Геохимия вод и осадков техногенных карьерных озер Салаирского рудного поля

Актуальность работы. Увеличение масштабов добычи и переработки полиметаллических руд с целью извлечения ценных компонентов привело к появлению высоко сульфидных отходов в горн о добывающих районах. Измельченный и технологически переработанный материал активно преобразуется при окислении кислородом воздуха и воды, в результате чего увеличивается подвижность химических элементов (Zn, Pb, Си, Cd, As, Sb, Co, Ni) и их миграция с водными и воздушными потоками на десятки километров от хранилища (Nordstrom et al., 1979; Елпатьевский, 1993; Hoth et al., 2001; Doye, 2003; Hammarstrom, 2003). Как следствие, в районе складированных отходов образуются зоны геохимических аномалий, где регистрируются многократные превышения содержаний токсичных элементов в подземных водах, почве, растительности над фоновыми и предельно допустимыми значениями (Мур, Рамамурти, 1970; Елпатьевский, 1993; Иванов, 1996; Алексеенко, 2000; Яхонтова, 2000; Филиппова, 2001; Панин, 2002). Еще в начале прошлого столетия в районах разработки месторождений появились технологические водоемы, которые с течением времени приобрели очертания природных. На сегодняшний день существуют техногенные озера «естественного» типа, расположенные в природных понижениях рельефа (сброс технологических и дренажных вод в котловины, лога, озера, болота), и «искусственного» типа, образованные затоплением карьеров и отстойников. Воды и донные осадки техногенных озер характеризуются повышенными содержаниями токсичных элементов в подвижных формах (Tempel et al., 2000; Davis, 2003; Parshley el al., 2003; Balistriery, 2006; Davis et al., 2006), что свидетельствует об опасности использования данных водоемах в хозяйственных нуждах населения. Кроме того, известны техногенные озера, представляющие интерес не только с точки зрения экологического опасности, но и с позиции вторичного извлечения ценных рудных компонентов (Bortnikova et al., 1995, 1999; Sidenko et al., 2001).

Впервые значительный уровень загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и другими токсичными элементами вследствие их миграции из хвостохранилищ обнаружился в 70-х годах XX в. и описывается в работах зарубежных исследователей R. Borman, D. Watson (1976), R. Blair (1980), R. Smith (1980). В отечественной литературе исследованиям техногенных объектов посвящены статьи уральских геологов Б. В. Чеснокова, А. Ф. Бушмакина (1995), В. Н. Удачина, В. В. Ершова (1996), монографии и статьи П. В. Елпатьевского (1993), A.M. Плюснина и В. И. Гунина (2001), С. Б. Бортниковой и O. JI Гаськовой (2003, 2006). Формированию гидрохимического состава и прогнозу эволюции техногенных озер «искусственного» типа, карьерных озер в США, Канаде, Германии, Франции, Швеции, посвящен ряд работ последних 20 лет (Castro et al., 2000; Tempel et al., 2000; Shevenell, 2000; Davis, 2003; Parshley et al., 2003; Ramstedt et al., 2003; Dowling et al., 2004; Balistriery, 2006; Davis et al., 2006; Bozau et al., 2006). Доказано, что в некоторых случаях карьерные озера оказываются чище природных. Но в большинстве случаев вода в карьерных озерах после открытой разработки полиметаллических месторождений характеризуется кислой реакцией среды и высокими концентрациями токсичных элементов. Гидрохимия водоемов «естественного» типа изучена на примере трансформированных гидроотвалов хвостохранилищ Салаирского рудного поля Салагаевский Лог, Дюков Лог, Талмовские пески (Бортникова и др., 2003, 2006).

Кемеровская и Оренбургская области, где располагается исследуемые техногенные озера, характеризуются высоким уровнем промышленного развития и неблагополучной экологической обстановкой, особенно в районах, где сосредоточены предприятия черной и цветной металлургии (г.г. Салаир, Белово и Медногорск). Обзор проведенных исследований техногенных озер (затопленных карьеров и прудов-отстойников) в России, и в частности, Кемеровской и Оренбургской областей, показывает, что они характеризуются недостаточной изученностью гидрогеохимического состава. Малоизучено распределение форм нахождения элементов в растворе и подвижность при переходе из донных осадков. Кроме того, нет данных по оценке экологического состояния техногенных озер, расположенных на территории вышеперечисленных городов, используемых человеком и представляющих опасность для окружающей среды.

Детальное изучение автором гидрогеохимического состава затопленных карьеров (г.г. Салаир, Медногорск) и пруда-отстойника (г. Белово) позволит дать экологическую оценку их состояния и спрогнозировать возможные пути развития.

Цель работы — установление геохимического состава техногенных озер и оценка их влияния на окружающую среду (на примере затопленных карьеров и пруда-отстойника в Кемеровской и Оренбургской областях).

Основные задачи исследований, решаемые для достижения поставленной цели:

1. Определить химический состав воды и донных осадков исследуемых озер.

2. Выявить формы нахождения химических элементов в растворе и сосуществующей твердой фазе.

3. Определить подвижность и уровень концентраций токсичных элементов в воде техногенных озер в зависимости от способа формирования, возраста водоема и сложившейся в нем физико-химической обстановки.

4. Определить токсичнос ть среды техногенных озер на основе выявления структуры и морфологических особенностей фитои зоопланктонных ценозов, обитающих в исследуемых водоемах.

5. Построить модель формирования и дать прогноз развития техногенных озер различных генетических типов (затопленный карьер и пруд-отстойник).

Объекты исследования были выбраны так, чтобы охватить озера различных генетических типов (затопленные карьеры, пруд-отстойник), возрастов (15−70 лет), кислотности среды (pH 3.0−7.5) и глубины (1.5 — 42 м). Кемеровская и Оренбургская области, где располагаются исследуемые техногенные озера, характеризуются высоким уровнем промышленного развития и неблагополучной экологической обстановкой, особенно в районах, где сосредоточены предприятия черной и цветной металлургии.

1. Карьерные озера Салаирского рудного поля (г. Салаир, Кемеровская область) образованы затоплением карьеров открытой разработки полиметаллических месторождений. Главнейшие сульфидные минералы руд представлены пиритом, сфалеритом, галенитом, халькопиритом и блеклой рудой. Рассматриваются Новосалаирские озера на севере рудного поля, Главные — в центре и Харитоновские — в южной части рудного поля. Новосалаирские Северное и Южное карьерные озера возникли при затоплении карьеров месторождения Третий рудник, где извлекались кварц-барито-сульфидные рудные тела. Возраст озер 3040 лет, глубина около 4 м. Главные озера образовались при разработке месторождения Второй рудник. Их возраст около 50 лет. Группа Харитоновских озер возникла более 70 лет назад после извлечения сульфидно-баритовых рудных тел с высоким содержанием пирита и блеклых руд на месторождении Алексапдровское.

2. Карьерное озеро Блява (г. Медногорск, Оренбургская область) образовано затоплением карьера открытой разработки Блявинского медноколчеданного месторождения. С 1954 по 1971 год здесь извлекались рудные тела сульфиднокварц-серицитового состава. На сегодняшний день глубина карьерного озера составляет 42 м.

3. Беловский пруд-отстойник (г. Белово, Кемеровская область) собирает дренажные воды, вытекающие из-под отвалов Бсловского цинкового завода. Отвальным продуктом производства является клинкер — сыпучий крупно-среднезернистый материал, содержащий значительное количество меди (до 3%) и цинка (1.5%). Вдоль подножия отвалов протягивается канава, собирающая дренажные растворы. Поток, вытекающий из дренажной канавы, впадает в расположенный рядом пруд-отстойник. Глубина пруда достигает 7 м, возраст — около 20 лет. Фактический материал. В основу диссертационной работы положены результаты анализов 70 водных проб, 60 проб донпых осадков, 40 проб зоои фитопланктонного материала. Сделано в общей сложности около 4000 элементоопределений, что является достаточным для статистической и геохимической оценки.

Методы исследовании включают в себя сбор фактического материала (вода, дойные осадки, фитои зоопланктон), анализ образцов на общий химический (потенциомстрические и титрпметрические методы), элементный (ИСП-АЭС, РФА, РФА-СИ) н минеральный состав (РСТА, электронно-сканирующая микроскопия), расчет химических форм нахождения элементов в растворе и донных осадках, выявление структур зоои фитоплапктонных ценозов, геофизические методы вертикального электрического зондирования для оконтуривания объема техногенной системы, численное и лабораторное моделирование взаимодействий сульфидные руды — вода — дренажный поток — геохимический барьер.

Все работы осуществлялись в последовательности:

1. Полевое опробование карьерной воды и донных осадков карьерных озер группы месторождений Салаирского рудного поля, Блявинского месторождения и Беловского пруда-отстойника.

2. Полевые измерения значений рН и ЕЬ в отбираемых водных пробах па мсстс, фильтрование и консервирование проб для последующего анализа на содержание микроэлементов.

3. Измерение концентраций основных макроанионов (СГ, НСОз, БО^') титрпметрическими и турбидиметрическим методами;

— макро- (Са, Mg, К, Ыа, А1, Зг,) и микроэлементов (Мп, 17с, Си, 7л, Сс1, М, Со, РЪ, Ах, БЬ) методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-АЭС) в водных пробах.

4. Определение структуры зоои фитопланктон? тх сообществ по данным анализа водных проб счетно-весовым методом в камере Богорова (зоопланктон) в камере Нажотта (фитопланктон).

5. Анализ вмещающих пород и донных осадков рентгенофлюоресцентным (РФА) и рентгенофлюоресцентным с синхротронным излучением (РФА-СИ) на содержание ряда элементов Т1, А1, Бе, Мп, Са, М^, К, N3, Р, Ва, Си, Ъ\, Сё, N1, Со, РЬ, А&Аб, БЬ).

6. Определение минерального состава донных осадков техногенных озер с использованием рентгеноструктурного анализа (РСТА).

7. Определение минерального состава тяжелой фракции вмещающих пород и донных осадков техногенных озер методом электронно-сканирующей микроскопии (1ео1 ^М-6380ЬА).

8. Геофизические методы частотного зондирования и вертикального электрического зондирования для оконтуривания объема техногенной системы.

9. Термодинамическое моделирование химических форм нахождения элементов в растворе и донных осадках при помощи программы и базы данных WATEQ4 °F (Ball & Nordstrom, 1991).

10. Лабораторные и численные эксперименты по взаимодействию сульфидного вещества с природной водой и прохождению образующегося дренажного потока с карбонатным барьером. Численное термодинамическое моделирование проводилось при помощи ПК СЕЛЕКТОР (Карпов и др., 1986).

Научная новизна работы. Исследования позволили получить новые знания об особенностях поведения химических элементов в техногенных озерах.

1. Впервые установлены механизмы формирования состава воды и донных осадков техногенных озер. Определен не только валовый, но и детальный состав (на уровне химических форм) компонентов водоемов. Показано снижение концентраций металлов в воде с течением времени, и в то же время — увеличение их содержаний в донных осадках за счет формирования легкоподвижных соединений.

2. Впервые обоснована токсичность техногенных озер вследствие высоких концентраций элементов 1-го и 2-го класса опасности в воде, что проявлено в изменении структуры сообществ гидробионтов и морфологических нарушениях особей.

3. Впервые аргументирована возможность оценки подобных объектов (на примере Беловского пруда-отстойника) как техногенных месторождений, в которых полезные компоненты (Zn, Cu, Ag) находятся в высоких концентрациях (существенно превышающих таковые в современных разрабатываемых рудах) и в легкоизвлекаемых формах (в водном растворе и в виде сульфатов). Их добыча могла бы существенно минимизировать стоимость работы по устранению экологического ущерба территории в зоне влияния отстойника.

Защищаемые положения.

1. Максимальные концентрации элементов (Си, Zn, Мп, Бе, Сс1, РЬ, №, Со) в воде карьерных озер Салаирского рудного поля характерны для озер в начале их образования (в возрасте до 50 лет). Аномалии в микроэлементном составе в несколько раз более выражены, чем в основном ионном составе. С течением времени соединения элементов осаждаются, максимальные их концентрации в донных осадках достигаются в старших озерах с возрастом около 70 лет.

2. На примере карьерного озера Блява показана стратификация состава воды по глубине. На уровне 4 — 8 м резко снижается концентрация растворенного кислорода и окислительно-восстановительный потенциал ЕЪ по сравнению с приповерхностным уровнем, а концентрации большинства элементов в растворе возрастают, хотя значения рН стабильны по всей глубине. Наибольший скачок концентраций характерен для редокс чувствительных Бе, Ав, Сг. Градиент концентраций химических элементов связан с изменением условий сорбции на органических взвесях.

3. Кларки концентраций элементов в донных осадках возрастают со снижением их распространенности. Донные осадки карьерных озер в сравнении с рудой обеднены Ре, 2п, Си, РЬ, Ва и обогащены примесными элементами Сс1, ЭЬ, А§-. Наибольшей подвижностью в кислой и слабокисло¡-1 средах (рН=3−5) обладают Сс1, Zn, Си, Мп, Са, Mg. Основные химические формы — сульфатные комплексы и акватированные ионы. С повышением значений рН растворов подвижность и концентрации микроэлементов снижаются, макроэлементов Са, Mg — остаются на прежнем уровне. В распределении химических форм элементов возрастает значение гидрокарбонатных, карбонатных и гидроксидных комплексов.

4. Среда рассматриваемых техногенных озер токсична для роста и развития биоты, что проявлено в изменении структур зоои фитопланктонных ценозов и морфологических отклонениях особей от нормы. Токсичные растворы достигают горизонтов грунтовых вод, тем самым увеличивая опасность для окружающей среды. На примере Беловского пруда-отстойника показано формирование техногенного месторождения, разработка которого может снизить затраты на рекультивацию территории.

Практическая значимость работы. Результаты исследования использованы для разработки единого подхода и методологии изучения техногенных систем, включенных в природную цепь и активно взаимодействующих с компонентами окружающей среды. Оценка экологического состояния подобных объектов в других горнорудных городах может стать основой для принятия решения местных администраций по ограничению доступа населения на территории водоемов. Подсчет запасов ценных компонентов в отстойнике Беловского цинкового завода обосновывает целесообразность их повторного извлечения.

Достоверность защищаемых положений обеспечена достаточной представительностью фактического материала и использованием современных методов и средств геохимических исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы по теме диссертации были доложены и обсуждены на международных и молодежных конференциях: Международная экологическая студенческая конференция «Экология России и сопредельных территорий», Новосибирск, 2002;2005, Международная научная конференция «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2005),.

Сибирская конференция молодых ученых по Наукам о Земле (Новосибирск, 2006), Молодежная школа-конференция по геоэкологии (Санкт-Петербург, 2006, 2007), Всероссийская научно-практическая конференция (Екатеринбург, 2006), Всероссийская конференция аспирантов и студентов «Рациональное природопользование» (Ярославль, 2006), Международная геохимическая конференция Goldschmidt (Кельн, 2007), Международная конференция и школа молодых ученых Cites (Томск, 2007), Международная научная конференция «Топорковские чтения» (Рудный, 2008).

Автор участвовала в выполнении грантов РФФИ (№№ 04−05−64 076, 08−05−688), является автором студенческого проекта в рамках ведомственной научной программы Министерства образования и науки РФ (№ 8261), руководила молодежным проектом, поддержанным Мэрией г. Новосибирска.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 24 статьи и тезисов докладов, в том числе 4 статьи опубликовано в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из Введения, 5 глав и заключения. Объем работы составляет 194 страницы, включая 39 таблиц и 63 рисунка.

Список литературы

состоит из 113 наименовании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Полученные результаты позволили построить принципиальную модель строения техногенных озер двух типов: пруда-отстойника и карьерного озера. Пруды-отстойники образуются за счет скопления дренажных стоков с отвалов, карьерные озера — заполнением карьеров открытой разработки месторождений водой. Химический состав водоемов определяется составом сульфидного вещества отвального продукта или карьерных стенок. Сульфидные минералы БеЗг, ZnS, СиРеБз, РЬБ окисляются под воздействием кислорода воздуха и воды, образуются вторичные минералы, при растворении которых в раствор переходят металлы и примесные элементы, достигая экстремально высоких концентраций (4 г/л Си, 2п, 1.4 г/л Бе, 8 мг/л РЬ, Сс1, Со, №). Донные отложения техногенных озер содержат высокие концентрации элементов (до 20% Бе, Си, 2% 7л, 1400 г/т РЬ, 600 г/т Аэ), подвижных при переходе в раствор.

Концентрации элементов в воде карьерного озера ниже, чем в отстойнике, так как исходное сульфидное вещество, с которым контактирует озерная вода, неизменено и находится в составе вмещающих пород. Содержания Си, Ъл, РЬ, Бе в донных осадках карьерных озер ниже, а микроэлементов Сс1, А*, 8Ь, Мо, А.% - выше, чем в исходной руде, кларки концентраций элементов возрастают со снижением их распространенности. С течением времени (до 70 лет) карьерное озеро разбавляется атмосферными осадками, значения рН растворов медленно растут, соединения элементов осаждаются в донные отложения.

В отстойнике источником высоких концентраций химических элементов в растворе является клинкер — измельченный отработанный материал, в котором содержания Си, Бе, Мп, РЬ, Ая, 8Ь, №, Со, Эе, Эп — па уровне содержаний в исходном концентрате. С другой стороны, с течением времени в отстойнике раствор буферируется вмещающими почвами, воды разбавляются и просачиваются в грунтовые воды. Поэтому, несмотря на малый возраст (около 15 лет) вода в отстойнике уже слабокислая и даже нейтральная, что свидетельствует о том, что данный водоем значительно быстрее, чем карьерное озеро, включается в природную цепь.

Условия и отстойника, и карьерного озера экстремальны для жизни и развития биоты, что подтверждается морфологическими нарушениями, изменением в структуре сообществ и гибелью гпдробионтов. Использование техногенных озер в хозяйственных целях человека невозможно и опасно для здоровья, данные объекты требуют рекультивации или, по крайней мере, ограждения от свободного доступа человека и животных.

Следующим этапом после оценки экологического риска техногенных озер является разработка способов нейтрализации кислых техногенных растворов и осаждения токсичных элементов. Результаты лабораторных и численных экспериментов свидетельствуют о том, что взаимодействие кислого дренажа из-под сульфидсодержащих отходов Беловского цинкового завода с карбонатными породами приводит к временному буферированию раствора и снижению концентраций элементов не только за счет осаждения карбонатных минералов, но и в связи с сорбцией на гидроксидах Fe (III). Даже при малых скоростях фильтрации не наблюдается полного химического переуравновешивания фаз, то есть поглощение металлов при адсорбции происходит без предельного адсорбционного насыщения и полного протекания реакции взаимодействия сернокислых вод с известняком. На основании результатов численногомоделирования сделаны выводы о причинах изменения физико-химических параметров в системе «сульфидные отходыприродные воды — геохимический барьер — пруд-накопитель». Доказана необходимость доочистки стоков даже на самой последней стадии.