phong hố vật lý xảy ra trước đó đã làm cho diện tích tiếp xúc của đá với mơi trường tăng lên đáng kể. Vì vậy các quá trình phong hố hố học xảy ra sau đó gặp thuận lợi hơn rất nhiều. Khác với q trình phong hố vật lý, q trình phong hố do tác dụng của các tác nhân hố học khơng chỉ làm cho đá vỡ vụn mà cịn có thể làm cho thành phần hoá học của khoáng vật và đá thay đổi. Các yếu tố như nước, khơng khí... tác động lên các khống vật và đá làm cho chúng bị phá huỷ, thay đổi về hình dạng, kích thước, thành phần và tính chất hố học. Có thể nói, phong hố hố học chính là các phản ứng hố học diễn ra do sự tác động của nước và khơng khí lên đá và khống vật.
Phong hoá hoá học được chia thành 4 q trình chính là: Oxi hố, hyđrat hố, hồ tan và sét hoá.
* Q trình hồ tan: Nước có thể hồ tan nhiều loại khống chất, đất đá và nham thạch. Q trình hồ tan phụ thuộc nhiều vào thành phần của nham thạch và
22
các khoáng vật. Đối với các khống vật có chứa các muối dễ bị hồ tan như muối clorua, muối sulfat của các cation kim loại kiềm thì khả năng hồ tan của khống vật trong nước là rất lớn. Nhưng đối với một số loại nham thạch khác như đá vơi và quặng đơlơmit thì tốc độ hồ tan của chúng trong nước nhỏ hơn. Nếu trong nước có chứa nhiều CO2 thì tốc độ hồ tan của các muối trong khoáng sẽ nhanh hơn rất nhiều. Đặc biệt là các khoáng cacbonat và muối mỏ.Các khống vật và đá bị hồ tan tạo thành các dung dịch thật.
Một ví dụ điển hình về q trình phong hóa đá cacbonat (CaCO3) được biểu diễn bằng các phản ứng sau:
CO2 + H2O ⇆ H+ + HCO3−
CaCO3 + H+ ⇆ Ca2++ HCO3−
CaCO3 + CO2 + H2O ⇆ Ca2++ 2HCO3−
* Quá trình hyđrat hố: Là q trình nước tham gia vào mạng lưới tinh thể của khống vật. thực chất đây là q trình nước kết hợp với khoáng vật làm thay đổi thành phần hoá học của khoáng vật (biến các khoáng vật thành dạng hydrat). Các hydrat được hình thành sau quá trình hydrat hố thường có độ cứng thấp hơn và thể tích lớn hơn so với quặng, khống ở trạng thái bình thường. Vì thế chúng rất dễ bị phá vỡ thành các mảnh vụn nhỏ hơn. Ví dụ: CaSO4 → CaSO4.2H2O Anhyđri Thạch cao Fe2O3 → Fe2O3.nH2O Hematit Limonit
23
* Q trình oxi hố khử: Quá trình này phụ thuộc chặt chẽ vào sự xâm nhập của O2 tự do trong khơng khí và O2 hồ tan trong nước. Q trình oxi hố làm cho khoáng vật và đá bị biến đổi, bị thay đổi về thành phần hoá học. Do trong khoáng vật, đá và quặng thường có chứa các ion mức oxi hố như Fe(II), Mn(II), Cu(I)... nên khi gặp mơi trường oxi hố chúng dễ dàng chuyển thành các dạng có mức oxi hố cao hơn. Trong q trình đó có thể gây ra những biến đổi về thành phần của quặng, khống, đất, đá, dần dần hình thành nên một số các dạng mới bền vững hơn trong môi trường phản ứng. Các khống vật có chứa Fe(II) khi tiếp xúc với oxi khơng khí thường bị oxi hố chuyển thành Fe(III) gây ra những thay đổi về thành phần của quặng.
Ví dụ:
- Quặng pyrit bị oxi hóa theo một loạt các phản ứng sau [2,14, 20, 21] FeS2 + 3,5O2 + H2O → Fe+2 + 2SO42- + 2H+
Fe2+ + 0,25O2 + H+ → Fe3+ + 0,5H2O Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H+
FeS2 + 3,75O2 + 3,5H2O → Fe(OH)3 + 2SO42- + 4H+
Axit H2SO4 và Fe3+ được giải phóng ra trong q trình oxi hố sun phua sắt có thể tác dụng lên các khống vật sun phua khác và đẩy nhanh quá trình phân huỷ chúng theo phản ứng [6].
MS + H2SO4 → H2S + MSO4
2MS +2Fe2(SO4)3 + 2H2O + 3O2 → 2MSO4 + 4FeSO4 + 2H2SO4 (M là các kim loại hoá trị hai: Cu. Pb. Zn...)
- Chancopyrit bị oxy hóa khi có mặt oxy [11]
CuFeS2 + 4O2 → Cu2+ + Fe2+ + 2SO42-
24
Nhưng khi có mặt Fe3+ thì xáy ra theo phương trình
CuFeS2 + 16Fe3+ + 8H2O → Cu2+ + 17Fe2+ + 2SO42- + 16H+
* Quá trình sét hố: Các khống vật silicat. nhôm silicat do tác động của H2O. CO2 sẽ bị biến đổi tạo thành các khoáng sét (keo sét). Các chất kiềm và kiềm thổ trong khoáng vật bị H+ chiếm chỗ trong mạng lưới tinh thể được tách ra dưới dạng hoà tan. Như vậy thực chất của q trình sét hố là các q trình hồ tan. hyđrat hoá chuyển các khống vật silicat. nhơm silicat thành các khoáng vật thứ sinh. các muối và oxít.
Ví dụ:
K2Al2Si6O16 + H2O + CO2 → H2Al2Si2O8.2H2O + K2CO3 + SiO2.nH2O Fenspatkal(orthoclaz) Kaolini Opan
1.4.3. Phong hoá sinh học
Hoạt động của sinh vật bậc thấp, bậc cao cũng tham gia phá huỷ các khoáng vật và đá. Rễ cây xuyên vào các khe nứt hút nước và các chất khoáng, theo thời gian, rễ to dần phá vỡ đá. Mặt khác rễ cây tiết H2O và CO2 tạo H2CO3 để hồ tan đá và khống vật. Khi chết xác sinh vật bị phân huỷ sinh ra các axit hữu cơ góp phần hồ tan các khống vật và đá. Do vậy, bản chất của phong hoá sinh học là phong hoá vật lý và hoá học do sự tác động của sinh vật lên khoáng vật và đá. Cũng trong q trình này mẫu chất được tích luỹ chất hữu cơ do cơ thể sinh vật, các loại nấm,