CC BY
18
© Н.И. Грсхнсв, Л.Н. Лнпнна, 2014
УДК 504.062.001.18
Н.И. Грехнев, Л.Н. Пипина
ОСНОВНЫЕ ФАКТОРЫ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ, РЕГУЛИРУЮЩИЕ ПАРАМЕТРЫ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ РИСКОВ В ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫХ ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ РАЙОНАХ
Обсуждены основные факторы природно-техногенной среды, определяющие формирование экологических рисков в горнопромышленных районах южной части российского Дальнего Востока.
Ключевые слова: экологический риск, минералого-геохимическая трансформация, биоклиматическая зональность, зона гипергенеза, миграционные процессы.
Введение
Экологические риски в горнопромышленных районах связаны с функционированием предприятий минерально-сырьевого комплекса и, в значительной мере, обусловлены экологической устойчивостью природных экосистем. Горные объекты обеспечивают добычу глубинных пород и руд, а дальнейшая переработка и транспортировка их оказывают механическое влияние на окружающую среду в виде механической пыли, отвальных материалов, хвостов обогащения, шахтных вод и препаратов обогащения руд, загрязняя и уродуя первозданную природу отходами горного производства.
Минеральные отходы хвостохра-нилищ, представленные измельченным материалом глубинных рудоносных пород, в поверхностных условиях вовлекаются в реакции зоны гиперге-неза, активными агентами которых выступают обильные атмосферные осадки, обогащенные кислородом. Выпадающие летние дожди формируют промывной водный режим и окислительную среду (рН<5-6). В этих условиях активно идут процессы ми-
нералого-геохимической трансформации в зоне гипергенеза с окислением глубинных минералов, особенно сульфидов.
Устойчивость природной среды к горнотехническим процессам и воздействующим природным факторам нельзя измерить непосредственно каким-либо образом в отличие от других свойств, поэтому все применяемые способы моделирования, или расчетные показатели следует оценивать как достаточно условные. Устойчивость экосистем можно рассматривать как внутренний энергетический потенциал биоклиматической системы, которая сохраняет естественное нахождение и функционирование природных биоценозов при техногенной нагрузке, при которой сохраняется естественный кругооборот веществ, возникающих в реакциях трансформации накопленных в поверхностной зоне минеральных и органических веществ. Устойчивость природных систем к горнотехническим воздействиям определяется целым рядом естественных условий, наибольшее значение из которых имеют 1) в биоклиматическая зональ-
ность (географическое положение), 2) гипергенные процессы преобразования минеральных веществ или тип миграции (механический, физико-химический, биогеохимический и др.) и 3) эколого-геохимическая структура экосистемы.
Указанные факторы определяют направление, интенсивность и глубину развития зон окисления, характер процессов трансформации минералов, типа миграции химических элементов, и являются наиболее важным критериям устойчивости экосистем [1]. Таким образом, экологическая устойчивость, в существенной мере, управляется зональными биоклиматическими свойствами среды и составом вещественно-геологических комплексов, что с учетом криогенной обстановки и гипсометрической характеристики рельефа можно передать через ландшафтно-геохимические классы миграции (рис.1), где в качестве определяющих показателей выступают баланс годовых температур выше + 100 °С (активная вегетации растений), годовая продуктивность фито-массы (объем растительной массы, в ц/га) и показатель влажности территории. Ландшафтно-геохимические классы отвечают всем условиям преобразования органических и минеральных веществ в зоне гипергенеза и тип миграции вещества (механический, физико-химический, биохимический и др.). Они, в существенной мере, определяют интенсивноость гипергенных процессов и, как следствие, наиболее полно влияют на показатель устойчивости экосистем в горнопромышленных районах. Каждая экосистема, расположенная в какой-либо биоклиматической зоне, изначально обладает соответствующими экологическими параметрами устойчивости к техногенным факторам, как индивидуальным свойством взаимо-
действия техногенной и природной сфер.
При совместимости природных и техногенных процессов ослабляется преобразование вещества, что приводит к ускоренной модификации экосистем. При несовместимости процессов происходят существенные изменения в кислотно-щелочном балансе среды (рН, ЕЬ) и процессах трансформации первичных минералов, которые приводят экосистемы в следующий ряд промежуточных изменений: "исходное состояние - первичный техногенный импульс - первичная контрастная техногенная трансформация среды (возможное самоочищение от малоустойчивых и мобильных техногенных веществ) - остаточный эффект воздействия техногенных факторов - вторичная необратимая модификация природной среды" [2]. Экологическая емкость (экологический потенциал) допускает только показатель нарушенности не выше естественного самовосстановления природных комплексов, то структура изменений экосистемы остановится на начальных этапах указанной шкалы изменения.
Использование норм ПДК при выделении районов экологического риска не является универсальным критерием, поскольку оценку загрязнения среды целесообразно проводить по реакции биоты и населения на наличие загрязняющих вредных веществ. При этом следует иметь в виду, что при утверждении норм ПДК не учитывались региональные биоклиматические условия, полагая, что они едины для всей территории России, причем для любого времени года. Однако это не отвечает физико-химическим свойствам загрязняющих веществ и их поведения их в различных природных средах. На величину ПДК влияют многие факторы, в т.ч. химическая
активность и реакционная способность химических загрязнителей, которые, в свою очередь, зависят от температуры, влажности, наличия катализаторов (объем фитомассы и др.), различных ингибиторов, которые активизируют или замедляют процессы окисления и минерализации органики в почвенном покрове в разных блоках территории [3, 4]. К примеру, в санитарных нормах необъективно отражается токсикологическая нагрузка на экосистемы в целом, поскольку не учитываются природные химические процессы, как правило, приводящие к образованию высоко токсичных веществ.
В Дальневосточном регионе выделяется несколько биоклиматических зон, сменяемых друг друга в широтном или циркулярном (от океана вглубь материка) направлениях: от южной и умеренной неморальных подзон, через бореальную (средняя и северная тайга) к северу, к горной арктической, в направлении которого происходит снижение допустимых уровней их эксплуатации [5], как доказательство того, что в северном на-пралении происходит снижение экологического потенциала экосистем. Это было доказано Ф.Н. Рянским (1990) для территории Амурской области на основе корреляционных связей климатических факторов с показателями устойчивости природной среды.
Путем анализа коэффициентов корреляции природных признаков (класс геохимических ландшафтов, типы геоэкологических индикаторов, величины рассеяния, криогенные факторы, баланс температур и влаги), снятых с Карты комплексного экологического районирования (рис. 1), получен суммарный график корреляции на всю площадь исследований (рис. 2), характеризующий различные
величины г: от 0,05 — в северной и северо-западной частях площади (блоки I - Ш, в меньшей мере IV и V) до г 0,65 — в южной и юго-восточной частях (блоки VI - VШ). Сложность аппроксимации представленного графика затруднена наличием значительной дисперсии, отражающей наличие различных природных обстановок, не укладывающихся в значения к усредненной линии графика.
В проводимом районировании по однородности поведения миграционных обстановок сделана попытка выделения классов геохимических ландшафтов, важных для объяснения поведения представленного графика. Важным зональным элементом для установления миграционной среды и химического загрязнения является емкость катионного обмена (ЕКО), т.е. не укладывающихся в схему поглощения катионов к эквивалентному обмену с взаимодействующими почвенными растворами, которая и определяет степень трансформации и динамики процессов химических реакций с образованием комплексов токсичных элементов и соединений.
По величине корреляционной связи используемых факторов можно полагать, что в блоках I - Ш, (частично IV и V), с наиболее низкими коэффициентом корреляции, процессы миграции загрязняющего вещества осуществляются в твердом виде, т.е. механическим переносом; в южных же блоках территории (блоки VI - VIII), с более высокими коэффициентами корреляции, преобладает образование более мощных зон окисления и «глинизации» почвогрунтов (бурозем-ный процесс), которые способствуют развитию физико-химических и солевых процессов миграции загрязнителей, т.е. отчетливо преобладает химическая (ионная) миграция химических загрязнителей (рис. 2.).
Рис.1. Карта комплексного экологического районирования с блокировкой для статистического анализа
Трансформация рудных сульфидов в токсичные группы купоросов
Основные экологические проблемы при функционировании технологических минеральных производств (МП) связаны с образованием больших объе-
мов твердых отходов - хвостов обогащения, в больших объемах накапливающихся в поверхностных хвосто-хранилищах. Трансформация сульфидных минералов хвостохранилищ сопровождается окислением катионов
Рис. 2. Интегральный график природных признаков в Дальневосточном регионе
с переменной валентностью (Си, 7п, Ре, Б и др.), приводит к разрушению сульфидов и образованию значительной группы сернокислотных вторичных минералов (купоросов). Наиболее высокая интенсивность окисления происходит в рудах с повышенным содержанием сульфидов, что характерно для ДВ региона, где значительная часть месторождений представлена рудами с высоким содержанием сульфидов: пиритом, сфалеритом, галенитом и другими сульфидными минералами (до 30-40%). Под действием активных агентов гипергенеза (вода, свободный кислород, сульфат-ион и др.) минералы хвостов обогащения подвергаются химической трансформации с последующим выщелачиванием катионов дренажными водными потоками (табл.1), которые представ-
ляют собой агрессивные и длительные очаги химического загрязнения экологических систем, особенно акваль-ных ландшафтов, открытых водоемов и подземных водоносных горизонтов.
Дальнейшая трансформация минералов, после образования сульфатов, проходит стадии карбонатов - окислов - гидроокислов. При этом наиболее растворимыми являются минералы промежуточной стадии - минералы группы сульфатов. Поэтому крупнообъемные хвостохранилища, содержащие измельченные сульфиды, трансформируются в растворимые вторичные минеральные формы и подвержены активному выщелачиванию атмосферными и грунтовыми водами, насыщаясь солями токсичных элементов, и в виде дренажных водно-солевых растворов выносятся в
Вероятные продукты реакций сульфидных минераллов в поверхностных хвостохранилишах и основные агенты воздействия (на примере хвостохранилиш Солнечного и Кавалеровского горнопромышленных районов)
Исходный минерал Окислительная среда 1 рН < 5,0)
Вероятные реакции Агенты воздействия Продукты реакций Растворимость суль-фатов, г/л. при 1-20° С
Пирит -Пирротин ГеБ2+ 2Н20+302 = ГеБ04 + Н2Б04; " Ге 7Б 8 +2Н20+302= ГеБ04+ НБ04 02, Н20 Мелантерит-ГеБ04, Б04-, Н2Б04 Мелантерит -440
Халькопирит СиГеБ2 + 2Н20+302 = СиБ04 + ГеБ04; 02, Н20 Мелантерит-ГеБ04; халькантит -СиБ04, Н2Б04 Халькантит — 266 Мелантерит-440
Арсено-пирит ГеАББ+702+6Н20 =2ГеАБ04 +Н20+2Н2Б04 02, Н20, Скородит, наб04 ме-лантерит-ГеБ04 Скородит -легко растворим в кислотах, Мелантерит
Сфалерит гпБ+202+ Н20+ Ге2(Б04)3= 2гпБ04+4 ГеБ04+ Н2Б04, Ге2(Б04)3 02, Н20, Госларит -гпБ04, Н2Б04, мелантерит Госларит - 541
Галенит РЬБ+202 +Н20+02 = РЬБ04; РЬБ+3Ге2(Б04)3+12Н20= РЬ0- Ге203 -4Б04 ■ 6Н20 + 6Н2Б04 02, Н20, Ге2(Б04)3 Англезит — РЬБ04; плюмбояро-зит - РЬ0-Ге203 ^4Б04 ■ 6Н20; Н2Б04 Англезит — 41 плюмбоярозит -
Буланже-рит, (джемсо-нит) (РЬ5БЬ4Б11)+2Н20+Б03=РЬБ 0^ БЬ(Б0)3 ^(0Н) + Н2Б04 Ге2(Б04)3 ; 02, Н20 Сурьмяные охры, Н2Б04 Сурьмяные охры — труднорастворимы; Сульфат оксида железа (Ге2(Б04)3) — гидроли-зуется в гидрат окиси Ге, окисляя другие катионы
ме за год свыше 25 тонн высокотоксичных металлов [6].
Роль углекислоты при гипергенезе проявляется несколько позднее, чем сульфатного окисления: вначале происходит перевод сульфидов в сульфаты, и лишь потом наступают процессы перевода купоросов в карбонаты. В северных районах, где отмечается высокое растворение углекислоты, по-видимому, преобразование глу-
открытые водные системы и загрязняют их. Так, к примеру, нами выявлено что из хвостохранилища Солнечной ОФ через дренажный поток ежесуточно сбрасываются в р. Лев. Силинка (Солнечный ГОК) свыше 5 м3/час (приблизительно 20000 м3 в год) насыщенные солями растворы, содержащие Мп - 3,8 г/м3, Си - 1,0, РЬ - 0,34, Бп - 0,1, гп - 2,8, Ге -8,4, С<< - 0,06, что составляет в сум-
бинных рудных минералов приводит к образованию карбонатов.
При окислении сульфидов и переводе их в сульфаты происходит потеря энергии кристаллической решетки, снижается поляризуемость ионов и значительно увеличивается их растворимость. Последнее обстоятельство имеет очень важное значение для характеристики источников загрязнения, сосредоточенных в хвостохрани-лищах, т.к. определяет потенциал эколого-геохимического загрязнения ОС. Поскольку растворимость сульфидов, как большинства первичных рудных минералов, составляет лишь миллионные доли, а растворимость сульфатов достаточно высока, то перевод первой категории минералов во вторую значительно повышает возможность эколого-геохимического загрязнения ОС токсичными элементами.
Учитывая изложенные факты, можно утверждать, что процесс перевода сульфидных минералов в окисленные формы, т. е. сульфаты, будет продолжаться достаточно долго (150200 лет), следовательно все это время хвостохранилища будут представлять собой мощные и активные источники химического загрязнения. Период полуудаления (или удаление половины от начальной концентрации) составляет очень продолжительное время: для цинка - от 70 до 510 лет, для кадмия - от 13 до 110, для меди - от 310 до 1500 и для свинца - от 740 до 5900 лет [7].
Заключение
Южные районы, имеющие кислую реакцию среды и более активные компоненты природных гипергенных процессов минералого-геохимической трансформации сульфидов, характеризуются формированием более мощных зон окисления и образованием сульфатов, наиболее растворимых
минеральных форм, и протеканием интенсивных процессов химической миграции загрязняющих веществ в поверхностных условиях. Высокая растворимость сульфатов в воде, обогащенной кислородом, обеспечивает активное выщелачивание катионов и формирование высоких аномальных концентраций в агрессивных дренажных растворах. При выходе из хво-стохранилищ они интенсивно загрязняют аквальные экосистемы, поверхностные водотоки и горизонты подземных вод, что и позволяет считать эти районы более приспособленными для формирования зон более вероятного экологического риска.
В северных районах, характеризи-зующихся с недостаточным температурным балансом и повсеместным развитием мноноголетней мерзлоты, процессы трансформации минералов законсервированы в мерзлых рыхлых образованиях, и только возможно их проявление в маломощном (1,5-2,0 м.) деятельном слое в течение относительно теплых 2-3-х месяцев в году. Однако при механическом нарушении почвенно-растительного покрова происходит медленное восстановление нарушенного слоя, чаще идет заболачивание или образование эрозионных потоков и открытых осыпей. Химические, наиболее опасные в экологическом отношении явления подавлены. Процессы трансформации сульфидных рудных минералов происходят в направлении карбонатиза-ции минералов за счет избытка растворенной в холодных водах углекислоты.
При окислении сульфидов и переводе их в сульфаты происходит потеря энергии кристаллической решетки, меньшая поляризуемость ионов и значительно большая их растворимость. Последнее обстоятельство имеет важное значение для характеристики
источников загрязнения, т.к. определяет потенциал эколого-геохимичес-кого загрязнения 0С. Поскольку растворимость сульфидов, как и большинства первичных рудных минералов, составляет лишь миллионные до-
ли, а растворимость сульфатов достаточно высока (см. табл.), то перевод первой категории минералов во вторую значительно повышает возможность эколого-геохимического загрязнения 0С токсичными элементами.
1. Солнцева Н.П. Геохимическая устойчивость природных систем к техногенным нагрузкам. //Добыча полезных ископаемых и геохимия природных экосистем. М.: Наука, 1992.
2. Потапов A.M., Воробьева В.Н., Карлин Л.Н., Музалевский A.A. Мониторинг, контроль, управление качеством окружающей среды. С-П., часть 3-я. 2005, интернет-ресурс.
3. Об основных положениях методологии оценки риска. Интернет-ресурс [email protected]/rssi.ru 2.
4. Ломоносов И.С. Основные процессы техногенного рассеяния и концентриро-
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
вания элементов и принципы их оценки //Геохимия техногенных процессов. М: Наука, 1990.- С. 48-60.
5. Рянский Ф.Н. Геосистемные подходы к методике прикладного эколого-экономического районирования ДВ части зоны БАМ. ИВЭП. Препринт, ИВЭП, Г0 СССР. Владивосток, 1989.
6. Алексеенко В. А. Экологическая геохимия. М.: Логос, 2000. - 627 с.
7. Химическое загрязнение почв и их охрана: словарь-справочник/Д. С. 0рлов, М.С. Малинина, Г.В. Мотузова, Л.К. Садов-никова, Т.А. Соколова М.: Агропромиздат, 1991. - 303 с. ИЗ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Грехнев Н.И. - зав. лабораторией, кандидат геолого-минералогических наук,
е-шеИ: [email protected]
Липина Л.Н. - научный сотрудник,
Институт горного дела Дальневосточного отделения Российской академии наук, е-шаП: [email protected]
А
UDC 504.062.001.18
THE MAIN FACTORS OF THE NATURAL ENVIRONMENT, REGULATING THE PARAMETERS OF ENVIRONMENTAL RISKS IN THE FAR EASTERN MINING AREAS
Grekhnev N.I., Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, E-mail: [email protected] Lipina L.Y., Research Associate,
Mining Institute of the Far Eastern Branch of the Russian Academy of Sciences, e-mail: [email protected]
In the present article discusses the main factors of natural and technogenic environment, determining the development of environmental risks in the mining areas South of the Russian Far East.
The southern territories, with acid reaction of the medium and more active components that participate in natural supergene mineralogical-geochemical transformation of sulfide, feature formation of thick oxidation zones and formation of sulfates—most soluble mineral forms, as well as intensive chemical migration of pollutants in subsurface layers.
Emerged from tailing storages, pollutants heavily contaminate aquatic ecosystems, surface water courses and ground waters, which allows ranking these territories the high-probability eco-risk zones.
In the northern areas, lacking temperature equilibrium and characterized by all-round permafrost, mineral transformation processes are conserved inside the permafrost formations.
Solubility of sulfides, as of most primary ore minerals, is millionth fractions, whereas solubility of sulfates is appreciably high; thus, transformation of the former group minerals to the latter group minerals dramatically aggrandizes the risk of toxic geochemical contamination of the environment.
Key words: environmental risks, mineralogical and geochemical transformation bioclimatic zoning supergene zone, migration processes.
REFERENCES
1. Solntseva N.P. Geochemical Resistance of Natural System to Mining Impact. In: Mineral Mining and Natural Ecosystem Geochemistry. Moscow: Nauka, 1992.
2. Potapov A.M., Vorobieva V.N., Karlin L.N., Muzalevsky A.A. Ecological Monitoring, Control and Quality Management. Saint-Petersburg, 2005. Internet-Resource.
3. Essentials of the Risk Assessment Procedure. Available at: [email protected]/rssi.ru 2.
4. Lomonosov I.S. Main Processes of Industrial Diffusion and Concentration of Elements and Their Estimation Methods. In: Geochemistry of Mining-Induced Processes. Moscow: Nauka, 1990. Pp. 48-60.
5. Ryansky F.N. Geosystem Approaches to the Procedure of the Applied Ecological-and-Economical Zoning of the Far Eastern Part of the Baikal-Amur Main Line Area. Vladivostok: IVEP, GO SSSR, 1989.
6. Alekseenko V.A. Ecological Geochemistry. Moscow: Logos, 2000. 627 p.
7. Orlov D.S., Malinina M.S., Motuzova G.V., Sadovnikova L.K., Sokolova T.A. Chemical Contamination and Protection of Soil: Glossary-Reference Book. Moscow: Agropromizdat, 1991. 303 p.
A
ГОРНАЯ КНИГА -
Гидроструйныс технологии в горном деле. Практикум
Жабин А.Б., Поляков Ан.В., Щеголевский М.М., Поляков Ал.В., Мерзляков В.Г., Лавит И.М., Пушкарев А.Е., Головин К.А. 2014 г. 399 с.
ISBN: 978-5-98672-334-1 UDK: 622.236:622.233.52
Рассмотрен впервые созданный комплекс практических работ, который обобщает результаты выполненных теоретических и экспериментальных исследований в области гидроструйных технологий и вносит определенный вклад в теорию и практику их применения в горном деле. Даны формулировки заданий, кратко изложены теоретические сведения, приведены методические и справочные материалы, необходимые для выполнения каждой практической работы. Содержатся примеры расчетов, что облегчает понимание и выполнение поставленных задач. Все работы подобраны и разработаны по единой системе и имеют одинаковую структуру. Последовательное выполнение работ способствует творческой самостоятельной работе студентов при инженерных расчетах, развитию инициативы и ответственности, потребности в постоянном обогащении своих знаний, способности смело принимать новаторские решения и активно проводить их в жизнь.
