Горнопромышленные ландшафты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция

Горнопромышленные ландшафты

Антропогенные ландшафты, связанные с деятельностью промышленных предприятий. Добыча полезных ископаемых - один из наиболее мощных видов техногенеза. Его воздействие на природную среду возрастает и захватывает все большие территории. Велики площади почти полного уничтожения природных ландшафтов, занятые скважинами, шахтами, карьерами, отвалами пород, отходами первичного обогащения руд, угольными терриконами, транспортными магистралями и др. Здесь формируются особые техногенные ландшафтно-геохимические системы - горнопромышленные ландшафты (ГПЛ). Их основная геохимическая черта - слабоконтролируемое рассеяние больших масс веществ с аномально высоким содержанием элементов, которые, как правило, негативно воздействуют на ландшафт. Специфическая особенность ГПЛ - наложение техногенного загрязнения на природные геохимические аномалии - вторичные ореолы и потоки рассеяния месторождений в почвах, растениях, поверхностных и подземных водах. Известны города и рудничные поселки, располагающиеся непосредственно на месторождениях (например, кубинский г. Моа на ультраосновных породах с рудными концентрациями хрома и никеля).

Геохимическая характеристика ГПЛ приобрела особенно важное значение в связи с решением экологических задач. Она включает в себя сведения о распределении в ГПЛ химических элементов - загрязнителей Pb, Hg, Zn и других, данные о биогенной, водной, воздушной миграции и концентрации этих элементов, прогноз эволюции загрязнения. Необходимо оценивать и интенсивность миграции, для вод - с помощью коэффициента водной миграции. Рационально составлять и ряды водной миграции элементов. ландшафт геохимический горнопромышленный

Большое значение имеет выделение техногенных геохимических барьеров - механических, физико-химических и биогеохимических, на которых повышается концентрация элементов-загрязнителей. Подобные барьеры могут возникать стихийно, в ходе техногенной миграции, но могут создаваться и специально, с целью локализации загрязнения. Так, например, для многих ГПЛ характерны сильнокислые воды, образующие ручьи и грунтовые потоки. Если на их пути создать искусственный геохимический барьер из углекислой извести и других карбонатных материалов, то на таком щелочном барьере D1 будут концентрироваться Cu, Zn и другие тяжелые металлы-загрязнители. Искусственные геохимические барьеры могут относиться также к окислительному (А), сероводородному (B), глеевому (C), сорбционному (G) и другим классам. Существенно, что материал для создания техногенных барьеров может быть в самом ГПЛ в виде горных пород, почв, отходов производства и т.д. Задерживая загрязняющие элементы, геохимические барьеры являются важным фактором самоорганизации ГПЛ.

Как и в природных условиях, в районах развития горной промышленности рационально различать геохимические и элементарные ГПЛ. Выделение последних представляет определенные трудности, т.к. не ясно, можно ли относить к элементарным ГПЛ отдельные терриконы, здания шахт и т.д. Решение вопроса мы видим в использовании критерия "площадь выявления ландшафта", предложенного для природных ландшафтов (гл. 1). Напомним, что согласно этому критерию элементарный ландшафт представляет собой такой компонент геохимического ландшафта, размеры которого хотя бы мысленно можно распространить на значительную площадь. В природном геохимическом ландшафте имеются и другие составные части, сама природа которых строго ограничивает их размеры - муравейники, болотные кочки, норы землероев, одиноко стоящие деревья и т.д. Эти компоненты именуются деталями ландшафта. С указанных позиций терриконы и отдельные строения будут деталями ГПЛ, а к элементарным ГПЛ относятся группы терриконов, искусственные насаждения (парки, рощи), "техногенные болота" и т.д.

Добыча полезных ископаемых - один из наиболее мощных видов техногенеза. Его воздействие на природную среду возрастает и захватывает все большие территории. Велики площади почти полного уничтожения природных ландшафтов, занятые скважинами, шахтами, карьерами, отвалами пород, отходами первичного обогащения руд, угольными терриконами, транспортными магистралями и др. Здесь формируются особые техногенные ландшафтно-геохимические системы - горнопромышленные ландшафты (ГПЛ). Их основная геохимическая черта - слабоконтролируемое рассеяние больших масс веществ с аномально высоким содержанием элементов, которые, как правило, негативно воздействуют на ландшафт. Специфическая особенность ГПЛ - наложение техногенного загрязнения на природные геохимические аномалии - вторичные ореолы и потоки рассеяния месторождений в почвах, растениях, поверхностных и подземных водах. Известны города и рудничные поселки, располагающиеся непосредственно на месторождениях (например, кубинский г. Моа на ультраосновных породах с рудными концентрациями хрома и никеля).

Геохимическая характеристика ГПЛ приобрела особенно важное значение в связи с решением экологических задач. Она включает в себя сведения о распределении в ГПЛ химических элементов - загрязнителей Pb, Hg, Zn и других, данные о биогенной, водной, воздушной миграции и концентрации этих элементов, прогноз эволюции загрязнения. Необходимо оценивать и интенсивность миграции, для вод - с помощью коэффициента водной миграции. Рационально составлять и ряды водной миграции элементов.

Большое значение имеет выделение техногенных геохимических барьеров - механических, физико-химических и биогеохимических, на которых повышается концентрация элементов-загрязнителей. Подобные барьеры могут возникать стихийно, в ходе техногенной миграции, но могут создаваться и специально, с целью локализации загрязнения. Так, например, для многих ГПЛ характерны сильнокислые воды, образующие ручьи и грунтовые потоки. Если на их пути создать искусственный геохимический барьер из углекислой извести и других карбонатных материалов, то на таком щелочном барьере D1 будут концентрироваться Cu, Zn и другие тяжелые металлы-загрязнители. Искусственные геохимические барьеры могут относиться также к окислительному (А), сероводородному (B), глеевому (C), сорбционному (G) и другим классам. Существенно, что материал для создания техногенных барьеров может быть в самом ГПЛ в виде горных пород, почв, отходов производства и т.д. Задерживая загрязняющие элементы, геохимические барьеры являются важным фактором самоорганизации ГПЛ.

Как и в природных условиях, в районах развития горной промышленности рационально различать геохимические и элементарные ГПЛ. Выделение последних представляет определенные трудности, т.к. не ясно, можно ли относить к элементарным ГПЛ отдельные терриконы, здания шахт и т.д. Решение вопроса мы видим в использовании критерия "площадь выявления ландшафта", предложенного для природных ландшафтов (гл. 1). Напомним, что согласно этому критерию элементарный ландшафт представляет собой такой компонент геохимического ландшафта, размеры которого хотя бы мысленно можно распространить на значительную площадь. В природном геохимическом ландшафте имеются и другие составные части, сама природа которых строго ограничивает их размеры - муравейники, болотные кочки, норы землероев, одиноко стоящие деревья и т.д. Эти компоненты именуются деталями ландшафта. С указанных позиций терриконы и отдельные строения будут деталями ГПЛ, а к элементарным ГПЛ относятся группы терриконов, искусственные насаждения (парки, рощи), "техногенные болота" и т.д.

ГПЛ нефтяных, угольных и газоносных месторождений

Добыча и использование горючих полезных ископаемых - наиболее интенсивный источник загрязнения окружающей среды. В районах добычи угля, нефти и газа на 1 км 2 поверхности суши приходится сотни и тысячи тонн органических и минеральных загрязняющих веществ (Н.Ф. Глазовский). При добыче угля и нефти по сравнению с рудами металлов в биосферу поступает больше углерода, азота, серы, калия, мышьяка, алюминия, кадмия, титана, марганца, молибдена, кобальта, лития, свинца, фтора, брома и других элементов.

Нефтегазоносные бассейны. Загрязнение нефтью и нефтепродуктами стало одной из наиболее острых экологических проблем, приобрело региональный и даже глобальный масштабы. Загрязнение окружающей среды нефтью происходит при ее добыче и транспортировке. Западно-Сибирский, Волго-Уральский, Прикаспийский нефтегазоносные бассейны занимают огромные площади, а транспортировка нефти носит уже трансконтинентальный характер. На суше основные очаги загрязнения связаны с нефтепромыслами, занимающими десятки и сотни квадратных километров.

Внутри промыслов центрами формирования техногенных потоков являются эксплуатационные скважины. Особенно сильное загрязнение происходит при авариях на скважинах и нефтепроводах. Кроме районов нефтедобычи техногенное загрязнение происходит в местах переработки и потребления нефти и нефтепродуктов, которые приурочены к промышленным районам. Н.Ф. Глазовский составил карту техногенного давления нефти на территорию СССР и показал, что модули техногенного давления изменяются от менее 5 т/км 2 в Средней и Восточной Сибири, на Дальнем Востоке до 100--200 т/км 2 и более на Урале, в Поволжье, Донбассе и Подмосковье. Значительное загрязнение нефтью морей и океанов происходит в результате аварий буровых платформ и танкеров.

В районе нефтепромыслов основными загрязнителями являются сырая нефть, высокоминерализованные нефтяные и сточные воды, продукты сжигания попутных газов (Ю.И. Пиковский, Н.П. Солнцева). Техногенное воздействие самой нефти на ландшафты определяется токсичностью ее основных компонентов. Среди них особо опасны для микроорганизмов, водорослей, почвенных животных, растений легкая, наиболее подвижная фракция, состоящая из метановых, циклических (нафтеновых и ароматических) углеводородов. Ароматические углеводороды (арены) - наиболее токсичные компоненты нефти. Моноядерные арены типа бензола оказывают быстрое токсичное действие. Влияние голоядерных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) ведет к более отдаленным экологическим последствиям, включая канцерогенные. Наиболее распространенному представителю канцерогенных ПАУ 3,4-бензпирену уделяется большое внимание при оценках и мониторинге окружающей среды (Л.М. Шабад, Ф.Я. Ровинский, А.Н. Геннадиев, Ю.И. Пиковский, Т.А. Теплицкая и др.).

Среди тяжелых неуглеводородных компонентов нефти преобладают смолы и асфальтены, воздействие которых заключается главным образом в изменении водно-физических свойств нефтезагрязненных почв и пород (цементация порового пространства и т.п.), а также сернистые соединения (сероводород, меркаптаны, сульфиды, свободная сера и др.). Особенно токсичы сероводород и меркаптаны. Во многих нефтях повышено содержание микроэлементов - ванадия, никеля, кобальта, свинца, меди, урана, мышьяка, ртути, молибдена. Наиболее распространены ванадий и никель, входящие в состав смол и асфальтенов.

Вместе с нефтью в ландшафты поступают соленые воды, которые, как правило, имеют хлоридный кальциевый и натриевый состав часто с минерализацей выше 100 г/л. Нефтяные воды также обогащены иодом, бромом, бором, стронцием, барием. В составе попутных газов помимо углеводородов - метана, этана, пропана, бутана в некоторых районах, например в Северном Прикаспии, высоко содержание сероводорода (до 20 - 30%) и паров ртути.

Техногенная трансформация природных ландшафтов в районах добычи нефти происходит в результате механических нарушений поверхности (уничтожение растительного покрова, раскорчевка, планировка буровой площади, уменьшение мощности верхней части почвенного профиля, ее уплотнение, погребение фоновых почв и др.), гидродинамических нарушений геологической среды (изменение уровня грунтовых и подземных вод) и геохимического воздействия на отдельные компоненты ландшафтов. Особенности этой трансформации находятся в сложной зависимости от характера и состава загрязнителей, длительности их воздействия, ландшафтно-геохимической обстановки.

Для тайги Пермского Прикамья, Западной Сибири, как показали Н.П. Солнцева и Ю.Г. Пиковский, ведущим процессом преобразования ландшафтов является техногенный галогенез. При добыче нефти высокоминерализованные воды поступают на поверхность и на фоне дерново-подзолистых почв формируются несвойственные этой природной зоне техногенные битуминозные солончаки, угнетается или уничтожается наземная растительность и почвенная мезофауна. Засоление почв сопровождается изменением емкости поглощения, состава поглощающего комплекса (появление натрия), подщелачиванием почвенных растворов, увеличением содержания органического углерода, изменением группового состава гумуса, оглеением, концентрацией отдельных химических элементов. Так, в автоморфных таежных почвах нефть активно мигрирует, аккумулируясь на сорбционных (G2) геохимических барьерах в гумусовом и иллювиальном горизонтах. За счет микробиологического метаболизма в течение года разрушается 10 - 15% первоначально внесенной нефти. В гидроморфных почвах нефть хорошо сохраняется и аккумулируется в глеевых горизонтах. Через несколько лет после нефтяного загрязнения начинается осолонцевание битуминозных солончаков. По Н.П. Солнцевой, таежные почвы, загрязненные нефтью и минерализованными водами, проходят следующие стадии развития: фоновая дерново-подзолистая Х битуминозный солончак (через 1 год) Х битуминозный солончаковатый солонец (4 года) Х битуминозный солонец (15 лет) Х битуминозный осолодевающий солонец (20 лет) Х дерновая повышенно-гумусная осолоделая остаточно-солонцеватая почва.

В тундровых ландшафтах республики Коми М.П. Тентюков установил негативное влияние нефтяного загрязнения на морфоанатомические и химические свойства растений - развиваются хлорозы и некрозы листьев, дефолиация и иссушение побегов, карликовость растений, снижается фотосинтетическая активность, утяжеляется изотопный состав углерода, в поврежденных листьях и побегах накапливаются тяжелые металлы. Как и в тайге, нефть накапливается в болотных почвах (рис. 22.1).

В степях и пустынях трансформация загрязненных почв протекает значительно быстрее за счет испарения нефти и минерализации, повышенной микробиологической и ферментативной активности почв. Эксперименты Ю.Г. Пиковского и Н.М. Исмаилова показали, что в субтропических серо-коричневых почвах Азербайджана остаточная нефть через год после загрязнения составляет только 30% первоначального количества, т.е. скорость самоочищения почв от нефти здесь в 4 - 5 раз выше, чем в таежной зоне. Различия в скорости и характере самоочищения ландшафтов от загрязнения нефтью нужно учитывать при разработке природоохранных мероприятий (локализация загрязнения, рекультивация и др.).

При разработке газовых и нефтяных месторождений и при сгорании факелов в атмосферу выбрасывается большое количество метана и др. углеводородов. Особенно опасная экологическая ситуация складывается в районах добычи и переработки серосодержащих газов, среди которых наиболее токсичен сероводород. Такая обстановка характерна для газовых и нефтяных месторождений Северного и Северо-Восточного Прикаспия (Аксоранское, Тенгиз и др.).

Угленосные бассейны. К районам добычи угля обычно тяготеют черная и цветная металлургия, тяжелое машиностроение, мощная тепловая энергетика, что затрудняет выделение доли собственно угледобычи в техногенном загрязнении. По Н.Ф. Глазовскому, модули техногенного давления угля в начале 80-х годов были наиболее высоки в европейских странах-производителях (т/км 2 в год) - в Восточной Германии (2593), Чехословакии (1016), Западной Германии (863), Бельгии (623). В целом для территории бывшего СССР, учитывая большую площадь, этот модуль составляет около 29, с очень неравномерным распределением по экологическим районам - от 5 на Дальнем Востоке до 130 в Уральском и Южном районах.

Техногенное загрязнение при добыче угля и особенно его сжигании связано с высокой концентрацией многих химических элементов в углях и большой массой сырья, извлекаемого из недр, достигающей ежегодно для всей планеты нескольких миллиардов тонн. В углях концентрируются свыше 30 химических элементов, содержание которых в сотни и тысячи раз выше, чем в осадочных породах. Состав типоморфной ассоциации зависит от геологических, петрографических и геохимических факторов. В углях накапливаются золото, германий, уран, кадмий, висмут, вольфрам, мышьяк, сурьма, бериллий, цинк, свинец, ртуть, редкоземельные элементы, сера, железо (Я.Э. Юдович).

В районах угледобычи техногенное загрязнение связано с отвалами вскрышных пород, шахтными и подотвальными водами, дымами, пылью, аэрозолями, поступающими от предприятий. Так как сам уголь транспортируется за пределы его добычи, то главным источником загрязнения являются отвалы вскрышных пород.

По Е.М. Никифоровой и Н.П. Солнцевой, техногенная геохимическая трансформация ландшафтов в Кизеловском, Подмосковном, Воркутинском бассейнах, выражается в комплексном лито-, гидро-, био- и атмогеохимическом влиянии на природную среду угленосных пород, шахтных вод и атмосферной пыли. Особенно важную роль играют процессы окисления сульфидов железа и других металлов, содержащихся в углях. В результате резко увеличивается содержание сульфатов в водах и почвах, рН почв снижается до 2 - 3, меняются условия миграции химических элементов, многие переходят из слаборастворимых сульфидов в оксидные и водорастворимые сульфатные формы, формируются сернокислые ландшафты.

В техногенных угленосных наносах и почвах содержание сульфатной серы достигает 60 - 70%, а свободной серы 10 - 20% от валового количества. Поэтому в ГПЛ происходит не только концентрация многих типоморфных элементов углей, но и их сернокислое выщелачивание, приводящее к формированию оторванных гидрогеохимических аномалий на щелочных и сорбционных геохимических барьерах, иногда на значительном удалении от шахтного комплекса.

В автоморфных таежных почвах со временем происходит уменьшение кислотности, содержания сернистых соединений и тяжелых металлов, но полностью фоновые параметры не восстанавливаются даже через десятилетия. Поступая в гидроморфные почвы, сульфаты и поливалентные тяжелые металлы восстанавливаются, образуются аномалии на латеральных сульфидных барьерах. В этих условиях аномалии существуют длительное время и являются потенциальными вторичными источниками загрязнения.

С угледобычей связано и существенное загрязнение полициклическими ароматическими углеводородами, особенно при возгорании отвалов и других видов сжигания угля.

ГПЛ рудных месторождений

С рудами черных, цветных, благородных и радиоактивных металлов в окружающую среду поступает меньше химических элементов, чем с углем и нефтью, за исключением Сr, Cu, Zn, Fe, и Ni, но степень концентрации металлов в рудах, как правило, значительно выше. Техногенная трансформация ландшафтов рудных месторождений определяется не только способом добычи, транспортировки, технологией переработки руд, но и многими геолого-геохимическими и ландшафтно-геохимическими факторами - химическим и минеральным составом руд и ореолов, их обогащением рудными элементами относительно местного фона, достигающего сотен и тысяч раз, гидрогеологической обстановкой, природными условиями водной и воздушной миграции и концентрирования загрязнителей.

Загрязнение ландшафтов в районах разрабатываемых рудных месторождений связано с пылением карьеров, дефляцией и размывом отвалов, с рудничными водами, рассеянием рудного материала при транспортировке, с выбросами и стоками обогатительных фабрик и горно-металлургических комбинатов, эрозией первичных и вторичных литохимических ореолов месторождений, с водными ореолами и потоками в грунтовых, подземных и поверхностных водах. Hg, Pb, Cd и др. металлы в высоких концентрациях токсичны и опасны для здоровья.

ГПЛ железорудных районов. При разработке железорудных месторождений КМА, Урала, Криворожского бассейна и Казахстана преобладает механическая техногенная трансформация природной среды, связанная с извлечением и перемещением огромных объемов горных пород. Контрастные геохимические аномалии элементов-примесей - Mn, As, Zn, Co, Mo, Cr, как правило, не образуются, но в техногенную миграцию вовлекаются значительная их масса. Состав ассоциации загрязнителей зависит от генетического типа руд. Так, на железорудных месторождениях с высоким содержанием сульфидов в любом климате образуются сернокислые ожелезненные ландшафты, в которых развивается выщелачивание металлов из пород и почв, их миграция в кислых водах на значительное расстояние. Велика зона атмотехногенного влияния месторождений, например, по Т.В. Звонковой, на карьерах КМА железорудная пыль распространяется на 10 - 15 км.

Главный и экологически наиболее опасный техногенез связан с предприятиями черной металлургии, располагающимися в непосредственной близости от источников сырья. К ним приурочены контрастные и протяженные техногенные аномалии многих поллютантов. Так, вокруг Магнитогорского металлургического комбината Т.М. Беляковой и М.В. Понариной установлена зона интенсивного загрязнения почв свинцом, цинком, медью и др. тяжелыми металлами, с кларками концентрации соответственно 60, 40 и 30 и суммарными показателями загрязнения Zc = 50 - 100 в радиусе 2 - 5 км от комбината. Кроме тяжелых металлов обнаружено загрязнение полициклическими ароматическими углеводородами - продуктами сгорания ископаемого топлива, пиролиза и коксохимического производства. В частности, концентрации 3,4 -бензпирена в почвах в эпицентре аномалии на два порядка выше фоновых. Зона углеводородного загрязнения вокруг Магнитогорска фиксируется на расстоянии до 30 км. Растения значительно хуже индицируют загрязнение от предприятий черной металлургии, т.к. существенная часть выбросов представлена нерастворимыми формами металлов, слабо доступными растениям (металлические микрошарики).

ГПЛ районов месторождений цветных и редких металлов. Здесь существуют три вида воздействия рудных элементов на ландшафты. Региональное воздействие проявляется в пределах рудных областей и провинций с металлогенической и геохимической специализацией пород и содержанием основных рудных элементов не более 3 - 5 кларков концентрации (зеленокаменная полоса Урала - Cu, Рудный Алтай - Pb, Zn, Hg и др.). В рудных районах природные аномалии с контрастностью на порядок выше фона занимают десятки и сотни квадратных километров. На месторождениях с богатыми рудами концентрации цветных и редких металлов, особенно имеющих низкие кларки (Hg, Sb, Cd, Mo, Sn), превышают местный фон в тысячи и десятки тысяч раз, что приводит к загрязнению почв, растений, грунтовых и поверхностных вод токсичными соединениями. Минералого-геохимические и генетические типы месторождений характеризуются определенными ассоциациями типоморфных элементов (табл. 22.2.). Добыча и переработка руд приводит к еще более высоким уровням содержания тяжелых металлов во всех компонентах техногенных ландшафтов и трансформации геохимической структуры природно-аномального ландшафта. Формы нахождения элементов в рудах и вмещающих породах, степень и характер их выветривания, масштабы оруденения и многие другие факторы определяют направленность этой геохимической трансформации ландшафтов. Геохимия ландшафтов месторождений, зон разломов, участков разгрузки глубинных газовых и водных потоков изучена хорошо (В.А. Алексеенко, Ю.А. Бурмин, В.В. Добровольский, М.А. Глазовская, Н.Ф. Глазовский, Н.С. Касимов, А.Л. Ковалевский, Дж. Мейнард, А.И. Перельман, В.М. Питулько, Ю.Е. Сает, Ж.-К. Самама, Т.Т. Тайсаев и др.).

Таблица 12.1.

Типоморфные элементы руд и первичных ореолов месторождений (по С.В. Григоряну, Ю.Е. Саету и др.)

В экологическом отношении наиболее опасны сульфидные руды тяжелых металлов, которые при выходе на земную поверхность в процессе природного выветривания и отработки быстро окисляются. Сульфиды превращаются в сульфаты металлов, многие из которых растворимы в воде. Поэтому в районах добычи и переработки цветных руд также возникают сернокислые ландшафты. Это сложная система природных и техногенных зон сернокислого выщелачивания металлов в почвах и водах, сопрягающаяся с щелочными, сорбционными, кислородными и глеевыми геохимическими барьерами, на которых металлы концентрируются.

Эколого-геохимические оценки влияния добычи и переработки руд на окружающую среду выполнены для многих типов месторождений и горно-металлургических комбинатов в различных ландшафтно-геохимических условиях: медно-никелевых ГПЛ на Кольском полуострове (А.В. Дончева, А.В. Евсеев), молибденовых ГПЛ на Кавказе (Ю.Е. Сает, Б.А. Судов, И.А. Авессаломова), медных и хром-никелевых на Южном Урале (Т.М. Белякова, Э.П. Махонько), полиметаллических в Приморье (В.С. Аржанова, П.В. Елпатьевский, Ю.П. Баденков, А.Н. Качур) и др.

Во многих горно-промышленных районах выделяются три-четыре ландшафтно-функциональные зоны техногенной трансформации природных комплексов.

Первая зона - это шахтно-карьерно-отвальные ГПЛ с практически полной деградацией почвенно-растительного покрова с высокими концентрациями металлов в пыли, техногенных наносах, водах и растениях.

Вторая зона - ГПЛ на месте и в сфере непосредственного влияния горно-промышленных комбинатов и обогатительных фабрик, претерпевшие полную или значительную перестройку первоначальной структуры за счет отчуждения площадей под предприятия и загрязнения токсичными выбросами, отходами и стоками. При обогащении и (или) плавлении руд расширяется ассоциация и увеличиваются концентрации многих элементов-загрязнителей. Содержание пыли и тяжелых металлов в воздухе этих экологически опасных зон в радиусе до 2 - 3 км превышает их ПДК на 1 - 2 порядка и более. Контрастность аномалий металлов убывает в ряду выбросы - атмосферные выпадения (снег) - почвы (Е.П. Сорокина). Площадь и конфигурация аномалий зависят от характера и способа поступления поллютантов в атмосферу (мощность взрывов в карьерах, высота фабричных труб), метеорологической ситуации (направление и скорость ветра, частота инверсий и др.), геоморфологических условий (равнины, горы). В общем случае содержание загрязняющих веществ уменьшается от "точечных" отдельно стоящих источников, какими в основном являются горнопромышленные предприятия, по экспоненте, т.е. когда интенсивность загрязнения воздуха обратно пропорциональна квадрату расстояния от техногенного источника. Загрязнение почв и растений подчиняется обычно той же зависимости, но местами имеет и более сложный характер.

Третья зона достаточно сильного загрязнения воздуха, почв, снега и растений в равнинных районах захватывает расположенные вблизи месторождений и комбинатов селитебные и пригородные ландшафты в радиусе 3--5 км. Ассоциация загрязнителей сокращается, их концентрации, как правило, на порядок меньше, чем в первых двух зонах. В горных ландшафтах зоны загрязнения интерферируют поперек долины и не выходят на водоразделы. Велико значение экспозиции склонов. В продольном профиле долин загрязнение прослеживается вниз по течению в водах (взвесь) и донных отложениях на расстоянии 10 - 15 км.

Четвертая зона умеренного площадного загрязнения имеет нестабильные очертания и располагается в радиусе от 3 - 5 до 10 - 20 км. Фоновые ландшафты обычно расположены не ближе 15 - 20 км от источников рудных выбросов и стоков.

Сведения о формах нахождения тяжелых металлов в ГПЛ противоречивы. Хотя основная часть металлов поступает в составе малорастворимых соединений (оксиды, сульфиды, металлические частицы), во многих случаях отмечается увеличение доли подвижных форм металлов по сравнению с фоновыми ландшафтами. Это способствует более интенсивному загрязнению растений, в том числе и продуктов питания и создает угрозу здоровью населения.

ГПЛ урановых рудников. С экологических позиций главной и отличительной чертой этих ГПЛ является загрязнение окружающей среды твердыми, жидкими и газообразными радиоактивными отходами.

Как и для большинства горнодобывающих отраслей, для урановой характерна высокая территориальная концентрация производства. Так, в районе Эллиот-Лейк в Канаде, на площади 48 км 2 существовало 11 крупных рудников и гидрометаллургических заводов (ГМЗ) с суммарным производством до 13,2 тыс. т урана в год. В бассейне Витватерсранд (ЮАР) расположено 26 рудников и 17 ГМЗ, на плато Колорадо (США) действовало до 1000 рудников и 27 ГМЗ, в штате Вайоминг (США) - до 45 рудников и 18 ГМЗ.

Объекты ГПЛ атомной промышленности разнообразны - рудники, карьеры и разрезы, обогатительные фабрики, гидро- и химико-металлургические заводы и т.д. Это делает особенно актуальным их геохимическую классификацию и решение проблемы локализации образующихся потоков тяжелых и радиоактивных металлов. При добыче и переработке руд в окружающую среду поступают уран и радий, обладающие длительными периодами полураспада. Опасны и другие радионуклиды - радон-222, торий-230, полоний-210, свинец-210, а также тяжелые металлы, накапливаемые в результате сброса неочищенных шахтных и др. вод. Определенной, хотя и низкой активностью обладают аэрозольные частицы, выносимые струей подземного проветривания рудников, а на карьерах - при пылении поверхности уступов и отвалов. На большинстве урановых рудников радиоактивная загрязненность атмосферы распространяется на расстоянии 500 - 600 м, почв - на 700 - 800 м, растительности - на 500 - 800 м (от основного источника загрязнения).

Хотя при разработке урановых месторождений в окружающую среду поступают радиоизотопы всех трех радиоактивных семейств - урана-238, урана-235 и тория-232, радиоактивность в основном обусловлена семейством урана-238, в котором наиболее радиоактивны торий-230, радий-226, радон-222. Радиоактивное загрязнение окружающего ландшафта от разных рудников различно и в основном зависит от содержания урана в руде, ее минерального состава, объемов добычи руд и активности процессов выщелачивания, обуславливающих различное соотношение урана с продуктами его распада.

В соответствии с технологической цепочкой ГПЛ предприятий атомной промышленности включает в себя ландшафты добычи, переработки, путей перевозок, использования последующего хранения временных радиоактивных отходов, а также территории аварийного загрязнения радионуклидами.

Ландшафты добычи подразделяются на звенья открытой и подземной разработки радиоактивных руд, подземного и кучного выщелачивания, отвалов. Геохимия этих звеньев обусловлена технологией отработки руд. Так, в период эксплуатации карьера происходит активное извлечение из недр радиоактивных руд и вмещающих пород, интенсивный водоотлив. Последний сопровождается декомпрессией и разгрузкой вод. С переработкой связаны ландшафты гидрометаллургических и химико-металлургических заводов, хвосто-, пульпо- и шламохранилищ, ландшафты использования урана - АЭС, могильники и саркофаги.

Ландшафты добычи и переработки руд характеризуются различными нарушениями природной среды. Для открытой разработки - это карьерные выемки, массивы внутренних и внешних отвалов, выведение из пользования земли горного отвода, оползневые смещения грунтов (в том числе и отвальных массивов), оседание или уплотнение грунтов в результате осушения окружающего породного массива, суффозия массива месторождения или отвалов (суффозионные воронки ослабляют борта карьеров и устойчивость отвалов), эрозия почв на осушенных территориях в радиусе депрессионной воронки и рекультивированных земель (поверхностей отвалов и склонов карьерных выемок).

Таблица 12.2.

Состав вод урановых рудников

На карьерах источниками загрязнения окружающей среды служит все карьерное пространство и прилегающие участки земли, на которые отсыпаются пустые породы и складируются руды. Важна роль аэрозолей и пыли, карьерных вод, содержащих соединения урана, радия, других радиоактивных и тяжелых металлов. Источниками загрязнения служат площадки складирования, хранения товарных и забалансовых руд.

Для подземной разработки характерны просадки (оседания) горных пород, промышленный карст (провалы), оползневые смещения грунтов, затопление грунтовыми водами земель, уплотнение грунтов и эрозия почв (в радиусе депрессионной воронки). При геотехнологической разработке (подземном выщелачивании) происходит проседание земной поверхности, разрушение почв, занятие земель отстойными прудами (бассейнами). На участках подземного выщелачивания загрязнение подземных вод ураном и другими радионуклидами происходит в результате потери контроля за потоками выщелачивающих растворов. При разгрузке продуктивного раствора в прудах-накопителях выделяется радон. В этих прудах опасна также концентрация отвальных песков, содержащих радионуклиды и тяжелые металлы. При радиометрической рудосортировке процессы грохочения, дробления и самой сортировки приводят к образованию радиоактивной пыли и выделению радонаНа стадиях гидрометаллургического передела при выщелачивании сорбции, химическом осаждении в окружающую среду выделяется радон, а на конечных стадиях передела и выпуске готовой продукции образуются радиоактивные аэрозоли. Выделение радона из песков хвостохранилищ в 5 - 10 раз превышает его выделение т среднемасштабного подземного рудника. Характерной особенностью урановой отрасли является радиоактивность практически всех ее отходов. Количество радона, радиоактивных аэрозолей и пыли, выбрасываемых в атмосферу вентиляционной струей рудника, зависит прежде всего от его мощности и общешахтного дебита радионуклидов. Рудник средних размеров, разрабатывающий руды с десятыми долями процента урана, выбрасывает в атмосферу до 8.1010 Бк* сут. радона. Твердые отходы рудников и карьеров состоят из забалансовых урановых руд, пустых пород с фоновой или близкой к ней радиоактивностью, попутно добываемых и неиспользуемых полезных ископаемых. При разработке месторождений подземным способом на каждую тонну руды приходится 0,2 - 0,3 т пустых пород и забалансовых руд. На предприятиях открытой добычи на каждую тонну руды приходится до 8 - 10 т пустых пород от вскрыши карьера. Кроме того, в каждой тонне добытой руды может быть от 5 до 25 - 30% пустых пород и забалансовых руд, которые частично могут быть удалены при радиометрической сортировке (с выделением хвостов обогащения РОФ). При гидрометаллургическом переделе практически вся перерабатываемая горная масса переходит в отходы в виде хвостов.

Жидкие отходы рудников - это в основном дренируемые подземные воды (до 2000 м 3/сут. и более), а также слабоактивные сточные воды спецпрачечных и душевых (от 100 до 300 м 3/сут.). Состав вод колеблется в широких пределах (табл. 22.3).

При сбросе неочищенных шахтных вод опасны изотопы урана, радий-226, торий-230, полоний-210, свинец-210. Их общая активность часто достигает 10 - 50 Бк/л при ПДК для водоемов лишь 0,111 Бк/л.

Хвосты ГМЗ содержат одинаковое количество воды и твердой массы. Кроме того, переработка каждой тонны руды сопровождается получением около 3 т рафината. Таким образом, переработка 1 т руды дает (с учетом промывочной воды, верхнего слива сгустителей, фильтрата) более 4 т жидких отходов. Химический состав жидкой части рудной пульпы ГМЗ, направляемой в хвостохранилище, зависит от технологии переработки.

При добыче и переработке урановых руд только под складирование твердых отходов от рудников, карьеров, хвостохранилищ ГМЗ занимается в среднем (на 100 тыс. м 3 горной массы) 0,7 - 0,8 площади.

Инвентаризация нарушенных земель горнодобывающего и перерабатывающего комплекса атомной промышленности показала, что 32,3% нарушенных земель занято отвалами, 27,2% - карьерами, 20,3% - промплощадками, 13,3% - хвостохранилищами, 0,2% - провалами и 8,7% - прочими видами нарушений.

Дальнейшая систематика ГПЛ урановых месторождений основана на различиях ландшафтно-геохимических условий: выделяются группы, типы, семейства, классы, роды и виды ГПЛ. Приведем характеристику двух резкоконтрастных типов ГПЛ, расположенных в сухих степях и мерзлотной тайге.

Геохимия ландшафтов урановых рудников сухих степей и пустынь изучена особенно хорошо (рис. 22.3) Сухой климат определяет слабое выщелачивание урана и его спутников из элювиальных почв. Это благоприятствовало открытию урановых месторождений самым быстрым и эффективным методом - аэрогаммасъемкой. В миграции урана и других радионуклидов велика роль ветра, приводящего к развеванию отвалов рудовмещающих пород, как правило, содержащих примесь урановых минералов. В ряде случаев это приводит к загрязнению рудничных поселков и других населенных пунктов. В депрессиях рельефа происходит испарительная концентрация урана и других радионуклидов, их накопление в засоленных почвах. Данные процессы могут быть связаны с испарением рудничных вод, с испарением образующихся при откачке техногенных ручьев. Так образуются техногенные ландшафты ураноносных солончаков, болот, лугов. Содержание урана в их почвах и водах может превышать фон на несколько порядков. Растения здесь также поглощают уран и его спутники, что может явиться причиной заболевания домашних животных. При добыче урана методом подземного выщелачивания техногенные водоносные горизонты могут обогащаться селеном и другими элементами - спутниками урана, что исключает использование вод для питьевого водоснабжения. Важную роль в концентрации урана играют не только природные, но и техногенные геохимические барьеры, которые позволяют локализовать радионуклидное загрязнение. Материал для создания барьеров часто имеется в самом ГПЛ. Это безрудные горные породы - отвалы рудников и карьеров, отходы местной пищевой промышленности, цементных заводов и т.д.

Принципиально иная геохимия ландшафтов урановых рудников в таежно-мерзлотных условиях. Роль ветра в развевании отвалов существенно меньше, однако возможно развевание снежного покрова, загрязненного радионуклидами. Многолетняя мерзлота оказывает большое влияние на миграцию урана и других радионуклидов. Большое значение имеет характер распространения мерзлоты: если в более северных регионах она сплошная, то на юге, например, в горах Забайкалья - островная (слабо проявлена на южных склонах, в нижнем поясе гор). В верхних горизонтах таежно-мерзлотных почв возможно выщелачивание урана и его спутников, однако этому препятствует криотурбация - перемешивание горизонтов почв, образование пятен-медальонов, выпучивание и т.д. Почвенный мелкозем, обогащенный радионуклидами, даже на очень пологих склонах местами в результате солифлюкции мигрирует на километры. Это сильно затрудняло поиски урановых месторождений, ореолы которых часто становились погребенными, несмотря на близкое залегание руд от поверхности. В почвах, реках, озерах характерна миграция урана и его спутников в форме органических комплексов. В отдельных случаях происходит разделение урана и радия: уран концентрируется на восстановительных барьерах в торфяниках, а радий сорбируется глинистыми продуктами выветривания. Влажный климат определяет как очень низкое фоновое содержание урана в водах (n.10-7 г/л), так и относительно низкое в техногенных потоках (за счет разбавления последних).

Для концентрации урана большое значение имеют геохимические барьеры краевых зон болот. Торф и другие материалы, имеющиеся в ландшафте, пригодны для создания техногенных барьеров. Накопление урана характерно и для таежной растительности (биогеохимический барьер). Поверхностные воды, богатые растворенным органическим веществом, перспективны для дезактивации объектов, загрязненных ураном и другими радионуклидами.

В зависимости от особенностей рельефа и геологического строения геохимия ГПЛ урановых рудников как в сухих степях, так и в тайге значительно дифференцируется. В этом отношении сильно различаются ландшафты гор и равнин, сложенные силикатными и карбонатными породами. На этой основе выделяются классы, роды и виды геохимических ГПЛ.

ГПЛ в районах добычи агрономических руд

Различаются техногенные ландшафты в районах добычи магматогенных апатитов и осадочных фосфоритовых руд. Кроме основного рудного компонента - фосфора ландшафты в этих районах обогащены своеобразной ассоциацией загрязнителей, содержащейся в рудах и слабоизученной в экологическом отношении. При добыче апатитов на Кольском полуострове это F, As, Y и редкоземельные элементы, Sr, Pb, Cd, Sn. По С.Р. Крайнову, подземные воды щелочных массивов обогащены F, Li, Nb, редкими землями, имеют высокую щелочность, способствующую миграции многих элементов-комплексообразователей, содержащихся в рудах. Осадочные фосфориты обогащены Sr, редкоземельными элементами, F, Y, местами U и V. Влияние добычи на ландшафты изучено слабо. Более существенно влияние продуктов переработки апатитовых и фосфоритовых руд - фосфорных удобрений на загрязнение агроландшафтов.

Размещено на Allbest.ru