Основы минералогии гипергенеза

Минералогия, как известно, наука геологическая, в первую очередь связанная с исследованиями минералов, их ассоциаций, генетических и в определенной мере геохимических вопросов. В то же время предмет минералогии неизбежно переплетен с проблемами биосферными, во многом биологическими, поскольку биосфера, являющаяся "ликом Земли из космоса", включает в свое пространство минеральную поверхность Земли, охваченную жизнью (совместно с атмосферой и гидросферой), т.е. пронизанную "живым веществом" (в понимании В. И. Вернадского), когда косное (минеральное) и живое вещество неразрывно взаимодействуют.

Экология, в последнее время все более широко притягивающая к себе внимание ученых и практиков, вовлекает в исследования взаимоотношения организмов со средой обитания. Это главным образом биологическая наука о "доме", заселенном "жильцами" - биологическими объектами (микро- и макроорганизмы растительного и животного мира), взаимодействующими со средой. "Экос" в переводе с греческого означает "дом", "жилище".

Но указанным аспектом экологии нельзя ограничиться, поскольку понятие среды обитания подразумевает сложную природно-техническую систему, отнюдь не только биологическую, но не в меньшей степени также геолого-минеральную и технолого-минеральную, связанную с результатами технологической деятельности общества. Данное обстоятельство придает экологии несомненный социально-экономический вектор истекшего становления и современного развития.

Из сказанного вытекает важнейшее методологическое следствие - биологию и минералогию следует рассматривать в качестве базовых наук, системно рассматривающих как взаимодействующий с жизнью косный субстрат (минералы и некристаллические горные породы, атмосфера, природные и техногенные воды), так и функционирующее на нем живое вещество. Отсюда для минералогии как науки вытекает реальная возможность и даже, позволительно сказать, обязанность активно и результативно участвовать в рассмотрении и разрешении экологических проблем.

Благодаря тому, что минералогия в настоящее время пользуется разнообразными современными методами физического и физико-химического исследования вещества, а также развернутой научной методологией, зафиксированные минералы в известной степени изучены, особенно в отношении их состава и кристаллохимии (структура, химические связи, заряды атомов, энергетические характеристики), что позволяет достаточно надежно прогнозировать их устойчивость и характер эволюции в природных системах, включая биокосные.

Оценка участия минералов в массообмене экосистем (например, в поставке токсичных элементов) является важнейшим направлением работ минералогов при рассмотрении экологических проблем. Кратко можно отметить некоторые теоретические и прикладные разработки минералогического плана - в первую очередь в области гипергенеза (техногенеза), которые могут быть учтены специалистами в этой области экологии:

1. Результаты экспериментальных работ по деструкции сульфидов и арсенидов в сернокислой среде, а также во влажной среде, обогащенной кислородом (Яхонтова, Грудев, 1978);

2. Отмеченные результаты экспериментов по уточнению электрохимического механизма окисления арсенидов, сульфидов и сульфоарсенидов, завершавшихся составлением наиболее вероятных уравнений реакций их окисления в широком диапазоне рН и позволивших создать базу для более уверенного прогнозирования конкретного характера продуктов разложения минералов;

3. Результаты исследования деструктирования минералов (карбонаты, оксиды, силикаты, сульфиды) микробиологическим воздействием культуральных сред (гл. 6);

4. Разработка органически входящего в теорию гипергенеза (техногенеза) учения о взаимодействиях в минеральных (в том числе биоминеральных) системах как фундаментальной основы исследования механизма деструкции минералов, а также концепции "окисленности структур минералов", базирующихся на представлении о донорно-акцепторном или кислотно-основном механизме данного процесса, в том числе генетического катализа;

5. Разработка концепции устойчивости минералов в аспекте различных типов взаимодействий в гипергенезе (техногенезе), с одновременным уточнением методики прогнозирования стабильности на базе применения электрохимических потенциалов, эффективных кристаллохимических параметров и разнообразных энергетических характеристик структур минералов.

При рассмотрении экологических проблем также следует указать на значительные возможности, вытекающие из оперирования не формально принимаемым, а реально зафиксированным состоянием химических элементов для конкретной среды. Фиксирование лишь присутствия и валового количества того или иного химического элемента не может служить полноценной основой для прогнозирования его экологической роли и прежде всего в отношении реальной токсичности. Здесь уместно рассмотреть соединения мышьяка, который всегда фигурирует в проблемах, связанных с освоением арсенидных (сульфоарсенидных), а также нередко и сульфидных руд (что имеет место на оловорудных месторождениях Дальнего Востока). При идентичном валовом содержании As в той или иной среде последний может быть представлен самыми разнообразными комплексными ионами (при рассмотрении в простейшей химической форме - H₃AsO₄⁰, AsO₄^III, AsO₃^III, As⁰ и т. д.), существенно различающимися по своему токсичному действию. Понятно, что с этой точки зрения необходима кристаллическая оценка, например, характера химических связей и эффективных зарядов атомов. Такого рода исследование, выполненное для ионов As^III и As^V, позволило выявить одну из причин активного воздействия соединений мышьяка на белковые структуры, во многом определяющего высокую токсичность As^III (Яхонтова и др., 1996).

Общеизвестно, что сложнейшие экологические ситуации формируются на территориях с интенсивной горнорудной экономикой, где полезные ископаемые в процессе освоения подвергаются воздействию разнообразных факторов по ходу реализации технологических цепочек.

При осуществлении технологических процессов минеральное вещество подвергается более или менее глубокой трансформации как химического состава, так и физического состояния. При этом достаточно активно протекают процессы типа окислительного (гидролизного) деструктирования минералов по ходу электрохимических и биоминеральных взаимодействий. Последовательно формируются специфические (нередко токсичные) газы, растворы и твердые фазы, которые затем вступают в новые взаимодействия со многими компонентами окружающей среды. В конце концов, на территории освоения месторождения может возникнуть достаточно напряженное экологическое состояние, деформирующее условия жизнедеятельности животного и растительного мира (атмосфера, природные воды, трофические цепочки), а также сложный комплекс сельскохозяйственных территорий и рекреационных зон.

Преобразование минерального вещества объектов природопользования (в особенности рудных месторождений) является далеко не единственным, но одним из решающих факторов воздействия цивилизации на окружающую среду. Данное положение практически не оспаривается, но в то же время сам процесс такого влияния не подвергается детальному поэтапному анализу в такой степени, чтобы постепенно отрабатывалось прогнозирование воздействия, с заблаговременностью, подвергающей из альтернативных вариантов природопользования выбирать экологически наименее неблагоприятные, а при необходимости - рекомендовать эффективные компенсирующие (рекультивирующие) мероприятия.

Если речь идет о минеральном веществе как о субстрате жизнедеятельности, а также о конкретных характеристиках природных растворов, тесно взаимодействующих с минеральным субстратом и в свою очередь также являющихся субстратом организмов, то приходится признать наличие большого количества "белых пятен" в специализированной ("экологической") характеристике как минерального вещества, так и растворов. Давая такую оценку, следует исходить из некоторых биологических "аксиом". Известно, что взаимодействие организмов - это триединый взаимообмен энергией, массой и информацией. Предметное рассмотрение биокосных взаимодействий показывает, что, в сущности, последние базируются также на упомянутом триедином взаимообмене, хотя, конечно, три потока таких переплетающихся взаимодействий существенно меняют свой характер по сравнению со взаимодействиями только в рамках "живого вещества".

Несмотря на некоторую абстрактность изложенного, представляется возможным сформулировать некоторые конкретные задачи, которые минералогия (в сочетании с кристаллохимией) может решать своими методами, вырабатывая информацию, которая становится научной базой для решения природоохранных проблем в соответствии с методологией, принятой в экологии.

Важнейшая экологическая проблема - появление в окружающей среде токсичных веществ, элементы которых высвобождаются из разрушающегося минерального вещества как в процессе абиогенной деструкции, так и в условиях биокосных взаимодействий. Санитарно-экологическая трактовка среды обитания человека и других организмов требует от минералогии данных по следующим направлениям:

- имеются ли в объекте природопользования элементы собственно токсичные, либо же такие, которые в процессе гипергенеза (техногенеза) могут сформировать экологически нежелетельные соединения в средах, существенных для жизнедеятельности;

- насколько устойчивы минеральные фазы при различных значениях параметров воздействующей на них среды;

- каковы траектории эволюции конкретных минеральных фаз при гипергенном (техногенном) преобразовании в зависимости от различных устойчивых минеральных ассоциаций, содержащих одну и ту же данную минеральную фазу;

- какова последовательность выделения токсичных элементов в природные среды из различных минеральных ассоциаций;

- в какой конкретной форме (комплексы, протоминералы и т.д.), в какой степени окисленности и в каком балансе переходят в гипергенные (техногенные) растворы токсичные элементы из разрушающихся минеральных фаз; и каков баланс этих форм;

- какие свойства новообразованных при гипергенезе (техногенезе) минералов, комплексов и ассоциатов в растворах определяют как их "первоначальные" токсикологические свойства, так и их дальнейшую эволюцию.

Таким образом, одна из главных сложностей оценки экологических последствий освоения рудных месторождений состоит в том, что она зависит одновременно от двух в одинаковой степени важных обстоятельств: 1) концентрации токсичных элементов в минеральных индивидах ("потенциальная токсичность") и 2) скорости высвобождения такого рода загрязнителей в окружающие среды, если высвобождение термохимически возможно вообще.

Как видно из предыдущей главы, гипергенные, в том числе и техногенные, процессы на оловорудных месторождениях Дальнего Востока получили крайне широкое развитие. Их развитие создает ряд проблем, и в первую очередь проблему взаимодействия человека с окружающей средой, которые приобретают все более важное значение - имеют экологические и часто трагические последствия, в первую очередь, для самого человека.

Отработка рудных месторождений в изученных районах ведется карьерами и штольнями, которые не только оставляют огромные пустоты (карьеры), насыпи - отвалы (у штолен), а также появление складируемых руд - огромных хвостохранилищ. В хвостохранилищах складируются те руды, процентное содержание добываемых элементов в которых ниже промышленного, необходимого по технологии, либо складируются отработанные руды (хвосты), после извлечения полезных компонентов. Здесь складируются порой огромные количества (до сотен и десятков тысяч тонн) такой руды, занимающие иногда площади до десятков, сотен квадратных метров. Все те процессы, которые происходят с рудами в зоне гипергенеза, не прекращаются, а усиливаются в хвостохранилищах и отвалах штолен благодаря возрастающему механическому воздействию и доступу кислорода и воды. На хвостохранилищах нередко происходят подземные пожары и взрывы так как. в результате химических реакций выделяется тепло. Происходит специфическое минералообразование, связанное с техногенными растворами.

Техногенные растворы, имеющие значительные масштабы на изученных рудопроявлениях, представляют собой "жидкие руды" - попутное поликомпонентное сырье, в котором минералы находятся в технологически оптимальной форме. В последние годы из такой "жидкой руды" на Фестивальном месторождении (Комсомольский рудный район) признано рентабельным промышленное извлечение меди, что, вероятно, возможно и на некоторых других рудопроявлениях Приморья. Там, где "жидкие руды" не подвергаются промышленной переработке, они полностью выносятся в грунтовые воды.

Из сказанного очевидно, что все, что связано с отработкой месторождений, гипергенными процессами, техногенезом и рудничными водами, не проходит безрезультатно для окружающей среды. Накопленные в техногенных водах элементы выносятся за пределы рудопроявлений и рассеиваются в грунтовых и родниковых, а следовательно, в питьевых водах. Эти процессы неизбежно нарушают экологическое равновесие в районе. Происходит губительное загрязнение окружающей среды.

Окисление и разрушение руды приводит к ее большим потерям. Показано (Авдонин, 1984), что в течение одного года потеря колчеданного Красногвардейского месторождения (на Урале), за счет химического разубоживания, составляет около 2% Cu и 4% Zn от общего количества этих металлов в извлекаемой руде. Впервые такие вычисления сделал Г. Н. Вертушков (1940), показав, что Белоречинский и Новолевинский колчеданные рудники (Урал) теряли в результате окисления и растворения около 0,1% извлекаемой руды. На оловорудных месторождениях Дальнего Востока такие подсчеты пока не производились, хотя можно сказать с уверенностью, что на этих месторождениях потеря рудных элементов не менее значительна.

Гидрохимическое рассеяние сопровождается неизбежно биохимическим захватом тяжелых металлов растениями из почвенных вод, а также поступлением их по трофическим цепям в организм человека и животных. Так, проанализированные пробы из дождевых и снежных осадков, а также из растительного покрова в районе рудных полиметаллических месторождений (Аржанова, Елпатьевский, 1990; Елпатьевский, 1993) .Авторы показали, что наиболее высокие поступления тяжелых металлов связаны с начальной фазой моросящих осадков, в которых содержания Pb, Fe, Zn могут достигать 100-200 мкг/л, а Сu, Mn, Al до 30-60 мкг/л (Кавалеровский район).

Накопление аэрозольного материала на поверхности листьев растений в последующем увеличивает концентрации трассерных техногенных элементов в подкронных водах. В растворенной фазе содержание Zn и Cd в этом случае возрастают в 2,5 раза, Pb - в 1,3 раза. Кроме того, техногенное накопление ряда металлов (Pb, Zn, Cu, Cd, Fe и Mn) происходит в листьях, коре, древесине и корнях деревьев, а также в грибах и ягодах. Для техно-геосистемы содержание Pb в водах местного стока в 2,5 раза выше, чем в фоновых условиях, Al - в 3 раза, а остальных металлов (Cu, Cd, Zn, Fe, V, Ti) - в 1,5-1,8 раза. Увеличение концентрации тяжелых металлов в водах местного стока указывает на явное выраженное техногенное влияние, хотя концентрация тяжелых металлов и невысока (Елпатьевский, 1993).

Были отобраны образцы гидроксидов железа из 20 минеральных источников и болота в Приморском крае. Пробы были проанализированы на содержание Sn, Cu, Pb, Zn, Ni, Co и Ag. Анализ этих проб показал, что содержание указанных элементов в большинстве проб выше кларковых.

Воды всех минеральных источников в Приморье гидрокарбонатные, углекислые. Минеральные источники Ветвистый, Большой Ключ, Марьяновский, Нарзанный 1 и 2, Сандагоу и Чинхоуза считаются кремний-кальциевыми. Воды остальных минеральных источников натро-кальциевые.

Накопление рудных элементов отмечается также в гипергенных гидроксидах, являющихся прекрасными сорбентами. Анализ таких проб показал, что содержание примесных элементов в большинстве их них существенно выше кларковых (Постникова, 1988; Постникова, Яхонтова, 1990в). Количественным спектральным анализом было исследовано более 200 проб гидроксидов железа из окисленных рудопроявлений. Близкие результаты получены и для техногенных образцов гидроксидов железа, взятых из рудничных зон, тем самым было подтверждено наличие ряда рудных элементов не только в рудничных водах и воде минеральных источников, но также и в болотной воде.

Гидроксиды железа из рудных зон содержат рудные элементы в количестве на 1-2 порядка выше, чем техногенные образования. Это объясняется тем, что структура свежеосажденных (техногенных) гидроксидов железа не сформирована полностью и для нее характерны не только сорбционные (накопление), но и десорбционные (вымывание) процессы. Чем старше гель, тем выше накопление в нем рудных элементов.

Главные рудные элементы (Sn, Cu, Pb и Zn) на месторождениях Комсомольского и Кавалеровского рудных районов ведут себя по-разному в зоне гипергенеза. Олово, а вместе с ним и цинк характеризуются высокой подвижностью, поэтому крайне редко образуют самостоятельные фазы. Обладая высокой подвижностью, эти элементы либо накапливаются в некоторых гипергенных минералах (гидроксиды железа, глинистые минералы, собственно техногенные образования и т.д.), либо частично выносятся рудничными водами в грунтовые. Медь и свинец дают большое количество гипергенных минералов (табл. 61), а кроме того, могут накапливаться и в других минералах зоны гипергенеза и собственно техногенеза (табл. 62-73). При попадании в грунтовые и родниковые воды эти элементы формируют концентрированные ореолы, нарушающие экологическое равновесие в районах.

Изучая минеральный состав зоны гипергенеза, можно заметить, что на месторождениях оловорудных формаций Солнечное, Придорожное (Комсомольский район) и Дубровское, Хрустальное (Кавалеровский район) в рудничных водах содержится больше As и Fe; на медно-оловянных - Фестивальное (Комсомольский район) и Высокогорское (Кавалеровский район) в них преобладают Cu и Zn; на олово-полиметаллических - Перевальное (Комсомольский район) и Арсеньевское (Кавалеровский район) - Pb и Zn.

Полученные данные говорят о том, что рудничные воды оловорудных месторождений значительно обогащены как главными, так и редкими элементами и, попадая в грунтовые и родниковые воды, загрязняют их.

Большинство рудных элементов (Sn, Cu, Pb, Zn, Fe, As In, Ga, Ge,Te, Cd, Sb и др.) токсично (Бондарев, 1976; Вредные вещества ..., 1977) и вызывает тяжелые заболевания у людей (табл. 75). Наиболее распространены болезни желудка, печени, почек, кожи, сердца, ОРЗ, нервной системы и мн. др. Первой оценочной характеристикой токсичности элементов могут служить значения предельно допустимых концентраций (ПДК) в воде (Емлин, 1991). В соответствии с этими данными самыми токсичными являются селен (ПДК=0,001 мг/л), ртуть, кадмий (0,005), цинк, медь, никель, кобальт, теллур (0,01), мышьяк, сурьма (0,05).

Даже первое сравнение ПДК с данными о составе рудничных вод оловорудных месторождений свидетельствует о значительных пробелах в системе геохимического контроля миграции токсичных элементов на горнодобывающих предприятиях, хотя имеются указания на то, что концентрация металлов в родниковых водах загрязняемого водосбора (например, в Приморье) в 1,4-1,6 раза превышает фоновые (Елпатьевский, 1993).

Сравнение состава приотвальных вод с исходными рудами показывает, что содержание главных элементов в них (S, Fe, Cu) соизмеримо со средним содержанием в рудах, а для Zn и Cd уровень концентрации в водах даже намного выше. Приотвальные воды представляют собой как бы "жидкие руды", которые можно рассматривать как попутное поликомпонентное минеральное сырье, с металлами, находящимися в технологически оптимальной форме сульфатных рассолов.

Понятно, что при отработке месторождений не следует забывать об экологических последствиях гипергенных процессов. Существует необходимость проведения тщательного и более разумного складирования, а возможно, и вывоза неиспользуемых, промышленно невыгодных отходов, так как огромные количества складируемых руд и увеличение их контакта с агентами выветривания приводят к активным техногенным процессам и выносу экологически опасных элементов в атмосферу и гидросферу.

Следует заметить, что техногенные образования в большинстве своем рентгеноаморфны и представляют собой трудно диагностируемые сложные полиморфные образования. Изучение этих образований очень трудоемкий и кропотливый труд, требующий большого внимания и высокого уровня минералогической подготовки исследователя.

В заключение можно отметить, что защита среды обитания от последствий деятельности человека приобретает первостепенное значение, а изучение техногенного минералообразования имеет особое значение в решении задач охраны окружающей среды на территориях горно-промышленных комплексов. Техногенная минерализация является бесспорным индикатором многих процессов, наносящих ущерб не только окружающей среде (повышенная концентрация токсичных веществ в водах, засоленность грунтов, присутствие в строениях и конструкциях минерализованных растворов, интенсивная коррозия металлов и пр.), но и здоровью людей, живущих в рудных районах. Отсюда, минералогия техногенеза в оловорудных районах Дальнего Востока должна получить развитие, соответствующее масштабам и значению этого важнейшего горно-добывающего региона.