Мониторинг изменений ландшафтно-экологической обстановки, оценка сырьевого потенциала техногенных образований и отходов, разработка технологии их использования и снижения отрицательного воздействия на окружающую среду Азово-Черноморского бассейна

Цель исследования - изучение внутренней структуры, факторов и процессов, контролирующих самовозгорание породных отвалов, миграцию и трансформацию микроэлементов, газов, нефтяных компонентов техногенных, природных и природно-антропогенных ландшафтов Азово-Черноморского бассейна, их внешние связи, обмен веществом и энергией с окружающей средой. При выполнении первого этапа работы описано географическое положение, геолого-гидрогеологические, гидрохимические и экологические особенности ключевых полигонов исследований в Азово-Черноморском бассейне. Проведены три научно-исследовательские экспедиции в бассейнах Азовского, Черного и Каспийского морей, в ходе которых отобраны пробы поверхностных, грунтовых, иловых (поровых) и шахтных вод, донных отложений и взвешенного вещества, а также поставлены модельные эксперименты в водоемах и водотоках различной солености и устьевой области р. Дон. Во всех экспедициях в натурных условиях определялись физико-химические параметры изучаемых сред. В лабораторных условиях в отобранных пробах с помощью комплекса инновационных методов и технологий производилось определение гранулометрического состава, минерализации (солености), изотопного состава водорода и кислорода воды, серы сульфидов, серы и кислорода сульфатных ионов, содержания главных ионов, органического вещества, метана, а также широкого спектра тяжелых металлов, включая ртуть, природных и техногенных радионуклидов. В ходе широкомасштабных исследований получен обширный фактический и экспериментальный материал о влиянии гидрологических, метеорологических и физико-химических условий на процессы поведения ртути, метана и радионуклидов. Исследованы изотопный химический и изотопный составы атмосферных осадков, рек, морей, а также подземных вод зоны активного, затрудненного и весьма затрудненного водообмена. Сравнение химического и изотопного состава кислорода подземных вод производилось в соответствии с их нахождением в пределах выделенных ранее В.С. Назаренко Северной и Южной зон. Скважины были пройдены в Северной зоне на сочленении южного склона Воронежской антеклизы с Восточным Донбассом, а Южной зоны - на Ростовском своде (северо-запад Скифской плиты). Впервые с применением комплекса современных лабораторно-аналитических методов изучены минералого-геохимические особенности геологического пространства, выступающего в качестве источника широкого спектра химических элементов (Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Sr, Ag, Pb, Th, U). В ходе исследований установлены ранее неизученные микроминеральные формы концентрации ряда элементов (Th, REE и др.), установлены современные эманации ²²²Rn. Выявлены и охарактеризованы физико-химические барьеры в пределах подземных горных выработок. Изучены микроминеральные ассоциации, связанные с этими барьерами, формы нахождения химических элементов. Создана описательная модель (на качественном уровне), отражающая закономерности миграции и селективного концентрирования продуктов окисления минерального вещества, мигрирующего в гипергенных растворах в горных выработках. Установлены механизмы концентрирования элементов. Определен спектр элементов, поступающих в природные ландшафты из подземных горных выработок и отвалов Белореченского месторождения и концентрирующихся в иловых отложениях, дренирующихся из горных выработок водотоков. Природно-техногенная система горных выработок Белореченского месторождения сформирована в специфичных геологических и физико-географических условиях, определяющих интенсивное поступление широкого спектра соединений химических элементов из эндогенных источников, сложность физико-химических процессов на путях их миграции и динамичность природных ландшафтов, в которые поступают элементы-загрязнители. Мигрирующие в подземных горных выработках Белореченского месторождения продукты окисления минерального вещества дифференцированно осаждаются на естественных физико-химических барьерах, главными среди которых выступают: щелочной, приуроченный к зоне современного карбонатообразования, сульфатный, формирующийся в зонах окисления баритовых жил, и окислительный - в зонах формирования оксигидратов железа. Каждый из барьеров выделяется специфичным комплексом микроминеральных фаз, концентрирующих металлы в виде соединений разной степени стабильности. Установлено несколько механизмов связывания элементов в устойчивые минеральные фазы: осаждение из водных растворов, изоморфное вхождение в ходе соосаждения, соосаждение в разных минеральных фазах, сорбирование с последующим разрушением комплексов сорбата и перераспределением металлов. Несмотря на действие нескольких физико-химических барьеров, за пределы подземных горных выработок с сопряженных с ними горных отвалов в природные ландшафты выносится в растворенной форме и в виде твердого стока целый ряд химических элементов. При этом выявляются два источника, поставляющие разный спектр элементов: во-первых, окисляющиеся руды и микроминеральные фазы, формирующиеся на геохимических барьерах в пределах горных выработок, во-вторых, связанные с горными отвалами продукты заложения, главным образом породообразующие минералы, и заключенная в них рассеянная минерализация. Выполнение работ второго этапа было ориентировано на разработку схемы районирования Восточного Донбасса. Его территория в соответствии с классификацией (Рылов, Федоров, Гамов, 2012), разделена на три геолого-структурных района (Северный, Центральный и Южный), исследован причинно-следственный механизм современной метаново-ртутной эмиссии природными и техногенными ландшафтами, выполнена количественная оценка потоков метана и ртути. По результатам проведенных исследований потенциальная опасность загрязнения ландшафтов ртутью, обусловленная процессами угледобычи, углепереработки, отсыпки и последующей трансформации шахтных отвалов, может быть оценена для Северного, Центрального и Южного геоэкологических районов Восточного Донбасса соответственно как низкая, низкая - средняя (локально) и высокая. Анализ материалов также показал, что зоны повышенных (до аномальных) концентраций ртути, установленные в виде локальных пятнисто-полосовых аномалий в пределах угленосных территорий Восточного Донбасса, зачастую пространственно совпадают с зонами аномально высокой метаноносности угольных пластов (от 18 до 25 м/т с.б.м. и более), что наиболее отчетливо проявлено в антрацитовых углях Сулино-Садкинской котловины и Краснодонецкого углепромышленного района. Установление такой закономерности предполагает возможность стационарной сопряженной во времени и пространстве природной эмиссии угольного метана и ртути, которая усиливается техногенным вмешательством человека в процессе разведки, добычи и переработки угля, а также в результате угле- и породно-газовых выбросов, взрыва шахтного метана и горения терриконников. Выявленная пространственная связь между аномальными значениями природной газоносности углей и повышенным содержанием в них ртути свидетельствует о существовании локальных участков природной эмиссии метана и ртути, активизированных разработкой угольных месторождений, что весьма актуально сейчас, когда возникла потребность проведения в рамках Киотского соглашения инвентаризации угольного метана как парникового газа и квотирования его выбросов. Выполненный анализ работ, посвященных исследованиям вещественного состава углевмещающих толщ Донецкого угольного бассейна, дает возможность в первом приближении прогнозировать минералого-петрографические особенности пород, поступающих в породные отвалы угольных шахт и трансформируемых в дальнейшем в техногенные месторождения угольного ряда. Наиболее существенными из них представляются следующие: преобладание высокодисперсных разностей литотипов углевмещающих пород (аргиллиты, алевролиты и т.п.), что изначально предопределяет их высокую сорбционную способность и химическую активность; высокое в целом содержание в составе этих пород органического материала, способного при определенных условиях к автотермодеструкции; присутствие сульфидов железа и других минералов-примесей, которые могут быть катализаторами физико-химических процессов термодеструкции углепородных отвалов. Применение результатов исследования позволит прогнозировать склонности ископаемых углей к самовозгоранию; это приведет к повышению производительности труда, уменьшению отрицательного техногенного воздействия на окружающую среду, к снижению риска смертности. Техническим результатом является создание модели, имитирующей природные процессы низкотемпературного гидротермального и флюидогенного преобразования углей в очагах самовозгорания шахтопластов. Самовозгоранию подвержены угли всех стадий метаморфизма, но наиболее склонны бурые и каменные. Все известные запатентованные способы оценки самовозгорания углей используются непосредственно в горных выработках по факту возникновения эндогенного пожара и не решают задачу прогнозирования склонности ископаемых углей к самовозгоранию при геологоразведочной разработке шахтопластов. Использование результатов и продукции позволит предупредить риски, решить обозначенную задачу. В исследованных почвах Ростовской области содержание метана изменялось в пределах от < 0,01 до 15,1 мкг/г влажной почвы (медиана 0,02 мкг/г). Максимальные его концентрации характерны для аллювиальных лугово-черноземных почв, минимальные зафиксированы в темно-каштановых и каштановых почвах, а также в солончаках. В задернованных почвах, по сравнению с распаханными, установлен более высокий уровень содержания газа. Распределение метана по почвенному профилю характеризовалось снижением его концентраций до значений ниже предела обнаружения от поверхности к нижним горизонтам по мере увеличения плотности почв. Экспериментально измеренные скорости потоков метана в атмосферу с поверхности почв изменялись в пределах от < 0,1 до 1,5 мг/м² сутки (медиана 0,2 мг/м² сутки) и тесно коррелировали с содержанием газа в верхнем 0 - 2 см горизонте почв (r = 0,69). В среднем наиболее высокие значения характерны для аллювиальных лугово-черноземных почв (0,4 мг/м² сутки), минимальные - для распаханных черноземов (0,2 мг/м² сутки). Наблюдается отчетливая тенденция уменьшения содержания метана в почвах и его эмиссии в атмосферу по мере снижения температуры воздуха. Показано, что ранее полученное уравнение регрессии достаточно точно отражает связь содержаний метана с его потоками в атмосферу и может быть использовано для прогнозных оценок эмиссии метана не только из донных отложений водных объектов и торфяных залежей болот, но и с автоморфных почв. Проведены ориентировочные аппроксимационные расчеты, согласно которым суммарная эмиссия метана в атмосферу с поверхности почв Ростовской области составляет 16 т в сутки или 3360 т в год. Наибольший вклад в суммарный поток вносят черноземы (66,8%), на луговые и аллювиальные почвы, каштановые почвы, солонцы и солончаки приходится 16,8; 11,7 и 4,7% соответственно. Суммарная эмиссия метана почвами Восточного Донбасса составляет примерно 5,9 т в сутки, или 37% от общей эмиссии метана почвами Ростовской области. Наибольший вклад в суммарный поток метана с почв Восточного Донбасса вносят черноземы (82,2%), на аллювиально-луговые (луговые) и каштановые почвы приходится 12,2 и 5,6% соответственно. Ориентировочные расчеты показывают, что годовая эмиссия метана почвами Восточного Донбасса составляет 1239 т или всего 0,37% от общей годовой эмиссии метана (458 млн м³/год) природными и антропогенными источниками Ростовской области. Максимальные измеренные концентрации газа в водных объектах Восточного Донбассса наблюдаются в р. Глубокая и оз. Атаманское. Появление экстремально высоких концентраций метана в водных объектах является следствием антропогенного загрязнения. Суммарная эмиссия метана аквальными ландшафтами данной территории составляет 1,8 тыс. м³ в сутки, что составляет 1,3% от суммарной эмиссии метана водными ландшафтами Ростовской области. В данную величину наибольший вклад вносят реки Восточного Донбасса - 94,3%, на водохранилища и озера приходится 3,3 и 2,4% соответственно. Наибольший вклад в суммарную эмиссию метана реками Восточного Донбасса вносят реки Северский Донец (71% от суммарной эмиссии метана реками Восточного Донбасса) и Тузлов (24%), окаймляющих территорию Восточного Донбасса соответственно с севера - северо-востока и юга - юго-запада. В 2016 г. в процессе выполнения третьего этапа работы проведены экспедиционные исследования горных пород, почв, донных отложений, шахтных, поверхностных и подземных вод, породных отвалов угольных шахт и отходов обогатительных фабрик Восточного Донбасса, в ходе которых были отобраны пробы. При проведении исследований применен комплекс оригинальных методов и подходов, направленных на познание фундаментальных закономерностей распределения содержаний, миграции и трансформации загрязняющих веществ в ландшафтах Азово-Черноморского бассейна. Анализ проб осуществлялся с использованием аттестованных методов. Применены методы технологического опробования подтвержденных экспериментально зон гравитационно-сегрегированных пород терриконника - крупноблоковой (малоуглеродистой), среднеблоковой (углеродистой), мелкоблоковой (высокоуглеродистой); выделение в структуре терриконника геологических блоков с ресурсами техногенного сырья, отличающихся по количеству и качеству углепородной массы, а также способу переработки утилизируемого отхода. Проведены комплексные гидрохимические, изотопные, гранулометрические, минералого-термобарогеохимические микробиологические исследования, направленные на выделение типоморфных признаков и критериев оценки качества термически преобразованных сортов минерального сырья, масштабов загрязненности гидросферы и оценки экологического состояния природных вод и донных отложений Восточного Донбасса. Определены «условно фоновые» содержания ртути и других микроэлементов в горных породах, почвах и донных отложениях Азово-Черноморского бассейна. Установлены содержание взвешенного вещества и его роль в процессах сорбции-десорбции в системе «вода - донные отложения» на примере ключевого полигона мониторинга - Азовского моря. Выполнены теоретико-экспериментальные исследования участия различных форм нахождения тяжелых металлов в процессах сорбции - десорбции в системе «почва - раствор». Установлено содержание обменных, комплексных и специфически сорбированных форм тяжелых металлов в поверхностном слое почв станций мониторинга в устьевой области р. Дон и побережья Таганрогского залива. Определены объёмы выноса метана в водные объекты в результате эрозии почвенного покрова, а также при выветривании горных пород и абразии берегов, влияние этих процессов на формирование содержания метана в водных экосистемах и его эмиссию в атмосферу, ртути и меди из почв ключевого полигона мониторинга - водосбора дельты р. Дон. Впервые для данного региона была выполнена оценка антропогенного воздействия на донные отложения малых рек Восточного Донбасса с помощью определения количества бактерий из рода Clostridium. Установлены изменения в ионном и солевом составе поверхностных вод после закрытия большинства угольных шахт Восточного Донбасса. Разработана не имеющая аналогов методика построения изотопно-химических моделей трансформации ионного и изотопного состава серы и кислорода сульфатных ионов природных и шахтных вод Восточного Донбасса. Показана трансформация изотопного состава серы и кислорода сульфатных ионов в шахтных и природных водах до и после санации угольных шахт, найдено объяснение этому феномену. Изучены гранулометрический состав и содержание органического вещества в донных отложениях в контексте определения их роли в распределении содержания макро- и микроэлементов в донных отложениях водотоков и водоемов. Рассчитаны регрессионные модели связи содержания органического вещества и микроэлементов. Впервые исследован биогеохимический цикл железа по трансекту «поверхностные (водотоки, морские и пресноводные водоемы) воды - подземные воды - шахтные воды», установлено его влияние на поведение тяжелых металлов на различных стадиях литогенеза и в гипергенезе. В результате проведенных исследований установлена типовая структура горящего терриконника, в котором выделены следующие объемные пакеты: очаг самонагревания, горения и плавления с образованием различных шлаков и силицитов; зона окислительного обжига, представленная горелыми породами; зона восстановительного обжига с образованием экзоглиежей и экзобухитов; зона техногенной флюидизации с черными блоками; зона относительно неизмененных пород - алевролитов и песчаников. Предложены критерии геотехнологического прогнозирования состава и оценки склонности к самовозгоранию отвалов угольных шахт. Выявлена природа самовозгорания углей в отвалах, в основе механизма которого ведущая роль принадлежит присутствию измененных углей, подвергшихся природным процессам углеводородной флюидизации. Такие флюидизированные угли являются наиболее активными в химическом отношении и самонагреваются в результате автоокислительных реакций, протекающих по радикально-цепному типу. На основе результатов комплексных минералого-петрографических, вакуумно-декриптометрических и газово-хроматографических исследований разработана термобарогеохимическая модель горящего терриконника, в которой определены ТБХ - условия и динамика процесса самонагревания, горения и плавления исходных угленосных пород. Впервые в данной модели выделена зона техногенной флюидизации, в которой образуются глубоко трансформированные, измененные породы (так называемые черные блоки). Определены ресурсы минерального сырья, входящего в углепородные отвалы, количество которых только в Восточном Донбассе составляет более 450 объектов с общей массой более 600 млн т. Установлено, что относительное количество минерального сырья, утилизируемого из углепородных отвалов в разных углепромышленных регионах России, варьирует от 12 до 60%, составляя в среднем не более 30%, причем в Восточном Донбассе из накопленных в последние 5 лет 25,8 млн т породных отвалов утилизировано только 1,7 млн т, что свидетельствует о больших перспективах их дальнейшего использования. В 2016 г. в рамках выполнения проектного задания получен патент на полезную модель №164451 «Седиментационная ловушка» (заявка №2015144455. Приоритет полезной модели: 15.10.2015 г., зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской федерации 11.08.2016 г., срок действия - до 15.10.2025 г.) и свидетельство о государственной регистрации базы данных №2016620031 «Распределение петрогенных компонентов ценных и токсичных химических элементов в угольных месторождениях Восточного Донбасса» (заявка №2016621386, дата поступления 10.11.2015 г., дата государственной регистрации в Реестре баз данных 11.01.2016 г.). Полученные результаты могут использоваться в системе экологического мониторинга, при разработке планов ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, служить основой для выбора маршрутов транспортировки нефтепродуктов, разработке природоохранных мероприятий в условиях роста антропогенного давления в обозримом будущем, при оценке ущерба окружающей среде в результате антропогенного воздействия, оценки уязвимости ландшафтов.