Содержание к диссертации
Стр.
Введение 3
1. Методика исследования - g
А/, Полевые работы 8
1.2. Лабораторные исследования ' 9
1.3, Натурный эксперимент 12
2. Развитие представлений о процессах миграции тяжелых металлов и мышьяка
в сульфидных отходах 14
3. Описание сульфидных отходов Бернку.и.ского золотодобывающего завода 22
3.1. Характеристика руд 22
Ї 7 Техшмпїичрская схема переработки руЛ и еквпаирмппиг nmxiuuta 26
3.3. Внутреннее строение Берикульского отвала 28
4. Минеральные формы тяжелых металлов и мышьяка
4.І. Первичные минералы - 39
4 2. Вторичные соединения 40
5. Перераспределение элементов в зоне гиперіенеза сульфидных отходов
-
Образование и нейтрализация кислоты 61
-
Селективная экстракция форм тяжелых металлов и мышьяка 67
-
Формы тяжелых металлов и мышьяка 72
6. Гидрогеохимия дренажных растворов и речных вод
-
Химический состав растворов 88
-
Формы нахождения элементов в растворах 94
-
Натурное моделирование загрязнения речных вод дренажными растворами 101
Заключение 109
Список используемой литературы 115
Введение к работе
Индустриальное развитие России в XX веке сопровождалось активной разработкой месторождений. В настоящий момент в Российской Федерации количество перемещаемой горной массы составляет 6-7 млрд* v тонн в год (черная и цветная металлургия, угольная промышленность, промышленность стройматериалов и т.д.). Более половины от этой массы составляют отходы, которые складируются на земной поверхности. Среди различных отходов горнорудной промышленности выделяется класс отходов, содержащих значительные количества сульфидов (более 30%). При взаимодействии сульфидных отходов с атмосферой образуются кислые дренажные растворы, которые выносят из отходов значительные количества тяжелых металлов, загрязняющих окружающую среду. Данная работа посвящена проблеме миграции тяжелых металлов из сульфидных отходов.
Актуальность работы.
Катастрофическое ухудшение экологической ситуации в горнодобывающих районах мира во второй половине XX столетия обострило интерес ученых к исследованию процессов, контролирующих интенсивность миграции токсичных элементов из сульфидных отходов. В настоящий момент данная тематика продолжает активно развиваться. Тот факт, что ежегодно на решение проблем, связанных с кислотным дренажем, в мире тратится около 10 млрд. долларов (Weaiherell et al., 1997), подчеркивает необходимость проводимых исследований.
Накопление и анализ данных о закономерностях миграции элементов в зоне гипергенеза сульфидных отходов способствуют созданию и проверке численных моделей, которые позволяют прогнозировать состояние окружающей среды вокруг хвостохранилищ.
Развитие технологий извлечения неизбежно приводит к тому, что старые хвостохранилища начинают рассматриваться как источник сырья (Айриянц и Бортннкова, 1994). Поэтому геохимическое и минералогическое изучение твердою вещества отходов является основой при оценке пригодности материала для извлечения полезных компонентов.
Цель и задачи работы.
Цель работы - выявление закономерностей перераспределения мышьяка, железа, цинка, кадмия, меди и свинца в сульфидных отходах на примере отвалов Берикульского золотодобывающего завода (БЗЗ). Для достижения цели ставились следующие задачи.
Установление закономерностей формирования гипергенной зональности.
Определение последовательности преобразования минеральных форм металлов и мышьяка (от первичных сульфидов до новообразованных фаз) при изменении вещества отходов.
Выявление главных геохимических барьеров, контролирующих осаждение отдельных элементов.
Определение путей миграции и оценка объемов выноса элементов из отвалов в окружающую среду, а также изучение особенностей их поведения при попадании дренажных растворов в природные водоемы.
Научная новизна.
На основании проведенных исследований и обобщения литературных данных впервые выделены основные стадии гипергенного изменения сульфидных отходов и установлены критерии разделения этих стадий. Определена последовательность преобразования минеральных форм металлов и мышьяка на разных стадиях изменения сульфидных отходов.
Практическая значимость.
В работе приводятся количественные оценки: 1) масштабов выноса металлов и мышьяка дренажными водами в реку и 2) скоростей осаждения этих элементен при взаимодействии дренажных растворов с биогеоценозом речных вод. Эти оценки могут использоваться при прогнозе экологической ситуации и для природоохранных мероприятий в местах хранения сходных морфологии и по составу отходов (например, Дарасунские кеки цианирования, сульфидные отходы Новосибирского оловозавода и др.).
Защищаемые положения.
При гипергенном изменении сульфидные отходы проходят три основные стадии преобразования (от ранних к поздним): 1) начальное окисление сульфидов и сопряженная нейтрализация образующихся растворов карбонатами; 2) активное окисление сульфидов и выщелачивание элементов; 3) гидролиз и завершение выщелачивания.
Тяжелые металлы и мышьяк концентрируются преимущественно во вторичных минералах железа. При этом на ранней и поздней стадиях изменения отходов образуются сульфаты и сульфоареенаты трехвалентного железа, а на промежуточной стадии активного выщелачивания и окисления - сульфаты двухвалентного железа.
В пределах отходов существуют два основных геохимических барьера: испарительный, на котором происходит временная локализация цинка, кадмия, меди и мышьяка в легкорастворимых сульфатах железа, и нейтрализациоиный, где металлы и мышьяк накапливаются в более устойчивых сульфоарсенатах железа и ярозите.
Вынос металлов и мышьяка из отходов осуществляется дренажными растворами в реку М Берикуль, причем количество этих элементов убывает в ряду: железо - мышьяк - цинк - медь - кадмий - свинец. Выбросы дренажных растворов приводят к угнетению речного биоценоза.
Фактический материал.
В основу диссертации положен материал, собранный автором в полевые сезоны 1996-1999 гг. В целом было отобрано около 50 образцов твердого вещества отходов и 20 проб растворов. При минералогическом анализе было изучено около 30 шлифов, 35 монтированных аншлифов, сделано около 30 дифрактометрическнх определений и около 300 микрозондовых анализов (каждый анализ на 10 элементов). При исследовании химического состава твердых образцов и растворов было проделано около 1000 элементо-определений. При написании работы использовался обширный литературный материал.
Структура и объем работы.
Работа состоит из введения, 6 глав и заключения. Диссертация изложена 120 страницах, включает 28 таблиц и 22 иллюстрации.
Апробация работы.
Представленная работа была выполнена в лаборатории геохимии техногенеза Института геологии в соответствии с планами научно-исследовательских работ группы и ВМТК. Результаты работы докладывались на:
9-ом симпозиуме Европейского Союза Геологических Наук - EUG-
9, 23 - 27 Марта 1997 г., Страсбург, Франция; симпозиуме по геологии и экологии - GEOENV'97, 1-5 сентября
1997 г., Стамбул, Турция; летних международных школах по геологическим и экологическим наукам «Toxic waste disposal: A geological approach», 5-12 Октября,
1997 г.; «A Geochemical and Mineralogical Approach lo Environmental protection», 25-31 Октября, 1998 г.. прошедших в г. Сиена, Италия;
Основные защищаемые положения диссертации опубликованы п 3 Статьях и 4 тезисах докладов, а так же в отчетах ВМТК «Экогеохимня» и «Минтех».
Благодарности.
Лвгор искренне блатдарит к.г.-м.н. Светлану Борисовну Бортникову за научное руководство и постоянную поддержку, без которой данная работа не была бы выполнена. Серьезную поддержку в проведении полевых исследований оказали Е.В. Лазарева, к.х.н. О-В. Шуваева, к.г.-м.н. А.А. Айриянц и ДЛО. Бессонов. Идея постановки и практическая реализация натурного эксперимента принадлежит к.х.н. Б.С. Смолякову. Автор благодарит Н.В. Андросову, к.х.н. В.Г. Цимбалист, к.х.н. О.В. Шуваеву, к.г.-м.н. А.Д. Кирсева и Е.И. Хожину за выполнение химико-аналитических работ. При минералогическом изучении серьезную помощь оказали: к.г.-м.н. Н.А. Пальчик, к.г.-м.н. Т.Н. Григорьева, к.г.-м.н. В.Н. Столповская при исследовании образцов структурными методами; С.В Летов и к.г.-м.н. А.Т. Титов при диагностике минералов под электронным микроскопом и к.х.н. Л.Н. Поспеловой как оператору при работе с микрозондом. Ценные замечания и рекомендации были высказаны д.г.-м.н. А.С. Лапуховым, д.г.-м.н. Г.Р. Колониным, д.г.-м.н. В.И. Сотниковым, Д.Г.-М.Н. А.Б. Птицыньш, д.х.н. В.И. Белеванцевым (ИНХ СО РАН) и которым автор выражает искреннюю благодарность. Особо хочется отметить помощь к.г.-м.н. О.Л. Гаськовой за многочисленные консультации.
