Трансформация геологической среды при разработке медноколчеданных месторождений Урала

УДК 553.3/4 556.3

А.Б. Макаров, О.М. Гуман, И.А. Антонова, А.В. Захаров

ТРАНСФОРМАЦИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ ПРИ РАЗРАБОТКЕ МЕДНОКОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ УРАЛА

Аннотация. Разработка медноколчеданных месторождений в Уральском регионе в последние годы обусловила трансформацию геологической среды в пределах этих территорий. Возникла необходимость оценки изменений всех её компонентов, для чего выполняется экологический мониторинг этих объектов. На примере Тарньерского месторождения на Северном Урале и Султановского на Южном Урале показаны особенности этих изменений в различных климатических и геологических условиях. Активное взаимодействие в процессе техногенеза природных и технических компонентов обусловило слабое загрязнение почв тяжелыми металлами. Показано, что в различных природных условиях разработка медноколчеданных месторождений оказывает и различное влияние на трансформацию поверхностных и подземных вод: в меньшей степени изменяется состав подземных вод Султановского месторождения, где месторождение перекрыто образованиями мезо-кайнозоя. За пределами горного отвода изменения геологической среды минимальны.

Ключевые слова: Урал, медноколчеданные месторождения, геологическая среда, поверхностные и подземные воды, тяжелые металлы.

Особенности воздействия горнодобывающей промышленности на геологическую среду сводятся к активному изменению ее компонентов, в частности природную к загрязнению поверхностных и подземных вод. Важнейшее значение при этом для Уральского региона имеет исследование воздействия подобных процессов при разработке медноколчеданных месторождений, содержащих в составе руд значительное количество различных по степени экологической опасности химических элементов, в том числе тяжелых металлов [8, 10, 12].

Уральский регион как район добычи медных руд известен с XVII в., когда началась разработка медистых песчаников, а затем зон окисления скарновых месторождений. Впоследствии разрабатывались медноколчеданные месторож-

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0-98-106

дения, а в последние годы началась добыча руд меднопорфировых и техногенных месторождений.

В процессе добычи медных руд происходила вначале незначительная, а затем все более интенсивная трансформация геологической среды, обусловленная интенсивным вовлечением в добычу значительного объема руд, содержащих все большее количество токсичных химических элементов [6, 7]. Основная рудная минерализация месторождений представлена сульфидами, интенсивно окисляющимися при вскрытии месторождения и в отвалах. В пределах Уральского региона подобные объекты имеют уже длительную историю промышленного освоения в различных климатических и горно-геологических условиях, большое разнообразие геохимических процессов, сопровождающих их освоение и опреде-

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2018. № 6. С. 98-106. © А.Б. Макаров, О.М. Гуман, И.А. Антонова, А.В. Захаров. 2018.

Рис. 1. Месторождения меди Уральского региона

ляющих экологическое состояние значительных территорий промышленных районов. Основы исследования процессов техногенеза на подобных объектах на примере колчеданных месторождений Среднего Урала были заложены Э.Ф. Ем-линым [3, 4, 5].

В настоящее время разрабатывается значительное количество меднокол-чеданных месторождений, расположенных на Северном, Среднем и Южном Урале (рис. 1). Добыча медноколчедан-ных руд происходит в различных физико-географических зонах, различных климатических условиях, преимущественно открытым способом. При этом протекают различные процессы техногенеза, являющегося в пределах Урала одним из современных геологических процессов, при этом наиболее масштабно эти процессы проявляются при добыче мед-ноколчеданных руд. Как правило, этими процессами формируются самые молодые геологические образования, сосредотачивающиеся в пределах отвалов и хвостохранилищ, формирующие новый, техногенный тип месторождений [1, 2].

В последние годы в разработку включен ряд новых месторождений этого типа: Тарньерское, Шемурское, Султа-новское, Юбилейное и др. Освоение этих месторождений сопровождает планомерное изучение трансформации геологической среды и геоэкологических условий территории в рамках локального экологического мониторинга компонентов природной окружающей среды, а также мониторинга месторождений твердых полезных ископаемых [11]. В процессе этих исследований авторы принимали непосредственное участие, начиная от исследований фонового состояния природной среды (фоновый мониторинг), до завершающих стадий мониторинга при разработке проектов рекультивации.

Поведение халькофильных элементов в процессе разработки медноколчедан-

ных месторождений ранее было рассмотрено Э.Ф. Емлиным [3], которым показано, что процессы техногенеза протекают в рамках природно-технических систем в два последовательных этапа: прогрессивный (стадия разработки месторождений) и регрессивный, на каждом из них происходят разнообразные геохимические процессы, в том числе и миграция элементов. Авторами ранее вопросы геоэкологического состояния природной среды подобных объектов рассматривались преимущественно на примерах медноколчеданных месторождений Южного Урала [2]. Установлено, что процессы техногенеза оказывают активное воздействие на ресурсы и компоненты природной окружающей среды, что определило необходимость проведения мониторинговых исследований, которые в обязательном порядке проводятся в настоящее время в пределах разрабатываемых месторождений полезных ископаемых [11]. Одним из таких объектов является Тарньерское медно-цинковое месторождение на Северном Урале, в пределах которого изучение геоэкологического состояния среды проводилось как на предпроектной стадии, так и в последующие годы.

Исследования ранней стадии для определения фонового состояния природной окружающей среды выполнялись на основе требований [9, 11] в 2002 г., последующие работы в 2012 г. За это время был сформирован карьер, площадью около 25 га, глубиной 170 м. Вблизи карьера размещены отвалы скальных и полускальных пород, рыхлых и слабоминерализованных пород, т.е. сформирована геотехническая система карьер-отвал. На территории горного отвода размещены дробильно-перегрузочный и дробильно-сортировочный комплексы, очистные сооружения карьерных и под-отвальных вод, временные очистные сооружения, дизельно-электрическая стан-

ция РУ-0,4 кВ. Севернее карьера на расстоянии более 500 м за его санитарно-защитной зоной расположен вахтовый поселок, на расстоянии 800 м за водоразделом — скважина хозяйственно-питьевого водоснабжения поселка. Сброс хозяйственно-бытовых стоков осуществляется в Тарньерское болото, а выпуск с очистных сооружений — в болото Южное.

Исследование природных ландшафтов территории в пределах горного отвода показало, что они полностью заменены техногенными. Для Тарньерского месторождения были характерны открытые геохимические ореолы, на уровне надрудных зон, представленные Pb, Ag, Ba, Mo и Со. Все эти типоморфные элементы естественно накапливаются в профиле почв участка, сохраняются в

течение периода отработки месторождения, но меняются поля их распространения.

При проведении инженерно-экологических исследований территории Тарньерского месторождения на начальной стадии максимальные значения коэффициента суммарного химического загрязнения составляли 28,03, и были приурочены непосредственно к участкам рудных тел. Сравнение полученных значений Zc с фоновыми показывает, что экологическое состояние почв и грунтов в целом не изменилось (рис. 2).

Естественное экологическое состояние почв в целом является удовлетворительным, существуют лишь единичные аномальные повышенные содержания тяжелых металлов, обусловленные, ве-

Рис. 2. Распределение суммарного показателя химического загрязнения Zc в пределах территории Тарньерского месторождения

Fig. 2. Distribution of total chemical pollution index Zc within the area of the Tarnier deposit

роятно, как наличием медно-цинкового месторождения, так и незначительным загрязнением территории вблизи технологических объектов. В целом для территории месторождения характерны значения Zc, соответствующие преимущественно допустимой категории загрязнения почв £с < 16) и удовлетворительному экологическому состоянию территории. Максимальные значения выявлены вблизи отвалов слабоминерализованных пород ^с = 21,9 — 23,6) и приурочены к техногенным грунтам.

Несколько иные закономерности трансформации геологической среды наблюдаются в пределах Султановского медноколчеданного месторождения на восточном склоне Южного Урала, имеющего мощный (десятки метров) покровный чехол, сложенный осадочными породами мезо-кайнозоя. Почвы до отработки и после отработки месторождения имели низкие значения Zc, соответствующие преимущественно допустимой категории загрязнения почв ^с < 16) и удовлетворительному экологическому состоянию территории; типоморфные для месторождения элементы, такие как медь и цинк, выявлены только в породах отвала забалансовых руд.

Значительные различия для Тарныр-ского и Султановского месторождений отмечаются в составе поверхностных и подземных вод.

Химический состав поверхностных вод Тарньерского месторождения определяется ландшафтными, геологическими и геохимическими условиями района. До начала отработки Тарньерского месторождения химический состав поверхностных вод ближайшего руч. Мун-дыр был гидрокарбонатный кальциево-магниевый с минерализацией 0,14 г/л, рН 7,40. Содержание органических веществ составляет 16,3 мг/л, величина окисляемости 4,80 мгО2/л. Отмечаются высокие концентрации ионов аммо-

ния — 5,0 мг/л (10 ПДК рыб-хоз), нитрит-ионов — 0,12 мг/л (1,5 ПДК рыб-хоз), связанные с высокой заболоченностью бассейна реки и разгрузкой вод болотных отложений. Содержание меди в водах р. Мундыр составляет 0,027 мг/л, цинка 0,033 мг/л (3,3 ПДКрыб-хоз), железа — 1,18 мг/л (11,8 ПДК).

В зоне влияния рудника происходит трансформация состава поверхностных вод и болотных экосистем на локальных участках, за пределами зоны воздействия показатели состава поверхностных вод достигают фоновых уровней. Можно уверенно говорить об образовании трудно растворимых (нерастворимых) осадков при взаимодействии гуминовых и фракции фульвокислот с ионами Fe, А1, Си и некоторыми другими металлами. Содержание гуминовых кислот определяет емкость поглощения торфа, которая для верховых и переходных торфов составляет 100—150, а для низинных 150—230 мг-экв на 100 г сухого вещества. Эксперимент по биотестированию изменения токсичности Cd, Си, N и Zn при добавлении торфяной вытяжки показал снижение острого токсического действия концентраций в растворах исследуемых металлов для Си, Cd — в 100 раз; для Zn — 10 раз, N — 5 раз (при 96 час. экспозиции) по сравнению с контролем. Использование ассимиляционной емкости болот позволяет иметь запас для предприятия в сбросе сточных вод как в количественном отношении, так и по качеству.

Подотвальные воды являются самыми специфичными среди стоков горнодобывающего комплекса: минерализация их нередко превышает минерализацию рудничных вод. Они характеризуются высокими коэффициентами водной миграции типоморфных элементов, в химическом составе часто некоторые из микрокомпонентов становятся макрокомпонентами, что приводит к образо-

ванию высокоминерализованных сульфатных полиметаллических растворов с низкими значениями рН (2,6—2,8), высокими Eh (+345 — +565 мВ), отсутствием гидрокарбонат-иона, поэтому в настоящее время они направляются на очистные сооружения перед последующим сбросом в болото Южное.

В ходе инженерно-экологических исследований подотвальные воды отобраны в канаве для сбора подотвальных вод с южной стороны отвала слабоминерализованных пород перед их поступлением на очистные сооружения.

Они характеризуются хлоридно-суль-фатным кальциево-желез исто-магниевым составом, воды соленые при минерализации (по сухому остатку) 7,48 г/л, кислые (рН — 2,30) содержание органических веществ 930,0 мг/л, окисляе-мость > 200 мгО2/л, с высоким содержанием кальция — 659,7 мг/л, магния — 401,5 мг/л, хлоридов — 750,0 мг/л, сульфатов — 4608,7 мг/л, соединений азотной группы (аммония — 71,9 мг/л, нитратов — 437,7 мг/л), тяжелых металлов: Fe общ — 615,0 мг/л, Mn — 140,2 мг/л, Al — 238,3 мг/л, Cu — 1100 мг/л, Zn —

Рис. 3. Изменение состава вод Султановского карьера с глубиной Fig. 3. Variation in water composition with depth at the Sultan open pit mine

606,5 мг/л, Cd — 10,9 мг/л, N — 1,96 мг/л. Присутствие в подотвальных водах значительного количества сульфатов меди, цинка и свинца обусловлено процессами окисления сульфидных минералов пиритных и халькопиритовых руд, попадающих в отвал.

Состав подземных вод сульфатный, что объясняется их распространением в зоне окисления сульфидного месторождения, при вскрытии рудных зон рН воды падает. Воды отличаются высокими концентрациями железа, марганца, алюминия, меди. Аналогичная ситуация наблюдалась и на отвалах Султановско-го месторождения.

Поверхностные воды в карьере Сул-тановского месторождения отличались тем, что основную роль в формировании карьерного озера играют слабощелочные подземные воды палеоген-мелового водоносного горизонта, поэтому они не содержат в своем составе значительных концентраций токсичных компонентов. Заполненный карьер без дополнительной очистки может рассматриваться как водоем селитебных зон. Изменение химического состава карьерных вод на Султановском месторождении показано на рис. 3. Очевидно, что по мере заполнения карьера состав воды будет соответствовать к водам палеогенового водоносного горизонта.

Таким образом, поверхностные воды, формирующиеся при просачивании атмосферных осадков через отвалы, в карьерах, где отсутствует покровный чехол и происходит окисление подземных вод при выходе их на поверхность изменяют свой состав. На подобных объектах ме-

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

роприятия по охране поверхностных вод должны быть обязательными.

При проведении геоэкологических исследований в 2003 г. установлено, что на участке месторождения преобладают сульфатно-гидрокарбонатные и сульфатные магниевые и кальциево-магниевые воды, значение минерализации колеблется в пределах от 0,1 до 0,23 г/л, воды от нейтральных до кислых при рН 3,3— 7,3. В воде отмечены высокие концентрации ионов аммония ^Н4), достигающие 12,5 мг/л (6,2 ПДК). Повсеместно в районе месторождения в подземных водах были отмечены высокие концентрации железа (до 42 ПДК), марганца (до 8,5 ПДК), алюминия (до 25,2 ПДК), меди (до 3,79 ПДК).

Очевидно, что в процессе отработки месторождения будут создаваться условия интенсивного окисления сульфидов и формирования кислых подземных вод. Эта закономерность характерна только для месторождений с отсутствием покровного яруса из осадочных пород.

Ретроспективный анализ геоэкологического состояния геологической среды разрабатываемых медно-цинковых месторождений показывает минимальные изменения ее компонентов за пределами горного отвода. Это обусловлено полным выполнением проектных решений и строгим соблюдением природоохранных требований.

В то же время, для месторождений, находящихся в различных геологических условиях происходят различные изменения состава поверхностных и подземных вод, что определяется наличием или отсутствием покровных отложений.

1. Гуман О. М., Макаров А. Б., Антонова И. А. Геоэкологическая оценка состояния ПТС месторождений меди Урала. — Lap Lambert Academic Publishing. 2014. — 53 с.

2. Гуман О. М., Колосницина О. А., Макаров А. Б., Антонова И. А. Геоэкологическая оценка природно-технологических систем на регрессивной стадии техногенеза (на примере месторождения Яман-Касы) // Вестник Оренбургского государственного университета. — 2013. — № 6. — С. 99—102.

3. Емлин Э. Ф. Техногенез колчеданных месторождений Урала. — Свердловск: Изд-во УрГУ, 1991. — 256 с.

4. Емлин Э. Ф. Техногенез — новейший этап геологической истории рудных месторождений Урала // Известия вузов. Горный журнал. — 1993. — № 5. — С. 42—46.

5. Емлин Э. Ф., Рылова Л. П. Геохимическая миграция цинка и кадмия при промышленном освоении колчеданных месторождений. — Свердловск, 1986. — 63 с.

6. Макаров А. Б., Антонова И. А., Хасанова Г. Г. Тяжелые металлы в компонентах техногенных водоемов Уральского региона // Вестник Уральского отделения Российского минералогического общества. — 2017. — № 14. — С. 81—86.

7. Масленников В. В., Мелекесцева И. Ю., Масленникова С. П. и др. Дифференциация токсичных элементов в условиях литогенеза и техногенеза колчеданных месторождений. — Екатеринбург: РИО УрО РАН, 2016. — 368 с.

8. Масленников В. В., Аюпова Н. Р., Масленникова С. П. и др. Токсичные элементы в кол-чеданообразующих системах. — Екатеринбург: РИО УрО РАН, 2014. — 340 с.

9. СП 11-102-97. Инженерно-экологические изыскания для строительства.

10. Табаксблат А.С. Состав техногенных дренажных вод рудных месторождений // Известия вузов. Геология и разведка. — 2004. — № 4. — С. 43—48.

11. Требования к мониторингу месторождений полезных ископаемых. Утверждены первым заместителем МПР РФ 04.08.2000 г. — М., 2000. — 31 с.

12. Удачин В. Н., Аминов П. Г., Филиппова К. А. Геохимия горно-промышленного техногенеза Южного Урала. — Екатеринбург: УрО РАН, 2014. — 252 с. [ГШ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Гуман Ольга Михайловна1 — доктор геолого-минералогических наук, профессор, e-mail: Guman2007@mail.ru,

Макаров Анатолий Борисович1 — доктор геолого-минералогических наук, профессор, e-mail: Guman2007@mail.ru,

Антонова Ирина Александровна1 — кандидат геолого-минералогических наук, доцент, e-mail: dolinina_ira@mail.ru,

Захаров Андрей Владимирович1 — кандидат геолого-минералогических наук, доцент-совместитель, e-mail: a.v.zaharov2010@mail.ru, 1 Уральский государственный горный университет.

ISSN 0236-1493. Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2018. No. 6, pp. 98-106. Transformation of geological environment in copper pyrite mining in the Urals

Guman O.M.1, Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Professor, e-mail: Guman2007@mail.ru,

MakarovA.B.1, Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Professor, e-mail: Guman2007@mail.ru,

Antonova I.A.1, Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Assistant Professor, e-mail: dolinina_ira@mail.ru,

Zaharov A.V1, Candidate of Geological and Mineralogical Sciences, Assistant Professor, Part-Time Worker (works in the state certifying commission as an external reviewer), e-mail: Gul_geol@mail.ru,

1 Ural State Mining University, 620144, Ekaterinburg, Russia.

Abstract. Development of copper pyrite deposits in the Urals has recently resulted in the transformation of the regional geological environment. It is now required to estimate the alteration of all components of the geological environment, and ecological monitoring of these objects is carried out with this end in view. In terms of the Tarnier deposit, North Urals, and Sultan deposit, South Urals, the details of the alterations under different climate and geology conditions are described. The active interaction between the nature and technology components in the period of technogenesis has brought about mild contamination of soil with heavy metals. The article shows that copper pyrite mining under different natural conditions

has different impact on the transformation of surface and ground water: the ground water composition at the Sultan deposit is altered lesser as the deposit is overlaid with the Mesozoic-Cenozoic formations. Beyond the mining lease boundaries, the geological environment has undergone minor changes.

Key words: Urals, copper pyrite deposits, geological environment, surface and ground water, heavy metals.

DOI: 10.25018/0236-1493-2018-6-0-98-106

REFERENCES

1. Guman O. M., Makarov A. B., Antonova I. A. Geoekologicheskaya otsenka sostoyaniya PTS mestorozh-deniy medi Urala [Geoecological evaluation of the nature-and-technology environment at copper deposits in the Ural region]. Lap Lambert Academic Publishing. 2014, 53 p.

2. Guman O. M., Kolosnitsina O. A., Makarov A. B., Antonova I. A. Geoekologicheskaya otsenka prirodno-tekhnologicheskikh sistem na regressivnoy stadii tekhnogeneza (na primere mestorozhdeniya Yaman-Kasy) [Geoecological evaluation of the nature-and-technology systems at the stage of recession in technogenesis (in terms of the Yaman-Kasy deposit)]. Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta. 2013, no 6, pp. 99-102.

3. Emlin E. F. Tekhnogenez kolchedannykh mestorozhdeniy Urala [Technogenesis of pyrite deposits in the Urals]. Sverdlovsk, Izd-vo UrGU, 1991, 256 p.

4. Emlin E. F. Tekhnogenez — noveyshiy etap geologicheskoy istorii rudnykh mestorozhdeniy Urala [Technogenesis as the contemporary stage in the geological history of metallic deposits in the Urals]. Izvestiya vuzov. Gornyy zhurnal. 1993, no 5, pp. 42—46. [In Russ].

5. Emlin E. F., Rylova L. P. Geokhimicheskaya migratsiya tsinka i kadmiya pri promyshlennom osvoenii kolchedannykh mestorozhdeniy [Geochemical migration of zinc and cadmium during commercial development of pyrite deposits], Sverdlovsk, 1986, 63 p.

6. Makarov A. B., Antonova I. A., Khasanova G. G. Tyazhelye metally v komponentakh tekhnogennykh vo-doemov Ural'skogo regiona [Heavy metals in components of man-made process water bodies in the Ural regions]. Vestnik Ural'skogo otdeleniya Rossiyskogo mineralogicheskogo obshchestva. 2017, no 14, pp. 81—86.

7. Maslennikov V. V., Melekestseva I. Yu., Maslennikova S. P. Differentsiatsiya toksichnykh elementov v usloviyakh litogeneza i tekhnogeneza kolchedannykh mestorozhdeniy [Differentiation of toxic elements in the conditions of lithogenesis and technogenesis of pyrite deposits], Ekaterinburg, RIO UrO RAN, 2016, 368 p.

8. Maslennikov V. V., Ayupova N. R., Maslennikova S. P. Toksichnye elementy v kolchedanoobrazuyush-chikh sistemakh [Toxic elements in pyrite-forming systems], Ekaterinburg, RIO UrO RAN, 2014, 340 p.

9. Inzhenerno-ekologicheskie izyskaniya dlya stroitel'stva. SP11-102-97 [Engineering environmental site investigations for construction. Set of rules 11-102-97].

10. Tabaksblat A. S. Sostav tekhnogennykh drenazhnykh vod rudnykh mestorozhdeniy [Composition of process drain water at metallic deposits]. Izvestiya vuzov. Geologiya i razvedka. 2004, no 4, pp. 43—48. [In Russ].

11. Trebovaniya k monitoringu mestorozhdeniy poleznykh iskopaemykh. Utverzhdeny 04.08.2000 g. [Mineral deposit monitoring requirements. Approved 04.08.2000], Moscow, 2000, 31 p.

12. Udachin V. N., Aminov P. G., Filippova K. A. Geokhimiya gorno-promyshlennogo tekhnogeneza Yuzh-nogo Urala [Geochemistry in the mining industry technogenesis in the South Urals], Ekaterinburg, UrO RAN, 2014, 252 p.

На Первой международной выставке-форуме «ГОРПРОМЭКСПО-2018»