УДК 553.45:622.02:504.75.05(571.6)

При промышленной разработке месторождений происходит рассеяние и концентрация элементов, что осуществляется в рамках геотехнической системы (ГТС), в которой совместно функционируют природные и техногенные компоненты. К числу этих процессов относится техногенез. С точки зрения автора, этот процесс заслуживает особого внимания, так как его последствия влияют непосредственно на экологическое состояние в рудном районе.

In the process of economic exploitation of deposits dispersion and concentration of elements take place within the framework of the geotechnical systeme (GTS) in which the natural and technogenic components act jointly. One of such processes is technogenesis. In the author's opinion this process deserves particular attention because it impacts directly on the ecological state of environment in ore districts.

Известно, что основной экспорт в бывшем СССР и в России – сырьевой. В связи с этим развитие горной промышленности последние десятилетия велось в больших объемах и быстрыми темпами, что сейчас вскрыло некоторые пороки такой деятельности. Образовались (заброшенные) карьеры, отвалы и хвостохранилища. При этом сформировалась мощная зона гипергенеза и вторичного поверхностного минералообразования. Как в зоне гипергенеза рудного месторождения, так и в хвостохранилищах активно происходят техногенные процессы, приводящие к образованию насыщенных растворов и выпадению из них большого количества различных техногенных минералов. Рудничные воды, из которых происходит кристаллизация техногенных минералов, выносят за пределы рудного поля большое количество различных элементов, вредных для здоровья человека, и, попадая в грунтовые и родниковые воды, загрязняют их.

Оценка общего баланса рудных элементов на активно разрабатываемых оловорудных месторождениях показывает, что современная горная технология приводит к рассеянию рудных элементов в масштабах, сравнимых с их промышленным извлечением (Природа ..., 1978; Авдонин, 1984; Емлин, 1981,1991.).

Рассеяние и концентрация рудных элементов при промышленной разработке оловорудных месторождений так же, как и других рудопроявлений, осуществляется в рамках геотехнической системы (ГТС) (Природа..., 1978; Емлин, 1981), в которой совместно функционируют природные и технические компоненты. ГТС преобразует, концентрирует и рассеивает минеральное вещество. При этом происходящие процессы контролируются и управляются только частично, а в последние "перестроечные" годы практически не контролируются.

Быстро происходящая геохимическая дифференциация, скорость которой сравнима со скоростью технологических операций, изменяет состав, строение продукции и технологические свойства руд, концентратов и вмещающих пород. К этим явлениям относятся окисление метастабильных сульфидов, гидратация и гидролиз силикатов, образование новых минеральных фаз – сульфатов, карбонатов, оксидов, гидроксидов, сульфидов и силикатов, механическая дезинтеграция, перенос и осаждение в гравитационных системах водных и воздушных весьма опасных для человека продуктов. В ГТС выявляются новые, не характерные для природных систем формы миграции рудных элементов. Происходит ветровой разнос тонкодисперсных дегидратированных сульфатов, перенос сульфидов в виде водных суспензий, миграция в ионной форме в виде слабо летучих концентрированных сульфатных рассолов. Все эти процессы определяют геохимическое и минералогическое своеобразие каждой ГТС.

Изучение геодинамических процессов на оловорудных месторождениях позволяет выделить основные стадии развития ГТС, близкие к описанным в литературе Э.Ф. Емлиным (1984) на колчеданных месторождениях Урала.

Начальная стадия – исходная стационарная геосистема. Основные механизмы, характерные для нее: дифференциация минерального вещества – рассеяние, фиксация в нерастворимой форме, удаление в растворе, что обеспечивает низкое фоновое содержание рудных элементов в стационарных экзогенных геосистемах.

Первая стадия – промышленное освоение, при которой происходит активная разработка месторождения. Техногенные процессы (управляемые и контролируемые) переноса вещества и энергии здесь преобладают. Неравновесность системы растет по мере возрастания техногенного воздействия. В ГТС появляются дополнительные (собственно техногенные) энергетические ресурсы. Это энергия напряжения горных массивов, химическая энергия метастабильных в окислительных условиях сульфидов, потенциальная энергия перемещенных масс, поверхностная энергия тонкодисперсных фаз. При этом следует учитывать, что сульфидные руды являются также существенным энергетическим ресурсом ГТС, поскольку при их окислении выделяются значительные количества тепла.

При формировании отвально-карьерного комплекса происходит не только изменение общего энергетического баланса, но и перестройка самого механизма перераспределения энергии и вещества, определяемого рельефом местности. Стационарное состояние ГТС поддерживается такими горными работами, как транспортировка горной массы, водоотлив и осушение бортов карьера, закрепление склонов отвала и ряд других.

Вторая стадия начинается после активной разработки месторождения, когда все мероприятия, поддерживающие систему в стационарном состоянии, прекращены, наступает стадия самопроизвольной активизации геодинамических процессов. Происходит заполнение карьерного озера и связанная с этим потеря механической устойчивости бортов карьера. В эту стадию, главным образом, происходят быстротечные процессы сдвижения горных масс: оползни, обвалы, обрушения. Характерно увеличение скорости склоновых процессов и усиление механической эрозии. Для этой стадии, как и для предыдущей, наиболее характерно преобладание твердого стока в общем балансе вещества в ГТС.

Для заключительной стадии характерны установившиеся стационарные процессы тепло- и влагопереноса в условиях сформировавшейся техногенной ландшафтной системы. Конденсационные воды, формирующиеся в отвалах, значительно изменяют водный баланс ГТС. Система работает как тепловая гидрохимическая машина, производя сульфатные рассолы, гидросиликаты, гидроксиды и гидросульфаты. Вклад приотвальных вод в общую минерализацию рудничных вод является решающим. Можно сделать вывод, что солевой состав рудничных вод определяется степенью смешивания относительно чистых слабо минерализованных атмосферных и трещинных вод с поверхностными приотвальными водами.

Последствия процесса техногенеза проявляются в том, что в результате производственной деятельности человека границы зоны гипергенеза на оловорудных месторождениях Дальнего Востока (Комсомольский, Кавалеровский и Ольгинский рудные районы) значительно расширяются, а факторы, влияющие на скорость окислительных процессов, в значительной степени усиливаются. Поэтому техногенное окисление можно рассматривать как природный процесс химического выветривания, который в естественных условиях, как правило, протекает длительно и малозаметно. В пределах же техногенной зоны окисления, в результате совокупности факторов, обусловленных деятельностью человека, естественный ход химических реакций меняется качественно и количественно. Химические реакции в техногенной зоне протекают достаточно быстро и проявляются в резких формах. Наиболее активно протекают гипергенные изменения руд и вмещающих пород. Их химическое разрушение опережает механическое, благодаря чему на оловорудных месторождениях Дальнего Востока в изобилии появляются минеральные новообразования сульфатов, арсенатов, фосфатов, карбонатов и гидроксидов (Яхонтова и др., 1984; Постникова, Яхонтова, 1990).

Техногенное окисление на оловорудных месторождениях Дальнего Востока протекает в строго определенном направлении. Первичными продуктами окисления сульфидов, которые в значительном количестве отмечаются на всех рудопроявлениях, а особенно интенсивно на медно-оловянных и олово-полиметаллических, являются легко растворимые в воде сульфаты меди и железа, а также серная кислота. Природа исходных сульфидов определяет не только состав продуктов окисления, направление и интенсивность процесса, но и параметры рудничной воды (рН, Еh, концентрацию). Измерение величины окислительно-восстановительного потенциала (Eh) и кислотности-щелочности (рН) рудничных вод на месторождениях Комсомольского района (медно-оловянных) показало, что эти величины меняются соответственно в пределах 0,35-0,55, 0,2-0,5 В и 3-9. Эти данные указывают на существенные колебания кислотности-щелочности вод в районе и свидетельствуют об их высоких окислительных возможностях. Наблюдение изменений Еh и рН с удалением от поверхности выявило тенденцию уменьшения этих величин с глубиной, т.е. рост кислотности растворов (рН 8-3) и уменьшение их окислительных свойств (Еh 0,5-0,3 В).

Основными первичными минералами олова на изученных рудопроявлениях являются касситерит и станнин, но последний распространен в рудах в незначительном количестве. Известно, что касситерит в зоне гипергенеза практически не окисляется, а только подвергается механическому воздействию, образуя при тончайшем истирании в руслах водотоков коллоидные растворы, которые могут стать основой для формирования колломорфного гипергенного касситерита (деревянистого олова) (Вагнер, 1979). Такое олово частично сорбируется гидроксидами железа или выносится в грунтовые воды.

Источником Cu, Pb, Zn, Fe, As, Bi, Sb, Hg в зоне гипергенеза изучаемых рудопроявлений являются сульфиды – халькопирит, галенит, сфалерит, пирротин, пирит, арсенопирит, висмутин, разнообразные сульфосоли. Скорость окисления главных сульфидных минералов неодинакова (Постникова, Яхонтова, 1984). Экспериментально установлен ряд уменьшения устойчивости сульфидов, взятых из руд Комсомольского района, в сернокислых растворах. Для среды с рН=3, наиболее характерной для начального этапа формирования рассматриваемой зоны гипергенеза, был выявлен следующий ряд уменьшения стойкости минералов в процессе окисления (в вольтах) – пирит (0,50), арсенопирит (0,46), станнин (0,43), халькопирит (0,40), пирротин (0,38), сфалерит (0,35) и галенит (0,27). В случае контактирования сульфидов окисление интенсифицируется на минерале в анодной позиции, т.е. стоящем обычно в конце указанного ряда. В соответствии с этим отмечено интенсивное окисление руд полиметаллического типа (месторождение Перевальное), главными минералами которых являются галенит и сфалерит, а также их гальванические пары с халькопиритом и пирротином. Медно-оловянные руды (месторождение Фестивальное), для которых характерна высокая концентрация халькопирита и других сульфидов, образующих с ним гальванические пары, также интенсивно окисляются. Для окисленных руд этого типа характерна высокая концентрация медных гипергенных минералов. По сравнению с медно-оловянными и олово-полиметаллическими собственно оловянные руды (месторождения Солнечное и Придорожное), содержащие в своем составе высокопотенциальные сульфиды (пирит и арсенопирит), окисляются заметно труднее. Содержание в собственно оловянных рудах железных сульфидов служит главной причиной концентрации среди продуктов окисления этих руд гидроксидов железа. Вследствие этого происходит инконгруэнтное растворение (Соколовский, Яхонтова, 1982) и руда постепенно теряет качество, так как из нее переходит в раствор целый ряд элементов – Cu, Zn, Pb и др. Руда испытывает химическое разубоживание, а Sn, Cu, Zn и другие элементы начинают выступать в роли загрязнителей окружающей среды, нарушая экологическое равновесие в грунтовых водах.

Находки техногенных минералов (табл. 1) и минеральных образований (когда образец состоит из двух, трех и более минералов) на месторождениях (Зверева, 1998) показывают наличие концентрированных рудничных вод, из которых они кристаллизуются.

Таблица 1

Окончание табл. 1

Примечание. Подчеркнутые минераыл – чаще техногенные, жирным шрифтом выделен минерал, открытый автором.

Наблюдения автора позволяют сделать следующие выводы.

На оловорудных месторождениях Солнечное, Придорожное (Комсомольский район) и – Дубровское, Хрустальное (Кавалеровский район) кристаллизуются из рудничных вод (и выносятся) техногенные минеральные образования Сu, Zn, As, Al и S (содержащие CuO до 4%, ZnO до 1%, As₂O₅ до 35%, Al₂O₃ до 30% и SO₃ до 5%). Медно-оловянным рудам – Фестивальное месторождение (Комсомольский район), Высокогорское и Арсеньевское – (Кавалеровский район) более характерны техногенные минералы (содержание CuO до 60%) и минералообразования в виде медных сульфатов, где содержание Cu, Zn, Al и S выше, чем на оловорудных проявлениях (содержание CuO до 10%, ZnO от 1 до 9%, Al₂O₃ до 40%, а SO₃ до 15%). Олово-полиметаллическим рудопроявлениям – Перевальное (Комсомольский район) и Арсеньевское (Кавалеровский район), также присущи техногенные минералы (содержание СuО до 50%) и минеральные образования, содержание Cu, Zn, Al и S в которых ниже, чем на двух других типах оруденения (CuO до 0,5%, ZnO 0,3%, Al₂O₃ до 40%, SO₃ до 7%). Техногенные образования железа – питтицит, фиброферрит, глоккерит, гизингерит и др., в больших количествах отмечаются на всех рудопроявлениях, но на оловорудных их значительно больше. (Постникова, Яхонтова, 1990). Следовательно, на оловорудных месторождениях в рудничных водах происходит интенсивная концентрация As и Fe, а на медно-оловянных- Cu и Zn.

Как отмечалось ранее (Постникова, Яхонтова, 1984) цинк и свинец более подвижные элементы, чем медь в зоне гипергенеза – техногенеза, а поэтому они либо выносятся, либо концентрируются в гидроксидах железа (Постникова, Яхонтова, 1990а). Это хорошо видно в изученных районах, где медь дает большое количество самостоятельных минералов и техногенных минералообразований, а цинк и свинец – единичные находки, т. е. практически выносятся за пределы зоны гипергенеза – техногенеза.

Проведенные исследования показали, что на начальной стадии окисления сульфидов формируются кислые поровые растворы, составляющие основу для образования большой группы солевых минералов, в первую очередь сульфатов и арсенатов через гидролизные реакции. Окисление сульфидов приводит к формированию большого количества разнообразных гипергенных минералов, в том числе и техногенных (см. табл. 1). Преобладают минералы Cu, Pb, Zn и Fe из класса сульфатов, карбонатов, арсенатов, фосфатов и силикатов. Сульфидные руды на изученных месторождениях в качестве элементов-примесей содержат Ge, Ga, In, Hg, Cd, Bi, Mn и другие элементы (Радкевич и др., 1971; Геол. минер. ..., 1980). Все вышеперечисленные элементы выносятся с рудничной водой и попадают в грунтовые воды.

О масштабности этого процесса свидетельствуют следующие данные. В.Н. Авдонин (Авдонин, 1984) показал, что в течение одного года потеря колчеданного Красногвардейского месторождения (на Урале), за счет химического разубоживания, составляла около 2% меди и 4% цинка от общего количества этих металлов в извлекаемой руде. По данным Г.Н. Вертушкова (Вертушков, 1940), сделавшего впервые такие вычисления, Белоречинский и Новолевинский колчеданные рудники (на Урале) теряли в результате окисления и растворения около 0,1% извлекаемой руды. На оловорудных месторождениях Дальнего Востока такие подсчеты пока не производились, хотя можно сказать с уверенностью, что на этих месторождениях потеря рудных элементов не менее значительна, чем на колчеданных.

Гидрохимическое рассеяние сопровождается неизбежно биохимическим захватом тяжелых металлов растениями из почвенных вод, а также поступлением их по трофическим цепям в организм человека и животных. В.С. Аржановой и П.В. Елпатьевским (Аржанова, Елпатьевский, 1990; Елпатьевский, 1993) были проанализированы пробы из дождевых и снежных осадков, а также из растительного покрова в районе полиметаллических месторождений. Наиболее высокие поступления тяжелых металлов связаны с начальной фазой моросящих осадков, при которых в единичных случаях содержания Pb, Fe, Zn могут достигать 100-200 мкг/л, Сu, Mn, Al 30-60 мкг/л.

Накопление аэрозольного материала на поверхности листьев в последующем увеличивает концентрации трассерных техногенных элементов в подкронных водах. В растворенной фазе содержание Zn и Cd возрастают в 2,5 раза, Pb – в 1,3 раза. Кроме того, техногенное накопление ряда металлов: Pb, Zn, Cu, Cd, Fe и Mn происходит в листьях, коре, древесине и корнях деревьев, а также в грибах и ягодах (Елпатьевский, 1993). Для техно-геосистемы содержание Pb в водах местного стока в 2,5 раза выше, чем в фоновых условиях, Al – в 3 раза, а остальных металлов (Cu, Cd, Zn, Fe, V, Ti) – в 1,5-1,8 раза. Увеличение концентрации тяжелых металлов в водах местного стока зоны техногенеза указывает на явное выраженное техногенное влияние, хотя концентрация тяжелых металлов и невысока.

Накопление рудных элементов отмечается также в гидроксидах железа, так как они являются прекрасными сорбентами. Автором были отобраны образцы гидроксидов железа из 20 минеральных источников в Приморском крае (рис. 1).

Воды всех минеральных источников гидрокарбонатные, углекислые. Минеральные источники Ветвистый, Большой Ключ, Марьяновский, Нарзанный 1 и 2, Сандагоу, и Чинхоуза считаются Si-Ca. Воды остальных минеральных источников Na-Ca. Пробы были проанализированы спектральным количественным методом на Sn, Cu, Pb, Zn, Ni, Co и Ag. Анализ этих проб (табл. 2), показал, что содержание указанных элементов в большинстве проб выше кларковых (среднее содержание для 2ч. кислых пород + 1ч. основных пород), хотя и не намного (Виноградов, 1962). Близкие результаты получены и для техногенных образцов гидроксидов железа, взятых из рудничных зон. Этот факт еще раз подтверждает наличие ряда рудных эле-

Рис. 1.
Минеральные источники Приморья: 1 – Ветвистый, 2 – Большой Ключ, 3 – Марьяновский, 4 – Нарзанный-2, 5 – Нарзанный-1, 6 – Сандагоу, 7 – Фабричный, 8 – Неробинский, 9 – Рыпалов, 10 – Садовый, 11 – Кислый, 12 – Чинхоуза, 13 – Минеральный, 14 – Северо-Медвежий, 15–16 – см. табл. 2

Таблица 2

Примечание. Порядковый номер в таблице соответствует номеру на рис. 1.

ментов не только в рудничных водах, в воде минеральных источников, а также в болотной воде.

Гидроксиды железа из рудных зон содержат рудные элементы в количестве на порядок и два выше, чем техногенные гидроксиды железа (Постникова, Яхонтова, 1990а). Это легко объясняется тем, что структура свежеосажденных (техногенных) гидроксидов железа не сформирована полностью и для нее характерна не только сорбция (накопление), но и десорбция (вымывание). Старение геля гидроксида железа способствует накоплению в нем рудных элементов.

Все полученные данные говорят о том, что рудничные воды значительно обогащены как главными, так и редкими элементами и, попадая в грунтовые и родниковые воды, загрязняют их.

Большинство рудных элементов – (Sn, Cu, Pb, Zn, Fe, As In, Ga, Ge,Te, Cd, Sb, Hg) токсично (Бондарев, 1976; Вред. вещ. ..., 1977) и вызывает тяжелые заболевания у людей, живущих в рудных районах. Здесь наиболее распространены заболевания желудка, печени, почек, кожи, сердца, ОРЗ, нервной системы. Распространены бронхиты, кариес зубов, изменяется состав крови. Первой оценочной характеристикой токсичности элементов могут служить значения предельно допустимых концентраций (ПДК) в воде (Емлин, 1991). Наиболее токсичными являются: селен (ПДК = 0,001 мг/л), ртуть, кадмий (0,005), цинк, медь, никель, кобальт, теллур (0,01), мышьяк, сурьма (0,05).

Даже первое сравнение ПДК с данными о составе рудничных вод оловорудных месторождений свидетельствует о значительных пробелах в системе геохимического контроля миграции токсичных элементов на горно-добывающих предприятиях, хотя в литературе имеются указания о том, что концентрация металлов в родниковых водах загрязняемого водосбора (например, в Приморье) в 1,4–1,6 раза превышает фоновые (Елпатьевский, 1993).

Сравнение состава приотвальных вод с исходными рудами показывает, что содержание в них главных элементов – S, Fe, Cu соизмеримо со средним содержанием в рудах, а для Zn и Cd уровень концентрации в водах даже намного выше, чем в рудах. Приотвальные воды представляют собой как бы "жидкие руды," которые можно рассматривать как попутное поликомпонентное минеральное сырье, с металлами находящимися в технологически оптимальной форме сульфатных рассолов, из которых в последние годы на Фестивальном месторождении (Комсомольский район) признано рентабельным промышленное извлечение меди.

В заключение можно отметить, что изучение техногенного минералообразования имеет особое значение в решении задач охраны окружающей среды в зонах горно-промышленных комплексов. Наличие техногенной минерализации является бесспорным индикатором многих процессов, наносящих вред не только окружающей среде (повышенная концентрация токсичных веществ в водах, засоленность грунтов, присутствие в строениях и конструкциях минерализованных растворов, интенсивная коррозия металлов), но и здоровью людей, живущих в рудных районах. Минералогия техногенеза на Дальнем Востоке должна получить развитие, соответствующее масштабам и значению для этого важнейшего горнодобывающего региона нашего государства.

Авдонин В.Н. Техногенное окисление сульфидов Красногвардейского месторождения на Урале // Материалы по минералогии месторождений Урала. Свердловск: УНЦ АН СССР, 1984. С.63-69.