«Техногенные экосистемы: динамика развития и ресурсный потенциал (на примере хранилищ отходов горнорудного производства в Кемеровской области и Забайкальском крае)»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность диссертационного исследования продиктована необходимостью выявления закономерностей геохимической эволюции техногенных экосистем для определения механизмов воздействия на окружающую среду и изменения ресурсного потенциала. Под техногенной экосистемой в данной работе понимается система, состоящая из сульфидсодержащих отходов обогащения полиметаллических руд и компонентов окружающей природной среды, которые находятся во взаимосвязи и образуют целостность путем обмена веществом и энергией. В ходе бурного развития добывающей промышленности, с конца XIX века в результате разработки рудных месторождений по всему миру образовались отходы, отличительной чертой которых являются высокие концентрации кислотопродуцирующих сульфидных минералов (до 25 мас. % пирита), сульфидов тяжелых и благородных металлов (до 10 мас. % Cu, Zn, Cd, Pb, Ag, Au) и токсичных элементов (As, Be, Tl). За счёт тонкого измельчения на производстве отходы обладают развитой удельной поверхностью и высокой реакционной способностью. Наиболее актуальны исследования таких объектов для оценки возможности их вторичной переработки как техногенных месторождений, а также при выявлении рисков для окружающей среды. Основные исследования прошлых лет проводили в США, Канаде и Великобритании; они были сосредоточены на описании аномалий в почвах и растениях в районе складированных отходов (Briggs,1972; John, VanLaerhoven, 1972; Blowes et al., 1978), вопросах трансформации складированных отходов горнорудного производства, состава связанных с ними потоков кислого дренажа (Acid Mine Drainage). Вопрос миграции химических элементов из хранилищ отходов горнорудного производства освещается в зарубежной литературе с конца семидесятых годов в работах R. Borman, D. Watson (1976), R. Blair (1980), R. Smith (1980). С конца 80-х – начала 90-х годов. прошлого века получила активное развитие тема математического моделирования для расчета преобразования сульфидного вещества и транспорта химических элементов за пределы хранилищ (Ball & Nordstrom, 1991; Chudnenko et al., 1995). Новый век принес развитие множества направлений в исследовании техногенеза: кинетика окисления основного кислотопродуцирующего минерала пирита (Holmes et al., 2000); оценка опасности отходов горнорудного производства и кислого дренажного потока, выносящего металлы из хранилищ отходов (Liu et al., 2003; Gueguen et al., 2004; Hoth et al., 2001; Freire et al., 2005; Gaskova et al., 2019; Артамонова, 2020, 2022; Abrosimova et al., 2017; Abrosimova et al., 2015; Бортникова и др., 2018; Bortnikova et al., 2018); определение форм миграции токсичных элементов и их влияния на окружающую среду (Salomons, 1995; Nordstrom et al., 2 2000; Dinelly et al., 2001; Brown et. al., 2005; Густайтис и др., 2016, 2020; Хусаинова и др., 2023; Лазарева и др., 2023); разработка рекомендаций по очистке техногенных потоков при помощи геохимических барьеров и извлечению ценных компонентов (Чантурия и др., 2003; Винокуров, 2005; Чантурия и др., 2006; Алешин и др., 2007; Бортников и др., 2010; Трубецкой и др., 2010; Гурбанов и др., 2012; Бортников и др., 2013; Богатиков и др., 2009, 2014; Винокуров и др., 2016, 2017; Минаев, 2017). В исследованиях последних лет получило развитие направление использования геофизических методов для мониторинга техногенных объектов (Pellerin, 2002; Murciego et al., 2011; Mele et al., 2013; Levei, 2013; Acosta et al., 2014; из соотечественников - Ерохин, 2012; Манштейн, Балков, 2014, Оленченко и др., 2016; Эпов и др., 2017; Карин и др., 2017, Yurkevich et al., 2022), количественные определения скорости диффузии кислорода как основного окисляющего агента (Elberling, 2005; Awoh et al., 2013), оценки скорости выщелачивания металлов из хвостов обогащения Cu- руд (Guo et al., 2013). Важны в практическом плане вопросы нейтрализации и очистки техногенных потоков от токсичных элементов (Miller et al., 1996; Shevnell, 1999; Castro et al., 1999, 2000; Ramstedt et al., 2003; Bowell, 2003; Simmons et al., 2004; Uhlmann et al., 2004; Johnson et al., 2005; Ho, 2006; Kurniawan et al, 2006; Mohan et al., 2007; Kumpiene et al., 2008; Pant et al, 2010; Fu et al., 2011; Liu et al., 2015; Kuppusamy, et al., 2016; Choi, J et al., 2016; Han et al, 2016). На фоне бурного роста публикаций по проблеме геохимии природно-техногенных систем остаются малоизученными такие важные вопросы, как закономерности трансформации сульфидсодержащих отходов горнорудного производства в зависимости от их физического строения и химического состава. Понимание механизмов эволюции техногенных экосистем необходимы для разработки комплекса мероприятий по их вторичной переработке, минимизации их влияния на окружающую среду и рекультивации нарушенных территорий. Цель работы заключается в получении количественной информации о строении, составе и ресурсном потенциале техногенных экосистем и выявлении закономерностей миграции вещества с водными и воздушными потоками под воздействием факторов долговременного химического выветривания с помощью комплекса современных методов (на примере складированных сульфидных отходов Кемеровской области и Забайкальского края). Основные задачи исследования, решаемые для достижения поставленной цели, представляют собой основные этапы работы. 1. Установить численные взаимосвязи между электрофизическими и геохимическими параметрами среды, разработать 3 комплексную геохимико-геофизическую методику исследования состава техногенных систем с использованием методов электротомографии, геохимической и газоаналитической съемки. 2. Определить строение техногенных экосистем и основные закономерности их трансформации с течением времени. 3. Определить основные механизмы преобразования вещества техногенной экосистемы под воздействием факторов окружающей природной среды. 4. Оценить экологический ущерб и ресурсный потенциал техногенных экосистем (на примере отвалов и хвостохранилищ Кемеровской области и Забайкальского края). Фактический материал. В основу диссертационной работы положены результаты исследований по тематике геохимии техногенеза и экологической геофизики, проводимых с 2003 года автором лично в составе научного коллектива ОИГГМ, а затем ИГМ и ИНГГ СО РАН под руководством д.г.-м.н. С.Б. Бортниковой, в тесном сотрудничестве и при непосредственном участии коллег-геохимиков к.г.-м.н. Саевой О.П., к.г.-м.н. Еделева А.В., к.г.-м.н. Корнеевой Т.В., к.г.-м.н. Абросимовой Н.А., д.г.-м.н. Шевко Е.П, к.т.н. А.Л. Макася, геофизиков к.г.-м.н. В.В. Оленченко, д.т.н. А.К. Манштейна, д.т.н. Е.В. Балкова, к.т.н. Ю.А. Манштейна, Ю.Г. Карина, П.С. Осиповой, С.П. Кохановой и экономистов д.э.н. И.В. Филимоновой, к.э.н. И.В. Проворной, к.э.н. М.В. Мишениным. В основу работы положены результаты анализов более 340 проб водных вытяжек, поровых, дренажных и поверхностных вод, 832 образцов вещества отходов из 85 шурфов, 92 геоэлектрических разреза, 44 пробы атмосферного воздуха на шести хвостохранилищах в Кемеровской области и Забайкальском крае. Методы исследований Методология работы базируется на трех основных блоках: 1) полевые геохимические и геофизические исследования; 2) лабораторные анализы химического состава вещества и растворов; 3) эксперименты и расчёты. Аппаратурно-методическое обеспечение исследований техногенных экосистем развивалось в течение 20-ти лет благодаря совместной работе специалистов геохимиков, геофизиков и экономистов, сотрудников ИНГГ и ИГМ СО РАН. Синергетическое взаимодействие стало возможным за счёт применения методов разных областей наук к исследованию техногенных объектов. В соответствующих разделах третьей главы диссертации приведена последовательность работ по каждому из трех вышеприведенных блоков с указанием методов, 4 оборудования и программного обеспечения, а также подробно описаны авторский алгоритм геохимических и геофизических исследований, схемы расстановок профилей электротомографии и заложения шурфов работ на каждом из объектов в отдельности, методы анализа состава вещества и растворов, методы постановки, реализации и интерпретации экспериментов и расчётов. Научная новизна 1. Показана взаимосвязь между геохимическими, электрофизическими параметрами техногенного тела и факторами окружающей природной среды (температура, влажность), оценена суточная и сезонная вариабельность системы. 2. На основании данных комплексного применения электротомографии с верификацией геохимическим опробованием определено строение техногенных экосистем с выявлением зон окисления, геохимических барьеров и зон фильтрации дренажных растворов. 3. Установлены закономерности эволюции техногенных экосистем Сибири. 4. Показано, что техногенные экосистемы являются источниками серо-, селен-, азот- и углеродсодержащих газов за счёт ряда биотических преобразований. Впервые обнаружено формирование сероуглерода, газа второго класса опасности, в приповерхностном слое воздуха над отвалами. Доказан механизм метилирования серосодержащих соединений бактериями Baccilus Mycoides с образованием диметилсульфида. 5. Предложена методология оценки объемов техногенных тел, ресурсов ценных и токсичных компонентов, расчета экологического ущерба и рентабельности переработки отходов цианирования, флотации и гравитационного обогащения барит-полиметаллических, полиметаллических и золотоносных руд. Защищаемые научные результаты 1. Применение методов электроразведки позволяет визуализировать и количественно описать строение техногенных систем, поскольку геохимическая дифференциация вещества за время хранения сульфидсодержащих отходов обогащения приводит к формированию градиентной зональности удельного электрического сопротивления (УЭС): значения УЭС 1-20 Ом·м соответствуют слабо-окисленным тонкозернистым отложениям, а гипергенно-трансформированные горизонты характеризуются УЭС 21-300 Ом·м. 2. Процессы окислительного выщелачивания металлов и металлоидов из вещества отходов интенсифицируются в зоне гиперкриогенеза на границе техногенных отложений и мёрзлых пород за счёт сезонного колебания температур. С дренажными потоками 5 химические элементы попадают в горизонты подземных вод и далее – в поверхностные водотоки, в результате чего формируются гидрохимические аномалии на расстоянии до 10 км от хранилищ. 3. Сезонные и суточные колебания температуры способствуют продукции серо-, азот- и углеродсодержащих газов из вещества сульфидсодержащих отходов. Под снежным покровом при низких положительных температурах генерация газов интенсифицируется по сравнению с открытыми участками. За эмиссию метилированных форм серосодержащих соединений (диметилсульфид – до 420 мкг/м3 ) отвечают бактерии Bacillus Mycoides. 4. Сопоставление объемов техногенных экосистем, ресурсов цветных и благородных металлов в каждом из объектов, полученных в результате применения авторской геохимико-геофизической методики, с экологическими ущербами от загрязнения водных и земельных ресурсов и стоимостью природовосстановительных мероприятий указывают на целесообразность переработки с извлечением золота и барита (на примере Комсомольского хвостохранилища и Урских отвалов в Кемеровской области). Теоретическая и практическая значимость работы Теоретическая значимость работы связана с разработкой концепции комплексного изучения техногенных экосистем, которая позволила выявить закономерности их эволюции во времени и в разных климатических условиях. Практическая значимость работы для РФ заключается в создании научно обоснованной схемы экспертной оценки экологической опасности складирования отходов при добыче сульфидсодержащих руд с учетом экономической составляющей. Разработанная геохимико-геофизическая методика была использована для определения геоэлектрической зональности Гайского хвостохранилища (Оренбургская область) по заказу ООО «Рециклинг» для оценки объемов техногенного тела и ресурсов ценных компонентов. Информация о составе отходов Урских отвалов, в частности концентрации в них барита с предложениями по технологии обогащения была учтена при расчёте технико-экономического обоснования по заказу «Газпромнефти» с целью производства буровых растворов. Продолжаются работы по выделению минералов с минимальным количеством примесей. Комплекс мероприятий по оконтуриванию зон фильтрации дренажных вод в теле хвостохранилища был проведен по заказу ГК ПАО «Норникель». Научнообоснованные рекомендации по паспортизации заброшенных хранилищ горнодобывающей промышленности и составлению реестра предложены в качестве поправок к «Стратегии социально-экономического развития Сибири и Арктики» и предложены в резолюции правительству РФ по 6 итогам заседания научного совета по глобальным экологическим проблемам (НС ГЭП РАН) в 2023 г. Личный вклад автора заключается в постановке задач, создании системы наблюдений за техногенной экосистемой при помощи геофизических, геохимических и газоаналитических методов, отборе проб для лабораторных анализов, проведении полевых измерений физикохимических параметров техногенного вещества, порового и дренажного растворов, расчете форм нахождения элементов в системе раствор – твердая фаза, постановке лабораторных и численных экспериментов по моделированию геохимических барьеров, интерпретации полученной информации. Апробация работы и публикации. Основные результаты научной работы докладывались на российских и международных научных конференциях в Новосибирске (2006, 2017, 2020, 2021, 2023), Санкт-Петербурге (2006, 2007), Екатеринбурге (2006), Ярославле (2006), Кёльне (2007), Томске (2007), Рудном (2008), Гуанаято (Мексика, 2010), Александрии (Египет, 2011), Варне (Болгария, 2011), Скиатосе (Греция, 2011), Марракеше (Марокко, 2012), Томске (2012), Бодруме (Турция, 2012), Эворе (Португалия, 2017), Бостоне (США, 2018), Вене (Австрия, 2018), Альбене (Болгария, 2018, 2020), Владивостоке (2019), Иркутске (2019), Тюмени (2022, 2023), Москве (2023). Соискатель руководила проектами РНФ, ФНИ и РФФИ по тематике эколого-экономических проблем природно-техногенных систем с оценкой накопленного ущерба, ресурсов, возможностей переработки и рекультивации, а также фонда президента РФ по тематике миграции и осаждения химических элементов по геохимическим данным и результатам электроразведки. По теме диссертации опубликовано 30 статей в ведущих российских и зарубежных журналах, входящих в перечень ВАК и международные базы данных WoS и Scopus квартилей Q1-Q4 («Water», «Chemical Geology», «Environmental Science and Pollution Research», «Science of the Total Environment», Q1; «Applied Sciences», «Journal of Environmental and Engineering Geophysics», «Water, Air, & Soil Pollution», «Mine Water and the Environment», «Minerals», «Applied Geochemistry»; «Journal of Geochemical Exploration», Q2; «Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов», «Геология и геофизика», «Toxicological & Environmental Chemistry»; «Известия РАН. Серия физическая», «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования»; «Химия в интересах устойчивого развития», Q3; «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири», Q4), одна глава в монографии, 21 тезисов и статей в сборниках зарубежных конференций, 7 входящих в международные базы данных WoS и Scopus, 13 тезисов и статей в сборниках отечественных конференций, входящих в базы данных WoS, Scopus и РИНЦ. Объем работы составляет 291 страница, включая 49 таблиц и 80 рисунков. Список литературы состоит из 204 наименований. Структура диссертации. Диссертационное исследование состоит из введения, шести глав и заключения. Введение содержит обоснование актуальности темы исследования, цели, задач, объектов и предмета исследования, научной новизны и защищаемых положений, теоретической и практической значимости, методологии исследований, апробации полученных результатов