Геохимия вод и осадков техногенных карьерных озер Салаирского рудного поля

Юркевич, Наталия Викторовна

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Геохимия вод и осадков техногенных карьерных озер Салаирского рудного поля
ВАК РФ 25.00.09, Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Геохимия вод и осадков техногенных карьерных озер Салаирского рудного поля"

На правах рукописи

ЮРКЕВИЧ Наталия Викторовна

ГЕОХИМИЯ ВОД И ОСАДКОВ ТЕХНОГЕННЫХ КАРЬЕРНЫХ ОЗЕР САЛАИРСКОГО РУДНОГО ПОЛЯ

25.00.09 - геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Новосибирск 2009

003481934

Работа выполнена в Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения Российской Академии наук

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических

наук, профессор,

Бортникова Светлана Борисовна

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических

наук, профессор,

Аношин Геннадий Никитович

доктор геолого-минералогических наук, профессор, Рихванов Леонид Петрович

Ведущая организация:

Институт геохимии им. А.П.Виноградова СО РАН

Защита диссертации состоится 17 ноября 2009 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 003.067.02 при Институте геологии и минералогии им. B.C. Соболева СО РАН по адресу: пр-т ак. В.А. Коптюга, 3, г. Новосибирск, 630090

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГМ СО РАН Автореферат разослан 12 октября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук

О.Л. Гаськова

Введение

Актуальность работы продиктована необходимостью выявления геохимического состава техногенных озер, образованных затоплением карьеров открытой разработки полиметаллических месторождений и производственных отстойников и характеризующихся повышенными содержаниями токсичных элементов в воде и донных осадках.

Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами и другими токсикантами вследствие их миграции из хранилищ отходов горнорудного производства исследуется с 70-х годов XX в. в работах R. Borman, D. Watson (1976), R. Blair (1980), R. Smith (1980). Выявление геохимического состава техногенных озер — сравнительно молодое направление, развиваемое в США, Канаде, Германии, Франции, Швеции исследователями J. Castro (2000), R. Tempel (2000), L. Shevenell (2000), А. Davis, 2003; M. Ramstedt (2003); L. Balistrieri (2006) на примере многочисленных карьерных озер. Техногенные объекты, в частности гидроотвалы и отстойники, в нашей стране описаны в работах Б.В. Чеснокова, А.Ф. Бушмакина (1995), В.Н. Удачина, В.В. Ершова (1996), П.В. Елпатьевского (1993), A.M. Плюснина и В.И. Гунина (2001), С.Б. Бортниковой и O.JI Гаськовой (2003, 2006). Остаются малоизученными особенности геохимического состава воды и донных отложений техногенных озер, подвижность элементов при переходе из осадков в раствор и формы их нахождения, токсичность среды водоемов по отношению к обитающим в них гидробионтам, способы ремедиации данных объектов.

Целью работы является установление геохимического состава техногенных озер и оценка их влияния на окружающую среду (на примере затопленных карьеров и пруда-отстойника в Кемеровской и Оренбургской областях).

Основные задачи исследования, решаемые для достижения поставленной цели, представляют собой основные этапы работы, позволяющие получить адекватную картину состава техногенных озер.

1. Определить химическийсостав воды и донных осадков озер.

2. Выявить формы нахождения химических элементов в растворе и сосуществующей твердой фазе.

3. Определить подвижность и уровень концентраций токсичных элементов в воде техногенных озер в зависимости от способа формирования, возраста водоема и сложившейся в нем физико-химической обстановки.

4. Определить токсичности среды техногенных озер на основе выявления структуры и морфологических особенностей фито- и зоопланктонных ценозов, обитающих в исследуемых водоемах.

5. Построить модель формирования и дать прогноз развития техногенных озер различных генетических типов (затопленный карьер и пруд-отстойник).

Фактический материал. В основу диссертационной работы положены результаты анализов 70 водных проб, 60 проб донных осадков, 40 проб зоо- и фитопланктонного материала, в общей сложности около 4000 элементоопределений, что является достаточным для статистической и геохимической оценки.

Методы исследований включают в себя сбор фактического материала (вода, донные осадки, фито- и зоопланктон), анализ образцов на общий химический (потенциометрические и титриметрические методы), элементный (ИСП-АЭС, РФА, РФА-СИ) и минеральный состав (РСТА, электронно-сканирующая микроскопия), расчет химических форм нахождения элементов в растворе и донных осадках, выявление структур зоо- и фитопланктонных ценозов, геофизические методы вертикального электрического зондирования для оконтуривания объема техногенной системы, численное и лабораторное моделирование взаимодействий сульфидные руды - вода - дренажный поток - геохимический барьер.

Научная новизна работы. Проведенные исследования позволили получить новые знания об особенностях поведения химических элементов в техногенных озерах.

1. Впервые установлены механизмы формирования состава воды и донных осадков техногенных озер. Определен не только валовый, но и детальный состав (на уровне химических форм) компонентов водоемов. Показано снижение концентраций металлов в воде с течением времени, и в то же время - увеличение их содержаний в донных осадках за счет формирования легкоподвижных соединений.

2. Обоснована токсичность техногенных озер вследствие высоких концентраций элементов 1-го и 2-го класса опасности в воде, что проявлено в изменении структуры сообществ гидробионтов и морфологических нарушениях особей.

3. Впервые аргументирована возможность оценки подобных объектов (на примере Беловского пруда-отстойника) как техногенных месторождений, в которых полезные компоненты (Хп, Си, Ag) находятся в высоких концентрациях (существенно превышающих таковые в современных разрабатываемых рудах) и в легкоизвлекаемых формах (в водном растворе и в виде сульфатов). Их добыча могла бы существенно минимизировать стоимость работы по устранению экологического ущерба территории в зоне влияния отстойника.

Защищаемые положения.

1. Максимальные концентрации элементов (Си, Та, Мп, Ре, Сс1, РЬ, N1, Со) в воде карьерных озер Салаирского рудного поля характерны для озер в начале их образования (в возрасте до 50 лет). Аномалии в микроэлементном составе в несколько раз более выражены, чем в основном ионном составе. С течением времени соединения элементов осаждаются, максимальные их концентрации в донных осадках достигаются в старших озерах с возрастом около 70 лет.

2. На примере карьерного озера Блява показана стратификация состава воды по глубине. На уровне 4 - 8 м резко снижается концентрация растворенного кислорода и окислительно-восстановительный потенциал ЕЬ по сравнению с приповерхностным уровнем, а концентрации большинства элементов в растворе возрастают, хотя значения рН стабильны по всей глубине. Наибольший скачок концентраций характерен для редокс чувствительных Ре, Аэ, Сг. Градиент концентраций химических элементов связан с изменением условий сорбции на органических взвесях.

3. Кларки концентраций элементов в донных осадках возрастают со снижением их распространенности. Донные осадки карьерных озер в сравнении с рудой обеднены Ре, Ъл, Си, РЬ, Ва и обогащены примесными элементами Сё, БЬ, Ag. Наибольшей подвижностью в кислой и слабокислой средах (рН=3-5) обладают Сс1, Тп, Си, Мп, Са, Основные химические формы - сульфатные комплексы и акватированные ионы. С повышением значений рН растворов подвижность и концентрации микроэлементов снижаются, макроэлементов Са, Mg - остаются на прежнем уровне. В распределении химических форм элементов возрастает значение гидрокарбонатных, карбонатных и гидроксидных комплексов.

4. Среда рассматриваемых техногенных озер токсична для роста и развития биоты, что проявлено в изменении структур зоо- и фитопланктонных ценозов и морфологических отклонениях особей от нормы. Токсичные растворы достигают горизонтов грунтовых вод, тем самым увеличивая опасность для окружающей среды. На примере Беловского пруда-отстойника показано формирование техногенного месторождения, разработка которого может снизить затраты на рекультивацию территории.

администраций по ограничению доступа населения на территории водоемов. Подсчет запасов ценных компонентов в отстойнике Беловского цинкового завода обосновывает целесообразность их повторного извлечения.

Личный вклад автора заключается в отборе проб, проведении полевых и части лабораторных измерений, расчете форм нахождения элементов в системе раствор - твердая фаза, постановке лабораторных и численных экспериментов по моделированию геохимических барьеров, интерпретации полученной информации.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на международных конференциях «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2002, 2003, 2004, 2005), «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2005), на II Сибирской конференции молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2006), Молодежной школе-конференции по геоэкологии (Санкт-Петербург, 2006, 2007), Всероссийской научно-практической конференции (Екатеринбург, 2006), Всероссийской конференции аспирантов и студентов «Рациональное природопользование» (Ярославль,

2006), Международной геохимической конференции Goldschmidt (Кёльн,

2007), Международной конференции и школе молодых ученых Cites (Томск, 2007), Международной научной конференции «Топорковские чтения» (Рудный, 2008). Автор участвовала в выполнении грантов РФФИ (04-05-64076, 08-05-00688), является автором проекта в рамках ведомственной научной программы Министерства образования и науки РФ (№ 8261), руководила молодежным проектом, поддержанным Мэрией г. Новосибирска.

По теме диссертации опубликовано 4 статьи в рецензируемых журналах, включенных в перечень ВАК, и 20 тезисов докладов.

Структура работы. Диссертация состоит из Введения, 5 глав и Заключения. Объем работы составляет 194 страницы, включая 39 таблиц и 63 рисунка. Список литературы состоит из 113 наименований.

Благодарности. Автор искренне благодарит своего научного руководителя д.г.-м.н., профессора С.Б. Бортникову за внимание и помощь при проведении исследований. За конструктивную критику и ценные рекомендации автор признателен академику РАН А.Э. Конторовичу, чл.-корр. РАН В.А. Берниковскому, д.г.-м.н. O.JI. Гаськовой, д.г.-м.н. Г.Н. Аношину, д.г.-м.н. Э.В. Сокол, д.г.-м.н. А.Е. Берниковской. Проведение экспедиционных работ не было бы возможным без руководителей полевых отрядов к.г.-м.н. Е.П. Бессоновой, к.г.-м.н. А.Я. Шевко и его участников: О.П. Саевой, A.B. Еделева, Т.В. Корнеевой, H.A. Присекиной. Опробование и анализ состава карьерного

озера Блява проведены в сотрудничестве с коллективом лаборатории ИМ УрО РАН под руководством к.г.-м.н. В.Н. Удачина. Благодарю к.г.-м.н. Е. П. Бессонову за помощь при решении задач термодинамического моделирования. Автор признателен преподавателям геологического факультета МГУ к.г.-м.н. С.А. Лапицкому и к.г.-м.н. Ю.В. Алехину, а также М. Фроликовой за помощь при моделировании геохимических барьеров. Геофизическое исследование техногенных систем было осуществлено коллективом лаборатории электромагнитных полей ИНГГ СО РАН и лично Ю.А. Манштейном. Анализ фито- и зоопланктонных сообществ проведен сотрудниками ИВЭП и ЦСБС СО РАН, к.б.н. Н.И. Ермолаевой и к.б.н. P.E. Романовым. За помощь при подготовке и анализе проб автор благодарит Р.Д. Мельникову, Ю.П. Колмогорова, В.Н. Шепелину, Л.Б. Трофимову, Н.В. Андросову, Т.В. Королеву. Финансовая поддержка оказана РФФИ (проекты № 04-05-64076, 08-05-00688).

Глава 1. Общая характеристика и особенности геохимического состава техногенных озер в районах горнорудного производства.

В первом разделе главы рассматриваются общие вопросы преобразования вещества сульфидных отходов, формирования кислых дренажных потоков, увеличения подвижности химических элементов и образования зон геохимических аномалий в районах хвостохранилищ. Приводятся примеры геохимического состава карьерных озер и отстойников, описываются их характерные черты. Во 2-ом и 3-ем разделах отражены характерные свойства химических элементов, входящих в состав воды и донных осадков техногенных озер.

Глава 2. Характеристика объектов исследования.

Объекты исследования были выбраны так, чтобы охватить озера различных генетических типов (затопленные карьеры, пруд-отстойник), возрастов (15-70 лет), кислотности среды (pH 3.0-7.5) и глубины (1.5 -42 м). Кемеровская и Оренбургская области, где располагаются исследуемые озера, характеризуются высоким уровнем промышленного развития и неблагополучной экологической обстановкой, особенно в районах, где сосредоточены предприятия черной и цветной металлургии. Обзор проведенных исследований техногенных озер рассматриваемых типов в России, и в частности, на территории Кемеровской (г.г. Салаир, Белово) и Оренбургской областей (г. Медногорск), показывает, что они характеризуются недостаточной изученностью геохимического состава, а также форм нахождения элементов в растворе и подвижности при переходе из донных осадков. Нет данных по оценке экологического состояния техногенных озер, используемых местным населением и представляющих опасность для окружающей среды.

Карьерные озера Салаирского рудного поля (г. Салаир, Кемеровская область) образованы затоплением карьеров открытой разработки барит-полиметаллических месторождений. Основные сульфидные минералы представлены пиритом, сфалеритом, галенитом, халькопиритом и блеклой рудой. Рассматриваются Новосалаирские озера на севере рудного поля, Главные - в центре и Харитоновские - в южной части рудного поля. Новосалаирские Северное и Южное карьерные озера возникли при затоплении карьеров месторождения Третий рудник. Их возраст 30-40 лет, глубина около 4 м. Главные озера (возраст ~ 50 лет) образовались при разработке месторождения Второй рудник. Группа Харитоновских озер возникла более 70 лет назад после извлечения сульфидно-(5аритовых рудных тел с высоким содержанием пирита и блеклых руд на месторождении Александровское.

Карьерное озеро Блява (г. Медногорск, Оренбургская область) образовано затоплением карьера открытой разработки Блявинского медноколчеданного месторождения. С 1954 по 1971 год здесь извлекались рудные тела сульфидно-кварц-серицитового состава. На сегодняшний день глубина карьерного озера составляет 42 м.

Беловский пруд-отстойник (г. Белово, Кемеровская область) собирает дренажные воды, вытекающие из-под отвалов Беловского цинкового завода (БЦЗ). Отвальным продуктом производства является клинкер -сыпучий крупно-среднезернистый материал, содержащий значительное количество меди (до 3%) и цинка (1.5 %). Вдоль подножия отвалов протягивается канава, собирающая дренажные растворы. Дренажный ручей впадает в расположенный рядом пруд-отстойник. Глубина пруда достигает 7 м, возраст - около 15 лет.

Глава 3. Методология исследований.

Третья глава освещает методологию исследований (рис. 1),

Получение фактического материала

полевое опробование 70 водных проб, 60 проб донных осадков,

40 проб зоо- и фитопланктона полевые измерения потешшометрня, частотное и вертикальное электрическое зондирование лабораторные анализы ИСП-АЭС, титриметрия, турбндиметрия, РФА, РФА-СН, РС ГА, электронная микроскопия, анализ структуры сообществ гидробионтов

1 1

Лабораторные эксперименты для выяснения механизмов выщелачивания элементов из техногенного вещества и осаждения на геохимических барьерах Численное моделирование

процессов преобразования техногенной системы для прогноза ее развития методом проточных резервуаров на ПК СЕЛЕКТОР.

Рис. 1. Схема методов исследования.

включающую полевое опробование воды и донных осадков озер, методы определения элементного (Са, К, А1, 81, Мп, Ее, Си, Ъа, С«3, N1, Со, РЬ, Аэ, БЬ), анионного (СГ, НС03", БО/") и минерального составов образцов, термодинамический расчет форм нахождения элементов в растворе, геофизические методы для оконтуривания техногенного тела, методы определения морфологических особенностей, подсчета численности и биомассы гидробионтов - обитателей техногенных водоемов, лабораторное и численное (с использованием ПК СЕЛЕКТОР, Карпов И.К.) моделирование взаимодействий сульфидные руды - вода -дренажный поток - геохимический барьер.

Глава 4. Геохимический состав воды и донных осадков техногенных озер, оценка экологического риска водоемов.

Приводятся данные по физико-химическим условиям, основному ионному, элементному составу воды, распределению химических форм нахождения элементов в растворе и сосуществующей твердой фазе, составу донных осадков изучаемых озер.

4.1. Геохимический состав Салаирских карьерных озер.

Воды озер Салаирского рудного поля близки по составу, характеризуются кислыми, слабокислыми и нейтральными значениями рН, окислительной обстановкой (+0.5+0.7 В) и общей минерализацией от 0.5 до 7 г/л. По классификации Алекина (1970) воды относятся к сульфатному классу, магний-кальциевому типу:

804100 Новосалаирские Северное и Южное

са63Мё35 р/Ш карьерные озера (СКО, ЮКО),

80.90 НСО,9 Харитоновское карьерное озеро (ХКО),

М0, —--— рН 4.5

05 Са 54 Мб39

80,100 Главное карьерное озеро-1 (ГКО-1),

М1(1---рН 2.8

70 Са 62Мё37

80,92 НСО, 7 Главное карьерное озеро-2 (ГКО-2).

Мг, —5-— рН1.5

25 Са76Мё21

Концентрации практически всех элементов в воде превышают фоновые значения, аномалии в микроэлементном составе в несколько раз более выражены, чем в макрокомпонентном (см. вкл. рис. 2). Обращает на себя внимание высокий уровень содержаний Сё, N1, Со - элементов 2-го класса опасности. Суммарные концентрации микроэлементов в воде варьируют от 3 до 300 мг/л, достигая максимальных значений в кислых озерах (Главное-1, Северное, Южное, рН 2.5-3.5, см. вкл. рис. 3), минимальных - в нейтральной обстановке (Главное-2, рН 7.5). Интересен тот факт, что в двух соседних водоемах, расположенных в одном карьере,

наблюдаются две кардинально противоположные обстановки: кислая с высокой минерализацией и повышенным содержанием микроэлементов (ГКО-1) и нейтральная с меньшими концентрациями элементов в растворе (ГКО-2) (см. вкл. рис. 3).

В донных осадках карьерных озер содержится широкий спектр элементов в концентрациях, значительно превышающих кларки в земной коре (Виноградов, 1962). Причем кларки концентраций (¡г¡г _ концентрация^ / т \ возрастают со снижением распространенности кларк,г/т

элементов. В руде наибольшие кларки концентраций характерны для типичных рудных элементов Хп, РЬ, Си. В донных осадках - для примесных Сс1, БЬ, А§ (см. вкл. рис. 4).

Тенденция изменения химического состава озер с возрастом сводится к повышению значений рН, снижению окислительно-восстановительного потенциала и концентраций 2п, Мп, Ре, Си, РЬ, Сс1, N1, Со в растворе (см. вкл. рис. 3, 5а). В донных осадках, напротив, концентрации большинства элементов с возрастом увеличиваются (см. вкл. рис. 56).

В зависимости от значений рН среды меняются формы нахождения элементов (Са, К, Ыа, А1, Мп, Ре, 2п, Си, РЬ, Сс1, Ва, N1) и подвижность при переходе из донных осадков в раствор. В кислых водах (рН 3) преобладают акватированные ионы и сульфатные комплексы. В слабокислой среде (рН 5) появляются гидрокарбонатные комплексы РЬ, Си, гп, Мп, Ре типа МеС03аф Ме(С03)22', МеНС03+. При рН 7.5 появляются гидрокарбонатные комплексы Са и Mg, карбонатные соединения Си, РЬ и преимущественная форма нахождения Ре -гидроксидные комплексы Ре(Ш). По соотношению концентрации элемента в донных осадках и в воде были посчитаны коэффициенты распределения Краспр = ^(Сд.о./Св.), где Сд.о. - концентрация элемента в донных осадках, Св. - концентрация в воде, и составлены соответствующие ряды в порядке возрастания подвижности: 1) при рН=3 Ва < = К = А1 < РЬ < Ре < Бг = № < № = Mg = Са = Си < Мп < Хп = Сё, 2) при рН=5 Ва < Ре < < А1 < РЬ < К = № = Бг = № = Mg = Мп = Си < Хп < С<1 < Са, 3) при рН=7.5 Ре < А1 < Ва < РЬ < К = N3 = Бг = № = Mg = Мп = Си < гп <Сс1 <Са.

Минеральные фазы элементов, по отношению к которым пересыщены растворы во всем диапазоне рН, представлены ярозитом, Иа-ярозитом, гипсом, баритом, англезитом, что подтверждено результатами термодинамического моделирования и электронной микроскопии. По расчетным данным вероятно также формирование 7п804хН20 и урбанита А10Н804. В нейтральной среде осаждаются 7пС03хН20, родохрозит МпСОз и ферригидрит Ре(ОН)3.

4.2. Геохимический состав карьерного озера Блява.

Вода карьерного озера Блява характеризуется кислой (рН 3) окислительной обстановкой и общей минерализацией от 5.8 г/л (у поверхности) до 20 г/л (в придонном слое), основу которой составляет сульфат-ион (5-17 г/л).

5 15

25 35

0 5 10 ' _______

, Концентрация О?, -

> Рис. 6. Изменение кон-

О центрации растворен-

ного кислорода и минерализации в воде карьерного озера Блява с глубиной.

45^ Глубина, м Глубина, м

Концентрация растворенного кислорода в приповерхностном слое -10 мг/л, в горизонте 4 - 8 м она снижается до 0.5 мг/л и незначительно падает с глубиной (рис. 6).

Класс воды сульфатный, тип меняется от Ca-Mg на глубинах 1 - 4 м до Fe-Al на 8-42 м. Концентрации всех элементов, за исключением Са, падают от поверхности до глубины 4 м, затем к 8 м возрастают в 2 - 40 раз и незначительно растут к придонному слою (см. вкл. рис. 7). Наибольшее изменение концентраций в горизонте 4 - 8 м характерно для редокс -чувствительных элементов As и Сг: их содержания увеличиваются в 40 и 8 раз соответственно. Такое изменение химического состава воды с глубиной объясняется сорбцией соединений элементов на органических коллоидах, которые образуются в приповерхностном фотосинтетическом горизонте в окислительных аэробных условиях за счет скопления глинистых частиц, фито- и зоопланктона. К глубине 8 м солнечного света становится недостаточно для жизнедеятельности биоты, концентрация кислорода уменьшается, в меньшей степени образуются коллоидные и органоминеральные комплексы. Поэтому после отметки 8 м элементы преимущественно остаются в растворе, что особенно характерно для редокс-чувсительных Fe, As, Сг, формы которых с глубиной переходят из окисленных в восстановленные, в меньшей степени образующие органоминеральные соединения. Относительно стабильное снижение концентраций Са с глубиной (см. вкл. рис. 7) связано с уменьшением численности биоты от поверхности к придонному слою и, соответственно, омертвевших органических остатков - источников поступления Са в раствор. В придонном слое вода наиболее минерализована, что обусловлено переходом растворимых соединений элементов из донных отложений в раствор.

Основные формы нахождения элементов в кислых водах озера Блява -акватированные ионы и сульфатные комплексы. С глубиной доля сульфатных соединений в общем балансе растет, акваионов - падает. В распределении форм переменновалентных Ре и Аб с глубиной уменьшается доля соединений железа (III) типа Ре3+, Ре(804)2', РеБО/ и арсенат-иона Н2А504". В придонном горизонте основные формы железа в растворе Ре804а[| и Ре2+, соединения окисленного железа не обнаружены. Мышьяк в придонном слое находится в пяти- и трехвалентном виде в составе иона арсената Н2А504", мышьяковой Н3Аз04ач и ортомышьяковистой кислот НзАвОз.

4.3. Геохимический состав Белоеского пруда-отстойиика.

Вода пруд-отстойника принадлежит к кислым и слабокислым окислительным растворам сульфатного класса, техногенного Си^п типа:

М47 7-г-2-рН 5.05

(гп + Си) 5\NaЗlKl2Mg5

С 1999 до 2008 г.г. происходило существенное изменение в состоянии отвала (процессы горения в нем прекратились), температура дренажных потоков снизилась, несколько менялся их состав (см. вкл. рис. 8а, б). С течением времени пруд-отстойник увеличился по площади, появилась новая его часть с близнейтральными значениями рН (см. вкл. рис. 8а, Северный отстойник). В старой, Южной, части водоема воды остались слабокислыми (рН 4.5), содержания основных макрокатионов (М§2+, К+, Ш+), сульфат-ионов и металлов (Си, Ъп) значительно возросли, общая минерализация превысила 29 г/л (см. вкл. рис. 8а, 86). Важно, что в 2008 г. в растворе появились элементы 1-го и 2-го классов опасности (Аб, Ве, БЬ, В, Бе) в экстремально высоких концентрациях. Основной причиной резкого увеличения содержания элементов в растворе в феврале 2008 г. стало, очевидно, вымораживание и концентрирование их в воде подо льдом, что указывает на существование еще более серьезной опасности отравления связанных с болотом экосистем, чем это представлялось при анализе летних растворов.

Донные осадки в отстойнике представлены преимущественно гидрогенными вторичными сульфатами и карбонатами Си, Ъа, Ре, N1: гильдит СиРе3+(804)2(0Н), малахит Си2СОэ(ОН)2, азурит Си3(С03)2(0Н)2, ортосерпиерит Си3(804)2(0Н)2х2Н20, розазит (Си,гп)2(С03(0Н)2, бедантит РЬРе3(АБ04)(804)(0Н)6, хонессит №6Ре2(804)(0Н)16х4Н20. Осадки образуют стратифицированную взвесь: верхний сине-зеленый медистый слой и нижний желто-зеленый железистый горизонт. Медистые осадки содержат 27 % Си и концентрируют Ъп, N5, Сс1, Со, Бе (см. вкл. рис. 8в). Желто-зеленые осадки содержат до 19 % Ре, к ним тяготеют РЬ, Аэ, БЬ, Ag. Стратификация осадка и термодинамические расчеты

указывают на то, что сульфаты А1, РЬ и Са начинают выпадать из растворов раньше, чем сульфаты Си и Ъ\. Важно, что содержание всех элементов-примесей, которые характерны для полиметаллических руд (Аб, БЬ, Бе, Ag, Сс1, Бп, Со, N1), в гидрогенных осадках заметно превышают рудные концентрации, а большинство из них (за исключением А§, БЬ, №) и в растворах содержатся в более высоких количествах, чем в руде Салаирских месторождений.

При переходе из донных осадков в воду отстойника наиболее подвижны Ъп, Сс1, Ав - элементы 2-го и 1-го классов опасности, а относительно инертны в данных условиях - Бе, БЬ, РЬ, что согласуется с рядами, полученными для карьерных озер. Выщелачивание из клинкеров Си и Ъ\ идет практически пропорционально, в соответствии с их содержаниями в отходах (см. вкл. рис. 8в). Малоподвижные РЬ и Бе обнаруживают довольно инертное поведение при выщелачивании: по сравнению с содержаниями в клинкерах, их концентрация в растворах отстойника незначительны, что объясняется осаждением их соединений в процессе водной миграции.

По результатам вертикального электрического зондирования (Ю.А. Манштейн, ИНГГ СО РАН) был построен геоэлектрический разрез отстойника до глубины 14 м (см. вкл. рис. 9), на котором выделяются несколько зон с разными удельными сопротивлениями, каждая из которых соответствует определенной гидролого-геохимической ситуации. Выявлено, что в горизонте подземных вод удельное сопротивление растворов полностью соответствуют поверхностным

высокоминерализованным растворам, состав которых формируется при поступлении дренажа из-под отвала клинкеров. Можно утверждать, что идет распространение высокотоксичных компонентов в подземные воды.

Полученная картина позволила оконтурить техногенное тело, которое складывается из объема поверхностных высокоминерализованных растворов (электролита), донных осадков, горизонта грунтовых вод. Были посчитаны приблизительные запасы полезных компонентов (Си, Ъл и некоторых попутных), содержащихся в растворенном виде: ~ 40 т Ъа. и 60 т Си, а в гидрогенных образованиях донных осадков ~ 800 т Ъл и 8 тыс. т Си. Оценка запасов этого объекта может быть сделана в будущем, извлечение полезных компонентов могло бы существенно снизить стоимость работы по устранению экологического ущерба.

4.4. Оценка экологического риска техногенных озер.

Анализ химического состава воды техногенных озер позволил выявить четыре геохимические обстановки (см. вкл. рис. 10): 1) кислые озера с суммарной концентрацией микроэлементов в растворе от 100 до 2500 мг/л (карьерные озера (КО) Блява, Главное-1, Северное и Южное);

2) слабокислые озера с содержанием микроэлементов от 10 до 30 мг/л (Южный Беловский отстойник, Харитоновские КО); 3) нейтральное озеро с суммарными концентрациями элементов около 3 мг/л (КО Главное-2); 4) нейтральное озеро с суммарным содержанием «микроэлементов» более 8 г/л (Северный Беловский отстойник), где Си (4 г/л) и 2п (4 г/л) составляют основу катионного состава раствора и переходят в разряд макрокомпонентов.

Суммарные концентрации микроэлементов в 9 из 10 озер значительно превышают фоновые и предельно допустимые концентрации для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования (ПДК, ГН 2.1.5.1315-03), значения рН во всех озерах, кроме двух нейтральных, лежат в кислой и слабокислой области в отличие от фонового водоема с рН 6. По значениям окислительно-восстановительных потенциалов обстановка техногенных озер характеризуется как окислительная (от + 0.4+ 0.7 В). Несмотря на различные физико-

Концентрация/ПДК

10 103 102 10 1

ю-'

-в-

Рис. 11. Элементы 1,2 и 3 классов опасности в воде

Н ф * # ж г*

--г— техногенных озер,

□

Сапаирскпе карьерные озера ОХК0 »СКС) ♦ 10 КО

X Л * И х

П ° й о „ «ГКО-1 о ГКО-2

Ре А! Си гпМпСг сам РЬ Со и Яе Ав Ва В вЬ АяВе^

х Южный Белове- Карьерное

кий отстойник озеро Блява

Ж Северный Белове- и 1 СЭ 4 П7

кий отстойник ^ ^ ^ ^ ИЗ Об

3 класс опасности 2 класс опасности 1 класс опасности

химические условия, в воде каждого из техногенных озер обнаружены элементы 1-го, 2-го и 3-го классов опасности (рис. 11), концентрации которых в некоторых пробах превышают ПДК на 2-4 порядка. Причем в распределение форм элементов основной вклад вносят акватированные ионы и хорошо растворимые сульфатные комплексы.

Элементы 1 класса опасности, Аб и Ве, найдены в озерах с различными обстановками - в кислом Блявинском карьерном озере, слабокислой и нейтральной частях Беловского отстойника - в концентрациях, превышающих ПДК в 5 - 220 раз. Ко 2-му классу опасности относится целый спектр элементов, характерных для полиметаллических месторождений (Сё, №, РЬ, Со, Бе, БЬ). Важно отметить, что содержания токсичного элемента Сс1 во всех техногенных озерах с различными геохимическими условиями выше ПДК на 1-4 порядка.

Донные осадки техногенных озер накапливают широкий спектр металлов (Си, 2п, Сс1, РЬ, N1, Бп, Ре, Мп, Те) и металлоидов (Аб, БЬ) в концентрациях, значительно превышающих фоновые содержания. При смене физико-химических условий осадки становятся источником поступления элементов в раствор. Наибольшей подвижностью обладают элементы 2 и 1 классов опасности С<3 и Аэ.

Итак, техногенные озера отличаются, как правило, кислой окислительной обстановкой, высокими концентрациями токсичных элементов Си, Zn, Сс1, РЬ, Со, N1, Ав, БЬ, Ве в воде и донных осадках. Результаты геофизических методов анализа указывают на проникание высокоминерализованных растворов в грунтовые воды, что говорит о миграции токсикантов за пределы техногенной системы и загрязнении окружающей водной среды.

Анализ структуры фито- и зоопланктонных сообществ, обитающих в воде техногенных озер, проведенный сотрудниками ЦСБС СО РАН к.б.н. Р.Е. Романовым и ИВЭП СО РАН к.б.н. Н.И. Ермолаевой позволил оценить влияние геохимического состава на рост и развитие живых организмов в пределах рассматриваемых водоемов. Общая биомасса (0.36 мг/м3), численность (730 экз/м3) и видовое разнообразие зоопланктона (7 видов) в техногенном озере существенно ниже, чем в фоновом водоеме в том же сезоне (3-65 мг/м3, 200-3700 экз./м и 10-18 видов соответственно). Отличительной особенностью Беловского отстойника является преобладание в структуре зоопланктонного ценоза представителей отряда коловраток, а не веслоногих, как в фоновом водоеме, что объясняется меньшей устойчивостью веслоногих к действию токсичных элементов по сравнению с ветвистоусыми и коловратками. Помимо изменений в структуре сообщества, выявлены морфологические нарушения 90 % особей (см. вкл. рис. 12), тогда как в фоновом водоеме видоизмененных зоопланктеров не более 15 %. Очевидно, влияние высоких концентраций тяжелых металлов приводит к устойчивым мутациям, поскольку практически все особи того или иного вида трансформированы одинаково. Для фитопланктона техногенных озер характерно низкое видовое разнообразие (1-13 видов) по сравнению с фоновым водоемом в том же сезоне (67 видов). Интересен тот факт, что по биомассе фитопланктона (27 г/м3) Беловский отстойник соответствует высокоэвтрофному водоему согласно шкале И.С. Трифоновой (1990), хотя здесь присутствует только 1 вид фитопланктонных организмов (СЫогорЬуга). Можно предполагать, что массово развивающиеся виды оказываются вне конкуренции, что характерно для экстремальных по отношению к подавляющему большинству гидробионтов местообитаний.

Глава 5. Экспериментальное и численное моделирование взаимодействия кислого дренажного потока с карбонатным барьером.

Следующим этапом после оценки экологического состояния техногенных озер является разработка способов нейтрализации кислых высокоминерализованных растворов и осаждения токсичных элементов. В заключительной главе приводятся результаты лабораторного и термодинамического моделирования взаимодействий дренажный поток -карбонатный барьер.

Лабораторные эксперименты позволили смоделировать взаимодействие раствора солей Си, Zn, Сс1, РЬ, Ре и раствора, выщелоченного из вещества отходов Беловского цинкового завода (БЦЗ), с карбонатным барьером на основе природного известняка.

Для термодинамического моделирования процессов окисления сульфидных отходов и нейтрализации дренажных потоков применен метод проточных резервуаров, реализованный в программном комплексе СЕЛЕКТОР (Карпов, 1986). На основании результатов моделирования состава растворов и твердых фаз в каждом резервуаре сделаны выводы о причинах изменения физико-химических параметров в рассматриваемой системе «сульфидные отходы - природные воды - геохимический барьер -пруд-накопитель».

Показано, что в результате взаимодействия сульфидных отходов с природной водой образуется кислый сульфатный раствор с высокими концентрациями металлов, который нейтрализуется при попадании на карбонатный барьер, концентрации Ъп и Си снижаются на порядок, РЬ и Ре - на 2 и 4 порядка. И лабораторные, и численный эксперименты показывают, что поверхность известняка довольно быстро (уже при соотношении В:П = 2:1) покрывается сульфатами кальция и гидроксидами железа (III), что снижает эффективность карбонатного материала, но способствует образованию сорбционно - осадительного барьера, концентрирующего металлы. Взаимодействие кислых техногенных вод с известняком приводит к буферированию растворов до рН 5.5 и снижению концентраций металлов по сравнению с вытяжкой из отходов БЦЗ, что согласуется с фактическим геохимическим составом Беловского дренажа, контактирующего с карбонатными вмещающими породами. Вода в отстойнике по расчетным и фактическим данным имеет слабокислые значения рН, но концентрации Си, Хп, Сс1, РЬ по мере накопления стоков повышаются до уровня содержаний в дренажном потоке, что доказывает необходимость их доочистки даже на самой последней стадии.

Основные результаты и выводы

1. На примере карьерных озер Салаирского рудного поля показано, что наибольшие концентрации 7л\, Си, РЬ, Ре, Мп, Сс1, Со, N1 в воде

характерны для озер в начале их образования, с течением времени соединения элементов осаждаются, что приводит к их накоплению в донных осадках и снижению концентраций в растворе.

2. Вода карьерного озера (на примере оз. Блява) стратифицирована по глубине на эпи-, мета- и гиполимнионы. В пределах эпилимниона микроэлементы связаны с органоминеральными частицами взвеси, характерной для фотосинтетического слоя. К глубине 8 м фотосинтетический слой заканчивается, на что указывает резкое снижение концентраций растворенного кислорода, содержание взвеси в воде уменьшается, микроэлементы остаются в растворе, их концентрации не меняются вплоть до придонного слоя, где несколько увеличиваются за счет выщелачивания из донных осадков.

3. Наибольшей подвижностью при переходе из донных осадков карьерных озер в воду обладают элементы Сс1, 7л\ Си, Мп в кислых и слабокислых средах (рН 3-5), что обуславливает их высокие концентрации в растворе, основные химические формы - акватированные ионы и сульфатные комплексы. С повышением значений рН растворов подвижность и концентрации микроэлементов снижаются, в распределении форм возрастает значение гидрокарбонатных, карбонатных и гидроксидных комплексов.

4. Пруд-отстойник характеризуется наибольшими концентрациями химических элементов, в том числе 1 и 2 классов опасности (Ве, Аб, БЬ, В), в воде и донных осадках. Но динамика изменения геохимического состава водоема (повышение значений рН и снижение концентраций микроэлементов) свидетельствует о буферировании воды карбонатными минералами вмещающих почв с течением времени. На сегодняшний день среда пруда-отстойника и карьерных озер экстремальна для роста и развития биоты, что подтверждается изменением в структуре сообществ, морфологическими нарушениями и гибелью гидробионтов.

5. На основании результатов термодинамического моделирования состава растворов и твердых фаз в каждом резервуаре сделаны выводы о причинах изменения физико-химических параметров в рассматриваемой системе «сульфидные отходы - природные воды - геохимический барьер -пруд-накопитель». В частности, доказана необходимость доочистки стоков даже на самой последней стадии.

Список основных публикаций по теме диссертации:

Статьи

1. Бортникова С.Б., Бессонова Е.П., Максимова Н.В., Колмогоров Ю.П., Ожерельева* Н.В., Бессонов Д.Ю. Тяжелые металлы в районе складированных сульфидных отходов: распределение и пути консервации (Карабаш, Южный Урал) // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2005. -№9. - С.25-30.

2. Ожерельева* Н.В., Бортникова С.Б. Исследование взаимодействия воды с высокосульфидными отходами Карабашского медеплавильного комбината (Челябинская область) // Химия в интересах устойчивого развития. - 2006. - №4. -С. 403-412.

3. Юркевнч Н.В., Лапицкий С.А., Алехин Ю.В., Фроликова М.А. Моделирование взаимодействия дренажный поток - карбонатный барьер // Вест. отд. наук о Земле РАН. - 2006. - №1(24). - С. 1-3. - http: // www.scgis.ru/russian/cp 1251 /h dgggms/1 -2006/informbul-1 2006/geoecol-10.pdf.

4. Юркевнч H.B., Бортникова С.Б., Лапицкий C.A., Фроликова М.А., Колмогоров Ю.П., Саева О.П. Осаждение металлов, мышьяка и сурьмы из дренажного потока на карбонатном барьере по данным анализа РФА-СИ // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2008. - №11. - С.52-56.

Тезисы докладов

5. Ожерельева* Н.В. Оценка экологического состояния водоемов // Экология России и сопред. террит.: Тез. докл. Междунар. экологич. студенч. конф., 29-31 октября 2002. -Новосибирск, 2002. С. 42-43.

6. Ожерельева* Н.В. Ореолы тяжелых металлов в районе складированных сульфидных отходов (Южный Урал, Карабашский комбинат) // Экология России и сопред. террит: Тез. докл. Междунар. экологич. студ. конф., 28-30 октября 2003. - Новосибирск, 2003. С. 97-98.

7. Ожерельева*Н.В. Потенциальная опасность кислого дренажа и геохимические барьеры на пути распространения // Экология России и сопред. террит: Тез. докл. Междунар. экологич. студенч. конф., 29-31 октября 2004. - Новосибирск, 2004. С. 130-132.

8. Ожерельева* Н.В. Металлы в кислых дренажных потоках: распространение и иммобилизация (Южный Урал) // Школа экологич. геологии и рацион, недропольз.: Тез. докл. Межвуз. молод, науч. конф., 28 мая - 2 июня 2005. - Санкт - Петербург, 2005. С. 263-265.

9. Бортникова С.Б., Колмогоров Ю.П., Максимова Н.В., Бессонов Д.Ю, Ожерельева* Н.В. Тяжелые металлы в районе складированных сульфидных отходов: распределение и пути консервации (Карабаш, Южный Урал) // XV междунар. конф. по использ. синхр. излуч.: Тез. Междунар. конф., 5-9 июля 2004. - Новосибирск, 2004. С. 128-132.

10. Кузнецов А.Н., Ожерельева* Н.В. Влияние добавок ЕАП на поведение металлов-поллютантов в пресных водоемах // Экология России и сопред. террит.: Тез. докл. Междунар. экологич. студенч. конф., 29-31 октября 2004. - Новосибирск, 2004. С. 31-33.

11. Фроликова М.А., Ожерельева*Н.В. Моделирование осаждения металлов на карбонатном и глинистом барьерах // Школа экологич. геологии и рацион, недропольз.: Тез. докл. Межвуз. молод, науч. конф., 28 мая - 1 июня 2005. - Санкт - Петербург, 2005. С. 301-303.

12. Ожерельева* Н.В., Бортникова С.Б. Кислотопродуцирующий потенциал и подвижность металлов в отходах Беловского цинкового завода (Кемеровская область) // Экология Южной Сибири и сопред. террит.: Тез. докл. междунар. науч. конф., 21-25 ноября 2005. - Абакан, 2005. С. 96-97.

13. Юркевнч Н.В. Техногенные озера: генетические типы и эволюционное развитие // Школа экологич. геологии и рацион, недропольз.: Тез. докл. Межвуз. молод, науч. конф., 29 мая - 2 июня 2006. - Санкт-Петербург, 2006. С. 279-281.

Концентрация, мг/л ,3

Рис. 2. Концентрации элементов в воде карьерных озер

СКО-Северное, ЮКО-Южное, ХКО - Харитоновские, ГКО-I -Главное-1, ГКО-2 - Главное-2.

Са

А1

Zn Mn Pb

Сумма микроэлементов, мг/л

Eh = +0.7В

СКО. ЮКО

<► тонки опробования

Eh =+0.6+0.7В 30 - 40 лет

ХКО

«л.

Eh =+0.5+0.6В 70 лет

Eh =+0.5В 50 лет

ГКО-2

Т©

Рис. 3. Суммарные концентрации микроэлементов, значения pli и Eh в разновозрастных карьерных озерах Салаирского рудного поля.

рН

IOmp к и кон це итр ami il 104

)0J кг 10 1

— руда ^ СКО О ЮКО Д ГКО-1 Д ГКО-2 О ХКО

10'

,-1

$С>4 О

д ♦

о о

Si Гер Na Mg Ва Zn Си Sn Mo Ag

Al Са K. Mn Sr

Pb As Sb Cd

l'uc. 4. Кларки концентрации элементов в донных осадках карьерных озер Салаирского рудного поля.

Концентрация, мг/л Ю3

10 1

10-1

-♦-СКО (30 лет) о ¡ОКО (40 лет) -•-ХКО (70 лет)

7л Мп Ре Си РЬ С«! № Со

Концентрация, г/т

СКО (.30 лет)

Рис. 5. Концентрации микроэлементов в воде (а) н донных осадках (б) разновозрастных карьерных озер Саланрского рудного поля.

Ре 7л РЬ Си Л8 Сс1 вЬ Ае № Мо Яп

.Концентрация. '"""5 мг/л'

4 й

А О

Сг А

О А5

350

____о—

Т Концентрация Са, " мг/л

Рис. 7. Изменение концентраций элементов в воде карьерного озера Блява с глубиной.

Глубина, м

Глубнна, м

Концентрация сульфаг-иона, тЫ 30 т

c^i сульфаг-нон

95t

_ pH

20 ' 15 10 5

JIT.

.П

Южный

pH 7

Северный

октбрь июнь аштст нюнь февраль топь '99 '00 "Ой" '05 '08 '08

Длга опробования

Рис. 8. Изменение состава воды в Беловском пруду-отстойнике с 1999 по 2008 г.г (а, б) и перераспределение элементов в системе руда - концентрат - клинкер - осадки - раствор (в).

Концентрация, мг/л 10

пА

а Na

Южный

Северный

октябрь июнь август июнь февраль '99 "00 '00' '05 '08

Дата опробования

Концентрация, г/т

ю6 ю5

К)4 К)3

1СГ 10 1

ю-1

клинкер

медистые осадки

о раствор *

ш железистые осадки

концентра!' о

1-е Zn РЬ Си As Sb Ag N1 Cd Co Se Sn

Удельное сопротивление Ом м

|; :| 1 I I I

1.0 3.0 4.0 6.0 7.5 9.0 II 13 17 18 Рис. 9. Профиль вертикального электрического зондирования отстойника.

1 - горизонт поверхностных высокоминерализованных растворов, состав которых формируется при поступлении дренажа из-под отвала клинкеров;

2 - донные осадки, составленные водными сульфатами Си, 2п, Ее, N1 и других металлов с илами и растительной биомассой, поровые пространства заполнены растворами того же состава, что и поверхностный слой;

3 - горизонт грунтовых вод; по значениям удельного сопротивления растворов (полностью соответствующих поверхностному горизонту) можно утверждать, что идет распространение высокотоксичных компонентов в подземные воды;

4 - водоупорный горизонт, расположенный на глубине 6.5 - 10 м.

Сумма микроэлементов, мг/л \КО Блява

Северный Беловский отстойник

— ПОМ, сад.

\ 7 Южный Беловский

о отстойник

рпдк

ХКО ' °Фон

ГКО-2

рн

Рис. 10. Суммарные концентрации микроэлементов, значения рН в техногенных озерах, фоновом водоеме и нормы ПДК.

Ксгаи'На циа(1га<а

ШЛ1 ¡>к<:< \7 ■

Норма

И)

Проба

1№шша (оп^нчкИч'ч О.КМ,

Норма

Проба

Г ¡Шип 1оп«1$с(а

\ /

I , , Норма I ) Проба

КсгаиНя сосЫсап* сос1г1еаГ15

Норма

Проба

Рис. 12. Внешний вид зоопланктонных особей в Беловском пруду-отстойникс (проба) и варианты нормы.

14. Юрксвич II.B., Колмогоров Ю.П., Саева О.П., Фроликова М.А Осаждение металлов, мышьяка и сурьмы из кислого дренажного потока на карбонатном барьере (по данным РФА-СИ) // XVI междунар. конф. по использ. синхр. излуч.: Тез. Междунар. копф., 3-7 июля 2006. - Новосибирск, 2006. С.112-116.

15. Юрксвич 11.В. Опасность отходов Карабашского медеплавильного комбината и способы снижения вредного воздействия на окружающую среду // Рацион, природопольз.: Мат-лы Всерос. конф. асп. и студ., 18 - 23 сентября 2006. - Ярославль, 2006. С. 206-211.

16. Юркевич II.B., Саева О.П., Присекина H.A. Карьерные озера Салаирского рудного поля // III сиб. междунар. конф. молод, уч. по наук, о Земле: Тез. Междунар. конф., 27-29 ноября 2006. - Новосибирск, 2006. С.255-257.

17. Саева О.П., Юркевич II.B. Оценка нейтрализующей способности дренажных потоков геохимическими барьерами из природных материалов // III сиб. междунар. конф. молод, уч. по наук, о Земле: Тез. Междунар. конф., 27-29 ноября 2006. -Новосибирск, 2006. С. 201-202.

18. Юркевич Н.В. Гидрогеохимия карьерных озер Салаирского рудного поля // Эколого-геологич. проблемы урбаниз. террит.: Мат-лы Всерос. науч.-практич. конф., 1920 декабря 2006. - Екатеринбург, 2006. С. 135-139.

19. Саева О.П., Юрксвич Н.В. Применение природных геохимических барьеров для снижения вредного воздействия кислого дренажа на окружающую среду // Эколого-геологич. проблемы урбаниз. террит.: Мат-лы Вссрос. науч.-практич. конф., 19-20 декабря 2006. - Екатеринбург, 2006. С. 119-123.

20. Юрксвич Н.В., Фроликова М.А. Взаимодействие кислого дренажного пото-ка с карбонатным геохимическим барьером (на примере Бсловского цинкового завода, Кемеровская область) // Современ. минералообраз.: Мат-лы VII Всерос. чтений памяти акад. Ферсмана А.Е., 7-10 ноября 2006. - Чита, 2006. С. 64-68.

21. Юрксвич I1.B. Особенности геохимического состава карьерных озер Салаирского рудного поля // Школа экологич. геологии и рацион, недропольз.: Тез. докл. Межвуз. молод, науч. конф., 28 мая - 1 июня 2007. - Санкт-Петербург, 2007. С. 271-273.

22. Jurkevich N., Bortnikova S. Pit lakes in Kemerovo region, Russia: gcochemical composition and ecological risk // Geochimica et Cosmochimica Acta. - 2007.- V.71. -1.15. p. A455.

23. Юрксвич Н.В. Карьерные озера: особенности состава и опасность для окружающей среды // Совещ. по интегриров. регион, исслед. Сибири Cites-2007: Тез. докл. Междунар. конф., 14-25 июля 2007. - Томск, 2007. С. 42-43.

24. Юркевич Н.В. Карьерные озера: особенности состава и экологический риск (на примере Салаирского рудного поля) // Междунар. науч. конф. «Топорковские чтения»: Тез. докл. Междунар. конф., 6-7 июня 2008. - Рудный, 2008. С. 67-72.

*- соискатель носила фамилию Ожсрельсва до 2006 г.

Технический редактор О.М.Вараксииа

Подписано в печать 17.09.2009 Формат 60x84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Тайме

_Печ. л. 0,9. Тираж 100. Зак. № 33_

ИНГГ СО РАН, ОИТ, пр-т Ак. Коптюга, 3, Новосибирск, 630090

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Юркевич, Наталия Викторовна

Введение.

1. Общая характеристика и особенности геохимического состава техногенных озер в районах горнорудного производства.

1.1. Определение, классификация и основные черты техногенных озер.

1.2. Геохимические свойства элементов, входящих в состав воды техногенных озер.

1.3. Геохимические свойства элементов, входящих в состав донных осадков техногенных озер.

2. Характеристика объектов исследования.

2.1. Геологическое строение месторождений Салаирского рудного поля, параметры озер, образовавшихся при затоплении карьеров открытой разработки.

2.2. Геологическое строение Блявинского медноколчеданного месторождения.

2.3. Геохимический состав отвалов клинкеров Беловского цинкового завода как источника дренажного потока, питающего пруд-отстойник.

2.4. Геохимический состав природного водохранилища, выбранного в качестве фонового.

3. Методология исследований.

3.1. Методика работ, пробоотбор и пробоподготовка.

3.2. Методы исследований состава техногенных озер.

4. Геохимический состав воды и донных осадков техногенных озер, оценка экологического риска водоемов.

4.1. Геохимический состав Салаирских карьерных озер.

4.2. Геохимический состав карьерного озера Блява.

4.3. Геохимический состав Беловского пруда-отстойника.

4.4. Оценка экологического риска техногенных озер.

5. Экспериментальное и численное моделирование взаимодействия кислого дренажного потока с карбонатным барьером.

5.1. Моделирование взаимодействия дренажный поток - карбонатный барьер на основе лабораторных экспериментов.

5.2. Численное моделирование взаимодействия дренажного потока с карбонатным барьером.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геохимия вод и осадков техногенных карьерных озер Салаирского рудного поля"

Актуальность работы. Увеличение масштабов добычи и переработки полиметаллических руд с целью извлечения ценных компонентов привело к появлению высоко сульфидных отходов в горн о добывающих районах. Измельченный и технологически переработанный материал активно преобразуется при окислении кислородом воздуха и воды, в результате чего увеличивается подвижность химических элементов (Zn, Pb, Си, Cd, As, Sb, Co, Ni) и их миграция с водными и воздушными потоками на десятки километров от хранилища (Nordstrom et al., 1979; Елпатьевский, 1993; Hoth et al., 2001; Doye, 2003; Hammarstrom, 2003). Как следствие, в районе складированных отходов образуются зоны геохимических аномалий, где регистрируются многократные превышения содержаний токсичных элементов в подземных водах, почве, растительности над фоновыми и предельно допустимыми значениями (Мур, Рамамурти, 1970; Елпатьевский, 1993; Иванов, 1996; Алексеенко, 2000; Яхонтова, 2000; Филиппова, 2001; Панин, 2002). Еще в начале прошлого столетия в районах разработки месторождений появились технологические водоемы, которые с течением времени приобрели очертания природных. На сегодняшний день существуют техногенные озера «естественного» типа, расположенные в природных понижениях рельефа (сброс технологических и дренажных вод в котловины, лога, озера, болота), и «искусственного» типа, образованные затоплением карьеров и отстойников. Воды и донные осадки техногенных озер характеризуются повышенными содержаниями токсичных элементов в подвижных формах (Tempel et al., 2000; Davis, 2003; Parshley el al., 2003; Balistriery, 2006; Davis et al., 2006), что свидетельствует об опасности использования данных водоемах в хозяйственных нуждах населения. Кроме того, известны техногенные озера, представляющие интерес не только с точки зрения экологического опасности, но и с позиции вторичного извлечения ценных рудных компонентов (Bortnikova et al., 1995, 1999; Sidenko et al., 2001).

Впервые значительный уровень загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и другими токсичными элементами вследствие их миграции из хвостохранилищ обнаружился в 70-х годах XX в. и описывается в работах зарубежных исследователей R. Borman, D. Watson (1976), R. Blair (1980), R. Smith (1980). В отечественной литературе исследованиям техногенных объектов посвящены статьи уральских геологов Б.В. Чеснокова, А.Ф. Бушмакина (1995), В.Н. Удачина, В.В. Ершова (1996), монографии и статьи П.В. Елпатьевского (1993), A.M. Плюснина и В.И. Гунина (2001), С.Б. Бортниковой и O.JI Гаськовой (2003, 2006). Формированию гидрохимического состава и прогнозу эволюции техногенных озер «искусственного» типа, карьерных озер в США, Канаде, Германии, Франции, Швеции, посвящен ряд работ последних 20 лет (Castro et al., 2000; Tempel et al., 2000; Shevenell, 2000; Davis, 2003; Parshley et al., 2003; Ramstedt et al., 2003; Dowling et al., 2004; Balistriery, 2006; Davis et al., 2006; Bozau et al., 2006). Доказано, что в некоторых случаях карьерные озера оказываются чище природных. Но в большинстве случаев вода в карьерных озерах после открытой разработки полиметаллических месторождений характеризуется кислой реакцией среды и высокими концентрациями токсичных элементов. Гидрохимия водоемов «естественного» типа изучена на примере трансформированных гидроотвалов хвостохранилищ Салаирского рудного поля Салагаевский Лог, Дюков Лог, Талмовские пески (Бортникова и др., 2003, 2006).

Кемеровская и Оренбургская области, где располагается исследуемые техногенные озера, характеризуются высоким уровнем промышленного развития и неблагополучной экологической обстановкой, особенно в районах, где сосредоточены предприятия черной и цветной металлургии (г.г. Салаир, Белово и Медногорск). Обзор проведенных исследований техногенных озер (затопленных карьеров и прудов-отстойников) в России, и в частности, Кемеровской и Оренбургской областей, показывает, что они характеризуются недостаточной изученностью гидрогеохимического состава. Малоизучено распределение форм нахождения элементов в растворе и подвижность при переходе из донных осадков. Кроме того, нет данных по оценке экологического состояния техногенных озер, расположенных на территории вышеперечисленных городов, используемых человеком и представляющих опасность для окружающей среды.

Детальное изучение автором гидрогеохимического состава затопленных карьеров (г.г. Салаир, Медногорск) и пруда-отстойника (г. Белово) позволит дать экологическую оценку их состояния и спрогнозировать возможные пути развития.

Цель работы - установление геохимического состава техногенных озер и оценка их влияния на окружающую среду (на примере затопленных карьеров и пруда-отстойника в Кемеровской и Оренбургской областях).

Основные задачи исследований, решаемые для достижения поставленной цели:

1. Определить химический состав воды и донных осадков исследуемых озер.

2. Выявить формы нахождения химических элементов в растворе и сосуществующей твердой фазе.

4. Определить токсичнос ть среды техногенных озер на основе выявления структуры и морфологических особенностей фито- и зоопланктонных ценозов, обитающих в исследуемых водоемах.

1. Карьерные озера Салаирского рудного поля (г. Салаир, Кемеровская область) образованы затоплением карьеров открытой разработки полиметаллических месторождений. Главнейшие сульфидные минералы руд представлены пиритом, сфалеритом, галенитом, халькопиритом и блеклой рудой. Рассматриваются Новосалаирские озера на севере рудного поля, Главные - в центре и Харитоновские - в южной части рудного поля. Новосалаирские Северное и Южное карьерные озера возникли при затоплении карьеров месторождения Третий рудник, где извлекались кварц-барито-сульфидные рудные тела. Возраст озер 3040 лет, глубина около 4 м. Главные озера образовались при разработке месторождения Второй рудник. Их возраст около 50 лет. Группа Харитоновских озер возникла более 70 лет назад после извлечения сульфидно-баритовых рудных тел с высоким содержанием пирита и блеклых руд на месторождении Алексапдровское.

2. Карьерное озеро Блява (г. Медногорск, Оренбургская область) образовано затоплением карьера открытой разработки Блявинского медноколчеданного месторождения. С 1954 по 1971 год здесь извлекались рудные тела сульфиднокварц-серицитового состава. На сегодняшний день глубина карьерного озера составляет 42 м.

3. Беловский пруд-отстойник (г. Белово, Кемеровская область) собирает дренажные воды, вытекающие из-под отвалов Бсловского цинкового завода. Отвальным продуктом производства является клинкер - сыпучий крупно-среднезернистый материал, содержащий значительное количество меди (до 3%) и цинка (1.5 %). Вдоль подножия отвалов протягивается канава, собирающая дренажные растворы. Поток, вытекающий из дренажной канавы, впадает в расположенный рядом пруд-отстойник. Глубина пруда достигает 7 м, возраст - около 20 лет. Фактический материал. В основу диссертационной работы положены результаты анализов 70 водных проб, 60 проб донпых осадков, 40 проб зоо- и фитопланктонного материала. Сделано в общей сложности около 4000 элементоопределений, что является достаточным для статистической и геохимической оценки.

Методы исследовании включают в себя сбор фактического материала (вода, дойные осадки, фито- и зоопланктон), анализ образцов на общий химический (потенциомстрические и титрпметрические методы), элементный (ИСП-АЭС, РФА, РФА-СИ) н минеральный состав (РСТА, электронно-сканирующая микроскопия), расчет химических форм нахождения элементов в растворе и донных осадках, выявление структур зоо- и фитоплапктонных ценозов, геофизические методы вертикального электрического зондирования для оконтуривания объема техногенной системы, численное и лабораторное моделирование взаимодействий сульфидные руды - вода - дренажный поток - геохимический барьер.

Все работы осуществлялись в последовательности:

1. Полевое опробование карьерной воды и донных осадков карьерных озер группы месторождений Салаирского рудного поля, Блявинского месторождения и Беловского пруда-отстойника.

2. Полевые измерения значений рН и ЕЬ в отбираемых водных пробах па мсстс, фильтрование и консервирование проб для последующего анализа на содержание микроэлементов.

3. Измерение концентраций основных макроанионов (СГ, НСОз, БО^') титрпметрическими и турбидиметрическим методами;

- макро- (Са, Mg, К, Ыа, А1, Зг,) и микроэлементов (Мп, 17с, Си, 7л, Сс1, М, Со, РЪ, Ах, БЬ) методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-АЭС) в водных пробах.

4. Определение структуры зоо- и фитопланктон?тх сообществ по данным анализа водных проб счетно-весовым методом в камере Богорова (зоопланктон) в камере Нажотта (фитопланктон).

5. Анализ вмещающих пород и донных осадков рентгенофлюоресцентным (РФА) и рентгенофлюоресцентным с синхротронным излучением (РФА-СИ) на содержание ряда элементов Т1, А1, Бе, Мп,Са, М^, К, N3, Р, Ва, Си, Ъ\\, Сё, N1, Со, РЬ, А& Аб, БЬ).

6. Определение минерального состава донных осадков техногенных озер с использованием рентгеноструктурного анализа (РСТА).

7. Определение минерального состава тяжелой фракции вмещающих пород и донных осадков техногенных озер методом электронно-сканирующей микроскопии (1ео1 ^М-6380ЬА).

8. Геофизические методы частотного зондирования и вертикального электрического зондирования для оконтуривания объема техногенной системы.

9. Термодинамическое моделирование химических форм нахождения элементов в растворе и донных осадках при помощи программы и базы данных WATEQ4F (Ball & Nordstrom, 1991).

10. Лабораторные и численные эксперименты по взаимодействию сульфидного вещества с природной водой и прохождению образующегося дренажного потока с карбонатным барьером. Численное термодинамическое моделирование проводилось при помощи ПК СЕЛЕКТОР (Карпов и др., 1986).

Научная новизна работы. Исследования позволили получить новые знания об особенностях поведения химических элементов в техногенных озерах.

2. Впервые обоснована токсичность техногенных озер вследствие высоких концентраций элементов 1-го и 2-го класса опасности в воде, что проявлено в изменении структуры сообществ гидробионтов и морфологических нарушениях особей.

3. Впервые аргументирована возможность оценки подобных объектов (на примере Беловского пруда-отстойника) как техногенных месторождений, в которых полезные компоненты (Zn, Cu, Ag) находятся в высоких концентрациях (существенно превышающих таковые в современных разрабатываемых рудах) и в легкоизвлекаемых формах (в водном растворе и в виде сульфатов). Их добыча могла бы существенно минимизировать стоимость работы по устранению экологического ущерба территории в зоне влияния отстойника.

Защищаемые положения.

1. Максимальные концентрации элементов (Си, Zn, Мп, Бе, Сс1, РЬ, №, Со) в воде карьерных озер Салаирского рудного поля характерны для озер в начале их образования (в возрасте до 50 лет). Аномалии в микроэлементном составе в несколько раз более выражены, чем в основном ионном составе. С течением времени соединения элементов осаждаются, максимальные их концентрации в донных осадках достигаются в старших озерах с возрастом около 70 лет.

2. На примере карьерного озера Блява показана стратификация состава воды по глубине. На уровне 4 - 8 м резко снижается концентрация растворенного кислорода и окислительно-восстановительный потенциал ЕЪ по сравнению с приповерхностным уровнем, а концентрации большинства элементов в растворе возрастают, хотя значения рН стабильны по всей глубине. Наибольший скачок концентраций характерен для редокс чувствительных Бе, Ав, Сг. Градиент концентраций химических элементов связан с изменением условий сорбции на органических взвесях.

3. Кларки концентраций элементов в донных осадках возрастают со снижением их распространенности. Донные осадки карьерных озер в сравнении с рудой обеднены Ре, 2п, Си, РЬ, Ва и обогащены примесными элементами Сс1, ЭЬ, А§. Наибольшей подвижностью в кислой и слабокисло¡1 средах (рН=3-5) обладают Сс1, Zn, Си, Мп, Са, Mg. Основные химические формы - сульфатные комплексы и акватированные ионы. С повышением значений рН растворов подвижность и концентрации микроэлементов снижаются, макроэлементов Са, Mg - остаются на прежнем уровне. В распределении химических форм элементов возрастает значение гидрокарбонатных, карбонатных и гидроксидных комплексов.

Практическая значимость работы. Результаты исследования использованы для разработки единого подхода и методологии изучения техногенных систем, включенных в природную цепь и активно взаимодействующих с компонентами окружающей среды. Оценка экологического состояния подобных объектов в других горнорудных городах может стать основой для принятия решения местных администраций по ограничению доступа населения на территории водоемов. Подсчет запасов ценных компонентов в отстойнике Беловского цинкового завода обосновывает целесообразность их повторного извлечения.

Достоверность защищаемых положений обеспечена достаточной представительностью фактического материала и использованием современных методов и средств геохимических исследований.

Апробация работы. Основные результаты работы по теме диссертации были доложены и обсуждены на международных и молодежных конференциях: Международная экологическая студенческая конференция «Экология России и сопредельных территорий», Новосибирск, 2002-2005, Международная научная конференция «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (Абакан, 2005),

Сибирская конференция молодых ученых по Наукам о Земле (Новосибирск, 2006), Молодежная школа-конференция по геоэкологии (Санкт-Петербург, 2006, 2007), Всероссийская научно-практическая конференция (Екатеринбург, 2006), Всероссийская конференция аспирантов и студентов «Рациональное природопользование» (Ярославль, 2006), Международная геохимическая конференция Goldschmidt (Кельн, 2007), Международная конференция и школа молодых ученых Cites (Томск, 2007), Международная научная конференция «Топорковские чтения» (Рудный, 2008).

Автор участвовала в выполнении грантов РФФИ (№№ 04-05-64076, 08-05-00688), является автором студенческого проекта в рамках ведомственной научной программы Министерства образования и науки РФ (№ 8261), руководила молодежным проектом, поддержанным Мэрией г. Новосибирска.

Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 24 статьи и тезисов докладов, в том числе 4 статьи опубликовано в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из Введения, 5 глав и заключения. Объем работы составляет 194 страницы, включая 39 таблиц и 63 рисунка. Список литературы состоит из 113 наименовании.

Заключение Диссертация по теме "Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых", Юркевич, Наталия Викторовна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты позволили построить принципиальную модель строения техногенных озер двух типов: пруда-отстойника и карьерного озера. Пруды-отстойники образуются за счет скопления дренажных стоков с отвалов, карьерные озера - заполнением карьеров открытой разработки месторождений водой. Химический состав водоемов определяется составом сульфидного вещества отвального продукта или карьерных стенок. Сульфидные минералы БеЗг, ZnS, СиРеБз, РЬБ окисляются под воздействием кислорода воздуха и воды, образуются вторичные минералы, при растворении которых в раствор переходят металлы и примесные элементы, достигая экстремально высоких концентраций (4 г/л Си, 2п, 1.4 г/л Бе, 8 мг/л РЬ, Сс1, Со, №). Донные отложения техногенных озер содержат высокие концентрации элементов (до 20% Бе, Си, 2% 7л\, 1400 г/т РЬ, 600 г/т Аэ), подвижных при переходе в раствор.

Концентрации элементов в воде карьерного озера ниже, чем в отстойнике, так как исходное сульфидное вещество, с которым контактирует озерная вода, неизменено и находится в составе вмещающих пород. Содержания Си, Ъл, РЬ, Бе в донных осадках карьерных озер ниже, а микроэлементов Сс1, А*, 8Ь, Мо, А.% - выше, чем в исходной руде, кларки концентраций элементов возрастают со снижением их распространенности. С течением времени (до 70 лет) карьерное озеро разбавляется атмосферными осадками, значения рН растворов медленно растут, соединения элементов осаждаются в донные отложения.

В отстойнике источником высоких концентраций химических элементов в растворе является клинкер - измельченный отработанный материал, в котором содержания Си, Бе, Мп, РЬ, Ая, 8Ь, №, Со, Эе, Эп - па уровне содержаний в исходном концентрате. С другой стороны, с течением времени в отстойнике раствор буферируется вмещающими почвами, воды разбавляются и просачиваются в грунтовые воды. Поэтому, несмотря на малый возраст (около 15 лет) вода в отстойнике уже слабокислая и даже нейтральная, что свидетельствует о том, что данный водоем значительно быстрее, чем карьерное озеро, включается в природную цепь.

Условия и отстойника, и карьерного озера экстремальны для жизни и развития биоты, что подтверждается морфологическими нарушениями, изменением в структуре сообществ и гибелью гпдробионтов. Использование техногенных озер в хозяйственных целях человека невозможно и опасно для здоровья, данные объекты требуют рекультивации или, по крайней мере, ограждения от свободного доступа человека и животных.

Следующим этапом после оценки экологического риска техногенных озер является разработка способов нейтрализации кислых техногенных растворов и осаждения токсичных элементов. Результаты лабораторных и численных экспериментов свидетельствуют о том, что взаимодействие кислого дренажа из-под сульфидсодержащих отходов Беловского цинкового завода с карбонатными породами приводит к временному буферированию раствора и снижению концентраций элементов не только за счет осаждения карбонатных минералов, но и в связи с сорбцией на гидроксидах Fe (III). Даже при малых скоростях фильтрации не наблюдается полного химического переуравновешивания фаз, то есть поглощение металлов при адсорбции происходит без предельного адсорбционного насыщения и полного протекания реакции взаимодействия сернокислых вод с известняком. На основании результатов численногомоделирования сделаны выводы о причинах изменения физико-химических параметров в системе «сульфидные отходы -природные воды - геохимический барьер - пруд-накопитель». Доказана необходимость доочистки стоков даже на самой последней стадии.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Юркевич, Наталия Викторовна, Новосибирск

1. Алекин O.A. Основы гидрохимии. - Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1970. - 432 с.

2. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия.- М.: Логос, 2000. 627 с.

3. Арнаутов Н.В. Стандартные образцы химического состава природных минеральных веществ. Новосибирск: ИГиГ СО АН СССР, 1990. - 204 с.

4. Барышев В.Б., Колмогоров Ю.П., Кулипанов Г.Н., Скринский А.Н. Рентгенофлюоресцентный элементный анализ с использованием синхротропного излучения //Журнал аналитической химии. 1986. - Т. 41. - С. 389-401.

5. Беус A.A., Грабовская Л.И., Тихонова Н.В. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1976. - 248 с.

6. Бортникова С.Б., Гаськова О.Л., Айриянц A.A. Техногенные озера: формирование, развитие и влияние на окружающую среду. Новосибирск: Изд-во СО РАН филиал ГЕО, 2003. - 120 с.

7. Бортниова С.Б., Гаськова О.Л, Бессонова Е.П. Геохимия техногенных систем. — Новосибирск: Академическое изд-во «ГЕО», 2006. 169 с.

8. Васильев В. П. Аналитическая химия: в 2 т. М.: Дрофа, 2002. - Т 2: Физико-химические методы анализа. - 384 с

9. Виноградов А. П. Средние содержания химических элементов в главных типах изверженных пород земной коры // Геохимия. 1962. - № 7. - С. 555-571.

10. Вредные химические вещества. Неорганические соединения I-IV групп: Справ, изд./ Под ред. В.А. Филова и др. Л.: Химия, 1988. - 512 с.

11. Вредные химические вещества. Неорганические соединения V-VIII групп: Справ, изд./ Под ред. В.А. Филова и др. Л.: Химия, 1989. - 592 с.

12. Войткевич Г.В, Закруткип В.В. Основы геохимии. М.: Высшая школа, 1976. — 367 с.

13. Гаррелс Р. М., Крайст Ч. Л. Растворы, минералы, равновесия. М.: Мир, 1968. -142 с.

14. ГОСТ 27384-2002. Вода. Нормы погрешности измерений показателей состава и свойств. Взамен ГОСТ 27384-87; Введ. 01.01.2004. - Минск: Изд-во стандартов, 2002. - 9 с.

15. ГОСТ Р 51309-99. Вода питьевая. Определение содержания элементов методами атомной спектрометрии. Введ. 20.08.1999. - Москва: Госстандарт России, 1999.-21 с.

16. ГОСТ Р 51592-2000. Вода. Общие требования к отбору проб. Введ. 01.07.2001. - Москва: Госстандарт России, 2001. - 35 с.

17. ГОСТ Р 51593-2000. Вода питьевая. Отбор проб. Введ. 01.07.2001. - М.: Госстандарт России, 2001. - 7 с.

18. Елпатьевский П. В. Геохимия миграционных потоков в природных и природно-техногенных геосистемах. М.: Наука, 1993. - 252 с.

19. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов: Справочник: В 6 кн. / Под ред. Э.К. Буренкова. М.: Недра, 1994. - Кн. 2: Главные р - элементы. - 303 с.

20. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов: Справочник: В 6 кн. / Под ред. Э.К. Буренкова. М.: Недра, 1996. - Кн.4: Главные d- элементы. - 408 с.

21. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов: Справочник: В 6 кн. / Под ред. Э.К. Буренкова. М.: Экология, 1997. - Кн. 5: Редкие d - элементы. - 576 с.

22. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов: Справочник: В 6 кн. / Под ред. Э.К. Буренкова. М.: Экология, 1997. - Кн. 6: Редкие f- элементы. - 607 с.

23. Карпов И.К., Чудненко В.Н., Бычинский В.А. и др. Минимизация свободной энергии при расчете гетерогенных равновесий // Геология и геофизика. 1995. -Т. 36. - №4.-С. 3-21.

24. Карпов И.К., Чудненко К.В., Кулик Д.А., Авченко О.В., Бычинский В.А. Минимизация энергии Гиббса в геохимичнских системах методом выпуклого программирования // Геохимия. 2001. - №11. - С. 1207-1219.

25. Кельнер Р., Мерме Ж.-М., Otto М., Видмер Г.М. Аналитическая химия: учебник: в 2 т. М.: Мир, 2004. - Т. 1. - 608 с.

26. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н. Анализ разрешающих возможностей прогнозных моделей техногенного изменения химического состава подземных вод, их оптимальное геохимическое содержание // Геохимия. 2000. - №7. - С. 691703.

27. Крайнов С.Р., Шваров Ю.В., Гричук Д.В. Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии. М.: Недра, 1988. - 254 с.

28. Крайнов С.Р., Швец В.М. Геохимия подземных вод хозяйственно-питьевого назначения. М.: Недра, 1987. - 237 с.

29. Крайнов С.Р., Фойгт Г.Ю., Закутин В.П. Геохимические и экологические последствия изменений химического состава подземных вод под влиянием загрязняющих веществ // Геохимия.- 1991. №2. - С. 169-182.

30. Лапухов A.C. Зональность колчедаппо-полиметаллических месторождений. Новосибирск: Наука, 1975. 263 с.

31. Линнинк ПЛ., Набиванец Б.И. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 269 с.

32. Лурье Ю.Ю. Унифицированные методы анализа вод. М.: Химия, 1973. - 409 с.

33. Мазухина С.И., Сандимиров С.С Применение физико-химического моделирования для решения экологических задач Кольского Севера. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2005.-106 с.

34. Макаров В.Н., Корытная О.П., Луговская A.C., Васильева Т.Н., Макаров Д.В. Влияние крупности материала на растворимость и нейтрализующую способность карбонатных минералов // Химия в интересах устойчивого развития. 2003. - №11. - С. 627-632.

35. Методика выполнения измерений массовой концентрации хлоридов в природных и очищенных сточных водах титриметрическим методом с сольюсеребра РД 33 5.3.04 -96: утв. ком. РФ по водному хозяйству 28.06.96. - М., 1996.- 15 с.

36. Методика выполнения измерений массовой концентрации гидрокарбонатов в природных водах титриметрическим методом РД 33 5.3.07 -96: утв. ком. РФ по водному хозяйству 28.06.96. - М., 1996. - 15 с.

37. Методика измерений массовой концентрации сульфатов в водах турбидиметрическим методом РД 52.24.405-95: утв. ГУЭМЗ Росгидромета 21.07.94, Ростов на - Дону, 1995. - 10 с.

38. Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии / Крайнов С.Р., Шваров Ю.В., Гричук Д.В., Добровольскиц Е.В., Соломин Г.А., Борисов M.B. М.: Недра.- 254 с.

39. Мур Дж.В., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах. М.: Мир, 1987.-288 с.

40. Отмахов В.И. Методика оценки экологической безопасности водного бассейна по загрязнению водных отложений // Известия Томского политехнического университета.- 2003. №6.

41. Панин М.С. Химическая экология. Семипалатинск: Изд-во Семипалат. гос. унта, 2002. 852 с.

42. Пейсахсон И. В. Оптика спектральных приборов. Л.: Машиностроение, 1975. -312 с.

43. Перельман А.И. Геохимия элементов в зоне гипергенеза. М.: Недра, 1972. -287 с.

44. Плюснин A.M., Гунин В.И. Природные гидрогеологические системы, формирование химического состава и реакция на техногенное воздействие (на примере Забайкалья). Улан-Удэ: изд-во БНЦ СО РАН, 2001. - 137 с.

45. Рихтер Я.А. Геология, геологические процессы и полезные ископаемые Оренбургской части Южного Урала. Саратов: Изд-во Саратовского гос. ун-та, 1986. - 250с.

46. Росляков H.A. Зоны окисления сульфидных месторождений Западного Алтая. -Новосибирск: Наука, 1970.-253 с.

47. Руководство пользователя по эксплуатации спектрометра с индуктивно-связанной плазмой IRIS. М.: Intertech corporation, 2000. 150 с.

48. Руководство по химическому анализу поверхностных вод суши / Под ред. А.Д. Семенова. JL: Гидрометиздат, 1977. - 542 с.

49. Рыженко Б.Н., Крайнов С.Р., Шваров Ю.В. Физико-химические факторы формирования состава природных вод (верификация модели «порода-вода») // Геохимия. 2003. - №6. - С. 630-640.

50. Сауков A.A. Геохимия. М.: Наука, 1975. - 477 с.

51. Сборник санитарно-гигиенических нормативов и методов контроля вредных веществ в объектах окружающей среды. М.: Искусство, 1991. - 370 с.

52. Справочник по геохимии / Г.В. Войткевпч, A.B. Кокин, А.Е. Мирошников, В.Г. Прохоров. М.: Недра, 1990. - 480 с.

53. Тейлор С.Р., Мак-Леннан С.М. Континентальная кора, ее состав и эволюция. Рассмотрение геохимической летописи, запечатленной в осадочных породах / Перевод с англ. Соболева Р.И., Соболевой JI.T. Под ред. J1.C. Бородина. М.: Мир, 1988.-379 с.

54. Трифонова, И.С. Экология и сукцессия озерного фитопланктона. JL: Наука, 1990.- 184 с.

55. Удачин В.Н., Ершов В.В. Экспериментальное определение миграции меди, цинка и свинца из промотходов Карабашской геотехнической системы // Промышленные и бытовые отходы. Проблемы и решения: Материалы конф. Ч. II. Уфа, - 1996.-С. 68-72.

56. Умапский Я.С. Скалов Ю.А., Иванов А.Н., Расторгуев H.H. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. М.: Металлургия, 1982. - 632 с.

57. Филиппова К. А. Формы нахождения тяжелых металлов в донных осадках рек на бакальском железорудном поле (Южный Урал) // Минералогия техногенеза. -2001.-С. 251-254.

58. Чесноков Б.В., Бушмакин А.Ф. Новые мппералы из горелых отвалов Челябинского угольного бассейна (сообщение восьмое) // Уральский минералогический сборник. Миасс: Уро РАН. - 1995. - №5. - С.3-22.

59. Чудненко В.Н., Карпов И.К., Мазухина С.И., Бычинский В.А., Артименко М.В. Динамика мегасистем в геохимии: формирование базовых моделей процессов и алгоритмы имитации // Геология и геофизика. — 1999. Т. 40. - №1. - С. 44-60.

60. Эйхлер В. Яды в нашей пище. М.: Мир, 1993. 237 с.

61. Юркевич Н.В., Саева О.П., Прпсекина Н.А. Карьерные озера Салаирского рудного поля // Материалы третьей Сибирской междунар. конф. молод, уч. но наукам о Земле. 27-29 ноября 2006. Новосибирск, 2006. - С. 255-257.

62. Юркевич Н.В. Гидрогеохимия карьерных озер Салаирского рудного поля // Эколого-геологпческие проблемы урбанизированных территорий: Материалы всерос. научн.-практич. конф. 19-20 декабря 2006. Екатеринбург, 2006. - С. 135-139.

63. Яхонтова Л. К., Зверева В. П. Основы минералогии гипергенеза. Владивосток: Дальнаука, 2000. - 335 с.

64. Amos W. P., Younger L. P. Substrate characterization for a subsurface reactive barrier to treat colliery spoil leachate // Water Research. 2003. - V. 37. - P. 108120.

65. Ball J., Nordstrom D. User's manual for WATERQ4F, with revised thermodynamic database. Menlo Park, California: U.S. Geological Survey, 1991.-51 p.

66. Blair R.D., Cherry J.A., Lim T.P., Vivyurka A.J. Groundwater monitoring and contaminant occurance at an abandoned tailings area, Eliot Lake, Ontario // Proc, 1st Intern. Conf. Uranium Mine waste disposal. 1980. - P. 911-944.

67. Blowes D.W, Ptacek CJ, Bain JG, Waybrant KR, Robertson WD. Treatment of mine drainage using in-situ permeable reactive walls. Proceedings of Sudbury , 1995 // Mining and the Environment. 1995. - V. 3. - P. 979-987.

68. Blowes W. David, Ptacek J. Carol, Benner G. Shawn, McRae W.T. Che, Bennett A. Timothy Puis W. Robert. Treatment of inorganic contaminants using permeable reactive barriers // Journal of Contaminant Hydrology. 2003. - V.45. - P. 123-137.

69. Bowell R. Pit lake systematics: a special issue // Mine Water and the Environment. -2003. V. 22. - P 167-169.

70. Bowell R.J., Parshley J.V. Control of pit-lake water chemistry by secondary minerals, Summer Camp pit, Getchell mine, Nevada // Chemical Geology. 2005. - V. 215. -P. 373-385.

71. Borman R.S., Watson D. M. Chemical processes in abounded sulfide tailings dumps and environmental implications for Northeastern NewBrunswick // Can. Inst. Mining Metall. Bull. 1976. - V. 69. - P. 86-96.

72. Castro J.M. Moore J.N. Pit lakes: their characteristics and the potential for their remediation // Environmental Geology. 2000. - V. 39. -1. 11. - P. 1254-1260.

73. Davis A. A screening-level laboratory method to estimate pit lake chemistry // Mine Water and the Environment. 2003. - V. 22. - P. 194-205.

74. Gammons C.H., Scott A.W., James P.J., James P.M. Geochemistry of the rare-earth elements and uranium in the acidic Berkeley Pit lake, Butte, Montana // Chemical Geology. 2003. - V. 198. - P. 269- 288.

75. Dinelly E., Lucchini F., Fabbri M., Cortecci G. Metal distribution and environmental problems related to sulfide oxidation in the Libiola copper mine area (Ligurian Apennines, Italy) // Journal of Geochemical Exploration. 2001. -V. 74. - P. 141152.

76. Dowling J., Atkin S., Beale G., Alexander G. Development of the Sleeper Pit Lake // Mine Water and the Environment. 2004. - V. 23. P. 2-11.

77. Doye I., Duchesne J. Neutralisation of acid mine drainage with alkaline industrial residues: laboratory investigation using batch-leaching tests // Applied Geochemistry. 2003. - V. 18. - I. 8. - P. 1197-1213.

78. Feng D., J. S. J. van Deventer, Aldrich C. Removal of pollutants from acid mine wastewater using metallurgical by-product slags // Separation and Purification Technology. 2004. - V. 40. - I. 1. - P. 61-67.

79. Holmes R. Paul, Crundwell K. Frank. The kinetics of the oxidation of pyrite by ferric ions and dissolved oxygen: An electrochemical study // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2000. - V. 64. -1. 2. - P. 263-274.

80. Hoth Nils, Wagner Steffen, Hafner Frieder. Predictive modelling of dump water impact on the surroundings of the lignite dump site Janschwalde (Eastern Germany) // Journal of geochemical exploration. 2001. - V. 73. - P. 113-121.

81. Jurkevich N., Bortnikova S. Pit lakes in Kemerovo region, Russia: geochemical composition and ecological risk // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2007.- V.71. -1.15.-P. A455.

82. Kalin M., Cao Y., Smith M., Olaveson M. Development of the phytoplanlton community in a pit lake in relation to water quality changes // Water Resources. -2001. V. 35. -1. 13. - P. 3215-3225.

83. Kohfahl C., Pekdeger A. Modelling the long-term release of sulphate from dump sediments of an abandoned open pit lignite mine // Mine Water and the Environment. -2004,-V. 23.-P. 12-19.

84. Lei Liangqi, Watkins Ron. Acid drainage reassessment of mining tailings, Black Swan Nickel Mine, Kalgoorlie, Western Australia // Applied Geochemistry. 2005. -V. 20.-P. 661-667.

85. Loop C. M., Scheetz B. E., White W. B. Geochemical evolution of a surface mine lake with alkaline ash addition: field observations vs. laboratory predictions // Mine Water and the Environment. 2003. - V. 22. - P. 206-213.

86. Nordstrom D.K., Jenne E.A., Ball J.W. Redox equilibria of iron in acid mine waters // Chemical modeling in aqueous systems / Ed. E.A. Jenne. Amer. Chem. Soc. Symp. Series 93. Washington, 1979. - P. 51-79.

87. Nordstrom D.K., Alpers C.N., Ptacek C.J., Blowes D.W. Negative pH and extremely acidic mine waters from Iron Mountain, California // Environmental science and technology. 2000. - V. 34. -1. 2. - P. 22-31.

88. Parshley J.V., Bowell R.J. The limnology of Summer Camp Pit Lake: a case study // Mine Water and the Environment. 2003. - V. 22. - P. 170-186.

89. Pellicori D. A., Gammons C. H., Poulson S. R. Geochemistry and stable isotope composition of the Berkeley pit lake and surrounding mine waters, Butte, Montana // Applied Geochemistry. 2005. - V. 20. - P. 2116-2137.

90. Ramstedt M., Carlsson E., Lovgren L. Aqueous geochemistry in the Udden pit lake, northern Sweden // Applied Geochemistry. 2003. - V. 18. - P. 97-108.

91. Regensburg S., Brand A., Peiffer S. Formation and stability of schwertmannite in acidic mining lakes // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2004. - V. 68. - No. 6. -P. 1185-1197.

92. Salomons W. Environmental impact of metals derived from mining activities: processes, predictions, prevention // Journal of Geochemical Exploration. 1995. -V. 52. - P. 5-23.

93. Sandereggen J.L., Donovan I.I. Laboratory simulation of fluash an amenoment to pyritte rich tailing // Ground water monitoring review. - 1984. - V.4. - № 3. -P. 123-145.

94. Shevenell L.A. Water quality in pit lakes in disseminated gold deposits compared to two natural, terminal lakes in Nevada // Environmental Geology. 2000. - V. 39. -1. 7.-P. 807-815.

95. Sidenko N.V., Giere R., Bortnikova S.B. Cottard, F„ Pal'chik N.A. Mobility of heavy metals in self-burning waste heaps of the zince smelting plant in Belovo (Kemerovo Regiona, Russia).// Journal of Geochemical Exploration. 2001. - V. 74. -P. 109-125.

96. Simmons J.A., Long J.M., Ray J.W. What Limits the Productivity of Acid Mine Drainage Treatment Ponds? // Mine Water and the Environment. 2004. - V. 23. - P. 44-53.

97. Smith R.J. Swifter action sough on food contamination // Science. 1980. - V. 207. -P. 163.

98. Tempel R. N., Shevenell L. A. b, Lechler P., Price J. Geochemical modeling approach to predicting arsenic oncentrations in a mine pit lake // Applied Geochemistry. 2000. - V. 15. - P. 475-492.

99. Tessier A., Cardigan R., Dubreul B., Rapin F. Pardoning of zincbetween the water column and the oxic sediments in lakes // Geochimica et Cosmochimica Acta. -1989.-No. 3.-P. 1511-1522.

100. Uhlmann W., Buttcher H., Totsche O., Steinberg C. Buffering of acidic mine lakes: the relevance of surface exchange and solid-bound sulphate // Mine Water and the Environment. 2004. - V. 23. - P. 20-27.

Информация о работе

Юркевич, Наталия Викторовна
кандидата геолого-минералогических наук
Новосибирск, 2009
ВАК 25.00.09

Диссертация

Геохимия вод и осадков техногенных карьерных озер Салаирского рудного поля - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы