Hydrogeochemical aspects elements behavior under development of the Albynskoe gold field, Amur basin

Cover Page

Abstract


Сomposition of chemical elements in natural waters and rocks of the Albynskoe Gold Field have been studied to elusidate the possible environmental effects of open cast mining. The ore has been found to contain a group of environmentally hazardous elements, which, either because of a considerable concentration in the ore (As, Sb, Mo, W), or because of the high toxicity class (Cd, Be, U) can cause a considerable geochemical load onto the regional ecogeosystem. The natural watercourses in the zone of influence of the field show an excess of the MPC for water bodies used for fishery (MPCfish) in terms of Мо, W, As, as well as high concentrations of Sb and U; the overwhelming majority of the microelements show concentrations below the respective MPCfish or below their detection limits. The analysis of the results of laboratory experiments, simulating the processes of biochemical weathering of ore material by various natural agents, showed that toxic and extremely toxic elements can be leached and dispersed in the zone of influence of deposit


ВВЕДЕНИЕ

Открытая разработка месторождений полезных ископаемых сопровождается рассеиванием больших объемов химических элементов в атмосфере, поверхностных и подземных водотоках, почве, растительности. Процессы горнопромышленного техногенеза активны и в районах эксплуатации месторождений золота. Основные источники загрязняющих веществ, поступающих в природные геосистемы, – отходы горного производства: вскрышные и вмещающие породы, забалансовые руды, хвосты обогащения. Вскрытые на поверхность горные породы и рудные минералы подвергаются разрушительному действию физико-химических факторов атмосферы, гидросферы и биосферы, что приводит к изменению геохимии ландшафта и выносу веществ водными потоками.

Вопросам функционирования экосистем в рудных регионах и, в частности, факторам, определяющим масштабы, механизмы и способы миграции, в основном, тяжелых металлов, в настоящее время уделяется достаточно большое внимание. Однако оценка деятельности горного производства как потенциального источника потока токсичных элементов в целом затруднена в связи с недостаточной изученностью их форм нахождения в составе минеральной фазы вскрышных и вмещающих пород и степени геохимической подвижности. Чаще всего оценивается только валовое содержание элементов, значительная часть которых вследствие нахождения в структуре минеральной матрицы является химически инертной. В этом аспекте важное значение приобретает оценка геохимической подвижности элементов, т.е. их способности переходить из твердой фазы в жидкую, мигрировать в компоненты природных ландшафтов. Предварительную оценку суммарного содержания подвижных форм элементов в почвах, донных отложениях, горных породах можно сделать с помощью одностадийного экстрагирования [6], соответствующие методики приведены в руководящих документах [8, 14–15]. В этом случае в качестве экстрагентов используют воду, ацетатно-аммонийный буфер, растворы органических и минеральных кислот.

Водная вытяжка характеризует максимальную миграционную и биологическую активность элементов и может служить основой для оценки потенциально возможных масштабов загрязнения гидросферы. При этом использование дистиллированной воды в качестве выщелачивающего реагента не вполне корректно, так как процессы выщелачивания горных пород в природных условиях происходят под действием минерализованных вод (дождь, вода снеготаяния). Ацетатно-аммонийный буферный раствор моделирует действие почвенных растворов и позволяет оценить содержание подвижных форм элементов, доступных для растений. Эта же вытяжка из донных осадков предлагается для оценки воздействия токсичных форм металлов на гидробионты [5].

При анализе процессов взаимодействия жидких сред с горными породами зачастую не принимают во внимание или недооценивают микробиологическую составляющую этих процессов, в то время как в действительности разрушающая способность микроорганизмов очень велика. Причем, значительную часть биогеохимических процессов осуществляют способные к олиготрофному росту и обладающие высокой устойчивостью к экстремальным условиям окружающей среды микроскопические грибы [25], объем биомассы которых в целом составляет значительную часть микробного пула [20]. В процессе жизнедеятельности грибные клетки выделяют массу разнообразных органических соединений, обладающих комплексообразующими, окислительно-восстановительными и другими свойствами. Образование лимонной кислоты – наиболее распространенный у грибов биохимический процесс [25].

Для Приамурья как региона, который стабильно находится в списке лидеров по добыче золота в России, вопросы гидрогеохимической трансформации состава природных вод, обусловленной комплексным воздействием природных и техногенных факторов, весьма актуальны, так как это зона легко уязвимых многолетнемерзлых пород. Эрозионные процессы криолитозоны, многократно усиливающиеся деятельностью горнодобывающих предприятий, приводят к значительному увеличению потоков рассеяния химических элементов. Поэтому изучение механизмов, путей и характера миграции элементов, активизирующихся техногенными процессами, – одна из первых задач в оценке воздействия различных типов недродопользования на экосистемы экстремальных природных зон.

Цель работы – анализ возможных геоэкологических последствий при разработке золоторудного месторождения открытым способом (на примере Албынского золоторудного месторождения Приамурья) на основе концепции системы вода–порода.

Для достижения цели использован комплексный подход, включающий в себя аналитическое исследование элементного состава исходного рудного вещества, природных водотоков зоны месторождения и потенциальных геохимических преобразований горных пород в имитирующих природное выветривание лабораторных экспериментах.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования были горные породы, поверхностные и подземные воды поля золоторудного Албынского месторождения, расположенного на северо-востоке Амурской области.

Общая геологическая характеристика месторождения

Албынское месторождение находится в пределах Верхнеселемджинского золотоносного района Амуро-Охотского звена Монголо-Охотской складчатой системы. Геологическое строение района осложнено разрывными нарушениями, среди которых один из главных разломов субширотного простирания – Курумканский проходит в центральной части рудоносной площади. Зоны разломов характеризуются рассланцеванием, милонитизацией, трещиноватостью и окварцеванием пород. Субмеридиональные разрывные нарушения немногочисленны, относятся к сбросо-сдвигам, имеют значительные вертикальные перемещения.

Албынское месторождение залегает в пределах северного крыла Эльгоканского купола, относящегося к структурному подэтажу афанасьевской свиты возраста PZ1. Крылья антиклинали осложнены послойными интрузиями метабазитов, многочисленными дайками и разломами. Контакты метабазитов с вмещающими породами – тектонические. Характерная черта геологического строения этой части купола – наличие многочисленных лежачих изоклинальных складок высоких порядков, вплоть до плойчатых. Наиболее интенсивно складчатость и рассланцованность пород проявлены в метабазитах афанасьевской свиты. Нерасчлененные отложения афанасьевской свиты занимают ≥ 80% площади и слагают Эльгоканский купол (горст–антиклиналь). Она представлена довольно монотонной толщей переслаивающихся слабометаморфизованных (фация зеленых сланцев) сланцев, среди которых резко преобладают (~70%) темноокрашенные (углеродистые) мусковит-альбит-кварцевые разности, переслаивающиеся со светлоокрашенными биотит-мусковит-альбит-кварцевыми и альбит-хлорит-эпидот-амфиболовыми сланцами. Макроскопически породы характеризуются хорошо выраженной грубо сланцеватой и плойчатой текстурой, обусловленной чередованием слоев темно-серого, светло-серого и зеленовато-серого цветов, мощностью от долей сантиметра до 10–15 м. Светлоокрашенные сланцы отличаются от темноокрашенных разностей в основном отсутствием углеродистого вещества, большим количеством карбонатов, хлорита, эпидота и рудных минералов [12, 13].

Золотоносная зона месторождения в виде субширотной дугообразно изогнутой полосы прослеживается на 5–6 км от р. Харги на западе через верховья ручьев Албын и Маристый на востоке. Ширина ее на западном фланге составляет 350–700 м. По [10], дугообразная зона приурочена к Албынскому горизонту зеленокаменно-измененных метабазитов основного состава, которые залегают среди слюдисто-кварц-альбитовых сланцев афанасьевской свиты. Рудные тела локализуются в слюдисто-кварц-альбитовых метасоматитах (альбититах), выполняющих зоны смятия и дробления, ориентированные по сланцеватости пород (рис. 1). На месторождении выделено 5 рудных тел. Руды прожилково-вкрапленные, гидротермально-метасоматические, убого-малосульфидные, золотокварцевые. Минеральный состав вмещающих пород и руд приведен в табл. 1. Рудные минералы, по исследованиям авторов статьи, составляют в среднем 3–5% с вариациями от единичных зерен до 15%. Среди рудных минералов преобладают пирит и арсенопирит, к редким рудным минералам относятся магнетит, отмечены халькопирит, сфалерит, галенит. Руды месторождения представлены окисленными, смешанными (различной степени окисленности) и первичными разностями, последние резко преобладают.

 

Рис. 1. Геологический план Албынского месторождения по [10]: 1 – аллювиальные отложения; 2 – позднемеловые дайки диорит-порфиритов, гранодиорит-порфиров, гранит-порфиров селитканского комплекса; 3 – габбро, габбро-диабазы метаморфизованные; 4 – златоустовская свита (углеродистые кварц-серицитовые сланцы); 5 – афанасьевская свита (мусковит-кварц-альбитовые сланцы); 6 – разломы: а – главные, б – второстепенные, в – предполагаемые; 7 – зона альбититов; 8 – золоторудные тела; 9 – золотоносные кварцевые жилы.

 

Таблица 1. Минеральный состав проб Албынского месторождения, масс.% (ед. зн. – содержание зерен от 1 до 10, зн. – содержание зерен от 11 до 100, прочерк – не обнаружено)

Минералы

Сланцы

Рудоностные метасоматиты

3K

1Рб

2Рб

3Рв

4Рд

730

Кварц

45

47.7

70.8

59.6

63.2

6.8

78.3

72.5

97.5

Слюда (мусковит+биотит)

5.5

50.8

27.3

15

32

83

21.3

11.2

зн.

Обломки пород

47

0.4

Карбонат

1.3

0.5

6.5

3.8

4.2

10

Амфибол

зн.

18

зн.

Скрап

зн.

0.3

0.1

0.4

зн.

0.1

0.3

зн.

0.1

Арсенопирит

зн.

5.8

0.01

0.6

Пирит

0.2

0.2

ед.зн.

зн.

зн.

ед.

5.5

0.1

Апатит

зн.

зн.

0.5

0.6

ед.зн

0.2

Гидрогетит+гетит

ед.зн.

0.1

1.8

0.2

ед.

1.5

Магнетит

0.9

0.4

зн

ед.зн.

ед.зн

зн

Полевой шпат

зн

зн

ед.зн.

зн.

зн.

Циркон

зн.

ед.зн.

ед.зн.

ед.зн.

ед.зн

Серицит

зн.

зн.

Халькопирит

зн.

Турмалин

зн.

Ильменит

зн.

Оксиды Mn

 

зн.

Сфалерит

ед. зн

Гранат

ед.зн.

Сфен

ед. зн.

Рутил

ед.зн

Анатаз

ед.зн.

Галенит

 

ед.зн.

Au

2 зн.

2 зн.

16 зн.

 

Албынское золоторудное месторождение в настоящий период отрабатывается открытым способом. В ноябре 2011 г., через 6 лет после получения лицензии на разведку рудной зоны предприятием “Албынский рудник”, была запущена первая очередь горно-гидрометаллургического комбината.

Характеристика объектов исследования и методы

Пробы природных вод (подземных и поверхностных) на Албынском золоторудном месторождении отбирали в 2013–2014 гг. (рис. 2). Для оценки качества подземных вод использовали наблюдательные скважины (Т. 1, Т. 2), заложенные с учетом уклона гидравлической поверхности водоносного горизонта и системы отработки месторождения. С поверхностных водных объектов отобраны пробы в точках: Т. 3, Т. 4 – руч. Маристый, средняя и нижняя части; Т. 5, Т. 9 – р. Эльгокан; Т. 7 – р. Харга; Т. 8 – руч. Болтанак; Т. 10 – руч. Жедринский. Водные пробы фильтровали через двойной фильтр “синяя лента”, консервировали азотной кислотой.

 

Рис. 2. Картосхема расположения рудника “Албын” на топооснове М 1:50 000 с точками отбора проб воды. Врезка – карта Амурской области.

 

Для характеристики элементного состава рудного вещества Албынского месторождения отобрано 25 проб с разных зон карьера (рис. 2).

При экспериментальном моделировании процесса биохимического выветривания в качестве объекта деструкции из проанализированных 25 проб выбраны наиболее типичные как с высоким, так и с низким содержанием токсичных элементов (As, Sb, Zn, Cd, Pb) с целью получения приближенной к природным процессам картины выщелачивания: рудоносная порода – эпидот-слюдисто-кварцевый метасоматит по слюдистому сланцу (метаморфиту) с вкраплениями пирита и арсенопирита (730), углеродистый сланец (5Р) и окисленная, выветренная руда (6Р), а также образцы рудовмещающих метасоматитов (СТ-1, СТ-2), вскрытых буровзрывными работами в карьере и отобранных одновременно с образцами снега.

Исходные образцы дробили до размера 100 мкм, отбирали навески массой 5 г и помещали их в конические колбы на 100 мл, заливали 50 мл экстрагента, закрывали пробками, встряхивали на ротаторе при комнатной температуре, после чего экстракты и экстрагенты (холостая проба) центрифугировали. В качестве экстрагентов использовали растворы ацетата аммония (рН 4.8), лимонной кислоты (рН 2.2), талую воду. Загрязненный после взрывных работ снег отбирали из разных точек по окружности карьера (500–1000 м), растапливали и в течение 3 ч встряхивали. В растворах талой воды соотношения Т : Ж составляли 1 : 23 – 1 : 25.

Время взаимодействия горных пород с экстрагентами при проведении выщелачивания в лабораторных условиях не регламентируется нормативными документами. Согласно данным [6, 11, 15, 29], при активном перемешивании на ротаторе время экстракции элементов из почвы дистиллированной водой, ацетат-аммонийным буфером, 1М кислотами в основном составляет 1 ч, при периодическом перемешивании – 24 ч. В исследовании в [4] почву и техногенные пески экстрагировали 2 ч при перемешивании со скоростью 120 об/мин. При экстрагировании донных отложений [5] образцы с экстрагентом выдерживали статистически в течение 15 ч с последующим активным встряхиванием в течение 2 ч. При изучении степени разложения минералов под действием различных органических кислот [2] растворы кислот с минералами интенсивно перемешивали в течение 30 мин, а затем отстаивали в течение суток. При исследовании процессов аквального гипергенеза пород под воздействием байкальской воды [17] экстракцию химических элементов из горных пород проводили в течение 3 ч при непрерывном встряхивании при комнатной температуре. Извлечение подвижных форм металлов из техногенного вещества проводили в течение суток при встряхивании и активном перемешивании [1]. С учетом анализа представленных выше данных для экстрагирования пород Албынского месторождения растворами талой воды, ацетата аммония и лимонной кислоты выбран вариант 3-часового непрерывного встряхивания.

Для оценки участия биотической составляющей в преобразовании пород использованы выделенные из почвогрунтов Албынского золоторудного месторождения преобладающие виды микромицетов – Trichoderma aureoviride Rifai, Penicillium simplicissimum (Oudem.) Thom, а также Penicilliumcanescens Sopp. – штамм, доминирующий в стрессовой зоне среды обитания (почва урбанизированной территории с высоким и опасным уровнем загрязнения тяжелыми металлами).

Эксперименты по биологическому выщелачиванию проводили в конических колбах на 100 мл, куда помещали 5 г породы, 50 мл стерильной жидкой среды Чапека и добавляли 0.01 г физиологически однородной грибной биомассы (влажность 90%), полученной предварительно при инкубировании стандартного посевного (спорового) материала в жидкой питательной среде в течение 10 сут. Параллельно ставили холостой опыт (порода со стерильной средой Чапека). Длительность эксперимента (10 сут при ежедневном 8-часовом встряхивании на качалке) определялась временем, необходимым для наращивания достаточного количества грибной биомассы, которая является одним из факторов, определяющих степень биологического выветривания. Каждый вариант эксперимента проводили параллельно.

Содержания основных катионов и микроэлементов в пробах определяли атомно-эмиссионным (“iCAP-6500”, “Thermo Scientific”, США) и масс-спектральным (“Х-7”, “Thermo Elemental”, США) методами в Аналитическом сертификационном испытательном центре ИПТМ РАН. Анализы химического состава водных проб (рН, содержание минеральных азотсодержащих веществ, хлоридов, сульфатов, гидрокарбонатов, ортофосфатов) выполнены по стандартным методикам в аналитическом центре ИГиП ДВО РАН.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Оценка потенциальной токсичности Албынского золоторудного месторождения

Предварительной оценочной характеристикой экологического состояния геологической среды может служить показатель его потенциальной токсичности (ПТМ), основанный на оценке степени токсичности вещественного состава рудного объекта [3]. Показатель ПТМ рассчитывается на основании кларков концентрации и коэффициента литотоксичности (Тл) элементов и позволяет оценить возможную геохимическую нагрузку на региональную экогеосистему:

 

ПТМ =i-1nТл×КК1+  + (Тл×КК)n,

 

Тл – коэффициенты литотоксичности элементов, которые сгруппированы по классам опасности с присвоением соответствующего балла [3]: чрезвычайно опасные (супертоксичные) – Тл = 15: Hg, Cd, Tl, Sr, Ba, Be, U, Ra, Rn, Cs; высокой опасности – Тл = 10: Pb, Se, Те, As, Sb, В, F, Th, V, Cr, Ru, Co, Ni; средней опасности – Тл = 5: Сu, Zn, S, Bi, Ag, Ba, Mo, In, Ge, Sr, W, Al, Li, Mn, Cs, Cl, Sn; незначительной опасности – Тл = 1: Nb, Zr, Ti, Na, К, Та, Са, Si, Mg, Th; КК – показатель отношения концентрации элемента в рудах месторождения к его кларку для верхней континентальной коры, по [18]; n – число элементов-токсикантов в рудном месторождении.

Результаты анализа закономерностей распределения концентраций химических элементов в породах Албынского золоторудного месторождения, представленные в табл. 2, свидетельствуют о том, что состав пород исследуемого месторождения в сравнении с верхней континентальной корой характеризуется относительным дефицитом Мg, Cu, Rb, Tl; концентрации Sb, наоборот, повышены. Наблюдаются высокие содержания As, Мо, W, Nb, Та, их коэффициенты концентраций (рассчитанные для средних содержаний) составляют 31.67, 9.2, 7.19, 4.11 и 3.62 соответственно. Содержания остальных элементов варьируют, при этом в одних образцах отмечается некоторый дефицит, в других – избыток элементов. Тела метасоматитов оконтуриваются контрастными ореолами As, Sb, W, Mo, Nb, Ta.

 

Таблица 2. Химический состав пород Албынского золоторудного месторождения (n – количество проб, прочерк – нет значений)

Оксиды, %,

микроэлементы, мг/кг

Породы месторождения (n= 25)

Кларк [18]

КК

Тл

ПТМi

среднее

минимум

максимум

SiO2

53.46

17.26

62.19

66.0

0.81

1

0.81

TiO2

0.57

0.087

2.9

0.5

1.14

1

1.14

Al2O3

14.11

3.9

17.2

15.2

0.93

5

4.65

Fe2O3

5.44

2.3

16.3

4.5

1.21

MnO

0.14

0.041

0.4

0.077

1.82

5

9.1

MgO

0.66

0.024

2.1

2.2

0.3

1

0.3

CaO

4.52

0.17

35.7

4.2

1.08

1

1.08

Na2O

5.44

0.48

9.7

3.9

1.39

1

1.39

K2O

1.71

0.27

4.3

3.4

0.50

1

0.5

P2O5

0.32

0.036

1.6

0.20

1.6

5

8

Li

27.77

3.7

103.4

20

1.39

5

6.95

Be

2.74

0.81

6.4

3

0.91

15

13.65

Sc

3.39

<0.5

17.9

11

0.31

V

20.72

<0.6

108

60

0.35

10

3.5

Cr

14.54

2.2

53.6

35

0.42

10

4.2

Co

5.51

0.46

36.9

10

0.55

10

5.5

Ni

7.09

1.7

28.1

20

0.35

10

3.5

Cu

10.67

4.3

22.6

25

0.43

5

2.15

Zn

83.52

23.7

192

71

1.18

5

5.9

Ga

22.78

11.1

44.6

17

1.34

As

47.51

<0.05

365

1.5

31.67

10

316.7

Rb

30.22

3.7

97.6

112

0.27

Sr

460.81

45.7

3519

350

1.32

5

6.6

Y

20.85

5.5

38

22

0.92

Zr

148.25

18.6

317

190

0.78

1

0.78

Nb

102.66

8.4

182

25

4.11

1

4.11

Mo

13.68

0.43

124

1.5

9.12

5

45.6

Ag

0.07

<0.02

0.32

0.05

1.4

5

7

Cd

0.28

0.05

0.93

0.098

2.85

15

42.75

Sn

3.24

0.35

9.2

5.5

0.59

5

2.95

Sb

3.37

0.27

9.5

0.2

16.85

10

168.5

Cs

3.29

0.26

14.3

3.7

0.89

5

4.45

Ba

352.8

45

838

550

0.64

5

3.2

Hf

3.10

0.46

7

5.8

0.53

Ta

7.99

0.54

15.2

2.2

3.63

1

3.63

W

14.38

0.77

63.2

2.0

7.19

5

35.95

Tl

0.22

0.05

0.78

0.75

0.29

15

4.35

Pb

18.35

2.6

106

20

0,92

10

9.2

Bi

0.09

0.01

0.35

0.127

0,71

5

3.55

Th

7.71

0.63

14.2

10.7

0.72

10

7.2

U

3.08

0.38

12.1

2.8

1.1

15

16.5

 

ПТМ для Албынского месторождения в целом составляет 0.08×104, что ниже среднего значения ПТМ сульфидных месторождений, приведенного в [3]. Анализ значений слагаемых при расчете ПТМ показал, что наиболее опасны элементы – As, Sb за счет их высокого содержания в рудах, а также – W, Mo, Cd, U, Be за счет высоких значений Тл. Таким образом, породы Албынского золоторудного месторождения характеризуются наличием ряда потенциально токсичных элементов, воздействие которых на окружающую среду через транспортирующие и депонирующие среды может представлять реальную экологическую опасность.

Химический состав водотоков Албынского золоторудного месторождения

Основные водотоки на территории Албынского рудника – р. Харга (левый приток р. Селемджи) и впадающие в нее ручьи Жедринский, Болтанак, р. Эльгокан с притоком – ручьем Маристым. Величина pH – важный показатель геохимического состояния вод, от которого зависит устойчивость форм миграции химических элементов и степень неравновесности вод относительно подстилающих пород. Поверхностные воды Албынского золоторудного месторождения относятся к нейтральным и слабощелочным (табл. 3). По химическому составу их можно отнести к гидрокарбонатным кальциевым, реже – к хлоридно- или сульфатно-гидрокарбонатным, воды на месторождении пресные или ультрапресные с малой минерализацией.

 

Таблица 3. Средний химический состав подземных и поверхностных вод Албынского рудного поля, мг/дм3 (прочерк ‒ нет данных)

Компонент

Точки отбора

ПДКвр[9]

Т. 1

Т. 2

Т. 3

Т. 4

Т. 5

Т. 7

Т. 8

Т. 9

Т. 10

рН

7.15

7.20

7.07

7.08

7.04

6.91

6.64

6.4

8.4

Na

6.36

6.39

1.93

8.03

1.76

0.83

8.23

1.26

9.07

120

K

1.28

1.29

8.66

1.90

0.35

0.28

1.14

0.46

5.58

50

Ca

85.03

87.62

7.73

10.47

1.99

2.71

6.21

2.30

77.76

180

Mg

26.62

26.95

1.79

4.49

0.39

0.58

1.36

0.79

20.61

40

Si

5.57

5.62

2.40

5.45

2.75

2.27

1.75

2.83

3.24

PO43–

<0.05

<0.05

0.18

0.12

<0.05

<0.05

<0.05

<0.05

<0.05

0.05

NH4+

0.21

0.32

0.31

0.40

2.25

0.55

6.50

0.5

Cl

1.4

3.48

3.52

3.37

0.74

13.71

1.03

2.66

300

NO2

0.12

0.036

0.049

0.015

0.012

0.036

0.01

0.57

0.08

NO3

1.41

1.22

0.74

1.23

0.22

1.55

0.5

35.0

40

НCO3

315

30.3

43.6

12.9

21.95

25.64

18.3

224.5

SO42–

69.09

70.07

3.15

7.79

2.19

5.16

8.78

2.42

89.90

100

 

В поверхностных водотоках в районе исследований отмечается нарушение рыбохозяйственных нормативов по содержанию нитрит-ионов (руч. Жедринский), ионов аммония (ручьи Жедринский, Болтанак) и фосфатов (руч. Маристый) (табл. 3), что может быть связано с двумя группами факторов: природными, (трансформация органического вещества в лесных ландшафтах и последующий вынос образующихся продуктов в речную сеть) и антропогенными, обусловленными горными работам и атмосферным переносом пыли. Повышенное содержание в водной системе соединений азотной группы может быть следствием буровзрывных работ.

 

Таблица 4. Среднее содержание микроэлементов в подземных и поверхностных водах Албынского рудного поля, кг/дм3 (прочерк – нет нормативов)

Элемент

Точки отбора

ПДКвр[9]

Т. 1

Т. 2

Т. 3

Т. 4

Т. 5

Т. 7

Т. 8

Т. 9

Т. 10

Ti

<0.6

<0.6

4.5

16.4

1.1

<0.6

1.6

2.8

2.3

60

Al

1.9

2.1

202

951

126

94.3

299

306

88.6

40

Fe

92.3

68.9

2225

2878

68.3

182

278

143

194

100

Mn

5.4

16.3

770

966

21.7

7.9

58.5

19.1

402

10

Li

10.01

8.94

0.77

3.59

0.98

0.34

0.71

0.77

6.90

80

Be

<0.002

0.0034

0.021

0.075

0.020

0.017

0.020

0.031

0.0059

0.3

Sc

<0.04

<0.04

<0.04

<0.04

<0.04

<0.04

<0.04

<0.04

<0.04

-

V

0.079

0.063

0.68

0.87

0.11

<0.01

0.091

<0.01

<0.01

1

Cr

<0.5

<0.5

<0.5

<0.5

<0.5

<0.5

<0.5

<0.6

<1.3

70(Сr+3)

Co

0.11

0.24

2.7

7.6

0.13

<0.06

0.13

0.12

1.8

10

Ni

25.6

19.1

5.2

8.7

1.0

0.3

1.3

1.6

11.8

10

Cu

0.19

0.19

30.7

36.7

28.4

3.3

2.2

16.5

14.3

1

Zn

12.7

10.4

8.7

9.0

7.2

2.2

3.5

7.6

12.5

10

Ga

<0.04

<0.04

<0.04

<0.04

<0.04

<0.04

<0.04

<0.04

<0.04

-

As

21.5

22.3

2.3

86.0

1.3

0.51

0.50

0.53

1.7

50

Rb

1.52

1.49

0.89

1.68

0.68

0.46

1.0

0.62

5.35

100

Sr

1134

1149

63.0

143

13.6

16.3

35.0

20.3

913

400

Y

0.44

0.36

6.87

4.38

0.30

0.39

0.61

0.49

0.15

-

Zr

0.040

0.012

0.45

1.01

0.29

0.11

0.22

0.27

0.14

70

Nb

<0.009

<0.009

0.054

0.60

0.063

<0.009

<0.009

0.017

0.012

-

Mo

0.94

0.78

0.30

3.73

0.35

0.039

0.064

0.10

1.41

1

Ag

<0.004

<0.004

11.56

0.16

0.10

0.0063

0.015

0.020

0.014

-

Cd

<0.007

<0.007

0.026

0.037

0.012

0.020

0.028

0.023

0.026

5

Sn

0.0068

0.0058

0.21

0.14

0.16

0.024

0.039

0.16

0.17

112

Sb

11.14

11.77

0.16

3.27

0.11

0.072

0.047

0.11

6.12

-

Cs

0.95

0.91

0.12

0.76

0.027

0.0079

0.0069

0.029

1.63

1000

Ba

20.2

39.0

9.1

23.3

16.2

17.5

126

11.3

48.1

740

Hf

<0.002

<0.002

0.029

0.041

0.021

0.0052

0.009

0.012

0.0069

-

Ta

<0.006

<0.006

0.041

0.058

0.047

<0.006

<0.006

<0.001

<0.001

-

W

0.053

0.047

2.08

1.53

0.43

0.010

0.018

0.095

0.089

0.8

Tl

0.0091

0.0058

0.0052

0.010

0.0038

0.0029

0.0049

0.0042

0.020

-

Pb

<0.02

0.02

1.6

3.2

0.26

0.15

0.38

1.2

0.92

6

Bi

<0.001

<0001

0.085

0.015

0.0048

0.0020

0.0041

0.034

0.010

-

Th

0.0035

0.003

0.38

0.44

0.093

0.079

0.12

0.096

0.033

-

U

2.88

2.85

0.26

0.90

0.078

0.089

0.051

0.06

5.11

-

 

Концентрации Fe и микроэлементов в поверхностных и подземных водах рассматриваемой территории меняются в широком диапазоне (табл. 4). Подавляющая часть микрокомпонентов содержится в концентрациях ниже ПДКвр, концентрации Sc, Cr, Ga, Ge, Se, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, In, Te ниже предела обнаружения. Для Fe, Mn, Cu, Al отмечено превышение рыбохозяйственных нормативов в значительной части проб поверхностных вод, что, возможно, обусловлено выносом элементов из коренных пород и почвогрунтов.

В воде из наблюдательных скважин (Т. 1, Т. 2) зафиксировано превышение ПДКвр по Ni, Zn, Sr, подобная картина наблюдается и в воде руч. Жедринского. Что касается элементов, имеющих наибольшие показатели экологической опасности для данного месторождения, то превышение ПДКвр по Мо, W и As наблюдается в воде руч. Маристого, по Мо – в воде руч. Жедринского; более высокие содержания Sb и U фиксировали в подземных водах (Т. 1 и Т. 2) и в воде руч. Жедринского.

Потенциальным источником загрязнения поверхностных вод на Албынском руднике может быть хвостохранилище, так как в результате работы золотоизвлекательной фабрики сбрасываемые в хвостохранилище обеззолоченные “хвосты” сорбционного выщелачивания содержат значительную долю химических веществ.

Прямого сброса сточных вод предприятия в близко текущие малые реки нет, однако анализ проб воды из точек Т. 3 и Т. 4 показал, что в пробах воды руч. Маристого ниже хвостохранилища повышаются концентрации многих элементов, в частности As в 37 раз, Sb в 20 раз, Mo в 10 раз, по сравнению с верхним створом, что связано с техногенным загрязнением гидролитосферы, обусловленным дренированием дамбы, а не с рассеиванием элементов от месторождения, так как руч. Маристый забран в трубу. Однако негативное воздействие имеет локальный характер, после впадения руч. Маристого в р. Эльгокан отмечается снижение концентраций элементов.

Подвижные формы элементов

Оценка содержания подвижных форм элементов в породах, выполненная на основе одностадийного экстрагирования химическими реагентами (табл. 5), показала, что в целом концентрации элементов в экстрактах талой воды нестрого соответствуют результатам природных наблюдений. Для большинства элементов эти концентрации ниже концентраций в поверхностных водах водотоков зоны Албынского золоторудного месторождения (табл. 3, 4). Это может быть обусловлено различиями физико-химических условий выщелачивания в природе и в эксперименте, разным соотношением масс породы и воды, температурой, образованием вторичных минералов в природе и, как следствие, наличием поверхностей с разной скоростью фильтрации вод и т.д.

Согласно [16], наиболее медленные – реакции растворения минерального вещества в околонейтральной среде (pH 6–8), их скорость колеблется от порядка n×10–3моль/м2с (хорошо растворимые минералы-соли) до порядка n×10–20 моль/м2с (плохо растворимые минералы, окислы и силикаты, фосфаты, сульфиды в восстановительной среде и др.). Кроме того, элементы переходят из минералов в раствор не одновременно: темпы растворения зависят от положения элемента в структуре минерала. Быстрее всего переходят в раствор катионы междуслоевого пространства, затем – изоморфно замещающие ионы и ионы, занимающие периферическую зону частиц. Слабее всего мобилизуются ионы, занимающие октаэдрические и тетраэдрические фрагменты структуры минерала.

 

Таблица 5. Среднее содержание химических элементов в породах и концентрации элементов в экстрактах после воздействия талой воды, растворов ацетата аммония и лимонной кислоты на горные породы

Элемент

Порода, мг/кг

Экстрагент, мкг/ дм3

талая вода

растворацетата аммония

растворлимонной кислоты

730

СТ-1

СТ-2

СТ-1

СТ-2

730

730

Ti

3717

1799

600

3837

4077

< 0.6

< 0.6

<20

<20

<20

515

84.3

119

Al×104

7.57

8.04

8.2

8.36

8.31

0.009

0.016

4.10

1.58

1.08

12.74

6.44

2.78

Fe×104

3.01

2.52

2.87

4.97

5.6

0.008

0.007

7.94

2.73

17.91

21.46

15.18

31.63

Mn×104

0.031

0.19

0.07

0.093

0.10

0.017

0.014

0.51

1.53

3.08

0.62

11.15

3.54

Mg×104

0.88

0.015

0.21

0.9

1.09

0.35

0.31

1.61

0.19

4.14

3.69

0.31

5.75

Ca×104

0.66

0.12

1.5

1.29

1.29

2.88

2.35

46.6

3.42

13.94

55.82

5.02

146

Na×104

1.78

7.20

6.31

1.71

1.85

0.33

0.30

0.74

5.53

1.41

0.83

6.55

1.52

K×104

1.99

0.23

1.08

4.32

4.81

1.28

1.16

5.62

0.65

2.11

6.14

0.72

1.92

Li

36.1

10.2

20.4

90.4

97.7

14.8

14.8

68.6

36.7

34.4

134

65.6

41.8

Be

1.6

0.81

2.8

6.3

6.7

0.005

0.005

4

1.8

3.3

7.5

3.1

6.4

Sc

8.1

0.45

0.30

5.6

5.4

<0.1

<0.1

78.1

25.1

29.7

20.8

<9

<9

V

79.5

4.4

7.8

67.9

61.8

<0.06

0.41

93.4

27.2

32.5

198

4

7.8

Cr

53.6

12.5

2.2

25.1

21.3

8.2

3.6

262

169

218

275

93.6

153

Co

8.9

2.8

0.46

6.5

6.2

0.27

0.30

26.8

18.9

9.7

44.9

94.5

7.7

Ni

22.9

1.9

1.7

9.1

6.9

1.6

2.2

105

26.3

75.3

185

112

71.6

Cu

16.5

11.7

18.8

10.8

9.6

2.5

3.2

42.8

109

25.2

<5

264

<5

Zn

62.1

46.2

129

133

154

3.9

4.4

282

470

263

410

892

273

Ga

16.9

13.5

24.4

35.9

39.5

<0.4

<0.6

<0.3

1.4

3.7

34.9

21.5

13.8

As

19.2

365

94.7

761

42.9

117

149

98.1

632

788

493

3370

686

Rb

63.6

3.7

17.1

85.7

105

10.6

10.9

226

19.0

74.4

111

19.6

32.2

Sr

121

45.7

193

199

220

439

413

3615

894

14112

3607

1244

13788

Y

15.8

5.5

16.4

27.5

22.1

0.046

0.046

891

220

326

753

399

340

Zr

160

26

119

546

117

0.034

0.051

1.78

<1

2.78

39.7

26

50

Nb

8.4

23.2

182

119

131

0.014

0.013

<0.7

<0.7

<0.7

1.1

6.4

107

Mo

0.62

7.7

0.91

6.4

6.7

4.2

2.7

<0.5

<0.5

1.3

3.7

201

3.8

Cd

0.05

0.26

0.47

0.15

0.19

0.008

0.012

2

7.4

4.3

2.3

17.3

3.4

Sn

1.1

0.35

2.9

4.9

5.3

0.38

0.36

0.48

0.39

0.64

5.8

7

4.2

Sb

0.6

4.3

9.0

3.1

3.3

11.1

8.9

12.3

47.6

30.3

27.8

205

54.3

Cs

2.0

0.26

1.1

6.8

6.7

2.0

2.3

14.7

4.1

26.3

0.3

0.8

0.6

Ba

605

59.9

142

928

1072

58.8

60.0

1565

650

732

1826

1826

389

Hf

4.0

0.49

2.2

12.5

2.4

0.001

0.004

<0.5

<0.5

<0.5

1.9

0.6

1.2

Ta

0.54

1.8

12.7

6.6

7.5

<0.01

<0.01

<0.3

<0.3

<0.3

<0.3

0.2

6.9

W

0.86

8.7

9.1

47.1

54.5

3.0

3.6

<0.6

<0.6

<0.6

3.5

5.4

6.9

Tl

0.32

0.10

0.13

0.38

0.4

0.019

0.017

0.7

2.04

0.57

0.2

2.5

<0.1

Pb

30.1

106

10.6

7

7.5

2.1

0.77

2407

2509

493

1601

3102

378

Bi

0.14

0.10

0.07

0.1

0.079

0.006

0.013

7.9

1.2

1.0

6.2

2.7

0.9

Th

4.6

0.74

11.0

9.4

9.7

0.014

0.012

307

26.4

119

293

16.6

108

U

1.1

0.38

1.2

1.8

1.8

1.7

1.6

27.7

11.0

10.6

30.4

12

11.4

 

Значения рН растворов после выщелачивания в эксперименте составили 7.69–7.83. Согласно [21], в таких слабощелочных растворах образуются гидроксиды, растворимость которых невелика. Концентрации Li, As, Rb, Mo, Sn, Sb, W в опытных экстрактах выше, чем в природных водах Албынского месторождения.

Состав соединений элементов в водной вытяжке обычно достаточно сложный: присутствуют легкорастворимые соединения, труднорастворимые соли, растворимые в воде комплексные соединения элементов с органическими и неорганическими лигандами [7]. С экотоксикологических позиций наибольшую опасность для окружающей среды при разработке Албынского месторождения будут представлять As, Sb, Cd, W, Mo, U, Be, что обуславливает необходимость пристального внимания к их геохимической активности. Максимальное количество водорастворимых форм Sb достигает 9.2% валового содержания, As – 7.0, Sr – 5.7, U – 2.4, Mo – 1.7, Cr, Cs, Pb – 0.8, Cu – 0.7, Ni – 0.6%, Sn, W, Ba, Bi – 0.2, Cd, Tl, Co – 0.1%, для остальных элементов < 0.1% валового содержания (рис. 3). Сравнение данных по валовому содержанию элементов в породе и перешедших в раствор указывает на то, что Sb, As, U, Mo могут легко вымываться из пород талыми водами и дождем, рассеиваться и, таким образом, на территории рудника быть вторичным источником загрязнения природных вод.

 

Рис. 3. Содержание водорастворимых форм элементов, % от валового, в пробах СТ-1 и СТ-2 Албынского месторождения.

 

Фракция, выделяемая с помощью ацетата аммония, моделирует действие почвенных растворов и позволяет оценить содержание подвижных форм элементов, которые представлены водорастворимыми соединениями, а также элементами, специфически адсорбированными на поверхности минералов, органического вещества и гидроксидов Fe и Mn [19]. Под специфически сорбированными ионами, входящими в состав твердофазных соединений, понимается вся их совокупность, удерживаемая породными компонентами за счет связей, отличных от ионных [7]. Кроме того, из-за комплексообразующей способности ацетат-иона происходит разрушение наименее устойчивых комплексов металлов. Применение слабокислого буферного раствора может приводить к частичному растворению карбонатов и некоторых малорастворимых соединений металлов, а также к переводу в раствор металлов, связанных с карбонатами.

В ацетат-аммонийные вытяжки в целом перешло большее количество элементов, чем в водные. Обращают на себя внимание высокие содержания микроэлементов Сr, Sc, Pb, Ni, Co, Bi, Th, Cd, U, Tl, As, Sb, Zn, перешедших в растворы из всех анализируемых пород (табл. 6). Только для Sn, Ga, Hf, W, Zr, Ti, Ta и Nb обнаружено незначительное количество подвижных форм, для остальных элементов доли ацетат-аммонийных форм высокие, что свидетельствует о большой вероятности их перехода в раствор при воздействии почвенных растворов. Высоки доли форм, переходящих в раствор в слабокислой среде (рН 4.8), и макроэлементов: Са – 71, Mn – 44, Sr – 73% (рис. 4). Опасное влияние загрязненных почвенных растворов на природные водотоки может быть нивелировано природными слабощелочными водами, когда при их смешении происходит нейтрализация и формирование твердых фаз – гидроксидов и оксидов Fe, Mn, являющихся хорошими сорбентами для микроэлементов.

 

Рис. 4. Содержание кислоторастворимых и подвижных (по ацетат-аммонийной вытяжке) форм элементов в образцах метасоматита, углеродистого сланца, окисленной руды Албынского месторождения.

 

Таблица 6. Среднее содержание химических элементов в экстрактах после воздействия микроскопических грибов на горные породы, мкг/дм3 (содержание элементов в вытяжках приведено с учетом холостой пробы – среды Чапека после взаимодействия с породой)

Элемент

Микромицеты

Penicillium canescens

Trichoderma aureoviride

Penicilliumsimplicissimum

730

730

730

Ti

626

174

254

0

0

0

28

0

39

Al

105448

39531

27734

-133.6

57.52

485

2740

1041

7191

Fe

179180

57291

377887

-251

0

4787

4994

985

32398

Mn

6110

152736

38350

-196

-322

1937

663

58751

8766

Mg

51477

13779

67665

-8722

-174

7551

-6872

4485

8111

Ca

558484

22011

1496871

-6871

22773

167401

116535

11759

563852

Na

112640

83797

-38571

-21512

-29036

24872

-47791

42789

42713

K

74961

34618

13749

-114349

-9484

7512

-113369

18741

25925

Li

117.04

46.97

21

-3.18

1.98

8.32

0.44

9.46

10.65

Be

3.4

1.61

2

0

0

0

0

0.13

0.34

Sc

29.79

0

0

0

0

0

2.23

0

0

V

161

2.48

11

-0.45

2.83

1.7

1.17

0

0.51

Cr

238.11

21.86

140

0

0

0

0

0

38.13

Co

51.73

83.42

10

0

0.62

0

0

22.74

0.97

Ni

195.82

21.69

82

-16.17

5.31

15.8

-19.44

10.11

2.8

Cu

89.84

56.93

84

-1.14

18.96

45.82

13.08

2.2

2.9

Zn

593

989

1601

0

29.72

10.18

10.89

30.66

13.95

Ga

13.22

16.49

15

0

0

0

0

0

0

As

106

1713

7371

-15.01

-62.43

1680

3.36

-137

1825

Rb

163

24.77

50

-6.5

0.58

6.27

-0.85

0.87

7.25

Sr

3477

952

14080

85.7

92

1523

774

414

5518

Y

1089

319

313

-0.55

0.05

19.4

82.95

13.19

110

Zr

34.94

14.29

52

-0.18

-0.09

3.51

2.45

1.37

11.18

Nb

0.73

4.3

109

-0.01

0

4.62

0.03

0.08

17.35

Mo

2.7

14.7

3

0.67

25.04

14.64

0.3

-60.64

-3.77

Ag

-0.44

0

0

-0.53

0.82

0.22

0.57

0.32

2.13

Cd

3.02

12.79

8

0

-0.06

0.39

0.16

1.54

0.66

Sn

6.42

3.07

6

0.13

0.2

0.81

0.21

-0.04

1.36

Sb

17.53

48.98

61

-1.23

3.15

-3.11

-2.9

20.6

-0.36

Cs

-0.61

0.35

-4

-0.42

0.12

0.07

-0.52

0.13

1.52

Ba

424

391

405

-21.9

86.16

144

102

373

185

Hf

1.72

0

1

-0.05

-0.05

0.12

0.13

-0.03

0.43

Ta

0

0

13

0

0

0.45

0

0

2.25

W

2.56

4.14

8

-0.08

0.02

-0.94

-0.15

-0.23

-0.12

Tl

0.54

3.41

0

-0.02

0.01

0.09

0.04

0.8

0.22

Pb

1502

261

528

-1.7

0.8

27.76

5.24

3.22

18.8

Bi

3.41

0.96

1

0.02

0

0.15

0.1

0

0.11

Th

413

7.49

89

-0.11

-0.05

4.4

10.01

0.24

20.68

U

21.06

3.16

4

1.86

3.93

5.43

0.7

2.31

-0.38

 

Под действием лимонной кислоты из горных пород выщелачивается значительное количество макро- и микроэлементов (табл. 6; рис. 4), даже таких химически инертных, как Ti, Zr. Известно, что низкомолекулярные органические кислоты увеличивают скорость растворения алюмосиликатов [26], глинозема [27]. В [28] представлено несколько примеров повышения растворимости минералов за счет присутствия в контактирующей водной фазе простых лигандов. При этом могут работать следующие факторы растворения: кислая среда обычно приводит к увеличению скорости растворения; органические кислоты могут образовывать комплексы с ионами металлов в растворе, в частности с Al(III), тем самым увеличивая растворимость; органические кислоты могут облегчить удаление ионов металлов с поверхности минерала путем формирования поверхностных комплексов с их последующим переносом в раствор [27].

Следует отметить, что после взаимодействия лимонной кислоты с горными породами экстракционные растворы подщелачиваются. Наиболее значительное изменение рН обнаружено в вытяжке из метасоматитов (проба 730) – сильнокислый раствор лимонной кислоты (рН 2.20) нейтрализуется до 3.92, что, вероятно, обусловлено растворением карбонатов, содержание которых в пробе метасоматитов составляет 10% (табл. 1). Например, взаимодействие пород, содержащих кальцит, с кислотным раствором протекает по следующей реакции: СаСO3 + 2H+ → Ca2+ + CO2 + H2O. При взаимодействии с лимонной кислотой из данной пробы (проба 730) в раствор в значительных количествах выносится Са из-за разложения карбонатов. Для углеродистого сланца и окисленной руды аналогичные явления выражены значительно слабее. На фоне разложения карбонатов в растворы в значительных концентрациях также выносятся Fe, Mn, Mg. Деструкция слюд приводит к дополнительному поступлению в экстракты Al, который считается одним из самых труднорастворимых элементов.

Из метасоматита (проба 730) в лимоннокислый раствор в бόльших количествах, по сравнению с ацетат-аммонийной вытяжкой, выносятся Nb, W, Sn, Sb, Zr, Be, Ta. Из углеродистых сланцев в раствор лимонной кислоты переходит в 5–15 раз больше As, Mo, Sn, W, чем в ацетат-аммонийную вытяжку. Резкий скачок концентрации Mo наблюдается при кислотной обработке окисленной руды. Кроме того, в растворе в заметных количествах появились Сo, Ni, As, Sn, Cu, Sb, Cd, Ga, Nb. Анализ элементного состава полученных экстрактов (табл. 6; рис. 4) свидетельствует о существенной роли органических соединений в деструкции минералов. Обобщая результаты оценки потенциально подвижных форм элементов, образуемых в результате вскрытия пород золоторудного месторождения, можно заключить, что в водорастворимой фракции содержится незначительное количество потенциально подвижных форм токсичных элементов, но при подкислении среды возможен вынос большого количества токсичных и особо токсичных элементов.

Микологическое выщелачивание химических элементов из горных пород

Механизм микологического выщелачивания горных пород сложен и до конца не изучен. Жизнедеятельность микроскопических грибов может быть как прямой, так и косвенной причиной разрушения кристаллических решеток минералов и перехода содержащихся в них химических элементов в подвижное состояние. Известные механизмы воздействия микроорганизмов на горную породу подразделяют на два типа: поглощение микроэлементов в ходе биосорбции и биоаккумуляции и деструкция с помощью органических и неорганических грибных метаболитов. Усредненные данные элементного состава вытяжек из трех типов горных пород под действием разных видов микромицетов представлены в табл. 6; данные приведены с учетом холостых проб, которыми служили экстракты из пород стерильной питательной средой Чапека. После взаимодействия микроскопических грибов с породой происходят изменения рН среды Чапека – ее значение от нейтрального показателя уменьшается на 2–3 единицы, что может быть обусловлено способностью микроскопических грибов к кислотообразованию и указывает на механизм кислотного выщелачивания элементов из горных пород под действием микромицетов.

Анализ результатов экспериментального биовыщелачивания пород Албынского месторождения микромицетами с разной адаптационной стратегией показывает, что максимальные концентрации элементов в экстрактах характерны для выщелачивания пород P. canescens, в то время как концентрации элементов в растворах после выщелачивания пород представителями микроскопических грибов, выделенных с территории Албынского месторождения, в десятки–сотни раз меньше. Этот факт свидетельствует о том, что в настоящее время на Албынском месторождении не наблюдается интенсивного воздействия техногенного фактора на среду обитания микобиоты, микромицеты не находятся в зоне стресса, и, соответственно, у них не выражена адаптивная реакция – усиленная биохимическая активность. Признак этого, скорее всего, – и отрицательные величины концентраций многих элементов в грибных экстрактах, особенно после воздействия на породы микромицета T. aureoviride. С другой стороны, при биовыщелачивании нельзя исключать влияние противоположного процесса – сорбции высвобождающихся элементов клеточной поверхностью микромицета или поверхностью минералов. Подобное явление описывают в [22] при наблюдении оседания совместно скоагулированных гидрогелей Si и Al аллофаноидной природы, сорбировавших щелочи и оксиды щелочноземельных металлов, на поверхности бактериальных клеток и частиц минерала в процессе разрушения полевых шпатов бактериями Basillus sp.

При биовыщелачивании прослеживается следующая количественная тенденция извлечения элементов: в концентрациях в десятки и сотни миллиграмм на 1 л в выщелачивающих растворах выделяются в основном породообразующие макроэлементы Ca, Na, К, Fe, Al, Mn, Mg. Большие величины концентраций растворенных элементов в жидкой среде указывают на их более активную возможную миграцию и в природных условиях. К группе элементов со средними концентрациями (от 10 до 1 мг/л) в растворах относятся Sr, As, Pb – из углистого сланца. Остальные элементы относятся к группе с концентрациями в выщелачивающем растворе <1 мг/л. Таким образом, терригенные микроскопические грибы, особенно р. Penicillium, могут растворять минеральный субстрат пород Албынского месторождения, переводя в подвижные формы породо-образующие элементы (Si, Ca, Na, К, Fe, Al, Mn, Mg), микроэлементы (Sr, As) и Pb.

Для более полной оценки роли биотической составляющей в выветривании пород на Албынском месторождении проведен подсчет доли извлечения элемента из пород микроскопическими грибами (рис. 5). Микромицеты, особенно р. Penicillium (P. simplicissimum), выделенные из грунтов Албынского золоторудного месторождения, наиболее активно извлекали из пород в раствор Mg, Ca, Mn, K, Co, Ni, Sr, Y, Cd, Ba, Tl, As, U. Степень извлечения Mg из разных пород за 10 сут выщелачивания колебалась от 0 до 30.93, Са – от 9.68 до 37.57, Tl – 0.1 до 8%. Что касается элементов, имеющих высокие показатели экологической опасности для данного месторождения, наибольшая доля извлечения – As из метасоматитов (17.7–19.3%), только Sb – из окисленной руды (0.73–4.79%), W практически не выщелачивался грибами ни из одной породы. Под воздействием P. simplicissimumвыщелачивалось 0.12–0.16% Be и 1.4–5.92% Cd. Наибольшая доля извлечения – Mo (1.08–16.09%) при воздействии на породы T. aureoviride. При использовании в качестве “растворителя” культуральной жидкости с P. simplicissimum выщелачивалось от 0 до 6.08% U, а при использовании T. Aureoviride – 1.69–10.34% U.

 

Рис. 5. Доля извлечения элементов из образцов пород метасоматита (проба 730), углеродистого сланца (проба 5P), окисленной руды (проба 6Р) микромицетами в модельных экспериментах, масс. %; пунктир ‒ Trichoderma aureoviride; прямая ‒ Penicillium simplicissimum.

 

Результаты лабораторных исследований сложно экстраполировать на природные условия в силу существенной разницы состава искусственной культуральной среды и природных водных обстановок, однако модельные эксперименты позволяют проводить аналогию между процессами, которые могут происходить на Албынском золоторудном месторождении при биогенном выветривании. Геоэкологическими последствиями отработки месторождения открытым способом могут быть активизация выщелачивания из рудного вещества токсичных и особо токсичных элементов различными природными агентами, рассеивание их в зоне влияния разработки месторождения и их функционирование в качестве вторичных источников загрязнения природных сред.

ВЫВОДЫ

Оценка потенциальной токсичности рудного вещества Албынского месторождения выявила группу экологически опасных элементов, которые либо за счет значительного количественного содержания (As, Sb, Mo, W), либо за счет высокого класса токсичности (Cd, Be, U) могут создать значительную геохимическую нагрузку на региональную экогеосистему при разработке месторождения открытым способом.

В составе природных водотоков поля Албынского золоторудного месторождения отмечено превышение ПДКвр по Мо, W и As в воде руч. Маристого, Мо – в воде руч. Жедринского; в подземных водах и в воде руч. Жедринского зафиксированы высокие содержание Sb и U; подавляющая же часть микрокомпонентов содержится в концентрациях ниже ПДКвр либо в концентрациях ниже предела обнаружения (Sc, Cr, Ga, Ge, Se, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt, In, Te). Вероятно, высокие значения рН поверхностных и подземных вод Албынского месторождения – неблагоприятный фактор для накопления в них элементов и их дальнейшей трансформации.

Анализ данных эксперимента, имитирующего процесс природного химического выветривания, показал возможность выщелачивания из рудного вещества Албынского золоторудного месторождения Sb, As, U, Mo талыми водами и дождем; при подкислении среды, в частности производными от жизнедеятельности микроорганизмов и растений, из породы возможен вынос значительных количеств токсичных и особо токсичных элементов As, Sb, Ni, Сo, Be, Cd, U вследствие их перехода в легкорастворимые формы, в заметных количествах – Sn, Cu, Ga, Nb, Mo, W. Имитирование процессов биогенного выветривания пород показало возможность извлечения микроорганизмами значительного количества (от 6 до 29%) ряда токсичных элементов (Sb, Ba, Cd, Tl, Co, Ni, U, Mo, Сr, As, Sr) из метасоматитов и окисленной руды.

V. I. Radomskaya

Institute of Geology and Natural Management of Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: radomskaya@ascnet.ru

Russian Federation, 1, Relochniy lane, Blagoveshchensk, 675000

S. M. Radomsky

Institute of Geology and Natural Management of Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences

Email: radomskaya@ascnet.ru

Russian Federation, 1, Relochniy lane, Blagoveshchensk, 675000

L. M. Pavlova

Institute of Geology and Natural Management of Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences

Email: radomskaya@ascnet.ru

Russian Federation, 1, Relochniy lane, Blagoveshchensk, 675000

L. P. Shumilova

Institute of Geology and Natural Management of Far Eastern Branch of Russian Academy of Sciences

Email: radomskaya@ascnet.ru

Russian Federation, 1, Relochniy lane, Blagoveshchensk, 675000

  1. Бортникова С.Б., Гаськова О.Л., Айриянц А.А. Техногенные озера: формирование, развитие и влияние на окружающую среду. Новосибирск: СО РАН, 2003. 120 с.
  2. Гинзбург И.И., Яшина Р.С., Матвеева И.А., Беляцкий В.В., Нужделовская Т.С. Разложение некоторых минералов органическими кислотами // Химия земной коры. Т. 1. М.: АН СССР, 1963. С. 290–305.
  3. Голева Р.В., Иванов В.В., Куприянова И.И., Маринов Б.Н., Новикова М.И. и др. Экологическая оценка потенциальной токсичности рудных месторождений (методические рекомендации). М., 2001. 53 с.
  4. Дампилова Б.В., Федотов П.С., Дженлода Р.Х., Федюнина Н.Н., Карандашев В.К. Сравнительное изучение методов оценки подвижности форм элементов в загрязненных почвах и техногенных песках в условиях статического и динамического экстрагирования // Журн. аналит. химии. 2017. Т. 72. № 10. С. 944–951.
  5. Даувальтер В.А. Оценка токсичности металлов, накопленных в донных отложениях озер // Вод. ресурсы. 2000. Т. 27. № 4. С. 469–476.
  6. Зырин Н.Г., Малахов С.Г. Методические рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды. М.: Гидрометеоиздат, 1981. 108 с.
  7. Ладонин Д.В. Соединения тяжелых металлов в почвах – проблемы и методы изучения // Почвоведение. 2002. № 6. С. 682–692.
  8. Методические указания по определению ТМ в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства. М.: ЦИНАО, 1992. 61 с.
  9. Нормативы качества воды водных объектов рыбохозяйственного значения, в том числе нормативы предельно допустимых концентраций вредных веществ в водах водных объектов рыбохозяйственного значения // http://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/2070984. Дата обращения 28.01.2015.
  10. Пересторонин А.Е., Степанов В.А. Золоторудное месторождение Албын Приамурской провинции // Изв. вузов. Геология и разведка. 2015. № 4. С. 22–29.
  11. Практикум по агрохимии: Учеб. Пособие / Под ред. Минеева В.Г. М.: Изд-во МГУ, 2001. 689 с.
  12. Радомская В.И., Радомский С.М., Павлова Л.М. Геохимические аспекты влияния разработки Албынского золоторудного месторождения (Приамурье) на природную среду // Разведка и охрана недр. 2018. № 6. С. 55–64.
  13. Радомская В.И., Радомский С.М., Кулик Е.Н., Рогулина Л.И., Шумилова Л.П., Павлова Л.М. Геохимическая специфика редкоземельных элементов в поверхностных и подземных водах поля Албынского золоторудного месторождения (Амурская область) // Вод. ресурсы. 2016. Т. 43. № 6. С. 648–660.
  14. РД 52.18.286-91. Методика выполнения измерений массовой доли водорастворимых форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия, кобальта, хрома, марганца) в пробах почвы атомно-абсорбционным анализом. М.: Госкомгидромет, 1991. 65 с.
  15. РД 52.18.289-90. Методические указания. Методика выполнения измерений массовой доли подвижных форм металлов (меди, свинца, цинка, никеля, кадмия, кобальта, хрома, марганца) в пробах почвы атомно-абсорбционным анализом. М.: Госкомгидромет, 1990. 35 с.
  16. Рыженко Б.Н., Рябенко А.Е. Моделирование состава шахтных (отвальных) вод на месторождениях Балхачского золоторудного района // Геохимия. 2013. № 11. С. 1021–1032.
  17. Сутурин А.Н., Куликова Н.Н., Бойко С.М., Сайбаталова Е.В. Извлечение химических элементов из горных пород байкальской водой и органическими соединениями // Геохимия. 2013. № 5. С. 471–480.
  18. Тейлор С.Р., Мак-Леннан С.М. Континентальная кора: ее состав и эволюция. М.: Мир, 1988. 384 с.
  19. Федотов П.С., Спиваков Б.Я. Статические и динамические методы фракционирования форм элементов в почвах, илах и донных отложениях // Успехи химии. 2008. Т. 77. № 7. С. 690–703.
  20. Хабибуллина Ф.М., Кузнецова Е.Г., Васенева И. З. Микромицеты подзолистых и болотно-подзолистых почв в подзоне средней тайги на северо-востоке Европейской части России // Почвоведение. 2014. № 10. С. 1228–1234.
  21. Шварцев С.Л. Общая гидрогеология. М.: Недра, 1996. 423 с.
  22. Яхонтова Л.К., Зверева В.П. Основы минералогии гипергенеза. Учеб. пособие. Владивосток: Дальнаука, 2000. 331с.
  23. Blake R.E., Walter L.M. Kinetics of feldspar and quartz dissolution at 70–80 degrees C and near neutral pH: Effects of organic acids and NaCl // Geochim. Cosmochim. Acta. 1999. V. 63. P. 2043–2059.
  24. Campbell P.G.C., Tessier A. Biological availability of metals in sediments: analytical approaches // Heavy Metals in the Environment / Ed. Vernet J. P. Geneva: CEP Consultant Ltd., Edinburgh, 1989. V. 1. P. 516–525.
  25. Gadd G.M. Geomycology: biogeochemical transformations of rocks, minerals, metals and radionuclides by fungi, bioweathering and bioremediation // Mycol. Res. 2007. V. 111. Р. 3–49.
  26. Huang W.L., Keller W.D. Dissolution of rock-forming silicate minerals in organic acids: simulated first-stage weathering of fresh mineral surfaces // Am. Mineral. 1970. V. 55. P. 2076–2094.
  27. Stumm W., Furrer G. The dissolution of oxides and aluminium silicates; examples of surface-coordination-controlled kinetics // Aquatic Surface Chemistry. Chemical Processes at the Particle–Water Interface / Ed. Stumm W. New York: Wiley, 1987. P. 197–219.
  28. Stumm W., Morgan J. Aquatic chemistry chemical, equilibria and rates in natural waters. New York: John Wiley and Sons Inc., 1996. 1040 р.
  29. Tessier A., Cambell P.G.C., Bisson M. Sequential extraction procedure for the the speciation of particulate trace metals // Anal. Chem. 1979. V. 51. № 7. P. 256–273.

Supplementary files

Supplementary Files Action
1. Fig. 1. Geological plan of the Albynskoye field according to [10]: 1 - alluvial deposits; 2 - Late Cretaceous dikes of diorite porphyrites, granodiorite porphyries, granite porphyries of the Selitkan complex; 3 - gabbro, metamorphosed gabbro diabase; 4 - Zlatoust Formation (carbonaceous quartz-sericite schists); 5 - Afanasyev Formation (muscovite-quartz-albite schists); 6 - faults: a - main, b - minor, c - supposed; 7 - albitite zone; 8 - gold ore bodies; 9 - gold-bearing quartz veins. View (611KB) Indexing metadata
2. Fig. 2. A map of the location of the Albyn mine on a 1:50 000 M topography with water sampling points. Inset - a map of the Amur region. View (277KB) Indexing metadata
3. Fig. 3. The content of water-soluble form elements,% of the gross, in samples CT-1 and ST-2 Albynskogo field. View (80KB) Indexing metadata
4. Fig. 4. Content of acid-soluble and mobile (by acetate-ammonium extract) forms of elements in samples of metasomatite, carbon shale, and oxidized ore from the Albynsky deposit View (317KB) Indexing metadata
5. Fig. 5. The share of extraction of elements from samples of rocks of metasomatite (sample 730), carbonaceous shale (sample 5P), oxidized ore (sample 6P) by micromycetes in model experiments, mass. %; dotted line - Trichoderma aureoviride; direct - Penicillium simplicissimum. View (130KB) Indexing metadata

Views

Abstract - 80

PDF (Russian) - 52

Cited-By


PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Russian Academy of Sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies