Распределение физико-химических параметров в карьерных озерах Блявинского и Яман-Касинского колчеданных месторождений (Южный Урал)

Удачин В.Н., Аминов П.Г., Лонщакова Г.Ф., Дерягин В.В.*

Институт минералогии УрО РАН,

*Челябинский государственный педагогический университет

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В КАРЬЕРНЫХ ОЗЕРАХ БЛЯВИНСКОГО И ЯМАН-КАСИНСКОГО КОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Исследованы состав воды и распределение физико-химических параметров в двух карьерных озерах на территории Оренбургской области - Блявинском и Яман-Касинском. Оба объекта представляют собой геотехнические системы, возникшие после прекращения водоотлива по окончании эксплуатации месторождений. В пределах колонн воды глубиной 42 м с рН 2,9-3,2 наблюдается хорошо выраженная стратификация по содержанию тяжелых металлов и взвеси, обусловленная положением кислородной границы. Установлены принципиально различные формы нахождения элементов в составе растворенных и взвешенных форм в аэробной и анаэробной зонах.

Ключевые слова: гидрогеотехнические системы, эксплуатация месторождений, содержанию тяжелых металлов и взвеси.

Введение

Карьерные озера формируются в течение нескольких лет после завершения эксплуатации месторождений открытым способом, когда карьерный водоотлив прекращается и котловина карьера заполняется трещинными напорными водами. В мировой литературе за карьерными озерами прочно закрепился термин «pit lakes»

(от «open pit» - карьер и «lake» - озеро) [5-15].

В последние годы термин «карьерные озера», отражающий и генезис и особенности формирования, нашел отражение и в отечественных публикациях [2-4]. Несмотря на различия в условиях образования, контролируемых процессами горнопромышленного техногенеза, карьерные озера как аквальные системы техногенного происхождения имеют и общие черты с природными озерными системами: наличие выраженного термоклина, иногда оксиклина, дифференциацию химического состава в вертикальном разрезе и т.д. Изучение особенностей формирования и условий функционирования карьерных озер имеет важное значение как для познания гидрохимии техногенных систем, так и для реализации мероприятий по реабилитации горнопромышленных ландшафтов [1].

Объекты и методы

Блявинское колчеданное месторождение, открытое в 1929 г., явилось основой сырьевой базы Медногорского медно-серного комбината.

Подземный рудник начал функционировать в 1938 г., а в 1952 г. стартовала отработка месторождения карьером с тремя заездами. В 1971 г., после отработки балансовых запасов руд, карьерная добыча была прекращена при глубине ка-

рьера 220 м от поверхности. В период с 1973 г. по 2005 г. уровень воды в карьерном озере периодически регулировался посредством сброса части вод через систему выработок подземного рудника и сбросом неочищенных кислых рудничных вод в р. Жирикля (правый приток р. Блява).

Яман-Касинское колчеданное месторождение открыто в 1942 г. По результатам геологоразведочных работ в те годы месторождение было признано нерентабельным для разработки. В 1989 г. его отработку карьером начала артель старателей «Южная», но работы до 1992 г. велись в незначительных объемах. С 1992 по 1998 г. основной объем вскрышных работ и работ по добыче руд выполнялся силами Гайского ГОКа. В 1999 г. карьерная добыча на месторождении Яман-Касы была прекращена в связи с отработкой балансовых руд. В 2003 г. верхняя отметка уреза воды карьерного озера достигла равновесия с уровнем зеркала подземных вод и процесс формирования колонны воды на первом этапе завершился.

Отбор проб воды на карьерных озерах Блявинского и Яман-Касинского месторождений выполнен в течение двух климатических оптимумов - ранней весной (2 апреля) при ледоставе и в середине лета (5 июля) 2007 г. На первом этапе были выполнены измерения глубин по сети профилей с расстоянием пунктов измерения на профилях через 5 м и составлены схемы батиметрии котловин карьерных озер. Максимальная глубина на карьерном озере Блява была зафиксирована на 42 м, на карьерном озере Яман-Касы - на 41 м. Ряд физико-химических параметров (рН, ЕЬ, растворенный кислород, электропроводность,

температура) фиксировался на месте отбора проб. Замеры рН и Eh выполнены рН-милли-вольтметром «Yokogawa-82» (Япония). Концентрации растворенного кислорода и температуры фиксировались через 1 м до глубины 20 м оксиметром-термометром «Hanna-9300» (Португалия) в режиме температурной компенсации при измерении кислорода. Электропроводность измерялась кондуктомером «Hanna-Instrument» (Португалия). В участках максимальных глубин батометром Молчанова на всю глубину водной колонны в карьерных озерах были отобраны гидрохимические пробы: в карьерном озере Блява в два климатических оптимума 16 проб; в карьерном озере Яман-Касы - 18 проб, которые сразу помещались в 1,5-литровые емкости из полипропилена, дважды сполоснутые 0,5н HNO3 и деионизированной водой (установка Millipore, США). В течение суток пробы были доставлены в стационарную лабораторию для выполнения анализа анионно-катионного состава и концентраций микроэлементов.

Анализ катионов и анионов выполнялся в соответствии с традиционными методами гидрохимического анализа: сульфаты гравиметрическим методом осаждением с BaCl2; хлориды - титрованием с AgNO3; гидрокарбонат-ион - титриметрией; Ca, Mg, а также высокие концентрации Cu, Zn, Fe, Al, Co, Ni -атомно-абсорбционным методом в режиме ацетилен-воздух (атомно-абсорбционный спектрофотометр Perkin Elmer 3110, США); K и Na - в эмиссионном режиме на этом же спектрофотометре; микроэлементы - методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (масс-спектрометр ELAN 9000, США). Во всех химико-спектральных методах для калибровки использовались одноэлементные растворы фирмы Merck (Германия) и мультиэлементные - фирмы Perkin Elmer (США). Относительное стандартное отклонение при определении большинства элементов не превышало 0,03 %. Все аналитические исследования выполнены в Центре коллективного пользования по исследованию минерального сырья Института минералогии УрО РАН, г. Миасс (аттестат аккредитации № РОСС ru.0001.514536) и лаборатории физико-химических методов исследований Инсти-

тута геологии и геохимии им. А.Н. Завариц-кого УрО РАН (аттестат аккредитации № 001544).

Результаты исследований и обсуждение

Оба исследованных озера по величине водородного показателя относятся к категории кислых. Величина рН не поднимается выше 2,94 в карьерном озере Яман-Касы и 2,92 - в карьерном озере Блява. Распределение физико-химических параметров по глубине карьерных озер наиболее контрастно проявляется при анализе температуры. Если в летний период в толще воды отмечается типичный и ярко выраженный прямой термоклин с максимумом температуры от 18 оС до 13 оС в первых 7-8 м толщи воды, то ниже этой глубины температура в карьерном озере Яман-Касы находится в диапазоне от 5 до 4,5 оС (рис. 1).

В карьерном озере Блява на нижней границе термоклина отмечается минимальная температура 7 оС, которая с глубиной увеличивается до 8 оС на 14 м, до 9,5 оС на 26 м и остается на этом уровне до дна карьерного озера (рис. 2). В зимний период наблюдается обратный термоклин, но в карьерном озере Яман-Касы он неконтрастный с минимумом в 1-1,5 оС в верхних 3 м толщи воды и максимумом в 5 оС ниже глубины 17 м, а в карьерном озере Блява зимний термоклин достаточно хорошо выражен с минимумом в 1 оС в верхних 5 м и максимумом в 7,5 оС ниже 14 м (рис. 1 и 2).

Содержание растворенного кислорода в толще воды карьерного озера Яман-Касы выражается резко контрастным распределением по глубине с максимумом в 10 мг/л летом и 9 мг/л зимой в верхних 3 м с резким уменьшением до 1 мг/ л в оба климатических сезона на глубине 7 м (рис. 1). В карьерном озере Блява такое же резкое изменение наблюдается летом: с 10 мг/л в верхних 3 м до 5 мг/л на 4 м и до 1 мг/л на 8 м (рис. 2). В зимний период концентрация кислорода колеблется от 12 до 13 мг/л в верхних 4 м толщи воды и к 8 м резко уменьшается до 1 мг/л. Таким образом, в двух карьерных озерах на 3-4 м глубины отмечается четко выраженный оксиклин - область резкого уменьшения концентраций растворенного кислорода.

Сопоставление формул Курлова, отражающих химизм фоновых вод в области дрениро-

О 5 10 15 20

Температура. °С

Содержание Cu, Zn, AI, мг/л

0 50 100 150 200 250 300

Содержание Fe: мг/л

вания и вод карьерных озер, свидетельствует о глубокой трансформации химического состава вод в условиях техногенеза. Если для фоновых вод

( Л " (1),

то в карьерном озере Яман-Касы он отвечает сульфатному магниево-алюминиевому

Л4 28.5( а 2,7* ^

' 4 " ' (3),

т.е. наблюдается коренное изменение и анионной и катионной составляющей вод.

По абсолютным содержаниям доминирующими катионами в составе вод карьерного озера Яман-Касы являются Fe, 2п, А1 (табл. 1). Распределение этих элементов в толще воды носит закономерный характер и выражается в 56-кратном увеличении концентраций ниже оксиклина (рис. 1). Для карьерного озера Блява типоморфными катионами являются Fe, А1, Си, 2п (табл. 2). Наибольшей контрастностью в распределении концентраций по отношению к оксиклину характеризуется Fe - его содержания увеличиваются в 7 раз. Для А1, Си, 2п характерен меньший контраст при 2-4-кратном увеличении содержаний ниже оксиклина (рис. 2). Таким образом, положение оксиклина

Содержание О, лето о Температура,лето д Содержание Си

Содержание О, зима щ Температура, зима А Содержание

© Содержание Ре X Содержание А1

Рисунок 2. Схема распределения физико-химических параметров в вертикальном разрезе карьерного озера Блява

Содержание Ог, мг/п содержание Си, мг/л

0 2 4 0 В 10 12 о 10 20 30 40 50 во

Я 0 ----------.------------.-----, о

0 5 10 15 20 Q ЮО 200 300 400 500

Температура,ТС Содержание Fe: Zn, AI, мг/п

Содержание O-,пето О Температура, лето ¿ Содержание Cu

содержание От зима щ Температура, зима А Содержание Zn

0 Содержание Fe X Содержание AI

Рисунок 1. Схема распределения физико-химических параметров в вертикальном разрезе карьерного озера Яман-Касы

Содержание Ch, мг/л

О 5 ю 15

5 0

Таблица 1 . Результаты химического анализа вод карьерного озера Яман-Касы

Номер пробы

R 273 R 273/1 R 273/2 R 273/3 R 273/4 R 273/5 R 273/6 R 273/7

1 м 3 м 7 м 12 м 18 м 23 м 27 м 34 м

Физико-химические параметры и анионно-катионный состав

pH 2.94 2.89 2.65 2.62 2.60 2.63 2.63 2.59

ЕЬ, тУ 524 548 462 469 432 440 427 418

Р [Б 3025 3100 4650 4635 4680 4670 4635 4820

Т, 0С 0.8 1.1 3.1 4.0 4.5 4.8 4.8 5.0

02,мг/л 9.0 9.3 1.2 1.1 1.2 1.4 1.9 2.2

НСОз- - - - - - - - -

8О42- 3255 3302 4158 4285 4407 4421 4386 4455

С1- 384 412 405 478 504 520 534 534

Са 281 290 286 325 340 327 318 346

Mg 219 226 306 310 325 378 365 340

К 8.4 8.7 10.1 11.4 10.8 11.0 10.5 12.3

94 98 111 118 121 120 120 119

Микроэлементы

Li 41 38 84 84 87 85 81 88

А1 31200 36350 181660 195470 200155 204760 201845 212800

8с 15 14 73 70 71 75 82 77

У 44 47 172 190 183 185 174 180

Сг 1.8 2.6 14.1 14.9 18.4 20.7 23.9 21.0

Мп 7250 7383 9042 8948 8827 8805 8652 9173

Ре 47520 46135 283750 280520 341847 338090 344700 336555

Со 98 82 328 350 383 380 388 362

№ 181 215 1207 1230 1339 1320 1228 1418

Си 12140 12225 38470 41244 40372 43150 40286 38855

Zn 39580 39948 189500 202580 211700 208335 220538 193662

ва 1.4 1.7 3.6 3.6 3.6 3.9 3.6 4.1

As 11 15 736 712 804 831 784 796

8е 8.2 7.7 7.9 11.2 10.6 17.2 17.8 18.5

Rb 2.1 3.0 6.3 5.9 7.0 5.7 6.6 7.0

8г 583 528 580 555 611 587 589 604

Y 85 79 104 117 120 114 137 120

Ag 1.6 2.0 3.7 3.0 3.2 2.9 4.7 11.1

са 194 288 475 783 800 842 837 820

1п 1.4 1.6 9.3 8.7 8.2 8.0 8.8 10.0

Cs 0.08 0.08 0.82 0.93 0.90 0.94 1.10 1.06

Ва 5.6 5.3 17.9 20.8 23.6 27.1 33.2 35.0

La 15 18 63 62 74 71 80 77

Се 41 50 138 140 163 160 185 185

Рг 3.7 3.5 24.3 23.8 23.0 24.8 23.5 24.2

Nd 28.3 28.7 90.6 88.4 87.1 86.5 87.0 88.7

8т 8.9 9.2 19.0 19.5 21.6 22.7 21.7 23.5

Еи 3.8 3.5 11.8 14.0 14.5 15.7 14.2 14.3

ва 12.4 11.3 20.6 17.7 19.5 21.0 18.3 17.9

ТЬ 1.2 0.9 2.1 2.1 2.5 2.8 2.5 2.5

Dy 10.1 10.7 19.6 23.7 24.1 24.7 23.8 26.2

Но 1.4 1.7 9.9 10.4 9.3 8.8 9.2 9.6

Ег 4.9 4.6 12.7 14.0 13.4 14.2 15.0 15.7

Тт 0.64 0.56 0.93 1.23 1.40 1.57 1.75 1.92

Yb 4.3 3.8 14.8 14.3 15.7 16.2 16.2 16.0

Lu 0.59 0.47 1.00 0.88 0.90 0.86 0.93 0.91

Т1 0.11 0.24 1.20 1.58 2.05 1.96 1.88 1.95

РЬ 18 27 104 120 174 171 186 200

Ві 0.05 0.11 0.19 0.20 0.19 0.19 0.37 0.34

ТЬ 0.5 0.5 0.7 0.7 0.8 0.8 0.8 0.9

и 4.2 3.7 11.2 14.0 12.8 11.7 14.6 12.8

Таблица 2. Результаты химического анализа вод карьерного озера Блява

Номер пробы

R 272 R 272/1 R 272/2 R 272/3 R 272/4 R 272/5 R 272/6 R 272/7

1 м 4 м 8 м 14 м 18 м 26 м 32 м 42 м

Физико-химические параметры и анионно-катионный состав

pH 2.92 3.01 2.63 2.58 2.60 2.62 2.60 2.57

ЕЙ, 605 592 485 470 405 425 410 405

ц ив 4530 4360 8485 8760 9230 9455 9790 9980

О Н 0.2 0.5 4.2 7.0 7.5 7.8 7.8 7.7

О2, мг/л 10.4 10.3 0.4 0.2 0.5 0.4 0.2 0.1

НСОз- - - - - - - - -

б в 5420 4835 11800 14120 14500 15840 16875 17340

С1- 60 61 57 59 54 59 60 63

Са 317.2 249.8 203.7 198.4 185.1 157.5 142.5 149.3

Мя 261.3 212.7 274.8 281.0 309.0 324.9 336.2 335.9

к 8.0 6.6 11.9 12.9 15.4 15.7 17.5 18.1

№ 26.3 21.5 159.5 170.3 194.0 183.7 166.4 176.5

Микроэлементы

Li 82 73 104 109 117 122 131 140

А1 77630 67420 256540 271325 277930 284770 301580 324650

Вс 33 28 84 87 91 90 94 92

V 19 15 211 219 268 265 274 257

Сг 23 18 127 127 139 129 141 135

Мп 1254 1035 1512 1648 1916 1965 2065 2172

Бе 218105 173500 1065650 1348460 1365520 1358600 1376350 1395000

Со 1085 938 2555 2583 2744 2782 2897 3004

Ni 412 381 628 679 786 814 887 906

Си 101050 78340 194850 214450 208215 211635 234065 227665

Zn 99845 85320 121400 150748 146835 155140 167035 178300

Оа 2.6 1.8 41.7 44.4 50.9 47.9 48.5 47.3

As 68 51 2105 2212 2323 2156 2090 2188

Ве 12.2 6.9 11.4 11.9 12.6 12.0 12.4 12.1

Rb 4.1 3.6 14.7 17.0 15.2 17.1 18.9 19.4

Вг 1755 1462 956 960 980 972 987 985

Y 85 75 187 195 204 218 222 230

Ая 5.6 4.4 6.1 7.3 8.9 8.5 8.5 .8 8.

Сё 1114 1018 1855 1948 2037 2171 2274 2256

1п 0.43 0.32 11.9 15.6 19.9 19.3 20.2 19.4

Cs 0.12 0.09 0.34 0.39 0.40 0.39 0.37 0.38

Ва 3.6 2.4 10.0 11.9 11.3 18.5 14.0 20.1

La 25 11 48 53 52 55 55 54

Се 53 44 126 150 153 151 162 159

Рг 1.9 1.1 16.0 17.0 17.5 17.2 18.8 17.9

Nd 30.2 25.7 78.4 87.2 91.1 90.2 95.9 94.7

Вт 5.9 4.6 18.3 21.6 22.9 24.0 24.7 25.3

Еи 0.8 0.5 2.5 3.0 3.2 3.2 3.8 3.5

Оё 11.4 8.9 24.9 28.3 31.6 31.0 34.1 32.8

ТЬ 0.21 0.16 0.67 0.75 0.70 0.86 1.1 0.98

Dy 11.3 9.4 27.1 29.0 30.9 32.4 33.0 34.3

Но 0.19 0.15 0.8 1.0 1.8 2.2 2.3 2.0

Ег 3.7 2.7 11.3 12.8 14.0 14.3 15.2 14.5

Тт 0.11 0.08 0.16 0.16 0.22 0.20 0.23 0.22

Yb 2.2 1.3 11.6 10.9 11.4 11.8 12.2 11.9

Lu 0.07 0.06 0.14 0.14 0.15 0.14 0.15 0.15

Т1 1.7 1.3 6.5 8.3 8.3 8.5 8.9 9.1

РЬ 131 96 211 256 277 260 251 219

ВІ 2.3 2.3 2.6 2.3 2.5 2.7 3.1 2.9

ТИ 6.5 6.0 6.1 6.3 6.8 6.4 6.7 6.2

и 3.7 2.3 11.7 12.0 13.5 13.7 14.6 14.4

в колонне воды карьерных озер определяет и положение хемоклина - области резкого изменения концентраций химических элементов.

Распределение других элементов в вертикальном разрезе колонны воды карьерных озер позволяет в первом приближении раз-

бить их на две условные группы: элементы, концентрации которых либо не определяются положением оксиклина, либо слабо от него зависят; элементы, концентрации которых полностью определяются положением оксик-лина. К первой группе для карьерного озера

Яман-Касы следует отнести Мп, Sr, У, А§, ТЬ. Во вторую группу входит большинство элементов: Li, Sc, V, Сг, Со, N1,

Ga, Аз, Se, Rb, Сё, 1п, Сз, Ва, вся группа РЗЭ, Т1, РЬ, В1, и. Для вод карьерного озера Блява перечисленная закономерность сохраняется за исключением Se и В1, которые следует отнести к первой группе.

Возникающий вопрос о степени аномальности химического состава карьерных вод наиболее наглядно демонстрируется рисунком 3, на котором отражен ряд основных микроэлементов, нормированных на средний состав вод рек мира. Макси- том концентрации от 10000 до 100000) характе-

мальной степенью аномальности (с коэффициен- ризуются Си и Сё, минимальной (от 2 до 10) - Rb.

Список использованной литературы:

1. Паршина И.Н., Стряпков А.В. Сорбция ионов металлов органическими катионитами из карьерных растворов // Вестник ОГУ, 2003. №5. С. 107-109.

2. Удачин В.Н., Дерягин В.В. Процессы формирования состава воды в двух карьерных озерах Южного Урала // Школа эколог. геологии и рацион. недропользования. Матер. II межвуз. конф. СПб.: СПбГУ, 2001. С. 100-102.

3. Удачин В.Н., Филиппова К.А., Дерягин В.В. Процессы формирования состава воды в карьерных озерах Южного Урала // Безопасность жизнедеятельности в третьем тысячелетии: Сборн. мат. II Всерос. конф. Челябинск, 2003. С. 115-118.

4. Филиппова К.А., Дерягин В.В. Гидрохимия карьерных озер Бакальской геотехнической системы (Южный Урал) // Водные ресурсы, 2005. №4. С. 470-476.

5. Bachmann T.M., Friese K., Zachmann D.W. Redox and pH conditions in the water column and in the sediments of an acidic mining lake // J. Geoch. Explor., 2001. V.73. P. 75-86.

6. Castro J.M., Moore J.N. Pit lakes: their characteristics and the potential for their remediation // Environ. Geol., 2000. V. 39. № 11. P.1254-1260.

7. Castendyk D., Webster-Brown J.D. Sensitivity analyses in pit lake prediction, Martha Mine, New Zealand 1: Relationship between turnover and input water density // Chem. Geology, 2007. V. 244. P. 42-55.

8. Castendyk D., Webster-Brown J.D. Sensitivity analyses in pit lake prediction, Martha mine, New Zealand 2: Geochemistry, water-rock reactions, and surface adsorption // Chem. Geology, 2007. V. 244. P. 56-73.

9. Denimal S., Bertrand C., Mudry J., Paquette Y., Hochart M., Steinmann M. Evolution of the aqueous geochemistry of mine pit lakes - Blanzy-Montceau-les-Mines coal basin (Massif Central, France): origin of sulfate contents; effects of stratification on water quality // Appl. Geochem., 2005, V. 20. P. 825-839.

10. Kohfahl C., Greskowiak J., Pekdeger A. Effective diffusion and microbiologic activity as constraints describing pyrite oxidation in abandoned lignite mines // Appl. Geochem., 2007. V. 22. P. 1-16.

11. Ramstedt M., Carlsson E., Lovgren L. Aqueous geochemistry in the Udden pit lake, northern Sweden // Appl. Geochem., 2003. V.18. P. 97-108.

12. Rolland W., Wagner H., Chmielewski R., Grunewald U. Evaluation of the long term groundwater pollution by the open cast lignite mine Janschwalde (Germany) // J. Geoch. Explor., 2001. V. 73. P. 97-111.

13. Sasowsky I.D., Foos A., Miller C.M. Lithic controls on the removal of iron and remediation of acidic mine drainage // Water Res., 2000. V. 34. № 10. P. 2742-2746.

14. Totsche O., Fyson A., Kalin M., Steinberg C.E. Titration curves a useful instrument for assessing the buffer systems of acidic mining waters // Environ. Sci. Pollut. Res., 2005. V.6. P.1-10.

15. Uhlmann W., Buttcher H., Totsche O., Steinberg C.E. Buffering of acidic mine lakes: the relevance of surface exchange and solid-bound sulphate // Mine Water and Environ., 2004. V. 23. P. 20-27.

Авторы благодарят А.С. Кайгородова и С.А. Шумских за помощь в выполнении полевых работ по отбору проб, Л.Г. Удачину и Д.В. Киселеву за выполнение анализов гидрохимических проб. Исследования выполнены при финансовом содействии РФФИ (проект № 07-05-96024-р_урал_а), интеграционного проекта УрО - СО РАН «Геохимия окружающей среды горнопромышленных ландшафтов Сибири и Урала», Министерства образования и науки РФ (проект РНП 2.1.1.8) и программы поддержки научных исследований Южно-Уральского государственного университета.

Рисунок 3. Химические составы вод карьерных озер, нормированные на средний состав поверхностных вод мира