CC BY
47
УДК 550.4(571.54)
Усманов Марат Тимурович Marat Usmanov
термодинамическое моделирование системы вода-порода на примере дренажных вод удоканского месторождения меди
thermodynamic modeling of water-rock system on the example of the drainage water udokan copper deposit
В настоящее время на севере Забайкальского края готовится к отработке одно из крупнейших в мире Удоканское месторождение меди. В связи с этим важным становится вопрос изучения возможных экологических последствий деятельности горного производства. На основе аналитических данных о составе дренажных вод существующих разведочных выработок Удоканского месторождения и полученных из литературных источников данных о составе руд и вмещающих пород проведено термодинамическое моделирование системы «вода-порода» с целью установления экологической опасности дренажа рудничных вод
Ключевые слова: термодинамическое моделирование, Удокан, месторождение меди, экология
Currently in northern Transbaikal territory one of the world's largest copper deposits Udokan is prepared for working out. In this regard, the study of explore possible environmental impacts of mining has become an important question. In this article the author, on the basis of analytical data of drainage waters composition of existing exploratory workings of Udokan and the obtained literature data on the composition of ore and host rock, holds thermodynamic modeling of a water-rock system in order to establish environmental hazard mine water drainage
Key words: thermodynamic modeling, Udokan copper deposit, ecology
Климат района размещения месторождения резко континентальный, характеризующийся значительной контрастностью, связанной с особыми условиями циркуляции атмосферы и радиационным режимом в условиях высокогорного рельефа. Его особенностями являются низкие среднегодовые температуры воздуха, продолжительный зимний период, значительное количество атмосферных осадков и активная солнечная радиация (Железняк И.И., Мальчикова И.Ю., 1992).
Удоканское месторождение медистых песчаников расположено в центральной
части Кодаро-Удоканской структурно-фа-циальной зоны и приурочено к Намингин-ской брахисинклинали. В пределах зоны распространены архейские, протерозойские, нижнепалеозойские, мезозойские и четвертичные отложения ( Кренделев Ф.П., Бакун Н.Н. и др., 1983).
Рудоносный горизонт месторождения залегает согласно с напластованием вмещающих пород. По минеральному составу в рудах из сульфидов преобладают борнит (Cu5FeS4), халькозин (Си^), реже халькопирит (CuFeS2) и пирит (FeS2), из гипергенных минералов — суль-
фаты (брошантит (Cu4((OH)6|SO4)), антлерит (Cu3((OH)4|SO4)), халь-кантит (Cu(SO4)•5H2O)) и карбонаты (малахит (Cu2((OH)2CO3)), азурит (^3 (OH|CO3)2)) меди. Реже встречаются тенорит (CuO), самородная медь, меланте-рит (Fe(SO4)•7H2O) и др. В зависимости от минеральных форм меди выделяются халькозин-борнитовые, халькопирит-пирротиновые и брошантит-малахитовые руды (Чечеткин В.С., Володин Р.Н. и др., 1995). Общая мощность зоны окисления (древняя и современная) на Удоканском месторождении составляет сотни метров, достигая в зонах тектонических нарушений 800 м (Наркелюн Л.Ф., Трубачев А.И. и др., 1987).
Месторождение расположено в зоне сплошного распространения многолетней мерзлоты, достигающей 1200 м. Небольшая мощность сезонно-талого слоя, грубо-обломочный состав пород определяют высокие скорости водообмена на склонах и аккумуляцию химических веществ в местах перегибов рельефа (гидродинамический барьер).
В настоящее время существует большое количество компьютерных программ термодинамического моделирования. В
данном случае моделирование системы «вода-порода» выполнено автором в среде программного комплекса Selektor. На начальном этапе разработки модели в программном комплексе Selektor возникла проблема неполноты данных по ряду водных и минеральных форм в связи с чем недостающие данные конвертированы автором из баз программы Hydrogeo 32 (Бу-каты,1995,2002).
Термодинамическая модель миграции и современного минерагенеза меди (рис. 1) построена на основе следующих исходных данных: усредненный состав руд и вмещающих пород, принятый по (Юргенсон, 1996); состав вод водотоков дренирующих месторождения, получены в лаборатории геоэкологии и гидрогеохимии ИПРЭК СО РАН.
Модель построена по типу проточного реактора, состоящего из пяти резервуаров, на всем протяжении модель открыта по отношению к атмосферному воздуху, подвижной фазой является водный раствор. В модели рассматривается взаимодействие штольневых вод и рудных обломков в штольне с последующей инфильтрацией через безрудный отвал ^ выход рудного тела ^ безрудную толщу.
Штольневые воды Атмосферный воздух
1 г 1 1 1 1
Резервуар 1 Резервуар 2 Резервуар 3 Резервуар 4 Резервуар 5
Вмещающая Вмещающая Вмещающая Вмещающая Вмещающая
порода руда порода порода руда порода порода
Направление движения подвижной фазы
Рис. 1. Схема термодинамической модели миграции и минерагенеза меди
С целью приближения модели к реальным условиям криогенного минерало-образования часть минералов объединена в твердофазные растворы (смектиты, хлориты, карбонаты и т.п.). Параллельно компьютерному моделированию автором проводился расчет указанной системы по произведениям активности с использованием справочных данных (Лурье, 1979; Наумов и др., 1971)
В работе (Юргенсон Г. А., 1996) выдвигался тезис о том, что формирование карбонатов меди в зоне гипергенеза рас-
сматриваемых месторождений происходило в доледниковый период. Однако результаты термодинамических расчетов указывают на возможность образования в водах потоков рассеяния рудных тел малахита и азурита, что также подтверждается полевыми наблюдениями. Также можно сделать вывод о термодинамической обусловленности образования гидратной формы брошантита (криогенного брошантита, Юргенсон, 1973). Минеральные формы «высаженные» из раствора в каждом из резервуаров приведены в таблице.
Минералы, выпадающие из раствора в резервуарах модели
Номер резервуара Резервуар 1 Резервуар 2 Резервуар 3 Резервуар 4 Резервуар 5
Минерал, Формула Кол-во, моль
80, ),812 ),773692 ),771918 ),775962 ),773584
FeA 7,56Е-)8
Fe0(0H) ),)15241 ),)14584 ),)15241 ),)14584 ),)14584
МзА^Д ),)29673 ),)49227 ),)5)214 ),)481)3 ),)493)7
Иллиты:
КМд3А!8301)(0Н)2 4,22Е-)5 ),)))154 ),)))17 ),)))185 ),)))187
№Мд3А!81А)(0Н)2 2,16Е-)7 5,8Е-)7 6,91Е-)7 5,46Е-)7 5,15Е-)7
КА,АКЙ,01П(0Н), ),)8)661 ),)75698 ),)75823 ),)76693 ),)76465
А,ЯД„(0Н), ),)))148 ),)))1)3 8,8Е-)5 8,15Е-)5 7,56Е-)5
А!28!205(0Н)4 ),))6336 ),))4412 ),))3742 ),))3491 ),))3237
Смектиты:
СаА!2А!281201)(0Н)2 2Е-12 - - - -
КА!,А!81Ч01П(0Н), ),)))267 1,1Е-)5 8,51 Е-)6 9,)9Е-)6 8,48Е-)6
ЫаАА!,А!£813С)1П(0Н), 2,32Е-)5 7,)8Е-)7 4,9Е-)7 4,57Е-)7 3,97Е-)7
А!,81,01„(0И), 4,9Е-)7 1,5Е-)8 1,)2Е-)8 9,66Е-)9 8,38Е-)9
МдД01)(0Н), 3,64Е-)7 4,31Е-)8 3,96Е-)8 3,3Е-)8 2,91Е-)8
КМдД81201)(0Н)2 2,59Е-)9 2,18Е-1) 1,71Е-1) 1,73Е-1) 1,56Е-1)
Карбонаты:
СаС03 ), 165354 ), 118296 ), 118331 ), 118378 ), 118386
МдС03 ),)))41 ),)))373 ),)))359 ),)))363 ),)))362
СаМд(С0,), ),))346 ),))313 ),))3)96 ),))3)47 ),))3)41
Карбонаты меди:
Си3(С03)2(0Н)2 8,99Е-1) - 2,58Е-)9
Си2С03(0Н)2 ),))1184 5,43Е-)9 ),))3531
Гидро брошантит
Си,804(0Н)е(Н20)1СД ),))9182 ),))6712
Распределение форм миграции меди в водном растворе в целом соответствует рассчитанным по константам устойчивости, однако отмечаются некоторые отличия. Это связано с тем, что в процессе модели-
рования в каждом резервуаре достигается локальное равновесие системы «вода-порода», тогда как реальный водный поток неравновесен, к тому же в модели невозможно учесть все факторы, существую-
щие в природных условиях. На фоне об- жено, что происходит изменение содержащего снижения доли растворенных форм ния Си(С03)22- и Си(С03)0 в зависимости меди по потоку относительное содержание от присутствия в исходном составе резерву-Си(ОН)42- и Си(С03)2- возрастает. Обнару- аров рудных минералов (рис. 2).
-5.45
-6.22
-5.46
-6.24
-5.47
-5.48
О О
Ü -5.49
-■—1 ♦ - 2
-6.26
-6.28
-6.30
-6.32 £
-5.50
-5.51
-6.34 -6.36 -6.38
-5.52
-6.40
Рис. 2. Содержания форм Cu(CO3)22- и Cu(CO3)0. 1 - lg[Cu(CO3)22']; 2 - lg [Cu(CO)0]
Необходимо отметить, что полученные данные по вторичным минеральным фазам хорошо соответствуют реальной обстановке в зоне гипергенеза рассматриваемых месторождений. Это позволяет сделать вывод об адекватности модели природной обстановке.
Если в первом резервуаре содержания меди в воде составляют более 5,6 мг/л, а показатель рН около 5, то в резервуарах 4
Литература_
1. Букаты М.Б. Механизмы формирования ру-допроявлений стронция в пределах западной части Сибирской плптформы // Геология и геофизика, 1995, т. 36, № 2. С. 105-114.
2. Букаты М.Б. Разработка программного обеспечения для решения гидрогеологических задач.// Известия ТПУ. 2002. Т. 305. Вып. 8. С. 348365.
3. Бычинский В.А., Исаев В.П., Тупицын А.А. Физико-химическое моделирование в нефтегазовой геохимии. Иркутск: Иркут. ун-т, 2004, 158 с.
и 5 концентрации меди в водном растворе снижаются до первых микрограмм, а рН становится околонейтральным. Таким образом, можно сделать вывод о том, что на пути миграции кислых дренажных вод в условиях Удоканского месторождения существует естественный карбонатный геохимический барьер, существенно снижающий экологические риски при отработке месторождения.
_References
1. Bukaty M.B. Geologiya i geofizika (Geology and geophysics), 1995, Vol 36, no 2. P. 105-114.
2. Bukaty M.B. Izvestiya TPU. (Proceedings of the TPU). 2002. Vol. 305. Issue. 8. P. 348-365.
3. Bychinsky V.A., Isaev V.P., Tupitsyn A.A. Fiziko-himicheskoe modelirovanie v neftegazovoy geohimii (Physico-chemical modeling in petroleum geochemistry). Irkutsk: Irkut.univ-ty, 2004, 158 p.
4. Железняк И.И., Мальчикова И.Ю., Шпо-лянская Н.А., Янушаускас А.И. Курумы Северного Забайкалья. Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1992. 182 с.
5. Замана Л.В., Усманов М.Т. Термодинамические и гидрогеохимические условия образования кристаллогидратного брошантита (на примере Удо-канского месторождения меди) // Доклады Академии наук. 2007. Т. 413. № 1. С. 82-85.
6. Крайнов С.Р. Анализ соответствия результатов термодинамического моделирования формирования химического состава подземных вод реальным геохимическим свойствам этих вод // Геохимия, 1997, № 7 С. 730-749.
7. Кренделев Ф.П., Бакун Н.Н., Володин Р.Н. Медистые песчаники Удокана. М.: Наука, 1983, 248 с.
8. Лурье Ю.Ю.Справочник по аналитической химии. М.: Химия, 1979, 480 с.
9. Наркелюн Л.Ф., Трубачев А.И., Салихов В.С. и др. Окисленные руды Удокана. Новосибирск: Наука, 1987 102 с.
10. Чечеткин В.С., Володин Р.Н., Наркелюн Л.Ф. и др. Удоканское месторождение медистых песчаников // Месторождения Забайкалья. М.: Гео-информмарк, 1995. Т. 1, кн. 1. С. 10-19.
11. Юргенсон Г.А. О необычных брошантитах Удоканского месторождения // Зап. Всесоюз. минералог. о-ва. 1973, Вып. 1. С. 103-106.
12. Юргенсон Г.А. Особенности минералогии и формирования зоны окисления в условиях много-летнемерзлых пород // Проблемы рудообразования, поисков и оценки минерального сырья. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1996, С. 127-160.
4. Zheleznyak I.I., Malchikova I.Yu., Shpoly-anskaya N.A., Yanushauskas A.I. Kurumy Severnogo Zabaikaliya. (Kurums of the northern Transbaikalie). Novosibirsk: Nauka. Sib. branch, 1992. 182 p.
5. Zamana L.V., Usmanov M.T. Doklady Aka-demii nauk. (Reports of the Academy of Sciences) 2007. Yol. 413. no 1. P. 82-85.
6. Krainov S.R. Geohimiya (Geochemistry). 1997, no 7. P. 730-749.
7. Krendelev F.P., Bakun N.N., Volodin R.N. Medistye peschaniki Udokana (Udokan copper sandstones). Moscow: Nauka, 1983, 248 p.
8. Lurie Yu.Yu. Spravochnik po analiticheskoy himii (Reference book in analytical chemistry). Moscow: Khimiya, 1979, 480 p.
9. Narkelyun L.F., Trubachev A.I., Salihov V.S. i dr. Okislennye rudy Udokana (Oxidized ores of Udokan). Novosibirsk: Nauka, 1987. 102 p.
10. Chechetkin V.S., Volodin R.N., Narkelyun L.F. i dr. Mestorozhdeniya Zabaikaliya. (Deposits of Transbaikalie). Moscow: Geoinformmark, 1995. Vol. 1, Vol. 1. P. 10-19.
11. Yurgenson G.A. Zap. Vsesoyuz. mineralog. o-va. (Notes of All-Russian mineralogical society). 1973, vol. 1. P. 103-106.
12. Yurgenson G.A. Problemy rudoobrazovani-ya, poiskov i otsenki mineralnogo syriya. (Problems of mineralization, exploration and evaluation of mineral resources). Novosibirsk: Publishing House of SB RAS, 1996, P. 127-160.
Коротко об авторе
Briefly about the author
Усманов М. Т., научный сотрудник лаборатории M. Usmanov, researcher, Laboratory of Geoecology
геоэкологии и гидрогеохимии ИПРЭК СО РАН, г. and Hydrogeochemistry INREC SB RAS, Chita, Russia Чита, РФ usgi@yandex.ru
Научные интересы: гидрогеохимия, моделирова- Scientific interests: hydrogeochemistry, modeling,
ние, ГИС системы GIS system
