Геохимическая зональность имеет сложное концентрическое строение геохимических ореолов и закономерное изменение состава главных рудных минералов, из которых главным является пирит – носитель халькофилов в ореолах [1, 2, 4].
В рудах колчеданных месторождений Урала установлено более 40 химических элементов, из которых основными являются сера, железо, медь, цинк, марганец и др. К сопутствующим элементам относятся золото, серебро, селен, теллур, кадмий. Промышленный интерес в отдельных типах месторождений представляют свинец, кобальт, молибден, индий, мышьяк, ртуть, кадмий, висмут и др. Некоторые из них (кадмий, ртуть, кобальт и др.) оказывают вредное токсикологическое влияние на человека [5, 13].
При освоении месторождений происходит не только извлечение промышленных руд, но и изменение всей геосистемы [4, 14]. Техногенные отложения при этом могут повторять геологическую зональность в обратной последовательности, при этом стирается и геологическая зональность [15].
Процесс освоения месторождений происходит при участии поверхностных и подземных вод. Сложная миграция химических элементов обусловлена движением воды в горных породах и рудах, которое полностью изменяется при ведении осушительных работ. Руды и вмещающие породы выветриваются как механически, так и химически.
Современная гидрогеодинамическая и гидрогеохимическая структура подземной гидросферы Южного Урала сформировалась в результате длительной эволюции под воздействием комплекса естественноисторических процессов. В последние годы происходит глубокое проникновение техногенных процессов в геологическую среду (до 2000 м). Наиболее интенсивно техногенез формируется на территориях, где одновременно производится промышленное освоение целой группы близко расположенных друг к другу месторождений полезных ископаемых (Баймакский, Учалинский, Бурибаевский, Маканский и другие рудные районы) [3–6].
При разработках колчеданных месторождений сульфидные руды вступают в непосредственное соприкосновение с кислородом воздуха. Окисление сульфидных месторождений и образование кислых рудничных вод происходит за счет свободного кислорода, который приносится просачивающимися поверхностными водами. В самых верхних подпочвенных горных породах эти воды обогащаются углекислотой [1–4].
Глубина зоны окисления сульфидных месторождений определяется нижней границей, до которой доходит свободный кислород. Положение этой границы не постоянно. Для одного и того же месторождения и его отдельных участков глубина зоны окисления увеличивается по мере отработки и ведения осушительных работ. Например, в карьерах Сибая и Учалов она достигает 600–700 м. Глубины зон окисления сульфидных месторождений Урала зависят от климата, тектонических особенностей, минерального состава, структурных и текстурных характеристик руд и вмещающих горных пород, трещиноватости массива, от условий залегания и др. [4].
Химический состав жидких техногенных отходов зависит от состава и растворимости твердых веществ, с которыми вода взаимодействует, а также от условий, в которых это взаимодействие осуществляется [2, 7, 12].
Под влиянием кислорода воздуха и богатых кислородом инфильтрационных вод в верхних горизонтах залежей сульфидных руд развиваются процессы окисления сульфидных минералов, которые ведут к образованию хорошо растворимых в воде сернистых и сульфатных соединений. Наиболее характерными соединениями, растворенными в этих водах, кроме H2SO4, являются CuSO4, ZnSO4, FeSO4 и Fe2(SO4)3, которые наравне с кислородом оказывают окисляющее и растворяющее действие [3, 7–9]. Процессы окисления сульфидов дают начало возникновению разнообразных, хорошо растворимых в воде сульфатов, что обусловливает вынос большого количества цветных металлов из зоны медно-колчеданных месторождений [10, 15].
Значительное влияние на скорость окисления и растворения сульфидов оказывает изоморфизм – явление, присущее сульфидным рудам и проявляющееся в существовании большого числа минералов смешанного состава. Марганец в сульфидных минералах в основном встречается виде изоморфных примесей. Количество марганца в некоторых разностях может доходить до 4 % [8–11].
Сульфаты в зоне гипергенеза рудных месторождений многочисленны и разнообразны. Более 1/3 сульфатов зоны гипергенеза относится к солям Fe. [4]. При описании минералов основное внимание уделено сульфатам Fe как более типичным в составе окисленных руд. Основная группа сульфатов – это купоросы, водные сульфаты Fe2+ или разности с изоморфной примесью Сu, Zn, Мn и Mg. Для окисленных пиритсодержащих месторождений наиболее характерны следующие марганцевые «купоросы» [3, 8]:
Fe2+[So4]·H2o − Сомольнокит
Fe2+[SO4]·4H2O - Роценит и Mn[SO4]·4H2O - Илезит
Fe2+[SO4]·5H2O - Сидеротил и Mn[SO4]·5H2O - Джококуит
Fe2+[SO4]·7H2O - Кировит и Mn[SO4]·7H2O - Маллардит
(Fe2+,Mg)[SO4]·7H2O - Пизанит и (Mn,Mg)[SO4]·6H2O -Хвалетицеит
Растворимость сульфатов железа и марганца в воде очень высокая. Одно из условий устойчивости купоросов – высокая кислотность растворов (рН<3) и низкий окислительный потенциал среды (< 0,2 В).
На скорость окисления сульфидов, как на самих месторождениях, так и в отвалах, хвостохранилищах влияют следующие факторы: температура среды, крупность зерен сульфидов, растворимость образующегося сульфата, скорости движения подземных вод и др.
Ускорение реакции окисления обязано так же электрическому току, образующемуся вследствие разности потенциалов на контакте разных минералов. Ток идет от минерала с более высоким потенциалом, чем он, и предохраняется от окисления и растворения. Минерал с более низким потенциалом растворяется быстрее [4].
Состав рудничных вод постоянно изменяется в зависимости от количества поступающих поверхностных, особенно, если есть связь с водами рек, ручьев, озер.
Образованные сульфаты обычно мигрируют с рудничными водами при достаточно малых значениях pH.
Если кислые рудничные воды проходят через карбонатные породы, то происходит осаждение, выпадение из растворов значительной части металлов.
В значительно меньшей степени на нейтрализацию кислых рудничных вод влияют полевые шпаты, амфиболы, пироксены. Неактивными являются кварц, роговики [1–4].
Нейтрализация воды может происходить так же путем адсорбции. Зоны окисления богаты такими коллоидными продуктами как гели кремнезема, алюмокремниевых соединений, гидратов Fe, Al и др. Большая часть этих коллоидов имеет отрицательный заряд и легко адсорбирует катионы из сульфатных рудничных вод.
Анализ схем сбора стоков, их очистки от тяжелых и цветных металлов, организации водооборота на рассмотренных горнорудных предприятиях показал, что значительные объемы образующихся техногенных вод ГОКи переработать не имеют возможности [1, 8, 15]. Поэтому в большинстве случаев воды подвергаются нейтрализации известью с осаждением металлов в виде гидроксидов на дно искусственных прудов, а осветленные в этих прудах нейтрализованные воды сбрасываются на рельеф или в естественные водоемы [1, 2]. Подобные технологии способствуют созданию вторичных техногенных образований со сложным поликомпонентным составом, а также не решают проблем экологии и ресурсосбережения.
Таким образом, проведенный анализ условий формирования рудничных вод показал, что техногенез горнорудного профиля ведет к скоплениям значительных объемов техногенных вод, формируя техногенные металлсодержащие гидроресурсы. Данные воды отвечают трем главным требованиям, предъявляемым к перерабатываемому сырью – качество, количество и возможность извлечения из них ценного сырья. Вовлечение в переработку данного вида сырья позволит более полно использовать природные ресурсы. А так же снизит экологическую нагрузку на регион.