CC BY
38
_____________________________________ © В.П. Зверева, А.В. Савченко,
А.М. Костина, О.В. Коваль,
2010
УДК 502.55:622(571.6)
В.П. Зверева, А.В. Савченко, А.М. Костина,
О.В. Коваль
ОЦЕНКА И ПРОГНОЗ ВОЗДЕЙСТВИЯ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕХНОГЕННОЙ СИСТЕМЫ МЕСТОРОЖДЕНИЙ КОМСОМОЛЬСКОГО РАЙОНА НА ГИДРОСФЕРУ
Оловорудная промышленность в Комсомольском районе развивается около шестидесяти лет. Ее развитие привело к появлению многочисленных канав, расчисток, карьеров, штолен и хвостохранилищ, что способствовало созданию
горнопромышленной техногенной системы площадью десятки тысяч гектар. Так как при развитии горнорудной промышленности в районе санитарные нормы не были соблюдены, то жилые зоны — пос. Горный и пгт. Солнечный оказались расположены в пределах горнопромышленной техногенной системы, гипергенные процессы активизируются. Главными сульфидными минералами, которые в процессе гипергенеза интенсивно окисляются, являются сульфиды: пирит, пирротин, арсенопирит, халькопирит, галенит, сфалерит и др. Окисление сульфидов и появление гипергенных растворов, видимо, правильнее описывают уравнения, относящиеся к условиям среды с рН< 3 [1]. Процесс окисления сульфидов начинается в микропорах и микротрещинах, где образуется растворы с повышенной концентрацией кислых ионов, в том числе и HS04-, в связи с чем первыми продуктами окисления сульфидов, скорее всего, будут комплексные катионы типа [AHS04] , где А — Fe+2, Fe+3, Си, РЬ, 2п — в зависимости от окисляющегося минерала, и соответствующие комплексные катионы [FeHS04]+, [FeHS04]+2, [СиЖ04]+, которые в дальнейшим при разбавлении растворов могут испытывать гидролизные превращения по схеме [AHS04]+2 + Н2О ^ [Л(ОН^04]+ + 2Н+. В результате в пределах
горнопромышленной техногенной системы возможна кристаллизация широкого спектра гипергенных и техногенных
минералов Fe, Си, РЬ и 2п [2], главным образом класса сульфатов. Проведенные одним из авторов минералогические исследования [1, 3] позволили в рассматриваемой горнопромышленной техногенной системе установить более 80 гипергенных и техногенных минералов (табл. 1).
Большая часть обнаруженных гипергенных минералов относится к классу сульфатов — это купоросы — водные сульфаты Fe2+ или их разности с изоморфной примесью Си, 2п, Mg и Мп. Среди них в техногенной системе данного района отмечаются роценит, сидеротил, мелантерит и др. К числу водных сульфатов Fe3+ относятся ярозит, фиброферрит и глоккерит. Большинство сульфатов являются купоросами, которые характерны для начального этапа гипергенеза. Купоросы в большинстве своем образуются исключительно как сезонные или техногенные минералы в засушливую погоду, а в период дождей могут растворяться и исчезать. Это легко растворимые в воде нормальные водные сульфаты, среди которых наиболее обычен халькантит. К числу широко распространенных сульфатов относятся также основные соли меди - антлерит и брошантит. Часто встречаются и такие редкие сульфаты меди, как познякит, ктенасит, серпиерит, вудвардит и роуволфит. Среди сульфатов свинца обнаружен только англезит. Самостоятельных сульфатов цинка не установлено. Цинк входит в состав серпиерита или изоморфно замещает медь в других сульфатах.
Техногенные сульфаты белого, желтого, коричневого и зеленого цвета разных оттенков отмечаются в виде выцветов, налетов и порошковидных корочек на стенках горных выработок, в карьерах, на рудных отвалах, на поверхности и в толще хвостов. Они могут быть как моно-, так и полиминеральными, т. е. одновременно содержать два и более минералов.
Наличие карбонатных вмещающих пород позволило раскристаллизоваться минералам Fe, Си, РЬ и 2п — сидериту, малахиту, азуриту, церусситу, смитсониту и др. (табл. 1).
Кремнистые минералы и вмещающие породы привели к образованию в техногенной системе гипергенных минералов класса силикатов, главным образом нонтронита, гизингерита и хризоколлы. Присутствие в рудах арсенопирита и его окисление способствовало образованию многих минералов Fe+3, Си и РЬ класса арсенатов — оливениту, бедантиту, клиноклазу, церулеиту, дюфтиту, байлдониту, питтициту и др.
Таблица 1
Гипергенные минералы оловорудных месторождений Дальнего Востока
Широко распространенные Мало распространенные
Самородные элементы и сульфиды
Медь самородная Халькозин Си S 2 Ковеллин СиБ Борнит Си ^еБ Марказит FeS Кермезит Sb S О 22
Оксиды и гидроксиды
Куприт Си^О Тенорит СиО Гидрогётит а-РеООНпИ^О Гематит a-Fe О 2 3 Лепидокрокит у-РеООН Трипугиит FeSb2O6 Кварц Гидраргиллит А1(ОН)3 Пиролюзит рМпО Криптомелан К(Мп+2,Мп+4^О6 Г олландит Ва(Мп+2,Мп+4^С^1б Псиломелан (Ва,Мп+2)3М^8+4(ОН^О6 Халькофанит ZnMn О 3Н О ^ 3 7 2 Бернессит (Са^)Мп О .2,8Н О
Сульфаты
Гипс [СаБО ]2Н О Халькантит Си[БО ] 5Н О Ктенасит (Си^п) [SO ] (ОН) 6Н О Брошантит Си [БО ](ОН) Познякит Си [БО ](ОН) Н О 41- 4^ 'б 2 Роуволфит Си [БО ](ОН) 2Н О Серпиерит (Си^п) [БО ] (ОН) 3Н О Вудвардит СиА12ГБО41(ОН)12-4НО Антлерит Сиз[БО4](ОН)4 Англезит РЬ[БО4] Линарит РЬСи[БО ](ОН^ Биверит РЬ(Си^е, Л1^[БО ^(ОН^ Роценит Fe[SO ]4Н О Сидеротил Fe[SO р5Н О Мелантерит Fe[SO ]7Н О Галотрихит FeЛ1 [БО ] 22Н О г 21 4*4 2 Пиккеренгит MgЛ1 [БО ] 22Н О Фиброферрит Fe+3[SO ](ОН)5Н О
Ярозит Кез+3[БО4]2(ОН)6 Старкеит Ме[БО ] 4Н О
Глоккерит Fe4+3[SO4](OH)l0(1-3)H2O Алуноген А1 КО ] •17Н О 7 Т 4 3 2 Ростит Al[SO ](ОН) 5Н О Плюмбоярозит PЬF^+3[SO^(OH^
Карбонаты
Малахит Си [СО ](ОН) Азурит Си3[СО3]2(ОН)2 Церуссит РЬ[СО3] Кальцит Са[СО ] Смитсонит 7п[СОз] Аурихальцит (7п,Си)5[СОз]2(ОН)б Сидерит Fe[COз] Магнезит М£[СОз] Алюмогидрокальцит СаА1 [СО ] (ОН)43НО
Арсенаты
Оливенит Си [АвО ](ОН) Бедантит PЬFeз+3[AsO4][SO4](OH) Скородит Fe+3[AsO ] 2Н О Церулеит СиА1 [АвО ] (ОН) 4Н О Клиноклаз Сиз[АвО4](ОН)з Байлдонит СизРЬ[АвО4]2(ОН)2 Дюфтит СиРЬ[АвО4](ОН) Лискирдит (АЦе+3)[АвО ](ОН) 5Н О Питтицит Fe +3[АвО ][SO ](ОН) пН О Миметезит РЬ [АвО ] С1 51- Г3
Ванадаты
Ванадинит РЬ[УО ] .С1
Фосфаты
Вивианит Fe +3[РО ] 8Н О 3 L Г2 2 Псевдомалахит Си [РО ] (ОН) 4Н О Эвансит А1 [РО ](ОН) Н О Пироморфит РЬ [РО ] .С1
Силикаты
Хризоколла Н Си р О ](ОН) пН О
г 4^4 10^ '8 2
Нонтронит Fe р О ](ОН) 2Н О
г 21 4 10^ '2 2
Каламин 7п [Si О ](ОН) Н О
41- 2 7^ '2 2
Глауконит
Яхонтовит
(^Са^аХА^3^2^)^^
[АМ3О10].пН2О
Стильпномелан
Гидромусковит
(К,H3O)(Fe+2,Fe+3,Mg,A1^ ^ОюКОН^пНО Гизингерит Fe О пН О
--------к-- 2 3 2 2
(К,НзО)А12[АМзО1о](ОН)2пН2О Аллофан т А1 О pH О
-----ж-- 2 3 2 2
Ломонтит (Са, ШДАМД^НО
Примечание. Подчеркивание означает, что минерал чаще техногенный; жирным шрифтом выделены первые (авторские) находки в районе
Поровые растворы, дренажные и концентрированные
вышеперечисленные минералы, выносятся круглосуточно, ничем не сдерживаемые, и попадают в поверхностные и грунтовые воды на протяжении многих десятилетий. Они выносят огромные количества широкого спектра элементов, значительно изменяя гидрохимический фон района, и ухудшают состав поверхностных и грунтовых вод, из которых в районе проводится водозабор для населения.
Сильные ветра, характерные для данного района, способствуют загрязнению атмосферы тонкодисперсным материалом хвостов обогащения, которые, попадая в почву, окисляются. Кислые почвенные растворы, обогащенные рудными элементами, способствуют их накоплению в растениях, что приводит к изменению биохимического фона района.
Наличие горнопромышленных техногенных систем и активно протекающих в них гипергенных процессов привело к тому, что Комсомольский оловорудный район по показателям загрязнения водного и воздушного бассейнов характеризуется как территория с критической и катастрофической экологической ситуацией. Поселок Горный и пгт. Солнечный находятся в данной зоне. С каждым годом границы этой зоны расширяются, а площади увеличиваются [4].
Дорогостоящие мониторинговые работы в горнорудных районах позволяют оценить экологическое состояние экосферы в
рудничные воды,
из
которых кристаллизуются
определенный промежуток времени, а также прогнозировать процессы ее загрязнения на ближайшее время. К сожалению, они не дают количественной оценки широкого спектра элементов, выносимых из горнопромышленной техногенной системы, а именно из хвостохранилищ.
Использование же современной программы «Селектор-Windows» (разработчики ИК. Карпов, КВ. Чудненко, ВА. Бычинский) компьютерного моделирования природного процесса минералообразования позволяет рассчитать объемы элементов, выносимых из хвостохранилищ и сделать прогноз на десятилетия и даже столетия. Программа «Селектор-Windows» находит глобальный минимум того или иного термодинамического потенциала, т. е. минимум функции свободной энергии Гиббса, и вычисляет на этой основе минеральный парагенезис.
Таблица 2
Схема физико-химического моделирования экологической ситуации на хвостохранилищах
Тип модели Характеристика места нахождения и состояния отходов горнорудного производства — хвостов Факторы, учитываемые при моделировании процессов гипергенеза
I модель Хвосты после удаления рудного концентрата (в трубопроводе) Состав шламовых вод
II модель I вариант Действующее хвостохранилище, закрытое полностью шламовым озером, объем хвостов возрастает Состав шламовых, дождевых и талых вод
II вариант Не работающее хвостохранилище, закрытое частично шламовым озером, объем хвостов постоянный
III модель Осушенное хвостохранилище, объем хвостов постоянный Состав дождевых и талых вод
При этом минимизация энергии Гиббса подразумевает как равновесие водного раствора с его компонентами и минералами, выпадающими из него, так и равновесие раствора и выпадающих из него минералов с геохимическим составом пород и руд. Все
изменения, происходящие с хвостами можно представить в виде ряда физико-химических моделей (табл. 2).
Начальный процесс изменения отходов горнорудного производства — хвостов начинается на стадии переработки руд, извлечения концентрата и сброса пульпы на хвостохранилище с помощью трубопровода. На этой стадии происходит взаимодействие руды и хвостов с реагентами, которые используются при гравитационном методе извлечения концентрата (I модель, табл. 2). В качестве реагентов в обогатительном процессе используются (г/т): серная кислота - 825, бутиловый ксантогенат -50, флотационное масло - і5 (сосновое, которое состоит в процентах из: пинена - 40, лимонена - 40, борнилацетата - іі и спирта - 9), жидкое стекло - 750, Ди-2-ЭГФК (ди-2-этил-гексилфосфорная кислота) - 500 и изооктиловый спирт - 550. Шламовые воды на начальном этапе формирования хвостохранилища состоят практически из выше перечисленных реагентов, в которые при переработке руды и извлечении рудного концентрата добавляется вода.
332
Таблица 3
Схема физико-химического моделирования экологической ситуации на хвостохранилищах Комсомольского района
Характеристика хвостохранилища и состава хвостов Первое Второе Третье
Тип модели I модель I модель I модель
II модель II модель II модель
I и II вариант III модель I и II вариант III модель I вариант
Период накопления хвостов (гг.) 1963-1997 (34) 1969-2001 (32) 2001-2008 (7)
Возраст хвостохранилища (г.) 45 39 7
Хвостохранилище закрыто шламовым озером (г.) 30 24 7
Хвостохранилище осушено (г.) 15 15 осушено частично
V хвостов (млн.т) и его S (га) 10,6 6,8 24,09
20 30,5 40,3
Минеральный состав хвостов (из расчета 100%) Кварц - 37,5 Кварц - 35,6 Кварц - 36,6
Кварц роговиков - 41,1 Кварц роговиков -44,1 Кварц роговиков -42,7
Полевые шпаты - 1,84 Полевые шпаты - 1,96 Полевые шпаты - 1,88
Слюда - 0,46 Слюда - 0,49 Слюда - 0,47
Амфибол и др. - 2,3 Амфибол и др. - 2,45 Амфибол и др. - 2,35
Турмалин - 12,1 Турмалин - 10,2 Турмалин - 11,2
Пирит, марказит - 1,3 Пирит, марказит - 0,9 Пирит, марказит - 1,1
Пирротин - 0,89 Пирротин - 1,3 Пирротин - 1,1
Арсенопирит - 0,67 Арсенопирит - 1,3 Арсенопирит - 0,94
Халькопирит - 0,35 Халькопирит - 1,17 Халькопирит - 0,7
Сфалерит - 0,35 Сфалерит - 0,15 Сфалерит - 0,25
Галенит - 0,45 Галенит - 0,05 Галенит - 0,22
Вольфрамит - 0,4 Вольфрамит - 0,05 Вольфрамит - 0,2
Касситерит - 0,25 Касситерит - 0,23 Касситерит - 0,24
Станнин - 0,04 Станнин - 0,05 Станин - 0,05
Примечание. Содержание ороговикованной породы на хвостохранилищах (%): первое- 45,7, второе - 49, третье - 47,4. Состав ороговикованной породы (%): кварц - 90, полевые шпаты - 4, слюда - 1, амфибол и др. минералы (пироксен, гранат, андалузит, кордиерит и силлиманит) - 5.
После попадания жидких хвостов в хвостохранилище происходит активное разбавление их атмосферными осадками — дождевыми и талыми водами. Пока горное предприятие работает и сбрасывает отходы в хвостохранилище оно сверху закрыто шламовым озером. В этот период хвосты находятся в жидком состоянии (I вариант II модели, табл. 2). Шламовые воды частично дренируют и уже в виде дренажных растворов попадают в поверхностные и грунтовые водные системы. При создании критической ситуации в результате прорыва дамбы шламовые озера и хвосты частично или полностью попадают в поверхностные водотоки. Аварии во всех горнорудных районах происходят достаточно часто.
После прекращения поступления пульпы в хвостохранилище и до момента высыхания шламового озера проходят десятки лет (II вариант II модели, табл. 2). Далее хвосты десятилетиями находятся в сухом виде (III модель, табл. 2) и активно пылят. Таким образом, не рекультивированные хвостохранилища будут постоянно воздействовать на экосферу. В период с прекращения поступления пульпы в хвостохранилище до исчезновения шламового озера работают совместно вторая (II вариант) и третья модели. Каждое хвостохранилище в зависимости от продолжительности работы горного предприятия в районе и его возраста проходит все три стадии с различной длительностью (табл. 2).
В горнопромышленном районе Солнечного ГОКа накоплено три хвостохранилища, для каждого из которых приводятся этапы моделирования (табл. 3).
В таблице указывается возраст хвостохранилищ, занимаемая площадь, объем накопленных хвостов и их минеральный состав в процентном соотношении. Следует отметить, что при создании физико-химических моделей учитываются и климатические факторы: годовое количество осадков (570 мм), что составляет 0,і5 ' і0 кг воды на і га, средняя скорость ветра - 5-і0 м/сек, температура воздуха, которая посезонно изменяется от -40°С до +40°С и давление - і атм.
Проведенное физико-химическое моделирование, с помощью программы «Селектор-Windows», позволило рассчитать максимально возможные концентрации Cu, Pb, Zn и других элементов, выносимые из хвостохранилищ горнопромышленного района и попадающие в гидросферу в результате процессов гипергенеза, а также сделать прогноз на будущие столетия.
Работа выполнена при поддержке ДBО РАН, проекты № 09-2-С0-08-008 и № 09-III-B-08-454. ---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Постникова, B.n. Минералогия зоны гипергенеза оловорудных месторождений Комсомольского района / В.П. Постникова, Л.К. Яхонтова. - Владивосток: ДВНЦ АН СССР, і984. - і22 с.
2. Яхонтова, Л.К. Минералы зоны гипергенеза / Л.К. Яхонтова, В.П. Зверева. - Владивосток: Дальнаука, 2007. - і64
с.
3. Зверева, B.n. Экологические последствия гипергенных процессов на оловорудных месторождениях Дальнего Востока. - Владивосток: Дальнаука, 2008. - і66 с.
4. Мирзеханова, З.Г. Тенденция изменения геоэкологической обстановки в Хабаровском крае / З.Г. Мирзеханова, И.Д. Дебелая, В.А. Булгаков //Географияи природные ресурсы. - 2003. - № 1. - С. 93-99. ЕШ
— Коротко об авторах -------------------------------------------------
Зверева В.П. - доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник,
Дальневосточный геологический институт ДВО РАН, г. Владивосток, zvereva@fegi. ru.
Савченко А.В. - кандидат химических наук, старший научный сотрудник, Институт океанологии ДВО РАН, г. Владивосток, mailto: alsav@poi. dvo. ru.
Костина А.М. - аспирантка, Дальневосточный геологический институт ДВО РАН, г. Владивосток.
Коваль О.В. - аспирантка, Дальневосточный государственный университет, г. Владивосток.
