مقدمه

خاک به عنوان بخشی از سیستم زیستزمینشـیمیایی نقـش مهمـی در چرخه عناصر ایفا میکند و عملکردی مهم در ذخیـره و تصـفیه عناصـر، انتقـال اجزاء و رابطه اجزای زنده و غیر زنـده دارد .(Huisman et al., 1997) آلـودگی خاک به عناصر جزئی شایعترین نوع آلودگی است که در نتیجه فعالیتهـای بشـر به ویژه در مناطق معدنکاری و ذوب رخ می دهد. شناسایی توزیع مکـانی عناصـر جزئی و تشخیص منبع آلودگی طبیعی از انسانزاد در خاکها بسیار حائز اهمیـت است، زیرا آلایندههای فلزی دارای زمان ماندگاری طولانی در محیط هستند و به راحتی تحت تأثیر فرایندهای تخریب زیستی قرار نمیگیرنـد. بـرای مثـال زمـان ماندگاری کادمیم، جیوه و آرسنیک در خاکهای طبیعی به ترتیب ۳۸۰، ۱۰۰۰ و ۴۰۰۰ سال است .(McLaughlin et al., 1999) غلظت عناصر جزئی در خاکها به نوع و شیمی مواد مادری که خاک از آن تشکیل یافتـه بسـتگی دارد و رفتـار زمینشیمیایی عناصر، تابع حضور کانیهای رسی، اکسـیدهای آهـن و منگنـز و مواد آلی که سبب جذب سطحی عناصر جزئی در خاک میگردند، میباشـد، امـا فعالیتهای انسانزاد بهویژه فرآیند ذوب فلزات در کورههای ذوب به تمرکز مازاد

بر منشأ طبیعی این فلزات در خاک و افزایش جذب سطحی عناصر منجر میشود .(Callender, 2005) مواد منتشر شده از کورههای ذوب مـس، حـاوی مقادیر بالایی از گاز دی اکسید گوگرد و یونهای فلزات سـنگین (بـهویـژه مـس، مولیبدن، آرسنیک و کادمیم) می باشند که باعث آلـودگی منـاطق مجـاور کـوره میشوند. هدف از این مطالعه، ارزیابی تأثیر فعالیت کوره ذوب مـس خـاتون آبـاد واقـع در ۲۰۰ کیلــومتری غـرب شــهر کرمــان بـر کیفیـت خـاک تــا شــعاع ۱۰ کیلومتری کوره و تفکیـک عناصـر موجـود در خـاک بـر مبنـای منشـأ طبیعـی (هوازدگی سنگ بستر) و انسانزاد (فعالیت کوره) میباشد.

موقعیت جغرافیایی و شرایط اقلیمی

کارخانه ذوب مس خاتونآباد در ۳۵ کیلومتری جنوب شـرق شهرسـتان شهربابک استان کرمان و ۸۰ کیلومتری جنوب معدن مس میـدوک واقـع شـده است. در این منطقه میانگین دمـای سـالانه ۱۵/۱ درجـه سـانتیگراد و میـانگین بارش سالانه ۱۸۰ میلیمتر است و از نظـر آب و هـوایی جـزء منـاطق خشـک و نیمه خشک به حساب میآید. در نتیجـه شـرایط آب و هـوایی منطقـه، توسـعه نیمرخ خاک اندک (کمتر از ۵۰ سانتیمتر) اسـت. سـرعت وزش بادهـای غالـب بین صفر تا بیش از ۲۵ متر بر ثانیه متغیر است. همچنـین بـر اسـاس مطالعـات

۱۷

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته

انجام شده بر روی آمار جهت وزش باد در یک دوره ۱۱ ساله، دو جهت وزش باد غالب در منطقه جنوب و جنوب غرب (به عبارتی از سمت جنوب بـه شـمال و از سمت جنوب غرب به شمال شرق) و جهت حـداقل وزش بـاد شـمال غـرب (بـه عبارتی از سمت شمال غرب به جنوب شرق) می باشد (میر حسـینی، ۱۳۸۶، بـه نقل از راست منش، .(۱۳۸۸ شکل (۱) گلباد رسم شـده بـا اسـتفاده از دادههـای ایستگاه هواشناسی منطقه را نشان میدهد.

زمینشناسی

منطقه مورد مطالعه در بخش جنوبی زون ماگمایی ارومیه- دختـر واقـع شـده اســت. در ایــن زون ماگمــایی افـزون بــر آتشفشــانهای ائوســن و میوســن، توده های نفوذی نیمه عمیق دیوریتی- گرانودیـوریتی و گرانیتـی برونـزد دارنـد. بیشتر توده های نفوذی نیمه عمیق زون ماگمایی ارومیه- دختـر دارای پتانسـیل کانه زایی مس- (مولیبدن) پورفیری میباشند، که از مهمترین آنهـا مـیتـوان بـه ذخایر سرچشمه و میدوک اشاره کـرد (قربـانی، .(۱۳۸۷ همچنـین در محـدوده برخی از تودههای آتشفشانی ائوسن و میوسن علائمـی از دگرسـانی و کانـهزایـی سولفید مس (و مولیبدن) مشاهده می شود (آقانباتی، (۱۳۸۳ کـه از جملـه آنهـا می توان به مخـروط آتشفشـانی کـوه مـزاحم در شـمال غـرب کـوره ذوب مـس خاتون آباد اشاره کرد. بنابراین خاک پوشاننده سـطح منطقـه مـورد مطالعـه، بـه دلیل پتانسیل کانهزایی سنگهای برونزد یافته در منطقه، احتمالاً به طور طبیعـی از عناصری چون مس و مولیبدن غنی هستند. شـکل (۲) نقشـه زمـین شناسـی

×تابستان ۹۱، شماره ۴، جلد ۱

منطقه مورد مطالعه، موقعیت کوره ذوب مس خاتون آباد و همچنین ایستگاه های نمونهبرداری را نشان میدهد.

مواد و روشها نمونهبرداری و آماده سازی نمونهها
در این مطالعه نمونهبرداری خـاک از ۱۳ ایسـتگاه و در ۳ جهـت (شـمال شرق، جنوب شرق و غرب) نسبت بـه کـوره ذوب مـس خـاتون آبـاد انجـام شـد (شکل.(۲ در انتخاب مسیرهای نمونهبرداری، عواملی از قبیل موقعیت نسبت بـه شهربابک و روستاهای مجـاور آن (مسـیر غربـی) و خـاتون آبـاد (مسـیر جنـوب شرقی) به عنوان مناطق مسکونی مجاور کوره، و همچنین جهت باد غالب (مسیر شمال شرقی) لحاظ گردید. نمونهبرداری از خاک سطحی (۰-۵ cm) انجام شـد. تمام نمونهها بـه وسـیله بیلچـه فـولادی ضـد زنـگ برداشـت و بـه کیسـههـای پلیاتیلنی منتقل شدند. به منظـور تعیـین منشـأ عناصـر و پتانسـیل آلاینـدگی کوره، از غبار خروجی از دودکش و سرباره حاصل از ذوب کوره نیز نمونهبـرداری صورت گرفت. نمونههای برداشت شده پس از انتقال به آزمایشگاه، در دمای اتاق خشک شده و سـپس از الـک ۲ میلـیمتـری عبـور داده شـدند. پـس از حـذف خردههای گیاهی از نمونه، به منظور انجام آنالیزهـای شـیمیایی، هـر نمونـه بـه وسیله هاون عقیقکاملاً پودر شد تا اندازه ذرات به کمتر از ۶۳ میکرومتر برسد.

شکل.۱ گلباد ترسیم شده با استفاده از آمار ایستگاه هواشناسی منطقه (میر حسینی، ۱۳۸۶، به نقل از راستمنش، (۱۳۸۸

۱۸

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×تابستان ۹۱، شماره ۴، جلد ۱

×شکل.۲ نقشه زمینشناسی منطقه مورد مطالعه و موقعیت کوره ذوب مس خاتونآباد و ایستگاههای نمونهبرداری اطراف کوره

اندازهگیری ویژگیهای فیزیکوشیمیایی خاک تعیین غلظت کل عناصر

برخی ویژگیهای نمونههای خاک از قبیل pH، درصد مواد آلی و درصـد غلظت کل عناصر اصلی و جزئی توسـط دسـتگاه ICP-OES آزمایشـگاه

کربنات، بر اساس روشهای استاندارد آنـالیز خـاک تعیـین گردیـد (جـدول .(۱ شــرکت زر آزمــا و پــس از هضــم اســیدی قــوی نمونــههــا توســط اســیدهای

برای اندازهگیری pH از روش استاندارد سازمان حفاظت محـیط زیسـت ایـالات (HClO4+HNO3+HF+HCl) در یک سیستم بـاز بدسـت آمـد ( Jeffery and

متحده (US EPA, 1998; Method 9045D) استفاده شـد. در ایـن روش .(Hutchinson, 1983 20 به طور خلاصه ۱ گرم از هر نمونه خاک پـودر شـده، بـه

گرم خاک و ۲۰ میلیلیتر آب مقطر با هم مخلوط شده و برای مـدت ۳۰ دقیقـه دقت در کروزه پلاتینی وزن و به آن ۱۰ ml فلوریدریک اسید و ۲ ml پرکلریـک

روی دستگاه همزن قرار گرفت. پس از گذشت ۱ ساعت pH محلول روی خـاک اسید اضافه می شود.کروزهها روی حمام شن قـرار داده مـی شـوند تـا اسـیدهای

توسط دستگاه pH متر کالیبره شده (مدل (Jenway 3510 انـدازهگیـری شـد. اضافه شده خشک شوند. سپس ۵ ml پرکلریک اسـید اضـافه مـی شـود. پـس از

درصد مواد آلـی بـا اسـتفاده از روش اسـتاندارد والکلـی بلانـک ( Chopin and خشک شدن، ۵ ml نیتریک اسید اضافه شده و نمونهها تـا زمـان خشـک شـدن

(Alloway, 2007 اندازهگیری شد. در این روش ۱ گرم خاک با ۲۰ میلـیلیتـر روی حمام شن قرار می گیرند. باقیمانده نمونـههـا در محلـول ۱۲ N کلریـدریک

اسید سولفوریک غلیظ و ۱۰ میلیلیتر دی کرومـات پتاسـیم مخلـوط، و بعـد از اسید ۱:۱ هضم و محلول بدست آمده در بـالن ژوژه ۲۵ میلـیلیتـری بـه حجـم

اتمام واکنش اکسایش و کاهش، نمونه بـا فروآمـونیم سـولفات تیتـر شـد. بـرای رسانده می شود. صحت اندازهگیریها با استفاده از محلولهـای اسـتاندارد SPEX

اندازهگیری کربنات، ۱ گرم نمونه خـاک بـا ۲۰ میلـیلیتـر اسـید هیـدروکلریک کنترل می شود. محلولهای استاندارد قبل از استفاده به صورت تازه تهیـه شـده و

مخلوط شد و بعد از واکنش کامل با اسید، معرف فنل فتالئین به نمونه اضـافه و منحنیهای کالیبراسیون با استفاده از روش رگرسیون خطی رسم مـی گـردد. در

سپس محلول به وسیله سدیم هیدروکسید تیتر شد .(Jaiswal, 2004) این مطالعه غلظت همه عناصر در نمونه های تهی پایینتـر از حـد آشـکار سـازی

دستگاه (جدول(۲ بود. برای اندازهگیری دقت آزمـایش، غلظـت هـر عنصـر سـه

مرتبه اندازهگیری شد و میانگین نتایج گزارش گردید.

۱۹

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته

بحث و نتیجهگیری ویژگیهای فیزیکو شیمیایی خاک

با توجه به جدول (۱)، pH نمونههای خاک بـین ۸/۱-۸/۷ متغیـر اسـت. شکل (۳) نشان می دهند که مقادیر pH خـاک بـا افـزایش فاصـله از کـوره بـه خصوص در جهت باد غالب (مسیر شمال شـرقی) و در مسـیر غربـی نسـبت بـه کوره، افزایش می یابد. بررسی تغییرات غلظت گوگرد در نمونههـای خـاک نشـان می دهد که با افزایش فاصله از کوره، غلظت گوگرد کاهش می یابـد و ایـن تغییـر در جهت حداقل باد کمتر محسوس است (شکل .(۴ بنابراین فعالیت کـوره ذوب (به دلیل انتشار گاز (SO2 باعث افزایش غلظت گوگرد خاک شده که در کـاهش pH خاک های مجاور کوره منعکس میشودمعمولاً. خاکهای اطراف کـورههـای ذوب مس به دلیل انتشار دی اکسید گوگرد و اکسیدهای نیتروژن، pH اسـیدی (کمتر از (۶ دارند (Hu et al., 2006)، با این حال بـه دلیـل بـالا بـودن درصـد کربنات در نمونههای خاک و نیـز گذشـت مـدت زمـاننسـبتاً انـدک از شـروع فعالیت کوره ذوب خاتون آبـاد (حـدود ۸ سـال)، pH خـاک هـای منطقـه مـورد مطالعه قلیایی است. بدیهی است که با ادامه فعالیـت کـوره، میـزان pH کـاهش یافته و شرایط اسیدی بر خـاک منطقـه حـاکم خواهـد شـد. جـدول (۱) نشـان می دهد که درصد کربنات نمونه خاک هـای مـورد مطالعـه بـین ۲/۵-۲۱ درصـد متغیر است. شکل (۵) نشان می دهد که روند تغییر درصد کربنـات و مقـدار pH نمونه ها، مشابه است. مقدار مواد آلی در نمونه خاک های مورد مطالعه بـین -۰/۵ ۰/۳ درصد متغیر است. بنابراین خاکهای مورد مطالعه از مواد آلی فقیر هستند. مقدار مواد آلی در نمونههای خـاک، تطـابقی بـا افـزایش فاصـله از کـوره نشـان نمی دهد. مقدار اندک مواد آلی در نمونههای مورد مطالعه نشان دهنده تأثیر کم مواد آلی در جذب فلزات در خاکهای منطقه میباشد.

×تابستان ۹۱، شماره ۴، جلد ۱

ارزیابی غلظت کل عناصر اصلی و جزئی

در جدول (۲) غلظت کل عناصـر در نمونـه خـاک هـای سـطحی منطقـه مـورد مطالعه، در ترکیب میانگین خاکهای جهانی (Kabata-Pendias, 2011) و نیز ترکیب میانگین پوسته زمین (Mason and Moore, 1997) ارائه شـده اسـت. شکل (۶) میانگین غلظت عناصر مـورد مطالعـه را نسـبت بـه ترکیـب میـانگین خاک های جهانی نشان می دهد. با توجه به شـکل (۶)، میـانگین غلظـت عناصـر نقره، آنتیموان، مولیبدن، آرسنیک، مس و استرانسیم در نمونه خاک هـای مـورد مطالعه از غلظت این عناصر در ترکیب میانگین خاکهـای جهـانی بـالاتر اسـت. بالاترین غلظت عناصر مس، آرسنیک، مولیبـدن، آنتیمـوان، کـادمیم و نقـره در نمونههای خاک برداشت شده از فاصله ۱ کیلومتری کوره به خصـوص در جهـت شمال شرق (جهت باد غالب) مشاهده می شود و غلظت ایـن عناصـر بـا افـزایش فاصله از کوره ذوب کاهش می یابد. شکل (۷) نشان دهنده روند کاهشـی عناصـر ذکر شده با افزایش فاصله از کوره است که بیانگر اثر مسـتقیم کـوره در افـزایش غلظت این عناصر می باشد، در حالیکه غلظت عناصر استرانسـیم و زیـرکنیم بـا افزایش فاصله تقریباً ثابت است کـه نشـانگر عـدم تـاثیر فعالیـت کـوره ذوب بـر غلظت این عناصر می باشد. نتایج حاصل از تجزیه غبار خروجی از کوره نیز مؤیـد این نتیجه گیری می باشد، به گونهای که غلظت عناصر مولیبدن، آنتیموان، مـس، آرسنیک، کادمیم و نقـره بـه ترتیـب ۳۵۳۹، ۷۵۸، ۱۶۸، ۱۴، ۴/۶، و ۲/۲ برابـر میانگین خاکهای جهانی (Kabata-Pendias 2011) میباشد. مقایسـه تغییـر غلظت عناصـر در جهـات شـمال شـرق و غـرب بـا جنـوب شـرق (کـه کـاهش نامحسوستری با افزایش فاصله از کوره را نشان می دهـد)، اهمیـت جهـت وزش باد را در توزیع عناصر آلاینده نشان می دهد. نتیجه آنالیز سرباره های کـوره ذوب مس خاتون آباد (جدول (۲ آلودگی شدید سرباره ها را به عناصر مـس، آرسـنیک، آنتیموان، کادمیم و نقره نشان می دهد. بنابراین، دورریزی غیراصـولی سـربارههـا به آلودگی شدید خاک منطقه منجر خواهد شد.

×جدول .۱ برخی مشخصات فیزیکی و شیمیایی خاکهای مورد مطالعه

۲۰

مجله زمین شناسی کاربردی پیشرفته ×تابستان ۹۱، شماره ۴، جلد ۱

شکل.۳ تغییر مقدار pH نمونههای خاک در مسیر الف) شمال شرق، ب) غرب و ج) جنوب شرق، با افزایش فاصله از کوره ذوب مس خاتونآباد

شکل.۴ تغییر مقدار غلظت گوگرد نمونههای خاک در مسیر الف) شمال شرق، ب) غرب و ج) جنوب شرق، با افزایش فاصله از کوره ذوب مس خاتونآباد

شکل.۵ تغییر مقدار میانگین pH و درصد کربنات نمونههای خاک در مسیرهای مختلف و با افزایش فاصله از کوره ذوب مس خاتونآباد