Вещественно-минералогический состав руд месторождения Купол как индикатор потенциального загрязнения окружающей среды токсичными металлами

Кемкина Раиса Анатольевна; Кемкин Игорь Владимирович; Гарбузов Сергей Петрович

биоты, что позволит сохранить морские богатства и без особого природного ущерба использовать их в экономических целях.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. За три года объемы браконьерского промысла в дальневосточных морях выросли почти в пять раз / Российское агентство международной информации РИА Новости [Электронный ресурс]. URL: http://dv.ria.ru/economy/20070124/81530055.html (дата обращения 15.03.2012)

2. Материалы внутривузовской студенческой научной конференции. Ульяновск: ГСХА, 2010. Т. 3.160 с.

3. Оценка ущерба от незаконного промысла водных биоресурсов в Дальневосточном рыбопромысловом бассейне. Экономические меры противодействия браконьерству. Ч. 1. Камчатский краб - 2005 (путинный прогноз). Владивосток: ТИНРО-Центр, 2005.

4. Стратегия сохранения биологического разнообразия морей Дальнего Востока России в период с 2000 по 2005 г. / Всемирный фонд дикой природы, Российское представительство. URL: www.npacific.ru/np/programm/proon/start.htm (дата обращения 25.05.2012).

X

УДК 549+553.41

Р.А. Кемкина, И.В. Кемкин, С.П. Гарбузов

КЕМКИНА Раиса Анатольевна - кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры геологии, геофизики и геоэкологии Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: rkemkina@yandex.ru, КЕМКИН Игорь Владимирович - доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры геологии и ГИС Школы естественных наук (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток), ГАРБУЗОВ Сергей Петрович - кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры геологии, геофизики и геоэкологии Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток).

Вещественно-минералогический состав руд месторождения Купол как индикатор потенциального загрязнения окружающей среды токсичными металлами

Минералого-геохимические исследования состава руд месторождения Купол выявили большое разнообразие рудных минералов, содержащих широкий спектр химических элементов, многие из которых токсичны. По данным рентгеноспектральных анализов минералов рассчитаны их кристаллохимические формулы и определены состав, количества и формы вхождения токсичных элементов в кристаллические структуры. Результаты физико-химического моделирования трансформации рудных минералов в условиях гипергенеза (во взаимодействии с природными окислителями) показали, что они растворяются, окисляются и частично образуют новые минеральные формы. Однако большая их часть переходит в раствор в виде различных ионных форм и с дренажными водами мигрирует в окружающую среду, обусловливая в ней высокие концентрации токсичных элементов.

Ключевые слова: минералы, месторождения, токсичные элементы, экологическая угроза.

Material-mineralogical composition of the Koupol deposit ores as an indicator of potential pollution of an environment by toxic metals. Raisa A. Kemkina, Sergei P. Garbuzov - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok), Igor V. Kemkin - School of Life Sciences (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

Mineralogical-geochemical research of the Koupol deposit ores have shown that they are represented by the large variety of ore minerals containing a wide spectrum of chemical elements, many of which are toxic. Based on the data of minerals X-ray spectrum microanalysis the cristalochemical formulas of them are designed and composition, quantities and forms of entry in the crystal structures of toxic elements are determined. The results of physicochemical modeling of transformation process of ore minerals under conditions of hypergenesis (in interaction with natural oxidizers) have shown that they are dissolved, oxidized and partially form f new mineral forms. However, their large part passes in a water solution as various ionic forms and with drainage waters migrates in an environment, causing in it high concentration of toxic elements. Key words: minerals, deposits, toxic elements, ecological threat.

Любые природные образования, в том числе и минералы, концентрация токсичных элементов в которых значительно превышает предельно-допустимые нормы, являются потенциальными источниками экологического загрязнения окружающей среды. Очевидно, что степень воздействия токсичных элементов на биосферу находится в прямой зависимости от их концентрации в воде, воздухе, почве и пище, а концентрация, в свою очередь, - от скорости мобилизации этих элементов (т.е. их подвижности). Скорость мобилизации химических элементов определяется как физической и химической устойчивостью содержащих их минеральных фаз, так и их формой. В этой связи данные по вещественно-минералогическому составу первичных руд могут служить прямым индикатором качественного состава токсикантов, загрязняющих окружающую среду.

Месторождение Купол расположено в Анадырском районе Чукотского автономного округа в пределах северного фланга Мечкеревской вулканотектонической депрессии, приуроченной к верхнемеловым вулканитам среднего состава, прорванным небольшими интрузиями, субвулканическими телами и дайками габбро, диоритов, диоритовых порфиритов, андезитов, базальтов, дацитов и риолитов. Рудные тела представлены малосульфидными кварцевыми и адуляр-кварцевыми жилами и зонами прожилкования, которые образуют прожилково-жильную зону субмеридионального простирания.

На основе комплексных исследований установлено, что руды месторождения Купол представлены четырьмя типами, а именно: пирит-адуляр-кварцевым, золото-пирит-адуляр-кварцевым, золото-полисульфид -но-адуляр-кварцевым и гипергенным акантит-ярозитовым (вторичного обогащения). Эти типы отличаются друг от друга минеральным составом, количеством минералов и их взаимоотношениями. В составе пирит-адуляр-кварцевого типа основным рудным минералом является крупнозернистый катаклазированный пирит. Среди основных рудных минералов золото-пирит-адуляр-кварцевого типа выделяются пирит, арсе-нопирит, блеклые руды (теннантит), сфалерит, халькопирит, галенит, золото самородное, акантит. Данные минерального состава этого типа руд показывают, что формировавшие его рудогенерирующие растворы были обогащены такими токсичными элементами, как мышьяк, цинк и медь, в меньшей мере селеном. Основной продуктивный золото-полисульфидно-адуляр-кварцевый тип представлен пиритом, сфалеритом, халькопиритом, электрумом, пирсеитом, стефанитом, фрейбергитом, тетраэдритом, науманнитом, агвила-ритом, пруститом, пираргиритом, акантитом, галенитом, самородным золотом, петровскаитом, ютенбогаар-дитом. В противоположность растворам предыдущего типа рудогенерирующие растворы этого типа были обогащены токсичными элементами мышьяком, сурьмой, селеном, медью. Акантит, халькозин, ковеллин, ярозит, полибазит, золото самородное, гидроокислы железа характерны для гипергенного акантит-ярозито-вого типа. Для руд месторождения характерны преимущественно колломорфно-полосчатые, кокардовые и каркасно-пластинчатые текстуры. Среди структур развиты зернистые и структуры замещения. Редко встречаются метаколлоидные структуры и структуры распада твердого раствора. Таким образом, в промышленном отношении ценный компонент (золото и серебро) находится в тесном срастании со многими рудными минералами, а следовательно, в процессе обогащения вся совокупность этих минералов попадет в хвос-тохранилища и горнотехнические отвалы.

На основе проведенных исследований был выявлен вещественный состав рудных минералов, что позволило, с одной стороны, уточнить их минеральный состав, а с другой - определить состав, количество и формы вхождения токсичных элементов (см. таблицу). Данные рентгеноспектрального микроанализа показывают, что токсичными элементами руд месторождения Купол являются Cu, Pb, Cd, Zn, Fe, Sb, As, Te, Bi, Se и Hg, которые относятся к классам 1 и 2 опасности согласно ГОСТ-85.

В целях качественной и относительной количественной оценки вероятного экологического загрязнения площади района месторождения было выполнено моделирование физико-химических процессов минерального преобразования для рудных минералов, которые после извлечения ценных компонентов будут складированы на поверхности в виде отвалов и хвостохранилищ. Моделирование выполнено с помощью программного продукта «Селектор-Windows» (адаптированная для операционных систем Windows версия продукта «Селектор-С», разработчики И.К. Карпов, К.В. Чудненко, В.А. Бычинский). При моделировании процессов гипергенного преобразования руд месторождения были рассмотрены два варианта задач - поведение отдельного минерала во взаимодействии с природными водами, а также их совокупности, с целью определения потенциальной токсической опасности конкретного минерала и, соответственно, их естественной ассоциации. При этом в каждом варианте были смоделированы по две системы - приповерхностная, включающая природную воду, приведенную в равновесие с атмосферой + минерал (группа минералов), и более глубинная, состоящая из просачивающегося из первой системы раствора, обедненного растворенным кислородом, но обогащенного различными ионами + минерал (группа минералов). Для всех моделей были выбраны единые термо-барометрические условия - Т = 25 С и Р = 1 атм.

Состав и формы вхождения экологически опасных элементов в руды месторождения

Элементы Форма

Собственная минеральная Изоморфная и микропримесная

Л8 Арсенопирит, биллингслеит, пирсеит, прустит, теннантит Агвиларит, акантит, пираргирит, пирит, полибазит, Au-Ag, стефанит, штернбергит

РЬ Галенит Блеклые руды, акантит, стефанит, пираргирит, Au-Ag

Са - Сфалерит

ы - Акантит, стефанит, Au-Ag, пираргирит

Те - Науманнит, ютенбогаардит, акантит, пирсеит, стефанит, Лu-Лg

Си Блеклые руды, халькопирит, штромейрит Стефанит, агвиларит, акантит, арсенопирит, биллингслеит, галенит, науманнит, петровскаит, пираргирит, пирит, пирсеит, полибазит, Au-Ag, фишессерит, сфалерит, штернбергит, ютенбогаардит

Ее Арсенопирит, халькопирит, штернбергит Агвиларит, акантит, галенит, науманнит, петровскаит, пираргирит, пирсе-ит, полибазит, Au-Ag, фишессерит, сфалерит, блеклые руды, штромейрит, ютенбогаардит, стефанит

Бе Агвиларит, науманнит, стефанит, тетраэдрит, фишессерит Акантит, арсенопирит, биллингслеит, галенит, пираргирит, пирсеит, прустит, Au-Ag, халькопирит, штернбергит, штроймерит, ютенбогаардит

7п Сфалерит Блеклые руды (теннантит, тетраэдрит, фрейбергит), халькопирит, стефанит, пираргирит, Au-Ag, акантит

БЬ Пираргирит, полибазит, стефанит, тетраэдрит Агвиларит, акантит, арсенопирит, биллингслеит, науманнит, пирсеит, прустит, Au-Ag, халькопирит, штернбергит, ютенбогаардит

Н? - Акантит, стефанит, пираргирит, Au-Ag

Результаты моделирования показывают, что в обоих вариантах наибольшую экологическую опасность представляет приповерхностная система, в которой в результате окисления и растворения в водный раствор поступает наибольшее количество токсичных металлов. Так, при растворении 1,32 г кадмийсодержащего сфалерита (2п101Ре0 03Си0 02Са0 02Б0 92) в 100 л воды данный минерал полностью растворяется с образованием 0,6128 г новых минеральных фаз, представленных сульфатами - корнелитом Ре2(Б04)(Н20)7, антлери-том Си3Б04(0Н)4, брошанитом Си4Б04(0Н)6, халькантитом СиБ04(Н20)5, бианкитом ¿пБ04(Н20)6, гослари-том 2пБ04(Н20)7 и гуннингитом 2пБ04(Н20). Другая его часть (примерно 50%) в виде ионов Са+2, СЮН+, Си0, Си0Н+, Бе(0Н)4-, 2п0+, 2п0Н+, НБ04-, Б04-2 переходит в раствор, рН которого снижается до 1,1611 за счет высокой концентрации анионов серной кислоты (9,5762 мг/кг Н20 или мг/л воды). Количество ионов кадмия, меди и цинка в образовавшемся растворе составит соответственно 0,295, 0,123 и 9,364 мг/л воды. Взаимодействие 1 г галенита (РЬ0 87Си0 08Л§01080 898е0 06) с 100 л воды приводит к образованию 1,1077 г англезита (РЬБ04) и обогащению раствора катионами РЬ0Н+, РЬ0, Л§К03, Л§0Н, Си0, Си0Н+' и анионами НБ04-, Б04-2, НБе03-, НБе04-, Бе04-2, суммарная концентрация которых составит для катионов 1,144, а анионов - 0,514 мг/л воды. При этом рН раствора снижается до 5,0549. Наибольшее количество ионов в растворе представлено Л§К03 (0,726 мг/л воды) и Си0Н+' (0,275 мг/л воды). Аналогичным образом в условиях гипер-генеза ведут себя и другие сульфиды. В частности, при растворении 2,27 г пирита (Бе0 99Л80 02Б1 ) образуется новоминеральная фаза корнелит (3,111 г), а в раствор переходят ионы Бе0Н-4, Н2Л804-, Н^04+, НЛ804-2, Ш04, Б04-2. При этом их суммарная концентрация составит 27,829 мг/л воды, а рН - 1,161.

Таким образом, результаты компьютерного моделирования гипергенного преобразования наиболее распространенных рудных минералов месторождения показывают потенциальную экологическую опасность каждого из них. Однако степень токсического воздействия на окружающую среду возрастает, если окислению и растворению подвергается не отдельный минерал, а вся их естественная совокупность. Подтверждением этому могут служить данные моделирования одновременного процесса окисления всех рудных минералов месторождения и новообразованных минеральных фаз, взятых в количестве 647,599 г, в 100 л воды, уравновешенной с атмосферой. В результате такого взаимодействия 241,881 г исходной минеральной смеси преобразуется в новые минеральные фазы: корнелит (13,3003 г Ре2(Б04)(Н20)7), калиевые полевые шпаты (119,2533 г К(Л1Б13)08), мирабелит (31,9974 г Ка2Б04(Н20)10), монтмориллонит (70,3346 г), рутил (4,2445 г ТЮ2), сенармонтит (0,1335 г БЬ203). Оставшаяся часть переходит в раствор в виде различных ионов, суммарная концентрация которых составляет 100 476,3047 мг/л воды. В химическом отношении это: Л§К03, Л§0Н, Л1(0Н)2+, Л1(0Н)3, Л1Н2Л804+2, Л1Н3БЮ4+2, Л1НЛ804+, Л10Н+2, Л1Б04+, Са(ШЮ3)+, СаЛ804-, СаС03+, СаН2Л804+, СаНЛ804+, СаНС03+, Са0Н+, СаБ04+, Са+2, СЮН+, Си0, Си0Н+, СиЛ804-, СиН2Л804+, СиНЛ804+, Ре(ОН)4-, Н2Бе03+, Н3Л804+, НЛ804-, НБ04-, НБЬ02+, НБе03-, НБе04-, КЛ804-2, КН2Л804+, КНЛ804-, КНБ04+,

К0Н+, КБ04-, КаЛ1(0Н)4+, КаЛ804-2, №Н2Л804+, КаНЛ804-, №ШЮ3+, №0Н+, КаБ04-, РЬН2Л804+, РЬНЛ804+, РЬ0+, РЬ0Н+, Б04-2, БЬ(0Н)3+, БЬ02-, Бе04-2, Т1(0Н)4+, 2пЛ804-, 2пН2Л804+, 2пНЛ804+, 2п0+, 2п0Н+'.

Из них наибольшие содержания приходятся (в мг/л) на Л1+3 (176,01), Л§К03 (52,967), Си0Н+' (75,01), КН2Л804 (28,083), КБ04- (194,17) и 2п0Н+' (21,969). В несколько меньших количествах экологически опасные элементы содержатся в таких соединениях, как Cd+2 (0,45), СаН^04+ (3,24), НБЬ02 (2,025), БЬ(0Н)3 (1,973), РЬ0Н+ (0,523) и НБе04- (0,356). В соединениях 2п0Н количество 2п составляет порядка 80%, следовательно, в 1 л дренажных вод - 17,58 мг/л. В соединении Си0Н+' количество Си равно 78,75%, соответственно в 1 л вод - 59,07 мг/л, что превышает ПДК (Си+2 - 0,01 мг/л воды) в 5907 раз. Л8 в соединении КН2Л804 около 42%, что соответствует 11,76 мг/л - превышение ПДК в 235 раз. Аналогичным образом можно рассчитать содержание других вредных элементов в рудничных водах и превышение их содержания по сравнению с ПДК. Так, содержание (мг/л) Л§ в пересчете на Л§К03 составит 33,36 (превышение ПДК в 667 раз), БЬ в пересчете на НБЬ02 и БЬ(0Н)3 - 3,01 (в 60 раз), РЬ в пересчете на РЬ0Н - 0,5 (в 500 раз), Бе в пересчете на НБе04 - 0,22 (в 220 раз) и Cd (превышение в 90 раз). Концентрация Б04-2 по соединениям СаБ04, КНБ04, КБ04 и КаБ04 составит 136 мг/л, что понижает рН раствора до 1.2281.

Таким образом, невостребованная часть рудных минералов, подвергаясь окислению и растворению в зоне гипергенеза, окажет существенное влияние на экологию района.

X

УДК 622.81 Е.В. Коровицкая

КОРОВИЦКАЯ Елена Валерьевна - кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры безопасности в чрезвычайных ситуациях и защиты окружающей среды Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: lenchik29@mail.ru © Коровицкая Е.В., 2012

Последствия появления шахтных газов на поверхности после ликвидации угольных шахт юга Приморья

Показана опасность для жизнедеятельности людей выходов шахтных газов на поверхность. Выделены основные каналы их поступления на ликвидированных шахтах юга Приморья. Приведены меры безопасности, которые необходимо соблюдать жителям районов, где расположены угольные месторождения. Ключевые слова: экологические проблемы, угольные шахты, метан, углекислый газ, взрывоопасность, потепление климата.

The consequences of mine gases appearance on the surface after the elimination of coal mines in the South of Primorye. Elena V. Korovitskaya - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).

This paper describes the danger which the outputs of mine gases to the surface can cause to people's life. The basic channels of their emergence in the abandoned mines of Southern Primorye are marked out. The security measures which must be followed by the residents of areas with coal deposits are given here. Key words: environmental problems, coal mines, methane, carbon dioxide, explosibility, global warming.

Шахты оказывают негативное воздействие на окружающую среду как в процессе угледобычи, так и после ее прекращения. Экологическим проблемам, возникающим при закрытии шахт юга Приморья, стали уделять внимание только в последние 10 лет. Исследования проводили сотрудники Тихоокеанского океанологического института ДВО РАН им. В.И. Ильичева, ОАО «Приморскуголь» и др. В 1993 г. была принята «Долговременная программа охраны природы и рационального использования природных ресурсов Приморского края до 2005 года». В 1997 г. издана работа Т.Н. Елисафенко и В.И. Подоляна «Организация