Лаборатория геологии техногенных процессов
Максимович Н.Г., Меньшикова Е.А., Блинов С.М. Геоэкологическое состояние рек в районах освоения угольных месторождений // Геология и минеральные ресурсы Европейского северо-востока России: новые результаты и новые перспективы: Материалы XIII Геол. съезда Республики Коми.- Сыктывкар, 1999.-С.156-159.
Геоэкологическое состояние рек в районах осовоения угольных месторождений
Н.Г. Максимович, Е.А. Меньшикова, С.М. Блинов
Разработка угольных месторождений оказывает влияние на многие компоненты природной среды. Существенному негативному воздействию подвержены поверхностные воды, и в первую очередь реки. Изменяется химический состав вод, минеральный и гранулометрический состав донных отложений. Влияние месторождения прослеживается на многие десятки километров ниже по течению.
Объектом изучения авторами выбрана р. Косьва (левый приток р. Камы), протекающая на протяжении 20 км в своем среднем течении по территории Кизеловского угольного бассейна. Длительная разработка месторождения (с 1797 г.), а также сосредоточение сопутствующих производств нарушило естественную сбалансированность природной среды и в настоящее время территория бассейна относится к одному из самых неблагополучных в экологическом отношении регионам России.
Река Косьва берет начало на западном склоне Среднего Урала. Пересекая складчатые палеозойские отложения в широтном направлении, она выходит на равнину Предуралья. Общая длина реки 310 км, площадь водосборного бассейна 7485 км2, средний годовой расход воды 83.5 м3/с. Верховье реки характеризуется близким расположением коренных берегов, отчего местами она приобретает характер каньона. В зоне Кизеловского угольного бассейна ширина реки составляет 85 м, глубина 1.6 м, скорость течения 1.2 м/с. Облик речной долины существенно изменился после строительства в 1946 г. Широковского водохранилища. Долина реки была затоплена на протяжении 25 км выше г. Губахи, а заполнение в 1954 г. Камского водохранилища привело к затоплению устьевых участков.
Детальные исследования проведены на участке р. Косьвы протяженностью 120 км ниже Широковского водохранилища, где река попадает в пределы Кизеловского угольного бассейна. Выше Широковского водохранилища она практически неподвержена техногенному воздействию.
Кизеловский угольный бассейн расположен в пределах Западно-Уральской зоны складчатости, прилегающей к Предуральскому краевому прогибу. В районе исследований развиты породы палеозойского — от среднедевонского до позднепермского возраста, представленные песчаниками, аргиллитами, алевролитами, сланцами, известняками, доломитами, мергелями, углем и другими, общей мощностью до 3-4 км. Карбонатные породы интенсивно закарстованы, особенно в верхней части разреза. Четвертичные отложения представлены в основном песками, суглинками, глинами, часто с большим содержанием гравия и гальки.
Угленосная толща, сложенная песчаниками, алевролитами, аргиллитами и глинистыми сланцами с прослоями известняков, относится к визейскому ярусу нижнего карбона. В составе толщи содержится до 23 пластов каменного угля, но лишь несколько из них достигают мощности 0.4 м и имеют промышленное значение. Все литологические разновидности пород включают тонкорассеянный пирит и органическую серу, что играет важнейшую роль в формировании кислых шахтных вод.
Основными источниками загрязнения рек Кизеловского угольного бассейна являются шахтные воды, породные отвалы и стоки с них, а также складируемые по берегам рек отходы и стоки коксохимического, химического и биохимического заводов и ГРЭС. В бассейне р. Косьвы расположено 10 шахт, которые длительное время осуществляли сброс шахтных вод непосредственно в реку или ее притоки и карстовые полости. Шахтами Кизеловского угольного бассейна в период активной разработки бассейна практически без очистки в поверхностные водотоки сбрасывалось более 100 млн.м3 сточных вод в год. В результате окисления соединений серы, содержание которой в угленосной формации достигает 4%, шахтные воды приобретают кислую реакцию среды (pH=2.3-2.9), сульфатный железисто-алюминиевый состав и значительную минерализацию (до 13.3 г/л). Для них характерно высокое содержание взвешенных веществ и микроэлементов (Pb, Zn, Cu, Ni и др.).
Существенным источником загрязнения реки являются твердые отходы угледобычи. Извлеченные из земных недр, они являются химически неустойчивыми в условиях земной поверхности. В результате физического выветривания, окисления, растворения, гидролиза, гидратации, горения и метасоматоза геохимически неоднородных пород отвалов и других процессов возникают растворимые и нерастворимые продукты, влияющие на геологическую среду. В породных отвалах Кизеловского бассейна нашими исследованиями обнаружено 60 минералов. Среди них можно выделить первичные, характерные для угленосной толщи и вторичные, образующиеся в породных отвалах. Основная часть аутигенных минералов представлена неустойчивыми и хорошо растворимыми сультафами железа, алюминия, кальция (кокимбит, ярозит, копиапит, мелантерит, розенит, смольнокит и др.).
Высокое валовое содержание серы в породах отвалов (до 8.7 вес.%) обуславливает их высокую химическую активность. Сера является одним из загрязняющих элементов. Для водной вытяжки из пород отвалов характерны сильнокислая реакция среды (pH=1.8-4.3), высокое содержание сульфат-иона (5-25 г/кг грунта), значительные количества трех- и двухвалентного железа (до 30 и 5 г/кг грунта соответственно), алюминия (до 55 г/кг грунта). Водная вытяжка из грунтов золоотвала Кизеловской ГРЭС характеризуется кислой средой (pH=4.3-5.4), присутствием сульфатов до 3.4 г/кг грунта, двухвалентного железа до 0.68 г/кг грунта.
Cкладирование породных отвалов и отходов переработки угля по берегам рек приводит к их размыванию, особенно в паводковый период, перемещению материала в русло и его дальнейшей миграции в водном потоке. Воды, фильтрующиеся через толщу отвалов и стекающие по их поверхности, обогащаются растворимыми и коллоидными соединениями, переносят большое количество механических взвесей, среди которых значительную роль играют соединения серы, железа, алюминия. Исследования поверхностного стока с отвалов шахт Центральная и Серова показывают, что основными загрязняющими компонентами стока являются сульфаты до 30 г/л, железо до 7.6 г/л, водородный показатель соответствует сильнокислой среде (pH=1.8-2.4).
Воздействие перечисленных выше факторов повлекло за собой изменение геоэкологической обстановки речного бассейна. Результаты опробования воды р. Косьвы и ее притоков, исследования донных отложений показали существенную трансформацию геохимии реки.
В естественных условиях воды характеризуются гидрокарбонатным кальциево- или калиево-сульфатным составом с минерализацией 52-150 мг/л и средой близкой к нейтральной (табл. 1). Минеральный состав донных отложений обусловлен естественными факторами и отражает состав пород, слагающих данную территорию. На фоне доминирующего кварца наблюдается присутствие зерен пироксенов, амфиболов, эпидота, хромита, карбонатов, а также в незначительных количествах (сотые доли процента) гематита, лимонита и др. Минерализация водной вытяжки донных проб составляет в среднем 500 мг/кг грунта, состав — гидрокарбонатный кальциево-хлоридный при водородном показателе 7.7-7.8.
Таблица 1. Химический состав воды р. Косьвы, мг/л
| Место отбора пробы |
HCO3- |
SO42- |
Cl- |
Ca2+ |
Mg2+ |
Na+K+ |
Fe общ. |
Минерал
изация |
pH |
| Широковское водохранилище |
36.61 |
9.61 |
2.84 |
8.02 |
0 |
10.81 |
0.36 |
51.46 |
6.33 |
| г. Губаха: |
| Ниже устья р.Губашки |
0 |
230.6 |
19.85 |
42.08 |
9.72 |
47.82 |
1.58 |
356.44 |
3.6 |
| р. Косьва, ниже сброса вод ш. Крупской |
0 |
941.4 |
70.91 |
92.18 |
24.31 |
198.4 |
57.5 |
1390.8 |
2.5 |
| р. Косьва, ниже а/д моста |
0 |
67.2 |
4.25 |
14.03 |
3.65 |
7.82 |
0.41 |
99.38 |
3.82 |
 |
| р. Косьва, 4 км ниже г. Губахи |
48.81 |
28.8 |
4.25 |
20.04 |
3.65 |
4.14 |
0.84 |
113.83 |
6.72 |
| р. Косьва, 65 км ниже г.Губахи |
85.42 |
62.4 |
35.45 |
42.08 |
7.29 |
22.53 |
0.56 |
256.34 |
7.7 |
| р. Косьва, устье |
54.92 |
67.2 |
25.53 |
30.02 |
2.43 |
24.6 |
5.1 |
213.37 |
6.86 |
| Камское водохранилище |
79.32 |
124.9 |
64.52 |
50.1 |
7.29 |
58.85 |
0.78 |
387.69 |
7.45 |
Таблица 2. Химический состав водной вытяжки донных отложений р. Косьвы, г/кг
| Место отбора пробы |
HCO3- |
SO42- |
Cl- |
Ca2+ |
Mg2+ |
Na+K+ |
Fe общ. |
Минерал
изация |
pH |
| Широковское водохранилище |
308.15 |
24 |
24.8 |
81.15 |
18.25 |
9.2 |
2.75 |
477.2 |
7.8 |
| г. Губаха |
| р. Косьва, ниже устья р. Губашки |
0 |
4570 |
44.3 |
190.4 |
141.6 |
0 |
317.05 |
5289.8 |
3.8 |
| р. Косьва, ниже сброса вод ш. Калинина |
0 |
3343 |
163.1 |
206.4 |
31.6 |
0 |
140.25 |
3972.35 |
2.9 |
| р. Косьва, ниже сброса вод ш. Крупской |
30.5 |
1804 |
35.45 |
385.75 |
98.45 |
155.2 |
57.3 |
2608.4 |
4 |
|
| р. Косьва, 4 км ниже г.Губахи |
289.85 |
459 |
23.05 |
190.4 |
29.15 |
1.15 |
44.2 |
1055.9 |
6.6 |
| р. Косьва, 38 км ниже г. Губахи |
103.75 |
827 |
42.55 |
215.45 |
41.95 |
77 |
23.5 |
1363.55 |
5.4 |
| р. Косьва, 80 км ниже г. Губахи |
277.65 |
48 |
46.1 |
111.2 |
6.1 |
10.35 |
4.3 |
509.9 |
7.5 |
| р. Косьва, устье |
70.15 |
166 |
15.95 |
69.15 |
6.7 |
10.35 |
8.2 |
352.95 |
7 |
| Камское водохранилище |
64.45 |
1578 |
101.05 |
413.85 |
86.9 |
154.05 |
24.4 |
2449.35 |
5.3 |
В среднем течении реки в результате разбавления, нейтрализации, осаждения, сорбции и других процессов в гидрохимической фации постепенно восстанавливается роль гидрокарбонатного иона при сохранении существенного влияния на ее состав сульфат-иона, уменьшается содержание железа, алюминия. Водородный показатель приближается к нейтральной среде и колеблется в пределах 6.6-6.7. Влияние загрязнения сохраняется на значительном расстоянии, например на удалении порядка 70 км от г. Губахи наблюдается превышение ПДК в содержании Fe в 39 раз, Mn — 12, фенолов — 7, Cu — 2 раза.
В нижнем течении реки существенную роль среди анионов на фоне почти равновесного содержания гидрокарбонат- и сульфат-ионов начинают играть ионы хлора за счет разгрузки подземных вод с Верхнекамского месторождения калийных солей. Среди катионов повышается содержание натрия и калия. Минерализация вод находится в пределах 250-390 мг/л, водородный показатель соответствует среде близкой нейтральной (pH=6.9-7.7).
Согласно химическому анализу водной вытяжки из донных отложений, с удалением от зоны техногенного воздействия наблюдается постепенное увеличение водородного показателя до значений соответствующих нейтральной среде, но для донных отложений Камского водохранилища в районе устья р. Косьвы этот показатель находится в пределах 6.0-5.3, что соответствует условиям слабокислой cреды и связано с интенсивным осаждением кислых грунтов при переходе от речного режима к водохранилищному.
В донных отложений с удалением от зоны непосредственного влияния Кизеловского угольного бассейна наблюдается присутствие магнетита (1-2%), гематита (до 1%), а в устьевой части — сидерита (до 2%) и гематита (до 6%). В составе песков прирусловой отмели на всем протяжении реки ниже разработки месторождения отмечены повышенные содержания (%): угольно-породных частиц (до 90), силикатных, магнетитовых, гематитовых шлаков (до 1.5) и шариков (до 3). Этот материал, обладающий высокой миграционной способностью и значительной устойчивостью, сносится к устьевой части реки и накапливается в водохранилище.
В настоящее время на большинстве шахт в связи с нерентабельностью добыча угля прекращена. Это привело к сокращению поступления загрязняющих веществ в бассейн р. Косьвы (%): железа — на 40, взвешенных веществ — на 54, сульфатов — на 50. Тем не менее, береговые отвалы, мощные толщи ожелезненных донных отложений в местах впадения притоков, а также техногенные компоненты аллювия еще в течение многих лет будут служить источником загрязнения реки.
Таким образом, разработка Кизеловского угольного бассейна, а также развитие сопутствующих производств, привели к существенному изменению химического состава воды и минерального состава донных отложений р. Косьвы. Загрязнению подвержена река на всем протяжении ниже границы разработки и очевидно имеет место в Камском водохранилище, т.к. переносимые на значительные расстояния техногенные компоненты являются источником вторичного загрязнения.
Механизм распространения загрязнения имеет сложный характер. Загрязнители, поступающие в ионной и коллоидной формах (сульфаты, алюминий, железо, тяжелые металлы и др.), благодаря процессам осаждения, сорбции, могут переходить в твердую фазу, и мигрировать механически. При определенных условиях происходит переход и миграция в жидкую фазу. Продукты, поступающие в реку в твердой фазе, благодаря, истиранию, десорбции, химическим преобразованиям, переходят в жидкую фазу, мигрируют, снова осаждаются переносятся механически. Эти процессы повторяются многократно и способствуют увеличению зоны распространения загрязнения.
Рассмотрим подробнее этот процесс на примере железа. Вне зоны влияния угольного бассейна железо присутствует в незначительных количествах в трехвалентной форме в поглощенном комплексе глин и в донных отложениях в виде окислов. В пределах зоны техногенного воздействия железо поступает в реку с шахтными водами и стоками породных отвалов в ионной форме (двух- и трехвалентное), а также в виде взвешенных частиц гидроокислов (гетит, лимонит) и сульфатов (ярозит). Размывание породных отвалов приводит к поступлению частиц пирита, гематита, магнетита, гетита. Низкий вородный показатель речных вод создает условия для существования в них ионов двухвалентного железа, которое окисляется до трехвалентного и в этой форме присутствует в значительных количествах на всем протяжении реки. Осаждающиеся взвешенные частицы насыщают железом поглощенный комплекс глин и донные отложения. В донных отложениях происходят процессы окисления пирита, что ведет к образованию ярозита, а затем гетита и лимонита. Лимонит, будучи устойчив химически, обладает низким коэффициентом гипергенной устойчивости, истирается и переходит в поглощенный комплекс. В Камском водохранилище наряду с окислами железа (гематитом и лимонитом) обнаружен сидерит. Сидерит легко образуется из FeSO4 при условии отсутствия свободного кислорода или других окислителей и H2SO4 /2/. Аналогичные процессы перехода можно наблюдать у алюминия /3/.
Особенности распределения химических элементов по формам нахождения в донных отложениях позволяют дать прогноз их поведения в процессе диагенетического и эпигенетического преобразования осадков и оценить последние как потенциальный источник загрязнения /4/. Как показали лабораторные и натурные эксперименты для улучшения экологической обстановки реки могут быть использовны искусственные геохимические барьеры.
Список литературы
- Швецов А.А, и др. Топливно-энергетический комплекс России: экологические оценки и проблемы/Проблемы окружающей среды и природных ресурсов, 1994. N 3. С.1-6.
- Смирнов С.С. Зона окисления сульфидных месторождений.-М.:Из-во АН СССР, 1951.
- Nordstrom D.K, Ball J.W. The geochemical behavior of aluminum in acidified surface aters. "Science", 1986, 232, N 4746, 54-56.
- Разенкова Н.И., Филиппова Т.В., Янин Е.П. О формах нахождения тяжелых металлов в техногенном потоке рассеяния /Методы изуч. техноген.геохим.аномалий.- М., 1984.-С.66-69.
|
|
|
