Spatial heterogeneity and source-to-sink processes of heavy metals in a karst Pb-Zn mining area

في مشهد العلوم البيئية، هناك صراع مستمر لفهم كيفية تحرك التلوث. فعندما تدخل المعادن الثقيلة مثل الرصاص أو الزنك إلى الأرض، فهي لا تظل ساكنة ببساطة؛ بل إنها تتحرك. فهي تنتقل من مكان انبعاثها، مثل المنجم، عبر التربة والمياه، لتستقر في النهاية في موقع جديد. وتسمى هذه الرحلة بعملية "من المصدر إلى المصب". وفي كثير من الأماكن، تتكون الأرض نفسها من الحجر الجيري، وهو نوع من الصخور يذوب بسهولة في الماء. وهذا يخلق تضاريس تُعرف باسم "كارست"، وهي مليئة بالشقوق المخفية والأنفاق تحت الأرض. وفي هذه المناطق، يمكن للمياه والمعادن التي تحملها أن تختفي من السطح وتظهر مجددًا على بعد أميال، مما يجعل من الصعب جدًا تتبع مصدر الملوثات أو الوجهة التي تقصدها. ويحتاج العلماء إلى معرفة الفرق بين المعادن التي هي جزء طبيعي من الصخر وتلك الناتجة عن التعدين البشري، لأن حلول تنظيفها تختلف تمامًا.

وضع فريق من الباحثين من جامعة غويلين للتكنولوجيا ومعهد بحوث هيدروليكا نهر بيرل خطة لحل هذا اللغز في منطقة محددة في جنوب غرب الصين. كانت هذه المنطقة عبارة عن منظر طبيعي كارستي من القمم والتكتلات تأثر بالتعدين التاريخي للرصاص والزنك. واجه العلماء تحديًا: فقد كان لديهم لقطة واحدة للبيئة، حيث أُخذت العينات من الأرض وقيعان الأنهار والمياه في نقطة زمنية واحدة، لكنهم افتقروا إلى البيانات المستمرة أو المتتبعات الكيميائية الخاصة المطلوبة عادةً لرسم مسارات التلوث بدقة مطلقة. وبدلاً من محاولة فرض نموذج رياضي معقد على بيانات محدودة، طوروا طريقة جديدة للنظر في الأدلة. لقد عاملوا المشهد الطبيعي كنظام متصل مقسم إلى أربع مناطق: منطقة التعدين في الأعلى، والمنحدرات الوسطى، والمنحدرات السفلى، والسهول المنبسطة في اتجاه المصب. ومن خلال مقارنة مستويات المعادن في هذه المناطق المختلفة والنظر في كيفية سلوك المعادن في التربة ورواسب الأنهار والمياه، بنوا صورة شفافة لرحلة التلوث دون الحاجة إلى التخمين في الأرقام الدقيقة.

جمع الباحثون مئات العينات لبناء هذه الصورة. فقد جمعوا التربة من العشرين سنتيمترًا العليا من الأرض من ستة وستين موقعًا مختلفًا، مع الحرص على خلط عدة عينات صغيرة معًا للحصول على متوسط حقيقي لكل موقع. كما أخذوا الطمي من قنوات الأنهار، والمياه من الجداول السطحية، والمياه من الآبار العميقة تحت الأرض. وكان هدفهم هو معرفة ما إذا كانت المعادن الموجودة في النهر والسهول مرتبطة بوضوح بالمناجم في أعالي النهر، أم أنها مجرد جزء من الخلفية الطبيعية لصخر الكارست. بحثوا عن ثلاثة علامات محددة يمكن أن تؤكد أن المعدن قادم من المنجم: تركيز أعلى بكثير في منطقة التعدين مقارنة بالسهول، وانخفاض مستمر في التركيز كلما ابتعدوا عن المنجم والنهر، ونمط تظهر فيه معادن معينة معًا دائمًا في التربة.

كانت النتائج واضحة لأربعة معادن محددة: الكادميوم والنحاس والرصاص والزنك. ففي منطقة التعدين، احتوت التربة على كميات أكبر بكثير من هذه المعادن مقارنة بالسهول الموجودة في الأسفل. كان متوسط كمية الرصاص في تربة التعدين أعلى بنحو أربعة عشر مرة من تربة السهل، بينما كان الزنك أعلى بسبع مرات، والنحاس أعلى بأربعة مرات ونصف، والكادميوم أعلى بنحو ست مرات. علاوة على على ذلك، عندما تحرك الباحثون بعيدًا عن المنجم وممر النهر، انخفضت مستويات هذه المعادن الأربعة باستمرار. وعندما حللوا الأنماط الكيميائية، وجدت هذه المعادن الأربعة تتحرك في خطى ثابتة، مما يشير إلى أنها تشترك في أصل ومسار واحد. سمحت هذه الأدلة للفريق بتحديد هذه العناصر بثقة كجزء من "ارتباط المنجم والنهر"، مما يعني أنها انطلقت من المنجم، وسافرت عبر النهر، واستقرت في الأراضي المحيطة.

ومع ذلك، لم تتصرف جميع المعادن بهذه الطريقة. فقد أظهر الكروم والنيكل قصة مختلفة؛ إذ لم تنخفض مستوياتهما كلما ابتعدنا عن المنجم، ولم تظهرا نفس الارتباط القوي بمنطقة التعدين. وبدلاً من ذلك، بدا وجودهما مرتبطًا بنوع الطين في التربة والتجوية الطبيعية لصخور الحجر الجيري. وأشار هذا إلى أن هذه المعادن كانت على الأرجح جزءًا من الخلفية الجيولوجية الطبيعية وليس نتيجة لتلوث التعدين. أما الزرنيخ فكان أكثر تعقيدًا، حيث أظهر علامات على كل من التحكم الطبيعي والتأثير البشري، مما جعل من الصعب حصره في مصدر واحد باستخدام البيانات المتاحة.

كما كشفت الدراسة عما يحدث للتلوث بمجرد خروجه من المنجم. وجد الباحثون أن رواسب النهر تعمل كخزان تخزين رئيسي للزنك والكادميوم. كان تركيز الزنك في طمي النهر أعلى من متوسط التربة بأكثر من ست مرات، والكادميوم أعلى بنحو ست مرات. يشير هذا إلى أن قاع النهر يلتقط ويحتجز هذه المعادن أثناء تدفقها نحو المصب. وعندما نظروا في المياه نفسها، وجدوا فرقًا صارخًا بين الجداول السطحية والمياه الجوفية. احتوت المياه السطحية على حوالي ثلاثين ضعف كمية الزنك وثلاثة وثلاثين ضعف كمية الكادميوم مقارنة بالمياه الموجودة في الأعماق تحت الأرض. هذه الفجوة الهائلة تشير إلى أنه مع انتقال المياه من السطح إلى باطن الأرض، هناك شيء ما يقوم بإزالة أو حجز هذه المعادن، ربما من خلال الترشيح الطبيعي أو التغيرات الكيميائية، قبل أن تصل إلى طبقات المياه الجوفية العميقة.

خلص الفريق إلى أن طريقتهم نجحت في فصل التلوث القادم من المنجم عن المعادن الطبيعية في الصخر، وذلك باستخدام الأنماط المكانية والمقارنات عبر الوسائط فقط. لقد حددوا المنجم كمصدر، والنهر كمسار للنقل وتخزين مؤقت، والسهول كمنطقة استقبال حيث يتراكم التلوث. ورغم أنهم لم يتمكنوا من حساب الكمية الدقيقة للمعادن التي تتحرك يوميًا دون مزيد من البيانات حول تدفق المياه وهطول الأمطار، إلا أن إطار عملهم يوفر خريطة موثوقة لمكان وجود التلوث وكيفية تحركه. يقدم هذا النهج طريقة واضحة وقابلة للتكرار لفحص مناطق التعدين بحثًا عن التلوث، مما يساعد المديرين على تحديد مكان تركيز جهود التنظيف وما هي القياسات الإضافية المطلوبة لفهم المخاطر بشكل كامل. وتؤكد الدراسة أنه في مناظر الكارست المعقدة هذه، يعد النظر إلى النظام ككل — التربة والمياه والرواسب معًا — أمرًا ضروريًا لفهم القصة الحقيقية للتلوث.