ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ В ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ЛАНДШАФТАХ СТЕПНОЙ ЗОНЫ ЮЖНОГО УРАЛА

HEAVY METALS IN MINING LANDSCAPES OF A STEPPE ZONE IN SOUTH URAL

 

В.Н.Удачин1, П.Г.Аминов1, В.В.Дерягин2, А.Ю.Кисин3, Г.Ф.Лонщакова1, Л.Г.Удачина1

V.N.Udachin1, P.G.Aminov1, V.V.Deryagin2, A.Yu.Kisin3, G.F.Lonshakova1, L.G.Udachina1

1Институт минералогии УрО РАН

(456317 г. Миасс, Челябинской области, Ильменский заповедник)

Institute of Mineralogy UB RAS

(456317 Miass, Chelyabinsk district, Il’men reserve, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.)

2Челябинский государственный педагогический университет

(454080 г. Челябинск, пр. Ленина 69)

Chelyabinsk state pedagogical University

(454080 Chelyabinsk, 69 Lenin pr., Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.)

3Институт геологии и геохимии им. акад. А.Н. Заварицкого УрО РАН

(620075 г. Екатеринбург, пер. Почтовый, 7)

Zavaritchki’ Institute of Geology and Geochemistry UB RAS

(620075 Yekaterinburg, 7 Pochtovy’ per., Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.)

 

Приведены данные о закономерностях распределения тяжелых металлов в техногенно трансформированных ландшафтах Оренбургской области (на примере Медногорской геотехнической системы). Распределение элементов халькофильной группы в атмосферной пыли в зимний период на 3 порядка превышает фоновые значения для Южного Урала. В вертикальных профилях почв наблюдается аккумулятивно-техногенный тип накопления потенциальных токсикантов. Новые гидроресурсы геотехнической системы представлены карьерными озерами с аномальным спектром микроэлементов по концентрациям.

The data on the patterns of distribution of heavy metals in technogenic landscapes transformed by the Orenburg region (for example Mednogorsk geotechnical systems). The distribution of chalcophile elements in the group of atmospheric dust in the winter to 3 orders of magnitude higher than background values in the Southern Urals. In the vertical profiles of soil is observed accumulation type man-made accumulation of potential toxins. New hydropower system are presented geotechnical career lakes range of trace elements with anomalous concentrations.

Степная зона Южного Урала характеризуется предприятиями горнопромышленного комплекса, в которых совмещены процессы добычи, обогащения полезных ископаемых и пирометаллургии. Под влиянием техногенеза в регионе происходят процессы изменения природной атмосферной миграции микроэлементов, их накопления и трансформации в депонирующих средах, происходит аномальное накопление тяжелых металлов, сопровождающее процессы техногенеза. Активные процессы горнопромышленного техногенеза, с образованием масштабных ореолов техногенного рассеяния халькофильных элементов, протекают в районах эксплуатации колчеданных месторождений в степной зоне Южного Урала.  На высокий природный фон микроэлементов в горных породах, почвах и растительности накладывается техногенная компонента, обусловленная атмосферным переносом тонкодисперсного материала от мест расположения отходов добычи, обогащения руд  и медеплавильного производства. Природные ландшафты трансформируются в природно-техногенные с формированием в узлах горнопромышленной деятельности геотехнических систем (ГТС). Типичным примером ГТС, сформированной в условиях степной зоны, является Медногорская ГТС в Оренбургской области.

Результаты анализа количества атмосферной пыли и поэлементной нагрузки в расчете на единицу площади в горнопромышленных ландшафтах в зоне воздействия Медногорской ГТС базируются на анализе снегового покрова (рис. 1). Количество снеговой пыли, как отражение содержания грубодисперсного аэрозоля в атмосфере региона в зимний период, для западных и восточных склонов, центральной области Уральского хребта находится в диапазоне от 10 до 15 мг·м2/сутки и соответствует модулям поступления атмосферной пыли фоновых территорий для центральных районов России, нечерноземной зоны [1] и Западной Сибири [5]. Трехкратное увеличение пылевой нагрузки на единицу площади в условиях Зауральской степи обусловлено специфическими процессами ветрового переметания снега и повышенной эрозионной активности обнаженных участков почвенного покрова равнинных безлесистых поверхностей в зимний период. В условиях импактной зоны Медногорской ГТС модули поступления атмосферной пыли возрастают на два порядка и превышают величины 1000 мг·м2/сутки (рис. 1). Величины нагрузки по халькофильным элементам в зимний период для пары фон/техногенез (в мг·м2/сутки) составляют для Cu – 2/600, Zn – 4/700, As – 0.3/20, Pb – 0.8/80.

Размерность техногенных соединений в атмосфере ГТС и их химический состав имеет решающее значение для оценки потенциальной биодоступности микроэлементов и оценки рисков. Величины эквивалентного сферического диаметра 1432 частиц с преобладанием в атмосфере в момент отбора пыли шахтной плавки имеют медианные значения 120 мкм. Основой минерального состава в таких сухих атмосферных выпадениях являются сульфиды Cu, Zn, Pb с примесью Cd, Se, Bi, Sb, As (в составе пыли концентратов, не дошедших до зоны плавки и поступающих в атмосферу в составе «золы дальнего уноса») и новообразованные Cu-Zn-шпинель, фаялит с субмикронными каплевидными включениями Cu-Zn-штейна, гематит. Эквивалентный сферический диаметр 1187 частиц с преобладанием в атмосфере в момент отбора пыли конверторов не превышает 0.5 мкм при медианном значении 0.37 мкм [7]. В минеральном составе преобладают цинкит, англезит, ганнингит. Иногда примесные сульфаты представлены халькантитом. Учитывая мельчайшую размерность частиц, большое количество минеральных фаз с высокой долей водорастворимых сульфатов халькофильных элементов, следует отнести техногенные соединения в атмосфере Медногорской ГТС к категории высокого риска. 

Рисунок 1. Величины пылевой и поэлементной нагрузки основных ландшафтно-климатических зон и геотехнических систем Южного Урала. 

На исследуемой территории преобладающим развитием пользуются черноземы неполноразвитые и горные степной зоны разнотравно-злаковых и ковыльных растительных сообществ. Этот тип зональных почв имеет редуцированный профиль со слабо выраженным иллювиальным горизонтом, высокую степень насыщенности основаниями, достаточно высоким содержанием органического углерода в гумусово-аккумулятивных горизонтах, реакцию рН, слабо сдвинутую в щелочную область. В условиях природных ландшафтов в этом типе почв отсутствуют разности с рНводн. ниже 6.0, что при существующей актуальной кислотности не приводит к появлению в составе обменных оснований Al3+ и H+. В импактных зонах ГТС под влиянием кислых атмосферных осадков и больших количеств полуокисленных соединений серы формируется волна почвенной кислотности, которая приводит к появлению в составе обменных катионов почв Al3+ в количестве от 2 до 40 мг?экв/100 г и обменного H+ в таком же диапазоне концентраций. Эти процессы закисления верхних горизонтов почв фиксируются по величине водородного показателя, который не превышает 4.8 и гидролитической кислотности в диапазоне от 25 до 40 мг?экв/100 г.

В почвах Медногорской ГТС приходная часть бюджета халькофильных элементов в значительной мере обусловлена пылевой составляющей процессов пирометаллургического передела. Формируются аномальные почвы с типичным техногенно-аккумулятивным типом распределения элементов в гумусово-аккумулятивных горизонтах (рис. 2).

Рисунок 2. Вертикальное распределение концентраций халькофильных элементов и фактора обогащения (EF) в почвенных разрезах степной (Б) зоны при горнопромышленном техногенезе 

Фракционный состав элементов в техногенных почвах, определенный по данным селективных химических экстракций [6], свидетельствует о преобладающих формах связи Cu, Zn, Pb, Cd преимущественно с фракцией гидроксидов Fe и Mn и органической матрицей (рис. 3).

Рисунок 3. Формы нахождения халькофильных элементов в гумусово-аккумулятивных горизонтах техногенных почв Медногорской ГТС по результатам селективных химических экстракций

Карьерные озера Южного Урала, формирующиеся после окончания эксплуатации месторождения и прекращения водоотлива, являются неотъемлемым структурным блоком ГТС, представляют собой новые гидроресурсы ГТС и проходят все стадии развития техногенеза [2, 3, 4]. Процессы окисления сульфидной массы оставшихся фрагментов рудных тел после эксплуатации месторождений приводят к формированию кислой среды в диапазоне рН от 2.8 до 3.5. При глубине колонны воды на регрессивной стадии техногенеза в 40–45 м, кислой среде и высоком содержании всех макро- и микроэлементов, возникает хорошо выраженная стратифицированность в распределении параметров (рис. 4).

Рисунок 4. Физико-химические параметры в колоннах воды карьерных озер Южного Урала в зимний (А) и летний период (Б) (Разбросы значений для  карьерных озер Блява, Яман-Касы, Куль-Юрт-Тау, металлы на примере  карьерного озера Блява). 

До глубины 5–7 м в окисленной зоне с хорошей аэрацией в любой климатический оптимум существует контрастный слой в виде миксолимниона, который объединяет эпилимнион и гиполимнион. Ниже контрастно выраженного хемоклина (граница проводится по резкому падению содержаний кислорода, изменению окислительно-восстановительного потенциала, величины электропроводности и отношения Fe2+/Fe3+) расположен монимолимнион с анаэробными условиями, который не включается в процессы перемешивания водных масс в течение года. Таким образом, по результатам химического анализа 86 проб воды и замеров 252 параметров в колоннах воды установлено, что новые гидроресурсы уральских ГТС (на примере Медногорской ГТС) представлены техногенными карьерными озерами меромиктного типа (рис. 4).

Исследования выполнены при финансовом содействии проекта 7ой рамочной программы Евросоюза (проект ImpactMin № 244166), проекта совместных исследований СО–УрО РАН (№ 12-С-5-1037), проектов поддержки фундаментальных исследований УрО РАН (№ 12-И-5-2018, № 12-И-5-2060 и № 12-М-45-2072), тематического плана ЮУрГУ № 1.908. 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

  1. Геохимия окружающей среды (под редакц. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. и др.). М.: Недра, 1990. 335 с.
  2. Емлин Э.Ф. Техногенез колчеданных месторождений Урала. Свердловск: УрГУ. 1991. 256 с.
  3. Емлин Э.Ф.Кадмий в геотехносфере Урала. Екатеринбург: УГГА. 1997. 283 с.
  4. Филиппова К.А., Дерягин В.В. Гидрохимия карьерных озер Бакальской геотехнической системы (Южный Урал) // Водные ресурсы. 2005. Т. 32. № 4. С. 470–476.
  5. Язиков Е.Г. Экогеохимия урбанизированных территорий юга Западной Сибири: автореф. дис. … докт. геол.-мин. наук. Томск, 2006. 48 с.
  6. Tessier A., Campbell P.G.C., Bisson M. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals // Analytical chemistry, 1979. V. 51. № 7. P. 844–851.
  7. Williamson B.J., Udachin V.N., Purvis O.W., Spiro B., Cressey G., Jones G.C. Characterisation of airborne particulate pollution in the Cu smelter and former mining town of Karabash, South Ural mountains of Russia // Environ. Monit. Assess., 2004. V. 98. P. 235–259.

Для того чтобы оставить комментарий вы должны авторизоваться на сайте! Вы также можете воспользоваться своим аккаунтом вКонтакте для входа!