Помощь студентам в учебе
ТРАНСФОРМАЦИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД ПОД ВЛИЯНИЕМ ПРОЦЕССОВ МИНЕРАЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ В ПРИРОДНО- ТЕХНОГЕННЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ (НА ПРИМЕРЕ КАВАЛЕРОВСКОГО И ДАЛЬНЕГОРСКОГО РАЙОНОВ ПРИМОРСКОГО КРАЯ)
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ, СОСТОЯНИЕ ЕЕ ИЗУЧЕННОСТИ 9
2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ И ОСНОВНЫЕ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ РАЙОНА 18
2.1. Географическое и административное положение района 18
2.2. Социально-экономические условия района и их влияние на экологическое состояние
водных ресурсов 19
2.3. Геологические и гидрогеологические условия района 24
2.3.1. Геологические условия 24
2.3.2. Гидрогеологические условия 41
3. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ 48
3.1. Полевые работы 48
3.2. Лабораторные исследования 52
3.3. Камеральная обработка результатов исследований 54
4. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ВОД 56
4.1. Химический состав природных подземных вод района работ 56
4.2. Химический состав природных поверхностных вод района работ 60
4.3. Микрокомпонентный состав природных вод 62
4.4. Геохимия техногенных вод 64
4.5. Типизация вод района работ 92
5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
ТЕХНОГЕННЫХ ВОД 96
5.1. Факторы формирования химического состава вод 96
5.1.1. Геохимическая характеристика техногенных отложений 97
5.1.2. Минералогическая характеристика природно-техногенных геологических систем
108
5.2. Физико-химическое моделирование ионного состава раствора при изменяющихся
объемных соотношениях «вода-порода» 149
6. ОЦЕНКА ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ТЕХНОГЕННО-ЗАГРЯЗНЕНН^1Х
ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД 167
6.1. Геохимия техногенно-загрязненных поверхностных вод 167
6.2. Расчет массы выноса загрязняющего вещества поверхностным стоком с территории
хвостохранилища 172
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 178
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 181
ПРИЛОЖЕНИЯ 201
1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ, СОСТОЯНИЕ ЕЕ ИЗУЧЕННОСТИ 9
2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ И ОСНОВНЫЕ СОЦИАЛЬНО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ РАЙОНА 18
2.1. Географическое и административное положение района 18
2.2. Социально-экономические условия района и их влияние на экологическое состояние
водных ресурсов 19
2.3. Геологические и гидрогеологические условия района 24
2.3.1. Геологические условия 24
2.3.2. Гидрогеологические условия 41
3. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ 48
3.1. Полевые работы 48
3.2. Лабораторные исследования 52
3.3. Камеральная обработка результатов исследований 54
4. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ВОД 56
4.1. Химический состав природных подземных вод района работ 56
4.2. Химический состав природных поверхностных вод района работ 60
4.3. Микрокомпонентный состав природных вод 62
4.4. Геохимия техногенных вод 64
4.5. Типизация вод района работ 92
5. ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА
ТЕХНОГЕННЫХ ВОД 96
5.1. Факторы формирования химического состава вод 96
5.1.1. Геохимическая характеристика техногенных отложений 97
5.1.2. Минералогическая характеристика природно-техногенных геологических систем
108
5.2. Физико-химическое моделирование ионного состава раствора при изменяющихся
объемных соотношениях «вода-порода» 149
6. ОЦЕНКА ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАНИЙ ТЕХНОГЕННО-ЗАГРЯЗНЕНН^1Х
ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД 167
6.1. Геохимия техногенно-загрязненных поверхностных вод 167
6.2. Расчет массы выноса загрязняющего вещества поверхностным стоком с территории
хвостохранилища 172
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 178
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 181
ПРИЛОЖЕНИЯ 201
Актуальность исследований. Промышленная эксплуатация месторождений всегда обусловливала значительное увеличение техногенной нагрузки на экологическую обстановку горнорудных районов. Интенсивное развитие горнодобывающей промышленности в Кавалеровском и Дальнегорском районах Приморского края выразилось не только в массовом изъятии полезных компонентов, но также в размещении объектов добычи и большого объема отходов обогащения.
Основными источниками загрязнения окружающей среды различными элементами и тяжелыми металлами в рассматриваемых районах являются ликвидированные горные выработки (штольни) и хвостохранилища. Попав в атмосферу, почву или водоемы, загрязнители не остаются на месте, а включаются в природный круговорот веществ, обусловливают изменение качества природной среды и ее ресурсов. В результате природные экосистемы на десятки и сотни лет попадают в зону интенсивного загрязнения. Поэтому изучение качественной и количественной характеристик минералого-геохимических преобразований в природно-техногенных геологических системах Кавалеровского и Дальнегорского районов Приморского края и их негативного воздействия на окружающую среду весьма актуально и практически значимо.
Под природно-техногенными геологическими системами здесь и далее понимается совокупность геологических объектов (горные породы, минералы, природные воды) и сооружений горнодобывающего комплекса (штольни, хвостохранилища), находящихся в тесной взаимозависимости.
Известно, что в результате минералого-геохимических преобразований рудных минералов, горных пород и природных вод, обусловленных гипергенными процессами, происходит формирование вод с повышенными (относительно «Перечня ПДК и ОБУВ», 1997 г. и СанПиН 2.1.4.1074-01) содержаниями различных компонентов. При этом влияние горнорудного техногенеза на гидрогеологическую систему не ограничивается только загрязнением воды высокотоксичными элементами. Взаимодействие дренажных потоков с природными водами приводит к нарушению естественного гидрогеохимического режима и изменению химического типа природных вод (Еделев, 2013; Лукьянова, 2013; Саева, 2015) .
Физико-химические процессы преобразования пород, рудных минералов, протекающие в техногенных объектах (отвалы вскрышной породы, хвостохранилища, горные выработки) изучены и представлены в работах И.А. Тарасенко, А.В. Зинькова
(2001) ; Р.А. Кемкиной, И.В. Кемкина (2006; 2007); С.Б. Бортниковой с соавторами (2006); В.П. Зверевой (2008); А.М. Костиной (2011); О.П. Саевой (2015); S. Bortnikova et al. (Acid Mine Drainage Migration..., 2011); N.V. Yurkevich et al. (2012). Однако на территории Приморского края недостаточно изученными остаются вопросы, связанные с влиянием вещественного состава техногенных отходов на механизмы миграции химических элементов и определения степени их негативного воздействия на поверхностные водные объекты.
Появление новых методов геохимических и минералогических исследований позволяет значительно расширить знания в области вторичного минералообразования в районах добычи минерального сырья и складирования отходов их обогащения, изучить степень гипергенного преобразования исходных минеральных фаз, механизмы перевода токсичных элементов в раствор и их миграцию.
Объектами исследования являются рудные и породообразующие минералы, природные поверхностные, подземные и техногенные воды Кавалеровского и Дальнегорского районов Приморского края. Исследованы рудничные воды штолен, расположенные в пределах законсервированных месторождений Дубровского, Хрустального, Высокогорского и Верхнего, а также воды разведочной штольни в пос. Фабричный Кавалеровского района, двух старых и новых хвостохранилищ Центральной (ЦОФ) и Краснореченской обогатительных фабрик (КОФ), размещенных в Дальнегорском районе Приморского края.
Цель исследований. Выявить особенности трансформации химического состава природных вод под влиянием процессов минералого-геохимических преобразований в природно-техногенных геологических системах Кавалеровского и Дальнегорского районов.
Задачи исследований:
1. Определить условия формирования химического состава вод в районах горнорудного техногенеза Кавалеровского и Дальнегорского районов.
2. Изучить особенности химического состава природных и техногенных вод и формы миграции основных макро- и микроэлементов.
3. Выявить основные загрязнители поверхностных и подземных вод, установить источники токсичных элементов.
4. Изучить процессы вторичного минералообразования в зоне гипергенеза природно-техногенных геологических систем, определить количества и формы вхождения токсичных элементов в кристаллические структуры минералов.
5. Оценить масштабы влияния объектов горнорудного техногенеза на состояние поверхностных вод и их потенциальную опасность на экосистемы р. Рудной и р. Зеркальной.
Фактический материал и личный вклад автора. В основу диссертационной работы положены результаты химического анализа 119 проб воды, 36 проб лежалых хвостов обогащения, 52 образцов минеральных новообразований.
Отбор геохимических, гидрохимических и минералогических проб осуществлялся автором лично в ходе полевых исследований 2011-2015 гг. В процессе работы привлекались материалы производственных отчетов и литературные данные.
Аналитические работы (макро- и микроэлементный состав вод, пород, исследования твердых минеральных фаз) выполнялись в аналитическом центре Дальневосточного геологического института (ДВГИ ДВО РАН), а также в экоаналитической лаборатории ООО «Экоаналитика» Дальневосточного федерального университета (ДВФУ).
Достоверность научных результатов обеспечивается применением комплекса современных методов исследования, включающих рентгеноструктурный и рентгенографический анализ (более 80 определений), автором обработаны результаты электронно-микрозондового анализа (более 150 определений), изучена морфология и состав минеральных фаз на сканирующих электронных микроскопах (200 определений) и большим объемом экспериментальных данных физико-химического моделирования.
Полученные фактические материалы, положены в основу диссертационной работы. Все разделы диссертации выполнены автором лично. Основные положения и выводы диссертационной работы опубликованы.
Защищаемые положения:
1. Химический состав вод в районах горнорудного техногенеза подвержен значительной изменчивости. Геохимическая трансформация природных вод происходит по схеме НСОз-Са ^ SO4-Ca. Процессы гипергенного преобразования определяют формирование слабосолоноватых (М < 1,5 г/дм3), нейтральных и слабощелочных (рН = 7,26-7,63), 8Сап-ш вод в природно-техногенных геологических системах Кавалеровского района, а также пресных (М < 0,5 г/дм3) и слабосоленых (М < 10,19 г/дм3), слабощелочных (рН = 8,48) и сильнокислых (рН = 2,33), 8Са1ыу вод в условиях Дальнегорского района.
2. Гидрогенное минералообразование играет важную роль в формировании химического состава вод, способствуя выводу из раствора элементов и дальнейшему растворению водовмещающих пород. Геохимические характеристики вторичных минералов указывают на кислотно-щелочные условия их формирования, насыщенность минералообразующих растворов теми или иными элементами и формы их миграции. В слабощелочных и близнейтральных водах миграция осуществляется в форме незакомплексованных ионов и комплексов-ассоциатов с участием анионов HCO3-, CO32- и OH-. В составе сильнокислых высокоминерализованных растворов основными формами нахождения и миграции являются простые катионные ионы, а в комплексообразовании значительная роль отводится SO.i-2-иону.
3. Воды бассейнов р. Рудной и р. Зеркальной испытывают значительную техногенную нагрузку, которая определяется воздействием дренажных стоков с хвостохранилищ и ликвидированных штолен, характеризующихся высоким содержанием токсичных элементов. Влияние носит локальный в пространстве характер и определяется объемами загрязненных вод и водностью рек-приемников. Возможен рост содержаний токсичных элементов в дренажных стоках в результате активизации геохимических процессов и увеличения времени взаимодействия воды с горной породой, что отразится на качестве вод в поверхностных водотоках.
Научная новизна работы:
1. Впервые выявлены и изучены морфологические структуры и особенности химического состава вторичных минеральных новообразований хвостохранилищ КОФ, на основе чего рассчитаны их кристаллохимические формулы и определены количества и формы вхождения различных токсичных элементов в их кристаллические структуры.
2. Изучено фракционирование РЗЭ в отложениях хвостохранилищ КОФ.
3. Получены новые данные по составу, содержанию и распределению редкоземельных элементов в природных поверхностных и подземных водах, определены концентрации РЗЭ в техногенных водах Дальнегорского района.
4. На основе результатов физико-химического моделирования определены основные формы миграции химических элементов с позиций геохимической эволюции системы «вода-порода-газ». Проведена оценка и прогноз потенциального загрязнения среднего течения р. Рудной поверхностными стоками с хвостохранилищ Дальнегорского района.
5. С помощью современных методов физико-математических расчетов была оценена степень равновесия вод с основными минералами водовмещающих горных пород.
Практическая значимость работы. Представленные в работе данные об уровнях концентраций химических элементов в водных объектах, могут быть использованы специалистами в области экологической безопасности при организации мониторинга окружающей среды.
Результаты исследований могут использоваться при создании системы требований к организации складирования отвалов горнорудной промышленности и прогноза поведения рудных хвостов обогащения.
Данные, характеризующие формы нахождения и миграции РЗЭ в природных и техногенных водах, распределения РЗЭ в отходах обогащения сульфидных руд могут быть полезны при проведении гидрогеохимических поисков полезных ископаемых.
Методология изучения особенностей и закономерностей процессов формирования состава вод, приемы оценки техногенного воздействия на окружающую среду используются в процессе обучения студентов ДВФУ.
Апробация работы. Результаты исследований и основные научные положения работы докладывались и обсуждались на различных российских и международных конференциях и симпозиумах: Научная конференция Вологдинские чтения «Техносферная безопасность» (Владивосток, 2012); XVIII Международный научный симпозиум имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2014); II Международная научно-практическая конференция Технологическая платформа «Твердые полезные ископаемые»: технологические и экологические проблемы отработки природных и техногенных месторождений (Екатеринбург, 2015); Всероссийская научно-практическая студенческая конференция «Современные исследования в геологии» (Санкт-Петербург, 2015); II Всероссийская конференция с международным участием «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» (Владивосток, 2015); Международная научная конференция «Современные технологии и развитие политехнического образования» (Владивосток, 2015).
По тематике диссертации опубликовано более 20 работ, в том числе 4 статьи в российских изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 2 статьи индексируемые в реферативных базах данных SCOPUS.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (№ 14.132.21.1374), руководитель гранта - Оводова Е.В.
Общая структура диссертации. Диссертация изложена на 271 странице и состоит из введения, 6 глав и заключения. Содержит 266 библиографических источников, 49 таблиц, 72 рисунка и 6 приложений.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н. И.А. Тарасенко за внимание, непосредственную помощь в организации и выполнении работ, советы и обсуждения. Автор искренне признателен и благодарен к.г.-м.н. Р.А. Кемкиной за ценные замечания и рекомендации, д.г.-м.н. И.В. Кемкину за оказанную помощь при решении задач физико-химического моделирования, обсуждение рукописи и высказанные критические замечания. Автор благодарит к.г.-м.н.
А.В. Зинькова за консультации и обсуждение полученных результатов. Автор благодарен сотрудникам аналитического центра ДВГИ ДВО РАН Г.Б. Молчановой, А.В. Поселюжной, Е.В. Елохиной, Н.С. Зарубиной, Г.И. Горбач, Е.А. Ткалиной, Н.В. Хуркало, заведующей ЭАЛ ООО «Экоаналитика» ДВФУ И.Г. Лисицкой, а также Е.О. Хвост и С.М. Олесик, при содействии которых была произведена аналитическая обработка первичного материала. За конструктивную критику и ценные рекомендации автор признателен д.г.н. С.М. Говорушко, к.г.-м.н. А.С. Ваху, д.т.н. Н.Г. Шкабарне, к.г.- м.н. С.П. Гарбузову. Автор благодарен к.х.н. А.М. Костиной и А.Д. Пятакову за консультации и помощь при освоении программного комплекса «Селектор-С».
Основными источниками загрязнения окружающей среды различными элементами и тяжелыми металлами в рассматриваемых районах являются ликвидированные горные выработки (штольни) и хвостохранилища. Попав в атмосферу, почву или водоемы, загрязнители не остаются на месте, а включаются в природный круговорот веществ, обусловливают изменение качества природной среды и ее ресурсов. В результате природные экосистемы на десятки и сотни лет попадают в зону интенсивного загрязнения. Поэтому изучение качественной и количественной характеристик минералого-геохимических преобразований в природно-техногенных геологических системах Кавалеровского и Дальнегорского районов Приморского края и их негативного воздействия на окружающую среду весьма актуально и практически значимо.
Под природно-техногенными геологическими системами здесь и далее понимается совокупность геологических объектов (горные породы, минералы, природные воды) и сооружений горнодобывающего комплекса (штольни, хвостохранилища), находящихся в тесной взаимозависимости.
Известно, что в результате минералого-геохимических преобразований рудных минералов, горных пород и природных вод, обусловленных гипергенными процессами, происходит формирование вод с повышенными (относительно «Перечня ПДК и ОБУВ», 1997 г. и СанПиН 2.1.4.1074-01) содержаниями различных компонентов. При этом влияние горнорудного техногенеза на гидрогеологическую систему не ограничивается только загрязнением воды высокотоксичными элементами. Взаимодействие дренажных потоков с природными водами приводит к нарушению естественного гидрогеохимического режима и изменению химического типа природных вод (Еделев, 2013; Лукьянова, 2013; Саева, 2015) .
Физико-химические процессы преобразования пород, рудных минералов, протекающие в техногенных объектах (отвалы вскрышной породы, хвостохранилища, горные выработки) изучены и представлены в работах И.А. Тарасенко, А.В. Зинькова
(2001) ; Р.А. Кемкиной, И.В. Кемкина (2006; 2007); С.Б. Бортниковой с соавторами (2006); В.П. Зверевой (2008); А.М. Костиной (2011); О.П. Саевой (2015); S. Bortnikova et al. (Acid Mine Drainage Migration..., 2011); N.V. Yurkevich et al. (2012). Однако на территории Приморского края недостаточно изученными остаются вопросы, связанные с влиянием вещественного состава техногенных отходов на механизмы миграции химических элементов и определения степени их негативного воздействия на поверхностные водные объекты.
Появление новых методов геохимических и минералогических исследований позволяет значительно расширить знания в области вторичного минералообразования в районах добычи минерального сырья и складирования отходов их обогащения, изучить степень гипергенного преобразования исходных минеральных фаз, механизмы перевода токсичных элементов в раствор и их миграцию.
Объектами исследования являются рудные и породообразующие минералы, природные поверхностные, подземные и техногенные воды Кавалеровского и Дальнегорского районов Приморского края. Исследованы рудничные воды штолен, расположенные в пределах законсервированных месторождений Дубровского, Хрустального, Высокогорского и Верхнего, а также воды разведочной штольни в пос. Фабричный Кавалеровского района, двух старых и новых хвостохранилищ Центральной (ЦОФ) и Краснореченской обогатительных фабрик (КОФ), размещенных в Дальнегорском районе Приморского края.
Цель исследований. Выявить особенности трансформации химического состава природных вод под влиянием процессов минералого-геохимических преобразований в природно-техногенных геологических системах Кавалеровского и Дальнегорского районов.
Задачи исследований:
1. Определить условия формирования химического состава вод в районах горнорудного техногенеза Кавалеровского и Дальнегорского районов.
2. Изучить особенности химического состава природных и техногенных вод и формы миграции основных макро- и микроэлементов.
3. Выявить основные загрязнители поверхностных и подземных вод, установить источники токсичных элементов.
4. Изучить процессы вторичного минералообразования в зоне гипергенеза природно-техногенных геологических систем, определить количества и формы вхождения токсичных элементов в кристаллические структуры минералов.
5. Оценить масштабы влияния объектов горнорудного техногенеза на состояние поверхностных вод и их потенциальную опасность на экосистемы р. Рудной и р. Зеркальной.
Фактический материал и личный вклад автора. В основу диссертационной работы положены результаты химического анализа 119 проб воды, 36 проб лежалых хвостов обогащения, 52 образцов минеральных новообразований.
Отбор геохимических, гидрохимических и минералогических проб осуществлялся автором лично в ходе полевых исследований 2011-2015 гг. В процессе работы привлекались материалы производственных отчетов и литературные данные.
Аналитические работы (макро- и микроэлементный состав вод, пород, исследования твердых минеральных фаз) выполнялись в аналитическом центре Дальневосточного геологического института (ДВГИ ДВО РАН), а также в экоаналитической лаборатории ООО «Экоаналитика» Дальневосточного федерального университета (ДВФУ).
Достоверность научных результатов обеспечивается применением комплекса современных методов исследования, включающих рентгеноструктурный и рентгенографический анализ (более 80 определений), автором обработаны результаты электронно-микрозондового анализа (более 150 определений), изучена морфология и состав минеральных фаз на сканирующих электронных микроскопах (200 определений) и большим объемом экспериментальных данных физико-химического моделирования.
Полученные фактические материалы, положены в основу диссертационной работы. Все разделы диссертации выполнены автором лично. Основные положения и выводы диссертационной работы опубликованы.
Защищаемые положения:
1. Химический состав вод в районах горнорудного техногенеза подвержен значительной изменчивости. Геохимическая трансформация природных вод происходит по схеме НСОз-Са ^ SO4-Ca. Процессы гипергенного преобразования определяют формирование слабосолоноватых (М < 1,5 г/дм3), нейтральных и слабощелочных (рН = 7,26-7,63), 8Сап-ш вод в природно-техногенных геологических системах Кавалеровского района, а также пресных (М < 0,5 г/дм3) и слабосоленых (М < 10,19 г/дм3), слабощелочных (рН = 8,48) и сильнокислых (рН = 2,33), 8Са1ыу вод в условиях Дальнегорского района.
2. Гидрогенное минералообразование играет важную роль в формировании химического состава вод, способствуя выводу из раствора элементов и дальнейшему растворению водовмещающих пород. Геохимические характеристики вторичных минералов указывают на кислотно-щелочные условия их формирования, насыщенность минералообразующих растворов теми или иными элементами и формы их миграции. В слабощелочных и близнейтральных водах миграция осуществляется в форме незакомплексованных ионов и комплексов-ассоциатов с участием анионов HCO3-, CO32- и OH-. В составе сильнокислых высокоминерализованных растворов основными формами нахождения и миграции являются простые катионные ионы, а в комплексообразовании значительная роль отводится SO.i-2-иону.
3. Воды бассейнов р. Рудной и р. Зеркальной испытывают значительную техногенную нагрузку, которая определяется воздействием дренажных стоков с хвостохранилищ и ликвидированных штолен, характеризующихся высоким содержанием токсичных элементов. Влияние носит локальный в пространстве характер и определяется объемами загрязненных вод и водностью рек-приемников. Возможен рост содержаний токсичных элементов в дренажных стоках в результате активизации геохимических процессов и увеличения времени взаимодействия воды с горной породой, что отразится на качестве вод в поверхностных водотоках.
Научная новизна работы:
1. Впервые выявлены и изучены морфологические структуры и особенности химического состава вторичных минеральных новообразований хвостохранилищ КОФ, на основе чего рассчитаны их кристаллохимические формулы и определены количества и формы вхождения различных токсичных элементов в их кристаллические структуры.
2. Изучено фракционирование РЗЭ в отложениях хвостохранилищ КОФ.
3. Получены новые данные по составу, содержанию и распределению редкоземельных элементов в природных поверхностных и подземных водах, определены концентрации РЗЭ в техногенных водах Дальнегорского района.
4. На основе результатов физико-химического моделирования определены основные формы миграции химических элементов с позиций геохимической эволюции системы «вода-порода-газ». Проведена оценка и прогноз потенциального загрязнения среднего течения р. Рудной поверхностными стоками с хвостохранилищ Дальнегорского района.
5. С помощью современных методов физико-математических расчетов была оценена степень равновесия вод с основными минералами водовмещающих горных пород.
Практическая значимость работы. Представленные в работе данные об уровнях концентраций химических элементов в водных объектах, могут быть использованы специалистами в области экологической безопасности при организации мониторинга окружающей среды.
Результаты исследований могут использоваться при создании системы требований к организации складирования отвалов горнорудной промышленности и прогноза поведения рудных хвостов обогащения.
Данные, характеризующие формы нахождения и миграции РЗЭ в природных и техногенных водах, распределения РЗЭ в отходах обогащения сульфидных руд могут быть полезны при проведении гидрогеохимических поисков полезных ископаемых.
Методология изучения особенностей и закономерностей процессов формирования состава вод, приемы оценки техногенного воздействия на окружающую среду используются в процессе обучения студентов ДВФУ.
Апробация работы. Результаты исследований и основные научные положения работы докладывались и обсуждались на различных российских и международных конференциях и симпозиумах: Научная конференция Вологдинские чтения «Техносферная безопасность» (Владивосток, 2012); XVIII Международный научный симпозиум имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2014); II Международная научно-практическая конференция Технологическая платформа «Твердые полезные ископаемые»: технологические и экологические проблемы отработки природных и техногенных месторождений (Екатеринбург, 2015); Всероссийская научно-практическая студенческая конференция «Современные исследования в геологии» (Санкт-Петербург, 2015); II Всероссийская конференция с международным участием «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» (Владивосток, 2015); Международная научная конференция «Современные технологии и развитие политехнического образования» (Владивосток, 2015).
По тематике диссертации опубликовано более 20 работ, в том числе 4 статьи в российских изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, 2 статьи индексируемые в реферативных базах данных SCOPUS.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (№ 14.132.21.1374), руководитель гранта - Оводова Е.В.
Общая структура диссертации. Диссертация изложена на 271 странице и состоит из введения, 6 глав и заключения. Содержит 266 библиографических источников, 49 таблиц, 72 рисунка и 6 приложений.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н. И.А. Тарасенко за внимание, непосредственную помощь в организации и выполнении работ, советы и обсуждения. Автор искренне признателен и благодарен к.г.-м.н. Р.А. Кемкиной за ценные замечания и рекомендации, д.г.-м.н. И.В. Кемкину за оказанную помощь при решении задач физико-химического моделирования, обсуждение рукописи и высказанные критические замечания. Автор благодарит к.г.-м.н.
А.В. Зинькова за консультации и обсуждение полученных результатов. Автор благодарен сотрудникам аналитического центра ДВГИ ДВО РАН Г.Б. Молчановой, А.В. Поселюжной, Е.В. Елохиной, Н.С. Зарубиной, Г.И. Горбач, Е.А. Ткалиной, Н.В. Хуркало, заведующей ЭАЛ ООО «Экоаналитика» ДВФУ И.Г. Лисицкой, а также Е.О. Хвост и С.М. Олесик, при содействии которых была произведена аналитическая обработка первичного материала. За конструктивную критику и ценные рекомендации автор признателен д.г.н. С.М. Говорушко, к.г.-м.н. А.С. Ваху, д.т.н. Н.Г. Шкабарне, к.г.- м.н. С.П. Гарбузову. Автор благодарен к.х.н. А.М. Костиной и А.Д. Пятакову за консультации и помощь при освоении программного комплекса «Селектор-С».
На основании проведенных исследований получены результаты, которые можно квалифицировать как решение задачи, имеющей существенное значение для экологической науки при изучении минералого-геохимических преобразований в природно-техногенных геологических системах на территории горнорудных районов Приморского края. Основные результаты заключаются в следующем:
1. На общем фоне природных вод, выделяются участки техногенно- трансформированных по спектру элементов макрокомпонентного (SO42-) и микрокомпонентного состава (Zn, Pb, Cd, As, Cu, Fe, Mn, Al, Li). Распределение микроэлементов в водных потоках зависит от близости или удаленности источника (рудной зоны, хвостохранилища), кислотности-щелочности растворов и наличия геохимических барьеров (щелочного, карбонатного и др.), на которых происходит массовое осаждение элементов.
2. Установлено, что в природно-техногенной системе хвостохранилища в слабощелочных водах химические элементы мигрируют в форме незакомплексованных ионов и комплексов-ассоциатов с участием анионов HCO3-, CO32- и OH-. В сильнокислых высокоминерализованных растворах преобладают катионные ионы в количествах, значительно превышающих фоновые и предельно-допустимые, а в комплексообразовании значительная доля приходится на SO^-ro^
По результатам физико-химического моделирования показано, что наибольшую опасность для экосистемы реки Рудной представляют ионные и комплексные соединения, главными из которых являются Cd+2, Cu+2, Co+2, Li+, Mn+2, MnSO40, Pb+2, 7t<2 ry+3 LQATT+2 Lb+2 AH XTi+2 RnCH-T+ С™й0 U, АЛА,- Cr,CL-2 СЛ,2- UCiA,- И/лСс-2
Zn , Fe , FeOH , Hg , Al , Ni , BeOH , SnO , H2ASO4 , Cr2O7 , SO4 , HSO4 , MOO4 ,
WO4-2, VO2+, UO2+2, Zr(OH)+3, LaSO4+, Ce+3, NdSO4+, SmSO4+, EuSO4+, Gd+3, TbSO4+, DySO4+, ErSO4+, YbSO4+, LuSO4+, формирующиеся в результате гипергенного преобразования рудных и техногенных минералов.
3. Выявлено, что в хвостохранилищах сконцентрированы потенциально опасные для природной экосистемы химические элементы, концентрации которых значительно превышают кларки в литосфере. К ним относятся вещества I класса опасности - Pb, Zn, Cd и As, степень вредного воздействия которых на окружающую природную среду очень высока, II класса - Cu и Co, III класса - Mn и W, характеризующие отходы как высоко и умеренно опасные для окружающей среды. Анализ распределения элементов на глубину показал, что концентрации всех элементов, за исключением Be и Li, с глубиной увеличиваются.
4. Данные о содержании РЗЭ в техногенных отложениях КОФ свидетельствуют о том, что максимальные концентрации РЗЭ для старого хвостохранилища характерны для глубинных интервалов от 0 до 1,0 м (ТРЗЭ 101,92-103, 12 г/т), а для нового - от 0,5 до 1,0 м (ЕРЗЭ 103,46 г/т). Профили распределения РЗЭ для старого и нового хвостохранилищ имеют схожие черты с выраженными положительными аномалиями Eu, Tb, Yb и слабо выраженными отрицательными аномалиями Nd, Gd и Tm при небольшом дефиците церия. В толще хвостохранилищ происходит фракционирование РЗЭ, с глубиной наблюдается незначительное снижение величины (LREE/HREE)N.
5. На основе изучения гипергенных минералов из хвостов обогащения установлено три минеральные ассоциации, обусловленные различными механизмами гипергенной трансформации: 1) вторичные минералы, образующиеся в результате процессов выветривания и окисления; 2) вторичные минералы в виде каймы замещения, вокруг сульфидных минералов; 3) минералы, кристаллизующиеся на испарительном геохимическом барьере. Выполненные рентгеноспектральные анализы минералов позволили выяснить особенности их химического состава, на основании чего были рассчитаны кристаллохимические формулы и определены количества и формы вхождения различных токсичных элементов (Pb, Zn, As, Cu, Sb, Ag, Mn, Al, Fe) в их кристаллические структуры.
6. Механизмы взаимодействия природных и рудничных вод с вмещающими породами и моделирование равновесий в системе «вода-порода» указывают на четко выраженный равновесно-неравновесный характер. Рудничные воды Кавалеровского района равновесны с каолинитом, иллитом, Na-, Mg-, Ca- разностями монтмориллонита, кальцитом и неравновесны с первичными алюмосиликатами.
Моделирование равновесного с ионным раствором минерального состава в техногенной системе хвостохранилища КОФ позволило установить, что в слабощелочном растворе достигается равновесие с гетитом, гидраргиллитом, монтмориллонитом, бианкитом и вудвардитом и церусситом. Сидьнокисдые высокоминеради'зованные растворы равновесны с алуногеном, монтмориллонитом и фиброферритом, содержание которых увеличивается при изменении объемных соотношений вода-порода, а также с гипсом и бианкитом, концентрации которых в тех же геохимических условиях среды, снижаются.
На основании вышеприведенных данных можно констатировать, несмотря на то, что в настоящее время прекращена эксплуатация большинства горнопромышленных объектов, это не означает прекращения воздействия геологических объектов (горные породы, минералы) и горнорудных объектов (горные выработки, хвостохранилища) на окружающую среду. Оно продолжается в результате гипергенной переработки сульфидов, вскрытых горными выработками или складированных в виде сульфидсодержащих отходов. Учитывая, что в зоне гипергенеза изменения протекают с большими скоростями, чем в естественных геологических условиях, их воздействие на природные ландшафты, скорее всего, будет увеличиваться. А проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды в районах развития горнопромышленного производства, еще длительное время не утратят своей актуальности.
1. На общем фоне природных вод, выделяются участки техногенно- трансформированных по спектру элементов макрокомпонентного (SO42-) и микрокомпонентного состава (Zn, Pb, Cd, As, Cu, Fe, Mn, Al, Li). Распределение микроэлементов в водных потоках зависит от близости или удаленности источника (рудной зоны, хвостохранилища), кислотности-щелочности растворов и наличия геохимических барьеров (щелочного, карбонатного и др.), на которых происходит массовое осаждение элементов.
2. Установлено, что в природно-техногенной системе хвостохранилища в слабощелочных водах химические элементы мигрируют в форме незакомплексованных ионов и комплексов-ассоциатов с участием анионов HCO3-, CO32- и OH-. В сильнокислых высокоминерализованных растворах преобладают катионные ионы в количествах, значительно превышающих фоновые и предельно-допустимые, а в комплексообразовании значительная доля приходится на SO^-ro^
По результатам физико-химического моделирования показано, что наибольшую опасность для экосистемы реки Рудной представляют ионные и комплексные соединения, главными из которых являются Cd+2, Cu+2, Co+2, Li+, Mn+2, MnSO40, Pb+2, 7t<2 ry+3 LQATT+2 Lb+2 AH XTi+2 RnCH-T+ С™й0 U, АЛА,- Cr,CL-2 СЛ,2- UCiA,- И/лСс-2
Zn , Fe , FeOH , Hg , Al , Ni , BeOH , SnO , H2ASO4 , Cr2O7 , SO4 , HSO4 , MOO4 ,
WO4-2, VO2+, UO2+2, Zr(OH)+3, LaSO4+, Ce+3, NdSO4+, SmSO4+, EuSO4+, Gd+3, TbSO4+, DySO4+, ErSO4+, YbSO4+, LuSO4+, формирующиеся в результате гипергенного преобразования рудных и техногенных минералов.
3. Выявлено, что в хвостохранилищах сконцентрированы потенциально опасные для природной экосистемы химические элементы, концентрации которых значительно превышают кларки в литосфере. К ним относятся вещества I класса опасности - Pb, Zn, Cd и As, степень вредного воздействия которых на окружающую природную среду очень высока, II класса - Cu и Co, III класса - Mn и W, характеризующие отходы как высоко и умеренно опасные для окружающей среды. Анализ распределения элементов на глубину показал, что концентрации всех элементов, за исключением Be и Li, с глубиной увеличиваются.
4. Данные о содержании РЗЭ в техногенных отложениях КОФ свидетельствуют о том, что максимальные концентрации РЗЭ для старого хвостохранилища характерны для глубинных интервалов от 0 до 1,0 м (ТРЗЭ 101,92-103, 12 г/т), а для нового - от 0,5 до 1,0 м (ЕРЗЭ 103,46 г/т). Профили распределения РЗЭ для старого и нового хвостохранилищ имеют схожие черты с выраженными положительными аномалиями Eu, Tb, Yb и слабо выраженными отрицательными аномалиями Nd, Gd и Tm при небольшом дефиците церия. В толще хвостохранилищ происходит фракционирование РЗЭ, с глубиной наблюдается незначительное снижение величины (LREE/HREE)N.
5. На основе изучения гипергенных минералов из хвостов обогащения установлено три минеральные ассоциации, обусловленные различными механизмами гипергенной трансформации: 1) вторичные минералы, образующиеся в результате процессов выветривания и окисления; 2) вторичные минералы в виде каймы замещения, вокруг сульфидных минералов; 3) минералы, кристаллизующиеся на испарительном геохимическом барьере. Выполненные рентгеноспектральные анализы минералов позволили выяснить особенности их химического состава, на основании чего были рассчитаны кристаллохимические формулы и определены количества и формы вхождения различных токсичных элементов (Pb, Zn, As, Cu, Sb, Ag, Mn, Al, Fe) в их кристаллические структуры.
6. Механизмы взаимодействия природных и рудничных вод с вмещающими породами и моделирование равновесий в системе «вода-порода» указывают на четко выраженный равновесно-неравновесный характер. Рудничные воды Кавалеровского района равновесны с каолинитом, иллитом, Na-, Mg-, Ca- разностями монтмориллонита, кальцитом и неравновесны с первичными алюмосиликатами.
Моделирование равновесного с ионным раствором минерального состава в техногенной системе хвостохранилища КОФ позволило установить, что в слабощелочном растворе достигается равновесие с гетитом, гидраргиллитом, монтмориллонитом, бианкитом и вудвардитом и церусситом. Сидьнокисдые высокоминеради'зованные растворы равновесны с алуногеном, монтмориллонитом и фиброферритом, содержание которых увеличивается при изменении объемных соотношений вода-порода, а также с гипсом и бианкитом, концентрации которых в тех же геохимических условиях среды, снижаются.
На основании вышеприведенных данных можно констатировать, несмотря на то, что в настоящее время прекращена эксплуатация большинства горнопромышленных объектов, это не означает прекращения воздействия геологических объектов (горные породы, минералы) и горнорудных объектов (горные выработки, хвостохранилища) на окружающую среду. Оно продолжается в результате гипергенной переработки сульфидов, вскрытых горными выработками или складированных в виде сульфидсодержащих отходов. Учитывая, что в зоне гипергенеза изменения протекают с большими скоростями, чем в естественных геологических условиях, их воздействие на природные ландшафты, скорее всего, будет увеличиваться. А проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды в районах развития горнопромышленного производства, еще длительное время не утратят своей актуальности.
Подобные работы
- Геологическое строение Черемшанского рудного узла и особенности —
стадийности минералообразования(Приморье)
Бакалаврская работа, геология и минералогия. Язык работы: Русский. Цена: 4770 р. Год сдачи: 2018