Глава 2. Методы исследования

Геологический факультет

Направление 020300 Геология

Специальность 020303 Геохимия

Кафедра Минералогии и геохимии

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

“Гидрохимия кислых рудничных вод и геохимия донных отложений Медногорской геотехнической системы (Южный Урал) ”

Студент: Кайгородов Андрей Сергеевич

Заведующий кафедрой Быков В.Н.

д.х.н.

Руководитель Удачин В.Н.

к.г.-м.н.

Рецензент Белогуб Е.В.

к.г.-м.н.

Миасс-2008

Содержание

Введение 3

Глава 1. Литературный обзор 4

Глава 2. Методы исследования 7

2.1. Геохимическое опробование 7

2.2. Методы полевых исследований 9

2.3. Подготовка проб к анализу 10

2.4. Методы лабораторных исследований 11

Глава 3. Характеристика Медногорской геотехнической системы 16

3.1. Физико-географические условия 16

3.2. Эколого-геохимические условия района 19

3.3. Краткий очерк геологического строения объекта 20

3.4. История формирования Медногорской ГТС 24

Глава 4. Результаты исследования гидрохимии поверхностных вод и геохимии донных отложений Медногорской ГТС 26

4.1. Гидрохимия фоновых и техногенных поверхностных водотоков 26

4.2. Гидрохимия карьерных озер Яман-Касы и Блява 31

4.3. Химический и минеральный состав донных отложений 35

4.4. Химический состав влекомой взвеси в поверхностных водах МТС 46

Глава 5. Обсуждение результатов исследований 51

5.1. Формирование кислых рудничных вод 51

5.2. Процессы гидролиза в зонах смешения техногенных вод 52

5.3. Сопоставление результатов натуральных исследований и экспериментальных химико-аналитических работ 52

Заключение 56

Литература 59

Введение

Рудные месторождения Урала со времен древних рудокопов и по настоящее время являются основным источником и сырьевой базой развития цветной металлургии региона. Вместе с тем, участки разрабатываемых месторождений, где совмещены добыча, обогащение и металлургический передел руд, представляют собой основные узлы нарушенных экосистем, а, зачастую, техногенные пустоши. Ярким примером необратимой деградации окружающей среды является такой крупный горнопромышленный узел, как Медногорская геотехническая система.

Район г. Медногорска характеризуется высоким уровнем содержания загрязняющих веществ, что связано с деятельностью Медногорского медно-серного комбината (МСК), а также с общим загрязнением атмосферы, обусловленным высокой степенью техногенной нагрузки в Оренбургской области.

По объемам выбросов вредных веществ Оренбургская область находится среди регионов России на лидирующих позициях (более 500 тыс. т/год). Напряженная экологическая ситуация, сложившаяся в 80-е годы, сохраняется и по настоящее время. Высокая степень загрязнения связана с низким уровнем природоохранных мероприятий. В результате этого происходит загрязнение воздуха и депонирующих сред (пород, почв, донных осадков) фтористым водородом, сероуглеродом, диоксидом азота и тяжелыми металлами.

Пыль из объединенного дымохода Медногорского медно-серного комбината состоит из пирита, халькопирита, станнина, Cu-Zn-шпинели, кварца и алюмосиликатов. Аэральные потоки тяжелых металлов в виде тонкодисперсной пыли при депонировании в почвах формируют техногенные геохимические аномалии, пространственное положение которых определяется, главным образом, розой ветров. Их максимальная контрастность наблюдаются в районе Медногорска в восточном и западном направлениях.

В настоящее время по данным комплексной экспертизы и в соответствии с результатами ранжирования территории Оренбургской области, выполненной различными организациями, район отнесен к зоне экологического бедствия.

Целью данной работы была характеристика геохимических процессов под влиянием складированных отходов добычи и переработки колчеданных руд Медногорской группы месторождений (месторождения Блява и Яман-Касы). При этом были поставлены следующие задачи:

1. Получить данные о химическом составе воды и донных отложений природных фоновых водотоков в районе Медногорской геотехнической системы.

2. Получить данные о химическом составе воды и донных отложений для техногенных водотоков в зонах влияния кислых рудничных вод.

3. Дать характеристику минерального и химического состава современных суспензионных охристых отложений на участках гидролиза кислых вод.

4. Выполнить циклы экспериментальных химико-аналитических работ по синтезу гидроксидов и гидроксисульфатов железа. Провести сравнительный анализ техногенных охр и синтезированных фаз.

Исследования выполнялись в лаборатории минералогии техногенеза и геоэкологии ИМин УрО РАН (заведующий, к.г.-м.н. В.Н. Удачин).

Автором, вместе с участниками полевого отряда “геоэкологический”, непосредственно был выполнен полевой отбор проб с охватом района Медногорской ГТС общей площадью 165 км². Это опробование включало: гидрохимические пробы из основных водотоков 24 штуки; пробы донных отложений 17 штук, суспензионных проб рыхлых новообразований в участках гидролиза 22 штуки. Выполненный в последующем химический анализ проб включал и обработку результатов, которая заключалась в составлении таблиц, графиков, гистограмм.

По результатам всех анализов составлены таблицы (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 в тексте) и построены диаграммы и гистограммы (рис. 6, 7, 8, 11, 12, 20, 21, 22 в тексте).

При написании дипломной работы использовались литературные источники различных авторов, как российских, так и зарубежных.

Автор выражает огромную благодарность всем работникам лаборатории минералогии техногенеза и геоэкологии Удачину В.Н., Удачиной Л.Г., Лонщаковой Г.Ф., Маляренок М.Н., Вализер Н.И., Аминову П.Г., аналитикам Рябухиной Т.М. и Кашигиной Н.И. за помощь в выполнении анализов.

Глава 1. Литературный обзор

Экологические проблемы, вызванные деятельностью горно-обогатительных комбинатов, складированием отвалов вскрышных пород и сульфидсодержащих руд, и отходов обогащения (хвостохранилищ) актуальны как за рубежом, так в России. Начиная с 60-70 годов интерес к этим проблемам год от года растёт.

В настоящее время имеется много публикаций, посвященных геохимии современных окислительных процессов. Основное внимание в работах экологического направления уделено исследованию наиболее значимого источника распространения тяжелых металлов – сульфидсодержащих отвалов. Объектами исследований являются также действующие и заброшенные горнодобывающие предприятия.

В России данные проблемы хорошо изучены на примере воздействия крупного металлургического комплекса на экосистемы российской части Субарктики (Даувальтер, 1997, 1998, 1999, 2000). На примере воздействия комбината «Североникель» хорошо показано как трансформируются низкобуферные экосистемы под влиянием сернокислотных эмиссий. Накопление высоких концентраций тяжелых металлов происходит в слоях донных отложений озер мощностью до 25-30 см и сопровождается образованием значительной доли мобильных, легкообменных форм, которые представляют большую опасность для биоты в озерных экосистемах.

На Южном Урале очень высоким уровнем загрязнения характеризуется г. Карабаш Челябинской области. По результатам комплексной экспертизы ему присвоен статус «зоны экологического бедствия». По данным космической съемки эта территория отнесена ЮНЕСКО к экологической «черной дыре» планеты. Источником техногенного загрязнения территории г. Карабаш является медеплавильный комбинат, созданный в начале прошлого века. Кроме того, источником загрязнения являются отвалы вскрышных пород. Во многих работах (Удачин и др., 1999; Удачин и др., 2002; Щербакова и др., 2001) рассмотрено антропогенное воздействие на воздушную, водную и почвенную среды города. Поступление тяжелых металлов (ТМ) в атмосферу с выбросами комбината и выпадение их на большой территории приводит к формированию искусственных субпровинций с измененным элементным пейзажем в окрестностях города.

Экологическая обстановка района г. Учалы и его окрестностей полностью определяется деятельностью Учалинского горно-обогатительного комбината (УГОКа). Как показала Л.Н. Белан, впервые в 1997 г. выполнившая на территории Учалинского района оценку техногенного воздействия комбината на окружающие ландшафты, экологическая обстановка в городе и его окрестностях неблагополучна. Изученная площадь ограничена радиусом 10-12 км от промплощадки УГОК в соответствии с преобладающим направлением ветров. Аэрогенное загрязнение территории ТМ, изученное на примере снежного и почвенного покровов, происходит за счет взрывных работ в Учалинском карьере, дефляции с отвалов, транспортировки и переработки руд. В настоящее время взрывные работы на карьере прекратились и основным источником загрязнения являются аэральные выпадения тонкодисперсного сульфидного материала из трубы сушильного отделения обогатительной фабрики и эоловые разносы сульфидно-силикатного материала от отвалов и хвостохранилища. Учитывая присутствие металлов в различных формах в воде, почве, донных отложениях, в работе Л.Н. Белан высказано предположение о вероятных формах нахождения металлов. Однако это положение экспериментально не обосновано (Белан, 1997; Шафигуллина, 2008).

Изучение площади полиметаллического (Zn, Cu, Pb, Fe, Ag) сульфидного месторождения Фенис Капане (Южная Тоскания, Италия) показывает, что заброшенные рудные пустые породы содержат большие количества загрязняющих элементов, которые являются потенциально опасными для окружающей среды. С целью оценки сезонных изменений рассеивания загрязняющих элементов осуществлены исследования вод, донных отложений, отвалов и отходов обогащения в заброшенных рудных площадях Тоскании в различные сезоны года. Было выполнено вертикальное опробование отвалов и отходов обогащения руд на различные глубины (0-15 см, 15-45 см, 70-90 см), отбор проб воды и реализованы аналитические методы (определение состава вод и твердых материалов, минералогия), определение размера частиц твердых материалов. По данным авторов, флотационные отходы 57-84 гг. показывают почти нейтральное значение pH (6.2-7.8), тогда как старые флотационные отходы 50-56 гг. имеют значение pH 2.6-6.3. Отвалы добычи руд характеризуются высокими содержаниями металлов и низкими значениями pH, подобными флотационным отходам 50-56 гг. Однако, они оказывают меньшую угрозу для окружающей среды, так как металлоносные фазы заключены в тонкодисперсных силикатно-гидроксидножелезистых новообразованных охрах.

В Южной Корее С.Ли и соавторы изучали влияние отработанного Cu-Pb рудника Санггок на речную систему. Исследование показало загрязнение морского залива тяжелыми металлами под воздействием рудничных, поверхностных и подземных вод. Концентрации некоторых токсичных элементов (Al, As, Cd, Cu, Fe, Mn, Se, Pb и Zn) оказались в 10-100 раз выше в рудничных водах по сравнению с незагрязненными поверхностными и фоновыми. Однако, большинство токсичных поллютантов из рудничного дренажа быстро транспортируются в поверхностные воды с осаждением гидроксидов алюминия и железа. Геохимическое моделирование (по программе WATEQ4F) проб воды показало, что потенциально токсичные металлы могут существовать в формах MSO₄^2-, M²⁺ в рудничных водах. Эти металлы в поверхностных и фоновых водах могут образовывать комплексы ионов M²⁺, CO₃^2- и OH^- (Yu, 1996).

Приведенный краткий обзор отечественных и зарубежных работ по проблеме загрязнения окружающей среды горнорудными предприятии очерчивает часть вопросов, связанных с этой проблемой, конкретных факторов загрязнения, методов изучения районов деятельности предприятий и возможных путей улучшения экологической обстановки.

Глава 2. Методы исследования

Геохимическое опробование

Металлургические предприятия - один из главных промышленных источников поступления тяжёлых металлов в окружающую среду. В результате длительной промышленной деятельности вокруг них возникают геохимические аномалии с повышенным содержанием элементов-загрязнителей в почве, донных отложениях, воде и биологических объектах. Конфигурация загрязненной территории вокруг источников аэральных выбросов обычно близка к форме розы распределения ветров в данной местности. На уровень загрязнения территории кроме природных факторов влияют длительность работы производства и особенности его технологического процесса. В зависимости от размера и веса частиц пыль, содержащая тяжелые металлы, оседает на поверхности органического и неорганического субстрата. Наиболее существенные загрязнения наблюдаются в радиусе первых километров от источника эмиссии, но иногда радиус загрязнения может достигать десятков километров.

В случаях, когда источники эмиссии рассредоточены на значительной территории и обусловлены не газопылевыми выбросами, а представлены отвалами добычи руд с большим количеством быстро окисляющихся сульфидов, основную нагрузку принимают на себя транспортные (поверхностные воды) и депонирующие среды (почвы и донные отложения). Опробование донных отложений и отбор гидрохимических проб являются, в таком случае, основным инструментом для получения обоснованных выводов по техногенному загрязнению.

Предварительно изучался картографический материал и литературные данные по уже проведённым исследованиям, что позволило определить сеть точек наблюдения, расположенных как непосредственно возле отвальной массы, так и в нарастающем удалении по мере продвижения к незагрязненным водотокам (рис. 1).

Рис. 1. Схема отбора проб

Методы полевых исследований

Полученная сеть точек позволила опробовать большую территорию общей площадью 165 км². В ходе полевых работ были отобраны пробы воды, как основных показателей воздействия на водную экосистему. Осуществлён отбор проб донных отложений, суспензионных проб рыхлых новообразованных выпадений в участках гидролиза кислых рудничных вод.

Достоверная оценка воздействия потока техногенных веществ на геосис­тему, особенности миграции тяжелых металлов в системе могут быть получены только при сравнительном исследовании техногенно измененных и природных геосистем. Поэтому работы на природно-техногенном полигоне дополнялись таким же комплексом исследований на фоновом участке с аналогичной литологической основой, находящемся вне зоны воздействия источника тяжелых металлов.

Рис. 2. Отбор проб суспензионных рыхлых новообразованных выпадений в участках гидролиза.

Гидрохимическое опробование

В методике эколого-геохимического картирования подразумевается, что конечным этапом миграции вещества служит аквальный (субаквальный) элементарный геохимический ландшафт – река, замкнутый бассейн. Внесенные вещества либо уносятся реками, либо консервируются в осадок, накапливаются в поровом растворе. Таким образом, поток вещества в геосистеме направлен от водоразделов к склонам и далее вниз по рельефу (Методические…, 1981). Поэтому важно проводить опробование поверхностых водотоков, расположенных на исследуемой территории.

Отбор проб проведен согласно ГОСТу Р 51592 – 2000. Отобранные гидрохимические пробы помещались в чистые 1,5 – литровые пластиковые бутылки с четкой маркировкой, которые заполнялись под пробку.