1. минералого-геохимические процессы в техногенных и геотехногенных ландшафтах
| Вид материала | Документы |
- 1. минералого-геохимические процессы в природных и геотехногенных ландшафтах особенности, 1666.92kb.
- Ёнович минералого-геохимические особенности рудоносных метасоматитов и перспективы, 260.03kb.
- Минералого-геохимические особенности и условия формирования ископаемых углей Республики, 509.25kb.
- Занимающие около 1/5 части Пермской области, являются уникальными экосистемами по видовому, 153.35kb.
- 1 отделение профилактической медицины, 432.97kb.
- Геохимические методы поисков месторождений нефти и газа содержание учебной дисциплины, 74.47kb.
- Подытоживая приведенные выше примеры проявления техногенных аварий и катастроф, можно, 420.89kb.
- Задачи этапа №2 : Сопоставление ожидаемых показателей новой продукции после внедрения, 120.45kb.
- Вадим Александрович Чернобров родился в 1965 г в Волгоградской области закон, 2706.92kb.
- Геология, минералогия, геохимические методы поисков, 967.99kb.
1. МИНЕРАЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОГЕННЫХ И
ГЕОТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТАХ
ОЦЕНКА ТЕХНОГЕННО-МИНЕРАЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ ГОРНОГО
ПРОИЗВОДСТВА КАК ИСТОЧНИКОВ ЭМИССИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
Б.А. Бачурин
Горный Институт РАН, Пермь, Россия, bba@mi-perm.ru
ESTIMATION OF TECHNOGENIC-MINERAL FORMATIONS OF MINING AS SOURCES OF EMISSION OF HEAVY METALS
B.А. Bachurin
Mining Institute, Russian Academy of Science, Perm, Russia
Results of investigation of pollution level of mining and concentration wastes with heavy metals and their emission scale in natural geosystems are given.
Одной из особенностей техногенеза горнодобывающего профиля является резкая активизация масштабов поступления в биосферу токсичных компонентов. В качестве основных источников эмиссии загрязняющих веществ в природные геосистемы выступают отходы горного производства, образующиеся в процессе добычи и переработки минерального сырья и представляющие собой своеобразные техногенно-минеральные образования (ТМО). Разнообразие минералогического состава руд обуславливает широкий спектр используемых технологий рудоподготовки и обогащения, сочетающих различные режимы их измельчения, способы раскрытия минералов и отделения полезных компонентов от пустых пород. Формирующиеся в ходе данных процессов специфические геохимические обстановки (технологические геохимические барьеры [2]), приводят к концентрации в отходах соединений, многие из которых относятся к категории экотоксикантов. Особенно значительное преобразование геохимического облика образующихся отходов отмечается при использовании флотационного способа обогащения полезных ископаемых, отличительной особенностью которого является широкое использование различных органических соединений, способствующих формированию в ТМО сложных поликомпонентных органо-минеральных комплексов, не имеющих природных аналогов.
К числу приоритетных поллютантов большинства ТМО относится широкий круг токсичных микроэлементов (МЭ) и тяжелых металлов (ТМ), присутствующих в полезных ископаемых. Несмотря на значительный объем исследований, экологическое нормирование ТМО, как потенциальных источников потоков тяжелых металлов, часто затруднено, что обусловлено недостаточной изученностью форм их нахождения в составе минеральной фазы грунтосмесей и степени их геохимической подвижности. Как правило, в большинстве случаев оценивается только валовое содержание ТМ, значительная часть которых вследствие нахождения в структуре минеральной матрицы отходов является химически инертной и практически не участвует в миграционных процессах. Вместе с тем, при оценке экологической опасности важно знать не столько общее количество содержащихся в них вредных веществ, сколько возможную массу их перехода по цепочке «отходы → техногенные потоки загрязнителей → окружающая среда». Поэтому исключительно важное значение приобретает оценка геохимической подвижности соединений ТМ, то есть их способности переходить из твердой фазы в жидкую, мигрировать в природные ландшафты и поглощаться растительностью.
С целью уточнения вышеперечисленных аспектов выполнен комплекс эколого-геохимических исследований состава руд и отходов ряда горнодобывающих производств Урала (калийного, угледобывающего, меднорудного, хромитового, бокситового). Исследования включали оценку форм нахождения тяжелых металлов в ТМО и характера их перераспределения в системе «руда – отходы – стоки». Учитывая, что одним из основных факторов, влияющих на преобразование ТМО и масштабы эмиссии поллютантов в природные геосистемы, являются атмосферные осадки, комплекс исследований дополнен экспериментальным моделированием поведения систем «отходы – вода» (многократное последовательное растворение в дистилляте).
В настоящее время для оценки подвижных форм ТМ принято определение их содержания в различных вытяжках из грунтосмесей ТМО. В качестве экстрагентов используют воду, ацетатно-аммонийный буферный раствор и растворы кислот [1]. Наличие ТМ в водной вытяжке (водорастворимые формы) характеризует их миграционную активность в ионной форме и может использоваться для оценки возможных масштабов загрязнения гидросферы. Ацетатно-аммонийный буферный раствор моделирует действие почвенных растворов и позволяет оценить содержание подвижных форм ТМ, представленных водорастворимыми, ионообменными и непрочно сорбированными соединениями, доступными для питания растений. Содержание кислоторастворимых форм (извлекаемых горячим раствором 5н HNO3) позволяет предвидеть масштабы возможного усиления потока ТМ при изменении окислительно-восстановительных условий среды их нахождения, когда в мобильную форму будет переходить дополнительное их количество, представленное сульфидами и оксидами. Можно условно принять, что последняя фракция характеризует максимальное содержание потенциально-подвижных форм ТМ.
Как показали результаты исследований (табл.), доля кислоторастворимых форм ТМ в отходах, отражающая потенциальное количество миграционно-способных соединений, колеблется от 5 до 78% их валового содержания, при наиболее часто встречающихся значениях 10-30%. Доля подвижных форм ТМ обычно не превышает 10% валового содержания. Еще меньшее количество (не более 1.0-2.5%) приходится на водорастворимые соединения ТМ. Лишь в отходах, содержащих сульфидные минералы, содержание водорастворимых соединений ТМ достигает 5-18%, что связывается с процессами сернокислотного гидролиза, способствующего деструкции минеральной матрицы ТМО.
Таблица
Доля миграционно-способных форм тяжелых металлов (% от валового содержания) в отходах горного производства
| Формы ТМ | Ni | Cu | Zn | Cr | Mn | Co |
| Глинисто-солевые шламы калийного производства ВКМКС | ||||||
| Потенциально-подвижные | 78.3 | 47.2 | 61.7 | 24.5 | 32.3 | 68.5 |
| Подвижные | 31.6 | 22.2 | 22.3 | 4.3 | 31.8 | 21.5 |
| Водорастворимые | 0 | 0.24 | 0.62 | 0.57 | 0 | 1.1 |
| Хвосты обогащения Сарановского месторождения хромитов | ||||||
| Потенциально-подвижные | 19.5 | 10.2 | 33.6 | 1.0 | 19.7 | 14.0 |
| Подвижные | 1.9 | 3.7 | 1.8 | <0.1 | 4.2 | 0 |
| Водорастворимые | 0,1 | 0 | 0.3 | 0 | 0.1 | 0 |
| Породные отвалы Кизеловского угольного бассейна | ||||||
| Потенциально-подвижные | 26.5 | 10.5 | 9.6 | 8.4 | 7.6 | 26.4 |
| Подвижные | 6.1 | 1.3 | 3.4 | 2.3 | 2.6 | 5.1 |
| Водорастворимые | 1.4 | 0.3 | 0.9 | 0.2 | 0.7 | 1.9 |
| Породные отвалы Северо-Уральского бокситового района | ||||||
| Потенциально-подвижные | 34.4 | 11.9 | 13.3 | 27.6 | 5.1 | 33.6 |
| Подвижные | 9.2 | 1.2 | 1.8 | 6.0 | 1.4 | 7.8 |
| Водорастворимые | 0.7 | 0.1 | 0.2 | 2.0 | <0.1 | 0.7 |
Полученные данные свидетельствуют, что подвижные формы ТМ, способные принимать участие в техногенных потоках рассеяния и поглощаться биотой, составляют лишь незначительную часть от их общего количества, содержащегося в отходах горного производства. В связи с этим, высокие масштабы эмиссии ТМ, приводящие к сверхнормативному загрязнению природных геосистем, фиксируется лишь в случае аномально высокого содержания в ТМО их подвижных соединений. Так для отходов добычи и обогащения медноколчеданных руд (Гайский ГОК) очень высокое содержание в подвижной форме имеют медь (превышение ПДК почв в 19-52 раза), свинец (превышение фона в 10-18 раз) и цинк (превышение фона в 3-6 раз). Для хромитовых отходов характерны повышенные содержания подвижных форм цинка, никеля и меди, превышающие гигиенические нормативы в 4-10 раз.
Другой стороной процессов техногенеза являются особенности трансформации складируемых ТМО под влиянием гипергенных факторов, приводящих к активизации процессов рассеяния ТМ. В условиях поверхностного складирования ТМО приоритетным фактором, регулирующим процессы миграции ТМ, является выщелачивание твердой фазы отходов атмосферными осадками. Результаты экспериментального моделирования поведения систем «отходы – вода» показывают, что при последовательном многоэтапном воздействии воды, наряду с механическим растворением, в отходах протекают разнообразные деструктивные и синтетические реакции физико-химической природы, приводящие к повышению геохимической подвижности ТМ и увеличению содержания их миграционно-способных форм. Вода выступает при этом не только как растворяющая и транспортирующая поллютанты среда, а как активный реагент, способствующий разрушению прочносвязанных с минеральной матрицей комплексов и переводом соединений в подвижные формы.
Экспериментально установлено, что после взаимодействия с водой содержание в породах кислоторастворимых, подвижных и водорастворимых форм ТМ может увеличиваться в 2-6 раз по сравнению с исходной концентрацией (рис.).
Рис. Изменение содержания водорастворимых форм тяжелых металлов в отходах горного
производства при многократном воздействии на них водной среды (I в – исходная порода,
II в, III в, IV в – порода после последовательных водных вытяжек)
Наиболее интенсивно это происходит в отходах, содержащих сульфидные минералы, что объясняется влиянием процессов сернокислого гидролиза на высвобождение этих элементов из связанного состояния и образование большого количества геохимически активных соединений. В целом, для всех исследованных отходов после взаимодействия с водой отмечено увеличение содержания кислоторастворимых и водорастворимых форм ТМ, что отражает новообразование потенциально подвижных соединений.
Это позволяет сделать вывод, что атмосферные осадки выступают в качестве основного фактора, способствующего переводу части иммобильных соединений металлов в миграционно-способное состояние и значительному увеличению масштабов эмиссии ТМ в составе техногенных потоков рассеяния. Вместе с тем, необходимо учитывать, что процесс трансформации состава отходов при их взаимодействии с водой носит весьма сложный характер, связанный с влиянием большого количества факторов на характер протекания различных гидролитических процессов. Важную роль в этих процессах играют тип минеральной ассоциации ТМО (оксидный, сульфидный, карбонатный и т.д.), кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия среды и многие другие факторы, сочетание которых значительно затрудняет теоретическое прогнозирование изменений в этих системах.
Обобщение полученных данных свидетельствуют, что наибольшей растворимостью в воде обладают соединения стронция, кадмия, кобальта, меди и никеля. Соединения марганца, хрома, свинца и железа в основном связаны с нерастворимой частью минеральной матрицы пород и из большинства исследованных отходов выщелачиваются в незначительных количествах (не более 1,5% от суммарного содержания их потенциально-подвижных форм).
Таким образом, результаты проведенных исследований свидетельствуют, что при оценке масштабов возможной эмиссии тяжелых металлов из отходов горно-обогатительного производства необходимо учитывать не только природную литоэкологичность (геотоксичность) полезных ископаемых [4], но и особенности геохимического преобразования минерального сырья в технологических процессах и трансформацию образующихся ТМО под воздействием гипергенных факторов [3]. Данные процессы довольно часто приводят к коренной перестройке структуры ТМО и могут оказывать значительное влияние на геохимическую активность и миграционную способность содержащихся в них поллютантов.
Литература
1. Антипов М. А., Голицын М. С. Подвижные формы тяжелых металлов в почвах и грунтах зоны аэрации // Геоэкологические исследования и охрана недр: Обзор. – М.: ООО «Геоинформцентр», 2002. – 64 с.
2. Бачурин Б.А. Технологическая экогеохимия горного производства // Горный информационно-аналитический бюллетень. – М.: МГГУ. – 2006. – № 8. – С. 148-153.
3. Бачурин Б.А. Геохимическая трансформация отходов горного производства // Минералогия техногенеза-2007. – Миасс: ИМин УрО РАН. – 2007. – С. 177-188.
4. Иванов В. В. Экологическая геохимия элементов: Справочник. В 6 кн. Кн. 1. – М.: Недра, 1994. – 304 с.