Гидрогеохимическая трансформация Липовской геотехногенной системы

Природа так обо всем позаботилась, что повсюду ты находишь, чему учится.

Леонардо да Винчи.

Актуальность проблемы. Пытаясь понять законы природы, человечество не может всецело контролировать и эксплуатировать природный объект, не нарушая его структуру и целостность связей в его пределах. Академик А. Е. Ферсман определил техногенез, как геохимическую деятельность человечества, то есть группу явлений перераспределяющих химические элементы на Земле. В настоящее время под этим термином понимают процессы преобразования геологической среды техническими средствами под управлением человека. Воздействие техники подчинённой человеку, на современном этапе развития общества, приводит к закономерному преобразованию окружающей среды — формированию геотехногенных систем. То есть открытых динамичных структур, включающих природный объект (геологическую среду) и техногенный источник воздействия.

В последнее время в рамках техногенеза активно развивается ряд новых научных направлений, в том числе гидрогеохимия техногенеза. Задача этого направления — изучение поведения химических элементов под воздействием техногенных факторов в различных физико-химических условиях гидролитосферы.

На многих водозаборах Среднего Урала наблюдается тенденция в изменении химического состава подземных вод в процессе их эксплуатации. Это тесно связано с преобразованием подземной и поверхностной гидросферы при техногенном воздействии и влияет на геохимическую трансформацию многих компонентов близлежащих ландшафтов. Последствия могут заключаться в невозможности использования водозабора при ухудшении качества вод в результате техногенного вмешательства, активизирующего взаимодействия литосферы и гидросферы.

В центре горнопромышленного Урала техногенное воздействие на природную среду создало множество динамических структур. Липовская геотехногенная система, расположенная в Режевском районе Свердловской области не является исключением. Началом для её создания послужила разведка Липовского месторождения силикатно-никелевых руд в 1958 г. Активная стадия техногенеза соответствовала времени отработки рудника (с 1960 года). В 1989 году при истощении запасов руд на основе кустов водопонизительных скважин рудника, месторождение было переориентировано и, началась эксплуатация Липовского месторождения подземных вод. Геотехногенная система при этом перешла на новую стадию развития, однако техногенные источники энергии продолжают оказывать влияние.

Ныне в составе Липовской геотехногенной системы четыре отработанных карьера, отвалы вскрышных пород, карьерные озёра, возникшие при выполаживании депрессионной воронки и приотвальные водоёмы. Кроме того, техногенными компонентами являются гидрогеологические скважины.

Начиная с 70-х годов XX века одной из первых работ по проблемам рекультивации и рационального использования ресурсов Липовской геотехногенной системы, явилась работа О. Г. Кецко [112]. Целью работы было исследование техногенеза как совокупности природных и технических процессов и явлений, связанных с освоением ресурсов Липовского месторождения, экологическое и экономическое обоснование основных направлений рационального природопользования всеми видами ресурсов Липовской геотехногенной системы. В настоящее время, при резко возросшем внимании к проблемам техногенеза, многие вопросы остаются нерешёнными. Важны, в частности, для Урала вопросы гидрогеохимической трансформации природных вод, обусловленной комплексным воздействием природных и техногенных факторов. При этом актуальными, в связи с прогрессом методов и технологии физико-химического моделирования стало выявление и анализ термодинамическими расчётами разнообразных форм миграции элементов, многие из которых активизируются благодаря техногенезу. Анализ устойчивости и соотношений комплексных соединений в разнообразных гидрогеохимических средах, является объективным и информативным способом гидрогеохимических прогнозов.

Цели и задачи исследования. Гидрохимия подземных вод — не что иное, как функция химической мобилизации элементов из вмещающих пород, поэтому изучение формирования и эволюции карьерных озёр значимо для прогноза преобразования гидросферы и разработки системы управления геотехногенным объектом на разных стадиях развития.

В настоящее время отсутствует удовлетворительная качественная и количественная гидрогеохимическая модель преобразования геотехногенной системы. В результате нет данных об изменении или стабилизации качества воды на действующем водозаборе — при процессах трансформация химического состава гидросферы, в контексте интенсивности его эксплуатации и технической схемы.

Цель данной работы — апробация метода гидрогеохимического моделирования к оценке перераспределения химических элементов при эволюции геотехногенной системы, разработка теоретических и методических основ для качественного и количественного моделирования процессов изменения качества воды на водозаборах гидродинамически связанных с техногенно преобразованной гидролитосферой.

В задачи исследования входили:

1) обобщение фактических и литературных данных по вопросам преобразования гидросферы Липовской геотехногенной системы;

2) натурные исследования, опробование и химико-аналитические исследования;

3) сравнительный анализ изменения химического состава подземных и поверхностных вод геотехногенной системы в различные этапы техногенного развития;

4) разработка термодинамической модели преобразования гидросферы с учетом миграции ионов никеля, кобальта и железа.

Объект исследования. Липовская геотехногенная система — месторождение подземных вод, функционирующее на литооснове силикатно-никелевого рудника. Месторождение используется для водообеспечения города Реж. За время его эксплуатации неоднократно изменялись как гидрохимические, так и гидродинамические показатели.

Фактический материал. Строение Липовской геотехногенной системы довольно подробно освещено в научной литературе и публикациях, режимные наблюдения за динамикой и составом подземных и поверхностных вод и величиной водоотбора на объекте проводятся с начала его освоения, однако достаточно разрознены. В течение всей эволюции в пределах геотехногенной системы действовало три куста водопонизительных скважин вскрывающих породы палеозойского фундамента и мезозойской коры выветривания. Основой для исследования послужили материалы, собранные автором во время полевых работ и анализ литературных, в том числе фондовых данных. Натурный материал был собран путем пробоотбора твердого вещества: пород в отвалах и бортах карьеров, донных отложений водотоков и карьерных озеропробования подземных вод и поверхностных водотоков (включая водные толщи карьерных озер). Всего было проанализировано более 450 проб поверхностных и подземных вод.

Методы исследования. Работа заключалась в обобщении и анализе многолетних наблюдений за режимом и составом поверхностных и подземных вод Липовской геотехногенной системы методами гидрогеохимического моделирования с использованием программного комплекса гидрогеологических и гидрохимических расчётов «Нус1гоОеО-32» разработанного в Томском политехническом университете. Создавалась гидрогеохимическая модель объекта и области миграции химических элементов первоначально дислоцированных в водовмещающей среде. По результатам моделирования выполнен прогноз эволюции гидросферы техногенной структуры. Предоставлены материалы для разработки программ мониторинга Липовского месторождения и аналогичных объектов.

Аналитические работы. Включали химические анализы поверхностных и подземных вод (спектрофотометрический и колориметрический метод в сертифицированных лабораториях по утверждённым принятым методикам). Минеральный состав донных отложений карьерных озёр установлен рентгенометрическим и спектральным методом. Состав эфемерных аутогенных минеральных фаз установлен рентгенометрическим и спектральным флуоресцентным методами.

Исследования химического состава подземных вод проводились по трём кустам скважин: куст «Верхний», куст «Нижний» и куст «Л-4−5». В настоящее время эксплуатационными являются кусты «Верхний» и «Л-4−5», а куст «Нижний» выведен из работы. Оценка состояния поверхностных вод проводилась путём исследования воды карьерных, автоморфных, эвтрофицированных трансаккумулятивных и приотвальных озёр, а также воды рек Бобровки и Липовки (по двум створам), в долинах которых происходит разгрузка подземного водотока.

Такая методика даёт основание сопоставить изменение химического состава подземных вод с изменением состава поверхностных. Это обстоятельство в последнее время актуально по причине привлечения ресурсов озера в карьере Л-4−5 в общий баланс водоотбора (в количестве 80%). Гидрогеохимическое моделирование соотношений в системе «вода-порода» было выполнено с использованием компьютерных технологий — программный комплекс гидрогеологических и гидрохимических расчётов «НуёгоОеО-32».

Научная новизна. Создана комплексная гидрогеохимическая модель преобразования геотехногенного объекта на разных стадиях развития, с использованием методов гидрохимического моделирования с учетом преобразования и миграции типоморфных химических элементов силикатно-никелевого оруденения. В ходе проведенного исследования и в результате моделирования получены выводы, касающиеся месторождений подземных вод находящихся в сходных геологических и геоэкологических условиях. Выделены этапы техногенеза для Липовской геотехногенной системы, в соответствии с которыми происходило изменение соотношений в системе «вода-порода». Получены данные, но химическому составу подземных вод и термодинамическим параметрам гидролитосферы, определены формы нахождения микроэлементов в природных водах геотехногенного объекта. Получены данные по составу вод карьерных озер, их изменению с течением времени.

Структура и состав работы. Структура работа построена из введения, пяти глав и заключения: 1. Описание орогидрографических и геологических особенностей Липовской геотехногенной системы- 2. Характеристика геотехногенной структуры и её эволюции- 3. Гидрогеохимический аспект, рассмотрение факторов преобразования гидросферы геотехногенной системы- 4. Моделирование гидрогеохимических взаимоотношений на основе законов равновесной химической термодинамики- 5. Оценка устойчивости соединений типоморфных элементов рудоносной коры выветривания в гидросфере геотехногенной системы.

Состав работы — 170 страниц, 77 рисунков, 20 таблиц, включая 3 приложения. Библиографический список включает 115 литературных источников, в том числе 6 зарубежных изданий.

Практическая значимость. Разработанная гидрогеохимическая модель преобразования гидросферы и результаты работы применимы в программах мониторинга геотехногенных систем и проектах рекультивации техногенных объектов. В работе дан прогноз стабилизации и конечного химического состава подземных вод при переходе геотехногенного объекта на стационарную стадию развития, что в итоге переводит объект в аналог фонового природного. Доказано, что повышение уровня подземных вод приводит к активизации миграции элементов находящихся ранее в изолированной геохимической обстановке, а затопление карьерных выработок локализует и нейтрализует гидрохимическое загрязнение.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были изложены в 30 публикациях, вошли в проект мониторинга геологической среды территории ОГУ «Природно-минералогический заказник «Режевской». Также были доложены и опубликованы в сборниках тезисов на региональных, всероссийских и международных конференциях и семинарах, в том числе: Научно-практическая конференция «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (Ростов-на-Дону, 2007), Межрегиональная научно-практическая конференция «Освоение минеральных ресурсов Севера» (Воркута, 2008), Международный научный симпозиум им. акад. М. А. УСОВА (Томск, 2008), Международная конференция «Актуальные проблемы экологической геологии» (Санкт-Петербург, 2008), Сибирская международная конференция молодых учёных по наукам о земле (Новосибирск, 2006, 2008), Уральская горнопромышленная декада, (Екатеринбург, 2007 — 2010), Уральская минералогическая школа (Екатеринбург, 2007, 2009), Научные чтения памяти П. Н. Чирвинского (Пермь, 2008;2012), Всероссийское литологическое совещание (Екатеринбург, 2008), «Сергеевские чтения» (Москва, 2009), Всероссийская научно-практическая конференция «Эколого-геологические проблемы урбанизированных территорий» (Екатеринбург, 2009).

Результаты исследований использовались при составлении проекта мониторинга геологической среды ОГУ «Природно-минералогический заказник «Режевской», а также фигурируют в ежегодных отчётах о его деятельности.

Диссертационная работа выполнена под научным руководством действительного члена РАН, академика, доктора геол.-мин. наук В. А. Коротеева. Автор выражает глубокую благодарность за советы и всестороннюю помощь профессору кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Уральского горного университета, доктору геол.-мин. наук Л. С. Табаксблату. Большую помощь в изучении истории развития Липовской геотехногенной системы оказали сотрудники кафедры Минералогии, петрографии и геохимии Уральского горного университетапрофессор, доктор геол.-мин. наук Э. Ф. Емлин и доцент, канд. геол.-мин. наук В. И. Каинов, которым автор благодарен за консультации и ряд ценных критических замечаний. Помощь в сборе фактического материала и натурные исследования оказали директор ОГУ «Природно-минералогический заказник «Режевской» С. Л. Волохин и научи, сотр. Е. В. Минеева.

Защищаемые положения.

1. Облик природных вод в пределах геотехногенной системы определяется гидрогеохимической активностью коры выветривания и регулируется процессами взаимодействия с карбонатными породами. Воды карьерных озёр формируются подземными водами, связанными с ними гидродинамическим и гидрохимическим взаимодействием.

2. Наибольшей миграции подвержены типоморфные химические элементы, дислоцированные в материале заполнителе карстовых депрессий. В настоящее время в карьерных озёрах накапливается сорбированный никель, что обусловлено его перераспределением между компонентами гидролитосферы.

3. Техногенное вмешательство на Липовской геотехногенной системе практически полностью нейтрализовано, последствия его воздействия максимально устранены. Геотехногенная система в настоящее время в гидрогеохимическом отношении представляет структуру, по своим характеристикам приближенную к фоновым природным геосистемам.

1. Общий раздел.

Заключение

.

В настоящее время на месторождениях минерального сырья образованы десятки дренажно-осушительных систем. Многие из них продолжают функционировать на стадиях активного и/или регрессивного техногенеза. Большинство таких геотехногенных систем оказывают влияние на геохимическую трансформацию близлежащих ландшафтов. Для Липовского месторождения (Липовской геотехногенной системы) стадия активного техногенеза соответствовала периоду добычи силикатно-никелевых руд, при этом гидрогеохимическая структура начала преобразовываться (при формировании депрессионной воронки). В период активного водопонижения вовлекались в круговорот большие объёмы грунтовых и трещинных вод, что привело к переносу веществ и ускорению водной миграции элементов. При максимальных объёмах водоотлива неравновесность системы возрастала и на регрессивном этапе техногенеза привела к формированию своеобразных карьерных озёр. При этом (на регрессивной стадии развития системы) преобразовывался химический состав поверхностных и подземных вод. Выполаживание депрессионной воронки и изменение водных потоков привело к частичной нейтрализации техногенного влияния на стадии самопроизвольной рекультивации, а модуль ионного стока постепенно начал приближаться к фоновому.

Техногенное вмешательство практически полностью нейтрализовано, последствия его воздействия максимально устранены. В результате своей эволюции геотехногенная система представляет собой отграниченную в гидрогеохимическом отношении структуру, обязанную своей уникальностью техногенезу. Природные воды в её пределах составляют «чуткую» равновесную систему, что наиболее актуально для подземной гидросферы и миграции в ней растворённых комплексных форм никеля.

Поверхностная и подземная гидросфера Липовской геотехногенной системы связаны через карьерные озёра. Воздействие приотвальных, трансаккумулятивных и автоморфных озёр на преобразование грунтовых вод не проявлено. Влияние имеют вмещающие породы, причём взаимодействия их с водой взаимообуславливающие.

При взаимодействии минералов с водой в раствор переходят подвижные в геохимической обстановке элементы, основными «управляющими» параметрами при этом служат обусловленные интенсивностью взаимодействия в системе «вода-порода» равновесие и насыщенность. Определённое значение принадлежит рН и скорости движения воды. Рассчитанная для оценки форм миграции ионная сила растворов весьма низкая, что вполне оправданно позволило применить, для расчётов коэффициентов активности комплексов, «предельное» уравнение Дебая-Хюккеля.

Расчёт комплексообразования и изучение гидрогеохимии природных вод геотехногенной системы позволило заключить, что трансформация химического состава гидросферы при техногенной эволюции нарушает равновесное состояние системы «вода-порода» относительно первичных и вторичных минералов. Воды в пределах рассматриваемой системы являются* недонасыщенными относительно первичных и вторичных алюмосиликатов, т. е. большинства породообразующих минералов составляющих водовмещающие среды. Все эти минералы служат источником обогащения вод на протяжении всего времени их циркуляции.

Поверхностные воды равновесны с магнезитом, каолинитом, имеют слабую тенденцию к насыщению относительно гидрослюд, к которым подземные воды недонасыщены, но равновесны помимо каолинита и магнезита с кальциевыми и частично с магниевыми разностями монтмориллонита. В карьерных озёрах происходит образование донных отложений с участием химических элементов, привносимых подземными водами. Концентрация никеля, как и прочих металлов в донных отложениях, связана с силикатной матрицей, что объяснимо наличием коллоидного кремнезёма и обладающих высокой сорбционной способностью к металлам глинистых минералов (каолинит, Са-монтмориллонит, магнезит, 1У^-хлорит обнаруженные в осадках полностью или частично сорбируют микроэлементы-металлы из гидросферы). Аморфность и неконсолидированность отложений делает реальным вторичное вовлечение в гидрохимическую миграцию никеля при изменении равновесия в системе «вода-порода». Соосаждение никеля происходит с оксидами железа и марганца.

Значительное недонасыщение вод относительно конгруэнтно растворимых минералов (кальцита, флюорита, гипса, гидроксида окисного железа), а также вторичных водорастворимых фаз — сульфата магния, гидрокарбоната натрия, карбоната, гидрокарбоната и сульфата никеля проявлено, однако на участках испарительных геохимических барьеров возникают зоны аутогенной минерализации.

Миграция химических элементов в подземных водах осуществляется в виде собственных простых ионов. Роль комплексных соединений малозначительна, представлены они преимущественно сульфатными и в меньшей степени гидрокарбонатными формами, что согласуется с основным анионным составом вод. В поверхностных водах из комплексных соединений элементов преобладают гидрокарбонатные формы переноса, а микрокомпоненты помимо гидрокарбонатных форм обнаруживают значимыми и карбонатные формы.

Система «вода-порода» неравновесна в зоне дезинтегрированных серпентинитов. Степень неравновесности между минеральным составом вмещающей среды и инфильтрующейся водой постоянна, вынос никеля в миграционные потоки стремится к минимуму. Подвижность никеля в нижних зонах коры выветривания практически не изменяется, поступление в потоки миграции с подземными водами, при техногенно-преобразованном режиме фильтрации, имеет характер выноса из концентрационных рудовмещающих сред в виде неорганических комплексов, неустойчивых в данных окислительно-восстановительных и рН условиях. Повышение уровня подземных вод приводит к активизации миграции элементов-металлов дислоцированных в ранее изолированной геохимической обстановке в направлении мест разгрузки подземной гидросферы (карьерные озёра).

Основной типоморфный элемент Липовской геотехногенной системы — никель, устойчив в водной среде в степени окисления 3+ в форме миграции №(ОН)з, в степени окисления 2+ в форме свободного иона № 2+ при окислительных условиях, а при снижении окислительного потенциала и увеличении рН в гидроксидной, сульфатной и карбонатных формах. Вследствие небольшой подвижности в щелочных условиях и средней в кислых и нейтральных, свободный ион № 2+ занимает до 0,07% от всех форм миграции элементов в подземных водах месторождения. Неорганические комплексные соединения никеля в подземных водах присутствуют в двух формах: карбонатной (7% от суммы обнаруженных миграционных форм этого элемента, что составляет 0,006% общего количества форм миграции всех элементов) и сульфатной (N?804°). Последняя занимает одно из ведущих мест (86% от суммы форм миграции никеля). Прочие комплексы № 2+ в подземной гидросфере не имеют значимых концентраций.

Не смотря на постоянный водоприток в карьерные озёра подземных вод, разбавление талыми водами и атмосферными осадками, состав их смещается в сторону повышения концентраций типоморфных элементов-металлов. При сохранении термодинамического равновесия во вмещающих средах содержание никеля в подземной гидросфере с течением времени закономерно уменьшается. В гидросферу переходит миграционно-способный никель. Его аккумуляция на геохимических барьерах обеспечивает окончательный спад концентрации в водах. Затопление карьерных выработок озёрами в какой-то мере имеет положительный аспект, проявленный в локализации и частичной нейтрализации гидрохимического загрязнения. Таким образом, техногенно-преобразованное месторождение, пройдя несколько стадий развития, в гидрогеохимическом плане приближено к природному фону.

Моделирование взаимоотношений поверхностных и подземных вод с минеральными фазами подтвердили переход в раствор катионов типоморфных металлов из сорбированной силикатной формы. Кроме того, значительная часть ионов никеля привносимая подземными водами в карьерные озёра, мигрирует из карстовых коллекторов заполненных углисто-глинисто-песчаным материалом и лигнитами.

Данная работа показывает положительную гидрогеохимическую трансформацию подземных вод Липовского месторождения при его самопроизвольной рекультивации, в течение относительно короткого промежутка времени. Учитывая целесообразность применения метода гидрогеохимического моделирования для оценки степени загрязнения подземных и поверхностных вод техногенно-преобразованных объектов, в особенности типоморфными рудными элементами можно рекомендовать его для прогноза трансформации гидросферы геотехногенных систем на аналогичных месторождениях (месторождения силикатно-никелевых руд Уфалейского типа).

Актуально включение данной методики в программы исследования при решении вопроса о переориентации дренажных вод разрабатываемых месторождений, находящихся на завершающем этапе отработки, для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Такое обстоятельство оправданно, в частности, для районов с дефицитом качественных подземных вод (Оренбургская, Челябинская, Свердловская область, республика Башкортостан).