Преобразования рудных отходов на северо-востоке России: геохимические и геоэкологические аспекты

Установилось мнение, что в климатических условиях Северо-Востока России при отрицательных среднегодовых температурах воздуха ниже -6°С при нахождении хвостохранилища в зоне сплошного или прерывистого распространения многолетнемерзлых пород уплотненные рудные отходы после спуска воды из пруда-накопителя перемерзают, образуя техногенную промороженную линзу, которую часто считают геохимически нейтральным и устойчивым объектом, потенциальным техногенным месторождением металлов, не полностью извлеченных из руды. Данное положение принимают и при оценке воздействия горного предприятия на окружающую среду (ОВОС). Мы подходим к хво-стохранилищам, как к качественно новому, геологически активному элементу долин горных рек криолитозоны, экологически опасному инженерному объекту даже после завершения его эксплуатации. Этого факта пока не учитывают при прогнозах поведения хвостохранилищ при эксплуатации и после прекращения добычи благородных металлов. Так, при расчетах скорости промерзания хвостов, которые по фракционному составу часто относят к супесям средним и тяжелым с коэффициентами фильтрации 0,00050,0007 м/сут., исходят из их геохимической инертности и отсутствия в них конвективного переноса тепла. При этом не учитывается, что

Глотов Владимир Егорович, доктор геологоминералогических наук, главный научный сотрудник лаборатории региональной геологии и геофизики. Email: geoecol@neisri. ru

инертности и отсутствия в них конвективного переноса тепла. При этом не учитывается, что тепломассоперенос может осуществляться в форме термодиффузии – перемещения рыхлосвязанной воды при отрицательных температурах к фронту вымерзания зимой и испарительной концентрации летом и молекулярной диффузии по градиенту потенциальной энергии в режиме файлюации [1].

Цель работы: показать, что аккумуляторы рудных отходов являются геохимически и геотермически активным новообразованным геологическим телом. Происходящие в них геохимические и геокриологические процессы преобразуют состав отходов, что может принести как позитивные для людей последствия, так и негативные.

Результаты исследований . Большая часть фактического материала, используемого в работе, собрана авторами в первом десятилетии 21 в. на территории Северо-Востока России. Выполненные исследования свидетельствуют, что на всех изученных хвостохранили-щах (Омчакское, Глухаринское, Галимовское, Карамкенское) (рис. 1), независимо от качества их сооружения, наблюдается обходная фильтрация воды, загрязненной тяжелыми металлами, иногда цианидами и роданидами. Места просачивания воды в боковых примыканиях, на внешнем откосе ограждающих дамб или у их основания превращаются в очаги суффозии и эрозии. Активность новых геоэкологических процессов наблюдается и после консервации хвостохранилищ, особенно на внешних откосах дамб южной и юго-восточной экспозиции.

Наиболее заметны последствия геохимических процессов, протекающих в самих хвостохра-нилищах из-за механической и химической активизации отходов. Рассмотрим обоснованность такого вывода на примере наиболее изученного хвостохранилища золотоизвлекатель-ной фабрики (ЗИФ) быв. Карамкенского горнообогатительного комбината (ГОК), работавшего с 1972 по 1994 гг.

Рис. 1. Схема расположения золоторудных месторождений Магаданской области: 1 – золоторудные месторождения; 2 – хвостохранилища, в том числе 1, 2 – Омчакское, Глухариное; 3 – Карам-кенское; 4 – Галимовское; 5 – Кубакинское

Геохимические и минералогические изменения в Карамкенском хвостохранилище. Золото- и серебросодержащая руда Карамкенского месторождения состояла из кварца, полевых шпатов, кальцита, гидрослюды, каолинита. Пирит и другие сульфиды находились в количествах от 0,3 до 0,7%; гидроокислы железа – менее 2%. Через 10 лет после прекращения работ ГОКа в 2003-2004 гг. мы обследовали хвостохранили-ще этого объекта и установили, что в составе приповерхностного слоя хвостов произошли значительные минералогические изменения. По результатам минералогических анализов, выполненных доктором геол.-минер. наук Н.Е. Савва, главная особенность пульпы – наличие сульфатов в количестве до 20%, которые отсутствовали в рудах. Среди них определены галотрихит [FeAl 2 ·(SO 4 ) 4 ·22H 2 O] – до 15%; ярозит [KFe 3 ·(SO 4 ) 2 ·(OH) 6 ]   – до 5%; калинит

[KAl(SO 4 ) 2 ·11H 2 O],      гипс,      мелантерит

Процесс минералогических и геохимических преобразований активизируется за счет техногенного воздействия. На рассматриваемом Карамкенском хвостохранилище таким воздействием многие годы являлся сброс отходов Колымского аффинажного завода (КАЗ). В технологическом процессе аффинажа используют соляную и азотную кислоты, сульфат железа, буру, мочевину. Собранные стоки, имеющие минерализацию более 100 г/дм3 и сульфатно-хлоридный натриевый состав, в объеме 1 м3/сут. в специальной емкости нейтрализуют NaOH, разбавляют из р. Хасын в многократном размере. Содержание токсичных микроэлементов до разбавления (мг/дм3): Zn – 3,8; Hg – 0,00035; Cu – 10,8; Cd – 20,2; Mn – 4,8 и др. Количество взвесей 411 мг/дм3. После разбавления формула химического

SO 70Cl29

состава имеет вид: M0,6 pH = 8,2. По Na91

содержанию нормируемых компонентов (Fe общ. , Al, Zn) вода относилась к загрязненным, поэтому на специальных автомашинах стоки вывозили на Карамкенское хвостохранилище и сбрасывали на его поверхность у головной (верхней по течению) дамбы. Однако после слива малотоксичные разбавленные стоки преобразовались в токсичные, негативно влияющие на качество природных вод (табл. 1). Пробы хвостов, отобранные из закопушек, были проанализированы методом количественного спектрального анализа (ЭКСА) в лаборатории геохимии СВКНИИ ДВО РАН (руководитель к.г.-м.н. В.А. Приставко). Результаты анализов показали накопление токсичных микроэлементов по сравнению с незагрязненными участками (табл. 2).

Таблица 1. Особенности химического состава вод на площади хвостохранилища (по данным СВКНИИ ДВО РАН, аналитик Д.С. Кротова)

Таблица 2. Содержание тяжелых металлов в хвостах Карамкенского хвостохранилища, г/т

Таким образом, комплексом гидрогеохи-мических, минералогических, геохимических анализов показано, что сброс стоков КАЗ в Ка-рамкенское хвостохранилище вызывает ускорение преобразования рудных отходов, сопровождаемое значительными изменениями в составе хранимых хвостов. Активизировались процессы гидролиза, окисления сульфидов и сульфатов. Эти реакции происходят с выделением тепла, за счет которого поднималась температура в толще хвостов, хотя ожидалось вымерзание всех накопленных хвостов до отрицательной среднегодовой температуры (-6,5°С) за 10 лет. Только в правобережной части склона северной экспозиции образовалась многолетнемерзлая линза. Сброс разбавленных стоков происходил у головной дамбы на участке этой линзы. Сбрасываемые в теплое время года они поглощались сезонно-талыми хвостами, мощность которых не превышала 1,2-1,5 м. При малой глубине залегания водоупорной подошвы в летний период происходил процесс испарительной концентрации, что повышало содержание сульфатов на участке загрязнения и способствовало образованию корочки соли. Как известно, сульфат окисного железа Fe 2 (SO 4 ) 3 и серная кислота непосредственно взаимодействуют с сульфидами металлов:

MeS + Fe2(SO4)3 + H2O + 1,5O2 → →MeSO4 + 2FeSO4 + H2SO4;

MeS + H2SO4 → H2S + MeSO4.

В холодное время года сезонно-талые хвосты цементировались льдом, выделяющимся при вымерзании жидких стоков КАЗ. Их последующие сбросы приводили к криогенному концентрированию водорастворимых солей на поверхности хвостохранилища. Испарительное и криогенное накопление химически активных солей ускоряли процессы преобразования плагиоклазов, высвобождали металлы из рудных обломков. Формировалась техногенная россыпь золота с современным содержанием его около 2 г/т или 1 г/м3. Все процессы, о которых идет речь, были прерваны 27.08.2009 г. Накопленные глинистые частицы придали грунтам дамбы и хвостам тиксотропные свойства. При работе дорожного грейдера во время продолжительного ливня на ограждающей дамбе произошел быстро протекающий переход грунтов в жидкое состояние. Участок дамбы и прилегающий к нему блок хвостов, мощность которых превышала 20 м, селе-подобной массой был сброшен в русло р. Хасын, унося жизнь 2-х человек и нанеся материальный урон в размере около 150 млн. руб. [2].

Сведения о геохимических процессах в других хвостохранилища Северо-Востока России. Периодическое образование сульфатсодержащего пылеватого покрова в зимнее время или при обсыхании поверхности пульпы летом и разрушение этого покрова при таянии снега или выпадения дождей является особенностью хво-стохранилищ Северо-Востока РФ. В микроком-понентном составе пыли отражается состав рудных металлов, но во всех случаях она обогащена токсикогенными тяжелыми металлами и является опасной для людей в случае вовлечения ее в воздушные потоки. Содержание этих металлов при испарительной концентрации может достигать весьма внушительных величин (табл. 3). В отвалах золоторудных месторождений накапливается золото, оловорудных – олово до промышленных значений. Например, разведано техногенное месторождение россыпного золота в хвостохранилище рудника им. Матросова в долине р. Омчак.

Таблица 3. Содержание тяжелых металлов в пылеватом приповерхностном слое Омчакского и Галимовского хвостохранилищ в г/т

Выводы: созданные в долинах горных рек аккумуляторы рудных отходов (хвостохрани-лища) являются геохимически активными и в зоне повсеместного распространения многолетнемерзлых пород. Минералого-геохимические преобразования, происходящие в хвостохрани-лищах, делают эти хвостохранилища экологически очень опасными сооружениями даже в условиях Северо-Востока России. Наиболее опасны они как объекты, рудные отходы которых со временем приобретают тиксотропные свойства. Пылеватый слой на их поверхности является источником тяжелых металлов, переносимых водой и ветром. В этом их негативная геоэкологическая значимость. Вместе с тем, отходы добычи благородных металлов могут быть источником золотых или оловянных россыпей будущего, почвой для растительного покрова на гале-эфельных отвалах россыпных месторождений. В этом их положительная геоэкологическая значимость.