Geum.ru

1. минералого-геохимические процессы в техногенных и геотехногенных ландшафтах

Вид материалаДокументы
Geotechnogenesis as a process of geological mineralogical
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7

GEOTECHNOGENESIS AS A PROCESS OF GEOLOGICAL MINERALOGICAL
TRANSFORMATION OF TECHNOGENESIS MASSIFS

G.A. Yurgenson

Institute of natural resources, ecology and criology SB RAS, Chita, Russia, yurgga@mail.ru


The term “geotechnogenesis” reflects geographical and geological processes in the areas of bio,- hydro- and lithospheres. These processes lay on man-caused bodies.


Еще в 1931 г. академик А.Е. Ферсман назвал геохимическую деятельность человека техногенезом [7]. Он показал основные области влияния человеческой деятельности на геохимические процессы в условиях зоны гипергенеза и на глубинах, доступных гелогоразведочным работам и добыче полезных ископаемых, а также масштабы её проявления. Наиболее важными из них он считал горнодобывающую и металлургическую промышленность. К важнейшим он относил сельское хозяйство с ежегодным извлечением из почв огромного количества минеральных, органических и элементоорганических соединений, приводящих к нарушению устойчивых связей в естественном ходе смены поколений растений и, в конечном счете, к опустыниванию огромных территорий. Он отмечал также влияние пастбищного скотоводства на изменение естественного хода геохимических процессов. Уже тогда он увидел существенную роль современных войн с участием авиации, артиллерии и стрелкового оружия как факторов геохимических процессов. Он указал на ассоциации химических элементов, сдвиги в естественном ходе миграции которых определяются видами деятельности человека. Им было показано также влияние транспортного и гидротехнического строительства, приводящего к перемещению крупных масс разрыхленных горных пород, сложенных в основном петрогенными элементами. В последствии выявилось также, что существенную роль играет процесс урбанизации, приводящий к скоплениям многомиллионных масс людей, отходы жизнедеятельности которых создают массу антропогенных аномалий не столько природных химических соединений, сколько не присущих природе.

Идея А.Е. Ферсмана о необходимости изучения роли человека в минералого-геохимических процессах оказалась весьма плодотворной. Огромную преобразующую роль играет человек в горнопромышленном и металлургическом производстве. Вот только некоторые цифры, характеризующие Забайкалье, один из исторических горно-промышленных регионов планеты. По неполным данным объем вскрышных пород горнорудных предприятий Читинской области составляет 2,87 млрд.т. Они занимают более 4 тыс.га земель [1]. Забайкальский ГОК в Читинской области в период 1966-1990 гг. ежегодно добывал 700-1200 тыс.т руды и кроме этого извлекал из недр и перемещал 5-7 млн.т вскрышных пород [15]. Например, при отработке I очереди Удоканского месторождения предполагается ежегодно вынимать из недр и перерабатывать 7,5 млн.т руды, а всего предполагается добыть и переработать 1 млрд. 310 млн.т. За 25 лет это составило более 200 млн.т руды и 1,5 млрд. т вскрышных пород.

Наряду с вскрышными породами, в результате обогащения руд, образуются хвосты обогащения, содержащие в раскрытом, т.е. подготовленном для растворения и переноса в процессе водной миграции различные, в том числе токсичные химические элементы. По неполным данным для 12 горнорудных предприятий Читинской области, разрабатывавших коренные месторождения, масса хвостов обогащения составляет 166,67 млн.т. Отвалы отработки только коренных и россыпных месторождений золота составляют почти 209 млн. т. Из них на долю горных пород вскрыши приходится 151, 9 млн. т (72,7%).

Вместе с хвостами обогащения и отходами металлургического передела в отвал уходит огромное количество самых различных химических элементов. В отходах горно-добывающих предприятиях Читинской области по оценкам специалистов находится 149 т золота, 925 т серебра, 74,3 тыс.т олова, 10 тыс.т вольфрама, 24 тыс.т молибдена, 133,5 тыс.т свинца, 192,3 тыс.т цинка, 480 т кадмия, 2 тыс.т тантала, 261 тыс.т ниобия, 85,7 тыс.т лития, 13,5 тыс.т бериллия, 690 т висмута, около 4,5 тыс.т мышьяка, 146 тыс.т серы и другие полезные компоненты [1]. Установлено [8], что среднее содержание золота во вскрышных породах Ключевского месторождения составляет (в г/т): 0,35, Балейского – 0,34, Тасеевского – 0,33. Они содержат более 52 т золота. В отвалах бедных и забалансовых руд (0,95 млн. т) с содержанием золота 0,85-3,00 г/т находится 11 т золота, а в хвостах гравитационно-флотационного обогащения золотых руд, объём которых составляет 54,3 млн. т, при содержании металла 0,35-1,79 г/т находится почти 40 т золота. Примеры можно было бы продолжить.

Огромное количество редких элементов находится в золах углей. Все это находится в техногенном ландшафте. Утилизация отходов горнометаллургического комплекса имеет огромное экологическое и экономическое значение. Например, в США из зол угля добывают более 50% всех редких металлов. По Л.В.Таусону [2] в теплоэнергетической отрасли ежегодно образуется до 70 млн.т золы. В ней находится огромное количество железа, марганца, никеля, кобальта в виде металлических шариков, извлечение которых может дать существенный прирост готового металлического полуфабриката. Нередко в золе обнаруживаются содержания глинозема 32-35%, что соответствует таковому в бокситах.

Все, о чем говорилось выше относится к собственно техногенным процессам или, как их определил А.Е. Ферсман, техногенезу.

Однако чисто механическое перемещение масс горных пород с помощью технических средств в процессе любых антропогенных воздействий на ландшафт и его геологический субстрат, а также и его технологический передел, не являются конечными факторами его преобразования. К собственно техногенезу в горном и металлургическом производстве относится лишь весь процесс добычи и переработки природного минерального вещества до образования отходов, которые складируются и хранятся неопределенно долго.

К этим отходам относят: отвалы геологоразведочного процесса, горные породы вскрыши, склады некондиционных по содержанию полезных компонентов забалансовых и нетехнологичных руд, хвосты обогащения и отходы металлургического производства.

В процессе техногенеза, когда действует весь многофакторный комплекс преобразований горных пород и руд, включающий измельчение и воздействие на них во время рудоподготовки и обогащения различными физическими и химическими агентами, происходят не только нарушения сплошности горных пород, руд и минералов, но и механохимические изменения. Это делает их открытыми для минералого-геохимических преобразований, когда они оказываются складированными в техногенном массиве.

Оказавшись в техногенном массиве, эти измельченные фрагменты минеральных тел, подготовленные к различным преобразованиям, оказываются под воздействием всех стихий и агентов гипергенеза: временных потоков воды, ветра, кислорода воздуха, углекислоты, бактериальных сообществ с агрессивными продуктами их жизнедеятельности, фульво- и гуминовых кислот корневых систем растений. Существенную роль играют фазовые переходы воды. Техногенные массивы подвергаются ветровой и водной эрозии с образованием специфических форм макро- и микрорельефа. В массиве циркулируют водные потоки, растворяя и переотлагая существенные количества различных химических элементов. Возникает специфическая зона окисления, минералого-геохимические процессы в которой происходят во все времена года. Если в теплое время, когда активна жидкая вода и продукты жизнедеятельности корневых систем растений и колоний обычных бактерий, и интенсивно вымываются растворенные компоненты, то в зимой продолжаются экзотермические реакции окисления сульфидов и продолжают действовать криофильные бактерии. Особенно активны все эти процессы в осеннее-зимний и весенне-зимний периоды, когда ежедневно фазовые переходы воды приводят к сочетанию механического и биогеохимического воздействия на минералы техногенных массивов. При этом происходит синергетическое усиление этих процессов. Летом минералообразование происходит на кислотно-основных, окислительно-восстановиттельных, испарительных и механических геохимических барьерах, а зимой – на мерзлотных щелочных и окислительных, а также термодинамических мерзлотных барьерах вследствие вымораживания воды и повышения концентраций растворенных веществ. На механических барьерах выделяются различные неупорядоченные кремнеземы, силикат-алюмофториды, на испарительных и мерзлотных – эфемерные водорастворимые сульфаты – безводные, с кристаллизационной водой, а также не растворимые в воде основные сульфаты, на восстановительных – судьфиды. На дне обводненных хвостохранилищ также должны идти процессы механической и химической седиментации с образованием еще не исследованных минеральных ассоциаций, в том числе и рудных. Концентрации ряда металлов в растворе обводненных хвостохранилищ весьма высоки. Формируются новые месторождения.

Весьма интересные процессы идут в старых дражных отвалах, сформираванных в 1950-1970-е годы, когда еще не запрещено было использование амальгамации для извлечения золота из черных шлихов. Как показано в работе [10], здесь происходит преобразование амальгам, содержащих золото и серебро. В условиях криоминералогенеза оно приводит к выделению относительно крупных золотин, пригодных для извлечения дражным и гидравлическими способами разработки россыпей [5].

Весьма глубокие пирометаморфические преобразования, как показали многолетние фундаментальные исследования Б.В. Чеснокова [9], происходят в горелых горных породах и рудах во время их нахождения в терриконах. Процесс их преобразования, начавшийся во время пирометаллургического передела и являющийся типично техногенным, затем, когда они становятся отходами производства, переходит уже под все нарастающим воздействием природных факторов, прежде всего компонентов воздуха и воды. Это же относится и к терриконам отходов производства по добыче и обогащению бурых и каменных углей. При этом масштабы этих процессов огромны и пока еще достоверно не оценены.

А.Е.Ферсман употреблял термин техногенез в контексте с геохимическими процессами, обусловленными воздействием человека на состояние природных геохимических систем с помощью различных технических приемов и орудий и, как следствие, – технологий, в которых участвует вещество. В настоящее время в геологической науке используются термины техногенез, а также словосочетания геохимия техногенеза и минералогия техногенеза. Словосочетание геохимия техногенеза в 1986 году было обосновано академиком Л.В.Таусоном, который писал «... изучение химизма техногенных процессов должно стать предметом особого внимания геохимии, а весь комплекс проблем, возникающих в связи с этим, должен объединяться понятием «геохимия техногенеза». Все множество проблем этого нового направления геохимии может быть подразделено на три группы: повышение эффективности природных ресурсов; увеличение продуктивности биосферы; сохранение и улучшение окружающей среды» [2, с. 3].

Другие авторы используют термин техногенез без сочетания его с геохимией, тем не менее, подразумевая эту связь. Например, М.А. Глазовская дает следующее определение: «Техногенез - совокупность геохимических и геофизических процессов, связанных с деятельностью человечества...» [3, c. 242]. Семантика слова техногенез не позволяет вкладывать в него только геохимический смысл, т.к. техногенной в самом общем виде является любая машина, любой предмет, порожденный техникой. Поэтому автором предложен [12] и обоснован термин «геотехногенез» [13-17], так как он отражает географические (ландшафтные), геологические (в том числе и геохимические, минералогические и т.д.) процессы, накладывающиеся на техногенные или природно-техногенные тела, в области взаимодействия лито- гидро- и биосферы. Термин геотехногенез наиболее полно соответствует идее А.Е.Ферсмана о комплексном, целостном и историческом подходе к решению минералого-геохимических проблем и вполне соотносится с представлениями В.И.Вернадского о ноосфере, которая «... есть новое геохимическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой» [6, с. 338].

Рассматривая проблему антропогенного воздействия техническими средствами, следует выделять: 1) собственно техногенные геологические тела, в частности, массивы взятых с поверхности или вынутых из недр Земли и переотложенных техническими средствами фрагментв литосферы и 2) техногенные массивы горных пород, преобразованные поздними геологическими процессами. Это же относится и к ландшафтам, среди которых также существуют собственно техногенные, природно-техногенные и геотехногенные. К природно-техногенным следует относить, например, комплекс, состоящий из перемещенных вскрышных горных пород и вмещающую его межгорную долину. К геотехногенным тогда следует относить либо преобразованную геологическими процессами техногенную часть либо весь природно-техногенный ландшафт, в котором произошли посттехногенные преобразования, где в результате взаимопроникновения и взаимодействия природной и техногенной составляющей возник ландшафт с новыми качествами.

Следуя логике целесообразности использования термина геотехногенез, месторождения полезных ископаемых, образующиеся вследствие взаимодействия анторопогенных и природных процессов, должны называться не техногенными, а геотехногенными, каковыми в действительности они и являются. Отсюда и не соответствующее сути процессов словосочетание миненралогия техногенеза следует заменить на минералогия геотехногенеза.

Миграция вещества в условиях геотехногенеза происходит в тех же основных формах, что и в природных ландшафтах. В техносфере горнопромышленных комплексов она осуществляется по схеме: извлечение из недр  переработка в промышленных технологических цепочках  образование водоемов-хвостохранилищ  минералого-геохимические преобразования отвальных хвостов с осаждением илов и миграцией химических элементов в водных растворах  осаждение их на геохимических барьерах (в частности, перемычках и дамбах)  выход на ландшафт и участие в биологическом круговороте. При этом образуются локальные геотехногенные аномалии. В процессе горнооткрытых работ, а также сжигания углей на ТЭЦ образуются пыль и аэрозоли тонкой твердой фазы, которая выпадает на ландшафт. Кроме того, в условиях воздействия сухих ветров происходит ветровая эрозия обезвоженных хвостохранилищ и миграция вещества в форме пыли. К числу природных и антропогенных факторов и агентов миграции и концентрирования содержащихся в техногенной массе перемещенных и неперемещенных (полученных с помощью геотехнологий подземного выщелечивания) масс рудных и рудоносных горных пород относятся физические, физико-химические, химические и бактериологические. Принцип их действия таков же, что и в природных процессах. Но скорость и интенсивность их действия больше в силу того, что в отвалах горная масса измельчена и характеризуется несравненно большими поверхностями соприкосновения с химическими и биогенными агентами. Кроме того, в условиях геотехногенеза интенсивно протекают механохимические процессы, еще совсем плохо изученные для природных систем.

Тем не менее, отметим, что даже освоение одного месторождения полезного ископаемо­го сопровождается огромным перемещением атомов, их рассеиванием на большие расстояния и (или) концентрированием на различного рода геохимических барьерах. А.И. Перельман [6] отмечает, что в результате деятельности Джидинского ГОКа в Республике Бурятия был установлен геотехногенный поток молибдена, вольфрама, золота и других элементов длиной более 200 км, связанный в значительной степени с аварийными сбросами фабрики и периодическими размывами хвостохранилищ.

Например, вследствие работы фабрик Орловского ГОКа, в 60-90-х годах XIX столетия перерабатывавших редкометалльные руды Орловского и вольфрамовые Спокойнинского месторождений, накопилось 10 млн. т переработанной рудной массы, содержащей большое количество различных химических элементов, в том числе и токсичных. Эти количества следующие (т): окись бериллия – 1440, литий – 5229, рубидий – 3912, цезий – 282.5, калий –127193, германий – 232, трёхокись вольфрама – 6480, тантал – 288, ниобий – 240 [11]. Их минералого-геохимические преобразования создают новый тип геотехногенных руд.

Большинство отрабатываемых в настоящее время россыпных месторождений золота также являются продуктами геотехногенеза.

Геотехногенез как продукт человеческой деятельности должен быть познан и это знание станет одним из инструментов сохранения, развития и самоорганизации цивилизации в границах ноосферы.


Литература


1. Геологические исследования и горно-промышленный комплекс Забайкалья / Г.А. Юргенсон, В.С. Чечеткин, В.М .Асосков и др. – Новосибирск: Наука, 1999.

2. Геохимия техногенеза. – Новосибирск: Наука, 1986.

3. Глазовская М.А. Геохимия природных и техногенных ландшафтов СССР. – М.: Высшая школа, 1988.

4. Государственный доклад о состоянии окружающей природной сре­ды в Читинской области за 1997 г. и некоторые итоги охраны природы за 1988-1997 гг. – Чита: Изд-е Читагоскомэкологии, 1998. – 216 с.

5. Костромни М.В., Юргенсон Г.А., Позлутко С.Г. Проблемы дражной разработки континентальных россыпей. – Новосибирск: Наука, 2007. – 180 с.

6. Перельман А.И. Геохимия.- М.: Высш. школа,1989. – 527 с.

7. Ферсман А.Е. Геохимические проблемы Союза. – Л., 1931.

8. Харитонов Ю.Ф. О направлениях извлечения золота из техногенного сырья и бедных руд // Перспективы развития золотодобычи в Забайкалье: Межрегиональная научно-практическая конференция. – Чита, 2003. – С. 102-106.

9. Чесновов Б.В., Щербакова Е.П. Минералогия горелых отвалов Челябинского угольного бассейна (опыт минералогии техногенеза). – М.:Наука, 1991. – 151 с.

10. Шестернев Д.М., Татауров С.Б. Криогенез и ртутьсодержащие соединения в горнопромышленных отвалах. – Якутск: Ин-т мерзлотоведения СО РАН, 2003. – 178 с.

11. Экологические последствия деятельности горнорудных комплексов (на примере Орловского Та-Nb месторождения) // Л.Н. Гинзбург, А.А. Кременицкий, Т.Д. Званцева и др./ Прикладная геохимия. Вып.2. Экологическая геохимия. / Гл. редактор Э.К. Буренков. – М.: ИМГРЭ, 2001. – С. 364-382.

12. Юргенсон Г.А. Проблемы минералогии геотехногенеза // Роль минералогических исследований в решении экологических проблем (теория, практика, перспективы развития): Материалы к Годичному собр. ВМО [г. Москва, 28-30 мая 2002]. – М., 2002. – С. 200-202.

13. Юргенсон Г.А. Геотехногенез //Энциклопедия Забайкалья. Читинская область. В 4-х т. – Т. 2: А-3 / Колл. авт., Гл. ред. Р.Ф. Гениатулин, отв. ред. А.Б. Птицын, Г.А. Юргенсон. – Новосибирск: Наука, 2003. – 231 с.

14. Юргенсон Г.А. Геотехногенные месторождения // Энциклопедия Забайкалья. Читинская область. В 4-х т. – Т. 2: А-3 / Колл. авт., Гл. ред. Р.Ф. Гениатулин, отв. ред. А.Б. Птицын, Г.А. Юргенсон. – Новосибирск: Наука, 2003. – С. 231-232.

15. Юргенсон Г.А. Геотехногенез и экологическая безопасность // Вестник [С.-Пб.: Междунар. академия наук экологии и безопасности жизнедеятельности]. – Т. 9. – Спец. вып.: 30 лет Чит. Гос. ун-ту, № 6. – С.-Пб. – Чита, 2004. – С. 160-164.

16. Юргенсон Г.А. Геохимия ландшафта. – Чита: Изд.-во ЗабГПУ, 2005. – 158 с.

17. Yurgenson G. A. Geotechnogenesis problems // J. Geosci. Res. NE Asia [Changchun, China], 2004 - Vol. 7. № 1. – P. 92-96.