УДК 549.01
УГЛИСТЫЕ ТЕХНОГЕННЫЕ
ЧАСТИЦЫ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ
Е. А. Меньшикова, в. н. с., ecogeo@psu.ru, Б. М. Осовецкий, профессор, opal@psu.ru, ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»
Экологическая обстановка в районах шахтной угледобычи является одной из наиболее сложных. Характерным примером в этом отношении является Кизеловский угольный бассейн на Западном Урале, который начал разрабатываться более 200 лет назад. В течение всего времени его эксплуатации техногенная нагрузка на окружающую среду была весьма значительной. Несмотря на прекращение добычи угля, основные факторы негативного воздействия на окружающую среду продолжают действовать. Фактически зона воздействия разрабатываемого угольного бассейна на окружающую среду значительно превышает официальные данные по причине высокой миграционной способности углистых частиц, способных перемещаться воздушными и водными потоками на большие расстояния.
Авторами проведены исследования углистых частиц в современных осадках рек Кизеловского угольного бассейна. Основным источником углистых частиц в донных отложениях рассматриваемой территории являются отходы угледобычи, размещаемые по берегам рек. По результатам определения гидравлической крупности среди углистых частиц выделены разности с различной миграционной способностью, в том числе содержащие сульфиды железа. Исследования с применением электронной микроскопии и микрозондового анализа позволили оценить в составе углистых частиц содержания токсичных элементов (As, Co, Ni, Cu, Zn, Sb) и изучить процессы их изменения.
Ecological situation in the coal mining regions is one of the most difficult. The Kizel Coal Basin in the Western Urals where excavation of coal was started more than 200 years ago is a typical example of such regions. In spite of finishing coal extraction, the main factors of negative influence on the environment still remain. In fact, the zone of coal basin influence on the environment is substantially higher than the official data due to high migration capacity of coal particles to be transported by air and water flows to great distances.
Coal particles in recent river sediments of the Kizel Coal Basin are investigated. The main sources of coal fragments in the river bottom sediments of the region are mine wastes, situated on the river banks. According to the results of determination of the hydraulic size, many varieties of coal particles with different migration capacity are distinguished, including pyrite-con-taining ones. The study with application of the electron microscopy and microprobe analysis gives the opportunity to appreciate the percentage of toxic elements (As, Co, Ni, Cu, Zn, Sb) in coal particles and to investigate the processes of pyrite decomposition with ecological consequences.
Ключевые слова: уголь, пирит, аллювиальные осадки, микрозондовый анализ, Кизеловский угольный бассейн, Западный Урал.
Keywords: the Western Urals, the Kizel Coal Basin, coal fragments, pyrite, alluvial sediments, microprobe analysis.
Экологическая обстановка в районах шахтной угледобычи является одной из наиболее сложных. Она определяется множеством негативных для человека и окружающей среды факторов: огромные объемы отходов в виде терриконов, высокое содержание серы, которая обуславливает кислую реакцию шахтных вод, присутствие токсичных элементов и т. д.
Характерным примером в этом отношении может служить Кизеловский угольный бассейн на Западном Урале. Кизеловский угольный бассейн начал разрабатываться более 200 лет назад. В объединение «Кизелуголь» в 90-е гг. прошлого столетия входило 16 шахт и 17 участков. Уголь добывался на глубине от 250 до 1200 м. За последние три года до закрытия шахт (до 1999 г.) среднегодовая добыча угля составляла 536 тыс. т. Сложные горно-геологические и технические условия эксплуатации, большие водопри-токи и высокие энергетические затраты сделали добычу угля убыточной. В 1999 г. началось закрытие шахт, которое закончилось в 2000 г. После прекращения добычи угля шахты были затоплены подземными водами.
Несмотря на прекращение здесь добычи угля, основные факторы негативного воздействия на окружающую среду продолжают действовать. В течение всего времени эксплуатации месторождений бассейна техногенная нагрузка на окружающую среду была весьма значительной. Этому способствовали геологические особенности месторождения: высокая зольность и сернистость углей, малая мощность продуктивных пластов, присутствие токсичных элементов и др. В течение длительного периода эксплуатации постоянно росла площадь нарушенных земель в пределах территории угольного бассейна, которая в настоящее время оценивается величиной свыше 720 га, из них 300 га занято отходами горного и обогатительного производства (Бачурин, 2006).
Отходы горного и обогатительного процесса складировались вблизи шахт в отвалах, активно использовались при планировке местности, дорожном строительстве. Указанные отходы представляют собой скопления обломков осадочных горных пород (аргиллиты, алевролиты, песчаники, известняки) с высоким содержанием углистых частиц, из-за чего они имеют черную окраску. Ведущим показателем, определяющим условную границу между углем и углистыми породами, является зольность. Так, для Кизеловского месторождения этот показатель составляет 28—33 % [1], т. е. пропластки угленосной толщи с более высокой зольностью будут относиться к углистым породам.
Рис. 1. Частица угля без минеральных включений
Фактически зона негативного воздействия разрабатываемого угольного бассейна на окружающую среду значительно превышает официальные данные по той причине, что углистые частицы обладают высокой миграционной способностью и способны перемещаться воздушными и водными потоками на большие расстояния. Основным источником углистых частиц в донных отложениях рек Кизеловско-го угольного бассейна являются отходы угледобычи, размещаемые по берегам рек. Оценка миграционной способности в водном потоке указанных образований выполнена нами на основе измерения гидравлической крупности (скорости падения в воде) углистых частиц, находящихся в донных отложениях рек рассматриваемой территории.
Эксперименты, выполненные в стеклянной мензурке высотой 50 см с водой, показали, что среди углистых частиц отчетливо выделяются две разновидности, существенно различающиеся по скорости падения в воде [2, 9]. Первая разновидность соответствует чистому углю, практически не содержащему минеральных примесей. Для этой группы среднее значение гидравлической крупности для частиц размером 1 мм составляет 1,35 см/с (рис. 1). Источником этих частиц, по-видимому, являются отвалы углеобогащения, для вещества которых характерен более стабильный состав и высокое содержание угольной составляющей. Вторая разновидность представлена частицами с высоким содержанием примесей, среди которых особенно выделяется пирит. Для нее аналогичное значение гидравлической крупности составляет 3,0 см/с (рис. 2).
Таким образом, углистые частицы обладают весьма высокой миграционной способнос-
Рис. 2. Фрагмент углистой частицы с кристаллами пирита на поверхности
тью. Миграция их осуществляется в составе донных и особенно взвешенных наносов, а также воздушными потоками на значительные расстояния. Многочисленными малыми водотоками они собираются в долине р. Косьвы и выносятся затем в Камское водохранилище, где смешиваются с природными частицами песчано-алеврито-глинистых донных осадков [2, 9]. За время эксплуатации Кизеловского угольного бассейна в последних накопилась огромная масса углистых частиц. Их влияние на экологическую обстановку акватории водохранилища до сих пор не оценено.
Углистые частицы алевритовой размерности являются важной частью техногенного материала на обширных территориях Земного шара, что объясняется практически неограниченным их переносом от источников загрязнения. Например, они наиболее распространены в осадках Азовского моря, акватория которого примыкает к Донецкому бассейну, где они концентрируются в мелкоалевритовых илах и крупных алевритах прибрежной зоны [3]. Наличие этих частиц зафиксировано во взвеси всех крупных рек, впадающих в Азовское море: Дона (2,8 %), Кубани (7 %), Кальмиуса (9,6 %), Миуса (3 %).
Значительно более серьезное негативное воздействие на окружающую среду территории оказывают пиритсодержащие углистые частицы. Хотя по миграционной способности последние заметно уступают чистому углю, тем не менее, и они активно транспортируются системой р. Косьвы. Расчеты показали, что интенсивность их миграции примерно соответствует таковой частиц кварца.
Морфологически углистые частицы с пиритом заметно отличаются от разновидности,
близкой к собственно углю. Они характеризуются разнообразной формой (уплощенные, угловатые, удлиненные и др.), относительно слабой окатанностью, неровной поверхностью, на которой видны многочисленные включения пирита.
Частицы пирита в составе угля очень разнообразны. Среди них часто присутствуют кристаллики размером до 0,2 мм в форме октаэдров и кубов (рис. 3), которые нередко образуют плотно сросшиеся агрегаты. Они образовались, вероятно, на стадии диагенеза и имели достаточный временной интервал для роста кристаллов. Благодаря повышенной твердости пирита эти углистые частицы приобретают высокую механическую прочность и не истираются в донных наносах даже при транспортировке на значительные расстояния.
Другой морфологической разностью являются мелкие шарообразные и округлые частицы пирита, образующие скопления в углублениях поверхности (рис. 4). Такой пирит может иметь колломорфное строение и отличается от первого по времени образования. Наиболее вероятным является его образование на стадии седиментогенеза.
Химический состав зерен пирита в углистых частицах определен с поверхности мик-розондовым методом на сканирующем электронном микроскопе JSM 6390LV фирмы «Jeol» с приставками для микрозондового анализа (EDS и WDS) на кафедре минералогии и петрографии Пермского университета (аналитик Б. М. Осовецкий). Всего сделано 26 определений.
По данным микрозондового анализа в
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.