3.5.Геохимия горно-промышленных ландшафтов

3.5.1. Характерные особенности горно-промышленных ландшафтов

Горнорудная промышленность является одним из наиболее мощных факторов техногенного воздействия на природные ландшафты. Это связано прежде всего с огромным количеством перемещаемых горных масс. К примеру, если Курильская вулканическая система продуцирует в год около 100 10⁶ т вулканического материала, то на уральских медноколчедановых месторождениях (Гайское, Учалинское, Сибайское) добывалось в среднем в год 70 10⁶ т , что вполне сравнимо с геологическими факторами [28 ].

Разработка месторождений полезных ископаемых приводит к огромным площадям почти полного уничтожения природных ландшафтов, занятые скважинами, шахтами, карьерами, отвалами пород, отходами первичного обогащения руд, угольными терриконами, транспортными магистралями и др. В результате формируются особые техногенные ландшафтно-геохимические системы — горнопромышленные ландшафты (ГПЛ).

Это преобразование природного ландшафта на современном уровне развития технологии ведения горных работ является обязательным условием длительного и стабильного функционирования горнопромышленного комплекса.

Сам процесс преобразования в этом случае рассматривается как техногенное воздействие, приводящее к изменению не только структуры, но и характера процессов трансформации вещества и энергии в фоновом (природном) ландшафте. В предельно общем случае количественная оценка техногенного воздействия в виде техногенной нагрузки (ТН) представляется как разность между начальными (фоновыми) параметрами составляющих ландшафта (Пф) и измененными в результате воздействия горнопромышленного комплекса (Ппг):

ТН = Пгп - Пф

Современная технология добычи и переработки полезных ископаемых позволяет использовать лишь часть извлекаемой горной массы, как правило, несколько процентов. Все остальное накапливается в виде отходов, рассеиваемых природными миграционными потоками (атмосферными и водными), что приводит к геохимическому загрязнению объектов природно-территориальных комплексов в районе действия горных предприятий.

Специфическая особенность ГПЛ — наложение техногенного загрязнения на природные геохимические аномалии — вторичные ореолы и потоки рассеяния месторождений в почвах, растениях, поверхностных и подземных водах.

Влияние горно-промышленного комплекса как источника техногенного воздействия на ландшафтную систему заключается в изъятии вещества из природной ландшафтно-геохимической системы. Реализация технологических процессов добычи и переработки полезного ископаемого формирует техногенный поток рассеивания вещества, массовый потенциал которого определяется количеством горной массы, мобилизуемой в процессе добычи:

М = Мг + Мо + Мп + М' ,

где Мг - добытая горная масса в виде готовой продукции - полезного ископаемого (цель функционирования горного предприятия);

Мо - горная масса складируемая в отвалы, шламо - и хвостохранилища(вскрышные породы, некондиционные полезные ископаемые, отходы обогащения); добывается попутно и является потенциальными полезными ископаемыми, но не целью функционирования горного предприятия;

Мп - горная масса, рассеиваемая аэро-и гидромассами за геометрическими границами области добычи (потери);

М' - горная масса, затронутая техногенным воздействием(изменение структуры, физико - механических свойств, гранулометрического состава, химического состава) (является потенциальным источником Мг, Мо, Мп).

Очевидно, что определяющим фактором является Мг - цель функционирования горного предприятия. Поэтому можно представить:

М = К Мг (при К = Ki + 1),

где Ki - коэффициенты пропорциональности для Мо, Мп, М', зависящие от конкретных геологических условий месторождения, свойств добываемой горной массы, применяемой технологии добычи и переработки полезного ископаемого, ландшафтно-геохимических условий территории.

Добыча и переработка полезных ископаемых требует применения различных видов энергии техногенного происхождения, основными из которых являются электрическая энергия и химическая энергия взрывчатых веществ и топлив. Трансформация химической энергии в необходимую тепловую или механическую приводит к обязательному появлению побочных продуктов (отходов ) этого процесса - газов (оксиды углерода, азота, серы), твердых и жидких веществ (зола, сажа, продукты неполного сгорания топлив). Побочные продукты трансформации химической энергии, образующиеся на разных стадиях технологического процесса добычи и переработки, увеличивают массовый потенциал техногенного потока рассеивания.

Рассматривая горно - промышленный комплекс, как целостную систему можно выделить ряд общих структурных подсистем, входящих в состав любого горного предприятия:

• добыча горной массы;

• транспорт горной массы;

• переработка полезного ископаемого;

• складирование отходов добычи и переработки.

В трех подсистемах (добыча, транспорт, переработка) реализуются техногенные процессы рассеивания вещества, в одной (складирование отходов) - техногенные процессы аккумуляции вещества.

Функционирование горного предприятия вызывает ответную реакцию ландшафтной природной системы, приводящую к возникновению процессов, противоположных техногенным.

Реакция природной системы на изъятие вещества в подсистеме добычи-процессы аккумуляции, проявляющиеся в поступлении в систему гидромасс ландшафта (осадки, грунтовые и подземные воды).

Реакция системы на техногенную аккумуляцию при складировании отходов - процессы рассеивания вещества гидро- и аэромассами ландшафта.

В итоге взаимодействие техногенных и природных процессов приводит к образованию в двух подсистемах - добычи и складирования - одновременно протекающих противоположно направленных процессов, усиливающих в целом техногенную нагрузку на природный ландшафт.

Процессы аккумуляции гидромасс при добыче вызывают необходимость их удаления, что формирует не только дополнительный техногенный поток рассеивания, но и приводит к изменению режима движения и количественного соотношения различных видов гидромасс в ландшафте (поверхностных, грунтовых, подземных). Водный поток рассеивания, формирующийся в результате осушения области добычи, имеет иной вещественный и химический состав, чем атмосферные осадки, грунтовые и подземные стоки фонового ландшафта. При формировании в подсистеме, реализующей техногенные процессы рассеивания горной массы, отражается не только специфика химического состава и свойств горной массы, а также образующих его природных гидромасс, но и специфику конкретно используемой технологии добычи (виды взрывчатых веществ, применение специальных химических веществ, типы горных и транспортных механизмов и машин). Отвод дренажных вод в поверхностные водоемы приводит к изменению химического состава воды в них, т.е. вызывает их техногенное геохимическое загрязнение.

Процессы рассеивания вещества при складировании отходов добычи и переработки формируют неорганизованные потоки вещества, транспортируемые аэро-и гидромассами ландшафта, которые вызывают рассеивание части складируемого вещества. Интенсивность и качественный состав потоков рассеивания определяется с одной стороны химическим составом и свойствами складируемой горной массы, а также процессами химической, физической и биохимической трансформации при ее складировании, а с другой стороны, конкретными ландшафтно - климатическими условиями (скорость ветра, количество осадков, температура и влажность воздуха и т.д.) и характером складирования отходов (площадь поверхности, рельеф).

Образующиеся потоки рассеивания формируют первичную техногенную геохимическую нагрузку, выражающуюся в изменении вещественного и химического состава приземного слоя аэромасс, поверхностного и грунтового стока.

Рассеивание вещества из складируемых отходов происходит одновременно с процессами его депонирования в почвенном слое и донных отложениях водоемов; в ряде случаев оно приводит к появлению техногенных геохимических аномалий (вторичная техногенная нагрузка).

О качественном и количественном составе потоков рассеивания, которые формируются при добыче, обогащении и переработке полезных ископаемых, можно судить по распределению элементов в рудах и первичных ореолах рассеивания месторождения.

Для рудных месторождений в подавляющем большинстве случаев промышленные рудные тела не имеют физических границ и выделяются лишь по уровню содержания целевого компонента (обычно одного химического элемента). Этот уровень определяется технологической и экономической эффективностью извлечения и обогащения полезного компонента при сложившейся конъюнктуре и существующих технических возможностях.

Обрамляющие рудные тела горные породы содержат достаточно высокие (обычно выше кларковых) уровни концентрации целевого компонента и сопутствующих ему элементов (первичные ореолы рассеивания). Пространственные размеры первичных ореолов и количество заключенных в них запасов химических элементов нередко превышают их запасы в рудных телах. Геохимические ресурсы месторождения Rg можно определить следующим образом:

Rg = r_i + r_a + r_b ,

где r_i - промышленные запасы ;

r_a - запасы в первичном ореоле;

r_b - запасы вне ореола.

Объем извлекаемых геохимических ресурсов зависит от способа разработки месторождения. Открытый способ приводит к максимально возможной степени извлечения промышленных запасов и запасов в первичных ореолах рассеивания.

На рассеивание химических элементов при разработке месторождения в общем случае влияют те же факторы, что и при гипергенезе месторождения (природные процессы выветривания).

Для пород силикатного состава наблюдается резкая дифференциация в поведении химических элементов. Всегда энергично выносятся и подвижны в потоках рассеивания Zn, Co, Cu, Cd, Se, Pb, As, накапливаются Mo, Ag, Ba, Fe.

Для пород алюмосиликатного состава (глинистые породы) подвижность многих элементов резко уменьшается в связи с появлением сорбционного геохимического барьера. Обычно энергично мигрируют только анионогенные химические элементы - S, Se, Te.

Для пород карбонатного состава миграция химических элементов всегда резко снижена. Даже для условий выветривания богатых руд большинство элементов ведет себя крайне инертно.