Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Ландшафты горной территории западной части Передового хребта Большого Кавказа 10
1.1. Природные ландшафты 10
1.2. Техногенные ландшафты 15
Глава 2. Источники формирования техногенных ландшафтов района исследования 28
2.1. Географическое и геологическое положение района месторождения и ГОКа 28
2.2. Минеральный состав пород и руд Урупского месторождения 31
2.3. Складирование отходов деятельности ГОКа 42
Глава 3. Эколого-геохимическая характеристика продуктов переработки Уруп-ского ГОКа 60
3.1. Процессы гипергенеза в хвостах УГОКа 60
3.2. Геохимическая характеристика хвостов и подвижные формы химических элементов в них 65
3.3. Потенциальная опасность загрязнения окружающей среды токсикантами 93
Глава 4. Влияние хвостохранилища на водную систему района 106
4.1. География водной сети района 106
4.2. Химические элементы в питьевых водах 108
4.3. Геохимическая характеристика водной системы р. Уруп 124
Глава 5. Токсиканты в почвах и растительности техногенного ландшафта района
5.1. Геохимия почв района 146
5.2. Геохимия растительности 153
Заключение 159
Литература 163
- Техногенные ландшафты
- Складирование отходов деятельности ГОКа
- Геохимическая характеристика хвостов и подвижные формы химических элементов в них
- Геохимическая характеристика водной системы р. Уруп
Введение к работе
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 ;
– 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, З. 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 (ААА) 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 Сd, Cu, 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-флюоресцентного анализа (в лаборатории Геохимии окружающей среды им. А. Е. Ферсмана на базе РГПУ им. А. И. Герцена («Спектроскан Макс GV») и (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(II)—Sb3426(II)—Ag245,57(III)—
Cu101,5(II)—Bi85,4(III)—Zn37(I)—Cd28,57(I)—As23,2(I)—Pb22(I)—Se20(I)—
Tl4,79(I)—Со2,67(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, Cu (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;
-
установлены подвижные формы химических элементов хвостохранилища, которые вымываются из хвостов;
-
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.%): Zn до 75, Ni до 30, Co до 50, платиноидов до 15 и Re 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).
Техногенные ландшафты
Большое влияние на эколого-геохимические особенности территорий оказывают расположение и разработка месторождений полезных ископаемых, геохимические особенности коренных горных пород, а также образуемые над месторождениями вторичные лито-, био- и гидрохимические ореолы. Еще большее влияние на эко-лого-геохимическое состояние отдельных участков биосферы оказывает разработка месторождений, а от геохимических особенностей коренных горных пород во многом зависят соответствующие особенности почв и растений (Войтке-вич, Кизильштейн, Холодков, 1983).
Геохимия техногенных ландшафтов, как направление, получило особенно широкое развитие. Разработаны методологические принципы изучения и систематики техногенных ландшафтов (М. А. Глазовская (1981), В. В. Добровольский (2003), Н. С. Касимов, А. И. Перельман (Перельман, Касимов, 1999). Получены новые данные о поведении химических элементов и соединений в сфере влияния различных техногенных источников (В. А. Алексеенко, В. И. Алексеенко (2001), М. А. Глазовская (1988), С. Б. Бортникова (2006), П. В. Елпатьевский (1993), Н. В. Ожерельева (2006), А. В Суворинов (2006), проводятся геохимические оценки экологического состояния городов (Н. С. Касимов (1999), Е. П. Янин (2004) и др.), разработаны принципы прогнозного ландшафтно-геохимического районирования (Глазовская, 1988). Исследования проводятся вместе с экологами, геохимиками, почвоведами, и другими специалистами в области наук об окружающей среде (Перельман, Касимов, 1999).
В различных ландшафтах содержание одних и тех же элементов неодинаково из-за их миграции. На основании среднего химического анализа земной коры выявлены закономерности в распространенности химических элементов — это впервые было установлено на рубеже 20 века. Среднее химического элемента в земной коре А. Е. Ферсман в 1923 году предложил назвать именем американского химика Ф. Кларка. По основному закону В. М. Гольдшмидта, зависимость кларков химических элементов определяется строением атомного ядра, от наружных электронов зависит их миграция. Миграция элементов определяется величиной Кларка. Существуют два фактора миграции: внутренние и внешние. Ландшафтно-геохимические условия в различных обстановках (щелочно-кислотных, окислительно-восстановительных и др.) определяют поведение химических элементов — внешний фактор. В результате миграции происходит концентрация и рассеивание элементов. В последнее распространена характеристика миграции химических элементов с помощью кларков рассеяния и кларков концентрации. Кларки концентрации (КК) — отношение среднего содержания химического элемента в системе к кларку в литосфере. Наибольшие величины КК характерны для Hg и Sb, содержание которых в почвах на участках месторождений может быть выше их кларка в сотни тысяч раз. Ниже КК Au, Sn (10 000–100 000). У таких элементов, как Fe, K, Mg, КК не превышает 10–100. Таким образом, зная кларк элемента и максимальное значение КК, можно установить те пределы, в которых данный элемент будет встречаться в ландшафте. Кларки рассеяния — отношение кларка химического элемента в литосфере к его среднему содержанию в изучаемом объекте, т. е. при КК меньше 1 вычисяют обратную величину (КР) для получения контрастности (Перельман, Касимов, 1999; Скляров, 2001).
При разработке крупных месторождений из-за растущего техногенного воздействия важно изучение природных экосистем и геохимических условий миграции микроэлементов. На участках природных аномалий возникают геотехнические системы, которые сопровождается полной перестройкой энергии внутри блоков геосистем. Высокая насыщенность в Западной части Передового хребта Большого Кавказа геотехническими системами (наряду с добычей и обогащении полезными ископаемыми) могут происходить изменения природной миграции микроэлементов, а также их накопления и трансформации в природных связях в системах: атмосфера–водная поверхность, вода–донные отложения, атмосфера–почва (Сочава, 1975; Емлин, 1990; Елпатьевский, 1993; Удачин, 2012). Виды миграции для различных элементов неодинаковы. Для Р и К — биогенная, для Cl и Nа — физико-химическая, для Sn, Pt, Au, Ti,— механическая. Соотношение видов миграции в разных ландшафтах тоже неодинаково — во влажных тропиках возрастает роль химической и биогенной миграции для Pb и W, а в пустынях — преимущественно механическим путем. Многие образуют газообразные соединия, т. е. каждое соединение попадает в воды и организмы. Соответственно — виды миграции не существуют изолировано, так как они взаимообусловлены и взаимосвязаны. Другой пример: в таежных и степных ландшафтах преобладание биогенной миграции, с участием механических и физико-химических процессов, т. е происходит более сложный вид миграции. Геохимические черты городского ландшафта определяются социальными процессами, техногенной и другими видами миграции (Перельман, Касимов, 1999).
Три основных ряда элементарных геохимических ландшафтов: механическая и физико-химическая преобладают в абиогенных ландшафтах; в биогенных — ведущее значение биогенных миграций (подчиненная роль физико-химических и механических процессов); своеобразие культурных (техногенных ландшафтов) определяется социальными процессами, техногенной миграцией и другими видами миграции. Механические, физико-химические и биологические классы в особенности выделяются среди техногенных барьеров, наиболее сложные процессы — образование геохимических барьеров, состоящих из менее сложных. Особенности те6хногенных миграций определяет участие в них механических, физико-химических и биогенных процессов. В природных геохимических барьерах растения одного вида, семейства имеют разный состав в разных ландшафтах, то есть элементарный состав растений зависит от условий среды; иногда содержание элементов в растворе, субстрате пропорционально его содержанию в растении. Геохимические особенности ландшафта влияют на химический состав их систематического положения. Физиологические особенности организмов в период образования закрепились наследственностью, забирая даже из бедных почв и водоемов все, что необходимо. Систематическое положение имеет огромное значение для микроэлементов. Особенно высокое содержание микроэлементов в среде обитания вызывает различные изменения в морфологии и физиологии, закрепляя со временем наследственность: появляются вариететы, расы, новые виды — селеновые, литиевые, цинковые и другие флоры, образовавшиеся и сформировавшиеся в районах развития пород с соответствующими элементами. В техногенных ландшафтах в растениях установлены повышенные содержания Мо, Cu, Pb, Be, Ni, Co, Sn, Cd, Ag, Au и других элементов (Перельман, Касимов, 1999, Алек-сеенко В. А, Алексеенко В. И, Суворинов, 2001).
Из всей массы почвы, даже из самых глубоких горизонтов, где располагаются разветвленные и наиболее тонкие корни, происходит поглощение химических элементов, то есть растения перекачивают их из нижних слоев горизонта в верхние, где после минерализации растительных остатков аккумулируются химические элементы, у которых коэффициент биологического поглощения больше единицы. Механизм отрицательной обратной биокостной связи способствует стабилизации почвы. Накапливая биогенным путем Р и S, Са, К, Mn и редкие элементы, растения создают себе наиболее благоприятную среду.
В аллювиальных почвах, вместе с биогенной аккумуляцией (снизу вверх) происходит нисходящая миграция водных растворов, в почвах водоразделов и склонов определяется биогенной аккумуляцией и выщелачиванием, протекающими с различной интенсивностью в подзолистых, черноземных, каштановых и других почвах. Концентрация элементов и вынос могут преобладать в верхней части почвы, в результате чего происходит расслоение почвы на горизонты с особыми физико-химическими условиями. Богатство почв со свободной энергией определяет огромную роль информации, а также резкую дифференциацию элементов по профилю. Формирование химического состава вод в сухом климате отводится важная роль растворению солей горных пород и почв, метаморфизации и испарительной концентрации вод, образующих их хлоридные и сульфатные типы. Среди анионов чаще преобладает Cl-, SO42-, среди катионов Na+, Са2+, Mg2+ — физико-химический характер формирования химического состава вод (без участия живого вещества). Основная часть растворенных веществ во влажном климате за счет деятельности организмов поступает в воды, как находящихся в воде, так и в области формирования водоносного горизонта. Почва формирует химический состав поверхностных и грунтовых вод в гумидных ландшафтах в среде с активно разлагающимися растительными остатками. Химические элементы мигрируют в ионных, молекулярных или коллоидных растворах (Полынов, 1953; Перельман, Касимов, 1999).
Складирование отходов деятельности ГОКа
Вмещающие породы месторождения поступают на обогатительную фабрику, где измельчаются (дробление в цехе до алевропесчаной фракции), поступают на гравитационные столики, затем проходят двойную флотацию с добавлением ксантогената, и после обогащения (извлечения полезных компонентов) в виде водной хвостовой пульпы поступают в хвостохранилище. Схема флотации Урупской ГОФ — прямая, с получением медного концентрата пенным способом; пиритного концентрата или строительных песков камерным способом. Реагентное отделение осуществляет переработку: обожженного известняка и приготовление известкового молока для технологического процесса обогащения медного сырья и стабилизации состава оборотной воды; приготовление растворов флотационных реагентов; перекачивание растворов флотационных реагентов в расходные баки главного корпуса.
Для обогащения шлаков медеплавильного производства и медно-колчеданных руд используются следующие флотационные реагенты:
ксантогенат калия бутиловый;
ксантогенат калия-натрия бутиловый; . аэрофлот натрия бутиловый;
. флотационное масло Т-80 или сосновое;
известь;
полиакрил амид (ПАА).
Ксантогенаты (от греч. xanthos — желтый и gennao — рождаю) — соли и эфи ры ксантогеновых кислот ROC(S)SH. Ксантогеновые кислоты-О-эфиры дитио-угольной кислоты — нестойкие вязкие жидкости с неприятным запахом. Нестойкие вязкие жидкости, имеющие, устойчивые соединения бледно-желтого цвета, имеющие неприятный запах. Ксантогенаты щелочных металлов практически не растворяются в неполярных растворителях, сравнительно легко растворимы в спиртах, пиридине, ацетонитриле и воде. Ксантогенаты щелочных металлов растворяются в воде, спиртах, низших кетонах, пиридине, ацетонитриле, практически нерастворимы в неполярных растворителях. Ксантогенаты тяжелых металлов хорошо растворяются в СНСl3, СН2Сl2, ТГФ, бензоле, плохо — в воде, спирте, алифатических углеводородах и эфире. Растворимость ксантогенатов тяжелых металлов в воде возрастает в ряду: Hg2+, Ag+, Сu+, Со3+, As3+, Pb2+, Тl2+, Cd2+, Ni2+, Zn2+. Твердые ксантогенаты медленно разлагаются при хранении под действием влаги, воздуха и при нагревании4.
Kсантогенаты являются флотореагентами сульфидов тяжелых металлов из руд, особенно из медно-молибденовых (Weyl, 1983; Kirk, 1984).
Расход реагентов определяется в зависимости от вида и состава перерабатываемых шлаков медеплавильного производства и медных руд. Производство ксанто-генатов получило развитие после открытия в 1921 году флотационных свойств алкилксантогенатов щелочных металлов. На практике ксантогенаты получают взаимодействием спирта, щелочи и сероуглерода по реакции:
ROH + MeOH + CS2 = ROCSSMe + H2O + Qккал где: R – углеводородный радикал, Ме – щелочной металл (К, Na)
Ксантогенаты щелочных металлов в мировой практике используются для обогащения руд цветных и благородных металлов и сегодня остаются основным реагентом - собирателем в процессах флотации (А. Ф. Коломиец. Н. Д. Чкаников5) Бутилксантогенат (O-трет-бутилдитиокарбамат цинка; mpem-бутилксантат цинка; ксантат Б-Ц) [(CH3)3COC(S)S]2Zn — бесцветные кристаллы; температура плавления 110 С (с разложением). Стабилен при температуре ниже 10 С; выше 80 С разлагается с выделением изобутилена. Окисляется хлором, хлор ной известью, HNO3, HNO2, H2O2 до О-трет-бутилксантогендисульфида. С хло ридами S на холоде в апротонных средах образует O-трет бутилксантогенполисульфиды (там же, с 1) . Флотационный процесс обогащения руд, основанный на различии в смачиваемости поверхностей, разделяемых водой минералов, заключается в избиратель 4 [Интернет ресурс] http://himslovar.ru/reference/desc/is/0002265 5 [Интернет ресурс] http://himslovar.ru/reference/desc/is/0000700 ном закреплении на поверхности раздела газообразной и жидкой фаз минеральных частиц. На Урупской ГОФ применяется пенная флотация (есть еще ионная, пленочная, электрофлотация и др.), при которой гидрофобные частицы прилипают к пузырькам воздуха или газа, вводимым в воду, самопроизвольно поднимаются на поверхность пульпы образуя пену, оставляя гидрофильные частицы в объеме пульпы. Согласно второго закона термодинамики — самопроизвольно протекают процессы, приводящие к уменьшению свободной энергии системы, т.е. за счет снижения площади контакта т-ж (твердая – (т), жидкая- (ж), газообразная – (з) фазы) происходит уменьшение свободной энергии системы. При обогащении более 95% руд цветных и редких металлов проходят флотационный процесс, состоящий из отдельных актов или субпроцессов. Флотационная система, состоящая из твердой (т), жидкой (ж) и газообразной фаз, является гетерогенной.6.
В составе Урупской горно-обогатительной фабрики находятся хвостохрани-лища 1 и 2 очередей (рис. 2.12), в которых содержатся отходы обогащения Уруп-ского горно-обогатительного комбината и накоплено более 11,6 млн. т. пиритсо-держащих хвостов с многочисленными полезными компонентами, основными из которых являются медь, цинк, свинец, сера, золото, серебро и др. Это своеобразное техногенное месторождение. Рассмотрим строение хвостохранилищ, чтобы в дальнейшем попробовать разобраться в экологическом воздействии этих объектов на окружающую среду.
Хвостохранилище 1 очереди (рис. 2. 13–2. 15) является намывным, овражным (по типу) гидротехническим сооружением. Функционирует с 1968 года. Полезная площадь около 64 га, общая площадь более 97 га вместимостью не менее 6 млн. м3. Чаша хвостохранилища образована ограждающей дамбой, перекрывающей с юга долину р. Богачуха, 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 2
6 [Интернет ресурс] http://knowledge.allbest.ru/manufacture.html очереди. Хвостохранилище имеет вытянутую форму в северном направлении длиной почти 2 км, шириной от 250–550 м.
Ограждающая дамба хвостохранилища 1 очереди намывная (рис. 2.16), наибольшую длину имеет на южном, тальвеговом участке. Максимальная высота дамбы около 45 м. Длина по гребню на южном участке не больше 250 м, общая — до 2450 м. Пионерная дамба (рис. 2.17) на южном участке возведена из суглинков высотой почти до 850 м. Выше, до 900 м — намывная из хвостов.
В 1997 г., в связи с заполнением до проектных отметок, эксплуатация 1 хвосто-хранилища в части складирования хвостов завершена (рис. 2.18). Рекультивация хвостохранилища проводится с 1998 г. Смонтирована установка по рекультивации воды в прудке – отстойнике, нейтрализовано и откачано около 140 тыс. куб.м. воды в хвостохранилище 2 очереди. Проводилась работа по засыпке части акватории прудка хвостами. В своем существующем состоянии хвостохранилище 1 очереди требует периодического сброса в нижний бъеф воды из пруда-отстойника, накапливающейся за счет атмосферных осадков.
Хвостохранилище 2 очереди (рис. 2.19) является гидротехническим сооружением, овражного, намывного типа; введено в эксплуатацию в 1998 году. Вместимость около 6 млн. м3, полезная площадь около 65 га, общая — более 100 га. Чаша хвостохранилища образована ограждающей дамбой, перекрывающей с юга долину р. Богачуха. На севере чаша ограничена двумя верховыми плотинами, регулирующими сток р. Богачуха.
Хвостохранилище имеет вытянутую форму в северном направлении длиной около 1 км и шириной более 600 м. Наименьшая отметка ложа хвостохранилища почти 900 м.
Ограждающая дамба хвостохранилища 2 очереди намывная. Максимальная высота дамбы около 915 м. Пионерная дамба возведена из суглинков до 900 м, максимальная высота примерно 14 м. По гребню пионерной дамбы проходит автодорога с твердым покрытием Черкесск—Курджиново.
Геохимическая характеристика хвостов и подвижные формы химических элементов в них
Как видно из приведенного обзора, химические элементы в условиях гиперге-неза меняют свои формы нахождения. Формы нахождения токсичных и канцерогенных компонентов в различных средах и почвах во многом определяют дальнейшие пути их миграции и ту опасность, которую они могут представлять для окружающей среды.
Натурные наблюдения, проведенные на хвостохранилище 1 Урупской обогатительной фабрики, показали, что при складировании хвостовой пульпы происходит её распределение на водную составляющую и алевро-глинистую. Вода накапливается в водоотводных каналах, понижениях рельефа, образуя прудки-отстойники. В результате этого процесса происходит формирование отложений, имеющих литологическую зональность (рис. 3.1–3.3).
Исследование песков хвостохранилища происходило методом шурфовки от поверхности до глубины 2 м, с использованием ручного бура.
В разрезах наблюдается частое чередование слоев, имеющих различную текстурно-структурную характеристику, цветовую гамму, размеры.
Изучение керна хвостохранилища показало чередование алевритовых с более глинистыми прослоями, имеющими различный цвет.
Минеральныий состав песков хвостохранилища изучался с помощью минералогического анализа (под бинокуляром), в искусственных петрографических шлифах, с помощью сканирующей микроскопии. Исследование показало, что в песках хвостохранилища присутствует весь минеральный спектр руд месторождения (рис. 3.4, 3.5). Наибольшая доля в минеральном составе хвостов принадлежит кварцу и пириту. В хвостах ГОКа по сравнению с месторождением уменьшается доля рудных и увеличивается доля нерудных минералов.Сравнение минерального состава хвостохранилища с месторождением показало, что преобладающая часть нерудных минералов наблюдается в свободных зернах, меньшая — в сростках с сульфидами. Медные минералы представлены халькопиритом, борнитом, блеклой рудой, в небольшом количестве встречается сфалерит, галенит, гематит. В песках хвостохранилища накоплено до 80 % не извлечённых минералов, а соответственно в нем присутствует широкий спектр химических элементов.
Основные потери меди происходят за счет сростков халькопирита и других медных минералов с пиритом, сфалеритом и нерудными минералами. Основная часть потерь золота связана с золотом, ассоциированным с пиритом.
Для геохимических исследований было отобрано 12 проб по разрезам хвосто-хранилища Урупского ГОКа, которые, впоследствии проанализированы на 53 элемента следующими методами:
- масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой ИСП МС (в лаборатории ВСЕГЕИ);
- атомно-абсорбционным с полным кислотным вскрытием (ААА).
Результаты исследований представлены в таблице 5.
Из таблицы 7 видно, что в геохимическом спектре хвостов присутствуют элементы 1 класса токсичности (Pb, Tl), 2-го (Co, Cd, Cu, Sb, Mo, Bi, Ag, Te) и 3-го (Cr, Zn, V, Ni, Mn). По полученным данным построены геохимические спектры (рис. 3.6). Полученные данные можно представить в виде геохимического ряда: Hg (4164) —Те3775—Sb3426—Ag245,57—Cu101,5—Bi85,4—Au65,33—Zn37— Cd28,57—As23,2—Pb22—Se20—Tl4,79—Со2,67—Ti2,45—Mo2,2.
Для изучения подвижных форм химических элементов проведены эксперименты по извлечению из хвостов их водорастворимых форм. Раздробленные и истертые до аналитической пудры пробы заливались дистиллированной водой, перемешивались в течение 5 часов, отстаивались 24 часа и раствор анализировался методом ИСП МС в химической лаборатории ВСЕГЕИ. Результаты представлены в таблице 8. Проведено сравнение полученных данных с валовым содержанием химических элементов в пробах и рассчитан коэффициент накопления химических элементов (КН=вытяжка/вал).
Геохимическая характеристика водной системы р. Уруп
Для определения влияния хвостохранилища на воды р. Уруп в диссертационном исследовании отбор проб проводился в соответствии с гостом Р 51592–2000: Вода. Общие требования к отбору проб. Государственный стандарт РФ ГОСТ Р 51592–2000 «Вода. Общие требования к отбору проб» (принят и введен в действие постановлением Госстандарта РФ от 21 апреля 2000 г. № 117–ст, устанавливает общие требования к отбору, подготовке, к хранению проб и транспортированию, предназначенных для определения показателей ее состава, распространяется на все типы воды).
В марте 2013 г. было отобрано 12 проб воды (6 в пластиковых бутылках, 6 в стеклянных) на следующие элементы: Fe, Сd, Mn, Cu, Zn, Са, Hg, Sb, Te, Mg, сульфаты, хлориды. Отбор проб проводился вниз по течению р. Уруп, Проба 1(фоновая) взята в 2-х км вверх по течению р. Уруп от действующего рудника Урупского ГОКа. Далее пробоотбор происходил через каждый км вниз по течению р. Уруп.
Отобранные пробы были исследованы на качество воды для:
1. Принятия корректирующих мер при обнаружении изменений ее состава (кратковременного характера).
2. Установления программы обнаружения или исследований изменений (долго срочного характера).
3. Определение состава и свойств воды показателям, регламентированным в нормативных документах (НД) идентификации источников загрязнения водного объекта.
Маршрут отбора проб:
Фон= Проба1= Проба2= Проба3= Проба4= Проба5 (рис. 4.1–4.2).
Пробы были отобраны инженером по ООС Булаховой Н. В., пом. Санитарного врача ФФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии КЧР в Зеленчукском районе» Шуниной Н. И. в присутствии представителя ЗАО «Урупский ГОК» Алампиевой Е. В. Анализ отобранных проб проводился в ЗАО «Центр исследования и контроля воды» (Аттестат аккредитации № ААС. А. 00042, действителен до 11 марта 2015 г.). Аккредитован в соответствии с требованиями международного стандарта ИСО/МЭК 17025:2005 (ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025:2006), Аккредитация подтверждает техническую компетентность заявленной области аккредитации и функционирование системы менеджмента качества лаборатории.
Фон. Вода из открытого водоема в 1 км выше рудника (для определения фона района).
Проба №1. Сброс с очистных сооружений Урупского ГОКа (сток из рудника комбината).
Проба №2. Вода из открытого водоема в 1 км ниже по течению реки Уруп (правый берег).
Проба №3. Вода из колодца хвостохранилища 1-ой очереди.
Проба №4. Вода из открытого водоема левого борта реки Уруп в 1 км выше сброса с хвостохранилища № 1.
Проба №5. Вода из открытого водоема правого борта реки Уруп, в 1 км от выезда из ст. Преградная.
— С приказом № 20 от 18 января 2010 г. Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения;
— Государственными санитарно-эпидемиологическими правилами и нормативами (2.1.4. Питьевая вода и водоснабжение населенных мест питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения). Санпин 2.1.4.1074–01 (значения предельно-допустимых концентраций значительно мягче, чем к ПДК по ры-бохозяйственным водоемам).
Отношение пробы к ПДК (приказ № 20 от 18 января 2010 г. Об утверждении нормативов качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативов предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения) показаны в табл. 18.
Питьевая вода и водоснабжение населенных мест. Питьевая вода. Гигиенические требования к качеству воды централизованных систем питьевого водоснабжения). Санпин 2.1.4.1074–01 (Табл. 19). 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):
