На формирование сточных вод большое влияние оказывают региональные и локальные факторы [1, 2, 4, 12]. К региональным факторам, относят климат, морфолого-тектонические, общие особенности металлогении и химизма вод данной области [1, 3].
Локальные факторы индивидуальны для каждого рассматриваемого месторождения: характер залегания рудного тела, его минеральный состав, структурные и текстурные особенности, условия залегания и характер боковых пород при формировании подземных и грунтовых вод [1]. При формировании поверхностных подотвальных вод к локальным факторам относится также характер и распределение остаточной минерализации полезного ископаемого в рудной и породной массе, находящейся в отвалах [1, 2, 10]. Поэтому для изучения процессов, участвующих в формировании сточных вод Бурибаевского, Учалинского, Сибайского и других медноколчеданных месторождений Южного Урала, изучается влияния региональных факторов.
Одним из важнейших условий формирования состава подземных вод является климат. Количество, состав и режим выпадения атмосферных осадков в течение года влияют на химический состав не только грунтовых вод, но и на воды более глубоко залегающих водоносных горизонтов. Доля атмосферных осадков, идущая на пополнение подземных вод, во многом определяется температурой воздуха и величиной испарения [1, 5, 12]. Снижение температуры воздуха зимой сопровождается промерзанием почвы и изменением условий питания подземных вод. Повышение температуры весной сопровождается таянием снежного покрова и интенсивной инфильтрацией талых вод, наблюдается снижение минерализации подземных вод и увеличение содержания гидрокарбоната. В зимние месяцы во многих районах установлено повышение минерализации и изменение состава грунтовых вод обусловленное отсутствием пополнения горизонта за счет атмосферных осадков. Сопоставление режимов уровня и химического состава грунтовых вод, с характером выпадения атмосферных осадков показало, что осадки зимнего периода являются наиболее эффективными: как правило, весной под влиянием инфильтрации талых вод происходит снижение минерализации грунтовых вод [1, 3, 6, 12].
Климат в местах расположения основных медноколчеданных месторождений Южного Урала континентальный. Зима холодная с сильными ветрами. Лето жаркое, сухое. Среднегодовая температура воздуха в районе составляет примерно 3°С. Абсолютный максимум температуры ~ 38°С, минимум ~ –42°С. Среднегодовое количество осадков может колебаться от 300 до 600 мм. Осадки теплого периода года (апрель – октябрь) составляют около 75 % годовой суммы. Максимальное количество осадков приходится на летние месяцы (июнь-август), минимальное – на февраль [1, 8, 10].
Влияние климатических параметров на формирование химического состава техногенных стоков изучалось на техногенных водах Бурибаевского ГОКа, а так же по данным годовых отчетов отделов охраны окружающей среды предприятий Южного Урала.
В зимний период времени в связи с отсутствием пополнения запасов поверхностных и грунтовых вод за счет атмосферных осадков снижаются объемы сбросных шахтных и карьерных вод. Подотвальные воды, питающиеся за счет осадков с декабря по середину марта, практически отсутствуют, сток перемерзает (рис. 1, 2).
Рис. 1. Распределение осадков в течение года по результатам наблюдения метеослужбы ЗАО «Бурибаевский ГОК» (средние значения за 2012 г.) [5–9]
Рис. 2. Изменение объемов карьерных и подотвальных вод Бурибаевского ГОКа от времени года (средние значения за 2012 г.) [5–9]
Основными метеорологическими элементами, влияющими на химический состав природных и техногенных вод, являются атмосферные осадки, испарение, температура окружающей среды.
Низкая скорость естественного выщелачивания металлов из руды и слабый катионный обмен во вмещающих породах в холодный период времени приводит к снижению концентрации катионов и изменению солевого состава в природных и техногенных водах.
Усиленный сток в период активного таяния снежного покрова способствует снижению общей минерализации как в шахтных, карьерных, так и в подотвальных водах. Из-за большого разбавления талыми водами минерализация стоков может достигать 15 мг/дм3 [1, 2]. Талые воды отличаются повышенным содержанием гидрокарбонат–иона, нейтральной средой, что ведет к замедлению процессов окисления сульфидной минерализации в отвалах и снижению концентрации марганца в техногенных водах. В летний период времени малая увлажненность местности, высокая температура, сильное испарение способствуют повышению общей минерализации подотвальных и поверхностных вод, кислотности среды и концентрации марганца в техногенных водах.
Фактор сезонности является главным фактором в формировании объемов водопритока подотвальных вод и одним из значимых факторов для шахтных и карьерных вод. На водоприток шахтных и карьерных вод кроме атмосферных осадков значительное воздействие оказывают морфолого-тектонические факторы рельеф; тектоника района; динамический режим водоносных горизонтов, их связь и взаимодействие с поверхностными водами.
Рельеф, формируя стоки и водообмен, влияет на солевой состав природных и техногенных вод. Местность преимущественного расположения основных медно-колчеданных месторождений Южного Урала равнинная или холмистая с незначительными отклонениями в высотах, поэтому подземные воды имеют преимущественно сульфатно-гидрокарбонатно–кальциево-магниевый или натриевый состав, повышенную минерализацию [1]. Поступление больших масс воды в горные выработки связано с особенностями тектоники уральского района. Зоны тектонических нарушений служат проводниками и коллекторами подземных вод. По этим зонам интенсивно развивается гидравлическая связь различных водоносных горизонтов.
Проведенный анализ условий формирования техногенных стоков горнорудных предприятий медноколчеданного комплекса Южного Урала позволил сделать следующие выводы:
- на медноколчеданных месторождениях Уральского региона под действием природных условий независимо от влияния техногенных факторов формируются кислые сульфатные воды, концентрация металлов и в частности марганца зависит от климатических явлений, от морфолого-тектонических факторов, литолого-минералогического состава рудных тел и вмещающих пород;
- объемы шахтных и карьерных вод формируют не только атмосферные осадки, но и рельеф местности, тектоника района и гидрогеологические факторы. Кроме того, эти факторы влияют и на пополнение водоносных горизонтов, и на интенсивность преобразования природных и техногенных вод, горных пород за счет процессов окисления.
- максимальные концентрации катионов металлов характерны для кислых вод зоны окисления сульфидных месторождений;
- вовлечение в переработку кислых рудничных вод медноколчеданного комплекса Южного Урала, с целью извлечения ценных компонентов даст возможность с одной стороны более полно использовать природные минеральные ресурсы, а c другой стороны, позволит существенно снизить экологическую нагрузку в регионе.