Environmental hazard assessment of the Ulyuk-Bar gold deposit (Southern Urals)

Введение

Рудные месторождения представляют собой природные геохимические аномалии, являющиеся потенциальными и реальными источниками опасных для окружающей среды элементов. Экологические проблемы, связанные с выносом из горных пород токсикантов в рудных районах в результате природных факторов (процессов выветривания) или антропогенного воздействия, имеют глобальное значение. Для изучения потенциального экологического риска от тяжелых металлов и металлоидов в последнее время проводятся исследования по всему миру. В рудных районах пристальное внимание уделяется поведению элементов в системах горные породы$–$почвы, подземные$–$поверхностные воды [1$–$4]. Результаты исследований часто указывают на исходные природные источники загрязнений и естественное обогащение почв, подземных и поверхностных вод потенциально токсичными элементами. Обогащение почв связывают с выносом As, Cd, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn из горных пород вместе с подвижными элементами и их адсорбцией гидроксидами Fe, Mn или образованием металлоорганических соединений при высоких значениях pH в процессе почвообразования [5]. В золоторудных месторождениях источником этих тяжелых металлов в первую очередь являются сульфиды и сульфоарсениды, а также околорудные жильные карбонаты [6]. В результате процессов растворения и выщелачивания из этих минералов может происходить вынос экологически опасных микроэлементов (например, As, Cd, Mn). Такие исследования создают основу для устранения или предотвращения загрязнения.

Существует много способов для мониторинга экологических обстановок и, как следствие, проведения природоохранных мероприятий. Один из них $–$ определение потенциальной опасности месторождения на основе коэффициентов литотоксичности элементов. Такой подход широко используется как зарубежными, так и отечественными авторами [7$–$12]. При этом не только оценивается валовое содержание токсикантов, изучается также их подвижность в тех или иных условиях [13$–$18].

 В Авзянском золоторудном районе (АЗР), расположенном в Белорецком районе Республики Башкортостан, находится целый ряд месторождений и рудопроявлений коренного и россыпного золота (Кургашлинское, Улюк-Бар, Рамеева жила, Богряшка, Калашникова жила, Горный Прииск, Карасмаякское, Надеждинское, Большой Ключ, Богряшка, Рыжова Поляна, Каменный ключ, Авзянское) (рис. 1). Наиболее известными из них являются месторождения Улюк-Бар, Горный Прииск, рудопроявление Рамеева жила, которые с перерывами разрабатывались с конца XIX в. Исследований экологической ситуации в АЗР до сих пор не проводилось. Нами [19] впервые установлены превышающие ПДК концентрации тяжелых металлов и металлоидов (Mn, Fe, Al, Sb, W, V, Cu, As) в поверхностных водах АЗР. Показано, что население близлежащих сел подвергается экологическим рискам от химического загрязнения поверхностных вод в результате, преимущественно, природных (геогенных) факторов. В связи с этим целью данного исследования является изучение химического и минералогического состава горных пород и подвижности в них токсичных металлов и металлоидов, чтобы выявить источники опасных элементов.

Рис. 1. Геологическая карта южной части Ямантауского антиклинория (по [20] с небольшими изменениями и дополнениями) и положение месторождений и рудопроявлений золота (по [19]): 1$–$12 $–$ отложения нижнего рифея, свиты: 1$–$2 $–$ большеинзерская, подсвиты: 1 $–$ средняя, 2 $–$ верхняя; 3$–$5 $–$ суранская, подсвиты: 3 $–$ миньякская, 4 $–$ бердагуловская, 5 $–$ ангастакская; 6$–$8 $–$ юшинская, подсвиты: 6 $–$ вязовская, 7 $–$ багарыштинская, 8 $–$ сухинская; 9 $–$ cаткинская; 10 $–$ бакальская; 11$–$24 $–$ отложения среднего рифея, свиты: 11$–$14 $–$ машакская, подсвиты: 11 $–$ кузъелгинская, 12 $–$ казавдинская, 13 $–$ быковская, 14 $–$ малошатакская (верхняя); 15 $–$ зигальгинская; 16 $–$18 $–$ зигазино-комаровская, подсвиты: 16 $–$ серегинская, 17 $–$ амбарская, 18 $–$ туканская; 19$–$23 $–$ авзянская, подсвиты: 19 $–$ катаскинская, 20 $–$ малоинзерская, 21 $–$ ушаковская, 22 $–$ куткурская, 23 $–$ реветская; 24 $–$ кужинская, нижняя подсвита; 25, 26 $–$ отложения верхнего рифея, свиты: 25, 26 $–$ зильмердакская, подсвиты: 25 $–$ инзерская; 26 $–$ миньярская; 27 $–$ четвертичные отложения; 28 $–$ границы свит; 29 $–$ дайки магматических пород; 30 $–$ тектонические нарушения разного порядка; 31 $–$ реки и ручьи; 32 $–$ населенные пункты; 33 $–$ месторождения и рудопроявления коренного золота (1 $–$ Кургашлинское, 2 $–$ Улюк-Бар, 3 $–$ Рамеева жила, 4 $–$ Богряшка; 5 $–$ Калашникова жила; 6 $–$ Горный Прииск); 34 $–$ месторождения россыпного золота (I $–$ Карасмаякское, II $–$ Кургашлинское, III $–$ Надеждинское, IV $–$ Большой Ключ, V $–$ Богряшка, VI $–$ Рыжова Поляна, VII $–$ Каменный ключ, VIII $–$ Авзянское)

Fig. 1. Geological map of the southern part of the Yamantau anticlinorium (according to [20] with minor changes and additions) and the position of deposits and ore occurrences of gold (according to [19]): 1$–$12 $–$ deposits of the Lower Riphean, formations: 1$–$2 $–$ Bolsheinzer, subformations: 1 $–$ middle, 2 $–$ upper; 3$–$5 $–$ Suran, subformations: 3 $–$ Minyak, 4 $–$ Berdagul, 5 $–$ Angastak; 6$–$8 $–$ Yusha, subformations: 6 $–$ Vyazov, 7 $–$ Bagaryshta, 8 $–$ Sukhin; 9 $–$ Satka; 10 $–$ Bakal; 11$–$24 $–$ deposits of the Middle Riphean, formations: 11$–$14 $–$ Mashak, subformations: 11 $–$ Kuzelga, 12 $–$ Kazavda, 13 $–$ Bykov, 14 $–$ Maloshatak (upper); 15 $–$ Zigalga; 16$–$18 $–$ Zigazino-Komarovo, subformations: 16 $–$ Seregin, 17 $–$ Ambar, 18 $–$ Tukan; 19$–$23 $–$ Avzyan, subformations: 19 $–$ Kataskin, 20 $–$ Maloinzer, 21 $–$ Ushak, 22 $–$ Kutkur, 23 $–$ Revet; 24 $–$ Kuzhin, lower subformation; 25, 26 $–$ deposits of the Upper Riphean, formations: 25, 26 $–$ Zilmerdak, subformations: 25 $–$ Inzer; 26 $–$ Minyar; 27 $–$ quaternary deposits; 28 $–$ boundaries of formations; 29 $–$ dikes of igneous rocks; 30 $–$ different order tectonic dislocations; 31 $–$ rivers and streams; 32$–$ settlements; 33 $–$ deposits and ore occurrences of indigenous gold (1 $–$ Kurgashlya, 2 $–$ Ulyuk-Bar, 3 $–$ Rameev Vein, 4 $–$ Bogryashka; 5 $–$ Kalashnikov Vein; 6 $–$ Gorny Priisk); 34 $–$ placer gold deposits (I $–$ Karasmayak, II $–$ Kurgashlya, III $–$ Nadezhdinsk, IV $–$ Bolshoy Klyuch, V $–$ Bogryashka, VI $–$ Ryzhova Polyana, VII $–$ Kamenny Klyuch, VIII $–$ Avzyan)

Объект и материалы для исследования

Объектом исследования выбрано малосульфидное золотокварцевое месторождение Улюк-Бар, которое разрабатывается в настоящее время. Месторождение локализовано в песчаниках, алевролитах и сланцах большеинзерской свиты нижнего рифея [21, 22]. Рудная зона приурочена к запрокинутому на восток под углом 80$–$85° западному крылу Айгирской антиклинали. Золотосодержащая минерализация представлена кварцем, жильными карбонатными минералами (кальцит, доломит, анкерит), сульфидами (мышьяковистый пирит, пирротин, халькопирит, галенит) и сульфоарсенидами (арсенопирит и герсдорфит). Месторождение сопровождается первичными и вторичными геохимическими ореолами. Золото обнаруживает положительную корреляцию со многими тяжелыми металлами и металлоидами (Аs, Cu, Pb, Zn, Ni, Cо), которые потенциально могут представлять экологическую угрозу.

Изучение проведено по керновым пробам вмещающих горных пород месторождения, отобранным из 6 скважин, пробуренных в 2003$–$2019 гг. Неизмененные гипергенными процессами породы (n=38) взяты с глубины 70$–$250 м, из коры выветривания (n=65) $–$ 5$–$85 м. Породы в пределах рудной зоны имеют практически субвертикальное падение, и гипергенные процессы проходили по тем же песчаникам, алевролитам и сланцам, развитым на глубоких горизонтах. По материалам ГУП «Башгеолцентр» РБ в коре выветривания месторождения Улюк-Бар преобладают зоны начальной гидратации и выщелачивания, в которых развиты хрупкие, легко крошащиеся трещиноватые породы, сохранившие свою исходную структуру и существенно не изменившие минеральный состав. Зоны конечного выщелачивания и полного гидролиза и окисления развиты локально в приповерхностной части.

Методы исследования

Определение содержания петрогенных и редких элементов в породах проведено рентгенофлуоресцентным анализом (РФА) и спектральным атомно-эмиссионным анализом с индуктивно-связанной плазмой (метод ИСП-АЭС) на энергодисперсионном спектрометре X-Calibur (Xenemetrix, Израиль) и на спектрометре ICPE-9000 (Shimadzu, Япония) (аналитик З.Р. Биктимерова), соответственно. Рентгенофазовый анализ для установления минералогического состава пород выполнен на дифрактометре ДРОН-4 (Россия).

Для качественной оценки и определения подвижности элементов, способных перейти в дренажные воды при окислении минералов горных пород, истертые пробы обрабатывались перекисью водорода с последующим измерением состава полученных растворов атомно-абсорбционным анализом (ААС) на спектрометре Persee A3 (PG Instrument, Китай). As и Sb определены с использованием гидридной приставки WHG-630 A (Китай). Подвижность (в отн. %) оценивалась как доля химического элемента, переходящего в пероксидную вытяжку, от его валового содержания в породе. Методика проведения эксперимента включала обработку ~2 г порошка горной породы 15 % раствором перекиси водорода (pH=7) и выдерживание смеси в течение двух суток. Предварительно перекись выпаривалась при 70 °С. Раствор фильтровался и переводился в колбу на 200 мл, в нем измерялись pH, Eh, а также содержания тяжелых металлов и металлоидов (Cr, Cu, Mn, Pb, Zn, Sb, As). Перед экспериментом и после его проведения, соответственно, в исходных и обработанных пробах содержания петрогенных и редких элементов определялись методом РФА.

Изучение химического состава минералов и содержания в них элементов-примесей проведено на сканирующем электронном микроскопе Tescan Vega 4 Compact (TESCAN Brno s.r.o., Чехия) c энерго-дисперсионным анализатором Xplorer15 (Oxford Instruments, Великобритания) (аналитик С.С. Ковалев). Изучено 8 образцов, 4 из которых представляют собой неизмененные гипергенными процессами породы, 4 $–$ породы коры выветривания. Для анализа из образцов готовились полированные пластины размером 3×3×0,5 см.

Предварительная оценка экологического состояния месторождения осуществлена по показателю потенциальной токсичности (ГЭр) [10, 11], основанному на степени токсичности химических элементов и их содержании в породах:

$ГЭр={\displaystyle {\sum }_{i=1}^n(Тл\cdot Кк}{)}_1+\mathrm{...}+{(Тл\cdot Кк)}_n,$

где Кк $–$ отношение концентрации элемента в породах месторождения к его кларку для верхней континентальной коры по [23]; n $–$ число элементов-токсикантов в месторождении; Тл $–$ коэффициенты литотоксичности элементов, которые сгруппированы по нескольким классам, в зависимости от токсичности по [10].

С учетом устойчивости минералов рассчитаны их показатели потенциальной экологической опасности (ГЭм) по [24]:

$ГЭм=\left(\frac{1}{y}\right)\cdot {\displaystyle {\sum }_{i=1}^n(Тл\cdot \frac{x}{Q}}{)}_1+\mathrm{...}+{(Тл\cdot \frac{x}{Q})}_n,$

где У=С_о/С₁ $–$ устойчивость минерала; С_о $–$ содержание минерала в коре выветривания; С₁ $–$ содержание минерала в неизмененных породах; Тл $–$ коэффициент литотоксичности элементов, входящих в минерал; Х $–$ содержание токсичного элемента в минерале; Q $–$ кларк элемента для верхней континентальной коры по [23]; n $–$ число потенциально токсичных элементов.

Предварительная оценка кислотно-щелочных условий дренажных вод проведена с помощью определения кислотопродуцирующего (КПП) и кислотонейтрализующего (КНП) потенциалов [14, 25$–$27]. Формулы для их расчета имеют следующий вид:

$КПП=10\cdot C_S\cdot \left(\frac{M_{CaC{O}_3}}{M_S}\right)=10\cdot C_S\cdot \left(\frac{100}{32}\right)=C_S\cdot \mathrm{31,25,}$

$КНП=10\cdot C_{C{O}_3^{2-}}\cdot \left(\frac{M_{CaC{O}_3}}{M_{C{O}_3^{2-}}}\right)=10\cdot C_{C{O}_3^{2-}}\cdot \left(\frac{100}{60}\right)=C_{C{O}_3^{2-}}\cdot \mathrm{16,7,}$

где 10 $–$ коэффициент пересчета кг/т в мас. %; $C_{C{O}_3^{2-}}$ и С_S $–$ содержание карбонатов и сульфидной серы в горной породе, мас. %; $M_{CaC{O}_3}$, $M_{C{O}_3^{2-}}$ и M_S $–$ молярные массы карбоната кальция, кислотного остатка угольной кислоты и сульфидной серы, соответственно.

Конечная кислотность дренажных вод определена как фактический кислотонейтрализующий потенциал (ФНП) или кислотопродуцирующий потенциал (ФКП) [15, 28]:

ФНП=КНП$–$КПП или ФКП=КПП$–$КНП.

Концентрация сульфидной серы в породах определена как разница между содержанием в них общей и сульфатной серы. S_общ измерена рентгенофлуоресцентным анализом, S_{сульфат.} $–$ гравиметрическим методом, основанным на измерении массы осадка сульфата бария, образованного при взаимодействии сульфат-ионов с хлоридом бария. Количество карбонатов в породах рассчитано по содержанию диоксида углерода, измеренного титриметрическим методом.

Результаты исследования

Химический состав пород из коры выветривания месторождения Улюк-Бар представлен в табл. 1. Породы в сравнении с верхней континентальной корой характеризуются низкими содержаниями Ti, Al, Fe, Mn, Mg, Ca, Na, K, P, Li, Sc, V, Zn, Sr, Ba, La, Ce, Pb с коэффициентами концентрации (Кк) от 0,04 до 0,96 и повышенными концентрациями Si, Cr, Co, Ni, Cu, Zr с Кк от 1,06 до 1,57. Самый высокий коэффициент концентрации имеет As (Кк=309).

Таблица 1. Химический состав пород из коры выветривания месторождения Улюк-Бар, коэффициенты концентрации, показатели литотоксичности и потенциальной токсичности элементов

Table 1. Chemical composition of rocks from the weathering crust of the Ulyuk-Bar deposit, coefficients of concentration, indicators of lithotoxicity and potential toxicity of elements

Примечание. Здесь и в табл. 2: n $–$ количество проб, прочерк $–$ нет значений. Мин, Макс, Ср. $–$ соответственно минимальные, максимальные и средние содержания оксидов, общей серы и микроэлементов; Кк $–$ отношение концентрации элемента в породах к его кларку для верхней континентальной коры по [23]; Тл $–$ коэффициент литотоксичности; ГЭр_i $–$ показатель потенциальной токсичности элемента.

Note. Here and in Table 2: n $–$ number of samples, dash $–$ no values. Min, Max, Av. $–$ respectively minimum, maximum and average contents of oxides, sulfur and trace elements; Сс $–$ ratio of the concentration of an element in rocks to its clark for the upper continental crust according to [23]; Tl $–$ litotoxicity coefficient; GEr_i $–$ indicator of an element potential toxicity.

Химический состав неизмененных пород месторождения представлен в табл. 2. Породы по сравнению с верхней континентальной корой характеризуется низкими содержаниями Si, Ti, Al, Fe, Na, K, P, Be, V, Zn, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Sn, Cs, Ba, La, Ce, U c Кк=0,25…0,96, повышенными концентрациями Mn, Mg, Ca, Sc, Cr, Ta, Pb (Кк=1,07…1,87) и высокими содержаниями Li, Co, Ni, Cu, Pd, Sb и Th с Кк от 2,15 до 8,56. Самый высокий коэффициент концентрации, так же как и в породах из коры выветривания, имеет As (Кк=95).

Таблица 2. Химический состав неизмененных гипергенными процессами пород месторождения Улюк-Бар, коэффициенты концентрации, показатели литотоксичности и потенциальной токсичности элементов

Table 2. Chemical composition of rocks unchanged by hypergenic processes of the Ulyuk-Bar deposit, concentration coefficients, indicators of lithotoxicity and potential toxicity of elements

Примечание. Расчет ГЭр_i по V, Cr, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Sn, Cs, La, Ce, Ta, Pb, Th и U проведен с учетом данных ИСП-МС из [29].

Note. GEr_i calculation by V, Cr, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Pd, Sn, Cs, La, Ta, Pb, Th and U was carried out taking into account the data of the ICP-MS from [29].

Минералогический состав пород и показатель потенциальной экологической опасности минералов (ГЭм) представлены в табл. 3. Неизмененные гипергенными процессами породы и породы коры выветривания состоят из кварца, карбоната (кальцит, доломит, анкерит), полевого шпата (альбит), слюд (мусковит, биотит), каолинита и хлорита.

Таблица 3. Минералогический состав пород месторождения Улюк-Бар, химический состав минералов и показатели их устойчивости и потенциальной экологической опасности

Table 3. Mineralogical composition of rocks of the Ulyuk-Bar deposit, chemical composition of minerals and indicators of their stability and potential environmental hazard

Примечание. С₁ и С_о $–$ содержания минералов в неизмененных породах и коре выветривания, соответственно; У $–$ устойчивость минерала; Х $–$ содержание элемента в минерале; ГЭм_i $–$ показатель потенциальной экологической опасности минерала. Концентрации в породах фторапатита, монацита, циркона рассчитаны по содержанию Р, Се, Zr соответственно. Данные по содержанию в породах гипса и микроэлементному составу сульфидов приводятся с использованием материалов И.В. Высоцкого (Общество с ограниченной ответственностью «Башгеолцентр»).

Note. C₁ and C_o $–$ mineral content in unchanged rocks and weathering crust, respectively; S $–$ mineral stability; X $–$ element content in the mineral; GEm_i $–$ indicator of a mineral potential environmental hazard. Concentrations in rocks of fluorapatite, monazite and zircon are calculated by the content of P, Ce and Zr, respectively. Data on the content of gypsum in rocks and the trace element composition of sulfides are given using the materials of I.V. Vysotsky («Bashgeolcenter» Limited Liability Company).

В акцессорных количествах отмечаются сульфиды и сульфоарсениды (пирит, халькопирит, пирротин, герсдорфит, галенит, арсенопирит), рутил, фторапатит, гипс, монацит, циркон. Гидроксиды железа (гетит) встречаются преимущественно в породах из коры выветривания.

Содержание карбонатов (CO₃²$–$), сульфидной серы (S_{сульфид.}) в породах и расчетные показатели КНП, КПП и ФНП кислотно-щелочных условий дренажных вод представлены в табл. 4. Сера в неизмененных породах представлена практически полностью сульфидной формой, в коре выветривания $–$ сульфатной (гипс). Содержание S_общ. варьирует от 0,005 до 0,53 мас. %, CO₃²$–$ $–$ от 0,67 до 43,37 мас. %.

Таблица 4. Содержание карбонатов (CO₃²$–$), сульфидной серы (S_{сульфид.}) в породах месторождения Улюк-Бар и показатели КНП, КПП, ФНП

Table 4. Content of carbonates (CO₃²$–$), sulfide sulfur (S_sulfide) in the rocks of the Ulyuk-Bar deposit and the indicators of ANP, APP, FNP

Примечание. КНП, КПП, ФНП $–$ кислотонейтрализующий, кислотопродуцирующий и фактический кислотонейтрализующий потенциалы пород, соответственно.

Note. ANP, APP, FNP $–$ acid neutralizing, acid producing and factual acid neutralizing potentials of rocks, respectively.

Результаты пероксидного эксперимента по неизмененным гипергенными процессами породам представлены в табл. 5 и на рис. 2. Установлены крайне низкие концентрации в растворах Si, P, Cu, Zn, Pb, Ti, Zr, Mo, Sb. Другие элементы (Na, Mg, Al, S, K, Ca, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, As, Rb, Sr, Y, Nb, Ba) характеризуются широкими вариациями содержаний. Превалирующее содержание в растворах имеет Ca. По результатам пероксидного эксперимента рассчитана подвижность некоторых петрогенных и редких элементов, которая приводится в табл. 6.

Таблица 5. Содержания тяжелых металлов и металлоидов (мкг/л) в пероксидных растворах после обработки неизмененных гипергенными процессами пород месторождения Улюк-Бар

Table 5. Content of heavy metals and metalloids (µg/l) in peroxide solutions after processing of rocks unchanged by hypergenic processes of the Ulyuk-Bar deposit

Рис. 2. Расчетные (по данным РФА) содержания элементов (С) в пероксидных растворах после обработки неизмененных гипергенными процессами пород месторождения Улюк-Бар

Fig. 2. Calculated (according to the XRFA) contents of elements (C) in peroxide solutions after processing of rocks unchanged by hypergenic processes of the Ulyuk-Bar deposit

Таблица 6. Расчетная подвижность (Р, отн. %) некоторых петрогенных и редких элементов в неизмененных гипергенными процессами породах месторождения Улюк-Бар по результатам пероксидного эксперимента

Table 6. Calculated mobility (M, comp. %) of some petrogenic and rare elements in rocks unchanged by hypergenic processes of the Ulyuk-Bar deposit according to the results of the peroxide experiment

Обсуждение результатов

Обычно в рудных месторождениях выявляется близкий набор токсичных элементов. Однако геолого-структурная позиция и рудно-формационная принадлежность месторождений определяет разные уровни содержаний и формы концентраций токсикантов и, следовательно, неодинаковую степень их потенциальной экологической опасности.

ГЭр для пород месторождения Улюк-Бар из коры выветривания в сумме составляет 3,18·10³, для неизмененных пород $–$ 1,27·10³ (табл. 1, 2). Полученные значения соответствуют данным для сульфидных месторождений, в которых ГЭр обычно составляет n³$–$n⁴ [10], и характерны для объектов с высокой потенциальной опасностью [30].

ГЭр месторождения Улюк-Бар близки аналогичным показателям на некоторых золоторудных месторождениях. Например, в Албынском месторождении в Приамурье показатель потенциальной токсичности равен 8·10² [13]. Основную опасность в рудах этого месторождения определяют As, Sb, Mo, W, Cd, Be, U, в подземных и поверхностных водах $–$ Мо, W, As. ГЭр для золотоносных кварцевых жил сульфидных месторождений Восточного Забайкалья лежат в пределах от 0,48·10² до 2,5·10⁵, а для отвалов золотоизвлекательной фабрики в районе месторождений $–$ 3,8·10³...1,9·10⁴ [7].

Элементы в коре выветривания месторождения Улюк-Бар располагаются в порядке убывания показателя потенциальной токсичности в ряду As(3090)$–$Cr(16)$–$Ni(16)$–$Co(13)$–$Pb(10)$–$V(7)$–$Cu(6). Остальные элементы имеют незначительные показатели потенциальной токсичности. В неизмененных гипергенными процессами породах этот порядок имеет следующий вид: As(947)$–$Pd(86)$–$Sb(38)$–$Ni(33)$–$Co(28)$–$Cr(19)$–$Cu(12)$–$U(12)$–$Li(11)$–$Pb(11)$–$Cs(9)$–$V(8)$–$Sc(7)$–$Th(7)$–$Mn(6)$–$Be(5). Как видно из приведенных данных, As вносит основной вклад в значение показателя потенциальной токсичности. Показатель ГЭр в коре выветривания для As в 3,3 раза выше по сравнению аналогичным показателем для неизмененных пород. Вместе с тем угрозу могут представлять и элементы с меньшими показателями ГЭр, такие как Cr, Co, Ni, Cu, Pd, Sb и др.

Специфика влияния золоторудных месторождений на окружающую среду обусловлена, в первую очередь, их геолого-геохимическими особенностями. Опасность загрязнения токсичными элементами зависит не только от их валового содержания в породах, но и от миграционной способности и вида их минерала-носителя. Как правило, природная вода является основным агентом переноса токсикантов.

В то же время оценка экоминералогических особенностей месторождений является более сложной задачей, так как устойчивость минералов зависит от многих факторов. В минерале могут содержаться различные микропримеси, которые необходимо диагностировать. В некоторых случаях устойчивость минерала определяется экспериментально и вычисляется как отношение содержания минерала в коре выветривания к содержанию в неизменных породах [10]. Рассчитанный показатель потенциальной экологической опасности (ГЭм=1,4·10⁷, табл. 3) относит минералы месторождения Улюк-Бар в соответствии с классификацией по [10, 11] к очень высокоопасным. В первую очередь такое большое значение ГЭм определяют сульфиды, что объясняется их более высоким содержанием в неизмененных породах (среднее 0,79 мас. %, табл. 3) по сравнению с породами из коры выветривания, в которых их концентрация на порядок ниже (среднее 0,08 мас. %).

Как видно из полученных данных (табл. 3), сульфиды месторождения Улюк-Бар содержат большее количество, по сравнению с другими минералами, потенциально опасных элементов (As, Sb, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Pb, Bi). Поэтому их следует рассматривать как главный источник загрязнения. Их окисление и выщелачивание в результате гипергенных процессов будет приводить к выносу токсичных элементов. Кроме того, следует отметить, что месторождение Улюк-Бар, как и все коренные месторождения АЗР, расположено в зоне пересечения разноранговых тектонических нарушений [21, 22, 29], которая характеризуются максимальной дислоцированностью и трещиноватостью пород. Это также может способствовать интенсивному протеканию гипергенных процессов и их распространению на глубокие горизонты. В связи с этим важно изучить кислотонейтрализующие свойства пород месторождения и среду дренажных вод, от которых в большой степени зависит устойчивость сульфидных минералов в породах.

По [31] горные породы с ФНП>20 кг СаСО₃/т являются кислотонейтрализующими, с ФНП<$–$20 кг СаСО₃/т $–$ кислотопродуцирующими. В случае, если ФНП варьирует от $–$20 до 20 кг СаСО₃/т, породы попадают в неопределенный интервал. Авторы [26, 31] считают, что кислые дренажные воды в рудных месторождениях образуются, если ФКП превышает значения от $–$20 до 5 кг СаСО₃/т, а нейтральные и слабощелочные $–$ если ФКП меньше значений от $–$80 до $–$2,3 кг СаСО₃/т. Значения ФНП месторождения Улюк-Бар практически во всех изученных пробах неизмененных пород и в более половине проб из пород коры выветривания составляют более 20 кг CaCO₃/т, значения ФКП $–$ менее $–$20 кг CaCO₃/т (табл. 4). Эти данные указывают на высокую кислотонейтрализующую способность и низкие кислопродуцирующие свойства неизмененных и слабоизмененных гипергенными процессами пород месторождения и кислотно-щелочной среде дренажных вод от нейтральной до слабощелочной, что должно препятствовать быстрому растворению сульфидных минералов. Менее половины проб из коры выветривания, как правило, тяготеющие к ее самой верхней части, по показателю ФНП находятся в неопределенном интервале (табл. 4), т. е. породы здесь обладают меньшей кислотонейтрализующей способностью, а среда дренажных вод в них преимущественно нейтральная.

Результаты пероксидного эксперимента по неизмененным породам (табл. 5) в целом также свидетельствуют о слабощелочной и щелочной среде дренажных вод (pH=7,61…11,41) и подтверждают вывод о высокой нейтрализующей способности горных пород месторождения. Исключение при этом представляют всего три пробы сланцев, по которым данные пероксидного эксперимента указывают на слабокислую среду дренажных вод (pH=6,32…6,77). Это соответствует полученным в них сравнительно низким значениям ФНП (28$–$65 кг CaCO₃/т). Объяснением такого отличия является наименьшее содержание в этих породах карбонатных минералов (<0,6 мас. %) и наибольшим $–$ сульфидов (~0,8…1,0 мас. %).

По результатам эксперимента установлено, что рН пероксидных растворов прямо коррелирует с содержанием в породах CO₃²$–$ (рис. 3, а), которое напрямую зависит от количества в них карбонатных минералов и обратно коррелирует с концентрацией в породах сульфидной серы (рис. 3, б). Это согласуется с теоретически ожидаемыми зависимостями и говорит о правильности использования пероксидных растворов в качестве модельных дренажных. Преобладающее содержание Ca в растворах (рис. 2) определяет дренажные воды как кальциевые.

В целом результаты эксперимента показывают, что многие петрогенные (Si, Al, Ti, Na, K, Fe, Mn, P) и редкие (Cu, Zn, Ni, As, La, Ce, Y, V, Co, Nb, Zr, Mo) элементы в породах месторождения Улюк-Бар являются неподвижными или малоподвижными (табл. 6). Вместе с тем достаточно большая группа токсичных элементов относится к подвижным. Их степень подвижности увеличивается в ряду: Mg$–$Ca$–$Cr$–$Sb$–$Rb$–$Ba$–$Sr$–$S. Как видно из полученных данных, наиболее подвижными являются элементы, входящими в состав карбонатных минералов (Mg, Ca, Sr), слюд (Rb, Mg, Cr, Ba) и сульфидов (S, Sb, Cr).

Эти минералы с точки зрения экоминералогической оценки месторождения Улюк-Бар могут являться потенциальными загрязнителями.

Рис. 3. Связь между pH в пероксидных растворах и содержаниями CO₃²$–$ (а) и S_{сульфид.} (б) в породах месторождения Улюк-Бар

Fig. 3. Relationship between pH in peroxide solutions and CO₃²$–$ (а) and S_sulfide (b) contents in rocks of the Ulyuk-Bar deposit

Ранее нами установлено наиболее частое превышение ПДК в поверхностных водах АЗР для Sb и реже для As, Fe, Mn, Cu [19]. Из этого следует, что главными минералами-загрязнителями поверхностных вод являются сульфиды.

Разработка месторождения Улюк-Бар в настоящее время осуществляется открытым способом путем гравитационного обогащения руды с использованием механических сепараторов. С экологической точки зрения такой способ считается наиболее безопасным, поскольку не требует применения вредных химических веществ (кислот и др.). «Отработанные» руды (безсульфидные хвосты) складируются на значительном расстоянии от ручья Большой Ключ и реки Кургашля, золотодобывающее предприятие сброса сточных вод в них не производит. Содержания тяжелых металлов и металлоидов в этих реках сходны с таковыми в других притоках реки Большой Авзян, которые пространственно не могут быть связаны с возможным техногенным загрязнением [19]. Из этого следует, что загрязнение ручья Большой Ключ и других ручьев и рек в АЗР обусловлено в первую очередь не ведущимися разработками золоторудных месторождений, а минералогическими и геохимическими особенностями вмещающих их горных пород и руд. Проведенное исследование объединяет информацию для выявления экологических проблем, связанных с геолого-геохимическими особенностями месторождения Улюк-Бар и облегчает выбор подходящей комбинации методов для минимизации экологических рисков и воздействий.

Выводы

1.       На основании расчётов показателя потенциальной токсичности установлено, что месторождение Улюк-Бар обладает высокой потенциальной опасностью. Данный показатель для пород из коры выветривания и неизмененных гипергенными процессами пород составляет 3,18·10³ и 1,22·10³, соответственно. Главным потенциально опасным токсикантом является мышьяк, превышающий кларк в 95$–$309 раз. Вместе с тем угрозу представляют и элементы с меньшими показателями потенциальной токсичности, такие как хром, кобальт, никель, медь, палладий, сурьма и др.

2.       По показателю потенциальной экологической опасности минералов (1,4·10⁷) месторождение относится к очень высокоопасным. В первую очередь такое большое значение определяют сульфиды, которые являются источником тяжелых металлов (хром, кобальт, никель, медь, цинк, свинец, висмут) и металлоидов (мышьяк, сурьма).

3.       Фактический кислотонейтрализующий потенциал пород благодаря значительному содержанию в них карбонатных минералов (кальцит, анкерит, доломит), превышающих концентрацию сульфидов (пирит, халькопирит, пирротин, герсдорфит, галенит, арсенопирит), определяется как средний и высокий. Это прогнозирует конечную среду дренажных вод как нейтрально-щелочную и указывает на высокую кислотонейтрализующую способность и низкие кислопродуцирующие свойства неизмененных и слабоизмененных гипергенными процессами пород месторождения. В целом это должно препятствовать быстрому растворению сульфидных минералов.

4.       Данные пероксидного эксперимента подтверждают вывод о кислотно-щелочных условиях дренажных вод. Результаты эксперимента показывают, что кремний, алюминий, титан, натрий, калий, железо, марганец, фосфор, медь, цинк, никель, мышьяк, лантан, церий, иттрий, ванадий, кобальт, ниобий, цирконий и молибден в породах месторождения Улюк-Бар являются неподвижными или малоподвижными, а магний, кальций, хром, сурьма, рубидий, барий, стронций и сера относятся к подвижным элементам, которые входят в состав карбонатных минералов, слюд и сульфидов.

5.       Проведенное исследование определяет методы для минимизации экологических рисков и воздействий и показывает, что потенциальная возможность загрязнения почв, подземных и поверхностных вод вблизи месторождения Улюк-Бар обусловлена минералогическими и геохимическими особенностями руд и вмещающих их горных пород, т. е. природными факторами. Следовательно, в целях минимизации экологического риска для населения близлежащих сел Исмакаево и Верхний Авзян методы борьбы должны быть направлены в первую очередь на очищение использующейся для питья воды.