Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Моделирование криогеохимических процессов в зоне окисления сульфидных месторождений. современное состояние проблемы 13
1.1. Общие физико-химические закономерности процессов выветривания в криолитозоне 13
1.2. Особенности формирования зоны окисления сульфидных месторождений в условиях многолетнемерзлых пород 21
1.3. Общие сведения об участии соединений азота в процессах выветривания сульфидов в природно-техногенных ландшафтах 27
1.4. Проблемы и перспективы применения компьютерного физико-химического моделирования при прогнозировании криогенных геолого-геохимических процессов 41
1.5. Классические ГИС-технологии решения геолого-геохимических задач в области разведки и охраны недр 48
Выводы 53
Глава 2. Геологическая характеристика и условия освоения кодаро-удоканского рудного района 55
2.1. Краткая физико-географическая характеристика Кодаро-Удоканского рудного района 56
2.1.1. Стратиграфия 58
2.2. Геологическая характеристика Удоканского медного месторождения ... 66
2.2.1. Минералого-геохимические особенности пород и руд Удокана 72
2.2.2. Зона окисления Удоканского месторождения 77
2.2.3. Проект освоения месторождения Удокан и его предполагаемые последствия для окружающей среды 81
Выводы 92
Глава 3. Физико-химическое моделирование процессов окислительного выветривания сульфидных руд в гипергенных условиях
3.1. Общие принципы физико-химического моделирования взаимодействий в системе «вода- порода» 93
3.2. Краткая характеристика программного комплекса «Селектор» 95
3.3. Построение физико-химической модели 100
3.4. Основные результаты физико-химического моделирования и их обсуждение 104
Выводы 140
Глава 4. Экспериментальное обоснование допустимости термодинамического моделирования криогеохимических процессов 142
4.1. Методика проведения экспериментов 142
4.2. Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение 147
Выводы 163
Глава 5. Геоинформационное обеспечение моделирования вероятных криогенных процессов в сульфидных рудах 165
5.1. О проблеме картографического представления результатов физико химического моделирования 165
5.2. Основные методические и технические позиции ГИС 166
5.3. Классическая методика расчета потока рассеяния 170
5.4. Предложения по усовершенствованию классической методики расчета потока рассеяния 174
5.5. Структура и состав ГИС-проекта 175
5.6. Программное обеспечение, основные принципы и преимущества используемого геоинформационного подхода 184
5.7. Результаты и их обсуждение 188
Выводы 191
Заключение 192
Литература 1
- Особенности формирования зоны окисления сульфидных месторождений в условиях многолетнемерзлых пород
- Геологическая характеристика Удоканского медного месторождения
- Построение физико-химической модели
- Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение
Введение к работе
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 коньюнктурой 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 гео лого-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 гео лого-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:
-
Геолого-геохимическое и минералого-петрографическое изучение пород и руд месторождения Удокан с упором на процессы гипергенного преобразования.
-
Физико-химическое моделирование процессов окислительного выщелачивания сульфидных руд с участием соединений азота в широком интервале температур.
-
Экспериментальное подтверждение результатов ФХМ взаимодействия сульфидных минералов с кислотными растворами, содержащими соединения азота и серы, установление кинетических закономерностей процессов выщелачивания.
-
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 PostgreSQE/PostGIS и последующим картографировании в Quantum GIS. Для геоинформационного решения прямых геохимических задач реализованы соответствующие процедуры на языке pl/pgSQE, в качестве данных выступают результаты химического анализа руд, глобальные цифровые покрытия SRTM и AsterGDEM, WMS-покрытия госгеолкарт ВСЕГЕИ, данные дистанционного зондирования Eandsat 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.
Особенности формирования зоны окисления сульфидных месторождений в условиях многолетнемерзлых пород
История изучения криолитозоны и слагающих ее пород достаточно подробно освещена в литературных источниках [Сумгин и др., 1940; Кудрявцев, 1978]. Первые сведения о наблюдавшихся летом мерзлых породах стали появляться, по-видимому, лишь с XVI столетия [Кудрявцев, 1978]. С развитием торговли, общим подъемом научной и практической деятельности происходило постепенное увеличение представлений об условиях существования и распространения многолетнемерзлых пород. До 1960 года считалось, что область многолетней мерзлоты является зоной химического покоя, в которой вода, находясь в твердом состоянии, не участвует в геохимических преобразованиях и служит препятствием для развития физико-химических процессов [Птицын, 1992]. Однако в последующие годы полевыми, экспериментальными и теоретическими исследованиями было установлено, что в криолитозоне достаточно активно проявляются процессы химического выветривания, миграции и переотложения вещества [Тютюнов, 1960; Бокий, 1961; Нерсесова, 1961; Бакаев, 1963; Дербенева, 1965; Коркина, 1965; Иванов, 1966; Юргенсон, Безродных, 1966; Юргенсон и др., 1968; Блох, 1969; Чистотинов, 1973; Некрасов, Климовский, 1978; Иванов, Базарова, 1985; Романов, 1985; Питулько, 1985; Макаров, 1985; Мельников и др., 1988; Урусов и др., 1997; Ушборн, 1988; Шварцев, 1963, 1998; Птицын, 1992, 1998, 2006; Головин, 2000; Федосеева, 2003; Чеверев, 2003а, 20036]. Известны и более ранние работы, посвященные исследованию свойств льда и миграции влаги в мерзлых породах [Вейнберг, 1940; Сумгин и др., 1940; Цытович, 1945; Ананян, 1952; Арабаджи, 1956; Толстихин, 1941; Григорьева, 1957; Боженова, 1957]. Вместе с тем, многие вопросы либо до сих пор остаются дискуссионными, либо пока и вовсе не имеют ответа.
Согласно геологическим данным, формирование криолитозоны началось еще 2 млн. лет назад, а сплошное устойчивое распространение она получила около 650 тыс. лет назад в пределах севера Сибирской платформы [Короновский, 2010]. В строении криолитозоны выделяют мерзлые, морозные и охлажденные породы. Мерзлые породы характеризуются отрицательными температурами и содержат в своем составе лед. В морозных породах вода и лед отсутствуют и чаще всего они представлены сухими песками, галечниками, магматическими и метаморфическими их разновидностями. Охлажденные породы также имеют температуру ниже 0С и насыщены минерализованными солеными водами (криопэгами). Сверху над криолитозоной располагается слой сезонного промерзания и оттаивания мощностью от 0.5 до 6 м [Некрасов и др., 1978], который подвергается наиболее интенсивному преобразованию и изменению в приповерхностных условиях [Питулько, 1985]. Процесс непрерывного преобразования горных пород и минералов любого состава и структуры в приповерхностной части земной коры в пределах биосферы носит название гипергенеза (от греч. «гипер» - над, сверху) и происходит под влиянием экзогенных (физических, химических, биогенных) факторов [Полынов, 1956; Лукашев, 1956; Гинзбург, 1963; Перельман, 1972;
Щербина, 1972; Кашик, 1989]. Термин «гипергенез» введен знаменитым минералогом А.Е. Ферсманом и по существу является синонимом термину «выветривание». Гипергенные процессы проникают далеко вглубь поверхностной части земной коры. В сильно расчлененном горном рельефе они достигают сотен метров и даже нескольких километров, образуя тем самым довольно мощную зону гипергенеза. Причина гипергенных изменений минералов изверженных горных пород с точки зрения термодинамики заключается в избытке их свободной энергии по отношению к Р - Т условиям окружающей среды. Оказываясь в совершенно иных физико-химических условиях под влиянием различных внешних факторов, минералы изверженных пород замещаются гипергенными минералами, а изверженные горные породы разрушаются, т.е. выветриваются [Козлов, 2005; Короновский, 2010]. В результате начинается новый цикл миграции химических элементов, резко отличный от их миграции в эндогенных условиях, образуются новые формы соединений.
Характер и интенсивность физико-химических изменений горных пород контролируются климатом, тектоникой (рельефом), биологическими особенностями (растительный покров, почвенные микроорганизмы), составом исходных пород, их генезисом и структурой [Щербина, 1972; Кашик, 1989]. В зависимости от преобладания того или иного физико-географического и физико-химического фактора выделяют два взаимосвязанных типа выветривания: физическое и химическое.
К факторам физического выветривания следует относить колебания температуры, коэффициенты объемного расширения минералов и физическое воздействие воды в условиях ее периодического замерзания - оттаивания в трещинах и порах горных пород [Козлов, 2005]. Так, наиболее существенным физическим фактором, вызывающим дезинтеграцию горных пород, являются суточные и сезонные колебания температур. Они приводят к нагреванию и охлаждению поверхности горных пород, в результате чего, по причине разного коэффициента теплового расширения и сжатия, между минералами возникают определенные напряжения, что приводит к разрушению минеральных зерен и образованию обломков разных размеров (глыбы, щебень, песок, алевриты). Цвет горных пород также влияет на интенсивность температурного выветривания темноцветные минералы нагреваются и остывают быстрее и больше, чем бесцветные. Когда поверхность горных пород нагревается сильнее внутренних частей, то наблюдается шелушение и отслаивание чешуи и пластин различной толщины. Данный процесс особенно хорошо выражен на отдельных глыбах или валунах.
При механическом выветривании значительным разрушающим фактором становится периодически замерзающая вода, вследствие чего такие процессы носят название морозного выветривания. С наступлением отрицательных температур, находящаяся в трещинах и порах вода, начинает замерзать, увеличиваясь при этом в объеме почти на 10 % и оказывая давление на стенки трещин. Дезинтеграции горных пород также способствует наличие водяного пара и незамерзающих тонких водных пленок [Тютюнов, 1960], адсорбированных на поверхности минеральных частиц. При понижении температуры от 0С толщина водных пленок существенно возрастает и влечет за собой понижение прочности твердых тел вследствие уменьшения их поверхностной энергии и соответственно более интенсивное их выщелачивание. Количество незамерзающей воды с увеличением дисперсности грунта повышается.
Геологическая характеристика Удоканского медного месторождения
Изучение геологического строения и составление геологических карт зоны Байкало-Амурской магистрали было начато в 1930 - х гг. и продолжается до сих пор [БАМ. Канарский ..., 2014]. Исследуемый район расположен в пределах Олекмо-Витимской горной страны, в юго-западной части Алданского щита. Административно территория принадлежит Канарскому району Забайкальского края и Бодайбинскому району Иркутской области.
Горный характер рельефа Северного Забайкалья (хребты Кодар, Удокан и Канарский с отрогами) обусловили своеобразные черты микроклимата и неоднородность внутри региона. Хребты Станового нагорья расчленены межгорными впадинами, вытянутыми с юго-запада на северо-восток, и часто имеют асимметричное строение. Большую часть занимает хребет Кодар с абсолютными отметками 2100 - 3000 м, максимальная высота - 3073 м (пик БАМ). Северные склоны впадин, как правило, круче южных (так называемые впадины байкальского типа). Длина таких долин часто достигает 130-180 км, ширина 25 - 45 км. Абсолютные отметки днищ впадин меняются в интервале от 500 до 1200 м [Кулаков и др., 2002]. Кроме крупных впадин байкальского типа (Чарской, Муйской, Верхнеангарской и Тункинской) в районе широко развиты малые межгорные котловины (Верхнекаларская, Муяканская, Верхнемуйская, Кувыктинская, Ингамакитская и др.). Данная геоморфологическая область в Забайкальском крае является самой неотектонически активной с частыми землетрясениями (9-10 баллов) [Шестернев, 2005].
Климат территории резко континентальный. Зима длительная и суровая, продолжительностью близкой к 8 месяцам (с первой половины октября до первой декады мая), с устойчивой и ясной сухой погодой. Средняя температура января составляет -24...-26С (абсолютный минимум - 57С). Лето короткое и теплое. Самый теплый месяц - июль (максимальная температура в июле поднимается до + 32 - 33С). Средняя температура июля на Удокане + 13С, на высокогорных гольцах Кодара отрицательная [Энциклопедия Забайкалья..., 2002]. Годовая сумма осадков (300 - 350 мм) распределяется неравномерно и увеличивается с повышением высоты местности над уровнем моря (в предгорьях до 638 мм) [География Читинской..., 2001; Бам. Канарский..., 2014]. Основная их масса выпадает с мая по сентябрь, а максимальное количество приходится на август. Дожди летом в основном ливневые. В периоды смещения циклонов и распространения муссонной циркуляции наблюдаются обложные дожди. В зимнее время выпадает до 15-30% годового количества осадков. Средняя максимальная высота снежного покрова в отрицательных формах рельефа изменяется от 13 до 55 см [География Читинской..., 2001]. В предгольцовом поясе и гольцах на высотах 1500 - 1800 м устойчивый снежный покров ложится в первой декаде сентября и сохраняется до середины июля. Высота снежного покрова составляет от 0.8 до 1.02 м [Шестернев, 2005]. Район относится к лавиноопасным. Циркуляция атмосферного воздуха на данной территории также характеризуется специфическими особенностями. Большую часть года над Становым нагорьем держится антициклон, что предопределяет развитие приземных и приподнятых видов температурных инверсий во впадинах и котловинах. Граница между ними проходит на высоте 1000 - 1200 м над уровнем моря [Котельников, 2002]. Разность температур между подстилающей поверхностью и верхней границей инверсионного слоя составляет 8 - 12С, а в отдельные периоды может достигать 20С [Удокан..., 2003]. Среднегодовая скорость ветра изменяется от 1.2-1.4 м/с в долинах pp. Чара и Нижний Ингамакит до 2.2-2.9 м/с в узких долинах хребта Удокан [Бам. Канарский..., 2014]. Повторяемость штилей и застоев воздуха очень велика - 62 % (повторяемость в октябре - апреле 70 - 96 %) [Томских, 2006].
Территория Северного Забайкалья характеризуется хорошо развитой сетью поверхностных (реки, озера, болота, ледники) и значительными запасами подземных вод. Речная сеть данной территории принадлежит бассейну реки Лена. Основные реки: Чара с притоками (включая реку Ингамакит), берущая начало в хребтах Ко дар и Удокан и впадающая в Олекму, а также Куанда (Конда), Калар и Калакан, впадающие в Витим. Все реки являются горными с глубоко врезанными долинами и каменистым, порожистым руслом. По долинам рек распространены лиственничные леса до высоты 1700 м. Выше по склонам они сменяются кедровым стлаником, образующим местами сплошные труднопроходимые заросли. Вершины водоразделов лишены растительности.
В среднем на 1 км территории приходится 0.5 км речной сети [Удокан..., 2003]. В связи с поздним таянием снегов в высокогорных частях хребтов Кодар и Удокан характерен повышенный сток в июне для р. Чары. Несмотря на то, что в июле - сентябре на реке проходят дождевые паводки, расходы воды в июне часто остаются наибольшими за год [Энциклопедия Забайкалья..., 2002]. В холодное время года речной сток минимальный, а на малых и средних реках он практически отсутствует в связи с переходом в твердую фазу. Неравномерное распределение стока усугубляется широким развитием наледей [Котельников, 2002].
Основная масса пресных подземных вод сконцентрирована в узких таликовых зонах, что, с одной стороны, облегчает их изучение, а с другой -приводит к достаточно низкой защищенности от загрязнения. Заметное влияние на особенности их питания и дренажа оказывают сильно расчлененный высокогорный рельеф территории и сплошное распространение многолетней мерзлоты (450 - 500 м в межгорных котловинах и 800 - 950 м на водоразделах) [Кулаков и др., 2002].
В криогенном строении мерзлых толщ отмечаются крупные скопления льда в виде повторно-жильных инъекционных льдов, гидролакколитов, захороненных снежников и ледников. Распространены также криогенные процессы и явления: термокарстовые воронки и озера, овраги, бугры пучения, солифлюкция [Котельников, 2002].
Построение физико-химической модели
В первую очередь, рассмотрим вопрос об образовании сульфатов, поскольку в зоне гипергенеза рудных месторождений именно эта группа минералов наиболее многочисленна и разнообразна. Большинство среди сульфатных соединений являются водными, поэтому для них характерны минералы, которые могут различаться по количеству гидроксильной или молекулярной воды. Ярким примером такого разнообразия являются соли железа, составляющие более 1/3 сульфатов зоны гипергенеза.
Присутствующие в моделируемой окислительной системе водные сульфаты двухвалентного железа представлены ссомольнокитом (FeS04-H20), роценитом (FeS04-4H20), сидеротилом (FeS04-5H20), феррогексагидритом (FeS04-6H20) и мелантеритом (FeS04-7H20) (табл. 13). 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. На стенках горных выработок и хвостохранилищах сульфаты формируют выцветы, налеты, порошковидные корочки, состоящие из 2-3 минералов, различающихся количеством Н20. Наиболее распространенным является мелантерит (FeS04-7H20), на примере, которого можно проследить специфику образования сульфатов двухвалентного железа в умеренно окислительных, богатых серой растворах в виде следующей реакции [Гаськова и др., 2007, 2010]: Fe2+ + SO42" + 7 Н20 = FeS04-7H20 (15)
Реакции, подобные (15), могут быть записаны для всех двухвалентных металлов, что и обуславливает образование сложных твердых растворов с общей формулой Me S04-nH20. Считается, что к основным группам солей двухвалентных катионов, образующих выцветы в процессе химического выветривания минералов, можно отнести моноклинные сульфаты группы мелантерита (MeS04-7H20, Me = Fe, Со, Си, Mn, Zn), ромбические сульфаты с этой же формулой, где Me = Mg, Zn; моноклинные сульфаты группы гексагидрита (MeS04-6H20, Me = Mg, Со, Си, Fe, Mn, Ni, Zn) и роценита (MeS04-4H20, Me = Fe, Co, Cd, Mg, Mn, Ni, Zn), а также триклинные сульфаты группы халькантита (MeS04-5H20, Me = Си, Fe, Mg, Mn) [Гаськова и др., 2010]. Присутствующие в моделируемой системе вторичные твердые фазы железа в виде ссомольнокита (FeS04-H20), также можно отнести к группе моноклинных одноводных сульфатов группы кизерита (MeS04-H20).
Одним из условий устойчивости водных сульфатов двухвалентного железа является высокая кислотность растворов (рН 3) и низкий окислительно-восстановительный потенциал среды (Eh 0.2 В) [Яхонтова, Зверева, 2000]. Это подтверждено результатами расчетов. Так, в условиях сильнокислой среды, судя по низким значениям рН2.65 и окислительно-восстановительного потенциала Eh = 0.1654 В (рис.25 и 26), отложение вторичных твердых фаз железа в виде сульфатов (43.61 %) закономерно. В дальнейшем в связи с постепенной нейтрализацией среды и повышением значений рН раствора до 5.3 происходит снижение концентраций сульфатов железа до 1.14% и их полное удаление из системы при рН 8.02. В восстановительных условиях в слабощелочной области (рН 8.02 и 8.03) железо присутствует в количестве 2.5 % в виде марказита (FeS2), выпадение которого происходит при взаимодействии слабокислых гипергенных растворов с первичными сульфидными рудами. В атмосферных условиях марказит неустойчив, особенно при высокой влажности, и постепенно разрушается с образованием H2SO4 и сульфатов железа. В условиях недостатка кислорода при разрушении марказита может образовываться также самородная сера, сульфаты восстанавливаются до сульфидов, формируя, в реальной обстановке зону вторичного обогащения сульфидных месторождений [Козлов, 2005].
В моделях процесса окисления сульфидной руды в условиях положительных температур наряду с сульфатными соединениями железа показана вероятность образования сульфатов кальция, которые сопровождают все новообразованные минеральные ассоциации на протяжении всего процесса окисления (табл. 13). Сульфаты кальция представлены следующими минералами: ангидритом (CaS04), бассанитом (CaSO4-0.5H2O) и гипсом (CaS04-2H20). Как известно, сульфатные соединения кальция относятся к сульфатам не рудных, а литофильных элементов вмещающих пород и жильных минералов и в ряде случаев могут составлять специфичность зоны гипергенеза. Отметим только, что образование сульфатов Са в данной природно-техногенной системе обусловлено процессом выветривания полевых шпатов, присутствующих в исходном химическом составе удоканской руды в значительном количестве (38.84 %).
Согласно результатам моделирования, среди вторичных минералов кальция преобладает гипс (от 11.2 до 3.79%), образование которого возможно в ассоциации со многими гипергенными минералами на разных стадиях формирования зоны окисления различных сульфидных месторождений [Яхонтова, Зверева, 2000], в том числе и Удоканском [Удокан, 2003]. По данным термодинамических расчетов, при положительных температурах образование CaS04-2H20 может происходить как в условиях сильнокислой среды (рН 2.65) и высокого содержания сульфат - иона в присутствии кальция (от 1.86 до 918 мг/кг), так и в слабощелочных средах (рН 7.3 и 8.03). Образование гипса происходит по следующей реакции: Са2+ + S042 + 2Н20 = CaS04-2H20 (16) Для ангидрита отмечено равномерное уменьшение содержания в системе от 4.78 до 1.59 % по мере увеличения значений рН среды. Аналогичное поведение 115 характерно и для полугидрата сульфата кальция (CaSO4 0.5H2O), его содержание варьирует от 1.18 до 0.26 % (табл. 13).
Немаловажную роль в минеральном составе зоны окисления рудных месторождений играют гипергенные силикаты, фиксирующие и концентрирующие в своем составе в значительном количестве рудные элементы (Си, Fe, Ni, Со, Zn). Очевидно, этим обстоятельством можно объяснить существование меди в расчетах модели в условиях закрытости системы в форме силикатных минералов (23.98 %) - хризоколлы (CuSi02 H20), которая принадлежит к числу наиболее распространенных и хорошо известных силикатов меди зоны окисления Удоканского месторождения [Удокан, 2003]. Хризоколла может фиксироваться в лимонитах железной шляпы сульфидных месторождений, может выделяться в ассоциации с кварцем (халцедоном), гидрогётитом, малахитом, азуритом, купритом, брошантитом и халькантитом [Яхонтова, Зверева, 2000]. По данным [Ермолина и др., 2013], образование CuSi02-H20 типично для зон окисления, сформированных в условиях аридного климата, и происходит на позднем (щелочном) этапе формирования окисленных руд, когда не только окисляются рудные (сульфидные) минералы, но и выветриваются кремнийсодержащие вмещающие породы, что сопровождается активной миграцией кремния.
Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение
Результаты, полученные методами физико-химического моделирования (глава 3) и экспериментальным способом (глава 4) свидетельствуют о значительном влиянии соединений азота на процессы выветривания и вторичного минералообразования, происходящие в сульфидных рудах зоны криогенеза [Птицын и др., 2005, 2007; Павлюкова, Маркович, 2006; Абрамова и др., 2013]. Уровень этого влияния достаточно высок для того, чтобы можно было с уверенностью утверждать, что оно в обязательном порядке должно быть учтено в практике решения поисково-разведочных и природоохранных задач. В этом случае принципиальное значение имеет разработка технологии, обеспечивающей моделирование фактических и прогнозных криогеохимических процессов с обязательным представлением результатов в востребованном практикой кондиционном виде. Технология должна соответствовать современному уровню геологических исследований и быть легко интегрируемой в системы их обеспечения.
Как было отмечено в первой главе, технической основой современных систем геологических исследований являются геоинформационные системы, включающие базы данных с результатами исследований и информационные системы доступа к ним, которые в обязательном порядке позволяют представлять информацию в картографическом виде [Паршин, 2012]. Причем карты или схемы должны давать четкое представление о состоянии качества среды в какой-либо определенной точке. В зависимости от поставленных задач, карты могут быть классифицированы относительно ПДК (геоэкологические задачи) или же с позиций выделения геохимических аномалий (поисково-разведочные задачи) [Budyak, Parshin, 2013].
Рассматривая проблему картографического представления результатов физико-химического моделирования, следует отметить то, что невозможно построить картографическое изображение на основе расчетных данных, выраженных в молярных концентрациях, или же напрямую рассчитать количество получаемого вещества на площадь в единицу времени, поскольку данные, необходимые для этого не могут быть учтены при моделировании. Таким образом, необходима технология, которая позволит дополнить физико-химическую модель необходимым для кондиционного представления набором данных и обеспечит картографирование результата [Абрамова, Паршин, 2015]. Для реализации этой возможности предлагается применить последние методические и технические достижения открытых геоинформационных технологий.
Необходимые условия для геоинформационных расчетов применительно к территории Удоканского месторождения в некоторой степени были определены согласно [Отчет о предварительной..., 2010 (Электронный ресурс)] (см. главу 1). В настоящем разделе работы решается задача оценки последствий хозяйственного освоения месторождения Удокан с учетом выявленных (глава 2, 3, 4) особенностей процессов криогеохимического выветривания с участием соединений азота с выходом на картографическое представление результатов.
Картографическое представление, очевидно, должно отражать качество среды или же степень воздействия на нее. Мониторинговые исследования предполагают измерения качества среды по сети точек, в нашем же случае известен источник (отвалы) и имеется физико-химическая модель возможных процессов выветривания, происходящих в нем. В этом случае возникает проблема распределения полученных результатов на определенную площадь. Можно предложить несколько вариантов решения данной задачи, одним из которых является расчет потока или ореола рассеяния и его классификация в соответствии с общепринятыми ПДК, ПДВ или же региональным геохимическим фоном, поскольку такой вариант соответствует как геоэкологическим, так и поисковым задачам.
В качестве модельного объекта рассматривается хвостохранилище №2 (рис. 42), поскольку карьеры и их отвалы в экологическом плане представляют собой меньшую опасность, чем хвосты от ГОКа, т.к. в них складируются в основном вмещающие оруденение породы, а руда поступает на фабрики по извлечению полезных металлов, в данном случае это медь. В хвостах же складируются рудные отходы после обогащения и частичного извлечения Си.
Для картирования концентраций меди на площади в первую очередь необходимо вычислить количество вещества, выделяющегося из складированных пород и руд в течение определенного времени. Можно предложить, по крайней мере, три способа такого расчета:
1) Обычно с помощью среды ФХМ выполняется расчет в молярных концентрациях. В этом случае для получения массового количества образующегося вещества необходимо выполнить пересчет из молярных концентраций, который сам по себе представляет не всегда простую научно-техническую задачу.
2) Некоторые среды ФХМ, в том числе, специальные версии ПК «Селектор», поддерживают расчет не только в молярных концентрациях, но и в других единицах. К сожалению, в любом случае в результате термодинамического моделирования имеется конечный объем вещества, которое будет выделяться за неопределенное время, тогда как изучение кинетики процесса физико-химического выветривания позволяет получить не только временную характеристику, но и определить степень воздействия на окружающую среду в конкретный временной промежуток. В данном случае имелись экспериментально полученные кинетические характеристики процесса выветривания, которые обеспечивают возможность приблизиться к решению прямой геолого-геохимической задачи.