CC BY
5
УДК 553.435(470.56) DOI: 10.24412/1816-1863-2023-4-6-9
ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОГЕОСИСТЕМЫ ГАЙСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ
В. П. Петрищев, д-р геогр. наук, ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет, ФГБУН Институт степи ОФИЦ УрО РАН, [email protected], г. Оренбург, Россия, Г. А. Пономарева, канд. геол.-минерал. наук, ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет, [email protected], г. Оренбург, Россия
В статье представлены результаты исследования одной из самых крупных техногенных г еосистем Южного Урала — карьерно-отвального комплекса Тайского месторождения. Выявлены особенности ландшафтно-геохимической дифференциации бассейновой системы, объединяющей локальные водотоки и карьерно-отвальный комплекс Гайского месторождения. Особое внимание уделяется динамике концентрации тяжелых металлов в грунтовых водах, в водах местных водотоков и в почвах, а также техноморфных элементов Гайской техногеосистемы — на вершине и в склонах отвалов, в подотвальных ручьях и техногенных родниках. Среди ключевых факторов формирования техногенного ландшафтно-геохимического комплекса Гайского месторождения особое значение уделяется процессам фильтрации атмосферных осадков и процессам естественного выщелачивания отвальной толщи вскрышных пород и некондиционных руд.
The article presents the study results of one of the largest technogenic geosystems of the Southern Urals — the quarry-dump complex of the Gai deposit. The features of the landscape-geochemical differentiation of the basin system, which combines local watercourses and the quarry-dump complex of the Gai deposit, have been identified. Particular attention is paid to the dynamics of the concentration of heavy metals in groundwater, in the waters of local streams and in soils, as well as technomorphic elements of the Gai technogeosystem — on the top and in the slopes of dumps, in sub-dump streams and technogenic springs. Among the key factors in the formation of the technogenic landscape-geochemical complex of the Gai deposit, special importance is given to the processes of filtration of atmospheric pre-ci pitation and the processes of natural leaching of the dump strata of overburden and substandard ores.
Ключевые слова: техногенные геосистемы, ландшафтно-геохимическая дифференциация, бассейновая геосистема, карьерно--отвальный комплекс, фильтрация, выщелачивание.
Keywords: technogenic geosystems, landscape-geochemical differentiation, basin geosystem, quarry-dump complex, filtration, leaching.
6
Введение
Проблема изучения формирования техногеосистем рудных месторождений в целом достаточно глубоко проработана в отечественной науке. Сюда относятся как научные исследования, посвященные региональным особенностям техногеосистем (Европейский Север России — Кала-бин Г. В., Красовская Т. М., Душкова Д. О., Евсеев А. В.: Урал — Емлин Э. Ф., Волков С. Н., Кецко О. Г.), так и связанные с изучением отдельных процессов (аварий, катастроф, взрывов), влияющих на формирование техногенных геосистем (Исма-илов Т. Т., Комащенко В. И., Голик В. И.). В Оренбургской области изучение воздействия подземных вод на формирование техногеосистем медноколчеданных м есто-рождений проводилось Захаровой В. Я., Сквалецким Е. Н., Гаевым А. Я., Несте-ренко Ю. М., Бутолиным А. П. На Урале широко известны работы в области геоэкологии медноколчеданных месторожде-
ний Масленникова В. В., а также Опекуно-ва А. Ю. по Сибайскому месторождению. Среди зарубежных ученых выделяются работы по геоэкологии медесодержащих месторождений Ларге Р. (Австралия), Хер-рингтона Р. (Великобритания), Кересте-дьяна Т. (Болгария).
Материалы и методы
Проведенные исследования Гайского месторождения сопровождались определение концентрации черных и цветных металлов методом атомно-эмиссионного анализа на спектрометре ICP-5000 (Focused Photonics Inc.) в Инжиниринговом центре Оренбургского государственного университета. Из группы черных металлов определяли концентрации Fe, Cr, из цветных (условный термин) металлов — те, которые определяют основу цветной металлургии — Mg, Ni, Cu, Zn, Pb, Ca, Na, K. Из неметаллов определяли B, S, P. Всего было проведено более 400 элементоопре-делений.
При разработке гипсометрических профилей, построении ландшафтно-ярусных моделей техногеосистемы Гайского месторождения использовались результаты георадарной съемки SRTM (разрешение 90 м) и ASTER GDEM (разрешение 30 м) [1]. На локальном уровне для формирования ярусной модели отвала карьера № 2 Гайского месторождения использовались возможности георадарной съемки, позволившей определить степень однородности толщи отвалов и особенности внутренней структуры склонов отвала.
При классификации космических снимков Landsat 8 на территорию Гайс-кой техногеосистемы использован алгоритм неконтролируемой классификации ISODATA, с помощью которого проведено объединение близких по свойствам природно-техногенных комплексов и проведено их сопоставление по особенностям многолетней (10 лет) динамики. Синтез элементов техногеосистемы в единые классы проведен на основе параметров теплового излучения (склоны южной экспозиции, открытые участки вершины отвалов, лишенные растительности).
Результаты
Ключевым фактором трансформации природно-техногенных комплексов в пределах Гайского месторождения является Гайский горнообогатительный комбинат, деятельность которого за 60-л етнюю историю эксплуатации месторождения коренным образом преобразовала ландшафтную среду, которая и до начала добычи характеризовалась наличием крупных геохимических аномалий, в т. ч. сульфатов меди [2—4]. Высокое содержание цинка, кобальта и молибдена отмечалось в форме геохимических полей, коррелирующих с корами выветривания по горным породам, принадлежащим к различным рудо-формационным условиям [2—4]. Современный уровень концентрации тяжелых элементов Гайской техногеосисте-мы превышает фоновые значения по свинцу в 4,6 раза, по меди в 2,5 раза, по никелю в 2 раза, по цинку в 1,6 раза.
Анализ концентрации тяжелых элементов в различных компонентах Гай-ской техногеосистемы в целом соответствует ярусной ординации структуры па-радинамических геосистем в соответ-
ствии с распределением элементарных ландшафтно-геохимических фаций, сопряженных вдоль серии ландшафтно-тех-ногенных катен [5, 6].
Ключевым звеном ландшафтно-техно-геохимических катен в пределах Гайского месторождения выступают водораздель-но-элювиальные геосистемы, в пределах которого доминирует цинково-свинцовый геохимический класс аккумуляции.
Более сложным классом накопления тяжелых элементов — цинково-свинцо-во-хромовым — характеризуются звенья верхних наиболее крутых склонов ландшафтно--техногеохимических катен, которые объединяются в трансэлювиальный уровень ярусной геохимической модели Гайской техногеосистемы.
На среднем уровне склонов геохимический класс меняется на цинково-свин-цово-никелевый, который образует устойчивый по высотным отметкам трансэлювиально-аккумулятивный ярус. Для него по-прежнему типоморфными химическими элементами остаются цинк и свинец.
В почвах и почвообразующих породах подножий склонов и нижних их частей преобладают свинец и хром, образующие соответствующее звено катены.
Супераквальное звено катены, в котором происходит аккумуляция тяжелых элементов, имеет цинково-медно-никеле-вый класс. Следует отметить, что повышенное содержание меди в почвах и поч-вообразующих породах проявляется только на этом уровне — в разнообразных отложениях оврагов, ложбин и балок.
Многолетние наблюдения показывают, что выщелачивание тяжелых элементов из отвалов в систему местных водотоков, входящих в систему локальных бассейнов, окружающих техногеосистему Гайс-кого месторождения, приводит к формированию гехимических аномалий поверхностных вод, например, в реках Елшан-ка, Ялангас, Колпачка [7]. Кроме того, фильтрация тяжелых элементов привела к формированию комплекса техногенных подземных вод, которые располагаются близко к поверхности и воздействуют на трансформацию горизонта грунтовых вод. Данный горизонт ежегодно пополняется тяжелыми элементами за счет фильтрации из отвалов, в т. ч. в форме выходов техногенных родников, и концентрации в по-дотвальных ручьях и котловинах.
о>
О
О -i
7
IK S
О
Ст)
Обсуждение
Составление картограмм содержания тяжелых элементов в почвах и почвообразующих породах Гайской техногеосистемы позволяет выделить значительные перепады концентраций между главным вершинным ярусом, второстепенными подвер-шинными ярусами, контурами основного склона, подотвальной территорией и вмещающими карьерно-отвальный комплекс квазинатуральными геосистемами [8]. Наиболее значительные градиенты содержания между вершинным элювиальным ярусом и подотвальным супераквальным ярусом отмечаются при сопоставлении концентрации цинка в почвах и почвообразующих породах. Различия концентраций цинка достигают десятикратных значений. Гораздо менее значительна разница между элювиальной и аккумулятивными фациями в концентрациях меди и цинка.
Одной из очевидных причин формирования подобных ландшафтно-геохимичес-ких градиентов, по нашему мнению, является естественное выщелачивание атмосферными осадками, а также фитовыщела-чивание с постепенным накоплением в пределах подотвальных звеньев катены [9, 10]. Они образуют своеобразную кольцевую аномалию вокруг техногеосистемы месторождения и за счет стока в систему локальных водотоков и дренирования в горизонты техногенных грунтовых вод определяют сравнительно невысокое воздействие на почвы прилегающих пахотных и пастбищных угодий. Также следует отметить определенную замкнутость и обособленность от окружающих локальных бассейнов сформировавшейся системы водотоков Гайской техногеосистемы, что еще раз подчеркивает уже сложившуюся структуру внутри и межкомпонентных взаимодействий техногенного ландшафта.
Выводы
Сопоставление концентрации тяжелых элементов в почвах и почвообразующих породах техногенной геосистемы Гайско-го месторождения отражает резкость границ структурных элементов, существенно отличающихся от сглаженных и постепенных переходов квазинатуральных ландшафтов. При этом вдоль внешней границы техногеосистемы образуется контур повышенной концентрации тяжелых элементов в результате процессов естественного выщелачивания и аккумуляции. Завершенность процесса формирования техногеосистемы медноколчеданного м ес-торождения отражает сложившийся комплекс высокоминерализованных кислых подземных вод, состоящий из нескольких горизонтов, активно пополняемых под-отвальными ручьями.
Таким образом, рекультивационные мероприятия в пределах сложившихся техногенных ландшафтных комплексов сопряжены с необходимостью проведения комплексной трансформации всех ключевых компонентов — литогенной основы, включающей вскрышные отложения и «бедные» руды с содержанием тяжелых элементов, превышающих фоновые естественные значения, техногенно мета-морфизованных подземных вод и сформировавшихся подотвальных водоемов, сложившихся специфических комплексов техногенных почв.
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».
Библиографический список
8
1. Rybnikova L., Rybnikov P., Buzina D., Smirnov A. Evaluation of self-rehabilitation of the territory of the Degtyarsky copper-pyrite deposit (Middle Urals) using earth remote sensing data // Известия ТулГУ. Науки о Земле. — 2022. — Вып. 4. — C. 93—105.
2. Зайков В. В., Масленников В. В., Зайкова Е. В., Херрингтон Р. Рудно-формационный и рудно-фациальный анализ колчеданных месторождений Уральского палеоокеана. — Миасс: ИМин УрО РАН, 2001. — 315 с.
3. Ефимов Н. И., Гречкин С. А., Сатаев Ш. Р. Особенности отработки Гайского месторождения медноколчеданных руд // Горный журнал. — 2019. — № 7. — С. 13—19.
4. Мурзабекова А. Т. Гайское месторождение колчеданных руд // Современные проблемы территориального развития. — 2018. — № 3. — С. 11.
5. Глазовская М. А. Геохимические основы типологии и методики исследований природных ландшафтов. — Смоленск: Ойкумена, 2002. — 288 с.
6. Перельман А. И., Касимов Н. С. Геохимия ландшафта. — М., 1999. — 764 с.
7. Самарина В. С., Гаев А. Я., Нестеренко Ю. М., Захарова В. Я., Мусихин Г. Д., Бутолин А. П. Тех- Ц} ногенная метаморфизация химического состава природных вод (на примере эколого-гидрогео- о химического картирования бассейна р. Урал, Оренбургская область). — Екатеринбург: Изд-во о УрО РАН, 1999. — 444 с. и
8. Маршева Н. В. Экологическая обстановка в районе разработки Гайского медноколчеданного мес- я торождения (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.
9. 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.
10. Скуратов В. Н., Серавкин И. Б., Хакимов Б. В., Кузнецов С. И. Геохимические особенности руд Гайского месторождения // Геология, полезные ископаемые и проблемы геоэкологии Башкортостана, Урала и сопредельных территорий. — 2006. — № 6. — С. 129—130.
LANDSCAPE AND GEOCHEMICAL FEATURES OF THE TECHNOGEOSYSTEM OF THE GAI FIELD
V. P. Petrishchev, Doct. Habil. (Geographical Sciences), Orenburg State University, Steppe Institute of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, [email protected], Orenburg, Russia,
G. A. Ponomareva, Ph. D. (Geological and Mineralogical Sciences), Orenburg State University, [email protected], Orenburg, Russia
References
1. Rybnikova L., Rybnikov P., Buzina D., Smirnov A. Evaluation of self-rehabilitation of the territory of the Degtyarsky copper-pyrite deposit (Middle Urals) using earth remote sensing data. Izvestiya TulGU. Nauki o Zemle. 2022. No. 4. P. 93—105 [in Russian].
2. Zaykov V. V., Maslennikov V. V., Zaykova Ye. V., Kherrington R. Rudno-formatsionnyy i rudno-fatsial'nyy analiz kolchedannykh mestorozhdeniy Ural'skogopaleookeana [Ore-formation and ore-facies analysis of pyrite deposits of the Ural Paleocean]. Miass. UrO RAS, 2001. P. 315 [in Russian].
3. Yefimov N. I., Grechkin S. A., Satayev Sh. R. Osobennosti otrabotki Gayskogo mestorozhdeniya mednokol-chedannykh rud [Features of the development of the Gaisky deposit of copper ores]. Mining Journal. 2019. № 7. P. 13—19 [in Russian].
4. Murzabekova A. T. Gayskoye mestorozhdeniye kolchedannykh rud [Gaisky deposit of pyrite ores]. Modern problems of territorial development. 2018. № 3. P. 11 [in Russian].
5. Glazovskaya M. A. Geokhimicheskiye osnovy tipologii i metodiki issledovaniy prirodnykh landshaftov [Ge-ochemical foundations of typology and methods of natural landscape research]. Smolensk: Oikumena, 2002. 288 p. [in Russian].
6. Perel'man A. I., Kasimov N. S. Geokhimiya landshafta. [Geochemistry of landscape]. M., 1999. 764 p. [in Russian].
7. Samarina V. S., Gayev A. YA., Nesterenko YU. M., Zakharova V. YA., Musikhin G. D., Butolin A. P. Tekhnogennaya metamorfizatsiya khimicheskogo sostava prirodnykh vod (na primere ekologo-gidrogeokhim-icheskogo kartirovaniya basseyna r.Ural, Orenburgskaya oblast') [Technogenic metamorphization of the chemical composition of natural waters (on the example of ecological and hydrogeochemical mapping of the Ural River basin, Orenburg region)]. Yekaterinburg: Publ. H. of the U. B. RAS. 1999. 444 p. [in Russian].
8. Marsheva N. V. Ekologicheskaya obstanovka v rayone razrabotki Gayskogo mednokolchedannogo mestorozhdeniya (Yuzhnyy Ural, Orenburgskaya oblast') [Ecological situation in the area of development of the Gaisky copper-crusted deposit (Southern Urals, Orenburg region)]. Ecological and economic problems of development of mineral resources: abstracts of reports of the International Scientific Conference. Perm: Perm State National Research University, 2005. P. 187—188 [in Russian].
9. Gayev A. YA., Zakharova V. YA. Poyasnitel'naya zapiska po rezul'tatam issledovaniy po teme Razrabotka sistemy kontrolya za kachestvom vodnoy sredy v rayone "Gayskogo promuzla". Etap "Sokhraneniye i vne-dreniye elementov sistemy kontrolya i banka ekologo-gidrokhimicheskikh dannykh v rayone Gayskogo 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 and monitoring system of ecological and hydrochemical data in the area of the Gaisky industrial complex]. Orenburg Department of OP and OGS of the U. B. RAS. Orenburg. 1993 [in Russian].
10. Skuratov V. N., Seravkin I. B., Khakimov B. V., Kuznetsov S. I. Geokhimicheskiye osobennosti rud Gayskogo mestorozhdeniya [Geochemical features of the ores of the Gaisky deposit]. Geology, minerals and problems of geoecology of Bashkortostan, the Urals and adjacent territories. 2006. № 6. P. 129—130 [in Russian].
9
