Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Исследование гидрогеохимических полей рудных месторождений Восточного Забайкалья показало, что особенности их формирования в значительной мере определяются геологическим строением и способом отработки месторождений. Состав вмещающих пород, а также наличие либо отсутствие в рудах сульфидной минерализации оказывают решающее влияние на кислотность подземных и поверхностных вод [1; 2], многократно усиливающееся в горнодобывающих регионах. Наибольшую опасность для прилегающих ландшафтов и самой уязвимой их части природных вод представляют отходы добычи и переработки сульфидных руд, в зоне окисления которых формируются кислые сульфатные стоки с аномально высокими концентрациями тяжелых металлов [3–5]. Вместе с тем кажущиеся менее опасными нейтральные и щелочные рудничные дренажи несут ничуть не меньшую угрозу, так как в них большую подвижность проявляют высокотоксичные элементы, включающие As, Sb, Se и др. [5–7].

Цель исследования: изучение условий миграции и накопления компонентов в водах месторождений Дурулгуевской гранитоидной интрузии, выделение типичных для вод района исследований ассоциаций химических элементов.

Материалы и методы исследования

Изучены распределение и особенности миграции компонентов в водах, дренирующих Дедовогорское вольфрамовое и Ималкинское оловянное месторождения, расположенные в бассейне р. Онон в Восточном Забайкалье (рис. 1). Месторождения приурочены к северному флангу Дурулгуевской гранитоидной интрузии, расположенной в пределах Агинской тектонической зоны и относящейся к кукульбейскому (J3) гранит-лейкогранитному комплексу [8; 9]. Дурулгуевская интрузия прорывает триасовую толщу зуткулейской свиты слабо метаторфизованных глинистых сланцев, перемежающихся с песчаниками, алевролитами и редкими прослоями конгломератов. К ее северному эндоконтакту приурочено Дедовогорское кварц-вольфрамит-касситеритовое месторождение, на южном фланге массива расположено Ималкинское кварц-касситеритовое месторождение, послужившее источником Ангатуйской россыпи касситерита на его северном фланге.

Участок Дедовогорского месторождения сложен фацией крупнозернистых порфировидных мусковитовых гранитов, сменяющихся на южном фланге биотитовыми порфировидными гранитами. Рудные тела представлены жилами, главные минералы которых – кварц и вольфрамит, второстепенные – гранат и мусковит, редкие – апатит, арсенопирит, касситерит, пирит, халькопирит, сфалерит, борнит. Особое значение в вещественном составе гранитов, грейзенов и кварцевых жил месторождения играют слюды – биотит и мусковит, являющиеся концентраторами редкометалльной минерализации, сопровождаемой редкими щелочами (Li, Rb, Cs) и фтором. Касситерит на Ималкинском кварц-касситеритовом месторождении встречается в кварцевых, кварцево-полевошпатовых, полевошпатовых и аплит-пегматитовых жилах и сопровождается альбитом, микроклином, мусковитом, топазом, флюоритом, вольфрамитом, молибденитом, висмутином, арсенопиритом и другими минералами. Ангатуйская долинная касситеритовая россыпь, источником которой послужило Ималкинское месторождение, сформировалась в пади Большой Ангатуй.

Дедовогорское месторождение отрабатывалось рудником Ангатуй в 1956–1962 гг. подземным способом, в долине р. Малый Ангатуй в настоящее время расположено хвостохранилище обогатительной фабрики. Разработка Ангатуйской оловянной россыпи осуществлялась карьерным способом вплоть до середины 1990-х гг.

В 2008 и 2017 гг. проведено гидрогеохимическое опробование поверхностных вод на территории разработки Дедовогорского вольфрамового месторождения – были исследованы штольневый дренаж, подотвальный сток и ручей, дренирующий месторождение. Кроме того, в 2017 г. были опробованы ручей в карьере отработки Ангатуйской россыпи и небольшой водоем в нижней части хвостохранилища Дедовогорского месторождения (рис. 1). Было отобрано 12 водных проб, химико-аналитические исследования их проводились общепринятыми методами в Институте природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН (г. Чита): турбидиметрией (SO42–), титрованием (HCO3–), потенциометрией (Cl–, F–), колориметрией (Si, Pобщ., NO3–, NH4+). Основные катионы и металлы определялись атомно-адсорбционным методом на спектрофотометре SOLAAR M6. В 2017 г. дополнительно проводился отбор водных проб для их анализа методом ICP-MS, который выполнялся в Институте геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (г. Иркутск) на приборе высокого разрешения ELEMENT 2 фирмы Finnigan MAT. Для выполнения графических построений были использованы программы Microsoft Excel и OriginPro. Для расчета коэффициентов накопления элементов в водах (Кн) использован кларк речной воды [10].

Результаты исследования и их обсуждение

Исследованные воды характеризуются гидрокарбонатным, сульфатно-гидрокарбонатным и фторидно-сульфатным анионным составом (рис. 2). По данным опробования 2008 г., существенная его доля принадлежит иону SO42- (28–37 %-экв), тогда как в 2017 г. доля сульфат-иона в составе штольневых и подотвальных вод, а также вод ручья, дренирующего Дедовогорское месторождение, заметно ниже (14–20 %-экв). Еще ниже она в водах ручья в карьере отработки Ангатуйской россыпи (4–12 %-экв). Наиболее высока доля иона SO42- (44 %-экв) в водах, дренирующих хвостохранилище, в которых вторым по значимости анионом является фторид-ион (40 %-экв). Катионный состав исследованных вод преимущественно Na-Ca, реже Mg-Na-Ca и Ca.

По величине щелочно-кислотного показателя рН воды исследованного района в основном околонейтральные и слабокислые (табл. 1). Их минерализация за два периода опробования изменялась в пределах 32,4–113,9 мг/л. Наиболее минерализованные воды зафиксированы в карьере по отработке оловянной россыпи.

Малое количество сульфидов в рудах месторождений, а также достаточно длительный период, прошедший со времени их эксплуатации, явились причиной формирования вод, близких по своим свойствам к фоновым – ультрапресным, нейтральным, преимущественно HCO3-Са. Миграция многих металлов в нейтральных средах, как известно, ограниченна, и это отражается на их содержаниях в водах. Так, концентрации, достигавшие миллиграммовых значений, в рассматриваемых водах свойственны только двум металлам – Al и Mn. Высоких значений в водах достигают также концентрации железа, цинка, меди, мышьяка и стронция. Максимальные содержания компонентов находятся на уровне единиц-десятков, реже сотен мкг/л (табл. 2).

В отличие от них кислым сульфатным водам золоторудных, вольфрамовых и молибденовых месторождений с высоким содержанием в рудах сульфидных минералов свойственны значительно более высокие содержания металлов – до единиц, десятков и сотен мг/л [3; 4; 11].

Наибольшая техногенная нагрузка на исследуемые воды проявлена на территории, занимаемой хвостохранилищем обогатительной фабрики Ангатуй. Этим водам свойственны аномальные и повышенные содержания Al, Mn, Fe, Zn, Cu, As, Sr, Li, Mo, Cd, W (табл. 2). В штольневых водах зафиксированы максимальные для изученных вод концентрации лития, вольфрама и урана. В водах подотвальных дренажей отмечены высокие содержания алюминия, железа, лития, стронция и максимальное суммарное количество редкоземельных элементов (РЗЭ). При прохождении вод ручья через карьер по отработке Ангатуйской оловянной россыпи в них заметно возрастают концентрации железа, мышьяка, стронция и других (табл. 2). Концентрации олова при этом самые низкие.

Для оценки техногенного воздействия, а также выделения типичных ассоциаций химических элементов вод гранитоидов Дурулгуевского массива определялся коэффициент накопления (Кн), рассчитанный как частное от деления концентраций элементов на кларк речной воды [10]. Результаты расчетов показаны в виде диаграммы (рис. 3), что позволяет отчетливо видеть два типа распределения элементов.

Первый тип распределения свойственен водам штольневого стока, карьера и хвостохранилища и характеризуется наибольшими значениями Кн (> 100) для Mn, Rb и W (рис. 3 – спектры 1, 8). Также в водах этих объектов (рис. 3 – спектры 1, 6–8) установлены значения коэффициента накопления от 10 до 100 единиц для Li, F, Al, Fe, Co, Cu, Zn, As, Mo, Cd, Cs, U, от 1 до 10 – для Sc, Ni, Ga, Sr и Sb. Присутствие в рудных жилах даже малого количества сульфидных минералов служит источником накопления в водах хвостохранилища тяжелых металлов (рис. 3 – спектр 8).

Второй тип распределения присущ водам, дренирующим гранитоиды Дурулгуевского массива – это стоки из-под отвалов пустых пород, а также ручьев в ненарушенных горной отработкой условиях (рис. 3 – спектры 2–5). Им свойственно накопление редкоземельных элементов и пониженные содержания тяжелых металлов. Максимальные значения Кн (от 10 до 100 единиц) установлены для Li, Fe, Rb, W, на порядок ниже (от 1 до 10 единиц) – F, Al, Sc, Ti, V, Ga, As, Sr, Mo, Sn, Cs, ∑РЗЭ, Th и U.

Концентрации редкоземельных элементов в рассматриваемых водах невелики, их суммарные количества достигают первых единиц мкг/л (табл. 2), в отличие от кислых дренажных вод вольфрамовых и молибденовых месторождений, где они, по нашим данным, доходят до 3,6-9,0 мг/л [4; 11].

В целом для рассматриваемых вод характерно преобладание легких лантаноидов над тяжелыми (табл. 2). Нормализованные к NASC значения преимущественно характеризуются обогащением в области тяжелых РЗЭ (табл. 2, рис. 4), что вполне согласуется с литературными данными для нейтральных и слабокислых поверхностных вод [12] и может свидетельствовать о предпочтительной сорбируемости легких лантаноидов (Lan/Ybn = 0,25–0,82). Исключение представляют воды, формирующиеся в карьере отработки Ангатуйской россыпи и в хвостохранилище, которым свойственно обогащение легкими РЗЭ – Lan/Ybn = 1,28–1,84 (табл. 2, рис. 4).

Всем спектрам лантаноидов характерны выраженные цериевые минимумы (Ce/Ce* = 0,49–0,79), фиксируемые многими исследователями в нейтральных и щелочных водах и объясняемые удалением его из раствора в результате частичного окисления Се3+ до малорастворимого Се4+ [12]. Аномалии европия имеют разнонаправленный характер – положительные в водах, дренирующих Ангатуйскую россыпь (Eu/Eu* = 1,46–1,58), и отрицательные в остальных случаях (Eu/Eu* = 0,64-0,91). На двух спектрах (рис. 4 – спектры 1 и 8) отмечается самариевый максимум (Sm/Sm* = 1,30–1,43), накопление которого свойственно двуслюдяным гранитам Дурулгуевского массива [13] (рис. 4 – спектр II).

Конфигурации спектров распределения лантаноидов в водах, дренирующих гранитоиды, имеют очевидное сходство (рис. 4, спектры – 2–5) – пологий отрицательный наклон (Lan/Ybn = 0,58–0,82), выраженный цериевый и более слабый европиевый минимумы. Одновременно с этим очертания профилей, свойственные водам, формирующимся в нарушенных условиях, отличаются большим разнообразием (рис. 4, спектры – 1, 6–8). Они имеют как понижение, так и нарастание значений от легких к тяжелым РЗЭ (Lan/Ybn = 0,25–1,84), а также отрицательные для вод штольни и хвостохранилища Дедовогорского месторождения и положительные для вод Ангатуйской россыпи аномалии европия (табл. 2, рис. 4).

При сравнении нормализованных по NASC профилей РЗЭ в воде и в гранитах [13] можно видеть некоторое сходство, но также и расхождения в их фракционировании (рис. 4), что определяется степенью взаимодействия воды с породой и особенностями миграционного поведения химических элементов. Как известно, содержание компонентов в водах есть разница между их количеством, привнесенным в раствор в процессе растворения горных пород, и количеством, осаждаемым в процессе формирования вторичной минеральной фазы, контролируемым ее растворимостью.

Выводы

В районах разработки Дедовогорского и Ангатуйского месторождений формируются преимущественно ультрапресные, слабокислые и околонейтральные подземные и поверхностные воды гидрокарбонатного и сульфатно-гидрокарбонатного Na-Ca и Mg-Na-Ca состава, за исключением фторидно-сульфатных кальциевых вод, дренирующих пески хвостохранилища. Максимальные содержания микрокомпонентов достигают единиц-десятков и сотен микрограмм, в редких случаях – единиц миллиграмм в литре. Наибольшая техногенная нагрузка на исследуемые воды зафиксирована на территории, занимаемой хвостохранилищем Дедовогорского месторождения, водам которого свойственны аномальные и повышенные содержания Al, Mn, Fe, Zn, Cu, As, Sr, Li, Mo, Cd, W.

Выделены типичные ассоциации химических элементов в рассматриваемых водах. По степени обогащения вод штольневого стока, карьера и хвостохранилища элементы располагаются в следующем порядке: Mn, Rb, W >> Li, F, Al, Fe, Co, Cu, Zn, As, Mo, Cd, Cs, U >> Sc, Ni, Ga, Sr, Sb. Особенностью вод ручьев в ненарушенных условиях, а также подотвальных вод является накопление РЗЭ и пониженные содержания тяжелых металлов. По степени обогащения элементы этих вод располагаются следующим образом: Li, Fe, Rb, W >> F, Al, Sc, Ti, V, Ga, As, Sr, Mo, Sn, Cs, ∑РЗЭ, Th. U.

Фракционирование редкоземельных элементов, нормализованных по NASC, в водах, формирующихся в естественных и нарушенных горной отработкой условиях, также имеет свои особенности. В первом случае конфигурации спектров их распределения однообразны – имеют пологий отрицательный наклон, отрицательные аномалии Ce и Eu; во втором им свойственны заметные расхождения – как понижение, так и нарастание значений от легких к тяжелым РЗЭ, как отрицательные, так и положительные аномалии Eu.

Работа выполнена в рамках проекта IX.137.1. 2. «Геохимия редких и редкоземельных элементов в природных и геотехногенных ландшафтах и гидрогеохимических системах».