авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Геохимия взаимодействия рудничного дренажа с природными водоемами как естественными гидрохимическими барьерами

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

КОРНЕЕВА Татьяна Владимировна

ГЕОХИМИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РУДНИЧНОГО ДРЕНАЖА

С ПРИРОДНЫМИ ВОДОЕМАМИ КАК ЕСТЕСТВЕННЫМИ ГИДРОХИМИЧЕСКИМИ БАРЬЕРАМИ

25.00.09 – геохимия, геохимические методы

поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

Новосибирск 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения РАН

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, профессор Бортникова Светлана Борисовна

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук, профессор Колонин Герман Разумникович

кандидат геолого-минералогических наук, доцент Удачин Валерий Николаевич

Ведущая организация: Институт геохимии им. А.П.Виноградова СО РАН

Защита диссертации состоится 15 июня 2010 г. в 10 час. на заседании диссертационного совета Д 003.067.02 при Учреждении РАН Институте геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр. ак. В.А. Коптюга, 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института

Автореферат разослан 14 мая 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор геолого-

минералогических наук О.Л. Гаськова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Техногенные потоки рудничного дренажа представляют собой проблему мирового масштаба, поскольку складированные отходы добычи и переработки руд являются постоянным источником многих токсичных элементов, выносимых в окружающую среду водным транспортом. Вследствие окисления сульфидов, содержащихся в отходах, образуются сульфатные воды различной кислотности с высоким содержанием железа, марганца и других химических элементов (Zn, Cd, Cu, Pb, Al и др.), которые резко отличаются от природных речных вод по физико-химическим условиям, уровню минерализации, лидирующим макрокомпонентам, содержанию рудных и литофильных элементов. Техногенные потоки включаются в гипергенные циклы миграции, в результате чего существенным образом меняется не только гидрохимический тип природных вод, но и состояние ландшафтов на сопредельных территориях.

В настоящее время все большее значение придается исследованию проблем образования антропогенных ореолов, кинетики и динамики окисления сульфидных отходов и механизмов переноса металлов в потоках (Banks, 1997, 2004; Nordstrom, 1999-2001; Hammarstrom et al., 2000-2005; Younger et al., 2002; Blowes, 2003; Lottermoser, 2007). В России проблемы техногенных объектов наиболее активно изучаются применительно к уральскому региону (Чесноков и Бушмакин, 1995; Удачин, 2002; Ершов, 1996), на Дальнем Востоке (Елпатьевский, 1993; Зверева, 2004, 2005), в Сибири (Плюснин и Гунин, 2001; Бортникова и Гаськова, 2003, 2006 и др.). Однако изучению гидрохимических барьеров (каковыми являются природные водоемы, реки, ручьи) при впадении в них рудничного дренажа уделено недостаточное внимание, в то время как их значение для техногенно-природных ландшафтов очень велико. Зоны контакта техногенных потоков с речными водами – это динамически неравновесные системы, для которых характерно формирование геохимических барьеров различного типа – щелочно-кислотных, гидроксидных, сорбционных. В процессе гидролиза происходит хемогенное стадийное формировние Fe- и Al-осадков, включая образование рентгено-аморфных гидрогетитов и гидроалюмогетитов (Перельман и др., 1999). Эти процессы обуславливают трансформацию миграционных форм техногенных элементов в системе «раствор - донные осадки», но не приводят к полному выведению рудных элементов из миграции, поскольку основная часть закрепляется в составе адсорбированных, обменных, легкоизвлекаемых соединений.

Основная цель работы заключалась в определении геохимических механизмов взаимодействия в системе «рудничный дренаж – природные водоемы» с оценкой последствий их влияния на гидрохимический состав вод.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи.

  1. Определение геохимических особенностей различных типов рудничных вод, образующихся в геотехнических системах.
  2. Выяснение закономерностей вторичного минералообразования в техногенных потоках как основного фактора выведения металлов из растворов.
  3. Выявление закономерностей изменения концентраций химических элементов на гидрохимических барьерах в зонах смешения антропогенных потоков и природных вод.
  4. Оценка сравнительной подвижности элементов в системе «рудничный дренаж – природный водоем» как способ предсказания распространения химических элементов в окружающей среде. Характеристика макро- и микрокомпонентов с точки зрения их консервативного поведения или временной устойчивости (нестабильности) их минеральных фаз.

Фактический материал и методы исследований. В основу диссертационной работы положены результаты исследований, выполненные лично автором и совместно с сотрудниками лабораторий ИГМ СО РАН, ИНГГ СО РАН и Институтом минералогии УрО РАН в период 2006-2008 гг. на территории г. Салаир (Кемеровская обл.), г. Карабаш (Челябинская обл.) и г. Медногорск (Оренбургская обл.). Всего было проанализировано 50 проб воды и 45 проб донных отложений (всего 2500 элементоопределений).

Методы исследований включают в себя сбор фактического материала (вода, донные осадки), анализ образцов на общий химический (потенциометрические и титриметрические методы), элементный (ИСП-АЭС, РФА-СИ) и минеральный состав (электронно-сканирующая спектроскопия), расчетное моделирование химических форм нахождения элементов в растворе.

Научная новизна. Проведенные исследования позволили получить новые знания об особенностях поведения химических элементов в зонах смешения антропогенных стоков и природных вод.

1. Количественно описаны механизмы взаимодействия техногенных потоков разной кислотности и происхождения с различными типами вод на гидрохимических барьерах:

  • нейтральный дренаж – нейтральные воды;
  • кислый дренаж – нейтральные воды;
  • кислый дренаж – кислое озеро.

2. Определены вторичные минеральные формы и фазы, образующиеся на гидрохимических барьерах, и показана их роль в выведении химических элементов из растворов;

3. Проведена сравнительная оценка буферной емкости гидрохимических барьеров с разными физико-химическими условиями.

Достоверность защищаемых положений обеспечена необходимым количеством проб, изученных современными высококачественными аналитическими методами, что является достаточным для статистической и геохимической оценки.

Практическая значимость. Полученные данные могут быть применены при оценке эффективности естественных геохимических барьеров (рек и водоемов) при впадении в них рудничных стоков разной кислотности и состава. Также данная работа может послужить основой для разработки последующих технологических мероприятий по созданию искусственных барьеров для нейтрализации кислых рудничных вод.

На защиту выносятся следующие защищаемые положения.

  1. Геохимический состав ручьев, дренирующих складированные отходы обогащения руд, определяется кислотностью растворов в источнике. Наиболее зависимым параметром от значений рН в растворах является содержание металлов (Fe, Al, Zn, Cu, Cd). Общая минерализация и анионный состав регулируются длительностью взаимодействия «раствор – твердое вещество».
  2. Миграционные пути химических элементов в техногенных потоках обусловливаются циклическими процессами осаждения и растворения минеральных фаз. Концентрация железа является определяющим фактором при выведении металлов из растворов: даже в кислой среде (рН = 3.5) образование гидроксидов железа ведет к снижению концентраций металлов более, чем на порядок за счет пропорциональной сорбции катионных и нейтральных комплексов.
  3. На гидрохимическом барьере увеличение значений pH в растворах на единицу вызывает снижение суммарных концентраций металлов в 2 – 5 раз; при увеличении рН на 3 единицы концентрации металлов снижаются на 2 порядка, благодаря чему металлы выводятся из миграционного потока за короткое время на коротких дистанциях. Однако существуют дренажные потоки с экстремально высокими концентрациями металлов, для которых буферирующие свойства природного водоема оказываются не эффективными.

Личный вклад автора заключается в отборе проб воды и донных осадков, проведении полевых и части лабораторных измерений, расчете форм нахождения элементов в растворе, интерпретации полученной информации.

Апробация работы. Основные результаты работы по теме диссертации были доложены и обсуждены на XLII и XLIII Международных научных студенческих конференциях «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск 2004, 2005), Сибирской междунар. конф. мол. ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2004, 2008), 6-ом Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2005), Всеросс. науч. конф. (Казань, 2005), междунар. конф. «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2005), Молодежной школе-конференции по геоэкологии (Санкт-Петербург, 2007), XII и XIV Междунар. симпозиумах им. ак. М.А. Усова студентов и молодых ученых (Томск, 2008, 2010).

По теме диссертации опубликовано 2 статьи в рецензируемых журналах, включенных в Перечень ВАК, 5 статей в сборниках материалов научных конференций, 1 статья в электронном сборнике и 1 тезис доклада.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из Введения, четырех глав и Заключения. Объем работы составляет 175 страниц, включая 42 таблицы и 70 рисунков. Список литературы состоит из 100 наименований.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю д.г.-м.н., профессору С. Б. Бортниковой за внимание, непосредственную помощь в организации и выполнении работ, ценные советы и обсуждения. За ценные рекомендации автор признателен д.г.-м.н. О.Л. Гаськовой. За конструктивную критику автор благодарит зав. лабораторией чл.-корр. РАН В.А. Верниковского, д.г.-м.н. А.Е. Верниковскую, д.г.-м.н. Г.Н. Аношина, к.г.-м.н. Ю.К. Советова. Проведение экспедиционных работ не было бы возможным без руководителей полевых отрядов к.г.-м.н. Е.П. Бессоновой, к.г.-м.н. А.Я. Шевко и его участников: к.г.-м.н. Н.В. Юркевич, О.П. Саевой, А.В. Еделева, Н.А. Присекиной, а также коллектива лаборатории минералогии техногенеза и геоэкологии Института Минералогии УрО РАН. За помощь при подготовке и анализе проб автор благодарит Ю.П. Колмогорова, В.Н. Шепелину, Л.Б. Трофимову, Н.В. Андросову, С.Ф. Нечепуренко.

Глава 1. Общая характеристика и особенности геохимического состава рудного дренажа в районах горнорудного производства. В первой главе дан обзор степени изученности проблемы, связанной со складированием вещества при разработке сульфидных месторождений, геохимии процессов окисления сульфидных отходов, формирования кислого дренажа и механизмов переноса и накопления металлов в потоках.

Глава 2. Характеристика объектов исследования. Объекты исследования были выбраны так, чтобы они удовлетворяли трем физико-химических обстановкам в зонах смешения: а) кислый ручей впадает в кислый водоем; б) кислый – в нейтральный; в) нейтральный (слабощелочной) – в воды с нейтральными значениями pH.

Кемеровская, Челябинская и Оренбургская области, где находятся исследуемые антропогенные потоки, характеризуются высоким уровнем промышленного развития и неблагополучной экологической обстановкой, особенно в районах с предприятиями черной и цветной металлургии. Обзор исследованных геотехнических систем, а именно зон смешения рудничных вод с природными, в России, и в частности, на территории Кемеровской (г. Салаир), Челябинской (г. Карабаш) и Оренбургской областей (г. Медногорск), показывает, что они характеризуются недостаточной изученностью геохимического состава, а также форм нахождения элементов и устойчивости/нестабильности их минеральных фаз в растворе и подвижности при переходе из донных осадков.

Дренажные ручьи Салаирского рудного поля (г. Салаир, Кемеровская обл.), объединяющего несколько барит-полиметаллических месторождений. Ручьи Водопадный и Березовый являются дренажом действующего хвостохранилища Салагаевский лог и впадают в р. Малая Талмовая (см. вкл. рис. 1). Они дренируют по всему телу хвостов, хотя сток предполагался по трубам из дренажных колодцев. Ручей Екатерининский представляет собой выход рудничных вод из старинной законсервированной штольни Екатерининской и впадает в ту же реку. Ручей Карьерный просачивается по трещиноватым породам зоны окисления и выходит в борту действующего Новосалаирского карьера, попадая в карьерное озеро Южное. Все четыре ручья взаимодействуют с веществом приблизительно одного и того же состава.

Подотвальные воды Блявинского медно-колчеданного месторождения (г. Медногорск, Оренбургская обл.). Мощное техногенное воздействие испытывает гидросфера Медногорского территориально-промышленного комплекса, которая формируется водотоками бассейна р. Урал: реками Курган, Блява, Херсонка, Жирикля и их притоками. Основной техногенный прессинг связан с деятельностью Медногорского медно-серного комбината, который выпускает черновую и рафинированную электролизную медь, драгоценные металлы, серную кислоту и другую продукцию. В рассматриваемой ГТС основные миграционные потоки, формирующие техногенную аномалию токсичных элементов, связаны с кислыми рудничными водами с отвалов вскрышных пород и некондиционных руд Блявинского и Яман-Касинского месторождений. Все ручьи впадают в реки Жирикля и Херсонка, которые являются притоками второго порядка р. Блява (см. вкл. рис. 2).

Дренажный ручей Карабашской промзоны (г. Карабаш, Челябинская обл.). Территория Карабашской промзоны вмещает в себя хвостохранилища и шламонакопители, образованные при сбросе отходов обогащения руд. Эти отходы, расположенные в долине р. Сак-Елга, характеризуются высоким содержанием сульфидов, в основном, пирита и, окисляясь, формируют агрессивные техногенные воды (см. вкл. рис. 3).

Глава 3. Методология исследований. В главе описаны методы исследования, включающие отбор проб воды и донных осадков из дренажных ручьев, зон смешения и природных рек, спектрометрические и классические методы аналитической химии для определения элементного, анионного и минерального составов проб, физико-химическое моделирование для расчета форм нахождения элементов в растворе. Все работы осуществлялись в следующей последовательности.

  1. Отбор проб воды и донных осадков из техногенных ручьев Салаирского рудного поля, Блявинского месторождения и Карабашской промзоны, зон смешения и водоемов, в которые они впадают.
  2. Полевые измерения значений рН и Eh в водных пробах на месте, фильтрование и консервирование проб для последующего анализа на микроэлементы.
  3. Измерение концентраций: а) основных макроанионов (Cl-, HCO3-, SO42-) титриметрическими и турбидиметрическим методами; б) макро- (Ca, Mg, K, Na, Al, Si) и микроэлементов (Mn, Fe, Cu, Zn, Cd, Ni, Co, Pb, As, Sb) методом атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-АЭС) в водных пробах.
  4. Анализ донных осадков рентгенофлюоресцентным (РФА) и рентгенофлюоресцентным с синхротронным излучением (РФА-СИ) методами на содержание ряда элементов (Si, Ti, Al, Fe, Mn,Ca, Mg, K, Na, P, Ba, Cu, Zn, Cd, Ni, Co, Pb, Ag, As, Sb).
  5. Определение минерального состава тяжелой фракции донных осадков методом электронно-сканирующей микроскопии (Jeol JSM-638OLA).
  6. Физико-химическое моделирование химических форм нахождения элементов в растворе и донных осадках при помощи программы WATEQ4F (Ball and Nordstrom, 1991). Одновременно рассчитывались индексы насыщения (ИН), указывающие на потенциальную недосыщенность или пересыщенность раствора по отношению к различным минеральным фазам:

ИН = lg(IAP/KT),

где IAP – равновесная концентрация соединения в растворе, мг/л; KT – константа растворимости соединения при заданной температуре, мг/л.

Если ИН = 0, то раствор находится в равновесии с твердой фазой. При ИН > 0, раствор пересыщен по отношению к данному минералу, и возможно его осаждение. При ИН < 0 раствор недонасыщен по отношению к минеральной фазе, она будет растворяться.

Для оценки подвижности элементов в системе вода - донный осадок были использованы коэффициенты распределения (Tessier et al., 1989):

,

где [Me]твердое, [Me]раствор – концентрации элемента в твердом осадке и в растворе соответственно. Чем ниже Краспр, тем мобильнее элемент в системе.

Глава 4. Результаты исследования геохимии поверхностных вод и донных отложений. Приводятся данные по физико-химическим условиям, основному ионному, элементному составу воды, распределению химических форм нахождения элементов в растворе и сосуществующей твердой фазе, составу донных осадков изучаемых водотоков.

4.1. Зона смешения, удовлетворяющая типу «кислый ручей - кислое озеро».

Кислый ручей Карьерный, Салаирской группы, относится к сульфатному классу, техногенному Ca-Mg-Zn типу со средней минерализацией.

Карьерный ручей


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.