научная статья по теме ВТОРИЧНОЕ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЕ В ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ КОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ФАЗЫ (FЕ,MG)SO4 · 7H2O ПРИ ОКИСЛЕНИИ СУЛЬФИДОВ ДЕГТЯРСКОГО МЕДНО-КОЛЧЕДАННОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ Геология

Текст научной статьи на тему «ВТОРИЧНОЕ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЕ В ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ КОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ФАЗЫ (FЕ,MG)SO4 · 7H2O ПРИ ОКИСЛЕНИИ СУЛЬФИДОВ ДЕГТЯРСКОГО МЕДНО-КОЛЧЕДАННОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ»

ГЕОХИМИЯ, 2014, № 2, с. 178-192

ВТОРИЧНОЕ МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЕ В ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ КОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ФАЗЫ

(Fe,Mg)SO4 • 7H2O при окислении сульфидов дегтярского

МЕДНО-КОЛЧЕДАННОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ © 2014 г. С. Н. Елохина*, Б. Н. Рыженко**

*ОАО "Уральская гидрогеологическая экспедиция" 620041 Екатеринбург, ул. Основинская, 7 e-mail: elohina_s@uralexp.ru **Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991 Москва, Косыгина, 19 e-mail: ryzhenko@geokhi.ru Поступила в редакцию 10.02.2012 г Принята к печати 25.07.2012 г.

На примере выведенного из эксплуатации Дегтярского медно-колчеданного месторождения (Урал) подтверждено предположение, что при затоплении отработанных горных выработок образуются вторичные сульфаты. Методом компьютерного моделирования гидрогеохимических процессов в системе "порода—вода", имитирующей затопленное подземное пространство, реконструированы условия образования фаз (Fe,Mg)SO4 • 7H2O (кировит) и FeSO4 • 7H2O (мелантерит) за счет окисления рудных сульфидов. Формирование вторичных сульфатов начинает происходить при смене окислительно-восстановительного потенциала системы с восстановительного на окислительный, но в поле устойчивости форм Fe(II). Отношение Fe/Mg в (Fe,Mg)SO4 • 7H2O (кировит) зависит, главным образом, от доли сульфидных минералов в общем составе системы "порода—вода", отношения масс порода/вода, степени открытости системы к газам атмосферы и температуры.

Ключевые слова: геоэкология, гидрогеохимия, колчеданные месторождения, окисление сульфидов, моделирование.

Б01: 10.7868/80016752514020058

ВВЕДЕНИЕ

При описании гидрогеохимических условий на участках колчеданных месторождений, нарушенных горнорудным производством, в техногенной зоне аэрации подземных горных выработок было установлено накопление вторичных минералов, в основном, водных сульфатов металлов [1—4]. При затоплении таких выработок растворение образовавшихся вторичных минералов отражается на составе шахтных вод как в подземных выработках, так и на изливе.

В представленной работе, используя накопленную геолого-геохимическую информацию и возможности метода компьютерного моделирования гидрогеохимических процессов, мы пытаемся реконструировать параметры образования фаз (М§,Ре)804 • 7Н20 и Бе804 • 7Н20 по сульфидным рудам Дегтярского медно-колчеданного месторождения.

Известно существование моноклинной фазы Бе804 • 7Н20 (мелантерит), ромбичекой фазы Бе804 • 7Н20 (таурисцит), ромбической фазы М§804 • 7Н20 (эпсомит), а также твердого раствора (М§,Бе)804 • 7Н20 (кировит). Согласно природным наблюдениям существуют преимущественные составы смеси М§ и Бе компонентов [2]. Но нет ясности в вопросе, являются ли природные составы твердого раствора (М§,Бе)804 • 7Н20 (киро-вит) результатом несмесимости или результатом формирования природных образцов при определенных параметрах среды (окисления сульфидов). Наша задача количественно оценить результаты техногенного вмешательства в природные механизмы выветривания на примере Дегтярского медно-колчеданного месторождения.

Дегтярское медно-колчеданное месторождение

расположено в пределах водосборной площади Волчихинского водохранилища, которое является основным источником питьевого водоснабже-

Рис. 1. Гидрографическая схема Дегтярского месторождения.

ния г. Екатеринбурга. Месторождение эксплуатировалось с 1914 по 1994 гг. Максимальная глубина горных работ — 610 м, величина водопритока в последние годы эксплуатации составляла в среднем 5.3 тыс. м3/сут. Шахтный водоотлив был прекращен 21 октября 1995 года и к 1999 году заполнение депрессионной воронки завершилось. В настоящее время шахтные воды изливаются из карьера шх. Колчеданной и после нейтрализации поступают в Ельчевский пруд-отстойник, а затем в Волчихинское водохранилище (рис. 1).

Для Дегтярского месторождения характерно разнообразие горнотехнических условий, связанное с особенностями залегания рудного тела и склонностью руд к окислению и самовозгоранию. Это обусловило многогоризонтность и разбросанность горных выработок. Подземные горные работы производились различными системами разработки: слоевой, подэтажного обрушения, подэтажные штреки и этажное принудительное обрушение, преимущественно без закладки выработанного пространства. Однако в качестве основной использовалась система этажно-прину-

дительного обрушения при выемке межкамерных целиков и эксплуатационных блоков на всю высоту этажа (60 м), а также система подэтажного обрушения для отработки камеральных запасов, целиков, днищ, блоков, выклинок рудных тел. При применении указанных систем разработки выемка рудных блоков производится наиболее полно, а монолитность вышележащих горных пород нарушается и на поверхности земли образуются зоны обрушения.

В результате на поверхности земли на территории рудника образовалась хорошо сформировавшаяся зона сдвижения и обрушения с серией провалов над шахтными выработками, которые интенсифицируют атмосферное (инфильтраци-онное) питание подземных вод.

В естественных условиях интенсивный водообмен в пределах бассейнов подземного стока при избыточном увлажнении и преобладающем силикатном составе вмещающих пород предопределяет развитие в естественных условиях пресных вод с минерализацией 0.1—0.3 г/л (табл. 1). Преимущественное распространение в районе гидрокарбонатных кальциево-магниевых вод определяется процессами углекислотного выщелачивания. На участках развития сульфидной минерализации возникают процессы сернокислотного выветривания и появляется сульфатно-гидрокарбонатный и гидро-карбонатно-сульфатный состав подземных вод (табл. 2).

Откачные шахтные воды рудника обладали повышенной кислотностью. В 1940—1995 годы кислотность шахтных вод составляла рН 1.81— 4.13 при содержаниях меди от 0.876 до 0.158 г/л. Откачные воды с 1939 года пропускали через две цементационные установки с целью извлечения меди. Затем воды сбрасывали в ручей Дегтярка и нейтрализовывали известью на станции нейтрализации построенной ниже слияния его с ручьем Сухарка. Нейтрализованные воды поступали в Ельчевский пруд-отстойник. Химический состав шахтных вод перед закрытием рудника имел незначительные внутригодовые колебания (табл. 3).

ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАКРЫТИЯ ДЕГТЯРСКОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ

После закрытия Дегтярского рудника шахтный водоотлив был прекращен 21 декабря 1995 г., и заполнение депрессионной воронки завершилось 17 мая 1999 г. Абсолютная отметка установившегося уровня подземных вод в шахтных стволах, расположенных по линии вдоль русла р. Дегтярка колеблются от 342.6 м (Капитальная-2 — на юго-востоке) до 337.6 м (Капитальная-1 — на северо-западе), что соответствует его глубине от поверхности земли соответственно 16.9 и 3.4 м.

В результате подъема уровня подземных вод пониженные участки городской застройки (овощные и смотровые ямы, подземные коллектора и пр.) оказались подтопленными. Процесс подтопления в 1999 г. вызвал поступление кислых вод (рН 2.45—2.8) в канализационный коллектор фекальных стоков, что привело к гибели бактерий и резкому снижению эффективности очистки сточных вод. В северной части рудника из ствола шахты Колчеданная, вскрытом карьером, сформировалась разгрузка вод затопленного рудника в емкость карьера (вначале излив менее 10 л/с). В настоящее время излив из карьера сохраняется со средним дебитом 30—60 л/с, а в период весенних паводков — превышает 200 л/с. Для снижения кислотности изливающихся вод (табл. 4) в карьер частично отведен сток р. Исток. Это мероприятие было реализовано весной 2004 г. и значительно увеличило общий выход воды из карьера.

Территория ликвидированного Дегтярского рудника расположена в зоне субмеридионально вытянутой депрессии, связанной системой техногенных пустот и с зоной обрушения над ними. Направление движения подземных вод вдоль депрессии — северное, разгрузка происходит через карьер шахты Колчеданная. С юга воронка ограничена водоразделом, расположенным ориентировочно в районе частной АЗС и совпадающим с поверхностным водоразделом. Депрессия, очевидно, обладает повышенной по сравнению с вмещающими породами водопроницаемостью и водообильностью, а также скоростями водообмена.

Долина речки Дегтярка за период отработки Дегтярского медного рудника претерпела необратимые изменения конфигурации речного русла, условий формирования речного стока (кольмата-ция русловых осадков минеральными новообразованиями, снижение величины питания атмосферными осадками, загрязнение грунтов в границах водосбора и т.п.).

После затопления техногенных полостей химический состав шахтных вод на изливе оказался сопоставим с рудничными водами, а по некоторым показателям, даже ухудшился: концентрация сульфатов возросла до 14.5 г/дм3 при исходной на стадии эксплуатации 4.5—7.0 г/дм3, кадмия — до 1.1 мг/л и т.п. (рис. 2—5).

Современный химический состав подземных вод Дегтярского месторождения в условиях затопленной техногенной зоны аэрации и горных выработок формируется под влиянием активного водообмена и ведущем участии процессов кислотного выщелачивания пород и загрязнения водами, инфильтрующимися через накопленные на территории месторождения частично рекультивированные отвалы и техногенные ли-тохимические ореолы. Определенную роль в за-

3.5 г п 8000

3.0 2.5

К

£ 2.0

Я

о

5 1.5

я

З

1.0 0.5

_|_I_I_1_

_1_

_|_I_I_1_

7000

6000

5000

4000

3000 а

о

2000

1000

рН

^ ^ $ ^ $ # # # ^ # " Период наблюдений

Рис. 2. Концентрация сульфатов и значение рН в шахтных водах Дегтярского рудника до и после его затопления (1994-98 г.).

450 г

400

А.. .

350 -

^300

§ 250 я

а &

я 200

е я он

^ 150

—•—С1-

—■—Са2+ * МБ2+

100 -

50

0

1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004

Период наблюдений

Рис. 3. Концентрация хлоридов, ионов кальция и магния в шахтных водах Дегтярского рудника до и после его затопления (1994-98 г.).

грязнении подземных вод затопленного рудника ликвидации Дегтярского рудника показывает, что

состав поверхностных вод (табл. 5) в г. Дегтярске

играют бытовые сточные воды.

Анализ результатов исследования химического

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком