Об унаследованности геохимической специализации отходов горного производства от рудноформационной принадлежности рудных месторождений на примере Забайкалья

Размещено на http://www.allbest.ru/

Об унаследованности геохимической специализации отходов горного производства от рудноформационной принадлежности рудных месторождений на примере Забайкалья

Г.А. Юргенсон, Забайкальский государственный университет; Р.А. Филенко, ''Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН

Разрабатываемые или отработанные месторождения являются источниками типохимических ассоциаций химических элементов, образующих их токсикогенные концентрации. Содержания Cu, Zn, Cd, Pb, Bi, Sb, W, Sn, Ce, Мо, Sn в техноземах геотехногенных ландшафтов превышают кларки и ПДК. Сквозным элементом рудных формаций, кроме вольфрамовых и собственно молибденовых, является As, для полиметаллических, золоторудных - Sb, для вольфрамовых, олово-полиметаллических, золото-кварц-молибденовых, золото-сульфидно-кварцевых - Bi. Pb является сквозным для всех полиметаллических формаций. Cd типичен для всех формаций, кроме золоторудных и молибденовых.

Ключевые слова: рудные месторождения, геохимическая специализация, типохимическая ассоциация, токсикогенная концентрация.

Введение

Изучение геоэкологического состояния горнопромышленных геосистем в современных условиях относится к приоритетным направлениям, способным заложить основы рационального природопользования. Одним из важнейших аспектов этих исследований являются их минералого-геохимическая классификация на основе их типохимизма и выявление минералого-геохимических факторов прогноза влияния разработки рудных месторождений определенных рудных формаций на окружающую среду.

В этом отношении Забайкалье является одним из крупнейших полигонов России, где горная промышленность зародилась так же, как и на Урале, в XVII в. Открытие и разработка в Восточном Забайкалье свинцово-цинковых руд, содержащих серебро и золото, положили начало более чем трехсотлетней истории горнозаводского дела в России. Именно здесь уже в 1676 г. было получено первое российское серебро. На базе Троицкого полиметаллического месторождения был построен и функционировал Аргунский сереброплавильный завод, впоследствии получивший название Нерчинского сереброплавильного завода (1689-1853 гг.), хотя к современному г. Нерчинску непосредственного отношения он не имел и не имеет. Скорее всего, назван он был так потому, что вся эта территория входила в состав Нерчинского воеводства, а затем все заводы были перепод- чинены Нерчинскому горному округу, который для удобства управления им размещался в селе Нерчинский завод, возникшем при одоноимен- ном сереброплавильном заводе. С 1704 г. Нерчинский сереброплавильный завод начал выплавлять серебро и свинец [Геологические... 1999; Куриленко, 2006], а с 1717 г. и золото, так называемое первое злато домашнее.

В 1723 г. на территории Юго-Восточного Забайкалья открыто месторождение аквамарина Шерловая Гора, разработка которого ведется по сей день [Kasatkin, Klapotov, Plasil, 2014; Yurgenson, Kononov, 2014]. Затем были построены и задействованы Газимуровский, Кутомарский, Дучарский, Александровский, Шилкинский сереброплавильные заводы. В середине XVIII в. построен Дучарский, а затем Кутомарский заводы, оставившие после себя 0,9 млн т шлаков с содержанием 3,84,91% свинца и 5,31-5,46% цинка [Заворотных, 2001]. На Дучарском месторождении, а затем Солонечном с середины XVIII в. добывали первый флюорит России, использовавшийся как добавка к шихте.

В 1811 г. открыты и начали разрабатываться первые месторождения олова на Ононском месторождении [Геологические... 1999; Вырупаев, 2001]. Все сереброплавильные заводы к началу ХХ в. перестали функционировать, но отходы горнозаводского производства остались. Первые молибден (Чикойское месторождение), вольфрам и висмут (Шерловая Гора) также добыты в Забайкалье. Огромный вклад Забайкалье внесло в добычу золота в России. Это и первые россыпи по реке Унде, правому притоку Онона, и коренные месторождения: Балейско-Тасеевское, Дарасунское, Ключевское, Любавинское и др. [Игнаткин, 2004].

В связи с открытием в советское время большого числа месторождений молибдена, вольфрама, олова, золота и серебра, флюорита, редких металлов, урана (1930-1993 гг.), была создана мощная горнодобывающая индустрия, разрушенная в 1991-1993 гг.

В результате перестройки остановлена деятельность предприятий с огромными отходами горного производства и исключенными из хозяйственной деятельности земельными отводами. За прошедшие почти 320 лет в результате геологоразведочных и добычных работ накопилось около 650 млн т отходов горного производства с учетом только разработки рудных месторождений. Они включают 1,335 млн т весьма богатых шлаков сереброплавильных заводов. Средние содержания в них свинца находятся в пределах 3,91-7,64%, цинка 1,03-7,59%, а также меди 0,1%, сурьмы 1,3%, олова 0,1%, индия 0,002-0,02%, галлия 0,002 - 0,02%, серебра 29,93-79,92 г/т, золота 0,09-0,25 г/т. С учетом разработки месторождений бурых и каменных углей, а также месторождений флюорита и редких металлов Забайкальским ГОКом общая масса перемещенных техногенных массивов составляет около 3 млрд т.

Цель работы и современное состояние проблемы

В результате предварительного анализа состояния окружающей среды в пределах исторических горнопромышленных территорий Восточного Забайкалья были выявлены разнообразие геохимической специализации отдельных хвостохранилищ и некая ее зависимость от минералого-геохимических типов разрабатывавшихся рудных месторождений. Эти данные нашли отражение в первом обобщении состояния окружающей среды Читинской области, выполненном в 1995 г. [Окружающая... 1995]. В этой работе дан анализ влияния добычи и переработки полезных ископаемых на окружающую среду и намечены основные направления исследований в данном направлении. В результате одной из важных задач стала необходимость сравнительного изучения минералого-геохимической специализации рудных месторождений и отходов горного производства их отработки.

Целью настоящей работы являются обобщение результатов исследований в этой области, выполненных более чем за 15 лет, для определения ассоциаций токсикогенных химических элементов в отходах горного производства и на этой основе прогноз возможной экологической опасности отработки месторождений определенных рудных формаций, а также их влияние на геохимию ландшафта.

С 2005 г. в ИПРЭК СО РАН (лаборатория геохимии и рудогенеза, геоэкологии и гидрогеохимии) и в Забайкальском государственном университете (лаборатория минералогии и геохимии ландшафта) ведутся исследования процессов концентрирования и миграции химических элементов в природных и геотехногенных ландшафтах горнопромышленных районов Забайкалья. Изучены руды и состояния хвосто-хранилищ бывших рудников, деятельность которых прекращена в 1960-1993-х гг. (Шерлово- горского, Хапчерангинского олово-полиметаллических, Шахтаминского молибденового, Давендинского золото-молибденового, Любавин- ского золоторудного, Кличкинского и Акатуевского полиметаллических и др.), а также действующих (Бом-Горхонского вольфрамового, Новоширокинского, Нойон-Тологойского золото-полиметаллических и Александровского золоторудного с молибденом). Кроме того, на основе изучения минерального и химического состава руд подготовленных к эксплуатации Бугдаинского, Верхнеалиинского месторождений дан прогноз их возможного влияния на окружающую среду [Юргенсон, 2015; Уиешоп, 2004]. В других регионах на примере телетермальных месторождений ртути, колчеданных медно-цинковых, стратифицирова- ных полиметаллических В.А. Алексеенко и со-авт. [Алексеенко, Швыдкая, Пузанов, 2018; Alekseenko et al., 2017] показана унаследован- ность ассоциаций химических элементов в геотехногенном ландшафте, сохраняющаяся на протяжении десятилетий после окончания деятельности горнопромышленных предприятий. Это же относится и к месторождениям вольфрама [Смирнова, 2012], и особенностям циркулирующих в отходах горного производства вод [Плюснин, Жамбалова, Дамаева, 2014; Васильева, Васильев, Смирнова, 2015].

Методика исследований

Методика исследований предусматривала изучение минералого-геохимического состава руд, состояния хвостохранилищ, минерального и химического состава слагающих их техноземов, а также биогеохимических особенностей пионерных растений, первыми заселяющих хвостохранилища и создающих зоны новообразованных первичных почв, являющихся естественным субстратом природной рекультивации их слабообводненных поверхностей. Всего использовано около 1 600 проб руд и техноземов. Минеральный состав горных пород и руд (195 шлифов и 180 аншлифов) исследован в шлифах и аншлифах на оптическом поляризационном микроскопе AXIO Scope AI. Диагностика и состав минералов уточнены электронно-зондовым методом с помощью растрового электронного микроскопа LEO 1430 VP (аналитики Е.А. Хромова, Е.В. Ходырева, канд. техн. наук С.В. Канакин, ГИН СО РАН, г. Улан-Удэ, руководитель лаборатории С.В. Канакин). Химический состав руд и техноземов определен методом 1СР MS в лаборатории ОАО SGS «Восток Лимитед» в г. Чита (руководитель лаборатории А. Шацких).

Полученные результаты их обсуждение

В результате изучения минералогогеохимических особенностей 15 месторождений различных рудных формаций и соответствующих им природных и геотехногенных ландшафтов горнопромышленных районов Забайкалья установлено, что месторождения, являющиеся объектом разработки, были и остаются источниками определенных типоморфных ассоциаций химических элементов, образующих их токсикогенные концентрации. Содержания большинства изученных элементов (Cu, Zn, Cd, Pb, Bi, Sb, W, Sn, Ce, Мо, Sn) в техноземах геотехногенных ландшафтов существенно превышают кларки и ПДК.

Для всех изученных месторождений и рудных формаций установлена унаследованность содержаний в рудах и техноземах свинца, цинка, мышьяка, висмута и сурьмы и показано, что эти элементы являются главными источниками экологической опасности в горнопромышленных геосистемах (рис. 1-4).

Из анализа рис. 1 видно, что максимальное содержание свинца установлено в техноземах Хапчерангинского хвостохранилища, образовавшееся в результате отработки одноименного олово-полиметаллического месторождения, минимальное - в хвостохранилищах золотоизвлекательных фабрик (ЗИФ) Балейского ГОКа.

Рис. 1. Соотношение и унаследованность содержаний свинца в рудах отрабатываемых и отработанныхместорождений и в техноземах отходов горного производства

При этом выявлено, что содержание его в тех- ноземах выше, чем в исходной руде. Это связано с тем, что на фабрике ЗИФ № 2 перерабатывались руды двух месторождений: Тасеевского, где свинец находился в галените и сульфосолях, извлекавшихся в гравитационный флотационный концентраты, и Среднеголготайского, свинец которого частично находился в окисленных формах и не извлекался, а уходил в отвал. Этот факт указывает на важность знаний минеральных форм тех или иных токсичных элементов для выбора технологии обогащения и прогноза экологической опасности разработки руд определенного минерального состава.

Рис. 2. Соотношение и унаследованность содержаний цинка в рудах отрабатываемых и отработанных месторождений и в техноземах отходов горного производства

Цинк также относится к элементам, способным накапливаться в техноземах. Особенностью его, как и сопровождающего кадмия, является высокая подвижность в геотехногенных ландшафтах. Распределение цинка в руде и техноземах показано на рис. 2. Видно, что содержание цинка также минимально в рудах Балейского рудного поля малоглубинной золотосеребряной формации и максимально для руд Хапчерангин- ского месторождения, но в техноземах минимальны концентрации цинка в хвостохранилище Давендинского золото-молибденового и максимальны для хвостохранилища Нерчинского полиметаллического ГОКа, где складированы хвосты обогащения Кличкинского, Почекуевского и Савинского № 5 полиметаллических месторождений. Для техноземов Тасеевских ЗИФ тенденция, выявленная для свинца, сохраняется. Аналогичная картина наблюдается и для кадмия.

Рис. 3. Распределение мышьяка в руде и техноземах

Для элементов V группы (Аб, 8Ь, Ві) общие тенденции сохраняются, но минимальные концентрации мышьяка в рудах и техноземах характерны для месторождения молибдена (Давендинское), а максимальные - для руд Шерловогорского олово-полиметаллического и техноземов Кличкинского полиметаллических, что вполне закономерно. При этом тенденции изменения соотношений руда / технозем сохраняются (рис. 3, здесь приведены данные для мышьяка).

Для сурьмы характерно повышение концентраций в техноземах по сравнению с рудами, что обусловлено особенностями поведения ее минералов в гравитационном и флотационном способах обогащения руд. Это следует учитывать при прогнозе переработки окисленных руд, содержащих данный элемент.

Все рассмотренные химические элементы образуют, как показано выше, аномально высокие концентрации в рудовмещающих горных поро дах, рудах, продуктивных минеральных комплексах, что естественно, и отходах горного производства, в частности, в техноземах в пределах территорий с оруденением определенных рудных формаций. Из них в сверхкларковых концентрациях и концентрациях, превышающих ПДК и ОДК, как показано на примерах изученных месторождений, находятся свинец, цинк, кадмий, мышьяк, сурьма, висмут и, в отдельных случаях, медь и молибден. Эти элементы для рудоносных геосистем Забайкалья являются сквозными в цепи: горная порода-руда-почва (технозем), т.е. они проходят через всю геосистему.

Статистические параметры концентраций определенных элементов для конкретных рудных формаций или месторождений являются их типохимическими признакам, и элементы могут быть признаками их классификации. Средние значения содержаний данных элементов приведены на рис. 4.

Результаты изучения руд и техноземов хвосто- хранилищ сведены в таблице. Сопоставление минерального состава руд изученных месторождений с геохимической ассоциацией химических элементов в техноземах позволило их расклассифицировать. Выделены геохимические типы техноземов, соответствующих определенным рудным формациям месторождений. Рудные формации выделены в соответствии с их типохимическими признаками, выявленными нами [Юргенсон, 2003] с учетом представлений, изложенных в работе [Спиридонов, Зорина, Китаев, 2006].

Определено, что содержание большинства выявленных элементов значительно выше их кларка и ПДК для валовых концентраций в почвах.

Рис. 4. Типохимические значения сквозных химических элементов геотехногенных ландшафтов для различных рудных формаций

Анализ данных таблицы однозначно подтверждает вывод о повсеместном развитии элементов V группы Периодической системы и об их типохимизме для Забайкалья. В зависимости от их концентраций, прежде всего наиболее опасного мышьяка, а также профилирующих главных минералов и химических элементов руд, образующих сверхкларковые и превышающие ПДК и ОДК концентрации в техноземах, выполнена минералого-геохимическая типизация изученных геотехногенных ландшафтов. Выделены две основные группы геосистем: мышьяковые и безмышьяковые. К первым отнесены геосистемы с содержанием мышьяка в отходах горного производства 300 и более г/т, ко вторым - с меньшими содержаниями. К первым относятся все золоторудные и полиметаллические месторождения и отходы их разработки. Ко вторым - месторождения вольфрама грейзеновой формации и молибдена.

Таблица 1. Оруденение определенных рудных формаций и типичные ассоциации химических элементов в техноземах геотехногенных ландшафтов и их концентрации, г/т

Рис. 5. Изменение содержаний цинка и кадмия в техноземах хвостохранилищ в зависимости от времени начала отработки месторождений

Среди первых выделены: 1) собственно мышьяковый тип, к которому относятся месторождения золотокварцевой формации; 2) мы- шьяк-сурьмяный (месторождения малоглубинной золотосеребряной формации) и месторождения золото-сульфидно-кварцевой формации в гранитоидах; 3) мышьяк-висмутовый и мышьяк-сурьмяно-висмутовый и месторождения в гранитоидах с генетической связью с субщелочными породами среднего состава; 4) мышьяк-сурьмяно-молибденовый в гранитоидах с предельно минимальным содержанием мышьяка; 5) мышьяково-полиметаллический, объединяющий полиметаллические, олово-полиметаллические и золото-полиметаллические формации. Для мышьякового типа характерны широкий круг токсичных элементов и их высокие концентрации в отходах горного производства с преобладанием сурьмы или висмута в зависимости от геохимической специализации месторождения, а также постоянным присутствием кадмия более 2 г/т, превышающем ОДК.

Ко второму, безмышьяковому вольфрам-висмутовому типу геосистем отнесены месторождения вольфрама и геотехногенные ландшафты Бом-Горхонского и Спокойнинского рудников, а также и остановленных в 1960-х гг. Антоновогорского, Букукинского, Ангатуйско- го рудников. Три последних разрабатывали кварц-сульфидно-вольфрамитовые месторождения, и отходы содержат токсичные концентрации цинка, кадмия, висмута, вольфрама, молибдена.

К безмышьяковому молибден-сурьмяновому отнесены Бугдаинское и Шахтаминское месторождения и связанные с ними геосистемы. Сравнительный анализ концентраций 2п и Cd в техноземах месторождений различных рудных формаций показал, что содержания химических элементов зависят не только от количества и соотношения их в исходной руде, но и от технологии и давности их отработки. Применение более совершенных технологий извлечения на отрабатывающихся в настоящее время месторождениях обусловливает и более низкое содержание химических элементов в отходах добычи и переработки руд по сравнению со старыми закрытыми или законсервированными рудными объектами (см. рис. 5).

Заключение

Месторождения, являющиеся объектом разработки, были и остаются источниками определенных типоморфных ассоциаций химических элементов, образующих их токсикогенные концентрации. Содержания большинства изученных элементов (Cu, Zn, Cd, Pb, Bi, Sb, W, Sn, Ce, Мо, Sn) в техноземах геотехногенных ландшафтов существенно превышают кларки и ПДК. Наибольшим распространением из химических элементов, высокие содержания которых представляют экологическую опасность, в изученных ландшафтах пользуются As, Pb, Zn, Sb, Cd и Bi. Сквозным элементом для всех рудных формаций, кроме вольфрамовых и собственно молибденовых, является Аб. Выявлены две группы типохимических ландшафтов: мышьяковая (Аs>300 г/т) и безмышьяковая (Аs<300 г/т). К мышьяковой относятся все полиметаллические и золоторудные, за исключением обогащенных висмутом. Они подразделены на мышьяково-сурьмяные и мышьяково-висмутовые, а также мышьяковосвинцовые, к которым отнесены ландшафты с полиметаллическим оруденением. К безмышьяковой группе отнесены вольфрам-висмутовый и молибден-сурьмяный типы геосистем.

Сурьма является сквозным элементом для большинства геосистем, кроме грейзенового вольфрам-висмутового. Висмут типичен для геосистем с вольфрамовым, олово-полиметаллическим, золото-кварц-молибденовым, золото-сульфидно-кварцевым оруденением. Свинец является сквозным для всех полиметаллических формаций. Наиболее опасный кадмий типичен для всех формаций, кроме золоторудных и молибденовых.

Таким образом, в результате обобщения данных прошлых лет и новых данных, полученных в процессе изучения минералогогеохимического состава первичных и окисленных руд и техноземов в хвостохранилищах, установлено, что ассоциации химических элементов в техноземах зависят от их рудноформационной принадлежности, а также от технологии переработки руд месторождения.

Литература

1. Алексеенко В.А., Швыдкая Н.В., Пузанов А.В. Геохимические изменения ландшафта, вызванные разработкой рудных месторождений полезных ископаемых // Минералогия и геохимия ландшафта горнорудных территорий. Рациональное природопользование. Современное минералообразование: тр. VII Всерос. симп. с междунар. участием и XIV Всерос. Чтений памяти акад. А.Е. Ферсмана 22-23 августа 2018 г. Чита: Изд-во Заб ГУ, 2018. С. 115-122.

2. Васильева Е.В., Васильев В.И., Смирнова О.К. Физико-химическая модель стока техногенных вод Бом-Горхонского вольфрамового месторождения в экологическую систему реки Зун-Тигня (Забайкальский край) // Минералогия техногенеза-2015. Миасс: ИМин УрО РАН, 2015. С. 155-159.

3. Вырупаев А.А. Ононский оловянный промысел // 300 лет горно-заводского дела в Забайкалье: материалы симп. 9-10 сентября 2001 г. Чита: ИПРЭК СО РАН, 2001. С. 25-30.

4. Геологические исследования и горно-промышленный комплекс Забайкалья / Г.А. Юргенсон, В.С. Чечеткин, В.М. Асосков и др. Новосибирск: Наука, 1999. 574 с.

5. Заворотных И.Р. Открытие и создание минерально-сырьевой базы Нерчинского горного округа // 300 лет горно-заводского дела в Забайкалье: материалы симп. 9-10 сентября 2001 г. Чита: ИПРЭК СО РАН, 2001. С. 79-92.

6. Игнаткин Ю.А. Очерки золота Забайкалья. Чита : ЦНОП, 2004. 100 с.

7. Куриленко И.В. Нерчинский сереброплавильный завод // Энциклопедия Забайкалья. Читинская область. Т. III: И-Р / гл. ред. Р.Ф. Гениатулин. Новосибирск: Наука, 2006. С. 334.

8. Окружающая среда и условия устойчивого развития Читинской области / А.М. Котельников, О.А. Вотах, А.М. Возмилов и др. Новосибирск: Наука, 1995. 248 с.

9. Плюснин А.М., Жамбалова Д.И., Дабаева В.В. Миграция токсичных элементов в толще намывного хвосто-хранилища Джидинского ГОКа // Минералогия и геохимия ландшафта горнорудных территорий. Рациональное природопользование. Современное минералообразование: тр. V Всерос. симп. с междунар. участием и XII Всерос. Чтений памяти акад. А.Е. Ферсмана 10-12 декабря 2014 г. Чита: Поиск, 2014. С. 54-59.

10. Смирнова О.К. К минералогии и геохимии хвостов обогащения сульфидно-вольфрамовых руд // Минералогия техногенеза-2012. Миасс : ИМин УрО РАН, 2012. С. 244-251.

11. Спиридонов А.Н., Зорина Л.Д., Китаев Н.А. Золотоносные рудно-магматические системы Забайкалья. Новосибирск: Гео, 2006. 291 с.

12. Юргенсон Г.А. Типоморфизм и рудные формации. Новосибирск: Наука, 2003. 368 с.

13. Юргенсон Г.А. Результаты и проблемы изучения современного минералообразования в геотехногенных ландшафтах исторических горнопромышленных районов // Международная научная конференция. XII съезд РМО. Минералогия во всем пространстве сего слова: материалы XII съезда РМО. СПб., 2015. С. 68-70.

14. Alekseenko V.A., Alekseenko A.V., Bogatyrev L.G., Shvydkaya N.V., Benediktova A.I. Some geochemical features of soils formed under conditions of abandoned mercury deposits in Krasnodar Krai. Moscow University Soil Science Bulletin. 2017. V. 72, № 2. P. 84-91.

15. Kasatkin A.V., Klopotov K.I., Plasil J. Supergene Minerals of Sherlova Gora // Mineralogical Almanac, Ltd. Lakewood, CO80227, USA. 2014. V. 19, is. 2. P. 94-139.

16. Yurgenson G.A. Geotechnogenesis problems // J. Geosci. Res. NE Asia [Changchun, China], 2004. Vol. 7, № 1. P. 92-96.

17. Yurgenson G.A., Kononov O.V. Sherlova Gora: a deposit for Gemstones and Rare Metals // Famous Mineral Localites of Russia: Sherlova Gora // Mineralogical Almanac, Ltd. Lakewood, CO80227, USA. 2014. V. 19, is. 2. P. 12-93.

Размещено на Allbest.ru