Инженерно-геономическое картирование радиационно-гидрохимических аномалий и георисков от отходов горного производства в Кыргызстане

УДК 614.8

Инженерно-геономическое картирование радиационно-гидрохимических аномалий и георисков от отходов горного производства в Кыргызстане

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2013

Ш.Э. Усупаев Аннотация

В данной статье рассматриваются основные принципы инженерно-геономического картирования радиационно-гидрохимических аномалий и георисков.

Ключевые слова: геономия; инженерно-геономическая карта оценки и прогноза георисков.

Engineering Geonomic Mapping Radiation Hydrochemical Anomalies and Geohazards of Mining Waste in Kyrgyzstan

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2013

Sh. Usupaev

Abstract

This article discusses the basic principles of engineering and mapping geonomic radiation hydrochemical anomalies and geohazards.

Key words: geonomy; engineering geonomic map geohazard assessment and prediction.

В Кыргызской Республике насчитывается несколько тысяч месторождений полезных ископаемых и проявлений руд, из которых около 200 имеют промышленное значение. Районы добычи полезных ископаемых, как правило, сопровождаются индуцированной деятельностью человека, различными георисками природного, техногенного и экологического характера.

В работе использованы разрозненные по тематикам карты распределения: радиоактивных и токсичных хвостохранилищ, дозовой нагрузки естественного гамма-излучения, гидрохимических аномалий, сейсмического риска, селевой и оползневой опасно-

стей, интегрального картографирования и комплексного изучения которых ранее не проводилось [1—4].

Гидрогеологические и гидрологические условия районов размещения отходов горного производства характеризуются достаточно высокой степенью обводненности и значительными значениями модулей подземного и поверхностного стока.

По инженерно-геологическим особенностям в районах расположения отходов горного производства выделяются классы грунтов: рыхлые (связные и несвязные), которые представлены четвертичными отложениями, обладающими достаточно высокими свойствами водопроницаемости.

Исследования указывают, что естественные элементы с атомным номером выше 83 (Ш), относятся к радиоактивным.

Естественные источники радиоактивного загрязнения в основном связаны с выходом на поверхность земли урановых руд и горных пород, имеющих повышенную природную радиоактивность (граниты, гра-нодиориты, пегматиты).

Исследуемая на участках размещения отходов горного производства окружающая среда представлена двумя фазами: собственно водной фазой и твердой фазой. Твердая фаза в водной среде состоит из донных отложений и взвешенных частиц. Радиоактивные элементы имеют способность адсорбироваться взвешенными веществами, находящимися в воде, которые, оседая, вызывают радиоактивное загрязнение донных отложений.

Вертикальная миграция долгоживущих радионуклидов. Первое время после попадания на поверхность земли радионуклиды концентрируются в верхних горизонтах (0—20 см) и со временем включаются в миграционные процессы. Увеличение содержания радионуклидов в верхней части почвенного профиля наблюдается в почвах с хорошо выраженной подстилкой и дерниной. При этом их основное количество сосредоточено в тонкой гумусированной прослойке. В песчаных, суглинистых, черноземно-луго-вых, черноземных почвах наблюдается некоторое увеличение содержания радионуклидов в верхней части горизонта.

Горизонтальная миграция радионуклидов. Процесс горизонтального перераспределения радионуклидов можно разбить на две условные стадии. В течение первых двух лет преобладает ветровая миграция радиоактивных веществ, а в последующем — миграция с талыми водами и водным стоком. Значительной миграции способствуют ветры скоростью 10—12 м/сек.

Радиоактивная пыль также поднимается восходящими потоками воздуха на большую высоту и переносится на значительные расстояния.

Преимущественное значение в перераспределении загрязняющих химических элементов имеет поверхностный водный сток.

За многолетний период времени создания и эксплуатации хвостохранилищ геориски, вызванные землетрясениями, селевыми потоками, оползнями приводили к следующим экологическим ЧС.

1. 9—14.12.1958 г. была разрушена дамба хво-стохранилища №7 вследствие землетрясения с одновременным выпадением ливневых осадков. При этом по р. Майлуу-Суу был выброшен на протяжении более 40 км радиоактивный селевой поток объемом 600 тыс. м3 на территорию Кыргызстана и далее в Узбекистан.

2. 15.04.1964 г. в результате 5-балльного землетрясения была разрушена дамба Актюзского радио-

активного хвостохранилища № 2. Из Кыргызстана в Казахстан по р. Кичи-Кемин были вынесены прорывными потоками по руслу реки и арычной ирригационной сети около 680 тыс. м3 торийсодержащего песка и ила.

3. В 1959 г. произошла разгерметизация дамбы радиоактивного хвостохранилища в районе г. Кара-Балта в результате водной эрозии. Радиоактивные вещества попали в ирригационные сети и орошаемые поля.

В работе приводится следующее обоснование ин-женерно-геономического (мультидисциплинарного) картирования георисков.

Геономия как наука о Земле была введена Круть И.В. в 1973 г. в качестве основы общей теории Земли (ОТЗ). Позднее Белоусов В.В. в 1975 г. объединил геодинамику, геофизику и геохимию и включил их в геономию.

Затем в нее были включены инженерная геология с аспектами охраны окружающей геологической среды академиком Сергеевым Е.М. (1973—1987 гг.), геоэкология — Осиповым В.И. (1997 г.) и Трофимовым В.Т. (1997—2000 гг.) с обоснованием экологических функций литосферы.

Указанные исследования были позднее развиты и дополнены Усупаевым Ш.Э. (1986—2012 гг.)с введением нового названия этой мультидисциплинарной науки — «инженерная геономия» (ИГН).

В методическом отношении разработанная и адаптированная для интегрального картирования ра-диационно-гидрохимических аномалий и отходов горного производств ИГН-шкала состоит из генетически взаимоувязанных между собой трех категорий уязвимости (КУ), шести степеней риска (СР) и двенадцати уровней опасности (УО).

КУ расположены в ИГН-шкале по уменьшению георисков в следующей последовательности: Бедствия — Кризисы — Дискомфорты.

По иерархической зависимости КУ имеет наиболее высокий ранг при оценке и прогнозе георисков и указывает на местоположение и масштаб источника опасностей. При этом до 60 % объема информативности отдается координатам и величине зоны георисков. До 40 % информационного поля указывает на интенсивность (силу, энергию) и время ожидаемого проявления опасностей.

Каждая из трех КУ делится на две части по степени риска (СР). Степень риска на 60 % по информативности указывает интенсивность (силу) опасности, а на 40 % информирует о масштабе катастрофы.

Уровень опасности (УО) является третьей по иерархии составной частью ИГН-шкалы оценки и прогноза георисков. Каждая из выделенных категорий уязвимости состоит из двух степеней риска и соответственно четырех уровней опасностей.

При этом уровень опасности на 60 % информационного поля показывает ожидаемое время катастро-

фы, а на 40 % содержит информацию о категории уязвимости.

ИГН-шкала позволяет на карте по принципу светофора (в направлении уменьшения геориска — красный — желтый — зеленый)закрашивать для оперативного реагирования и принятия практических действий и мер на ЧС.

На разработанной ИГН-карте оценки и прогноза георисков различными цветами показаны районы с суммарным загрязнением опасными веществами, превышающим(в число раз) ПДК: 1 > до 2 раз, 2 > 2—Зраза, 3 >3—5раз, 4 >5—8 раз, 5 >8—13 раз, 6 >11—15 раз, 7 >15—20 раз, 8 >20—30 раз, 9 >30— 50 раз, 10 >50—80 раз, 11 >80—110 раз, 12 >110— 150 раз, 13 >150—300 раз, 14 >300 раз.

На ИГН-карте штрихами показаны области с прогнозируемыми георискам от гидрогеохимических аномалий в уменьшающемся порядке: 15 — Нарын-ская, 16 — Иссык-Кульская, 17 — Чуйская, 18 — Ошская, 19 — Жалал-Абадская, 20 — Баткенская, 21 — Таласская, 22 — региональные глубинные разломы, 23а — границы водоразделов бассейнов стока рек, 23б — границы административных областей, 24 — меридиональные скрытые рудо-концентрирующие сейсмоактивные системы нарушений.

На ИГН-карте объединены из разных тематических карт 56 участков распределения гидрогеохимических аномалий, 29 участков годовой дозы радиации, 50 участков осваиваемых и потенциально перспективных месторождений, где ожидаются отходы горного производства, 17 пунктов размещения законсервированных и действующих радиоактивных и токсичных хвостохранилищ и горных отвалов с указанием возможных выносов комплекса загрязнителей по руслам рек.

На ИГН-карте оценки и прогноза георисков на территории Кыргызстана представлены шесть (6) оринтированных с севера на юг структур с шириной зон (в км) с запада на восток: I — более 80 км, II — 100, III — 50, IV — 77,У — 41, VI — 83 км (см. рис.).

Первая зона нарушений имеет ширину более 80 км и выражена на КФС следующими геологическими аномалиями: повышенной сейсмичностью, развитием узлов пересечения разломов, эпицентрами глубокофокусных землетрясений, линеамента-ми, коленообразными изгибамим речных долин, что свидетельствует о значительной глубине заложения скрытой системы нарушений. Хвостохрани-лища и горные отвалы Сумсар, Шекафтар, Хайдар-кан, Кадамжай расположены в пределах влияния описанной выше меридианальной сквозной зоны (см. рис.).

Вторая зона меридианальных сквозных нарушений имеет ширину 100 км и характеризуется повышенной сейсмичностью. Она наиболее выдержана и прослеживается от Гималаев. Здесь с востока на запад происходит смена юрских, меловых и палеогено-

вых отложений. Зона насыщена магматическими образованиями и выходами гипербазитов. Здесь наблюдается погружение осей складок, проявлены эпицентры глубокофокусных землетрясений, что свидетельствует о значительной глубине ее заложения. В сфере влияния данной сквозной меридиональной зоны находятся хвостохранилища в районе городов Майлу-Суу, Кан и Советское.

Третья система нарушений имет ширину 50 км и характеризуется выходами сиенитов, узлами пересечения разломов и повышенной сейсмичностью. В области ее влияния расположены хвостохранилища Кара-Балта, Казарман, а на восточной ее границе — радиоактивные отходы в районе п.г.т. Минкуш.

Зона меридианальная четвертая имеет ширину 77 км. В ней находятся узлы пересечения разломов, повышена сейсмичность, приурочены эпицентры глубокофокусных землетрясений.В сферуее влияния подпадают хвостохранилища радиоактивные Ак-Тюза, Боорду и Кашка.

Пятая зона меридианальных нарушенийимеет ширину 41 км. и проявляется слабее, чем остальные зоны. Характеризуется эрозионно-тектоническими уступами, линеаменты выражены в виде непротяженных прямолинейных отрезков долин, здесь происходит разворот меридионально герцинских складчатых структур. Западнее области ее влияния находится хвостохранилище Каджи-Сая, а восточнее — цианидосодержащее хвостохранилище Кумтора (см. рис.).

Зона шестая меридинальных сквозных дислокаций имеет ширину 83 км.Здесь имеются выходы щелочных интрузивов, наблюдается множество фрагментарных линеаментов и узлов пересечения разломов. В восточной ее части находятся отходы месторождения Атжайляу.

Указанные шесть зон нарушений, по исследованиям автора, коррелируют с составленными в Институте сейсмологии НАН КР Мамыровым Э., Омура-лиевым М. (1994—2012 гг.) на картах долго- и среднесрочного прогноза вероятной сейсмической опасности районами ожидаемых землетрясений (РОЗ) для территории Кыргызстана.

Отходы горного производства также закономерно расположены в зоне влияния субширотно простирающихся региональных глубинных разломов: линии Николаева — хвостохранилища Кумтор, Мин-Куш и Макмал, Северо Тянь-Шаньского — Ак-Тюз, Орлов-ка (Боорду), Кашка и Кара-Балта, Транс-Иссык-Кульского — Каджи-Сай, Восточно-Ферганского и Карасуйско-Арсланбобского — Майлуу-Суу,Атбаши Иныльчекского — Атжайляу, Ат-Ойнокского — Сум-сар и Шекафтар.

На ИГН-карте выделены опасные для человека по дозовым нагрузкам районы естественного гамма-излучения. Черный цвет показывает 1а-районы, где до-зовые нагрузки естественного гамма-излучения со-

Рис. Инженерно-геономическая карта оценки и прогноза георисков

ставляют 4—5 и более мЗв/год, а серым — 1б — выделены районы, относящиеся к условно опасным (2—3 мЗв/год).

На рассматриваемой ИГН-карте выделены различными (от темного к светлому) оттенками серого три категории уязвимости (КУ): наиболее уязвимые, менее уязвимые и наименее уязвимые к георискам территории.

Наиболее подверженным георискам является бассейн реки Чу (12-р. Чу), затем 13-р. Нарын в ее верхнем и среднем течении, 14- бессточный бассейн озера Иссык-Куль, 15-реки северного склона Алайского хребта, 16-реки юго-западного склона Ферганского хребта, р. Талас и р. Тарим, 17-р. Аму-Дарьи.

В результате ИГН-исследований рассматриваемые 16 районов с отходами горного производства по мере уменьшения георисков расположились в следующей последовательности: 1. Майлуу-Суу, 2. Мин-Куш, 3. Ак-Тюз, 4. Орловка и Кашка, 5. Каджи-Сай, 6. Кутесай и Калесай, 7. Туя-Моюн, 8. Терек-Сай, 9. Кумтор, 10. Сумсар и Шекафтар, 11. Кара-Балта, 12. Атжайляу, 13. Улу-Тоо, 14. Хайдаркан, 15. Мак-мал, 16. Кан.

Сравнительный анализ представленных на ИГН-карте (см. рис.) меридианальных сквозных сейсмоактивных зон нарушений, с долгосрочной картой районов ожидаемых землетрясений (РОЗ) составленной в Институте сейсмологии НАН КР Мамыровым Э.,

Омуралиевым М. (1994 ), показал, что из 62 РОЗ до 70 % входят составной частью в шесть зон меридиа-нального направления.

Как видно из ИГН-шкалы по горизонтали приведены для оценки георисков различные тематические и аналитические характеристики: землетрясения (интенсивность,энергетический класс, скорости колебаний грунтов), класс опасности токсичных загрязнений, дозовые нагрузки гамма-излучения, ги-дрогеохимимческие загрязнения, коэффициент устойчивости дамб хвостохранилищ.

Предлагаются также новые активные меры борьбы с опасными отходами горного производства, которые заключаются в рациональном сочетании передовых технологий вторичного извлечения полезных компонентов из хвостохранилищ и отвалов горных пород и безотходной дальнейшей технической мелиорации грунтов.

По данным специалистов Карабалтинского горнорудного комбината принципиально необходимо добиться извлечения урана и тяжелых металлов до уровня его природных кларков.

Объем отходов горно-рудных предприятий, расположенных на территории Кыргызстана, составляет не менее 430 млн м3, т. е. около 500 млн т [5].

В техногенных месторождениях геологические запасы благородных, цветных и редких металлов, содержащиеся в хвостохранилищах, составляют сотни

тысяч тонн. По предварительным расчетам в отходах горно-рудного производства накоплены следующие полезные компоненты: золота — 41,7 т; серебра — 84 т; цинка — 66 тыс. т; сурьмы — 55 тыс. т; свинца

— 36 тыс. т; флюорита — 33 тыс. т; бария — 23 тыс. т; ртути — 12 тыс. т; вольфрама — 11 тыс. т; меди — 6,2 тыс. т; редкоземельные элементы — 1,2 тыс. т; теллура — 350 т; кадмия — 189 т .

В отвалах бедных и некондиционных руд и огарков содержатся полезные компоненты: флюорита — 72 тыс. т; сурьмы — 4,2 тыс. т; свинца — 2,0 тыс. т; молибдена — 122 т; ртути — 82 т; окиси бериллия

— 28 т и других компонентов (пирит, мышьяк, сера).

К первой группе способов получения искусственных грунтов относятся:

1. Методы разубоживания радиоактивных и токсичных отходов нейтрализующими грунтами, гасящими риски (каменная соль, известь, биогенные и глинистые грунты и т. д.) до безопасной дозовой нагрузки гамма-излучения.

2. Способ силикатизации и вплавления отходов с грунтами с заданной вредной для здоровья нагрузкой гамма-излучения.

3. Способ предельно сверхтонкого измельчения горных отходов за счет высокой энергии электронов в реакторах диспергации грунтов, для извлечения полезных компонентов и последующего получения строительных изделий и брикетов с заданными свойствами.

Вторая группа способов получения искусственных грунтов связана с вторичным извлечением полезных компонентов из отходов и последующего их преобразования по выше приведенным методам:

1. Способ многократного замкнутого цикла вымывания высокоочищенной дистиллированной водой и мало- или безотходного извлечения полезных компонентов.

2. Метод циклического вымораживания воды с концентратом извлеченных полезных компонентов из раствора.

Третья группа методов снижения георисков связана с консервацией и сжиганием опасных ингредиентов:

1. Способ сжигания отсепарированных опасных веществ отходов в низкотемпературной плазме.

2. Метод консервации технологически не извлекаемых опасных компонентов в безопасные саркофаги.

При учете всех положительных эффектов (технологический, медицинский, социальный, экологический, экономический, политический) предлагаемые

способы получения искусственных грунтов с заданными свойствами, в сочетании с мало- или безотходной вторичной переработкой отходов из техногенных месторождений с извлечением урана, тория, редкоземельных и других полезных компонентов в перспективе становятся самоокупаемыми и прибыльными.

Выводы

1. Выявлены инженерно-геономические особенности воздействия гидрогеологических, гидрогеохимических, инженерно-геологических и сейсмологических условий на формирование георисков и картографически оценены по административным областям и бассейнам стока рек уязвимости, риски и опасности от них для территории Кыргызстана и трансграничных районов с государствами Центральной Азии.

2. Впервые составлена ИГН-карта оценки и прогноза георисков от радиоактивных и гидрохимических аномалий и отходов горного производства для территории Кыргызстана.

3. Разработана принципиальная схема возможности получения из отходов горного производства искусственных грунтов с заданными свойствами, в сочетании с вторичным мало- или безотходным извлечением полезных компонентов из техногенных месторождений Кыргызстана.

Литература

1. Государственный кадастр отходов горной промышленности Кыргызской Республики (хвостохранилища и горные отвалы). [Текст] / Ш.Э. Усупаев, Б.М. Карпачев, С.В. Менг, Атыкенова Э.Э. и др. Бишкек, 2006. 290 с.

2. Единый порядок составления государственного кадастра отходов на территории Кыргызской Республики. Система нормативных документов. [Текст] / Ш.Э. Усупаев, Б.М. Карпачев, С.В. Менг, Атыкенова Э.Э. и др. Бишкек, 2006. 27 с.

3. Усупаев. Ш.Э., Атыкенова Э.Э. Инженерно-геономическое моделирование распределения ядерных и радиационных объектов на планете Земля и ее субчастях в связи с оценкой рисков экологических аварий (аспекты катастрофоведения). VIII Международная конференция «Ядерная и радиационная физика», посвященная 20-летию независимости Республики Казахстан. Алматы, 2011. С. 195—196.

4. Усупаев. Ш.Э., Атыкенова Э.Э. Гидрогеолого-гидрологические аспекты оценки и прогноза геоэкологического загрязнения и радиационного заражения на территории Кыргызстана и трансграничных районах со странами Центральной Азии. Известия Национальной Академии наук Кыргызской Республики. Серия физико-технических, математических, горно-геологических наук. Бишкек, «Илим» 2012 . №3, С.38 - 43.

Сведения об авторе

Усупаев Шейшеналы Эшмамбетович: Центрально-Азиатский институт прикладных исследований Земли (ЦАИ-ИЗ), зав. отд.

720027, Кыргызская Республика, г. Бишкек, ул. Т. Фрунзе, 73/2.

E-mail: sh.usupaev@caiag.kg