Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Эколого-геохимические особенности техногенных ландшафтов Большого Кавказа

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Эколого-геохимические особенности техногенных ландшафтов Большого Кавказа"

На правах рукописи УДК: 551.1

Алампиева Елена Владимировна

Эколого-геохимические особенности техногенных ландшафтов Большого Кавказа (на примере западной части Передового хребта)

Специальность: 25.00.36 — геоэкология (науки о Земле)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Цс

1 ПАЯ 2014

Санкт - Петербург 2014

005547898

Работа выполнена на кафедре геологии и геоэкологии федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Российский государственный педагогический университет имени А. И. Герцена»

Научный доктор геолого-минералогических наук Панова Елена

руководитель: Геннадьевна, профессор кафедры геохимии Института наук о Земле федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет»

Официальные доктор географических наук Кошелева Наталья Евгеньевна, оппоненты: ведущий научный сотрудник кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный Университет им. М. В. Ломоносова»

кандидат географических наук Вдовец Марина Степановна, старший научный сотрудник отдела Региональной геохимии Федерального государственного унитарного предприятия «Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А. П. Карпинского»

Ведущая Федеральное государственное бюджетное учреждение науки

организация: «Институт водных и экологических проблем Дальневосточного отделения Российской академии наук»

Защита состоится «20» МАС?^^ 2014 года в Ц часов на заседании Совета Д 212.199.26 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Российском государственном педагогическом университете имени А. И. Герцена по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48, корп. 12, ауд. № 21.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 48, корп. 5; а также на сайге Российского государственного педагогического университета имени А. И. Герцена http://disser.herzen.spb.ru

Автореферат разослан « ^ ^ » (Ьу|><АД 2014

г.

Ученый секретарь // /4/? /

диссертационного совета ■ ¿^ ■ И. П. Махова

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В условиях нарастающего влияния техногенеза постепенно изменяются геохимические особенности природных ландшафтов. При этом природные равновесия, устанавливавшиеся в течение длительного времени (до миллионов лет), нарушаются человеком в пределах нескольких столетий (Перельман, Касимов, 1994; Глазовская, 1997).

В последние полвека при переработке руд месторождений полезных ископаемых формируются так называемые техногенные ландшафты (Перельман, Касимов, 1999; Алексеенко, 2006).

Хвостохранилища месторождений полезных ископаемых являются техногенными источниками загрязнения окружающего ландшафта, которое в условиях гипергенеза осуществляется посредством ветровой, водной и биогенной эрозии, что приводит к формированию техногенных почвенных и биогеохимических аномалий, изменению состава вод и формированию техногенных ландшафтов.

В зонах складирования отвалов происходят физико-химические процессы, в результате которых возникают новые минеральные фазы, меняются формы нахождения химических элементов; они переходят в подвижное состояние и легко мигрируют на окружающие почвы, поступают в воды и растения. Потоки вещества из отходов горнорудного производства изменяют состояние среды жизнедеятельности, отрицательно влияя на биоценозы, на развитие живых организмов, в том числе и человека.

Оценка состояния природного ландшафта и влияние техногенных источников загрязнения на окружающую среду, минерально-геохимических особенностей руд и отвалов, геохимические особенности почв и растений техногенных ландшафтов района исследования и оценка размера техногенных почвенных и биогеохимических аномалий в районе исследования проведено впервые для района Урупского ГОКа.

Объектом исследования являются природный ландшафт и техногенный, возникший в процессе эксплуатации горно-рудных предприятий (хвосты — как источник загрязнения, водоотводная система хвостового хозяйства, попадающая в водную систему исследуемого района, прилегающие к хвостохранилищу почвы и произрастающие на них растения).

Предмет исследования — поведение химических элементов в хвостохранилищах и водах исследуемого района, прилегающих почвах и растениях.

Цель: выявление накопления химических элементов в зоне техногенных ландшафтов, источником формирования которых являются хвостохранилища медно-колчеданных месторождений (на примере Урупского ГОКа).

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— оценка состояния природного ландшафта (смешанного типа) исследуемого района;

— оценить влияние техногенных источников загрязнения окружающей среды района на природный ландшафт горной территории западной части Передового хребта Большого Кавказа;

— исследовать поведение химических элементов в водной системе района;

— выявить геохимические особенности почв и растений техногенных ландшафтов района исследования и оценить размер техногенных почвенных и биогеохимических аномалий.

Теоретической и методологической основой диссертации являются конструктивные идеи и результаты исследования отечественных и зарубежных специалистов в области географии, геохимии ландшафта, геоэкологии и экологии: В. В. Адушкина, В. А. Алексеенко, Н. Н. Акинфиева, Л. Д. Баронецкой, В. Н. Башкина, В. И. Вернадского, О. А. Воейковой, В. В. Гавриленко, А. М. Гальперина, Г. Гокеля, М. А. Глазовской, Р. В. Голевой, И. В. Гольдмахера, Б. А. Горлицкого, В. В. Добровольского, В. С. Зайцева, В. П. Зверевой, В. В. Иванова, А. А. Каздыма, Н. С. Касимова, Ю. В. Кириченко, А. Л. Ковалевского, Р. И. Конева, Н. Е. Кошелевой, А. И. Кривцова, И. И. Куприяновой, В. К. Лукашева, К. И. Лукашева, В. И. Макарова, Б. Н. Маринова, А. А. Мигдисова, 3. Г. Мирзехановой, Ю. С. Мун, С. А. Несмеянова, М. И. Новиковой, Г. А. Олейниковой, И. С. Осмоловским, И. Г. Павловой, Е. Г. Пановой, А. И. Перельмана, Б. Б. Полынова, В. Н. Пучкова, А. Б. Ронова, Ю. Е. Саета, А. А. Саукова, И. Б. Серавкина, В. Н. Удачина, А. Е. Ферсмана, В. Ферстера, Р. М. Халматова, Г. Т. Шафигуллиной, В. М. Швец, Е. П. Шпанова, Т. Н. Шуриги, Л. К. Яхонтовой, и личные исследования и разработки автора.

Фактический материал и методы исследования. В основу диссертации легли результаты сбора материала автором на полевых работах в условиях семейства карпатско-кавказского семейства ландшафтов (горно-лесной, луговой аллювиальной, альпийской ландшафтно-геохимических зон) района исследования (2008—2013 гг.). Изучены и проанализированы материалы проведенных на месторождении работ, методика извлечения полезных элементов на Урупском горно-обогатительном комбинате. Основой фактического материала явились отобранные пробы пород и руд месторождения (более 200), площадное опробование песков хвостохранилища (шурфовка и керн скважин, 56). Выполнено макроскопическое описание песков хвостохранилища, почвы, петрографический анализ (30 шлифов), рудномикроскопический анализ (20 аншлифов), выполнена сканирующая электронная микроскопия, микрорентгеноспектральный анализ.

Отбор и подготовка проб к анализам проводились в соответствии с официально утвержденными методиками. Обработка геохимических данных проводилась с помощью новейших компьютерных технологий.

Методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС) в ЦЛ ВСЕГЕИ проанализировано 12 проб песков из шурфов хвостохранилища и их водные вытяжки (для изучения подвижных форм химических элементов), выполнен атомно-абсорбционный анализ с полным кислотным вскрытием (AAA) на Au, Pt, Pd (12 проб).

Методом экспресс-анализа воды (ЛЭАВ) в «Центре исследования и контроля воды» (г. Санкт-Петербург) отобранные пробы воды из отстойников, ливневых колодцев, водоотводного канала, из речной системы р. Уруп (6), проанализированы в связи с существующей экологической ситуацией на Cd, Си, Zn, Fe, Mn, Са, Mg, сульфаты, хлориды — более 100 элементо-определений.

Методами ртутной спектрометрии (анализатор ртути «РА-915+» с приставкой «ПИРО-915+» на базе кафедры геохимии СПбГУ), рентгено-флюоресцентпого анализа (в лаборатории Геохимии окружающей среды им. А. Е. Ферсмана на базе РГПУ им. А. И. Герцена («Спектроскан Макс GV») и РЦ СПбГУ "Геомодель" (XRF энерго-дисперсионный анализатор Delta series) выполнено более 9000 элементо-определений песков хвостохранилища (65 проб: шурфы № 1-2 глубиной до 2 м, 9 точек наблюдения поверхностного слоя (до 10 см), 3 точки глубиной до 1 м). В соответствии с розой ветров опробована почва и растительность (из каждой точки отобрано 2 пробы: гумусовый горизонт (54 пробы) и растения (54 пробы) с сеткой пробоотбора через 100 м по мере удаления от хвостохранилища до расстояния в 1 км).

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. При разработке медно-колчеданного месторождения отходы ГОКа являются источником техногенного загрязнения природного ландшафта смешанного типа, геохимическая специализация которого определяется особенностями состава хвостов. Выявлен геохимический спектр токсикантов хвостов по отношению к кларкам в осадочных породах (в скобках указана группа токсичности элемента): Hg4164(I)—'Те3775(П>—Sb3426(II)—Ag245,57(III)— Cul 01,5(11)—Bi85,4(III)—Zn37(I)—Cd28,57(I)—As23,2(I)—Pb22(I)—Se20(I)— T14,79(I)—Co2,67(III)—Mo2,2(II). В процессе складирования отходов ГОКа Zn, Cd, Pb, Co из верхних горизонтов вымываются и накапливаются на глубине 0,7-1,5 м.

2. Водный ландшафт испытывает техногенную нагрузку, что определяется воздействием сливных и отстойных вод хвостового хозяйства, которые обогащены (выше ПДК по рыбохозяйственным водоемам) Mn, Fe (больше 200), Cd (больше 50), Zn, Си (больше 1,1), смешиваются с питьевыми водами р. Уруп и создают аномалию размером до 1 км.

3. Техногенный ландшафт района хвостохранилища формируется в результате ветровой эрозии песков хвостов, которые разносятся на окружающие территории, создавая почвенные (Ni, V, Fe, Cr, Sr, Ti до 300 м) и биогеохимические (до 500 м) аномалии (Zn, Mn).

Научная новизна работы заключается в оценке изменчивости содержаний химических элементов хвостохранилища; установлении ассоциации экологически опасных концентраций химических элементов в песках хвостового хозяйства, в почвах, растительности, произрастающей в непосредственной близости от хвостохранилища; оценке реальных последствий

загрязнения окружающей среды в районе действующего ГОКа; анализе содержания и поведении водорастворимых форм химических элементов хвостохранилищ; сравнении геохимических спектров воды из хвостов, питьевых вод р. Уруп. При этом:

1.выявлена ассоциация экологически опасных химических элементов в песках хвостового хозяйства ГОКа, разрабатывающего медно-кочеданное месторождение;

2. установлены подвижные формы химических элементов хвостохранилища, которые вымываются из хвостов;

3. установлены геохимические спектры воды хвостов и питьевых вод р. Уруп (фоновых и загрязненных);

4.выявлены химические элементы, формирующие почвенные и биогеохимические техногенные ландшафты района медно-колчеданного ГОКа.

Теоретическая значимость диссертационного исследования заключается: в развитии теории геоэкологии (геохимии ландшафтов), усовершенствовании методологии геоэкологических исследований урбанизированных территорий. Автором предложена концепция оценки влияния техногенных источников загрязнения на природный ландшафт, техногенных почвенных и биогеохимических аномалий для территории с высоким уровнем антропогенной нагрузки.

Практическая значимость:

1. Выявлен спектр токсикантов, накапливающихся в хвостах ГОКа, влияющих на химизм природного ландшафта и подлежащих постоянному мониторингу.

2. Оценено состояние загрязнения питьевой водной системы р. Уруп.

3. Выявлена возможность вторичного доизвлечения химических элементов (отн.%): 2п до 75, № до 30, Со до 50, платиноидов до 15 и Ые до 40.

Результаты исследования используются Урупским ГОКом, а также органами местного самоуправления при реализации природоохранной политики, направленной на восстановление природных и социально-экономических функций природных ландшафтов. Кроме того, полученные результаты могут найти свое место в учебном процессе при чтении курсов по выбору для магистрантов «Геоэкология», у студентов факультета географии кафедры геоэкологии по направлению подготовки 25.00.36 «Геоэкология» РГПУ им. А. И. Герцена.

Обоснованность и достоверность результатов исследований определяется всесторонним теоретическим анализом; представительностью фактического материала; современным уровнем эколого-геохимических исследований; подробным анализом опубликованных и фондовых материалов по изучаемой тематике; применении высокочувствительных методов исследования вещества, принятых в системе геоэкологических исследований; обработке аналитических материалов и предоставления результатов; использованием аналитических данных, полученных по сертифицированным методикам в аккредитованных лабораториях (ЦЛ ВСЕГЕИ, ЗАО «Центр исследования и контроля воды»).

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации изложены в 8 печатных работах, из них 2 — в рецензируемых изданиях ВАК. Результаты исследований доложены на VIII, IX, X, XI Международных семинарах «Геология, геоэкология и эволюционная география» (РГПУ им. А. И. Герцена, 2008-2011 гг.); VI Международной конференции «Геология в школе и вузе» (РГПУ им. А. И. Герцена, 2009 г.); Международной молодежной конференции «Науки о Земле и цивилизация» (РГПУ им. А. И. Герцена, 2012 г.); докладах на Урупском горно-обогатительном комбинате (2009-2013).

Содержание работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения. Цитированная литература содержит 106 названий. Объем работы — 174 страницы машинописного текста, включая 22 таблицы и 64 рисунка.

II. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность избранной темы исследования, определены объект, предмет и цели исследования, основные задачи работы, сформулированы положения, выносимые на защиту, научная новизна, практическая и теоретическая значимость результатов исследования. Результаты исследования представлены в главах диссертации.

В первой главе «Ландшафты горной территории западной части Передового хребта Большого Кавказа» рассматривается строение и особенности природных и техногенных ландшафтов изучаемой территории, орография, виды почв и растительности по литературным данным ведущих отечественных и зарубежных исследователей в области географии, геохимии, геоэкологии.

Большой Кавказ — грандиозное горное поднятие, состоящее из многочисленных хребтов и отрогов длиной около 1500 км и площадью около 145 тыс. км2. Он тянется с северо-запада на юго-восток от Таманского полуострова на Черном море, до Апшеронского полуострова на Каспийском. С горным рельефом Кавказа связана высотная зональность климата, выражающаяся в понижении температуры воздуха с ростом высоты над уровнем моря (Ефремов, 1988). Выделяют четыре основных типа структуры высотной зональности ландшафтов. Западно-кавказский тип (западная часть северного склона) отличается наличием дубовой лесостепи, переходящей, выше, в пояса широколиственных лесов с присутствием колхидских элементов. Выражены пояса смешанных, хвойных лесов и горно-луговая зона (с субальпийским, альпийским и субнивальным поясами). Восточнокавказский тип (в восточной части северного склона) отличается появлением в нижнем поясе сухих степей, а у самого подножия — полупустынь, резким сужением лесной зоны и развитием у ее нижней границы отсутствием четкого пояса хвойных лесов. В западнозакавказском, или колхидском, типе нижний пояс представлен реликтовыми колхидскими широколиственными лесами. Здесь и в горно-луговой зоне широко распространены карстовые явления в известняках. В восточнозакавказском типе (восточная часть южного склона) нижний пояс

составляют аридное редколесье и вторичные степи, на крайнем востоке — полупустыни (Гвоздецкий, Михайлов, 1978).

Активные неотектонические поднятия этих районов определили развитие горного рельефа, энергичную эрозию, густую гидросеть, молодость ландшафтов (III род). Энергичное выветривание приводит к оглеенению почвенного профиля, относительному высокому накоплению Fe и А1.

Главная водная артерия — р. Уруп (левый приток р. Кубань), берет начало на северном склоне Передового хребта. В нее впадают притоки Власенчиха, Богачиха.

В последние годы в связи с грандиозным развитием техногенеза и появлением отходов, в том числе от переработки руд месторождений полезных ископаемых нарушаются природные равновесия и формируются так называемые техногенные ландшафты, представляющие собой населенные пункты с комплексами жилых зданий, городских промышленных предприятий, зон утилизации отходов и т. д. (Перельман, Касимов, 1999; Алексеенко, 2006).

Особенно активны процессы горнопромышленного техногенеза с образованием масштабных ореолов техногенного рассеяния халькофильных элементов в районах эксплуатации колчеданных месторождений. Здесь на природный фон микроэлементов в горных породах, почвах и растительности накладывается техногенная компонента, обусловленная атмосферным переносом тонкодисперсного материала от мест расположения отходов добычи и хранилищ отходов обогащения руд, медеплавильных заводов. Процессы окисления сульфидов в отходах добычи и переработки сульфидсодержащих руд и концентратов приводят к формированию кислой и ультракислой среды поверхностных вод с высокими содержаниями сульфат-иона, Al, Fe, Са, Mg и металлов халькофильной группы. В зонах смешения природных вод с техногенными происходит резкая смена физико-химических условий, что приводит к трансформации форм нахождения элементов. На щелочных барьерах значительная часть металлов сорбируется новообразованными гидроксидами, вследствие чего выводится из миграционного цикла. Не сорбированная часть металлов продолжает мигрировать преимущественно в свободной ионной форме (Ковальский и др., 1981; Удачин, 1993; Ожерельева, Бортникова, 2006; Nordstorm, 1982; Kimball et al., 1998; Lee et al., 2007).

Во второй главе «Источники формирования техногенных ландшафтов района исследования» рассматривается географическое положение, сведения об изученности территории, геологическая позиция, стратиграфия и тектоника Урупского рудного поля. Приводятся минералогические особенности Урупского месторождения, расположенного на горной территории западной части Передового хребта Большого Кавказа Урупского района Карачаево-Черкесской республики, открытого в 1947 г. Раскрывается понятие «хвостохранилище», подробно описываются особенности складирования отходов Урупского горно-обогатительного комбината и его горнообогатителыюй фабрики (ГОФ), работающей с 1968 г., содержащей

отходы обогащения комбината, в которых накоплено более 11,6 млн. т. пиритсодержащих хвостов.

Урупское медноколчеданное месторождение находится в верхнем течении реки Уруп на территории Урупского района Карачаево-Черкесской республики, в 20 км к югу от районного центра станицы Преградной.

История изучения Урупского рудного поля тесно связана с историей изучения Северо-Западного Кавказа, начало которого положили работы В. Н. Робинсона в 1911-1932 гг. (Серавкин, и др., 1993-1994). В истории изучения района выделяют три этапа: первый 1911—1912 гг. (эпизодические исследования, цель которых выявление полезных ископаемых, В результате были открыты пиритизированные зоны среди вулканогенно-осадочных пород по рекам Уруп и Власенчиха); второй 1933-1947 гг. (планомерное геологическое изучение золотоносности и угленосности до открытия и начала разведочных работ на медных месторождениях); третий — с 1947 г. по настоящее время (связан с поисками, разведкой и освоением медно-колчеданных месторождений).

Содержащиеся в месторождении химические элементы относятся к 1—3 группе токсичности (Ну, РЬ, Сс1, /п, Си, N1, Мп, 8е, Аб, БЬ, Те), извлеченные из месторождений в хвостохранилища, они могут накапливаться в окружающем ландшафте (почве, растительности), из жизнедеятельности, отрицательно влияя на биоценозы.

Хвостохранилище (рис.1) является гидротехническим сооружением, по типу овражное, намывное. Функционирует с 1968 года. Общая площадь более 97 га, полезная площадь около 64 га, вместимость не менее 6 млн. м3.

Чаша хвостохранилища образована ограждающей дамбой, перекрывающей с юга долину р. Богачихи, с юго-запада — отделяющей чашу от правобережного коренного склона. С северо-востока чаша ограничена левобережным склоном, с севера — насыпью автодороги и находящейся за ней дамбой хвостохранилища. В составе ГОФ находится хвостохранилище, в котором накоплено более 11,6 млн. т. пиритсодержащих хвостов. Основной метод переработки руд Урупской ОФ — гравитационное обогащение с предварительной распульповкой песковой части («мокрое» обогащение).

В третьей главе «Эколого-гсохимическая характеристика продуктов переработки Урупского ГОКа», рассматриваются процессы гипергенеза в в хвостохранилище, исследуются подвижные формы химических элементов в

1еняют состояние среды

«М^ — о „

N М/ V м

I. о " »

* „ / „ \У V о *

• -Ч ° " О о,

«-V ^ »» ^ 11

чу ^ °

^ ¡' Сл*.»...»«.«.», I о II \1/

- ' • II ;

;■:>. ...I' кюм*»<к<>>'>« /

о II \ /// •

чу о ' угу,.-

и "« " • ' ' ^ ° V о V « о ^ . И

Рис. 1. Схема

хвостохранилища

хвостах ГОКа, обсуждается потенциальная опасность загрязнения окружающей среды токсикантами.

Обоснование выбора участка проходило на основе систематизации изученных данных.

При сравнении руд месторождения с глинисто-алевритовыми отложениями хвостов выявляется изменчивость содержаний химических элементов района хвостохранилища (Си, ¿п. РЬ, СсЗ, №, Бе, 8 и др.). Приводятся диаграммы сравнения отношений валовой пробы и ее водной вытяжки с ПДК (приказ № 20 от 18 января 2010 г.) и подробный анализ миграции элементов-токсикантов по разрезу хвостохранилища; эколого-геохимическая характеристика влияния хвостового хозяйства на окружающую территорию, обсуждаются результаты геохимических рядов химических элементов и токсикантов, построенных автором. Также обсуждаются

возможность

доизвлечения полезных компонентов и благородных металлов из

хвостохранилища.

Шурфовка хвостохранилища до глубины 2 м и послойное литологическое описание показало неоднородный цвет отложений и их распределение в пространстве (чередование песчаных с глинистыми прослоями, рис. 2).

Оценка минерального состава (рис. 3) показала, что в хвостах Урупского

месторождения в несколько раз уменьшается доля рудных и увеличивается доля нерудных минералов по сравнению с

хвостохранилшцем.

Преобладающая часть нерудных минералов

наблюдается в свободных зернах, меньшая часть в сростках с сульфидами.

На основе данных рентгено-флюоресцентного анализа и метода ртутной спектрометрии были рассчитаны средние содержания и стандартные отклонения химических элементов в хвостах (в скобках указаны следующие данные: 1 цифра — среднее значение, 2 — стандартное отклонение): Н§ (4164/2483), (3447/3397), Аз (278/128), Сс1 (12/11,56), РЬ (441/133), Эе (12/2,59), 8Ь (34/10,6), Си (4872/3641), Мо (57,6/9,9), Со (50,74/19,23). По результатам исследований построен геохимический ряд накопления элементов (сравнение среднего (п=54) с кларками элементов по глинистым сланцам, Скляров и др., 2001, рис. 4).

рудные минералы нерудные минералы

Рис. 3. Соотношение минерального состава руд и продуктов их переработки

Ге Си В( 7П Сё А5 РЬ 5е Со Ио

Рис. 4. Геохимический спектр элементов хвостохранилища (римской цифрой указан юшсс токсичности)._

Распределение химических элементов довольно неравномерное по всей толще (рис 5). Локальные аномалии содержаний химических элементов в разрезе хвостов связаны с низкой степенью извлечения полезных компонентов на обогатительной фабрике в начале работы комбината (с 1956 г).

Одной из важнейших задач эколого-геохимических исследований является выявление форм нахождения токсичных и канцерогенных элементов в различных средах, которые определяют дальнейшие пути их миграции и опасность, которую они могут представлять для окружающей среды. Извлеченные из недр сульфидсодержащие породы в поверхностных условиях

подвергаются быстрому окислению и переходу химических элементов в миграционноспособное состояние. Основой для окисления и проявления гипергенных и техногенных процессов являются сульфиды (пирит, пирротин, арсенопирит, халькопирит, станнин, галенит и сфалерит). Их замещение происходит по схеме окисления в разбавленном сернокислом растворе. По данным В. П. Зверевой (Зверева, 2005), в составе катионов в сернокислом растворе при рН < 3 присутствуют следующие катионы: Fe+2, Cu'\ Zn+2, PtT2, а среди анионов — HS04, S04, H2As04, As04 и [Sn(OH)4]. При рН > 3 к перечисленным выше катионам добавляются: Fe+, [Zn(OH)]+, [Pb4(OH)4]+4, а к анионам — H2S04". Образуется широкий спектр минералов (сульфидов, сульфатов, карбонатов, и др).

В приповерхностной зоне техногенных отложений происходят интенсивное растворение и миграция металлов и их соединений по разрезу хвостов.

Для изучения подвижных форм нахождения химических элементов было отобрано 12 проб хвостов по разрезам хвостохранилища и получены их водные вытяжки, в которых накапливаются ионные и коллоидные формы химических элементов.

0,1 10 100 1000 10

0,5 гу-*

1 fc/j d I концентрация.ppm —•— ui2 —«—Ш1 — пак

2*

Рис 5. Поведение ртути по разрезам хвостохранилища.

Как известно, миграционная способность элементов зависит от относительной щелочности/ кислотности среды. Для оценки этой величины в песках хвостохранилища было рассчитано отношение £Се/£У, которое является относительным индикатором щелочности/кислотности (Балашов, 1976; Шатров, Войцеховский, 2010). Как видно из рисунка 6 это отношение резко меняется по разрезу хвостов, в нижней части которого преобладает относительно кислотная среда, что особенно характерно для водной вытяжки.

Сравнение содержаний химических элементов с ПДК по водным объектам хозяйственно-бытового назначения с составом водной вытяжки показало превышение значений для Б^, Те, ЭЬ, Ag, Си, Ав, В1, 2п, Бе, Т1, РЬ, Со, Мо, \У, П, С(1 (рис. 7).

Проведенные исследования показали, что содержание элементов-токсикантов ¿п, Сё, Мп, Бг в хвостах меняются по разрезу и элементы накапливаются на глубине 0,7—1,5 м.

По результатам анализа, проведённого в третьей главе, можно сформулировать первое защищаемое положение: при разработке медно-колчеданного

месторождения отходы ГОКа являются источником техногенного загрязнения природного ландшафта смешанного типа, геохимическая специализация которого определяется особенностями состава хвостов. Выявлен

геохимический спектр токсикантов хвостов по отношению к кларкам в осадочных породах (в скобках указана группа токсичности элемента): Щ4164(1)—Те3775(П)—8Ь3426(И)— А8245,57(Ш>—Си! 01,5(11)—В!85,4(Ш)—ХпЗК})—Сс128,57(1)—Аз23,2(1)— РЬ22(1)—8е20(1)—Т14,79(1)—Со2,67(1Н)—Мо2,2(11). В процессе

складирования отходов ГОКа Тп, Сс1, РЬ, Со из верхних горизонтов вымываются и накапливаются на глубине 0,7-1,5 м.

В четвертой главе «Влияние хвостохранилища на водную систему района» рассмотрены: география водной сети района, особенности поведения химических элементов в водах р. Уруп и колодца хвостохранилища, дается геохимическая характеристика водной системы р. Уруп.

0 12 3

1

1

' л"**"

' /

1 / (/ -■-аыгяжка ; — - — ВАЛ

' V

Рис. 6. Отношение УСс/У V в валовой пробе и ее водной вытяжке по разрезу хвостохранилища

Сй значения

о 10 20 зо

Рис 7. Содержание кадмия в водной вытяжке разреза хвостов, РРт_

Оценен ореол влияния хвостового хозяйства на питьевые воды, проведено сравнение полученных показателей с фоном района и ПДК. В работе рассмотрена токсичность химических элементов и приводятся результаты статистической обработки геохимических данных. Урупское месторождение расположено в горной местности, по ущельям рек, являющимися притоками реки Уруп, воды которой являются главными источниками водоснабжения Карачаево-Черкесской республики, поэтому вопросам изучения поведения химических элементов в водах р. Уруп уделяется особое внимание.

Для геохимической характеристики отобранных проб, определения состава и свойств воды по показателям, методикам и регламентированным в нормативных документах и

идентификации источников загрязнения водного объекта, в соответствии с гостом Р51592—2000, автором отобрано 6 проб, отражающих качество воды природного и смешанного типа (природно-техногенного) (рис. 8). Анализ проводился в Центре исследования и контроля воды (СПб). Результаты анализа приведены в табл. 1.

Полученные значения сравнивались фоном, ПДК, определенным приказом № 20 от 18 января 2010 г. (ПДКПр2о), и государственными санитарно-эпидемиологическими правилами и нормативами (Санпин 2.1.4.1074-01).

В таблице 1 показаны данные о наиболее загрязненных пробах (колодец хвостохранилища, в 2 км от колодца хвостохранилища), охарактеризована фоновая точка.

Фоновая проба (Прф), отбиралась в верховьях р. Уруп,в 3 км от рудника ГОКа. Сравнение содержания химических элементов с ПДКПр.20 показало превышение значений по магнию (в 340 раз) и цинку (в 9,3 раза) — возможно из-за того, что породы в районе имеют высокие значения этих элементов. Отношение фона к данным Санпина (сухой остаток (СО) не нормируется) видно из построенного геохимического ряда (убывающая последовательность химических элементов): Са21-сульфаты13-МнЗ,4-ВВЗ-хлориды1.

Повышенный региональный фон влияет на накопление и миграцию химических элементов в окружающую среду, поэтому необходимо учитывать эти значения при пересчете предельно-допустимых сбросов для месторождения и хвостохранилища.

Результаты сравнения Пробы 1 (сток из рудника комбината) с ПДКПр.ао показали повышенное содержание сульфатов (в 27 раз), Са (в 5 раз), Сс1 (в 1,3 раза), Си (в 270 раз), Ге (в 16 раз), Мп (в 8000 раз), Хп (в 31 раз), ВВ (в 1,16 раз), 8Ь ( в 4,2 раза), СО (в 5 раз). Геохимический ряд отношения проб,

нормированного на данные Санпина: сульфаты2700-Са970-хлориды280-М118О—ВВ5—Fe2. Коэффициент накопления показал увеличение ртути, сурьмы, теллура, кадмия, меди, железа, магния, ВВ (рис. 9).

Проба 2 (1 км вниз по течению р. Уруп от стока из рудника комбината). Отношение пробы с ПДКпр.20: Си — в 150 раз, Hg — в 10 раз, Sb — в 5,6 раз, Fe — в 2 раза, Мл — в 450 раз, Zn — в 21 раз. Геохимический ряд (сравнение пробы с Санпином):

сульфаты79-СаЗ 0-хлориды8-Мп5-ВВ4. Сравнение

содержания химических

элементов пробы 3 с ПДК и Санпином подтвердило

значительное влияние стока из рудника комбината на воды р. Уруп. Высокие значения по кальцию (данные пробы из стока из рудника) могут быть из-за применения реагентного метода с использованием известкового молочка для нейтрализации шахтных сточных вод и глинозема в качестве коагулянта.

Сравнение пробы 3 (колодец хвостохранилища) с ЛДКп^п показало

превышение у ртути в (7400 раз), сульфатов (в 16 раз), Sb (в 163 раза), Са (в 3 раза), Cd (в 12 раз), Си (в 720 раз), Fe (в 620 раз), Мп (в 2400 раз), Zn (в 130 раз), СО (в 3 раза).

Геохимический спектр отношения, нормированного на данные Санпина: Hg7400-Tel680-сульфаты 1600-Са550-Sb 163-Ре62-хлориды32-Mn24—BB6-Znl ,3—Mg 1,1. В воде колодца

хвостохранилища обнаружены наиболее высокие содержания

Таблица 1. Содержание элементов в воде р. Уруп, мг/л.

Проба 3 Проба 5 Фон

Хлориды 32 12 0,96

Сульфаты 1600 52 13

Са 550 42 21

Cd 0,062 0,0002 0.0001

Си 0,72 0,032 0,001

Fe 62 0,3 0,05

Мп 24 7,7 3,4

Hg 0,37 0.02 0,0001

Mg 1,1 0,069 L о,ооз

Те 1,68 0.32 0,001

Zn 1,3 0,07 0,093

Sb 8.16 0,92 0,05

ВВ 5,60 6,76 3

СО ЗОЮ 146 76

Примечание. ВВ — взвешенные вещества, СО — сухой остаток.

Коэффициент накопления .................Л........ ?, ——Фон -• 1

У ^ Гл\А / 1 V. 1

/V \ /! л А 5 Ад\ \------7~Хтг\W V ^ h ! JJ ч ч Y —5

■ ' V? S?4 ^ <? & & 4е ^ / ь & & ¿р

Рис. 9. Кн элементов в исследуемых пробах р. Уруп____

химических элементов.

Проба 4 (в 1 км ниже по течению р. Уруп от колодца хвостохранилища). Сравнение с ПДКгьгр: Си — в 41 раз, Ре — в 4 раза, Мп — в 610 раз, Н§ — в 90 раз, 8Ь — в 22,4 раза, '¿п — в 9 раз. Геохимический спектр отношения содержания элементов, нормированных на данные Санпина: сульфаты74—Са32-хлориды16-Мпб-ВВ6. Из полученных данных видно, что с удалением от хвостохранилища концентрация исследуемых химических элементов значительно снижается.

Отношение содержаний химических элементов в Пробе 5 (в 2-х км ниже по течению р. Уруп от колодца хвостохранилища) с ПДКцп 2р: Н§ — в 40 раз, 8Ь

— в 18,4 раза, Си — в 32 раза, Бе — в 3 раза, Мп — в 770 раз, Ъп — в 7 раз, ВВ

— в 2 раза. Геохимический ряд (сравнение данных с Саншшом): сульфаты52-Са42-хлориды12-Мп8-ВВ7. С удалением от хвостов перечисленные химические элементы значительно снижаются и в пробе 5 практически сравниваются с фоном.

Таким образом, в районе исследования выявлен высокий региональный фон по марганцу. Наиболее минерализованными и обогащенными токсикантами являются воды колодца хвостохранилища, которые попадают в р. Уруп и на расстоянии 1 км от хвостохранилища приближаются к фону. Исходя из вышеизложенного, сформулировано второе защищаемое положение: водный ландшафт испытывает техногенную нагрузку, что определяется воздействием сливных и отстойных вод хвостового хозяйства, которые обогащены (выше ПДК по рыбохозяйственным водоемам) Мп, Ре (больше 200), Сс1, вЬ (больше 50), Те, Хп, Си (больше 1,1), смешиваются с питьевыми водами р. Уруп и создают аномалию размером до 1 км.

В пятой главе «Токсиканты в почвах и растительности техногенного ландшафта района» рассматривается геохимия почв и растительности района. Приведено обоснование выбора участков для исследования, комплекса методов полевых и лабораторных исследований, а также методик статистической обработки геохимической информации. Изложены результаты опробования верхнего почвенного горизонта и произрастающей на нем растительности вокруг территории хвостохранилища. Изучен ореол рассеяния химических элементов, в первую очередь токсикантов; накопление и миграция их в почве и растениях, по мере удаления от хвостохранилища до расстояния 1 км, в соответствии с розой ветров (рис. 10). Оценены размеры почвенной и биогеохимической аномалий, рассчитан коэффициент биологического поглощения (КБП).

В результате ветровой эрозии наиболее мелкие частицы из хвостохранилища накапливаются в верхнем почвенном горизонте, создавая вокруг хвостохраншшщ техногенные почвы.

Основу природного почвенного покрова Урупского района составляют зональные почвы: горно-луговая, дерно-торфянистая, горно-луговые-черноземовые, горно-лесные, темно-серые и черноземы. На скалистом хребте и на его склонах — черноземы горные. Почвы района имеют тяжело-средний, легкосуглинистый механический состав.

Анализ проб почв, собранных на прилегающих к

хвостохранилишу территориях, проводился на содержание Zn, Pb, Си, Cr, Ni, Mn, Fe.

На наиболее загрязненном участке подзолистые и железистые почвы (дамба) с концентрацией, ppm: Zn 69199 (рис. 11), РЬ 15-35, Fe 32157-65179; на склоне (горно-луговые-черноземовые): Си 19— 78, на трансекте 3 (темно-серые и бурые): Cr 83-390, Ni 18-85, Mn 310-1472.

Средние содержания в верхнем почвенном горизонте сравнивались с кларками химических элементов в почвах (Скляров и др., 2001 г.). Исследования показали, высокие значения Кк: Fe 12—Ti9—Cu2—As 1,3— Znl,2—Co 1,1—Mnl,l.

В табл. 2 приведены результаты анализа содержаний элементов-токсикантов в почвах и растительности, из которой видно, что среднее содержание цинка, никеля, ванадия и стронция в почве почти в два раза больше нормативов Санпина (1985).

Таблица 2

Среднее содержание элементов в почвах и растительности вблизи хвостохранилища (в скобках указана токсичность элементов).

почва растительность

Эл-т, ppm Среднее, ppm (n=54) ККскдяров ККсанпи н Среднее, ppm (n=54) Кк Добровольский

Hg(I) 56 28 2,1 0,001 0,005

Zn(I) 104 9,3 55 55 20

Pb (I) 23 0,6 32 - 1

Cr (II) 127 - - 17 од

Ni (Л) 58 0,5 20 15 0,5

Fe (III) 41324 12,2 - 5239 200

V (III) 114 0,8 150 6 1

Sr (III) 118 0,3 - 25 20

Mn (III) 835 1 1500 434 10

Примечание: «-» - не нормируется.

Сравнение полученных результатов с предельно допустимыми концентрациями химических элементов в почве (Минздрав СССР, Главное санэпидуправление. М., 1985) показало превышение по Ъп и Н§ (рис. 11, 12), Аб, Со, Си, V. Ртуть распределена неравномерно в гумусовом горизонте по площади в районе хвостохранилища (от 17 до 651 ррт), при этом наибольшие содержания элемента отмечены в районе дамбы. Содержания РЬ, Мп находятся в пределах нормы.

zn, ppm

ш 4(jo srn за

Расстояние от хвистохранилища

Рис 11. Распределение цинка в почве и растительности района

хвостохранилища

Рис. 12. Распределение ртути в почве района хвостохранилища

' 200 400 600 800

Расстоннае от хвостохранмпища, м -ДДМЗД Дорога "».сююн —«-ПДК

■ 3000

[ Í 2500 ! i с 2000

11SOO 1000

В исследуемом районе были отобраны произрастающие равномерно по площади виды растений: лисохвост (Alopecurus sp.), фундук или лещина крупная (Corylus maxima), василек (Centaurea jacea), тысячелистник (Achillea). Анализ проб растительности, собранной на хвостохранилище и прилегающих к нему территориях, проводился на содержание в них тех же металлов, которые определялись в почвах (Zn, Pb, Cu, Cr, Ni, Mn, Fe, табл. 3).

Таблица 3.

Содержание химических элементов в растительности (сухой массе) вблизи

Тип растения Fe Hg Sr Mn Zn Cr Ni V

Лисохвост 23923 0,0002 54 2245 172 66 41 26

(Alopecurus sp.) 0,7 0,56 0,2 3 1,81 0,38 0,6 0,3

Лещина крупная 6803 0,0001 32 3395 174 128 24 20

(Corylus maxima) 0,69 0,52 0,4 i J> 1,76 0,4 0,61 0,3

Василек 12355 0,0002 27 1476 172 98 49 16

(Centaurea jacea) 0,66 0,49 0,38 2,8 1,79 0,41 0,56 0,3

Тысячелистник 14480 0,0004 65 3017 112 135 12 11

(Achillea) 0,7 0,6 0,4 3 1,8 0,36 0,59 0,3

Примечание: в числителе макс, содержание, в знаменателе - коэффициент биологического накопления.

Была установлена положительная корреляция между присутствием повышенных содержаний Мп, Zn, 8г в алеврито-глинистых отложениях

хвостохранилища и в растениях, прежде всего, в их корнях. На наиболее загрязненном участке с содержанием цинка 174 ррш (почва на дамбе) его содержание в корнях лисохвоста (сухой массе) составило 172 ррш, а у тысячелистника — 112. Высокий уровень биоаккумуляции марганца (141-3397 ррш) наблюдается в корнях растений василька и лисохвоста, стронция — 10-65 ррт у тысячелистника. Отмечено высокое содержание железа в корнях растений — 23923 у лисохвоста, 14480 — у тысячелистника, 12355 — у василька и 6803 — у лещины.

Коэффициент биологического накопления (КБН-растителыюсть/почва) показал накопление в почве № (2-49), Сг (2-130), V (0,2-26), Ре (420-23923), Яг (0,03-65), вблизи хвостохранилища в значительно меньшем количестве переходят в растения. Мп (46-3397) и 2п (11-174) накапливаются в растительности, произрастающей около хвостохранилищ.

Перечисленные элементы формируют почвенные (до 300 м) и биогеохимические (до 500 м) аномалии. Исхода из вышеизложенного, можно сформулировать третье защищаемое положение: техногенный ландшафт района исследования формируется в результате ветровой эрозии песков хвостохранилища, которые разносятся на окружающие территории, создавая почвенные (№, V, Ре, Сг, 8г, "П до 300 м, Н;* до 200 м) и биогеохимические (до 500 м) аномалии (Хп, Мп).

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в ходе проделанной работы.

1. Эколого-геохимические исследования на территории Урупского ГОКа и в окрестностях подтвердили, что хвостохранилища являются техногенными источниками загрязнения окружающего ландшафта, которое в условиях гипергенеза осуществляется посредством ветровой, водной и биогенной эрозии, что приводит к формированию техногенных почвенных и биогеохимических аномалий, изменению состава вод и формированию техногенных ландшафтов.

2. В алеврито-глинистых отложениях хвостохранилища содержатся элементы первого, второго и третьего класса токсичности. Содержание некоторых из них превышает кларковые значения в тысячи раз. Токсиканты проникают практически во все депонирующие и транспортирующие природные среды вследствие естественного разрушения рудных масс и в процессе освоения месторождений. В зонах складирования отвалов происходят физико-химические процессы, в результате которых возникают новые минеральные фазы, меняются формы нахождения химических элементов, переходящие в подвижное состояние и легко мигрирующие на окружающие почвы, поступающие в воды и растения. Потоки вещества из отходов горнорудного производства изменяют состояние среды жизнедеятельности, отрицательно воздействуя на биоценозы, на развитие живых организмов, в том числе и человека.

3. В водной вытяжке проб хвостов выявлены Сс1, Тп, и, РЬ, Со, Мо, БЬ, Те, которые находятся в подвижной форме и могут поступать в речную сеть (р.

Уруп — источник питьевого водоснабжения Карачаево-Черкесской Республики) и водоносные горизонты.

4. Выявлены особенности и закономерности миграции химических элементов в системе хвостохранилища: С(1, Со, N1, и, РЬ являются наиболее миграционноподвижными и накапливаются на глубине 0,7—1,5 м.

5. В техногенном источнике загрязнения возможно увеличение скорости гипергенеза минералов, складированных в хвостах. Причинами этого могут являться: диспергированность минералов, их перемешивание, аэрация, увлажнение, действие флотирующего реагента.

6. В пробах хвостохранилища обнаружены: Аи (до 10,9 г/т); А§ (до 23,6 г/т); Яе (до 0,09 г/т), которые могут извлекаться при переработке отходов ГОКа. В результате комплексного извлечения химических элементов из хвостов возможно очистить источник загрязнения ландшафтов от токсикантов и уменьшить его влияние на природные ландшафты.

7. По результатам исследования поведения химических элементов в водной системе района, по всем исследуемым параметрам виден высокий фон для химических элементов, который необходимо учитывать при пересчете предельно-допустимых сбросов для месторождения и хвостохранилища.

8. Выявленные закономерности миграции химических элементов в системе хвостохранилище—водная система района являются основой мониторинга водных ландшафтов района.

9. Установлены закономерности миграции химических элементов в системе хвостохранилище—почвы, растения, определившие накопление элементов-токсикантов (Мп, Ре, Си, Тп, Сг, №) вблизи техногенного источника загрязнения. Высокие значения наблюдаются в радиусе километра от хвостохранилища, но с удалением от него показатели снижаются.

10. Как показали проведенные исследования, химические элементы (Т^, У.п, СсЗ) из техногенного источника (хвостохранилища) поступают на окружающие территории и накапливаются в воде, почве, растениях.

III. СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Алампиева, Е.В. Поведение токсикантов в хвостах горнообогатительного производства на медноколчеданном месторождении / Е.В. Алампиева, Е.Г. Панова // Известия Российского Государственного Педагогического Университета им. А. И. Герцена. Серия Естественные и точные науки. - 2012. - № 147. - С. 144-151 (0,6/0,5 п. л.).

2. Алампиева, Е.В. Производственная деятельность человека и ее возможные последствия / Е.В. Алампиева // Вестник Томского государственного университета. — 2013. - №377. — С. 163-166 (0,6/0,5 п. л).

3. Алампиева, Е. В. Эколого-геохимические особенности освоения золото-сульфидного месторождения в условиях таежного ландшафта / Е.В. Алампиева, Е.Г. Панова // Геология, геоэкология, эволюционная география:

/с

сборник научных трудов. - Том. 8. СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена.

2008. - С. 169-173 (0,6/0,3 п. л.).

4. Алампиева, Е.В. Актуальные проблемы вторичной переработки и складирования отходов золото-сульфидного месторождения / Е.В. Алампиева, Е.Г. Панова // Геология, геоэкология, эволюционная география: сборник научных трудов. - Том. 9. СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена-

2009. -С. 36-38 (0,6/0,2 п. л.).

5. Алампиева, Е.В. Актуальные проблемы освоения золоторудных месторождений (на примере месторождения Юрьево. Читинская область, Забайкальский край) / Е.В. Алампиева, Е.Г. Панова // Материалы VIII Международной конференции и летней школы «Геология в школе и вузе: геология и цивилизация». - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, - Том. 9. -2009. - С. 180-186 (0,6/0,2 п. л.).

6. Алампиева, Е.В. Оценка экологического состояния техногенного месторождения, входящего в состав Урупского горно-обогатительного комбината / Е.В. Алампиева, Е.Г. Панова, С. Ю. Янсон // Геология, геоэкология, эволюционная география: сборник научных трудов. -Том.10 -СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена. - 2010. - С. 99-102. (0,4/0,3 п. л.).

7. Алампиева, Е.В. Геохимическая характеристика отходов горнообогатительного производства на медно-колчеданном месторождении / Е.В. Алампиева, Е.Г. Панова // Геология, геоэкология, эволюционная география: сборник научных трудов Том. 11. -СПб. : Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена. -2011.-С. 176-180 (0,6/0,3 п. л.).

8. Алампиева, Е.В. Производственная деятельность человека и ее возможные последствия / Е.В. Алампиева, Е.Г. Панова // Науки о Земле и цивилизация: Материалы Международной молодежной конференции. Том. 2: Науки о Земле. - СПб.: Изд-во РГПУ им. А.И. Герцена, 2012. - С. 90-93 (0,3/0,2 п. л.).

Подписано к печати 15.04.2014 Формат 60x84/16.Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем: 1,25 п.л. Тираж: 100 экз. Заказ №. 51-49 Отпечатано в типографии ООО «Копи-Р Групп» 190000, Россия,Санкт-Петербург,пер. Гривцова, д. 6, лит. Б