Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Сульфидные техногенные системы как источник поступления тяжелых металлов в окружающую среду

ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Айриянц, Аркадий Аполонович, Новосибирск

£ А - / 7 О - -?

$ '

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ, ГЕОФИЗИКИ И МИНЕРАЛОГИИ СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

АЙРИЯНЦ Аркадий Аполонович

Сульфидные техногенные системы как источник поступления тяжелых металлов в окружающую среду

04.00.02 - геохимия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научные руководители к.г.-м.н. С.Б. Бортникова д.г.-м.н. А.С. Лапухов

НОВОСИБИРСК 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................................................3

1. ОБЩИЕ ТЕНДЕНЦИИ В ИССЛЕДОВАНИИ ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ.............................13

2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...........................................................................................................17

2.1. характеристика джидинского ВМК.........................................................................................••••17

2.1.1. Джидинское рудное поле...........................................................................................................18

2.1.2. Переработка руд.......................................................................................................................19

2.1.3. Структура и вещественный состав сульфидного спецотвала............................................21

2.2. характеристика салаирского ГОКА.............................................................................................26

2.2.1. Салаирскоерудное поле.............................................................................................................26

2.2.2. Переработка руд.......................................................................................................................29

2.2.3. Структура и вещественный состав хвостохрантищ х..'1.;".......................................34

3. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СУЛЬФИДНЫХ ОТХОДОВ В ЗОНЕ АЭРАЦИИ....................................46

3.1. Гипергенные преобразования и ассоциации вторичных минералов.....................................47

3.2. Перераспределение и миграция металлов...................................................................................56

4. ПРОЦЕССЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В СИСТЕМЕ «ВОДА - ДОННЫЙ ОСАДОК»................63

4.1. Изменение содержаний металлов в воде техногенных озер....................................................63

4.2. Геохимическая зональность озер................................................................................................67

4.3. Влияние геохимических барьеров.................................................................................................72

5. КИСЛОТОПРОДУЦИРУЮЩИЙ ПОТЕНЦИАЛ...........................................................................77

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...............................................................................................................................................81

ЛИТЕРАТУРА..................................................................................................................................................88

ВВЕДЕНИЕ

Тематика настоящей работы связана с исследованием сравнительно малоизученных объектов - техногенных отходов горнорудной промышленности. Эти техногенные тела, аналогично природным геохимическим аномалиям, представляют собой реальные и потенциальные источники токсичных элементов, которые присутствуют практически во всех депонирующих и транспортирующих средах внутри складированных отходов и за их пределами вследствие эпигенетических процессов (Перельман, 1965). Порой масштабы такого загрязнения имеют региональный (Экогеохимия Западной Сибири, 1996) и даже планетарный характер. По мнению академика В.А. Коптюга, (1997), исследования, связанные с дальнейшим безопасным хранением и возможной переработкой отходов горнорудной промышленности, в настоящее время очень актуальны для России: «...Горнопромышленный комплекс является одним из самых масштабных источников нарушения и загрязнения окружающей среды. Объем извлечения и переработки горной массы в мире удваивается каждые 10-15 лет. В Российской Федерации объем перемещаемой, в том числе и в процессе переработки, горной массы составляет 6-7 млрд. тонн в год (черная и цветная металлургия, угольная промышлен-

" /" 7

ность, промышленность стройматериалов и т.д.).

Значительная часть минеральных ресурсов России сосредоточена в Сибири, причем при нынешнем положении экономики роль экспорта сырья и продукции первичного передела будет нарастать, а, следовательно, будет усиливаться и давление горнодобывающей промышленности на окружающую среду. Положение осложняется недостаточно продуманными преобразованиями в системе управления минерально-сырьевым комплексом, слабым законодательством по недрам, износом техники и оборудования и общим, типичным практически для всех отраслей, падением технологической дис-

циплины. В связи с этим, а также вследствие нарастания хищнических тенденций добычи некоторых видов минеральных ресурсов, экологическое положение в сфере горнодобывающей промышленности и сопряженных отраслей может в ближайшие годы существенно ухудшаться, если не будут приняты соответствующие меры...» ,

В связи с этим возрастает значимость рассмотрения техногенных отходов горнорудной промышленности как своеобразных геолого-структурных комплексов, имеющих определенное сходство с природными формациями; исследования особенностей протекания в них гипергенного преобразования вещества на основе минералогического и геохимического изучения как самих техногенных тел, так и некоторых компонентов окружающей среды.

Актуальность работы определяется неблагоприятной экологической обстановкой вокруг складированных техногенных отходов горнорудной промышленности и необходимостью разработки научно-обоснованных методов прогнозирования влияния хво-стохранилищ и насыпных отвалов на природные системы, а также поиском решений их нейтрализации или утилизации.

Цель работы заключалась в разработке качественной геохимической модели взаимодействия сульфидных отходов и природных систем.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Установление основных тенденций гипергенного преобразования и перераспределения вещества сульфидсодержащих отходов горнорудной промышленности данного вещественного состава, морфологии и времени хранения с определением закономерностей отложения новообразованных соединений.

2. Качественная оценка миграционной способности металлов как внутри техногенных тел, так и в некоторых компонентах окружающей среды.

3. Выявление эффекта аккумуляции растворимых форм металлов с балансовой оценкой их распределения между различными компонентами

4. Комплексная оценка системы «донный осадок - поровая вода - поверхностная вода», анализ ее места в геохимической эволюции техногенных озер.

Научная новизна. Выявлены и детально описаны минеральные ассоциации вторичных соединений металлов, образующихся под действием современного окислительного растворения и осаждения. Установлены закономерности перераспределения металлов и их различных форм в зависимости от смены локальных физико-химических условий внутри техногенных тел и наличия различных барьеров. В исследование вовлечены принципиально новые с геохимической точки зрения объекты - техногенные озера, для которых были установлены эволюционная зональность, закономерности изменения состава поверхностных и поровых вод, определены формы нахождения металлов. Одним из наиболее важных результатов является установление эффекта аккумуляции тяжелых металлов в поровых водах и балансовая оценка их содержаний в разных компонентах хвостохранилищ.

Практическая значимость работы состоит в определении реальной и потенциальной опасности складированных сульфидсодержащих отходов данного вещественного состава и морфологии, хранящихся в соответствующих ландшафтных и климатических условиях; выявлении уровня загрязненности дренирующих вод и прилегающих территорий.

Основные практические выводы и предложенный качественный и количественный прогнозы развития описанных процессов могут быть использованы для проведения мероприятий по снижению негативного воздействия подобных объектов на природные системы.

Основные защищаемые положения.

1. Растворение-переосаждение вещества в аэробной зоне техногенных тел происходит циклично. На осадительном и испарительном барьерах формируются разные ассоциации вторичных соединений, отражающие последовательные стадии преобразования отходов. Внутренние литифицированные слои сложены цементом, состоящим из бассанита, ярозита, англезита, ковеллина, акантита, борнита, гидроокислов железа. На поверхности формируются легкорастворимые сульфаты Си, Ъп, Бе, представленные ярозитом, гипсом, четишанитом, халькантитом, бианки-том, бойлеитом, ганнингитом.

2. В аэробной зоне, характерной для насыпных отвалов, кроме интенсивного перераспределения валовых содержаний металлов, идет дифференциация их различных форм. В зависимости от изменения локальных физико-химических условий и свойств элементов их переотложение и накопление происходит на разных уровнях. Ъа. и Сс1 - наиболее подвижные элементы, не образующие заметных скоплений внутри тела отвалов, в сульфатной кислой среде эти металлы легко мигрируют в природные системы. Си и Бе могут быть отнесены ко второй группе. РЬ — инертный элемент в данных условиях. Ряд подвижности металлов для насыпных отвалов следующий: РЬ<Ре<Си<гп<Сё.

3. Анаэробная зона характеризуется восстановительными условиями, что определяет относительную стабильность сульфидов. Однако в поровых водах хвостохранилищ идет накопление растворенных форм Хп, Сс1, Си, превышающих их содержания в поверхностной воде гидроотвалов в сотни раз. При существующем равновесии по- / ровые воды хвостохранилищ являются постоянными источниками подвижных форм металлов через дренаж. При нарушении условий (консервация хвостохрани-лища, разрушение дамбы и т. д.) окружающие территории подвергнутся интенсивному загрязнению тяжелыми металлами.

4. Донные осадки техногенных озер можно рассматривать в качестве индикатора состояния хвостохранилищ. Содержания, соотношения и формы нахождения металлов в системе «техногенное озеро - донный осадок — поровые воды» изменяются зонально и отражают геохимическую эволюцию озер. От зоны, непосредственно связанной с разгрузкой пульпопровода к зоне с относительно стабильными условиями снижается контрастность распределения металлов в этой системе, что указывает на начало диагенетического процесса (самоочищение водоема). Металлы осаждаются и фиксируются из растворов в донный осадок, но при этом не исключается их последующее циклическое растворение и миграция.

Фактический материал и методы исследования. В течение ряда лет, начиная с 1992, автор принимал непосредственное участие в исследовании ряда разнообразных по морфологическим, технологическим и вещественным признакам техногенных объектов горнорудных предприятий Сибири, в том числе сульфидного спецотвала Джидин-ского ВМК (г. Закаменск, республика Бурятия) и хвостохранилищ Дюков лог, Салага-евский лог Салаирского ГОКа (г. Салаир, Кемеровская обл.). Часть материалов, собранных на этих объектах, легла в основу настоящей диссертации. Во время полевых

исследований автором было применено разнообразное опробование ингредиентов исследуемых систем и прилегающих территорий (схемы опробования приводятся на рис. 3, 7,10):

• поверхностное опробование твердого вещества по определенной сетке (90 проб);

опробование на глубину до 9 м твердого вещества посредством легкого шнекового бурения (11 скважин);

послойное опробование вертикальных разрезов при проходке шурфов (3 шурфа, около 30 проб);

• отбор поверхностных и придонных водных проб техногенных озер;

отбор недеструктурированных колонок донных осадков мощностью до 1.5 м из техногенных озер, водотоков до 7 м глубины водоема (7 колонок);

опробование почв на прилегающих территориях.

Работа по исследованию складированных отходов обогащения заключалась в анализе архивных и литературных данных, а также собственных полевых наблюдений по геологическому строению исходных месторождений, минеральному и химическому составу руд, последовательности отработки рудных тел, технологии обогащения и кондициям руды в различные периоды времени, контролю содержаний основных компонентов в текущих хвостах, особенностям складирования отходов обогащения и т.д. Данная информация необходима для глубокого понимания всех особенностей литогенеза техногенных геологических тел и возможности дальнейшего разделения первичной и вторичной неоднородности вещества. В связи с этим перед описанием характеристик самих объектов исследования (вещественный состав хвостов, морфология хранилищ и т.д.) приводятся базовые данные, которые включают историю отработки,

геологическое строение рудных полей, вещественный состав руд, технологии обогащения.

Лабораторный этап исследований заключался в пробоподготовке, проведении различных видов анализов, расчетов и интерпретации полученных данных. Практически все инструментальные анализы были сделаны при помощи аналитиков и на оборудовании АЦ ОИГГМ (аттестат № РОСС RU.0001.510590). Основные виды выполненных анализов приведены ниже.

■ Гранулометрический анализ проведен на основании примерно 100 проб твердого вещества для определения среднего гранулометрического состава, распределения классов крупности в объеме исследуемых объектов и для элементного определения в монофракциях.

■ Полуколичественным спектральным анализом определялся уровень концентрации породообразующих компонентов в 56 пробах с поверхности хвостохранилищ и почвах (аналитик H.A. Яковлева). Количественный анализ валовых проб твердого вещества отходов и донных осадков (в целом более 300 анализов) на содержание металлов производился методами РФА (аналитик Ю.П. Колмогоров) и атомно-адсорбционной спектроскопии (на спектрофотометре Eerkin Eilmer 3030 с коррекцией фона по схеме Зеемана, аналитик Н.В. Андросова).

■ Определение минерального состава проб производилось посредством рентгеност-руктурного анализа (аналитик H.A. Пальчик), микроскопического изучения монтированных шлифов и аншлифов (с применением электронного микроскопа JSM-35 фирмы "JEOL", оператор C.B. Летов). Определение состава отдельных минералов проводилось на автоматизированном рентгеноспектральном микроанализаторе

"CAMEBAX MICRO" с четырьмя кристалл-дифракционными спектрометрами (оператор JI.H. Поспелова). В целом было изучено более 20 монтированных ан-шлифов 40 шлифов и сделано более 30 микрозондовых, 20 рентгеноструктурных анализов.

■ Экстракция растворимых форм металлов из 15 проб сульфидного промпродукта ДВМК производилась по методике А. Тессье (Tessier, 1979).

■ Поровые воды отжимались из донных осадков при давлении 100 атм. Около 100 проб поровых и поверхностных вод были проанализированы на содержания тяжелых металлов методами ААС (аналитик Н.В. Андросова). Концентрации К+, Na+, СОз2", СГ, S042" в этих пробах определялись методом ионной хроматографии (на ионном хроматографе ХПИ-1, с использованием сорбентов «katieks» и ХИКС), а определение Са2+ и Mg проводилось титрованием исходных или разбавленных проб (ИНХ, исполнитель Б.С. Смоляков).

Апробация и реализация работы. Представленная работа с 1992 года выполнялась в лаборатории геохимии техногенеза ОИГГиМ в соответствии с планами научно-исследовательских работ группы и ВМТК. Отдельные результаты исследований по тематике диссертации докладывались автором на:

IV Объединенном международном симпозиуме по проблемам прикладной геохимии (г. Иркутск, 7-10 сентября 1994 г.);

• 8-м международном симпозиуме Water-Rock Interaction (г. Владивосток, 15-19 августа 1995 г.);

Международной конференции Carbonate-Hosted Lead-Zinc Deposits (г. Сент-Луис, США, 1-5 июня 1995 г.);

Международной школе Geochemical and Mineralogical Approach to Environmental Protection (г. Сиена, Италия, 25-31 октября 1998 г.);

* Заседаниях Ученого Совета ОИГГМ (1996-99 гг.), а также на лабораторных и межлабораторных семинарах.

Основные положения работы опубликованы в 5 статьях, 6 тезисах и 6 производственных отчетах. По теме диссертации в период с 1996 по 1998 гг. ОИГГМ, Президиум СО РАН поддержали 3 проекта молодежного коллектива, возглавляемых соискателем. Полученные данные легли в основу проекта (№99-05-64697) под руководством соискателя, поддержанного РФФИ в 1999 г. Отдельные результаты исследования используются в выполнении гранта РФФИ, в котором автор принимает участие в качестве исполнителя (№97-05-65181, руководитель С.Б. Бортникова) и интеграционного проекта, выполняемого под руководством М.И. Кузьмина и Г.В. Полякова. За научные достижения, выполненные в рамках настоящей работы, Президиум СО РАН своим постановлением от 15 апреля 1997 г. за №66 присудил автору Государственную стипендию на срок с 1 апреля 1997 г. по 31 марта 2000 г.

Объем работы. Диссертация изложена на 100 страницах машинописного текста и состоит из Введения, 5 глав фактического материала, включающих 27 таблиц, 21 рисунок, и Заключения. Список литературы содержит 99 наименований работ.

Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю к.г.-м.н. Светлане Борисовне Бортниковой за непосредственную и разнообразную помощь, поддержку в организации и выполнении всех видов работ, лежащих в основе настоящей диссертации, ценные советы, обсуждения и консультации, постоянное внимание и грамотное руководство.

Большую