CC BY
1
УДК 502.546.221:553(470.56) Б01: 10.24412/1816-1863-2024-3-13-18
ФОРМИРОВАНИЕ СУЛЬФАТНЫХ ВОД ГАЙСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
В. П. Петрищев, доктор географических наук, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет», ФГБУН Институт степи ОФИЦ УрО РАН, [email protected], г. Оренбург, Россия,
Г. А. Пономарева, кандидат геолого-минералогических наук, ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный университет», [email protected], г. Оренбург, Россия
В пределах восточного склона Южного Урала известен целый ряд колчеданных месторождений, в районе которых формируется специфический сульфатный тип вод. Формирование этих вод целесообразно рассмотреть на примере Гайского медно-колчеданного месторождения как наиболее крупного и детально изученного. Отмечается определенная закономерность в химическом строении вод и их размещении. Сульфатные воды на Гайском медно-колчеданном месторождении подразделяются на чисто сульфатные (рудные) и сульфатно-хлоридные (ореольные). Первые наблюдаются над окисляющимися рудными телами, вторые полностью оконтуривают рудные тела и в краевых зонах рудных полей переходят в хлоридно-сульфатные или гидрокар-бонатно-сульфатные (фоновые) воды. Выявленную закономерность в химическом строении подземных вод на Гайском и подтверждающуюся на ряде других месторождений можно рекомендовать как поисковый признак сульфидных месторождений на Южном Урале.
Within the eastern slope of the Southern Urals, a number of pyrite deposits are known in the area of which a specific sulphatic type of water is formed. It is advisable to consider the formation of these waters on the example of the Gaisky copper pyrite deposit as the largest and most thoroughly studied. There is a certain regularity in the chemical structure of waters and their placement. Sulphatic waters at the Gay-sky copper-pyrite deposit are divided into pure sulphatic (ore) and sulphatic-chloride (ore). The former are observed over oxidizing ore bodies, the latter completely outline ore bodies and in the marginal zones of ore fields pass into chloride-sulphatic or bicarbonate-sulphatic (background) waters. The revealed regularity in the chemical structure of groundwater at Gaisky and confirmed at a number of other deposits can be recommended as a search feature of sulphidic deposits in the Southern Urals.
Ключевые слова: Гайское медно-колчеданное месторождение, типы вод, сульфатный, формирование.
Keywords: Gayskoye copper pyrite deposit, types of waters, sulphatic, formation.
Введение
В пределах восточного склона Южного Урала известен целый ряд колчеданных месторождений, в районе которых формируется специфический сульфатный тип вод. Формирование этих вод целесообразно рассмотреть на примере Гайского мед-но-колчеданного месторождения как наиболее крупного и детально изученного, где сернокислые воды на курорте Гай более 30 лет используются в лечебных целях.
Гидрогеологические условия месторождения определяются геологическим строением, химическим составом руд и вмещающих пород, а также физико-химическими процессами, происходящими в верхних горизонтах пород под действием температуры, кислорода воздуха и воды. Направление движения подземного по-
тока, радиально расходящееся, совпадает с направлением поверхностного стока
[1-3].
Материалы и методы
Месторождение состоит из пяти рудных залежей. В центре размещена залежь 2 серного колчедана, к северу и югу от нее находятся медноколчеданные залежи 1,3, 4, 5. В строении месторождения наблюдается первичная зональность рудной минерализации. В центре располагаются сер-но-колчеданные руды, которые переходят в медно-колчеданные, а затем в медно-цинковые руды. По периферии появляется свинец.
К наиболее возвышенной сопке водораздела приурочена залежь 1 медного колчедана, где она имела выход на поверх-
ность. Под действием экзогенных про-х цессов верхняя часть ее преобразовалась в железную шляпу. Рудовмещающие поро-о ды также подвергались резким изменени-<Т> ям в виде обеления, каолинизации, ли-монизации и ярозитизации. Рудовмещающие породы погружаются к северу и югу под слаботрещиноватый комплекс пород основного состава. По мере погружения рудоносного комплекса затухает влияние экзогенных процессов, породы и руды сохраняют первичный неизменный состав [4—7].
Результаты и обсуждение
На месторождении развиты зоны окисления, выщелачивания и вторичного обогащения. Образование их связано с процессами окислений и выщелачивания сульфидов, дающих начало возникновению разнообразных, хорошо растворимых в воде сульфатов и обусловливающих значительный вынос материла из зоны окисления [8—11].
Зона окисления представлена бурыми железняками, имеющими следующий минералогический состав: лимонит, гидроге-тит, гематит, яровит. Средняя мощность зоны составляет 53—66 м [4—7].
Зона выщелачивания вскрывается на глубине 72—94 м и выражена вторичными кварцитами, кварц-лимонит-лиритовыми сыпучками, окислами, сульфатами меди (халькантит, борнит).
Зона вторичного обогащения прослеживается до средней глубины 100 м и представлена халькопиритовой рудой с ковеллином и халькозином, которые устойчивы в сернокислых водах при отсутствии кислорода.
В связи с таким геохимическим строением рудных тел (первичная и вторичная зональность) можно выделить целый ряд типов вод, циркулирующих в них, химический состав которых сформирован в результате окисления сульфидов. Эти воды различаются характером и количеством растворенных в них соединений.
В зоне окисления и выщелачивания сульфидов вода обогащается сульфат-ионом (серной кислотой) и тяжелыми металлами (медь, цинк, свинец, железо).
Под воздействием этих вод, содержа-ч щих свободную серную кислоту, проис-- ■ ходит растворение и разрушение рудо-
вмещающих и окружающих пород. Вода обогащается алюминием, кремнием, кальцием, магнием, натрием и другими ионами. Однако по мере продвижения от зоны обогащения воды резко изменяют свой химический состав. Поэтому отмечается определенная закономерность в химическом строении вод и их размещении.
1. Чисто сульфатного состава воды (содержание иона 804" более 70 %), которые размещаются непосредственно над рудными телами и несколько вытянуты по движению потока. Контур чисто сульфатных вод (или как их можно назвать «рудных» вод) в большинстве случаев приурочивается к участкам развития зон окисления и выщелачивания, богатых хорошо растворимыми сульфатами. В результате этого воды характеризуются высокой минерал изованностью до 277 г/л, содержание металлов достигает: меди от 0,3 до 674 мг/л, цинка от 0,2 до 500 мг/л, железа закисного от 0,2 до 38 г/л, железа окисно-го до 2 г/л. Катионный состав пестрый.
2. Воды сульфатно-хлоридного состава оконтуривают сульфатные.
Данный тип вод (иначе «ореольных»), захватывая всю площадь месторождения, прослеживается до 2 км к северу и до 3 км к югу по потоку. Формирование сульфат -но-хлоридных вод, по-видимому, связано с процессом смешения чисто сульфатных высокоминерализованных сернокислых вод с менее минерализованными хлоридными водами, которые имеют широкое применение в Гайском районе и окружают полностью всю площадь месторождения.
В результате смешения минерализация снижается до 12 мг/л, содержание металлов падает: меди до 0,4—8 мг/л, цинка до 1—80 мг/л, железа закисного до 18—569 мг/л, почти полностью исчезает окисное железо, что, по-видимому, связано с переходом в восстановительные условия, по мере погружения вод под рыхлую и над рудную толщу пород. Катионный состав пестрый, но преобладает натриево-кальциевый.
3. Сульфатно-хлоридные воды переходят в хлоридно-сульфатные «фоновые» в результате дальнейшего смешения их с хлоридными и уменьшения содержания иона 804" за счет связывания его с ионами железа и кальция. Выпадение сульфатных солей (железа и кальция — гипс)
вызывается переходом из окислительно-восстановительной среды в восстановительную. При этом снижаются минерализация (до 5—8 мг/л) и содержание металлов: меди до 0,004—0,45 мг/л, цинка до 0,05—0,17 мг/л и полностью исчезает железо.
4. Гидрокарбонатные, а также фоновые воды имеют обычный натриево-кальцие-вый состав и протекают в возвышенных местных областях к востоку от месторождения.
По катионному составу воды имеют некоторое определенное строение. Так, непосредственно над рудными телами, в полосе развития сульфатных вод в северной части можно выделить преобладание натриево-кальциевых вод, которые к югу по потоку переходят в магниево-кальцие-вые и затем в кальциево-магниевые. Подобные изменения вызываются, по-видимому, значительным понижением рН среды (до 3,2) в этом направлении, что приводит к образованию свободных кислот, присутствие которых вызывает увеличение растворенности карбонатов кальция, магния, разрушение основных плагиоклазов и темноцветных минералов.
Ореольные и фоновые воды в основном характеризуются натриево-магние-вым составом, образование которого связано с тем, что к периферии от месторождения намечается зона замедленной циркуляции вод в связи с погружением пород под мощный покров юрских глин. В этих условиях происходят процессы десульфи-рования или выпадение сульфатов железа и кальция.
К югу, в полосе направленного потока, эти воды в связи с несколько повышенной циркуляцией также переходят в кальцие-во-магниевые и магниево-кальциевые.
Источниками обогащения вод металлами служат рудные тела и рассеянное оруденение во вмещающих породах. Обогащение происходит в результате циркуляции вод по трещинам рудоносных комплексов пород и разрушения минералов, содержащих тот или иной металл.
Это разрушение или переход сульфидов в хорошо растворимые сульфаты металлов происходит под действием температуры, воды, кислорода воздуха в верхних горизонтах, откуда они выносятся на значительные расстояния. Древние зоны окисления в настоящее время обеднены
наиболее легко подвижными сульфатами меди, цинка и свинца, они не могут слу- М' жить источниками обогащения вод ме- ^ таллами. ?
Ниже верхнего горизонта или зоны окисления и выщелачивания, в условиях застойных вод или замедленной циркуляции находится зона вторичного обогащения, которая прослеживается в среднем до глубины 100 м. Эта зона, как уже говорилось, представлена халькопиритовой, пиритовой рудой и вторичными сульфидами: ковеллином и халькозином, которые неустойчивы в присутствии кислорода. Поскольку верхние горизонты, окисляясь, перестают быть потребителями кислорода, последний получает возможность проникать с водой в более глубокие горизонты, где воды и обогащаются металлами. Исходя из этого, величина ореола рассеяния металлов и степень их миграции будут зависеть от свойств металла и положения местного базиса эрозии, что определяет мощность зоны вторичного обогащения. Чем ниже базис эрозии, тем больше зона окисления и меньше зона вторичного обогащения, ореолы при этом принимают вытянутый вид по потоку. Участки концентрации металлов становятся наибольшими и приобретают локальный характер, даже над рудными телами. Исключение составляют участки циркуляции вод, соприкасающиеся с вторичными ореолами рассеяния, где происходит дополнительное обогащение металлами (район Купоросного озера). Гайское месторождение имеет зоны вторичного обогащения, в которых содержание сульфатов и окислов меди незначительное.
Содержание сульфатов довольно низкое и с глубиной резко сокращается, а содержание сульфидов, почти нерастворимых в воде, возрастает. Наряду с этим на некоторых участках все же отмечается высокое содержание металлов, которое можно подразделить на рудное, аномальное, повышенное и фоновое.
Железо. Окисное железо содержится в незначительных количествах до 2 г/л. Это объясняется тем, что окисный сульфат железа неустойчив, гидролизуясь переходит в гидроокись железа, которая дает начало образованию лимонитов.
В кислых водах месторождения преобладает закисное железо (до 60 г/л). Это связано с тем, что циркуляция вод замед- - -
ленная и происходит довольно глубоко * от поверхности, под покровом глинистых отложений, что способствует развитию о восстановительной обстановки, в которой (Т закисное железо бывает довольно устойчивым. Степень миграции железа незначительная, оно отмечается в больших содержаниях только в полосе развития кислых рудных вод.
Алюминий в водах месторождения распространен так же, как и закисное железо. Он связан с разрушением алюмосиликатов сернокислыми водами. При этом образуются вторичные минералы: каолин, алунит и др. Сульфат алюминия хорошо растворим в кислых водах, а в нейтральных и особенно щелочных легко гидроли-зуется, давая коллоидный раствор А1(ОН)з. Содержание алюминия в водах изменяется в довольно широких пределах от 3 до 1185 мг/л, реже до 6 г/л. Содержание его и степень миграции находятся в тесной зависимости от рН среды.
Медь пользуется широким распространением в водах месторождения. Наличие ее связано с процессами окисления и выщелачивания сульфидов меди с преобразованием их в хорошо растворимые сульфаты. Содержание меди в воде изменяется в широких пределах и зависит от рН среды. Самые высокие содержания (рудные) приурочиваются к участкам развития зон окисления и выщелачивания, в местах обнажения рудоносного комплекса пород и развития сульфатных вод. На этих участках непосредственно над рудными телами медного колчедана содержания достигают 50 мг/л при рН 3—4. В отдельных точках содержания значительно выше, до 674 мг/л при рН 2,8. Непосредственно над рудами серного колчедана медь не обнаруживается и в разрывах рудных тел содержится в весьма малых количествах. По мере погружения рудоносного комплекса, уменьшения зон окисления, выщелачивания и повышения значений рН содержание меди снижается. Контур вод с аномальным содержанием полностью окон-туривает рудные воды, но не захватывает все рудные тела. Содержание меди уменьшается до 0,1—1 мг/л.
В южной части месторождения контур аномальных вод значительно вытянут узкой полосой по направлению потока до - Гайского купоросного озера. Образование озера связано с выходом сульфатных
сернокислых вод по тектоническому нарушению.
Все месторождение оконтуривается ореольными сульфатно-хлоридными водами с повышенным содержанием меди до 0,1 мг/л. В контур ареальных вод попадает вся северная часть месторождения, где рудные тела залегают на глубинах более 200 м. Контур вод с повышенным содержанием меди в основном повторяет контур ореольных вод. Развитие его в стороны от потока не превышает 1 км, а по потоку он прослеживается до 3 км.
Цинк имеет значительно большую степень растворимости, чем медь, и в связи с этим ореол распространения его несколько больше ореола меди. Рудные и аномальные содержания его совпадают с рудными и аномальными содержаниями меди, несколько превышая их по размерам. Наличие цинка в водах связано с процессами выщелачивания сфалерита, содержащегося в значительных количествах в рудах. Содержания цинка в рудных водах достигают 500 мг/л и находятся в тесной зависимости от pH среды.
В отношении сопутствующих элементов, содержащихся в водах, можно сказать, что по сравнению с основными металлами содержание их невысокое. В основном они встречаются по периферии месторождения: молибден в содержаниях от 0,004 до 0,005 мг/л, свинец от 0,02 до 0,08 мг/л и мышьяк до 0,00075 мг/л.
Закономерность в химическом строении вод, выявленная на Гайском месторождении, подтверждается на ряде других колчеданных месторождений, расположенных в полосе зеленокаменных пород.
Сульфатные воды проявляются непосредственно над рудными телами, но только контур их несколько сжат за счет опресняющего воздействия вод реки, протекающей через рудное тело. Сульфатные воды также оконтуриваются хлоридными и затем гидрокарбонатными водами.
В западной, краевой зоне Магнитогорского синклинория, в полосе развития ультрабазитов известен целый ряд колчеданных месторождений, в пределах которых также пролегают сульфатные воды. В силу карбонатности среды контуры сульфатных вод носят пятнистый характер и имеют небольшие размеры. Их обычно окружают гидрокарбонатные воды (фоновые), которые по мере приближения к
рудным телам повышают свою сульфат -ность и переходят в сульфатно-гид рокар-бонатные.
Выводы
Таким образом, в подземных водах колчеданных месторождений в результате окисления и выщелачивания руд возникает специфические воды — сульфатные. Площади развития этих вод полностью оконтуривают рудные тела, залегающие даже на больших глубинах.
Сульфатные воды на Гайском мед но-колчеданном месторождении подразделяются на чисто сульфатные (рудные) и сульфатно-хлоридные (ореольные). Первые наблюдаются над окисляющимися рудными телами, вторые полностью оконтуривают рудные тела и в краевых зонах рудных полей переходят в хлоридно-суль-фатные или гидрокарбонатно-сульфатные (фоновые) воды.
На месторождениях, связанных с уль-трабазитами, ввиду высокой карбонатнос-
ти среды чисто сульфатные воды могут не формироваться, но характерно резко повышенное содержание сульфата иона по сравнению с фоновым. Здесь, как правило, формируются сульфатно-гидрокарбонатные воды.
Основные металлы (медь и цинк) дают определенные ореолы рассеяния вокруг месторождения. По содержанию этих металлов могут выделяться рудные, аномальные и фоновые воды.
Выявленную закономерность в химическом строении подземных вод на Гайском и подтвержденную на ряде других месторождений можно рекомендовать как поисковый признак сульфидных месторождений на Южном Урале.
Статья подготовлена при поддержке гранта РНФ № 23-27-10006 «Анализ формирования техногенных геосистем в результате разработки рудных месторождений в Оренбургской области в целях рационализации рекультивационных мероприятий».
О)
7S
О
:л
О -1 X
'32
Библиографический список
1. Маршева Н. В. Экологическая обстановка в районе разработки Гайского медно-колчеданного месторождения (Южный Урал, Оренбургская область) / Эколого-экономические проблемы освоения минерально-сырьевых ресурсов: Тезисы докладов Международной научной конференции. — Пермь: Пермский государственный национальный исследовательский университет, 2005. — С. 187-188.
2. Филиппова К. А., Аминов П. Г., Удачин В. Н., Петрищев В. П. и др. Химический состав карьерных озер Южного Урала // Вода: химия и экология. — 2013. — № 7. — С. 3—8.
3. Петрищев В. П., Сивохип Ж. Т., Чибилев А. А. Географические условия формирования родникового стока в Заволжско-Уральском регионе // География и природные ресурсы. — 2019. — № 1. — С. 70-78.
4. Геологическое строение Гайского рудного поля и условия локализации в нем медно-колчедан-ного оруденения (Южный Урал) / М. Б. Бородаевская, М. И. Вахрушев, Е. С. Контарь и др. — М.: ЦНИГРИ, 1968. - 124 с.
5. Гайский ГОК; геология Гайского и Подольского медно-цинковых колчеданных месторождений на Урале. — Екатеринбург: ИГГ УрО РАН, 2004. — 148 с.
6. Медно-колчеданные месторождения Урала: Геологические условия размещения / В. А. Прокин [и др.]. - Свердловск: УНЦ АН СССР, 1985. - 288 с.
7. Медно-колчеданные месторождения Урала: Условия формирования / В. А. Прокин [и др.]. — Свердловск: УрО РАН СССР, 1992. - 312 с.
8. Гаев А. Я., Захарова В. Я. Пояснительная записка по результатам исследований по теме «Разработка системы контроля за качеством водной среды в районе Гайского промузла». Этап «Сохранение и внедрение элементов системы контроля и банка эколого-гидрохимических данных в районе Гайского промузла». Оренбургский отдел ОП и ОГС УрО РАН. — Оренбург, 1993.
9. Самарина В. С. и др. Техногенная метаморфизация химического состава природных вод (на примере эколого-гидрогеохимического картирования бассейна р. Урал, Оренбургская область). — Екатеринбург: Изд-во УрО РАН, 1999. — 444 с.
10. Nesterenko U. М. Water component of arid zones: ecological and economical value. — Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 2006. — 285 p.
11. Nesterenko M. Yu., Tsviak A. V., Ponomareva G. A., Kapustina O. A. Water Integrated Scheduling of Metallurgical Enterprises. Atlantis Highlights in Material Sciences and Technology (AHMST), volume 1. International Symposium "Engineering and Earth Sciences: Applied and Fundamental Research", 2019. — •
P. 370-374. _
FORMATION OF SULPHATIC WATERS OF THE GAYSKOYE DEPOSIT
IK X i_
o V. P. Petrishchev, Dr. Habil. (Geography), Orenburg State University, Steppe Institute o of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, [email protected], Orenburg, Russia, (T) G. A. Ponomareva, Ph. D. (Geological and Mineralogical Sciences), Orenburg State University, [email protected], Orenburg, Russia
References
1. Marsheva N. V. Ekologicheskaya obstanovka v rajone razxabotki Gajskogo mednokolchedannogo mestorozhdeniya [Ecological situation in the development area of the Gaisky copper pyrite deposit (Southern Urals, Orenburg region)]. Ekologo-ekonomicheskie problemy osvoeniya mineral'no-syr'evyh resursov: Tezisy dokladov Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii. Perm': Permskij gosudarstvennyj nacional'nyj issledo-vatel'skij universitet. 2005. P. 187—188 [in Russian].
2. Filippova K. A., Aminov P. G., Udachin V. N., Petrishchev V. P. i dr. Himicheskij sostav kar'emyh ozer YUzhnogo Urala [Chemical composition of quarry lakes of the Southern Urals. Water: chemistry and ecology'. 2013. № 7. P. 3-8 [in Russian],
3. Petrishchev V. P., Sivohip ZH. T., CHibilev A. A. Geograficheskie usloviya formirovaniya rodnikovogo stoka v Zavolzhsko-Ural'skom regione [Geographical conditions of spring runoff formation in the Volga-Ural region]. Geography and natural resources. 2019. № 1. P. 70—78 [in Russian].
4. Geologicheskoe stroenie Gajskogo rudnogo polya i usloviya lokalizacii v nem mednokolchedannogo orudeneni-ya (YUzhnyj Ural) / M. £. Borodaevskaya, M. I. Vahrushev, E. S. Kontar' i dr. [Geological structure of the Gaisky ore field and conditions of localization of copper-pyrite mineralization in it (Southern Urals) / M. B. Borodaevskaya, M. I. Vakhrushev, E. S. Kontar, et al.]. M.: TsNIGRL, 1968. 124 p. [in Russian],
5. Gajskij GOK; geologiya Gajskogo i Podol'skogo medno-cinkovyh kolchedannyh mestorozhdenij na Urale [Gaisky GOK; geology of Gaisky and Podolsk copper-zinc pyrite deposits in the Urals], Yekaterinburg: IGG UrO RAS, 2004. 148 p. [in Russian],
6. Mednokolchedannye mestorozhdeniya Urala: Geologicheskie usloviya razmeshcheniya / V. A. Prokin (i dr.). [Copper- pyrite deposits of the Urals: Geological conditions of placement / V. A. Prokin [et al.]. Sverdlovsk: UNC of the USSR Academy of Sciences, 1985. — 288 p. [in Russian],
7. Mednokolchedannye mestorozhdeniya Urala: Usloviya formirovaniya / V. A. Prokin (i dr.) [Copper- pyrite deposits of the Urals: Conditions of formation / V. A. Prokin [et al.]. Sverdlovsk: Ural Branch of the USSR Academy of Sciences, 1992. 312 p. [in Russian],
8. Gaev A. Ya., Zaharova V. Ya. PoyasniteVnaya zapiska po rezul'tatam issledovanijpo teme "Razrabotka sis-temy kontrolya za kachestvom vodnoj sredy v rajone Gajskogo promuzla ". Etap "Sohranenie i vnedrenie el-ementov sistemy kontrolya i banka ekologo-gidrohimicheskih dannyh v rajone Gajskogo promuzla " [Explanatory note on the results of research on the topic "Development of a system for monitoring the quality of the aquatic environment in the area of the Gaysky industrial complex". Stage "Preservation and implementation of elements of the control system and the bank of ecological and hydrochemical data in the area of the Gaysky industrial complex"]. Orenburg Department of OP and OGS of the Ural Branch of the RAS, Orenburg, 1993 [in Russian].
9. Samarina V. S. (i dr.) Tekhnogennaya metamorflzaciya himicheskogo sostavaprirodnyh vod (naprimere ekol-ogo-gidrogeohimicheskogo kartirovaniya bassejna r. Ural, Orenburgskaya oblast). [Technogenic metamor-phization of the chemical composition of natural waters (on the example of ecological and hydrogeo-chemical mapping of the Ural River basin, Orenburg region]. Yekaterinburg: Publishing House of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 1999. 444 p. [in Russian].
10. Nesterenko U. M. Water component of arid zones: ecological and economical value. Yekaterinburg: Ural Branch of the RAS, 2006, 285 p.
11. Nesterenko M. Yu., Tsviak A. V., Ponomareva G. A., Kapustina O. A. Water Integrated Scheduling of Metallurgical Enterprises. Atlantis Highlights in Material Sciences and Technology (AHMST), volume 1. International Symposium "Engineering and Earth Sciences: Applied and Fundamental Research" (ISEES 2019). 2019. P. 370-374.
18
