CC BY
88
Гуман О.М.1, Колосницына О.А.2, Макаров А.Б.1, Антонова И.А.1
1Уральский государственный горный университет 2Медногорский медно-серный комбинат E-mail: [email protected]
ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРИРОДНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА РЕГРЕССИВНОЙ СТАДИИ ТЕХНОГЕНЕЗА (НА ПРИМЕРЕ МЕСТОРОЖДЕНИЯ ЯМАН-КАСЫ)
Рассмотрены основные особенности миграции тяжелых металлов в природно-техногенных системах на регрессивной стадии техногенеза на примере месторождения Яман-Касы. Установлено затухание геодинамических процессов в системе карьер-отвал на данной стадии. По результатам изучения тяжелых металлов в природных средах дана геоэкологическая оценка состояния месторождения.
Ключевые слова: Техногенез,геоэкологическая оценка, регрессивная стадия, колчеданные руды, тяжелые металлы.
Основным источником сырья медеплавильных заводов Урала являются медноколчеданные месторождения, сосредоточенные преимущественно в пределах Тагило-Магнитогор-ской зоны вдоль восточного склона Урала и располагающиеся в пределах отдельных рудных районов Северного, Среднего и Южного Урала. Процессы техногенеза, протекающие при разработке этих месторождений преимущественно открытым способом, и их последствия на активной степени техногенезадостаточно детально изучались рядом исследователей и изложены в [1, 2, 3]. В настоящее время многие медноколчеданные месторождения Урала отработаны и геотехнические системы карьер-отвал находятся на регрессивной стадии техногенеза. В пределах этих систем выполняются или уже выполнены рекультивационные работы (этапы технической и биологической рекультивации, завершающие разработку месторождения). В то же время отсутствие в пределах этих месторождений систем экологического мониторинга не позволяет дать объективную оценку существующей миграции тяжелых металлов в геотехнической системе,а так же оценку масштаба и характера проявления современных геодинамических процессов.
Исследования по геоэкологической оценке состояния природной среды выполнялись авторами на одном из таких объектов - медноцинковом колчеданном месторожденииЯман-Касы, расположенном в Кувандыкском районе Оренбургской области в 12 км к востоку от г. Медногорска. Месторождение отрабатывалось с 1992 по 2003 г. Гайским ГОКом, оно не велико
по сравнению с другими месторождениями уральского типа, запасы составляли 2300 тыс. т. медно-цинково-колчеданной руды. В результате его разработки во внешний отвал вывезено около 6,5 млн. м3 вскрышных пород, площадь, занятая под отвалом, составляет 39,7 га при высоте отвалов до 40 - 45 м [6].
Согласно данным В.В. Зайкова [4] месторождение приурочено к периферии риодацито-вого купола, превращённого в результате око-лорудного метасоматоза в серицит-кварцевы-еметасоматиты. В карьере месторождения вскрыты вулканогенные породы нижней и средней толщи блявинской свиты^?): андезито-ба-зальты и базальты, лавы, лавокластиты, гиа-локластитыриолитового и дацитового состава, лавы и вулканомиктовые отложения базальтового состава с прослоями тёмно-серых и лиловых алевролитов. Рудная залежь имеет линзовидную форму и наклонена на запад под углами 30-60? согласно напластованию пород, главными минералами руд являются пирит, сфалерит и халькопирит, средние содержания в рудах (%): Си 2,56; гп 5,56; S 42,27.
В процессе отработки месторождения Яман-Касы была сформирована типичная для подобных объектов геотехническая система, которая определяет природно-техногенный рельеф территории: в природный рельеф, определяющийся системой возвышенностей и балок привнесены, технические элементы системы карьер-отвал, которые включают: отвал вскрышных пород, спецотвал, затопленный карьер, пруд-испаритель и территории технологических объектов (подстанция, автодороги) в
пределах горного отвода. В процессе последующей после отработки месторождения рекультивации были ликвидированы отрицательные формы рельефа в пределах территории, проведена её планировка и уборка негабаритов, вы-положены склоны отвалов, произошло самоза-топление карьерной выемки. После завершения на месторождении рекультивационных работ, оценка современного экологического состояния существующей природно-технической системы выполнена путем маршрутного обследования техногенных объектов и природной окружающей среды, сопровождающегося комплексом опробования почв, грунтов и донных отложений.
Длярекультивированного отвала установлено, что после выравнивания его откосов и поверхности (технический этап) и последующего нанесения почвенного слоя и посева трав (этап биологической рекультивации) произошла остановка развития эрозионных процессов и дефляции. Спланированная поверхность отвала покрыта плодородным грунтом, в составе растительности преобладают синантропные растения - полынь, лебеда, ромашка, в нижней части отвалы зарастают молодым березняком (рис. 1). Анализ проб рекультивационного почвенного слоя показал отсутствие в нем повышенных концентраций тяжёлых металлов, лишь для его северной части содержания меди и цинка составили соответственно 150 мг/кг (1,5 ПДК) и 400 мг/кг (1,3 ПДК), что свидетельствует о прекращении здесь миграции химических элементов из материалов отвала вследствие затухания геодинамических процессов.
Откосы отвала в ходе рекультивации вы-положены и покрыты почвенным слоем, однако геодинамические процессы в виде обвалов, осыпей на отдельных участках ещё продолжаются. В какой-то мере это может быть связано с деятельностью просачивающихся через материал отвала атмосферных осадков, для сбора и сброса которых в карьерную выемку в южной части у подножья отвала пройдена нагорная канава. В бортах отвала фиксируются осыпи крупных глыб и небольшие конусы выноса мелкозёма. Наличие здесь глыб определяется, вероятно, поступлением их в зону зимнего промерзания отвалов при планировке, выходе на поверхность и перемещением к подножью отвала под действием силы тяжести. Глыбы, содержащие суль-
фидную минерализацию, подвергаются окислению с образованием на испарительном барьере белесых налетов сульфатов. Тяжёлые металлы проявляют тенденцию миграции из материала отвала и накоплению в его нижней части. Изучение распределения тяжёлых металлов из слабо проявленных конусов выноса мелкозёма (табл.1) показывает наличие содержащихся в породах отвала тяжёлых металлов, характерных для медноцинковогооруденения: меди, цинка, свинца, мышьяка и серебра. В мелкозёме особенно высоко содержание серебра, составляющее 17,5 мг/кг.
В нагорной канаве вскрыт слой погребённого под отвалом почвенного покрова. Согласно результатам анализа (табл.1) в почвах за период существования отвала произошло некоторое накопление главных рудных металлов - меди (900 мг/кг - 9,0 ПДК) и цинка (1500 мг/кг - 5,0 ПДК), содержания остальных химических элементов не превышают предельно-допустимых концентраций.
Наиболее активно современные процессы протекают в пределах специального отвала, в котором размещались бедные сульфидные, преимущественно пиритные, руды. Разрушение глыб сульфидных руд на начальной стадии -механическое: вследствие перепада температур они распадаются на более мелкие обломки, вплоть до мелкозёма, по которым на испарительном барьере формируются корочки и налёты сульфатной минерализации. Аналогичные процессы приводят к формированию в летнее время сульфатной минерализации в краевых частях прудов-испарителей, атакже при испарении отдельных крупных луж вблизи отвала. Сульфатные минералы, связанные с окислением сульфидных руд, образуют мелкозернистые корочки, в которых фиксируется ассоциация галотри-хит + копианит + мелантерит [5]. Копианит ^е+^е+34 ^04)6 (ОН)4 ■ 20 Н20) образуется здесь, видимо, по мелантериту в условиях частичного окисления двухвалентного железа. Основными минералами сульфатов в краевых частях луж являются мелантерит и галотрихит.
Разрушающиеся до мелкозёма сульфидные руды специального отвала поверхностными водами перемещаются по рельефу в пруд-испаритель, образуя часть донных отложений, при испарении воды здесь также формируются белёсые корки и налёты сульфатов. Как в мелко-
Таблица 1 - Средние содержания химических элементов в почвах и грунтах отвала месторождения Яман-Касы
Материал Кол-во проб Средние содержания тяжелых металлов, мг/кг Значение Zc*
Си Zn РЬ As Со Сг №
Погребенный почвенный слой 1 900 1500 20 0 0,04 20 180 60 16,63
Мелкозем подножья отвала 2 450 1500 535 150 17,5 10 3,5 7,5 769,7
Почвы рекультививационного слоя (поверхность отвала) 3 113,3 283,3 26,6 0 0,1 10,6 150 53,3 4,8
Почвы рекультивационного слоя (откосы отвала) 2 5300 1200 30 25 0,5 17,5 15 17,5 96,05
Мелкозем сульфидных руд из отвала бедных руд 1 1000 2000 70 90 3,0 7 15 5 204,8
Донные отложения (пруд-испаритель) 1 3000 5000 40 100 1,5 10 70 15 205,6
Сульфатная минерализация 3 7000 10000 206,6 60 12 83,3 3 15 594,3
Почвы вне зоны техногенного воздействия 3 106,6 170 19,3 0 0,03 26 167 67
зёме спецотвала, так и в донных отложениях выявлены высокие содержания тяжёлых металлов (табл. 1), составляющие соответственно по меди 10 и 30 ПДК, по цинку 6,7 и 16,7 ПДК, свинцу - 2,2 и 1,3 ПДК, мышьяку - 45 и 50 ПДК, серебру - 6 и 3 ПДК.
Расчёт коэффициента суммарного химического загрязнения (гс) выполнен относительно среднего значения содержаний тяжёлых металлов в пробах почв не охваченной техногенезом территории к северу от месторождения Яман-Касы (табл. 1). В целом к фоновым значениям в какой-то мере близки погребённые под отвалом почвы и почвы рекультивационного слоя отвала. Высокие значения гс характерны для мелкозёма, донных отложений пруда испарителя и сульфатной минерализации (табл. 1).
Полученные данные свидетельствуют о частичном выносе тяжёлых металлов и их локальном перераспределении на регрессивной стадии техногенеза в условиях уже рекультивированной территории.
В пределах карьерной выемки в настоящее время сформировано карьерное озеро. Согласно
исследованиям В.Н. Удачина и др. [7] для него отмечаются следующие общие особенности, свойственные аквальным системам техногенного происхождения: кислая реакция (рН от 2,8 до 3,5) среды, хорошо выраженная стратифицирован-ность по основным показателям, сезонность в распределении некоторых параметров.
Оценка состояния бортов карьера, особенно в участках поверхностей ослабления (трещин, зон нарушений) показала, что устойчивость бортов карьера в целом высокая, новых деформаций не наблюдается.
Таким образом, на регрессивной стадии техногенеза происходит затухание геодинамичес-ких процессов, что определяет на этом этапе слабое воздействие объектов геотехнической системы на компоненты природной окружающей среды. Максимальные выявленные локальные концентрации тяжёлых металлов на этой стадии связаны с разрушением и последующим окислением бедных сульфидных руд, в том числе рассеянной сульфидной минерализации, пре-имущственно в бортах карьера.
16.04.2013
Список литературы:
1. Гуман О.М., Антонова И.А., Захаров А.В., Макаров А.Б. Оценка экологического состояния и направления рекультивации отвалов Бурибаевского ГОКа // Известия вузов. Горный журнал. - 2011, № 8. С. 58-61
2. Емлин Э.Ф. Активно разрабатываемое колчеданное месторождение как геотехническая система // Известия вузов. Горный журнал. - 1984, № 9. С. 1-7
3. Емлин Э.Ф. Техногенез колчеданных месторождений Урала. Свердловск: Издательство Уральского университета, 1991. 256 с.
4. Зайков В.В. Вулканизм и сульфидные холмы палеоокеанических окраин на примере колчеданоносных зон Урала и Сибири: 2-е изд. Ин-т минералогии Уро РАН. - М.: Наука, 2006. 429с.
5. Макаров А.Б., Антонова И.А., Гуман О.М. Сульфатная минерализация в горнотехнических системах Урала// Вестник Уральского отделения Российского минералогического общества, № 9. Екатеринбург: ИГГ Уро РАН, 2012. С. 88-92.
6. Рухлов Е.С., Гатицкий В.Н. Основные задачи и цели инженерных мероприятий в процессе проектирования карьеров// Известия Уральской государственной горно-геологической академии. Спец. вып. Екатеринбург. - 2003. С. 224-227
7. Удачин В.Н., Аминов П.Г., Лонщакова Г.Ф., Дерягин В.В. Распределение физико-химических параметров в карьерных озерах Блявинского и Яман-Касинского колчеданных месторождений (Южный Урал)// Вестник Оренбургского университета. - 2009. - №5. - С. 65-71.
Сведения об авторах:
Гуман Ольга Михайловна, профессор кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Уральского государственного горного университета, доктор геолого-минералогических наук,
профессор, e-mail:[email protected] Колосницына Ольга Александровна, заместитель директора по экологии Медногорского медносерного комбината, г. Медногорск Оренбургской области, соискатель кафедры кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Уральского государственного горного университета, е-mail: [email protected] Макаров Анатолий Борисович, профессор кафедры геологии, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых Уральского государственного горного университета, доктор геологоминералогических наук, доцент, e-mail: [email protected] Антонова Ирина Александровна, докторант кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Уральского государственного горного университета, кандидат геолого-минералогических
наук, e-mail:[email protected] 620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, тел. (343) 2693113
UDC 55:504
Guman O.M.*, Kolosnitsyna O.A.**, Makarov A.B.*, Antonova I.A.*
*Ural state mining university **Mednogorsk Copper-Sulphur Plant E-mail: [email protected]
GEOECOLOGICAL ASSESSMENT OF NATURAL AND TECHNICAL SYSTEMS AT A REGRESSIVE STAGE TECHNOGENESIS (ON THE EXAMPLE OF YAMAN-KASA’S FIELD)
The main features of migration of heavy metals in natural and technical systems at a regressive stage technogenesis were considered on the example of Yaman-Kasa’s field. Attenuation of geodynamic processes in system a pit and a dump was established at this stage. In natural environments the geoecological assessment of a condition of a field was givenby resultsof studying of heavy metals.
Key words:technogenesis, geoecological assessment, regressive stage, kolchedanny ores, heavy metals.
Bibliography:
1. Guman O.M., Antonova I.A., Zakharov A.V., Makarov A.B. Assessing the environmental status and direction reclamation dumps Buribaevskogo MiningBuribaevskogo Mining / / Trans. Mining Journal. - 2011, № 8. S. 58-61
2. Emlyn E.F. Actively developed by asulphidefield as geotechnical system// Trans. Mining Journal. - 1984, № 9. S. 1-7
3. Emlyn E.F. Technogenesissulphidefields of the Urals. Sverdlovsk: Ural University Publishing House, 1991. 256.
4. Zaykov V.V. Volkanism and sulphide mounds of the paleooceanic structures: by the example of the Urals and Siberia massive sulphide bearing zones/ V.V. Zaykov; [Ed. By V.A. Koroteev]; Institute of Mineralogy of Ural Division of RAS. -Moscow: Nauka, 2006. - 429 p.
5. Makarov A.B., Antonova I.A., Guman O.M.Sulphate mineralization in the Urals mining systems//Bulletin of the Ural Branch of the Russian Mineralogical Society, № 9. Yekaterinburg: IGG UB RAS, 2012. S. 88-92.
6. RukhlovE.S., GatitskyV.N.The primary goals and objectivesof engineering measures in the designcareers / / Proceedings of the Ural State Mining and Geological Academy. Spec. MY. Yekaterinburg. - 2003. S. 224-227
7. Udachin V.N., Amin P.G., Lonschakova G.F., Deriagin V.V. The distribution of physico-chemical parameters in the career lakesBlyavinskogo and YamanKasinskogosulphide field(South Urals) / / Bulletin of the Orenburg University. - 2009. - №
5. - P. 65-71.
