CC BY
0УДК 911.2
DOI: 10.24412/cl-37200-2024-1009-1012
ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫЕ ГЕОСИСТЕМЫ КАРЬЕРНО-ОТВАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ВОСТОЧНОГО ОРЕНБУРЖЬЯ
NATURAL AND MAN-MADE GEOSYSTEMS OF QUARRY DUMP COMPLEXES OF THE
EASTERN ORENBURG REGION
*Петрищев В.П.1,2, "Пономарева Г.А.1 *Petrishchev VP.1,2, **Ponomareva G.A.1
1 Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия 2Институт степи УрО РАН, Оренбург, Россия 1 Orenburg State University, Orenburg, Russia 2Institute of Steppe of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Orenburg, Russia
E-mail: *wadpetr@mail.ru, **galy.ponomareva@mail.ru
Аннотация. В статье рассматриваются актуальные направления исследования природно-техногенных геосистем карьерно-отвальных комплексов с особым акцентом на отработанные медноколчеданные месторождения и методы их изучения. Уделяется внимание факторам морфологической дифференциации элементов техногеосистем, перспективам их использования в качестве вторичных месторождений, возможностям рекультивации и экологической реабилитации. Особое внимание уделяется вопросам самовыщелачивания отвалов под воздействием атмосферных осадков, особенностям образования техногенных почв для дальнейшей рекультивации отвалов, развитию фитобарьеров, общим вопросам необходимости извлечения редких и благородных металлов из старых отвалов и важности экологической реабилитации отвальных комплексов. Среди ключевых задач анализа морфологическорй структуры техногенного ландшафтного комплекса выделялись следующие: оценка степени проявления естевенных факторов ландшафтной дифференциации и выявление роли процессов, связанных с горно-добывающим производством; анализ корреляции элементов отвального комплекса с элементами карьерного комплекса с использованием данных классификации спутниковой информации и комбинации каналов различных частотных диапазонов, данных геохимического анализа грунтов, подотвальных и карьерных вод, информации, полученной на основе георадарной съемки; выявление особенностей морфологической структуры ландшафтов техногенного происхождения, связанного с добычей медноколчеданных руд.
Ключевые слова: техногеосистема, карьерно-отвальные комплексы, рекультивация, геохимическая катена, самовыщелачивание.
Abstract. The article discusses current research areas of natural and man-made geosystems of quarry-dump complexes with a special focus on spent copper-crusted deposits and methods of their study. Attention is paid to the factors of morphological differentiation of elements of technogeosystems, the prospects of their use as secondary deposits, the possibilities of reclamation and environmental rehabilitation. Special attention is paid to the issues of self-leaching of dumps under the influence of atmospheric precipitation, the peculiarities of the formation of man-made soils for further reclamation of dumps, the development of phytobarriers, general issues of the need to extract rare and precious metals from old dumps and the importance of environmental rehabilitation of dump complexes. Among the key tasks of analyzing the morphological structure of a man-made landscape complex, the following were distinguished: assessment of the degree of manifestation of natural factors of landscape differentiation and identification of the role of processes associated with mining production; analysis of the correlation of elements of the dump complex with elements of the quarry complex using data from the classification of satellite information and a combination of channels of various frequency ranges, data from geochemical analysis of soils, sub-basement and quarry waters, information obtained on the basis of georadar survey; identification of the features of the morphological structure of landscapes of man-made origin associated with the extraction of copper ores.
Key words: technogeosystem, quarry dump complexes, reclamation, geochemical catena, self-leaching.
Введение. Природно-техногенные геосистемы карьерно-отвальных комплексов медноколчеданных месторождений, сложившиеся в восточной части Оренбургской области, представляют собой классический пример техногеосистем, функционирующих при относительно небольшом участии природных факторов ландшафтной дифференциации. Отличия данных техногеосистем от окружающих зональных степных комплексов заключаются
в первую очередь в резко геохимической контрастности и развитии внутренних закономерностей дифференциации их элементов. Одним из факторов выступает корреляция отдельных фрагментов отвалов с участками карьеров, откуда были извлечены горные породы. Например, такая корреляция довольно отчетливо отмечается для вскрышных пород. На космоснимках отчетливо прослеживаются одни и те же классы вскрышных пород в отвалах и карьерах. Подобным примером, который подтвержден геохимическими данными, является корреляция участков с «бедными» рудами на крыше отвала с их участками по бортам карьеров. Еще одним фактором дифференциации, который проявляется на геохимическом уровне, служит аккумулирующая роль карьерных вод, подотвальных ручьев, а также техногенных родников. Значение их в качестве коллекторов с наибольшей концентрацией всех металлов, в т.ч. редких и благородных, прослеживается на всех без исключения карьерно-отвальных комплексах.
Материалы и методы. Среди методов, которые использовались для анализа структуры техногенных геосистем, следует выделить в первую очередь применение классификации космических снимков, которые совпадали по времени со временем отбора проб грунта и воды из карьерно-отвального комплекса. Для классификации выстраивалась комбинация каналов: Red (4)/Blue (2) и SWIR3 (7) - Green (3) - Coastal/Aerosol (1). Первая комбинация представляет собой индекс содержания оксида железа, а вторая - выделяет классы с открытыми горными породами. Для формирования комбинаций каналов использовался калькулятор растров в Q-GIS. Дальнейшая обработка данных проводилась путем объединения всех полигонов по каждому классу. Визуализация полученных классов проводилась на основе их размещения по ортофотопланам и топографическим картам.
Аналитической частью работы стало сопоставление полученных классификаций с показателями отбора проб, которые выводились как через цифровые значения по точкам отбора, так и путем построения картограмм.
Еще одним методом, который применялся при изучении техногенных геосистем, было георадарное профилированиес использованием георадара Лоза - Н с глубиной сканирования до 150 м. Общая протяженность маршрутов георадарной съемки составила 1200 метров. При георадарном профилировании основной целью стало выявление особенностей залегания пород, относящихся к верхнему ярусу отвала. Было выявлено залегание рыхлых пород по периферии отвала. Они фиксировались как с помощью георарадрного профилирования, так и на основе классификации оксидов железа. Георадарное профилирование показало, что отчетливо дифференцируются рыхлые присклоновые сильно трещиноватые грунты и блоки плотных отвальных пород, разделенных глубокими трещинами. Неоднородность отвальной толщи фиксируется фрагментами котловин, заполненных рыхлыми отложениями.
Результаты исследований и их обсуждение. Сравнение техногеосистем медноколчеданных месторождений восточной части Оренбургской области позволяет выделить среди них как уже сложившиеся со сложной морфологической структурой геосистемы Гайского и Блявинского месторождений, формирующиеся техногеосистемы отработанных месторождений Барсучий Лог и Яман-Касы и техногеосистемы действующих карьеров месторождений Летнего, Осеннего, Весенне-Аралчинского, Джусинского, Левобережного. Поскольку разработка колчеданных руд в таких месторождениях еще не успела оказать большого влияния на окружающие степные геосистемы, подотвальные воды, развитие аномальных геохимических геополей и процессы фитовыщелачивания малозаметны.
Формирование техногеосистем медноколчеданных месторождений определяется длительностью как процесса разработки месторождения, так и давностью прекращения горнодобывающих работ, а также размерами месторождения и геолого-минералогическими особенностями оруденения. Характерной особенностью всех выше перечисленных техногеосистем месторождений является формирование геохимического ореола концентраций тяжелых металлов, длинная ось которого направлена от отвала в сторону местного водотока, дренирующего локальный бассейн, в пределах которого располагается техногеосистема. Это еще раз показывает о необходимости рассматривать техногеосистемы медноколчеданных месторождений в рамках парадинамических геосистем бассейнового типа.
Таким образом, в Оренбургской области формируется новый тип горно-промышленных геосистем, связанный с рудными месторождениями, на которых велась или ведется добыча руд цветных металлов
Следует отметить, что интерес к исследованию техногеосистем карьерно-отвальных комплексов развивается достаточно давно и имеет различную направленность. Одно из
направлений связано с исследованием техногенного почвообразования. Установлено, что техногенные почвы при своей фрагментарности выделяются высокой плотностью при свойствах органического вещества, часто отличающихся от окружающих зональных почв [1]. Учитывая, что почвообразующий субстрат карьерно-отвальных комплексов медноколчеданных месторождений резко отличается от вмещающих зонально-степных почв, тренды их развития окажутся существенно иными. Очевидно, что для эффективной рекультивации техногеосистем необходима подробная классификация почв, причем отдельно для каждого вида техногеосистем. Например, отдельная классификация для почв карьерно-отвальных комплексов медноколчеданных месторождений, сочетающая широтно-зональные факторы с генетической классификацией медноколчеданных месторождений по лито-фациальным и структурным особенностям [2]. Среди оптимальных свойств почв, увеличивающих эффективность рекультивации, отмечается снижение каменистости и щебенчатости в верхних горизонтах, развитие элювиальности с повышением мелко- и тонкодисперсности [3].
Очень интересными являются исследования биогенных факторов рекультивации техногенных геосистем. Разработаны методы прогнозирования развития сукцессионных сообществ при проведении рекультивации карьерно-отвальных комплексов. Главная идея таких методов заключается в классификации сообществ с выделением ксероморфных, мезоморфных и гигроморфных групп, находящихся как на различных стадиях рекультивации, так и соответствующих особенностям техногеосистем [4]. В целом, подчеркивается, что ландшафтная оптимизация техногеосистем в формате превращения их в многофункциональные рекреационные зоны представляет собой наиболее эффективный способ их эколого-экономической трансформации.
Одним из интересных межкомпонентных взаимодействий в техногенных геосистемах выступает развитие фитобарьеров, сглаживающих геохимические градиенты, снижение геохимической обусловленности нижележащих элементов геосистем, отсутствие корреляции концентрации тяжелых элементов в литогенной основе, техногенных и природно-техногенных водах, донных отложениях, почвах, растительности [5]. Наиболее высокими значениями концентраций металлов характеризуются нижние уровни техногенных катен - карьерные водоемы, подотвальные ручьи и техногенные родники. Характерной чертой техногеосистем является формирование ореолов рассеяния в почвах и растительности, что определяет формирование радиально расходящихся от техногеосистемы геохимических спектров геосистем.
Во многих исследованиях обсуждается экономическая целесообразность переработки отвальных комплексов, в том числе и отвальных комплексов месторождений Урала [6]. При этом делается упор на том, что с одной стороны отвалы содержат ценные элементы, в т.ч. редкие и благородные металлы, например, во вскрышных отложениях, а с другой, карьерно-отвальные комплексы давно превратились в экологическую проблему для близлежащих городов и населенных пунктов. Они стали как стихийными свалками, так и источником атмосферного самовыщелачивания и загрязнения окружающей гидрографической сети. Построена модель экономической рентабельности вторичной переработки отвалов на основе концепции устойчивого развития, эффективности использования ресурсов техногенных месторождений, расположенных в районах с высоким уровнем освоенности, развитой транспортной сетью, высокой численностью и компетентностью населения, вместо освоения первичных ресурсов, зачастую расположенных в труднодоступных районах [7].
Среди направлений рекультивации техногенных ландшафтов рудных месторождений рассматриваются два направления [8]. При этом следует учитывать, что карьерно-отвальные комплексы медноколчеданных месторождений представляют собой агрессивную в геохимическом отношении среду, обладающую уже сложившимся взаимодействием между природными компонентами. Первое направление связано с полной реабилитацией природной среды и возвращением к естественному ландшафту, соответствующему широтно-зональным условиям. Данный процесс может быть реализован путем нивелировки карьеров шламовыми отходами и породами отвалов. Требуется также полная переработка отвалов и подотвальных вод с учетом накопления в них ценных и редких элементов. Второе направление заключается в формировании нового ландшафта на основе имеющейся структуры существующего техногенного рельефа. Это включает формирование, например, ступенчато-ярусных склонов по отвалам с высадкой лесных культур и трав.
Заключение. Использование комплексных данных - данных дистанционного зондирования, георадарного профилирования и геохимического анализа грунтов и техногенных
вод - позволяет выявить особенности формирования ярусной структуры карьерно-отвальных комплексов техногеосистем, образовавшихся в результате горнодобывающей деятельности. Особенности техногеосистем медноколчеданных месторождений проявляются через ряд характерных черт. Характерные особенности техногеных геосистем: резкое снижение разведанных запасов руд цветных металлов при сокращении геологоразведочных работ; наличие крупных по объемам отвалов (более 300 млн м3) с извлеченными на поверхность, измельченными и доступными для выщелачивания «бедными» рудами и вскрышными грунтами; возможность извлекать не только цветные, но и редкие металлы, что существенно повышает рентабельность переработки отвалов; отсутствие информации о запасах всего спектра ценных элементов в отвалах и технологического ряда их извлечения; крупные участки территории, занятой отвалами и, карьерными озерами и шламохранилищами, на ценных пригородных землях, в т.ч. принадлежащим муниципалитетам городских округов; крайне отрицательное воздействие техногеосистем отвалов и карьеров на экологическое состояние городских территорий.
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».
Список литературы
1. Sokolov D.A., Androkhanov V.A., Abakumov E.V. Soil formation in technogenic landscapes: trends, results, and representation in the current classifications (Review) // Tomsk State University Journal of Biology. 2021. No. 56. P. 6-32. DOI: 10.17223/19988591/56/1.
2. Прокин В.А., Серавкин И.Б., Буслаев Ф.П. [и др.]. Медноколчеданные месторождения Урала: Условия формирования. Екатеринбург: Уральское отделение РАН, 1992. 308 с.
3. Соколов Д.А., Гуркова Е.А., Соколова Н.А. Литогенный потенциал почвообразования в техногенных ландшафтах угледобывающих месторождений Сибири // Экология и промышленность России. 2022. Т. 26. № 11. С. 48-54. DOI: 10.18412/1816-0395-2022-11-48-54.
4. Ivakina E.V. Formation of habitats in technogenic landscapes // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2022. Vol. 1045. No. 1. P. 012133. DOI: 10.1088/1755-1315/1045/1/012133.
5. Опекунов А.Ю., Опекунова М.Г., Сомов В.В. [и др.]. Влияние разработки Сибайского месторождения (Южный Урал) на трансформацию потока металлов в подчиненных ландшафтах // Вестник Московского университета. Серия 5: География. 2018. № 1. С. 14-24.
6. Макаров А.Б. Техногенно-минеральные месторождения Урала: специальность 25.00.11 «Геология, поиски и разведка твердых полезных ископаемых, минерагения»: Автореф. дис. ... д-ра геол.-минерал. наук / Макаров Анатолий Борисович. Екатеринбург, 2007. 41 с.
7. Потравный И.М., Новоселов А.Л., Новоселова И.Ю. Оптимизация использования ресурсов техногенных месторождений с учетом факторов неопределенности // Экономика региона. 2017. Т. 13. № 4. С. 1280-1290. DOI: 10.17059/2017-4-24.
8. Gordin I.V., Ryumina E.V. The ecological and economic achievements in landscape optimization of technogenic reliefs // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science: 2. Evolution of Biosphere and Technogenesis (2nd EBT 2021). 2022. Vol. 962. P. 012013. DOI: 10.1088/1755-1315/962/1/012013.
