Геохимия процессов техно генеза Байкальских железорудных месторождений

Краткое описание

Содержание
Введение 4

1. Состояние проблемы и направления в исследовании геотехнических систем (ГТС) 8

2. Методика работ 14

2.1. Методика полевых и пробоподготовительных работ 14

2.2. Методы определения основных физико-химических показателей и приборы 15

2.3. Экспериментальные исследования 19

3. Бакальская ГТС как объект исследований 21

3.1. Общие сведения 21

3.2. Геологическое строение Бакальского рудного поля 23

4. История развития Бакальской геотехнической системы 30

4.1. Техногенез лимонитовой зоны окисления 30

4.2. Техногенез сидеритовых залежей и сульфидсодержащих вмещающих пород 31

4.3. Структура и ресурсы формирующейся Бакальской ГТС 33

5. Сульфидная минерализация пород как причина образования кислых рудничных вод 40

5.1. Распределение и формы нахождения сульфидной минерализации в породах 40 рудоперекрывающей толщи

5.2. Минеральный и микроэлементный состав сульфидов 43

5.3. Микроэлементный состав пород Бакальского рудного поля 48

6. Гидрогеохимическая структура Бакальской ГТС 51

6.1. Краткая гидрогеологическая характеристика Бакальского рудного поля 51

6.2. Шахтные воды 52

6.3. Карьерные воды 54

6.3.1. Оценка форм нахождения макро- и микрокомпонентов в водах карьерных озер 72 методом термодинамического моделирования

6.4. Подотвальные воды 77

7. Формирование и состав новых минеральных фаз в Бакальской ГТС 98

7.1. Новообразованные сульфаты 98

7.2. Донные отложения карьерных озер 105

7.3. Донные отложения поверхностных водотоков как индикаторы техногенной нагрузки 113 дренируемой площади

7.3.1. Формы нахождения тяжелых металлов в донных осадках поверхностных водотоков 121

Заключение 127

Список литературы 123

Приложения 139
Введение

Введение

Актуальность работы. В результате разработки многочисленных месторождений полезных ископаемых к настоящему времени образовалось большое количество геотехнических систем (ГТС), в пределах которых происходит активное преобразование природной среды, связанное с добычей, переработкой полезных ископаемых и складированием отходов. Геотехническая система есть результат взаимодействия природной геосистемы и технической системы [Емлин, 1991, 1993]. Изучение геотехнических систем, их компонентов и процессов, происходящих в них, являются актуальными направлениями исследований в последние десятилетия.

В результате, более чем 200-летнего изучения Бакальских месторождений, детально разработаны вопросы стратиграфии вмещающих отложений, размещения месторождений, строения рудных тел, основные вопросы тектоники, магматизма и метаморфизма всего рудного района. Проблема образования кислых рудничных вод в Бакальской ГТС возникла в 80-х годах прошлого столетия, в связи с чем, Бакальские рудники стали вести систематические наблюдения за их выходами.

Система горных выработок и отвалов Бакала не рассматривалась ранее как сложная развивающаяся геотехническая система, преобразующая, рассеивающая и концентрирующая минеральное вещество. Изучение этих аспектов техногенеза имеет большое значение, поскольку дает возможность прогнозировать и контролировать эти процессы.

Бакальская ГТС интересна тем, что при разработке карбонатных железных руд, залегающих в карбонатно-терригенной толще, возникла проблема сернокислого воздействия на природные компоненты. Работа раскрывает актуальную проблему, решение которой, на примере конкретного объекта, будет способствовать прогнозированию экологических последствий при разработке месторождений полезных ископаемых.

Цель работы — комплексное исследование формирующейся Бакальской геотехнической системы и образовавшихся в ее пределах новых гидрохимических и минеральных ресурсов с выявлением причинно-следственных связей между компонентами ГТС.

Основные задачи.

1. Изучение истории формирования и развития Бакальской геотехнической системы. Выделение и характеристика этапов развития ГТС.

2. Исследование сульфидной минерализации пород Бакальских месторождений, складируемых в отвалы, и продуктов ее окисления как причины формирования кислых рудничных вод.

3. Определение геохимических особенностей различных типов вод, образовавшихся в ГТС.

4. Изучение новых минеральных фаз, сформировавшихся в ГТС, донных осадков поверхностных водотоков как индикаторов техногенной нагрузки на природные гидросистемы.

Фактический материал и методы исследований. Основой для исследования послужили материалы, собранные автором и сотрудниками лаборатории минералогии техногенеза и геоэкологии во время полевых работ (1997-2003 гг.) на Бакальских железорудных месторождениях (Челябинская область).

Материал был собран путем отбора проб твердого вещества: пород в отвалах и бортах карьеров (40 проб), сульфидов (50 проб), сульфатов (12 проб), донных отложений водотоков и карьерных озер (20 проб); опробования поверхностных водотоков (152 пробы); поинтервального опробования водных толщ карьерных озер (30 проб).

Исследования выполнялись в Институте минералогии УрО РАН по теме «Процессы минералообразования и изменения окружающей среды при добыче и переработке полезных ископаемых» (номер гос. регистрации 01.200.202522) (руководитель Удачин В. Н.), входящей в приоритетные направления развития науки, технологии и техники РФ «Экология и рациональное природопользование» № 8; в рамках хозяйственного договора (№ Б/99) с ОАО «Бакальские рудники» по теме «Мониторинг тяжелых металлов в поверхностных водах и донных отложениях в зоне деятельности ОАО «Бакальские рудники»» (ответственный исполнитель К. А. Филиппова).

Аналитические исследования проводились в Институте минералогии УрО РАН (г. Миасс), во Фрайбергской горной академии (г. Фрайберг, Германия). Аналитические работы включали: химический анализ донных отложений (Ю. Ф. Томусяк, О. Г. Шмелева); химический анализ вод (Г. Ф. Лонщакова, Л. Г. Удачина, К. А. Филиппова); атомно-абсорбционный анализ (В. Н. Удачин, М. Н. Маляренок, К. А. Филиппова); масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой (Г. Бомбах); рентгенофазовый аначиз (Т. М. Рябухина), ядерную гамма-резонансную спектроскопию (Н. К. Никандрова). Донные осадки и сульфаты были исследованы на сканирующем электронном микроскопе РЭММА-202 MB (В. А. Котляров). Исследование минерального состава сульфидных минералов производилось оптическими методами в аншлифах на микроскопе Axiolab фирмы "Karl-Zeiss" с выполнением микрофотосъемки цифровой камерой "Sony" в отраженном свете. Химический состав сульфидов определялся микрозондовым анализом (54 определения) на приборе JEOL JCXA-733 (Е. И. Чурин).

Термодинамическое моделирование было выполнено в Институте геологии СО РЛН (г. Новосибирск) м.н.с. Е. П. Бессоновой и к.г.-м.н., с. н. с. О. Л. Гаськовой. Научная новизна и практическая значимость. Выделены этапы техногенеза для Бакальской ГТС, в соответствии с которыми происходило изменение характера взаимодействия техногенной системы с природными компонентами. Получены оригинальные данные но минеральному составу донных отложений поверхностных водотоков и карьерных озер. На основании постадийных экстракций донных отложений поверхностных водотоков определены формы нахождения микроэлементов, для определения «прочности» их фиксации. Охарактеризованы сульфатные минералы, формирующиеся на испарительном барьере в зоне капиллярной каймы кислых водотоков и в бортах карьеров в зоне капежа пластовых вод.

Впервые получены данные по составу вод карьерных озер, их изменению с глубиной и с течением времени.

Данная работа может служить основой для разработки последующих технологических мероприятий по нейтрализации кислых рудничных вод. На основании выполненных исследований по карьерным озерам возможна разработка рекомендаций по использованию этих гидроресурсов.

Защищаемые положения.

1. Начало качественных изменений в характере взаимодействия формирующейся Бакальской геотехнической системы (ГТС) с природными компонентами обусловлено добычей сидеритовых руд и поступлением в отвалы пиритсодержащих пород зигальгинской свиты.

2. Породы, складируемые в отвалах, определяют формирование подотвальных вод с широким спектром химического состава: от нейтральных с низкометальной нагрузкой до сильнокислых с высоким содержанием металлов. Основными поставщиками сульфат-иона и тяжелых металлов в речные системы являются подотвальные воды.

3. Состав вод карьерных озер определяется литологическим составом котловин. Молодые карьерные озера характеризуются яркой контрастностью физико-химических параметров приповерхностных и придонных вод. Резкое увеличение концентраций макро- и микроэлементов в водах молодых карьерных озер происходит в верхней части гиполимниона.

4. Минеральный и микроэлементный составы аутигенной составляющей донных отложений определяются щелочным и сорбционным барьерами, возникающими в результате взаимодействия кислых техногенных и природных вод.

Апробация работы. Основные положения, рассматриваемые в работе, докладывались на: заседаниях международной научной студенческой школы «Металлогения древних и современных океанов» (Миасс, 2001, 2002), семинарах «Минералогия техногенеза» (Миасс, 2001, 2002), межвузовской молодежной конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования» (Санкт-Петербург, 2001, 2002), 1 международном симпозиуме «Биокостные взаимодействия: жизнь и камень» (Санкт-Петербург, 2002), Первой Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2002), XX Всероссийской молодежной конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, 2003).

Финансовая поддержка оказана Уральским отделением РАН в рамках программ поддержки молодых ученых и аспирантов (гранты 2002,2004 гг.), ФЦП «Интеграция» (грант П0035).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения. Объем работы 145 стр., включая 47 иллюстраций, 31 таблицу, 4 приложения. Список использованной литературы включает 129 наименований.

Работа выполнена в Институте минералогии УрО РАН под руководством доктора геолого-минералогических наук В. Н. Анфилогова и кандидата геолого-минералогических наук В. Н. Удачина. Автор выражает глубокую благодарность своим руководителям за непосредственную помощь в организации и выполнении работ, советы и обсуждения; к.г.-м.н. Е. В. Белогуб за ценные консультации. Неоценимая помощь в проведение полевых работ была оказана сотрудниками ОАО «Бакальские рудники» Л. А. Филипповой, В. Б. Кашеваровым (г. Бакал), В. В. Ершовьм (ИМин УрО РАН, г. Миасс). Выполнение исследований по карьерным озерам было бы невозможным без участия к.г.н. В. В. Дерягина, А. В. Дерягина (Челябинский педагогический университет, Челябинск). Работы по моделированию форм нахождения элементов в водах карьерных озер были выполнены в сотрудничестве с н. с. Е. П. Бессоновой и к. г.-м. н. О. Л. Гаськовой (Институт геологии СО РАН, Новосибирск). Всем автор выражает свою глубокую признательность. Автор благодарит сотрудников Института минералогии УрО РАН М. Н. Маляренок, Ю. Ф. Томусяк, О. Г. Шмелеву, Г. Ф. Лонщакову, Л. Г. Удачину, П. В. Хворова, Т. М. Рябухину, Н. К. Никандрову, В. А. Котлярова, Е. И. Чурина и Г. Бомбах (Горная академия г. Фрайберг, Германия) за выполнение аналитических работ; И. Ю. Мелекесцеву и Р. 3. Садыкову за помощь в подготовке материалов диссертации.

Большая помощь и поддержка за время работы над диссертацией была со стороны сотрудников лаборатории минералогии техногенеза и геоэкологии Г. Ф. Лонщаковой, Л. Г. Удачиной.

1. Состояние проблемы и направления в исследовании геотехнических систем (ГТС)

Экологические проблемы в последние десятилетия стали приобретать все более важное значение в жизни человека. Развитие цивилизации все в большей степени способствует нарушению самовосстановительной функции биосферы и, как следствие, ее деградации. Одной из важнейших областей жизнедеятельности человека выступает литосфера с ее водной и газовой составляющими. При этом природно-техногенные геологические процессы и явления, протекающие в пределах литосферы, часто вызывают необратимые последствия и оказывают существенное влияние практически на все элементы природной среды и биосферы в целом. Особо серьезные противоречия между человеком и природной средой обычно возникают при освоении месторождений полезных ископаемых.

Важными предметами исследования являются условия и причины возникновения в природе экологически опасных факторов, т. е. таких условий среды, которые способствуют качественным и количественным изменениям в экосистемах различного уровня. При этом вещественный аспект геоэкологии, представленный минералогическим и геохимическим направлениями, является для нее важнейшим. В результате сегодня существуют два самостоятельных направления: геохимия техногенеза и минералогия техногенеза.

После становления в начале XX века геохимии как самостоятельной науки, особое место в ней стая занимать раздел биогеохимия и геохимия техногенеза (В. И. Вернадский, А. Е. Ферсман). Впервые понятие «техногенез» было введено А. Е. Ферсманом. Он определил техногенез как геохимическую деятельность человека и отметил, что геохимическая миграция, обусловленная технической деятельностью человека, превышает по скорости природные процессы. Дальнейшее развитие геохимии техногенеза связано с работами А. И. Перельмана [1975, 1982]. Проблема загрязнения окружающей среды выявилась не как теоретическая, а как практическая задача. Так, интерес к оценке химических элементов, как загрязняющих веществ, связан с фактами проявления острых токсичных эффектов, вызванных промышленным загрязнением ртутью, кадмием, селеном, свинцом. При добыче и дальнейшей переработке полезных ископаемых химические элементы включаются во все типы миграции, что неизбежно приводит к загрязнению важнейших природных сред. В качестве прогнозного показателя интенсивности участия химических элементов в загрязнении окружающей среды А. И. Перельман [1975] предложил использовать понятие «технофильности химических элементов» (отношение ежегодной добычи элемента в тоннах к его среднему содержанию в земной коре).

Опираясь на представления В. И. Вернадского и А. Е. Ферсмана, продолжили развивать идеи и подходы к исследованию техногенной миграции известные геохимики и

8

специалисты в области охраны природы В. К. Лукашев [1957J, А. А. Бес [1976], Ю. Е. Сает [1990] и другие.

Проблемы загрязнения окружающей среды в результате добычи полезных ископаемых универсальны. Отвалы горных пород, хвостохранилища, шахтные и карьерные воды, стоки, отходы и атмосферные выбросы обогатительных и металлургических предприятий являются источниками техногенной миграции различных элементов, повышенные концентрации которых токсичны для живых организмов. Формирование кислых рудничных вод происходит как при разработке колчеданных месторождений, так и месторождений, вмещающие породы которых содержат сульфидную минерализацию.

Необходимо отметить, что большинство современных исследований, касающихся процессов преобразования сульфидных отходов и миграции элементов в них, опираются на знания, полученные при изучении зоны окисления сульфидных месторождений. Основные сведения по этим вопросам опубликованы в трудах С. С. Смирнова [1951], Л. К. Яхонтовой и А. П. Грудева [1978, 1987], В. В. Щербины [1980] и др.

Многочисленные публикации исследователей, начиная с 1970-х годов, говорят о масштабности и важности изучения проблемы техногенного воздействия на природные экосистемы. Объектами исследований являются действующие и заброшенные горнодобывающие предприятия. Прекращение горнодобывающей деятельности зачастую не означает прекращение процессов, ведущих к загрязнению природных систем. Процесс окисления сульфидов в отвалах, отходах обогащения и образование кислых вод, продолжается еще многие десятки лет. Поэтому множество публикаций посвящено исследованиям заброшенных рудничных комплексов, их отвалов, хвостохранилищ [Blowes et al., 1990], и их воздействий на природные системы, в частности, на поверхностные водотоки [Бортникова, 2001; Айриянц,1999; Удачин и др., 2002]. Подобные исследования проводились учеными многих стран: в Италии [Zanzari et al., 1995], Корее [Yu, 1996], США [Rampe et al., 1989; Brandvold et al., 1995; Benvenuti et al., 1997], Бразилии [Pestana et al., 1997], Ирландии [Gray, 1998] и др. Самые низкие значения рН были зафиксированы в дренажных водах сульфидных отходов (Железные Горы, США). Эти воды при рН=-1 содержали огромные концентрации металлов: Fe - 141 г/л, Zn - 24 г/л, Си - 4.8 г/л, Cd — 211 мг/л [Nordstrom, 1991]. В связи с этим, лабораторное моделирование взаимодействия отходов обогащения с водой [Рябинин и др., 2002; Удачин и др., 2002] и окисление сульфидных руд в словиях внешних отвалов [Емлнн и др., 1983] являются актуальными.

Известно, что природные водоемы являются чуткими индикаторами техногенной нагрузки. Множество исследований посвящено изучению металлоносности техногенных вод [Елпатьевский, 1997; Табаксблат, 1988; Табаксблат и др., 1991] и их взаимодействия с

природными водами [Елпатьевская, 1997; Елнатьевский 1992; Кораблева, 1991]. Донные отложения поверхностных водотоков также позволяют оценивать экологическое состояние водной среды [Янин, 1988; Даувальтер, 1997, 1998, 1999; Летувнинкас, 1996], а отложения озер позволяют это сделать во временном срезе.

Формирующиеся в ГТС такие гидрохимические ресурсы как карьерные озера привлекают внимание многих исследователей, поскольку каждое карьерное озеро представляет собой модельную ситуацию, изучив которую, можно делать прогнозы о вероятных гидрохимических типах карьерных озер, которые сформируются после отработки того или иного месторождения. Значительное количество публикаций зарубежных исследователей посвящено изучению карьерных озер действующих и заброшенных геотехнических систем [Davis et al., 1989; Eary, 1999; Shevenell et al., 1999; Bachmann et al., 2001; Castro et al., 2000]. Наибольший объем опубликованных работ в России посвящен исследованиям природных озерных экосистем [Зайков, 1960; Озера Баргузинской долины, 1986; Жуховицкая и др., 1991; Шилькрот, 1998 и др.] и их техногенного загрязнения. Вопросы же, касающиеся формирования и развития карьерных озер, их гидрохимии и форм миграции металлов, только начинают освещаться в литературе [Емлин, 1991; Удачин и др.*, 2001,2003].

Появление таких направлений как экологическая геохимия и экологическая минералогия продиктовано необходимостью исследования поведения химических элементов в условиях взаимодействия живого и костного вещества — условий их миграции, накопления и характера воздействия на объекты живой природы. Решение задач этих направлений важно для сохранения жизни в районах, с высоким уровнем техногенной нагрузки (Гавриленко, 2002а, 20026).

Токсичные свойства элементов по отношению к организмам определяются, прежде всего, формой их нахождения. Большой вклад в изучение форм миграции элементов в воде внесли работы Р. Гаррелса [1962], П. Н. Линника и Б. И. Набиванца [1986, 1987], П. Н. Линника [1989], Л. С. Табаксблата [2000]. И хотя основными методами оценки состояния металлов в водах принято считать экспериментальные методы, расчетные методы позволяют дать предварительную оценку состояния исследуемого металла [Линник, Набиванец, 1986].

Становление в последние тридцать лет такого направления как минералогия техногенеза произошло благодаря работам уральских минералогов В. Н. Авдонина [1984, 1986], Э. Ф. Емлина [1991,1997], Б. В. Чеснокова [1991, 1999], Е. П. Щербаковой [1991, 1996, 2000, 2001, 2002, 2003], С.С.Потапова [2000]. Множество работ посвящено изучению минералогии осадков, формирующихся в рудничных дренажах [Bigham et al, 1990, 1992,

ID

1994, 1996; Childs et al., 1998; Hochella, 1999; Hudson-Edwards et al., 1999], а также гидросульфатов, большинство из которых принадлежит к числу короткоживущих сезонных минералов [Лвдонин и др., 1988; Обласова, Авдонин, 1993; Nordstrom, 1982J.

Большое значение для Урала, как для региона, где разрабатываются многие колчеданные месторождения, имеет выход монографии Э. Ф. Емлина «Техногенез колчеданных месторождений Урала» [1991]. Впервые было введено понятие геотехнических систем, формирующихся в результате трансформации природной обстановки антропогенной деятельностью с использованием технических средств [Емлин, 1991]. В своей работе Э. Ф. Емлин выделяет стадии развития геотехнических систем, подробно рассматривает процессы, происходящие в них и продукты техногенеза. Автор счел уместным привести описание выделяемых стадий. На прогрессивном подэтапе выделяются три стадии:

1) первая стадия характеризуется тем, что ведущая роль принадлежит управляемым процессам разрушения, перемещения и дифференциации минерального вещества; в техногенез вовлекаются грунты и горная масса до вскрытия сульфидной залежи; депрессионная воронка еще не сформировалась;

2) на второй стадии происходит вскрытие сульфидной залежи; интенсивное окисление минеральной пыли генерирует кислые воды; меняется структура подземных потоков; активизируется гидрогеохимич;еская миграция рудных элементов;

3) для третьей стадии присущи максимальные размеры техногенной зоны аэрации, объемы водоотлива, разрушенной горной массы, складированной в отвалах; в зоне аэрации накапливаются неосульфаты; формируются кислые рассолы. /

Регрессивный подэтап наступает после прекращения действия техногенных источников энергии и включает две стадии:

1) ведущую роль играют самопроизвольные геодинамические процессы; восстанавливается уровень подземных вод, формируется центробежная система подземных, а иногда и поверхностных потоков; в отвалах происходит перераспределение обломочных фракций, развивается процесс генерации неопелитов; кислотность растворов понижается;

2) стационарная стадия: по характеру геодинамических процессов, модулю ионного и твердого стоков близка к обычным экзогенным геосистемам.

Глобальное рассеяние тяжелых металлов делает необходимой постановку вопроса о «металлическом» воздействии на биосферу. Исходя из этого возникает целесообразность изучения техногенной нагрузки территорий, процессов распространения техногенных тяжелых металлов в пространстве и количественной оценке их поступления. Обоснованное прогнозирование экологических последствий эксплуатации месторождений возможно при

наличии разработанных схем поведения минералов и токсичных компонентов, входящих в их состав, в тех или иных ландшафтно-геохимнчсских словиях.

В результате более чем 200-летней разработки Бакальских железорудных месторождений сформировалось огромное количество геологоразведочных и горных выработок. Все исследования, касающиеся минералогии Бакальских месторождений, их геологического строения, стратиграфии связаны с именами известных исследователей. Подробно история развития минералогических и геологических исследований на Бакальском рудном поле рассмотрена в работе Е.П.Трофимова [1998]. Изучением геологического строения территорий, включающих Бакальские месторождения, занимались

A. Н. Заварицкий [1939], А. Е. Малахов [1956], М. И. Гарань [1969], Ю. А. Давыденко [1962], О. П. Сергеев [1960ф, 1962] и другие.

Во второй половине ХХ-го века вышли четыре монографии: «Бакальские железорудные месторождения и их генезис» А. Л. Яницкого и О.П.Сергеева [1962];

B. А. Тимескова «Минералогия карбонатных руд и вмещающих их карбонатных пород Бакальского железорудного месторождения на Южном Урале» [1963]; А. С. Варлакова «Метаморфизм в связи с диабазами в районе Бакальского рудного поля» [1967] и М. Т. Крупенина «Условия формирования сидеритоносной бакальской свиты нижнего рифея (Южный Урал)» [1999].

С 70-х годов и до настоящего времени вопросами геологии, рудоносности нижнего рифея в Бакало-Саткинском рудном районе занимаются Л. В. Анфимов [1977, 1982, 1984, 1985], М. Т. Крупенин [1983, 1984, 1985, 1991, 1993], А. В. Маслов [1993] и др. - i

Первые сведения о наличии родников, обладающих повышенным содержанием сульфат-иона и низким водородным показателем, указывались уже в геологическом отчете по Петлинскому месторождению в 1967 году [Пентегова, 1988ф]. С 1982 года гидрогеологической службой Бакальских рудников ведутся систематические гидрохимические наблюдения за выходами кислыми подотвальных вод и их дебиту. По наблюдениям было установлено, что с июля 1985 года в водах рек Буланка и Татарка (бассейны рек Юрюзань и Сатка соответственно) значения водородного показателя понизились, и возросло содержание сульфат-иона. В 1986 г. были разработаны первые рекомендации по устранению негативного влияния кислых подотвальных вод на природные гидросети [Ковальчук, 1986ф, 1988ф]. Было предложено создание нейтрализационных и отстойных прудков, проведение гидромелиоративных работ вблизи отвалов и при формировании отвалов подмешивание карбонатного материала.

В 1987-1988 гг. Бакальскими рудниками выполняются лабораторные работы по определению нейтрализующей способности различных пород (известняков, доломитов,

сланцев) [Пентегова, 1988ф]. Кроме этого, в лабораторных условиях определялась возможность нейтрализации кислых подотвальных вод отходами сухой магнитной сепарации и путем смешения их с шахтными водами [Ковальчук, 1988ф]. Помимо исследований Бакальских рудников, в 1988 году были выполнены научно-исследовательские работы с целью разработки технологии очистки кислых подотвальных вод от сульфатов под руководством Н. Г. Жуматовой [ВНИИ ВОДГЕО, Челябинск, 1988ф]. Исследовательской группой был предложен реагентный метод очистки, заключавшийся в последовательной обработке подотвальных вод пульпой хвостов от обжига сидеритов и суспензией извести.

В 1987 году был разработан проект, в котором согласно рекомендации Института геологии Уральского филиала АН СССР было предусмотрено строительство водоотводных каналов, прудов-нейтрализаторов и прудов-отстойников. В 1990 году началось строительство прудка-отстойника на Восточно-Буландихинском участке. Однако работы не были закончены из-за прекращения финансирования.

В 90-х годах изучением проблемы загрязнения природных гидросистем занимались исследователи бюро экологических экспертиз [Ковальчук, Филюшкина, 1993, 1994, 1995ф]. Впервые было оценено соотношение компонентов, переносимых в растворенной и взвешенной формах. Это соотношение составило 1:10. Также была выполнена количественная оценка металлов, сульфатов и других компонентов, поступающих в речную сеть за год.

В 1993-1995 гг. Институтом водного хозяйства (РосНИИВХ, г. Екатеринбург) была разработана система биоинженерной очистки. Предполагалось сначала освободить стоки от сульфатов и одновременно связать ряд металлов в них, а затем произвести обработку воды на ботанических площадках с использованием прикорневой очистки [1993ф].

По данным снеговой съемки, которая проводилась в 1993 году, была дана оценка и составлена схема аэрогенного загрязнения Бакальской площади [Нестеренко, Левит, 1995]. Выполненное исследование почв в зоне деятельности Бакальских рудников показало «невысокий уровень загрязнения почв». Один из основных выводов, сделанных по результатам выполненных работ, заключался в том, что «ассоциации техногенных химических элементов в аэрогенном ореоле и почвах на Бакальской площади отвечают вещественному составу руд Бакальских месторождений и особенностям геохимии вмещающих пород» [Нестеренко и др., 1995].

2. Методика работ 2.1. Методика нолевых и пробоподготовительных работ

Полевые работы для сбора фактического материала проводились в 1998-2003 годах.

Для изучения сульфидной минерализации пород Бакальских месторождений были отобраны образцы различных форм выделения сульфидов. Были также отобраны пробы основных пород Бакальского рудного поля с целью изучения их микроэлементного состава. Далее применялось автоклавное вскрытие. Навеску 0.7 г помещали в автоклав и заливали смесью кислот НС1 - HNO3 — HF в количестве 3—1—2 мл соответственно. Автоклавы помещали в сушильный шкаф на 5 часов при температуре 150° С. Полученные растворы упаривали на песчаной бане в стеклоуглеродных тиглях досуха. После этого дважды добавляли по 2 мл концентрированной HNCb и упаривали до влажных солей для удаления остатков плавиковой кислоты. Полученные осадки растворяли в горячем растворе 1н HNO3. Конечный объем раствора составлял 25 мл.

Из сульфидов были приготовлены полированные аншлифы для изучения минерального состава и выполнения количественных рентгепоспектральных анализов. С целью определения микропримесей в сульфидных минералах были подготовлены их монофракции. Пробы были раздроблены и отсеяна фракция бинным горизонтам. Количество

14

проб, отобранных с различных горизонтов озера, составляло 4-6 штук. Температурный режим озер определялся с помощью гидрометеорологических термометров, встроенных в батометре. Летом для обнаружения слоя температурного скачка температура измерялась через 2 м. Прозрачность воды в карьерных озерах определялась при помощи диска Секки (белый диск диаметром 30 см).

Гидрохимические пробы помещались в чистые 1.5-литровые пластиковые бутылки с четкой маркировкой, которые заполнялись под пробку. Пробы в день отбора доставлялись в лабораторию для выполнения аналитических работ. Ряд физико-химических показателей определялся в не фильтрованных пробах. В дальнейшем пробы отфильтровывались через фильтр «синяя лента». Часть отфильтрованной пробы использовалась для определения анионно-катионного состава, другая - для определения содержания микроэлементов. Для разделения металлов, находящихся во взвешенной и растворенной формах, было выполнено фильтрование через мембранные фильтры Whatman 0.45 |лм (Германия).

Для изучения донных отложений водных систем как индикаторов техногенной нагрузки были отобраны донные осадки поверхностных водотоков и карьерных озер (с помощью батометра системы Рутнера). Пробы донных отложений помещались в герметичные пакеты. В лаборатории донные осадки высушивались при комнатной температуре и просеивались через сито с размером ячеек 0.315 мм. И донные осадки, и сульфаты препарировались на предметные столики, напылялись тонким слоем графита для создания токопроводящей поверхности для исследований на сканирующем электронном микроскопе.

Гранулометрический анализ выполнялся на ситах с ячейками: 1 мм; 0.63 мм; 0.315 мм; 0.125 мм; 0.063 мм.

Для определения содержания микроэлементов в донных осадках была применена та же методика автоклавного разложения, что и для пород, но с некоторыми дополнениями. Навеска составила 0.5 г. После прибавления кислот, для разложения органического вещества в пробах добавляли 7-8 капель 35%-ой перекиси водорода (Н2О2).

2.2. Методы определения основных физико-химических показателей и приборы

Инструментальными методами производилось определение следующих показателей: величины рН, окислительно-восстановительного потенциала (Eh), удельной электрической проводимости (у). Измерение этих показателей производилось в нефильтрованных пробах.

Определение уровня водородного показателя и окислительно-восстановительного потенциала производилось с помощью рН-метра "Yokogavva 8221-Е" (Япония). Диапазон

измерений составляет: рН - 0-14; Eh — 0—±1999 mV. Абсолютная погрешность прибора +0.01 ед. рН и 1 raV соответственно. Для контроля измерений рН прибора применялись стандартные буферные растворы (рН 3.56 и 6.86); для промывки электродов применялась дистиллированная вода.

Измерение удельной электрической проводимости производилось кондуктомером "HI — 933000" с температурным компенсатором (Германия). Диапазон измерений прибора 0— 199.9 мСм/см, стандартное отклонение ± 2%.

При определении анионно-катионного состава вод использовались общепринятые методики анализа поверхностных вод суши [Алекин и др., 1973; Фомин, 2000] (таблица 2.2.1):

Таблица 2.2.1

№ п/п Определяемый ион Метод Диапазон определения Нормы погрешности ГОСТ 27384-87

1 Жесткость (кальций, магний) Титриметрический, (трилоном Б) ГОСТ 4151-72 0.1-1.0 ммоль/дм св. 1.0 ммоль/дм3 ± 10% ±5%

2 Кальций Титриметрический, (трилоном Б) РД 52.24.403-95 0.5-50 мг/дм3 св. 50 мг/дм3 ± 10% ±5%

3 Хлорид-ион Титриметрический, (азотнокислой ртутью) ГОСТ 4245-72 5-10 мг/дм3 + 25%

4 Гидрокарбонат-ион Титриметрический, (1н соляной кислотой) по Лурье Ю. Ю. 10-90 мг/дм3 св. мг/дм3 ± 10% ±5%

5 Сульфат-ион Турбидиметрический, ГОСТ 4389-72 Гравиметрический ГОСТ 4389-72 2-25 мг/дм3 2-10 мг/дм 10-25 мг/дм3 от 10 мг/дм 10-100 мг/дм3 св. 100 мг/дм3 + 25% + 20% ± 20% ± 15%

6 Калий, натрий Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС), эмиссионный режим 5-50 мг/дм3 + 15%

6 Кремний Фотоколорометрический РД 52.24.433-95 0.5-15 мг/дм3 0.5-1.0 мг/дм3 св. 1.0 мг/дм ± 25% ± 15%

Приборы, использованные при определении анионно-катионного состава: - фотоколориметр КФК-2;

16

атомно-абсорбционный спектрометр, с пламенным режимом атомизации "Perkin — Elmer

3110".

Определение металлов производилось на атомно-абсорбционных спектрометрах:

с пламенным режимом атомизации воздух — ацетилен "Perkin - Elmer 3110" (Mn, Fe, Cu,

Zn, Co, Ni, Pb, Cd); - с электро-термическим режимом атомизации "AAnalyst 300, HGA 850" с дейтериевой

коррекцией фона фирмы "Perkin - Elmer" (Pb, Cd).

Диапазоны концентрации элементов, определяемых ААС, указаны в таблице 2.2.2. Если концентрации элементов были выше верхних пределов, указанных в таблице, пробы разбавлялись перед анализом. Если концентрации оказывались ниже предела обнаружения, использовались методы концентрирования: отфильтрованные пробы объемом 300 мл, подкисленные из расчета 1.5 мл концентрированной азотной кислоты на 300 мл пробы, упаривались до 10-15 мл.

Таблица 2.2.2

Определяемый элемент Fe Мп Си Zn Со Ni Pb Cd

мг/л

Длина волны, nm 248.3 279.5 324 8 213.9 240.7 232.0 283.3 228.8

диапазон ААС с пламенным режимом атомизации 0.1-5.0 0.052-2.0 0.077-5.0 0.018-1.0 0.12-3.5 0.14-2.0 0.45-2.0 0.028-2.0

Норма погрешности ГОСТ 27384-87 0.1-1 мг/л-±20 %; 1-5 мг/л-±15% ±25 % ±25 % до 0.1 мг/л — ±25 % св. 0.1 мг/л -±15 % до 1 мг/л— ±25 %, св. 1 мг/л— ±10 % до 0.5 мг/л -±25 %, св. 0.5 мг/л-±10 % ±15 % до 1 мг/л -±25 %, св. 1 мг/л— ±10%

цг/л

диапазон ААС с электротермическим режимом атомизации - - - - - - 0.2-100 0.02-5.0

Норма погрешности ГОСТ 27384-87 ±50 % ±25 %

Оптическая микроскопия сульфидных минералов выполнена на микроскопе Axiolab фирмы "Karl Zeiss" с видеокамерой "Sony" (ИМин УрО РАН). Состав сульфидных минералов определялся на микрозондовом анализаторе JEOL JCXA—733 (ИМин УрО РАН).

Химический состав донных отложений определялся с помощью силикатного анализа (методика ВИМС, Инструкция № 163-Х). Методы, диапазоны и погрешности силикатного анализа приведены в таблице 2.2.3.

Таблица 2.2.3

Элемент Метод определения Определяемые Ошибка метода Чувствительность

содержания, % (абс ), % метода

1 2 3 4 5

SiO2 1. Классический весовой, 30-40 0 30 0 10

солянокислый с желатином 50-80 0 50

2. Дифференциальный и прямой

фотометрический по окраске 0.10-80 0 05-0 50 0 05

восстановленной

кремнемолибденовой

гетерополикислотой

TiO2 Фотометрический с до 1 0 0 05 0 05

диантипирилметаном 1 0-10 0 0 10

А12О3 1. Объемный трилонометрический 5 0-10 0 0 30 001

10 0-30 0 0 50

2. Фотометрический с

антразохромом до 5 0 0 20 0 05

Fe2O3 1. Объемный трилонометрический 10 0-20 0 0.50 0 10

20 0-40 0 0.70

2. Фотометрический с

сульфосалициловой кислотой до 10 0 0 20 0 05

FeO Объемный бихроматный до 1 0 0 30 0 10

1 0-10 0 0 30

10 0-20 0 0 50

MnO Фотометрический с ДО 10 0 05 0 05

формальдексимом 1 0-10 0 0 10

MgO Объемный трилонометрический до 2 0 0 20 0 10

2 0-10 0 0 30

10 0-30 0 0 50

CaO Объемный трилонометрический до 2 0 0 20 0.10

2 0-10 0 0 30

10 0-30 0 0.50

P2O5 Фотометрический ГПК желтая до 1 0 0.10 0 05

форма 10-2 0 0 20

Na2O Атомно-абсорбционный 0 01-1.0 0 01 0 001

1 0-10 0 0.10

K2O Атомно-абсорбционный 0 01-1.0 001 0 001

H2O" Весовой, метод высушивания до 2.0 0.10 0.10

гигроско до постоянного веса (t = 100-110°С) 2.0-10 0 0.30

пическая

ппп Весовой, метод прокаливания до до 2 0 0.10