Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геоинформационное и физико-химическое моделирование геолого-геохимических процессов на сульфидных месторождениях в криолитозоне

ВАК РФ 25.00.35, Геоинформатика

Автореферат диссертации по теме "Геоинформационное и физико-химическое моделирование геолого-геохимических процессов на сульфидных месторождениях в криолитозоне"

На правах рукописи

АБРАМОВА Вера Александровна

ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ НА СУЛЬФИДНЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ В КРИОЛИТОЗОНЕ

Специальности: 25.00.35 - «Геоинформатика» 25.00.09 - «Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

- 2 ПЕН 2015

ИРКУТСК-2015

005561966

005561966

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте природных ресурсов, экологии и криологии Сибирского отделения Российской академии наук и Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Иркутском национальном исследовательском техническом университете»

Научные руководители:

Птицын Алексей Борисович, доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры химии окружающей среды Новосибирского государственного университета

Паршин Александр Вадимович, кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры технологии геологической разведки, руководитель совместной базовой научно-исследовательской лаборатории «Геологической информатики» Иркутского национального исследовательского технического университета и Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН

Официальные оппоненты:

Жмодик Сергей Михайлович, доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией геохимии благородных и редких элементов и экогеохимии Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института геологии и минералогии им. B.C. Соболева СО РАН (г. Новосибирск)

Голубенко Ирина Сергеевна, кандидат геолого-минералогических наук, директор центра геоинформационных технологий и сетевых коммуникаций Федерального государственного бюджетного учреждения науки Северо-Восточного комплексного научно-исследовательского института им. H.A. Шило ДВО РАН (г. Магадан)

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геологический институт Сибирского отделения РАН, г. Улан-Удэ

Защита состоится «09» октября 2015 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.073.01 при ФГБОУ ВО Иркутском национальном исследовательском техническом университете по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ИРНИТУ, ауд. Е-301.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВО Иркутского национального исследовательского технического университета и на сайте http://www.istu.edu/structure/54/5042/.

Отзывы на диссертацию и автореферат должны представляться в диссертационный совет не позднее, чем за 15 дней до защиты диссертации. В отзыве указываются фамилия, имя, отчество лица, предоставившего отзыв, почтовый адрес, телефон, адрес электронной почты, наименование организации и должность в этой организации. Отзыв в 2 экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять ученому секретарю совета Галине Дмитриевне Мальцевой по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, ИРНИТУ, диссовет Д 212.073.01 (тел. 89149323049; e-mail: dis@istu.edu).

Автореферат разослан «/т7» августа 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат геолого-минералогических наук

Мальцева Г.Д.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Территория Северного Забайкалья известна своими месторождениями благородных, радиоактивных, редких и цветных металлов. Однако, вплоть до нового тысячелетия, освоение месторождений сдерживается целым рядом факторов, а именно, суровыми и экстремальными природно-климатическими условиями, большим объемом необходимых капиталовложений, отсутствием транспортных путей и низкой конъюнктурой на рынке металлов. В последнее время, в связи с реиндустриализацией зоны Байкало-Амурской магистрали, интерес к рассматриваемой территории возрастает, что дает основания предполагать активизацию промышленной деятельности.

Решение актуальных поисково-оценочных и геоэкологических задач на данной территории невозможно без понимания протекания геолого-геохимических процессов в криолитозоне. Так, серьезную экологическую опасность в этом плане представляют отходы горнорудной промышленности, поскольку зачастую в течение длительного времени хранятся без соблюдения соответствующих норм и подвержены постоянному воздействию агентов выветривания. В техногенных ландшафтах наиболее интенсивно процессы химического выветривания рудных и нерудных минералов, особенно сульфидов, могут протекать под действием кислотных атмосферных осадков, образование которых связано со значительным увеличением техногенной эмиссии азота и серы [Мазухина и др., 1997; Чантурия и др., 1999; Макаров и др., 1999; Маркович, 1999]. Причем, кроме ставших уже привычными сернокислых дождей, усиливается влияние соединений азота. Эти процессы достаточно хорошо исследованы в условиях теплого климата. Однако для сложных криогеохимических систем этот вопрос является мало изученным.

Традиционные геоинформационные системы, де-факто являющиеся стандартом в обеспечении геологической деятельности, слабо применимы для моделирования вероятных криогеохимических процессов, поскольку их механизмы прогнозирования требуют накопленной мониторинговой информации или данных по аналогичным объектам. Для более глубокого представления и прогнозной оценки о влиянии соединений азота на протекание геохимических процессов, особенно в криолитозоне, целесообразно использование компьютерного физико-химического моделирования (ФХМ), основанного на методе минимизации свободной энергии Гиббса [Чудненко, 2010]. Однако для внедрения таких информационных систем в практику решения геолого-геохимических задач, связанных с геологическим моделированием и геоэкологическим прогнозом, необходима экспериментальная проверка применимости аппарата термодинамического моделирования, так как по вопросу о допустимости физико-химического моделирования при отрицательных температурах существуют принципиально различные мнения.

Актуальность данной работы обусловлена необходимостью создания методической и технической базы для решения задач разведки и охраны недр в условиях криолитозоны, согласованных с современным уровнем развития геологии. Недостаточная изученность геохимических процессов с участием соединений азота при отрицательных температурах, а именно, процессов криогенного окислительного выщелачивания сульфидов, не позволяет эффективно оценивать геоэкологические последствия отработки сульфидных месторождений, постановку их поисков методом

литохимических потоков рассеяния, а также совершенствовать криогеотехнологические способы добычи металлов и проводить экономическую оценку уже имеющихся на рассматриваемой территории техногенных образований (отвалов и хвостов). Сформированный в ходе изучения криогеохимических процессов научный базис может быть внедрен в практику путем создания новых программных технологий решения прямых и обратных геолого-геохимических задач, которые должны быть доступны для конечного пользователя, экономичны и независимы от технологий геополитических противников. В частности, в настоящее время нецелесообразно реализовывать программные решения на базе ГИС-технологий, производимых в США. Одной из очевидных определяющих проблем создания программной технологии прогнозирования результатов криогеохимических процессов является разработка способа представления результатов ФХМ в традиционном картографическом виде, что требует решения проблемы сопряжения аппарата термодинамического моделирования и классических геоинформационных систем.

В качестве модельного объекта выбрано крупнейшее в мире по запасам меди Удоканское месторождение (Забайкальский край), масштабное освоение которого планируется в 2022 году [Правительство ..., 2014]. Апробация технологии на примере еще не реализованного «Отчета о предварительной оценке ...» [2010], при минимуме полевой информации, определяет принципиально новые требования к информационным системам обеспечения геологического прогноза.

Предметом исследования является геоинформационное моделирование криогеохимических процессов в зонах окисления сульфидных месторождений, основанное на физико-химических моделях и лабораторных экспериментах.

Объектом исследования являются сульфидные руды Удоканского медного месторождения (Восточное Забайкалье).

Цель работы - разработка ГИС- технологии, интегрирующей классические геоинформационные системы и аппарат физико-химического моделирования с целью обеспечения прогнозирования результатов вероятных геолого-геохимических процессов на примере криогенного выветривания сульфидных минералов с учетом влияния соединений азота, а также научное обоснование использования информационных систем в решении данного класса задач.

Задачи исследования:

1. Геолого-геохимическое и минералого-петрографическое изучение пород и руд месторождения Удокан с упором на процессы гипергенного преобразования.

2. Физико-химическое моделирование процессов окислительного выщелачивания сульфидных руд с участием соединений азота в широком интервале температур.

3. Экспериментальное подтверждение результатов ФХМ взаимодействия сульфидных минералов с кислотными растворами, содержащими соединения азота и серы, установление кинетических закономерностей процессов выщелачивания.

4. Создание геоинформационной технологии для объединения прогнозных свойств технологии ФХМ и картографического аппарата геоинформационных систем.

5. Геоинформационное моделирование и оценка возможного

воздействия на окружающую среду в результате освоения Удоканского медного месторождения, сопоставление новой ГИС-технологии с классическими способами решения прямых геолого-геохимических задач.

Фактический материал и методы исследований. В основу диссертационной работы положены материалы полевых и лабораторных исследований, полученные автором лично и в сотрудничестве с коллегами (ИПРЭК СО РАН, ИГМ СО РАН и ИГХ СО РАН) в течение 2001 - 2015 гг. Всего за время работы было проведено более 450 экспериментов, отобрано и проанализировано около 100 проб руды.

Химический и минералогический анализ сульфидной руды Удоканского месторождения выполнен в ЛИЦИМС (аналитики Е.И. Ищук и Т.Г. Шевченко, г. Чита). Рудные минералы изучены в полированных шлифах на рудном микроскопе Altami Polar 312 (минералог Е.М.Гранина, ИГХ СО РАН). Продукты опытов проанализированы методами атомно-адсорбционного анализа раствора и микрозондовым анализом в аттестованных лабораториях ИГМ СО РАН (инженер-химик В.Н. Ильина).

Термодинамический расчет равновесного состава растворов и вторичных твердых фаз при окислительном выщелачивании сульфидных руд Удокана выполнен с помощью последней версии программного комплекса «Селектор», созданного в Институте геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (г. Иркутск).

ГИС-технология картографического представления результатов физико-химического моделирования основана на согласовании форматов расчета среды «Селектор» с пространственными базами данных PostgreSQL/PostGIS и последующим картографировании в Quantum GIS. Для геоинформационного решения прямых геохимических задач реализованы соответствующие процедуры на языке pl/pgSQL, в качестве данных выступают результаты химического анализа руд, глобальные цифровые покрытия SRTM и AsterGDEM, WMS-покрытия госгеолкарт ВСЕГЕИ, данные дистанционного зондирования Landsat 8, а также топографические карты и архивная информация.

Достоверность защищаемых положений обеспечена:

• сочетанием методов экспериментального (лабораторного), физико-химического (компьютерного) и геоинформационного моделирования с полевыми исследованиями, выполненными как лично автором, так и работами предшественников;

• значительным количеством проб, изученных соответствующими современными аналитическими методами;

• представительным объемом проведенных экспериментов и обработкой результатов методами математической статистики;

• отсутствием явных противоречий при сопоставлении полученных в работе результатов с данными других авторов.

Научная новизна работы.

Впервые научно обоснована применимость методов физико-химического моделирования для изучения поведения меди в процессе окислительного выщелачивания сульфидных руд под воздействием атмосферных (азотсодержащих) осадков в условиях отрицательных температур.

Существующие базы термодинамических параметров дополнены согласованными значениями изобарно-изотермического потенциала некоторых возможных минералов зоны гипергенеза с кристаллизационной водой, их энтальпией образования из элементов и энтропией в стандартном состоянии (298.15 К; 1 бар).

Впервые на основе экспериментальных исследований показана роль азотистых соединений в процессах окислительного выщелачивания меди при отрицательной температуре.

Установлено, что проведенные модельные расчеты и экспериментальные исследования надежно показывают значительное влияние соединений азота на химическое преобразование приповерхностных частей криолитозоны и являются существенным фактором повышения подвижности химических элементов в коре выветривания.

Впервые предложена геоинформационная система, реализующая картографическое представление результатов физико-химического моделирования.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты могут быть использованы:

• при проведении поисково-оценочных работ на этапе оценки геолого-экономических параметров потенциально перспективных районов, в том числе, с учетом имеющихся на территориях отвалов месторождений;

• при геоэкологических прогнозах в районах освоения сульфидных месторождений, расположенных в зоне многолетней мерзлоты;

• для прикладных разработок и принятия решений в области охраны окружающей природной среды;

• при разработке регламента криогеотехнологической добычи металлов;

• при расчете потоков рассеяния от рудных объектов в криолитозоне.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе в

Иркутском государственном университете (курс «Основы ГИС-технологий») и в Забайкальском государственном университете (г. Чита, курсы «Геоэкология», «Прикладная экология» и «Техногенные системы и экологический риск»).

Полученные результаты включены в «Предложения по решению эколого-технологических проблем горнорудного комплекса Забайкалья», переданные в Министерство природных ресурсов и промышленной политики Забайкальского края.

Личный вклад автора. Основные идеи и положения диссертации оригинальны. Автор принимала непосредственное участие в планировании и проведении экспериментов, усовершенствовании их методики, а также в экспедиционной работе на Удоканском месторождении с отбором проб руд и пород. Личный вклад автора в построение физико-химических моделей, проведение расчетов, геоинформационное решение прямых задач геохимии и интерпретацию полученных результатов, является определяющим.

Публикации и апробация работы. По материалам выполненных исследований опубликовано 37 работ, включая 8 статей в периодических изданиях из перечня ВАК, 2 монографии в соавторстве и 27 публикаций в материалах международных и всероссийских конференций.

Основные результаты диссертации представлены на международных, всероссийских и региональных совещаниях: «Экологические проблемы и новые технологии комплексной переработки минерального сырья» (г. Чита, 2002);

Сибирских международных конференциях молодых ученых по наукам о Земле (г. Новосибирск, 2004, 2008); Второй международной конференции «Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов» (г. Иркутск, 2005); VII-x Всероссийских чтениях памяти академика А.Е. Ферсмана «Минералогия и геохимия ландшафта горнорудных территорий. Современное минералообразование» (г. Чита, 2006); конференции молодых учёных «Современные проблемы геохимии» (г. Иркутск, 2007, 2009, 2011, 2013); Всероссийской конференции, посвященной 50-летию Сибирского отделения РАН и 80-летию чл. корр. РАН Ф.П. Кренделева (г. Улан-Удэ, 2007); VII-ом Международном симпозиуме «Проблемы инженерного мерзлотоведения» (г. Чита, 2007); XXIII - ей Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (г. Иркутск, 2009); Всероссийской научно-технической конференции «Геонауки» (г. Иркутск, 2010, 2015); XVII - ом Международном научном симпозиуме «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2013) и других.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы (332 источника). Материал изложен на 228 страницах текста, содержит 54 рисунка и 28 таблиц.

Во введении изложены актуальность, цель и задачи исследования, основные защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость полученных результатов, дана характеристика структуры и объема диссертационной работы.

В первой главе представлен обзор литературы об общих физико-химических закономерностях процессов выветривания в криолитозоне и некоторых особенностях формирования зоны окисления сульфидных месторождений в условиях многолетнемерзлых пород. Особое внимание уделено данным по геохимии азота в природно-техногенных ландшафтах и их участию в процессах окисления сульфидов. Рассматривается геоинформационный подход к моделированию возможных геолого-геохимических процессов, обосновываются преимущества технологии компьютерного физико-химического моделирования в решении данного класса задач.

Во второй главе рассмотрена геолого-геохимическая обстановка и особенности криогенной зоны окисления Удоканского медного месторождения, приведены результаты исследований пород и руд. Основное внимание направлено на исследование минералогии и геохимии зоны гипергенеза. Рассмотрены проектные решения по освоению Удоканского рудного поля. Обосновывается необходимость исследования процессов выветривания, поскольку они имеют определяющее значение как при решении поисково-разведочных задач, так и при оценке последствий разведочно-эксплуатационной деятельности в условиях криолитозоны.

В третьей главе изложены некоторые общие принципы физико-химического моделирования взаимодействий в системе «вода - порода», основные термодинамические понятия, а также краткая характеристика ПК «Селектор». Представлены результаты модельных расчетов процессов выветривания сульфидных руд с участием соединений азота в широком интервале температур. Даны количественные параметры физико-химической модели окислительного выщелачивания сульфидов. Предложена новая информация для существующих баз термодинамических данных. Рассчитаны термодинамические свойства для некоторых отдельных минералов.

В четвертой главе научно обосновывается применимость методов ФХМ к решению задач моделирования геохимических процессов в криолитозоне. Представлены результаты экспериментального изучения процессов выщелачивания сульфидных руд Удоканского медного месторождения сернокислыми растворами с участием соединений азота, а также методика постановки экспериментов и обработки результатов исследования. Изучены кинетические закономерности процесса выщелачивания меди и дан сравнительный анализ по результатам аналогичных опытов без участия азотистой кислоты (HN02).

В пятой главе описана геоинформационная технология, разработанная на основании полученных результатов экспериментального и физико-химического моделирования, обеспечивающая количественный расчет и картографирование последствий вероятных геохимических процессов в отвалах сульфидных месторождений, расположенных в криолитозоне на примере существующего проекта освоения Удоканского месторождения. Рассмотрены возможные варианты картографирования результатов ФХМ, даны методические рекомендации по выполнению геоинформационных расчетов поисковых и геоэкологических задач. Проведено сравнение классического и геоинформационного подхода к расчету потоков рассеяния. Полученные результаты характеризуют воздействие разработки месторождения Удокан на окружающую среду.

В заключении приведены основные выводы по результатам работы.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность своим научным руководителям д.г.-м.н., профессору А.Б. Птицыну и к.г.-м.н., доценту A.B. Паршину за постоянное внимание и помощь при подготовке диссертационной работы. Автор благодарит к.г.-м.н. В.А. Бычинского за ценные консультации и критические замечания, к.г.-м.н. А.Е. Будяка за плодотворное сотрудничество и помощь в организации экспедиции на Удоканское месторождение, к.х.н. Т.И. Маркович за совместную работу при постановке лабораторных экспериментов, д.г.-м.н. К.В. Чудненко, к.б.н. М.В. Пастухова, к.г.-м.н. A.M. Фёдорова, к.г.-м.н. В.А. Романова за ценные консультации при подготовке работы, к.г.-м.н. JI.B. Заману, к.х.н. A.B. Мухетдинову, н.с. С.А. Решетову, к.б.н. Е.Б. Матюгину, н.с. М.Т. Усманова, к.б.н. И.Л. Вахнину, к.б.н. Л.Н. Золотареву, к.г.-м.н. О.В. Ерёмина, м.н.с. Е.С. Эпову, вед. инж. А.Г. Тяпкину, Н.С. Балуева за оказанную всестороннюю помощь и поддержку, а также всех сотрудников лаборатории геоэкологии и гидрогеохимии ИПРЭК СО РАН и совместной базовой научно-исследовательской лаборатории геологической информатики ИРНИТУ и ИГХ СО РАН за атмосферу доброжелательности и творческого общения.

СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ. В настоящее время вопрос о возможности активных геохимических процессов в многолетней мерзлоте уже не вызывает сомнений [Григорьева, 1957; Боженова, 1957; Бокий, 1961; Нерсесова, 1961; Бакаев, 1963; Дербенева, 1965; Коркина, 1965; Юргенсон и др., 1966; 1968; Чистотинов, 1974; Иванов и др., 1985; Птицын, 1992; 2006; Шварцев, 1998 и многие другие]. Это обеспечивается наличием жидкой водной фазы в виде свободных концентрированных и пленочных растворов, благодаря которым происходит контакт водных фаз с поверхностью минералов и предопределяется возможность протекания в многолетнемерзлых породах процессов выщелачивания, переноса и переотложения вещества. В результате подвижность ряда химических элементов

в зоне многолетней мерзлоты существенно повышается [Макаров, 1985]. Определенную информацию о подвижности химических элементов в сезонно-талом слое могут нести данные об их ореолах рассеяния [Питулько, 1985 и другие]. Известно, что окисление сульфидных минералов в приповерхностной зоне мерзлых пород также протекает не менее, а при некоторых условиях даже более интенсивно, чем при положительных температурах, в результате чего происходит формирование криогенной зоны окисления на сульфидных месторождениях, расположенных в зоне многолетней мерзлоты.

До настоящего времени остается актуальным изучение истории криолитозоны Удоканского медного месторождения, где геохимические процессы имели место в течение всего времени существования здесь многолетней мерзлоты - около 400 тыс. лет. Исследованием пород и руд месторождения занимались многие геологи и технологи [Юргенсон, 1968; Наркелюн и др.. 1968, 1987, 2001; Кренделев и др., 1983; Ступак, 1987; Шестернев и др., 1990; Чечёткин и др., 2000; Удокан..., 2003 и многие другие]. Удокан находится в зоне развития нижнепротерозойских образований в пределах Удоканского синклинория (прогиба), относящегося к крупной Кодаро-Удоканской структурно-формационной зоне (СФЗ) и является крупнейшим скоплением меди типа медистых песчаников (рис. 1).

0Е-Ю' Ш'И'ЕЭ'ЕЭ»

Рисунок 1 - а) Позиция Удоканского рудного поля в геологических структурах Намингинского рудного района |Чечеткин и др., 2000]. 1 - отложения венд-раннекембрийской пестроцветной терригенно-карбонатной формации Каларской впадины; 2 - 4 - осадочно-метаморфизированные формации раннепротерозойского Удоканского комплекса: 2 - намингинской свиты; 3 - сакуканской свиты; 4 - чинейской серии (бутунской, 9лександровской и читкандинской свит); 5 - горизонты медистых песчаников в составе сакуканской свиты; 6 - горизонты медистых песчаников и алевролитов в составе намингинской свиты; 7 - дайки лампрофиров (а) и габбро-диабазов (б); 8 - граниты и граносиениты ингамакитского интрузивного комплекса; 9 - габброиды Чинейского интрузивного комплекса; 10 - граниты и гранодиориты кодарского интрузивного комплекса; 11 - разрывные нарушения, б) Геолого-структурная схема Удоканского месторождения [Чечеткин и др., 2000]. 1 - песчано-аргиллит-алевролитовые отложения намингинской свиты; 2 - 5 -алевролит-аргиллит-песчаные отложения верхней сакуканской подсвиты: 2 - надрудная толща, 3 -рудная толща, 4 - горизонт медистых песчаников (а) и рудные тела медистых песчаников (б), 5 -подрудная толща; 6 - песчаные отложения средней сакуканской подсвиты. Дайки: 7 - габбро-диабазов, 8 - лампрофиров и кварцевых порфиров: 9 - разрывные нарушения.

Планируемая разработка месторождения Удокан (открытым способом) естественно усилит техногенное давление на прилегающую территорию и вероятнее всего приведет к изменению ее геохимического фона. В результате чего возникнут благоприятные условия для окисления, выщелачивания и выноса различных, в том числе токсичных, элементов, которые, попадая в окружающую среду, участвуют в гипергенных геохимических процессах и создают техногенные ореолы загрязнения. Подобные процессы необходимо рассматривать и с положительной стороны, так как их более детальное изучение и создание технологий моделирования позволит использовать полученные результаты в рамках поисково-разведочной деятельности, а также при разработке технологий оценки и отработки техногенных месторождений.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

ПЕРВОЕ ЗАЩИЩАЕМОЕ ПОЛОЖЕНИЕ. Физико-химическое компьютерное моделирование обеспечивает корректную реконструкцию геолого-геохимических процессов гипергенного выветривания сульфидных минералов с участием соединений азота при отрицательных температурах, что позволяет определить состав и условия образования возможных вторичных минеральных парагенезисов адекватных современному составу зоны окисления Удоканского месторождения, а также дополнить существующие открытые базы термодинамических данных.

С точки зрения термодинамики зоны многолетней мерзлоты определяются как сложные мало изученные системы. Одним из методов, позволяющим получить дополнительную информацию о потенциальном развитии геохимических процессов при отрицательных температурах, является компьютерное физико-химическое моделирование (ФХМ). Использование этого вида моделирования для анализа криогеохимических систем сопряжено с целым рядом трудностей. Тем не менее, в настоящее время известны новые методические основы расчета и согласования термодинамических свойств веществ, позволяющие рассчитывать равновесный состав гетерогенных многокомпонентных и многоагрегатных систем и исследовать преобразование веществ с помощью физико-химических моделей в условиях низких температур [Сидоров, 1999; Гуревич и др., 2001; Бычинский и др., 2008]. Приведенные выше аргументы позволяют предположить возможность реализации окислительных условий в зоне криогенеза для активного химического преобразования и выщелачивания рудных минералов сульфидных месторождений, а также учесть влияние соединений азота, входящих в состав кислотных выпадений, на протекание данных процессов.

Физико-химическое моделирование окислительного выщелачивания сульфидных удоканских руд проводилось с использованием программного комплекса «Селектор», основанного на минимизации свободной энергии Гиббса [Чудненко, 2010]. В данной работе использованы следующие варианты расчета равновесного фазового состава системы «вода-порода»:

а) в закрытых по отношению к атмосфере условиях с участием соединений азота (азотистой кислоты НЫ02) и серы (серной кислоты Н2504) в целях имитации геохимических процессов, происходящих в более глубоких от дневной поверхности горизонтах окисления при недостаточном количестве кислорода;

б) в открытых по отношению к атмосфере условиях с участием соединений азота (диоксида азота N02) с целью анализа влияния газовой составляющей, и, следовательно, кислотных (азотсодержащих) осадков на процесс окисления сульфидов и характер вторичного минералообразования в реальной обстановке зоны окисления Удоканского медного месторождения.

Принятая за основу исследуемая гетерофазная модельная система (закрытая к атмосферному воздуху) содержит в своем составе 12 независимых компонентов: Си -S - Fe - Si - AI - Ca - Ti - N - Zr - H - О - e, где e обозначает электрон (электрозарядность компонента). Расчёт химического равновесного состава проводился при положительных и отрицательных температурах (+ 20°С и - 20°С) и давлении 1 атм.

Список исходных веществ, появление которых можно ожидать в условиях химического равновесия системы, включает 72 компонента водного раствора и 272 компонента твердой фазы. Общее число зависимых (вероятных) компонентов, включенных в модель - 344. Открывая моделируемую систему для контакта с современной атмосферой и с вероятными кислотными (азотсодержащими) осадками, было предусмотрено увеличение, как независимых компонентов (до 13), так и зависимых (до 380). Соответственно данным изменениям моделируемая система С -N-Cu-S-Fe-Si-Al-Ca-Ti-Zr-H-O-e, включала 105 компонентов водного раствора, 9 газов и 266 твердых фаз.

При формировании физико-химической модели использованы термодинамические базы данных: a_sprons98.DB (для водных компонентов) и g_sprons98.DB (для газовых компонентов) [Johnson et al., 1992], s_Yokokawa.DB (для твердых фаз) [Yokokawa, 1988]. В список твердых фаз также включен лёд, термодинамические характеристики которого взяты из [Mercury et al., 2001]. Исходный массив термодинамических параметров баз данных ПК «Селектор» был дополнен рассчитанными автором согласованными значениями изобарно-изотермического потенциала некоторых возможных минералов зоны гипергенеза с кристаллизационной водой (табл. 1), их энтальпией образования из элементов и энтропией в стандартном состоянии (298.15 К; 1 бар) [Рябин и др., 1977; Mercury et al., 2001].

Таблица 1 - Термодинамические свойства соединений меди

Название Формула стехиометрическая -Äff/ cal/mol -AG/ cal/mol S° cal/mol

Пуатвенит CllS04H;0 -259520 -219460 34.895

Бонаттит CuS04-3H,0 —402560 -334649 52.892

Халькантит CUS04-5H;0 -544849 -449344 71.797

Нитрат меди Cu(NO,): -72978.01* -20895.5** 26.051*

Нитрат меди, тригидрат Cu(N03);- 3H,0 -291085.086* -200017** 62,5**

Нитрат меди, гексагидрат Cu(N03),- 6H,0 -504326,003* -374259* 98,9*

Нитрат меди, нонагидрат Cu(NOj)2- 9H:0 -720810,946** -551807** 135,51**

Примечание.

* - значения взяты из [Рябин и др., 1977]; ** - значения рассчитаны на основе аддитивности свойств кристаллизационной воды в гидратах (по[Мегсигу е1 а1., 2001]).

Изучение процесса выщелачивания сульфидов на базе модельной системы проводилось при взаимодействии Н2504 (0.5; 0.05; 0.005 и 0.0005 М) и НК02 (0.001, 0.01 и 0.1 М) кислот различной концентрации с 1 кг (55.5 молей) воды и твердой фазой (табл. 2).

Таблица 2 - Минералогический анализ сульфидной руды Удоканского месторождения _(выполнен в ЛИЦИМС, г. Чита, аналитик Т.Г. Шевченко)_

Минеральный состав Химическая формула Содержание в пробе, %

Анортит СаАЬ5ь08 38.84

Борнит Си;Ре54 0.1

Брошантит Си4(50„)(0Н)6 0.06

Ильменит БеТЮз 0.04

Кварц БЮ2 40

Лимонит Ре00Н(Ре203 пН20) 0.43

Магнетит Ре304 6.6

Халькозин СизЭ 13.87

Халькопирит СиРеБз 0.02

Циркон гг5Ю4 0.1

В том случае, когда моделируемая система открыта для контакта с атмосферой, предварительно к газовой фазе был добавлен К02 в количестве 0.005358 моль, что обусловлено присутствием данного соединения в атмосферном воздухе исследуемой территории в количестве, превышающим максимальное значение ПДК (0.085 мг/м3) в 2.9 раз [Государственный доклад..., 2008]. Результаты расчетов показали, что добавление И02 к газовой фазе на 100 кг атмосферы и 1 кг воды при 25°С и 1 атм. в стандартных условиях формирует осадки со значением рН 4.5 (табл. 3).

Таблица 3 - Перечень соединений в составе атмосферных осадков с примесью N02 _техногенного происхождения (по расчетным данным)_

Фаза Зависимые компоненты

Дождевая вода Н20, КО,', N5-, Ы2\ Ш3", Ш/, ХВДз", НМ02", КН4\Оз", Ш4ОНи, Ш4Ж>2°, ШОз, Н2СОз°, НСОз", СОз"2, СН4°, О20, Н2°, Ы2°, Аг°, Не0, Кг0, ОН', Н*

Атмосферный воздух N2, N02, N11,, СО, С02, СН4, 02, Н2. Аг, Не, Кг, Ке

Разные варианты проведенных термодинамических расчетов позволили определить состав равновесных с кислотным раствором возможных минеральных ассоциаций (табл. 4 и 5). Полученные данные показали, что парагенезисы вторичных минералов в целом соответствуют минеральным ассоциациям, обнаруженным в зоне окисления Удоканского месторождения (рис. 2), и геохимическим барьерам, возникающим на путях миграции рудных растворов. Установлено, что в гипергенных условиях образование водорастворимых сульфатов и их кристаллогидратных соединений, происходит в сильнокислых растворах (рН 0.5 - 1) как при положительных, так и при отрицательных температурах. В восстановительных условиях (закрытая по отношению к атмосфере система) сульфаты обогащены железом. Медь накапливается в силикатных минералах типа хризоколлы.

В открытых по отношению к атмосфере условиях напротив активно образуются сульфаты меди: пуатвенит (Си804-Н20), бонаттит (Си804-ЗН20) и халькантит (Си504-5Н20) (рис. 2).

Таблица 4 - Результаты моделирования процессов окислительного выщелачивания сульфидов с участием азотистой кислоты (в закрытых по отношению к атмосфере условиях)_

Состав раствора, моль/л Физико-химические параметры модели Минеральная ассоциация

h2so4 hnoj рн Eh, в минерализация, г/кг

+ 20°С

0.5 0.1 2.65 0.1654 39.2 Ссомольнокит, роценит, сидеротил, феррогексапшрит, мелантерит, каолинит, кварц, рутил, ангидрит, бассанит, гипс

0.05 0.1 5.30 -0.0204 7.48 Ссомольнокит, роценит, сидеротил, феррогексагидрит, мелантерит, хризоколла. каолинит, кварц, рутил, ангидрит, бассанит, nine, хлориты

0.005 0.01 8.02 -0.2479 6.67 Хризоколла, ангидрит, бассанит, гипс, каолинит, ломонтит, марказит, кварц, рутил

0.0005 0.001 8.03 -0.2482 6.51

- 20°С

0.5 0.1 1.32 0.3440 53.4 Лёд, роценит, сидеротил, феррогексагидрит, мелантерит, каолинит, кварц, ангидрит, бассанит, гипс, годовиковит

0.05 0.1 7.30 -0.1298 30.7 Лёд, хризоколла, бассанит, ангидрит, nine, хлориты, каолинит, ломонтит, марказит, кварц

0.005 0.01 7.64 -0.1571 70.6 Лёд, хризоколла, ангидрит, nine, бассанит, каолинит, ломонтит, марказит, кварц

0.0005 0.001 7.64 -0.1570 74.8 Лёд, хризоколла, ангидрит, гипс, бассанит, каолинит, ломонтит, марказит, кварц, рутил

Таблица 5 - Результаты моделирования процессов окислительного выщелачивания сульфидов с участием азотсодержащих соединений (в отрытых по отношению к атмосфере условиях)_

Состав раствора, моль/л Физико-химические параметры модели Минеральная ассоциация

h2so4 рн Eh, в минерализация, г/кг

+ 20°С

0.5 2.21 1.0893 36.5 Пуатвенит, бонаттит, халькантит, ангидрит, бассанит, гипс, хлориты, гематит, оксид циркония, кварц, рутил

0.05 4.75 0.9414 35.1 Бонаттит, халькантит, ангидрит, бассанит, гипс, гематит, оксид циркония, кварц, рутил, хлориты

0.005 6.79 0.8226 35.4 Ангидрит, бассанит, гипс, хлориты, гематит, оксид циркония, кварц, рутил, арагонит, малахит, нитрат кальция, нитрат меди гексагидрат

0.0005 6.79 0.8225 35.4

- 20"С

0.5 2.62 1.0994 43 Лёд, бонаттит, халькантит, билинит, галотрихит, ангидрит, бассанит, гапс, ростит, хлориты, гематит, оксид циркония, кварц

0.05 5.25 0.9674 136.5 Лёд, ангидрит, бассанит, nine, хлориты, гематит, оксид циркония, кварц

0.005 5.26 0.9669 136.2 Лёд, ангидрит, бассанит, nine, хлориты, гематит, оксид циркония, кварц, рутил, нитрат кальция, нитрат меди гексагадрат

0.0005 5.25 0.9669 136.2

Рисунок 2 - Современное минералообразование в условиях отрицательных температур: а) кристаллы халькантита на кровле штольни № 3 в 75 м от ее устья, месторождение Удокан; б) образец халькантита

Сульфаты кальция: ангидрит (Са804), бассанит (Са804-0.5Н20) и гипс (Са804-2Н20) образуют устойчивые соединения при всех режимах моделирования, но в разных концентрациях. В природных условиях их образование связано преимущественно с кристаллизацией из кислых сульфатных растворов, формирование которых возможно, как в зонах окисления сульфидных месторождений, так и в рудных отвалах.

В условиях отрицательных температур среди минеральных фаз присутствует лёд. Получено подтверждение того, что в криогенных условиях многие минералы после осаждения гидратируются, число молекул воды с понижением температуры увеличивается.

ВТОРОЕ ЗАЩИЩАЕМОЕ ПОЛОЖЕНИЕ. При отрицательных температурах присутствие соединений азота существенно интенсифицирует процессы выветривания сульфидных минералов в криогенной зоне окисления Удоканского медного месторождения. Вскрытие сульфидной руды включает кислотное выщелачивание и вторичное минералообразование, что оказывает определяющее значение при решении задач разведки и охраны недр.

Для моделирования процесса выщелачивания сульфидов в криогенных условиях при постановке экспериментов использовались сливные сульфидные руды Удоканского месторождения. Материал для опытов был взят из штольни № 2. Экспериментальные исследования были выполнены на дисперсном материале, крупность фракций составляла - 0.2 + 0.063 мм (для изучения кинетики выщелачивания) и - 0.063 мм (во всех остальных опытах). Выбор данных фракций обусловлен тем, что, как правило, в отвалах хвостов обогащения выщелачиванию подвергается измельченный материал различного гранулометрического состава. В этой связи правомочность использования материала данной крупности, очевидна. Эксперименты с дробленой рудой нельзя рассматривать как модель естественных процессов в условиях месторождения, но можно использовать для оценки процессов окисления, происходящих в заскладированных горнопромышленных отвалах.

Опыты по выщелачиванию меди проводились при разных температурных режимах (- 20°С) и (+ 20°С): Эксперименты при отрицательной температуре (- 20°С) проводили в морозильной камере, что соответствует температурному режиму в зоне многолетней мерзлоты (в большинстве случаев температура мерзлых пород не опускается ниже - 10°С).

Для приготовления растворов применяли стандартные методики [Зеликман и др., 1983] и реагенты марки ХЧ. Выбор концентраций серной кислоты от 0.5 до 0.0005 M обусловлен широким диапазоном содержания H2S04 в природных водах зон окисления сульфидных месторождений [Nordstrom, 1991]. Минимальное содержание HN02 в системе обусловлено сравнимостью с составом атмосферных осадков (0.0005 M или 0.034 г/л [Маркович, 1999]) и возможностью фиксировать заметное ускорение окисления сульфидов в экспериментальных условиях.

При исследовании кинетики процесса продолжительность выщелачивания составляла 5, 15, 30, 60 и 90 дней, в остальных экспериментах 90 дней. Каждая точка кинетической кривой определялась путем усреднения по трем (5, 15, 30, 60 дней) и четырем (90 дней) параллелям.

Соотношение твердой и жидкой фаз (Т:Ж) в опытах составляло 1:5 и 2.5:1 по массе. Навеска руды во всех случаях - 5 г, объем исходного раствора 25 мл и 2 мл соответственно.

рН растворов до (во всех случаях) и после экспериментов (при Т:Ж = 1:5) измеряли рН-метром-милливольтметром «рН - 673.М». Величину кислотности жидкой фазы после выщелачивания руды при Т:Ж = 2.5:1 определяли при помощи универсальной индикаторной бумаги вследствие малого объема раствора.

Твердая фаза после эксперимента просматривалась под бинокулярным микроскопом с целью выявления новообразовавшихся фаз. В случае их обнаружения и при условии достаточного количества проводился анализ на микрозонде в Аналитическом центре ИГМ СО РАН (г. Новосибирск).

Растворы после полного оттаивания фильтровались через бумажный фильтр (белая лента), а затем анализировались на содержание меди методом атомной абсорбции на спектрофотометре фирмы «Перкин Элмер» 303 ОВ с приставкой MHS-20 в Аналитическом центре Института геологии и минералогии СО РАН. Ошибка анализа составляла не более 3 %, а для концентрированных растворов (более 2 г/л) с учетом ошибки при разбавлении - до 6 %. Для определения связей между концентрациями меди и азотистой кислоты применен корреляционный анализ [Справочник..., 1997].

На начальном этапе постановки экспериментов по моделированию процессов криогенного окисления сульфидов с участием HN02 исследования проводились в течение длительного времени (90 суток) и с преобладанием жидкой фазы (Т:Ж = 1:5). Условия экспериментов и усредненные результаты выщелачивания сульфидной удоканской руды серноазотистокислыми растворами представлены в таблице 6. Для сравнения полученных результатов и оценки эффективности криогенного выщелачивания в таблице 6 приведен коэффициент К, равный отношению концентраций меди в растворах после выщелачивания при разных температурах ССц (- 20°С) / ССи (+ 20°С).

Анализ данных таблицы 6 показывает, что максимальный относительный эффект криогенного выщелачивания по сравнению с положительными температурами

проявляется при концентрациях 0.0005 и 0.005 М Н2304 и 0.001 и 0.01 М НШ2 соответственно. Извлечение меди из твердой фазы увеличивается в 30 - 100 раз в слабокислых средах. Именно в этом диапазоне кислотности растворы при замораживании претерпевают наибольшие изменения (коэффициенты криогенного концентрирования составляют 6000 и 600 раз соответственно).

Таблица б - Выщелачивание меди из сульфидной руды серноазотистокислым раствором при - 20°С и + 20"С в течение 90 суток (Т:Ж = 1:5)___

Концентрация, моль/л Т = - 20°С Т = + 20°С К

Н2804 н\о2 Сет г/л рН раствора С Си» г/л рН раствора

исход. конеч. исход. конеч.

0.5 0.1 9.6 0.65 0.87 16.5 0.65 1.62 0.6

0.05 0.1 3.6 1.16 3.00 2.0 1.16 4.45 1.8

0.005 0.01 0.8 1.78 4.41 0.008 1.78 6.63 100

0.0005 0.001 0.09 2.30 4.66 0.003 2.30 6.65 30

Результаты экспериментов при другом соотношении твердой и жидкой фаз (Т:Ж = 2.5:1) представлены в таблице 7 и позволяют сделать вывод о том, что уменьшение объема жидкости в реакционной смеси является важным управляющим фактором и может приводить к выравниванию интенсивности процесса при - 20°С и + 20°С на всем интервале концентраций Н28 04.

Таблица 7 - Выщелачивание меди из сульфидной руды серноазотистокислым раствором при разных температурах в течение 90 суток (Т:Ж " 2.5:1)_

Концентрация, моль/л Т = - 20°С Т = + 20°С К=Сс„(-20°С)/ ССи(+ 20 °С)

Нг804 НМОг Сси, г/л

0.5 0.1 23.1 24.6 0.9

0.05 0.1 0.2 0.06 3.3

0.005 0.01 0.04 0.03 1.3

0.0005 0.001 0.02 0.02 1.0

Результаты кинетических исследований по выщелачиванию меди из удоканской руды при разных температурах представлены на рисунках 3 и 4. Характер кинетических кривых процесса окислительного выщелачивания сульфидов существенно различается, но показывает, что концентрация металла в растворе достигает максимальных величин в течение первых суток. Снижение концентрации меди в растворе со временем может быть вызвано только выпадением вторичных твердых фаз. Отмечено, что процесс перехода меди в раствор в ходе окислительного выщелачивания при отрицательных температурах протекает более интенсивно, чем при положительных.

Извлечение меди в раствор из халькозина (основного минерала меди исследуемого образца удоканской руды) можно описать следующими уравнениями:

Си28+Н2804+2НМ02 = Си804+Си8 + 2ЫО + 2Н20 (1)

Си8+Н2804+2Ш02 = Си804+8 + 2Ж> + 2НгО (2)

15 -

15 30

а) время, сутки б) время, сутки

Рисунок 3 - Изменение концентрации меди в сернокислом растворе в присутствии азотистой кислоты (0.1 М) при разных температурах (Т:Ж = 2.5:1): а) рН 0.5 = 0.5 М Н2$04; б) рН 1 = 0.05 М НЬБСХ,

0,30 -0,25 0,20 -

с

ь.

<J 0,15 0,10 0,05

pH 2 рНЗ

- - -20°С -20°С

- -<£- +20°С —+20°С

-—§—

15 30

время, сутки

60

90

Рисунок 4 - Изменение концентрации меди в серноазотистокислом растворе (pH 2 - 0.005 М H2S04h 0.01 М HN02; pH 3 = 0.0005 М H2S04h 0.001 М HNO:) при разных температурах (Т:Ж = 2.5:1)

Методом микрозондового анализа подтверждено образование основного сульфата меди - брошантита Cu4(0H)6S04 в исследуемом процессе (рис. 5). Лишь в единичных случаях при отрицательной температуре в продуктах опытов отмечены голубые кристаллы халькантита.

Рисунок 5 - Микрофотография продуктов опыта после выщелачивания удоканской сульфидной руды (выполнено в Аналитическом центре ИГМ СО РАН, г. Новосибирск)

Для оценки влияния азотистой кислоты на эффективность процесса выщелачивания меди из сульфидных руд параллельно в аналогичных условиях проводились эксперименты без добавления МаЬГО2 (табл. 8).

Таблица 8 - Результаты экспериментов по выщелачиванию меди из удоканской руды сернокислым раствором с добавлением HNO; и без HNQ2 в течение 90 суток_

Концентрация г =-20"С Т = + 20°С

кислоты, М

h,soj hno2 Концентрация pH* Концентрация pH ко„.

Си г/л кон. Си, г/л

0.5 0.1 9.6 23.1 0.87 16.5 24.6 1.62 0.6 0.9

0.5 - 3.2 21.0 0.61 11.2 22.9 0.95 0.3 0.9

0.05 м 16 о2 3.00 2.0 0.06 4.45 1.8 3.3

0.05 - 2.5 4.9 1.87 3.5 0.4 4.18 0.7 12.2

0.005 0.01 м 0.04 4.41 0.008 0.03 6.63 100 1.3

0.005 - 0.7 0.3 4.29 0.01 0.02 6.72 70 15.0

0.0005 0.001 0.09 0.02 4.66 0.003 0.02 6.65 30 1.0

0.0005 - 0.08 0.02 4.62 0.001 0.01 7.32 80 2.0

* pH измерено после оттаивания.

**к = сси (- 20°с)/сс„ (+ 20°с).

Примечание. Числитель - раствор с добавлением HN02, знаменатель - без HN02; Т:Ж - 1:5 (прямой шрифт), 2.5:1 (курсив).

Сравнительный анализ данных таблицы 8 показал, что влияние HN02 на ускорение окислительного процесса в большей степени проявляется в области отрицательных температур при Т:Ж = 1:5. При добавлении 0.1 М азотистой кислоты к 0.5 М серной кислоты извлечение меди из твёрдой фазы возрастает в 3 раза при - 20°С, а при + 20°С лишь в 1.4 раза. Коэффициент криогенного концентрирования в данном

случае минимален и равен 6. При концентрации кислот 0.05 и 0.005 М H2S04 и 0.1 и 0.01 М HN02, т.е. в области значительного криогенного концентрирования растворов (К = 60 и 600), извлечение меди из твёрдой фазы в условиях замораживания возрастает в 1.4 и 1.1 раза, а при комнатных условиях уменьшается в 2 и 1.25 раз соответственно.

В результате проведенных исследований можно сделать вывод о том, что добавление к сернокислому раствору азотистой кислоты обычно интенсифицирует процесс выщелачивания сульфидных руд, хотя из этого правила имеются исключения. Кислотное вскрытие сульфидной руды Удоканского месторождения включает два этапа: кислотное выщелачивание и вторичное минералообразование. Азотистая кислота (HN02) влияет на обе стадии процесса.

Вполне целесообразным в данном случае является представление расчетных данных по окислительному выщелачиванию меди в присутствии (и без) техногенной примеси азота (N02), полученных в ПК «Селектор» (табл. 9). Результаты физико-химического моделирования показывают, что присутствие диоксида азота (N02) увеличивает процесс выщелачивания меди из твёрдой фазы от 0.75 до 1.34 раз в области отрицательных температур. При положительных температурах и наличии N02 в модели степень извлечения меди в раствор незначительна (от 0.07 до 0.59 раз). В целом же, процесс перехода меди в раствор также более эффективен в области отрицательных температур и возрастает от 2.8 до 5.3 раз по сравнению с положительными температурами. Полученные результаты показывают хорошую сходимость с данными экспериментальных исследований.

Таблица 9 - Концентрация меди в растворе (г/кг) при разных температурах (по расчетным

pH раствора (исходный) Т = + 20°С Т = - 20°С

Модель с атмосферой Модель с примесью NO2 Модель с атмосферой Модель с примесыо N02

0.5 1.8 2.14 5.7 7.4

1 1.4 1.99 4.8 6.14

2 1.2 1.58 3.6 4.35

3 0.91 0.98 3.1 4.14

Таким образом, допустимость физико-химического моделирования геохимических процессов в сульфидных рудах в условиях криолитозоны предлагается считать научно обоснованной. Кроме того, получены экспериментальные кинетические кривые процессов, позволяющие в дальнейшем при моделировании криогеохимических процессов учитывать фактор времени и выполнять прогнозный расчет на определенный период.

ТРЕТЬЕ ЗАЩИЩАЕМОЕ ПОЛОЖЕНИЕ. Впервые реализована методика и ГИС-технология, обеспечивающая геоинформационное картографирование результатов физико-химического моделирования и в результате позволяющая решать прямые геолого-геохимические задачи.

Физико-химическое моделирование обеспечивает расчет формы и количества вещества, которое образуется в результате криогеохимических процессов. Экспериментальное моделирование позволяет установить динамику процессов

поступления в окружающую среду токсичных компонентов. Эти результаты формируют научную основу для создания системы решения прямых геолого-геохимических задач, то есть расчета результатов выветривания сульфидных руд заданных кондиций на территориях с определенными условиями природной среды. Недостатком классической технологии ФХМ, на данный момент принципиально не решенным, является невозможность представления результатов расчетов в обычном для геологических информационных продуктов виде: то есть схемы или карты, классифицированной в соответствии с установленными требованиями. Также невозможен учет временной динамики процессов.

На современном уровне в основе геологических исследований лежат геоинформационные системы, включающие базы данных с результатами режимных наблюдений и информационные системы доступа к ним, обычно позволяющие представлять информацию в картографическом виде. Классические ГИС-системы обеспечивают сбор и хранение информации, анализ сложившейся геоэкологической обстановки, изучение и визуализацию временной динамики процессов. Однако подсистемы прогнозирования в таких ГИС основаны на накопленной фактографической информации, из которой с помощью методов регрессионного анализа производится экстраполяция выявленных закономерностей в будущее. Это значительно затрудняет их использование на первых этапах хозяйственного освоения новых рудных объектов, поскольку они не позволяют напрямую оценить потенциальные последствия от проектных решений.

Внедрение геоинформационных систем на этапе поисково-разведочных работ или же постановка задач моделирования геоэкологических последствий проектных решений ставит абсолютно новые требования к системам прогнозирования. Высокое качество прогноза при минимуме входных данных предлагается достигнуть за счет интеграции в математико-картографическое обеспечение ГИС подсистемы физико-химического моделирования. Результаты ФХМ в сочетании с пространственными данными, полученными геоинформационными методами из открытых источников, позволяют перевести удельное количество вещества в потоки или ореолы рассеяния, которые, в свою очередь, можно классифицировать в соответствии с действующими нормативами качества среды. На рисунке 6 приведена методическая и техническая реализация интегрированной системы.

Для формирования прогноза загрязнения в предлагаемом подходе необходимы следующие данные: масса и кондиции отвалов, их пространственное расположение, сведения о климатической характеристике района и режиме осадков, морфология рельефа, гидрологическая сеть, геологическая основа.

Кондиции руды, которые могут быть получены в ходе первых стадий геологического изучения объекта, представлены как база данных химического анализа руд и пород месторождения. Эта база данных используется для моделирования в среде «Селектор». На основе химического состава по отдельным элементам формируются таблицы, определяющие форму и количество конечных форм загрязняющих элементов (рис. 6).

Размеры и форма отвалов, их пространственное расположение определяются границами векторного слоя, который в данном примере получен из [Отчет о предварительной оценке..., 2010], а в перспективе задается на этапе предварительной оценки экономико-геологических условий рудопроявления.

Источники данных

Спутниковая информация Глобальные покрытия высот

Мульти спектральные данные высокого разрешения

Архивная информация Метеорология Климатическая характеристика Нормативная литература

Экспериментальные данные - Динамика процесса

Полевые данные

Каменный материал

Проектные представления об объекте работ

Базы термодинамических данных

Уококат + собственные 5ргоп$98

Внешние картографические серверы

Геоинформационная система Подсистема хранения

Базы данных

- Временные параметры процессов - Химический анализ Минералогический анализ Результаты ФХМ Геохимический фо>

Слои картографии Цифровая модель рельефа Гидросеть Проектные границы объектов

Геологическая карта

Подсистема ФХ?> Химический состав породи руд Термодинамические данные P/T условия Количество вещества

~ GJ

Подсистема обработки

Удельное количество вещества

абсолютно* количество еесцестоа

+временной ряд

количество вещества с единицу времени

+ морфология, геохимический фон

поток рассеяния

+ классы по ПДК

ПРОГНОЗ

__>

Информационные продукты

Электронные карты Бумажные нарты

Рисунок 6 - Информационный поток системы

Создан геоинформационный проект, включающий, кроме вышеперечисленных данных, также цифровую модель рельефа, которая может быть автоматизировано получена по спутниковым данным. Кроме этого, используется геологическая основа территории ВСЕГЕИ масштаба 1 млн., полученная по протоколу WMS, гидросеть отрисована по данным дистанционного зондирования Земли и топографическим картам. По ЦМР получены границы и площади водосборных площадей, приходящихся на хозяйственные объекты. Фрагмент цифровой основы геоинформационной системы приведен на рисунке 7. Все векторные данные, как пространственные, так и атрибутивные, хранятся в виде таблиц в единой базе PostgreSQL/PostGIS, что позволяет и реализовать централизованную обработку на уровне СУБД, реализовав расчет прямой задачи в виде процедур на языке р1^8С>Ь.

На основе информации о поступлении загрязняющих средств, полученных с помощью ФХМ (глава 2), временной динамики выхода, полученной экспериментально (глава 3), с учетом регионального геохимического фона (геологическая карта) и количества атмосферных осадков, рассчитывается потенциальный поток рассеяния от каждого из отвалов. Этот поток может быть классифицирован в соответствии с действующими ПДК для каждого из компонентов. Таким образом, впервые предлагается вариант связи аппарата термодинамического моделирования и классического варианта геоинформационной среды.

Работа технологии демонстрируется на примере решения прямой геохимической задачи по меди - расчета возможных концентраций меди во взвесях и в воде р. Нижний Ингамакит в полукилометре от впадения ручья Эмегачи (демонстрационный расчет приведен на первый год складирования отвала).

гО-гвал«'

шттт

^-¿/Хвосты 21; V \

ШШшшЯ

1400 т^

►Хвосты'3-

шш

Выполнено два расчета - по «классической» методике расчета рассеяния [Романов, 2002] и новым геоинформационным способом на основе ФХМ (рис. 7)._

потока данных

Условные обозначения

ф гидрометрическая станция Эмегачн

Нтолннпн рельефа —— Реки

Концентрация меди, мкг фон

6.3000 - 50 "■»50- 1000 0000 ■в 1000 оооо - мода оооо

Объекты инфраструктуры I I Карьеры I I Отвалы Строения

Плошадп водосборов I I руч Эмегачн I I р. Нижний Ингамаклт

Рисунок 7 - Вероятная среднегодовая концентрация меди в водотоках в районе месторождения Удокан. вычисленная: а) - по классической методике, б) - на основе геоинформационного подхода и данных ФХМ

На рисунке 7а приведены результаты классического расчета, проведенного по гидрометрическому посту Эмегачи. Согласно полученным данным, за год в реку Нижний Ингамакит поступит 312480 г меди, что обеспечит дополнительное содержание меди в воде в 1.28 мкг. При этом очевидно, что на коротких расстояниях (порядка первых километров), то есть в таких водотоках, как ручей Эмегачи, содержания меди в воде будут в десятки и сотни раз выше приведенной расчетной величины, а также будут зависеть от сезонных колебаний стока. Однако картографическое построение классического расчета не показывает эту закономерность. Также классический подход не отражает реально наблюдаемых аномальных концентраций в штольневых водах [Замана и др., 2003]. Геоинформационный расчет на основе данных ФХМ (рис. 76) значительно превосходит классический как по детальности, так и по уровню соответствия реальной обстановке. Повышенная детальность достигается за счет замены в расчете гидрометрической информации на метеорологическую и морфологическую, а достоверность - за счет замены универсальных констант выщелачивания меди на данные ФХМ. Согласно предложенной технологии, в районе гидрометрической станции Эмегачи среднегодовая концентрация по геоинформационному расчету превышает классический примерно в три раза, однако уже через несколько километров, после впадения реки Нижний Ингамакит в Ингамакит, содержание меди в воде приблизится к фоновому. Итоговая картина позволяет сделать вывод о том, что расположение отвалов и хвостохранилищ по данному проекту в верховьях небольших рек и ручьев, впадающих в реки с большой протяженностью и водосборной площадью, значительно сокращает техногенную нагрузку на окружающую среду в масштабе региона, делая ее допустимой. При этом в пределах лицензионной площади концентрации меди в воде ручьев, дренирующих отвалы и хвосты, могут значительно превышать ПДК. Сравнение схем 7а и 76 также явно указывают на то, что классические расчеты занижают количество выщелачиваемых из руды металлов, в связи, с чем в условиях криолитозоны они абсолютно неприменимы для решения геоэкологических задач и малоприменимы для обеспечения поисковых.

В составе разработанной геоинформационной системы используются исключительно открытые программные средства, функционирующие на основе открытых стандартов Open Geospatial Consortium. Это обеспечивает значительные преимущества по сравнению с классическим проприетарным программным обеспечением типа ESRI ArcGIS: более высокую экономическую эффективность, легкость внедрения и лучше соответствует современным внешнеполитическим реалиям.

На основе описанной методики и технологии проанализированы возможные последствия освоения изучаемого района, а результаты включены в «Предложения по решению эколого-технологических проблем горнорудного комплекса Забайкалья». Приведенная методика и научные основы расчетов позволят реализовать геоинформационную систему, обеспечивающую корректную реконструкцию процессов выветривания и применимую как для всей территории Северного Забайкалья, так и других территорий, характеризующихся распространением многолетней мерзлоты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты сводятся к следующему:

1. Впервые научно обоснована применимость аппарата термодинамического моделирования в решении задач, связанных с прогнозом последствий геологической деятельности в условиях криолитозоны.

2. Сформированы поправки в существующие открытые базы термодинамических данных, обеспечивающие внедрение результатов работы в практику.

3. Предложена геоинформационная технология, решающая проблему интеграции аппарата термодинамического моделирования в геоинформационные системы с выходом на картографические представления результатов моделирования.

4. Методом физико-химического моделирования определены условия и характер вторичного минералообразования в процессе окислительного выщелачивания удоканских сульфидных руд. Парагенезисы возможных вторичных минералов в целом соответствуют минеральным ассоциациям, обнаруженным в зоне окисления Удоканского месторождения.

5. В результате лабораторных экспериментов установлено, что кислотное вскрытие удоканской сульфидной руды включает два этапа: начальное кислотное выщелачивание и вторичное минералообразование. Азотистая кислота (HN02) влияет на обе стадии процесса. Исследование кинетики окислительного выщелачивания свидетельствует о том, что концентрация Си+2 в растворе в большинстве случаев достигает максимума в течение первых 5 дней, а затем постепенно снижается до низких значений вследствие выпадения вторичных твердых фаз.

6. Полученные результаты по интенсификации процессов окислительного выщелачивания сульфидов при отрицательных температурах могут быть использованы для разработки и совершенствования криогеотехнологических методов добычи металлов (меди, свинца, цинка и других).

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ: Публикации в журналах перечня ВАК:

1. Птицын А.Б., Маркович Т.И., Павлюкова В.А., Эпова Е.С. Роль атмосферных выпадений в процессах криогенеза зон окисления сульфидных месторождений // Вестник СВНЦ ДВО РАН. - 2005. - № 1. - С. 33 - 35.

2. Павлюкова В.А., Маркович Т.И. Геохимические процессы в криогенных зонах окисления сульфидных месторождений с участием соединений азота // Химия в интересах устойчивого развития. - 2006. - Т. 14, № 1. - С. 89 - 93.

3. Птицын А.Б., Маркович Т.И., Павлюкова В.А., Эпова Е.С. Особенности криогеохимических процессов в зоне окисления сульфидных месторождений (по экспериментальным данным) // Доклады Академии наук. - 2006. - Т. 411, №3. -С. 381 -383.

4. Птицын А.Б., Маркович Т.И., Павлюкова В.А., Эпова Е.С. Моделирование криогеохимических процессов в зоне окисления сульфидных месторождений с участием кислородных соединений азота // Геохимия. - 2007. - № 7. - С. 795 - 800.

5. Паршин A.B., Абрамова В.А., Мельников В.А., Развозжаева Э.А., Будяк А.Е. Перспективы благородно- и редкометалльного оруденения нижнепротерозойских отложений на территории Байкальской горной области // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2013. - № 3. - С. 53 - 59.

6. Абрамова В.А., Будяк А.Е., Паршин А.В. Влияние соединений азота на протекание криогеохимических процессов в отвалах рудных месторождений (на примере Кодаро-Удоканской рудной зоны) // Фундаментальные исследования. - 2013.

-№11 (6). - С. 1186 - 1190.

7. Абрамова В.А., Паршин А.В., Будяк А.Е. Физико-химическое моделирование влияния соединений азота на протекание геохимических процессов в криолитозоне // Криосфера Земли. - 2015. - Т. IX, № 3,- С. 40 - 47 (принято к печати).

8. Абрамова В.А., Паршин А.В., Романов В.А. Аппарат физико-химического моделирования как подсистема прогнозирования результатов геолого-геохимических процессов для географических информационных систем // Известия СО РАЕН. Геология, поиски и разведка рудных месторождений. - 2015. - №3. - С. 6 - 13 (принято к печати).

Монографии:

9. Птицын А.Б., Абрамова В.А., Маркович Т.И., Эпова Е.С. Геохимия криогенных зон окисления. Новосибирск: Наука. - 2009. - 88 с.

10. Птицын А.Б., Абрамова В.А. Основы геоэкологии. Теория, методология, практика. - LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH&Co.KG/ - 2011. - 249 с.

Прочие печатные работы:

11. Маркович Т.И., Павлюкова В.А., Эпова Е.С., Птицын А.Б. Современные процессы криоминералообразования в зоне окисления сульфидных месторождений // Минералогия техногенеза - 2007: Научное издание. - Миасс: ИМин УрО РАН, 2007. -С. 70-79.

12. Абрамова В.А. К вопросу об окислительном выщелачивании меди с участием соединений азота в криогенной зоне гипергенеза (на примере Удокана) // Современные проблемы геохимии: Материалы конференции молодых ученых. -Иркутск: Изд-во УРАН Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2009. - С. 195 -

198.

13. Абрамова В.А., Бычинский В.А. Изучение процессов криогенного выветривания сульфидов методом физико-химического моделирования // Молодежь и наука Забайкалья: материалы III молодежной научной конференции, г. Чита, 12 -15 ноября 2013 г. - Чита: Изд-во ЗабГУ, 2013. - С. 63 - 65.

14. Абрамова В.А., Паршин А.В. Геоинформационная обработка и представление результатов термодинамического моделирования // «Геонауки-2015: Актуальные проблемы изучения недр»: Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2015.-С. 142-145.

Подписано к печати 27.07.2015 г. Формат 60*84/16. Усл. пл. 1,5. Тираж 110 экз. Заказ № 57. Отпечатано в рекламно-полиграфической фирме «КопирЦентр» г. Чита, ул. Ленинградская, 16. Телефон: 8-914-459-5098