Шерловогорский рудный район находится на юго-востоке Забайкальского края, в Борзинском административном районе, северо-восточнее поселка Шерловая Гора. Здесь расположена Шерловогорская рудно-магматическая система, разработка рудных месторождений в пределах которой привела к формированию крупной природно-антропогенной геосистемы. Комплексные ландшафтно-геохимические и ботанико-биогеохимические исследования поведения химических элементов, в том числе, висмута, в пределах рудных районов Забайкальского края начаты нами в 2000 году [2; 3]. Висмут выбран как один из критериев экологической опасности в Шерловогорском горнорудном районе. Он относится к элементам повышенной токсичности 2-го класса опасности и характеризуется широким спектром токсического действия.
Целью данной работы являлось изучение закономерностей транслокации висмута в системе «горная порода (руда) > кора выветривания (зона окисления) > почва (технозем) > растение» на примере дендрантемы Завадского (Dendranthemum zawadskii (Herb.) Tzvelev) и подмаренника настоящего (Gallium verum (L.), распространенных в степном ландшафте Шерловогорского горнорудного района. Он включает пять месторождений. Исторически сложилось так, что отдельные участки Шерловогорского рудного района, представляющие собою месторождения определенных минеральных типов, получили свои наименования, положение которых в пространстве приведено на рис. 1. История их открытия, особенности геологического строения и минерального состава даны в [4].
Рис. 1. Схема опробования: 1 – фоновый участок, 2 – 3 – месторождения и геотехногенные массивы Шерловогорского горно-промышленного района
Первое из месторождений, Шерловая Гора, открытое в 1723 году, заключает в себе комплексные висмут-бериллий-олово-вольфрамовые руды с наложенной мышьяковой минерализацией. В жильных телах здесь присутствуют ювелирного качества берилл, горный хрусталь, топаз. Продуктом эрозии, выветривания и переотложения освобождавшихся при этом вольфрамита, касситерита, минералов висмута и накапливания в делювиально-аллювиальных отложениях пади Заводская было отработанное в существенной своей части Шерловогорское висмут-олово-вольфрамое россыпное месторождение. В юго-восточном обрамлении Шерловогорской гранитной интрузии, включающей коренное месторождение, в её приконтактовой части в Аплитовом отроге находится также в существенной части отработанное олово-вольфрамовое месторождение Аплитовый отрог кварц-касситерит-силикатного минерального типа. К северо-востоку находится также в значительной части отработанное карьером, олово-полиметаллическое месторождение Сопка Большая. К востоку от него располагается практически не разрабатывавшееся олово-полиметаллическое месторождение Восточная аномалия. В пределах рудного района периодически на протяжении около 300 лет добывалось камнесамоцветное сырье, разрабатывались висмут-олово-вольфрамовые россыпи, производились геолого-разведочные работы. Большое количество обломочного материала извлечено из недр при строительстве подземного штаба Забайкальского фронта в 1943–1945 гг. [4]. Это привело к образованию мелких карьеров, траншей и отвалов горных пород, обогащенных широким спектром различных химических элементов, в том числе висмута. В результате отработки с 1960 по 1993 гг. месторождения Сопка Большая открытым способом образовались карьер, отвалы горных пород вскрыши, склады бедных и подготовленных к переработке руд, слагающих техногенные массивы, хвостохранилище обогатительной фабрики бывшего ГОКа. Поэтому в природных, техногенных и природно-техногенных ландшафтах развиты геохимические аномалии висмута, олова, свинца, цинка, кадмия, вольфрама, бериллия и других элементов. В результате геотехногенных процессов содержавшие их первичные минералы частично разрушились и эти элементы перешли в подвижное состояние, определившее их миграцию и вероятность поглощения растениями.
По паспортным данным месторождения и инфраструктуры Шерловогорского ГОКа, хвостохранилище площадью 80 га содержит 2617 тыс. т отходов обогатительной фабрики. Кроме того, здесь присутствуют склады некондиционных бедных и окисленных руд, общая площадь которых 53 га.
Материалы и методы исследования
Объектами исследования выбраны Подмаренник настоящий (Gallium verum (L.) и Дендрантема Завадского (Dendranthemum zawadskii (Herb.) Tzvelev), относительно широко распространенные в Сибири и на Дальнем Востоке [1], а также в пределах Шерловогорского горнопромышленного района. Участки отбора проб представляют собой природные и антропогенные ландшафты (рис. 1). На каждом участке наблюдения проводили по точкам, хорошо изученным в геологическом отношении. Пробы отобраны на участках (см. рис. 1): фоновый участок (Т. 1), Поднебесных (Т. 2); Жила Новая (Т. 3, верхний горизонт), Жила Новая (Т. 4, нижний горизонт), Обвинская (Т. 5), Пятисотка (Т. 6), сопка Лукаво-Золотая (Т. 7), Карьер (Т. 8), хвостохранилище (Т. 9), Северный отвал (Т. 10), Сопка Мелехинская (Т. 11). Пробы почв отбирали в соответствии с ГОСТ 17.4.4. 02–84 и по искусственным обнажениям. Пробы растений отбирали и промывали сначала струей проточной воды, затем – дистиллированной, и высушивали до воздушно-сухого состояния. Всего изучено 67 проб растений, каждая из которых содержала 10–15 экземпляров.
Химический анализ горных пород, глин, техноземов, водных растворов выполнен методом масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой на спектрофотометре ICP-MS Elan DRC II Perkin Elmer (США) в лаборатори АО SGS Восток Лимтед (Зав. лабораторией Т.Л. Попова). Нижний порог определения для висмута в твердых пробах 0.1 ppm, в растворах – 0,01ppb. Этим же методом выполнен анализ растений (нижний порог определения (НПО) для висмута 0,01 мгк/кг) в Хабаровском инновационно-аналитическом центре Института тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН, аналитики В.Е. Зазулина, А.Ю. Лушникова, Е.М. Голубева и Д.В. Авдеев. Почвенные образцы анализировали методом РФА в Геологическом институте СО РАН, аналитики Б.Ж. Жалсараев, Ж.Ш. Ринчинова. В этой статье использован кларк висмута земной коры по А.П. Виноградову – 0,009 мг/кг. Кларк почв – 0,1–0,3 мг/кг, ПДК не установлен.
Результаты исследования и их обсуждение
Источниками висмута в ландшафте являются грейзены, граниты, руды различного состава (таблица), а также рыхлый материал вскрытых эрозией полостей в рудоносных телах, включая глинистую фракцию. В грейзенах и рудоносных телах висмут находится в висмутине (Bi2S3), бисмутите ((BiO)2 CO3), самородном висмуте, рузвельтите (BiAsO4) (рис. 2) и галените [4].
Висмут в рудах, рыхлом материале, глинах, почвах и техноземах Шерловогорского горнорудного района
|
Анализированный материал |
х, ppm |
σ |
σ/х |
х/кларк |
n |
|
Руда олово-полиметаллического месторождения Сопка Большая |
203,8 |
305,1 |
0,668 |
22644 |
68 |
|
Сульфидная минеральная ассоциация, наложенная на камнесамоцветный минеральный комплекс |
7029,9 |
13505,2 |
1,92 |
781100 |
13 |
|
Поздний минеральный комплекс, наложенный на продуктивный, включая гипергенные минералы |
895,6 |
1093,4 |
1,22 |
99511 |
24 |
|
Минеральный комплекс жил с камнесамоцветным сырьем |
2190 |
3130 |
0,425 |
243830 |
26 |
|
Глины |
1012,24 |
1209,62 |
1,195 |
112471,11 |
18 |
|
Почвы |
95,11 |
286,99 |
3,01 |
475,55 |
100 |
|
Технозем в хвостохранилище |
16,0 |
4,19 |
0,322 |
1777,78 |
10 |
Рис. 2. Рузвельтит в окисленной руде. Шерловая Гора. Электронно-микроскопический снимок фрагмента образца из зоны окисления, вскрытой карьером Докучаева. 1 – скородит (до 9,47 Cu), 2, 5 – 7 – рузвельтит, 3 –скородит с 0,48 % Sb, 4 – арсенопирит
Среднее содержание висмута в рудах месторождения Сопка Большая, отходы переработки которых находятся в хвостохранилище, по данным разведки составляет 25–40 г/т. Извлечение висмута составляло всего 70 %. Поэтому часть его оказалась в отходах горного производства. Среднее содержание его в техноземах составляет 16 г/т при среднеквадратичном отклонении 4,19 (см. таблица). Значительная часть висмута содержится также в рыхлом и глинистом материале в полостях жил (см. таблица). В соответствии с результатами экспериментов по вымыванию химических элементов из рыхлого материала, установлено, что содержание его в нем достаточно высокое и широко варьируется в пробах из жильных тел различных участков (см. рис. 3). Видно, что доля вымываемого водой висмута не зависит от валового его содержания в глине: при максимальном его содержании в пробе участка 2 (Копь Новикова) и низком в пробе с участка 5 (Копь Гелиодоровая) содержание в воде одинаково и составляет всего 0,86 ppb. Сравнение содержаний висмута и окисного железа в глинистом материале показало четкую положительную корреляцию между ними. Поэтому висмут, сорбированный гидроксидом железа, удерживается от вымывания водой и сдерживает вынос его на ландшафт и, вероятно, усвоение его растениями.
Рис. 3. Содержание висмута в глинах и промывных водах: 1 – проба ШГ-12/206, участок Пятисотка; 2 – пробы ШГ-13/185, участок копь Новикова; 3 – проба ШГ-12/209, Копь Новикова; 4 – проба 14/366, участок Лукаво-Золотая, выработка Балагурова; 5 – проба ШГ-13/173, участок копь Гелиодоровая
Среднее содержание висмута в почвах с учетом новых данных, в целом по району приведено в табл. 1, по участкам отбора проб оно варьируется (ppm) от 5 (фоновый участок) до 53 (Обвинская Сопка). Содержание его в почвах на различных участках рудного района четко различное и во всех её твердых компонентах кратно превышает кларк Земной коры.
Содержание висмута в растениях существенно ниже, чем в почвах. В органах растений (корни, стебли, листья, цветы-семена) оно находится в пределах < 0, 01–4,58 ppm.
В органах D. zawadskii висмут преимущественно накапливается на участках Обвинская и Мелехинская (рис. 4). Минимальны содержания его в карьере. В D. zawadskii, произрастающей на хвостохранилище, содержание висмута едва достигают 0,27 ppm. В целом на всех исследовавшихся участках колебания содержаний висмута в D. zawadskii весьма существенны, что связано, вероятно, с особенностями минерализации на участках отбора проб, определяющими валовые содержание элементов в почве. Установлена нечеткая тенденция возрастания содержания висмута в растениях от содержания его в почве и техноземах, но функциональной зависимости между этими величинами при сравнении для отдельных растений не проявляется. Например, при практически одинаковом среднем содержании Bi в почвах на участках Мелехинская и Жила Новая содержание его в органах растения существенно различается. Максимальное содержание висмута отмечено в корнях и листьях этого растения (см. рис. 4).
Рис. 4. Сравнение средних содержаний висмута в почвах и органах D. zawadskii
Высокое накопление висмута наблюдается в органах G. Verum (L.), максимальным содержанием характеризуется участок Поднебесных до 4,86 ppm. Содержание висмута в органах G. Verum (L.) до единицы отмечено на участке Жила Новая, где содержание висмута в почве невелико (20,3 ppm). На всех участках накопление висмута в органах G. Verum (L.) имеет тенденцию к зависимости от его концентрации в почве.
Максимальное содержание висмута, как и других химических элементов в других изученных растениях, установлено в корнях и листьях [2]. Для участка Поднебесных из генеративных органов изучены лишь соцветия, семян собрать не удалось. Поэтому (рис. 4, 5) содержание висмута в генеративных органах близко к таковому в листьях.
Рис. 5. Сравнение средних содержаний висмута в почвах и органах G. Verum (L.)
В корнях этот элемент накапливается длительно. Поэтому, несмотря на вынос из корней, Bi с током растворов, движущихся к листьям, имеет тенденцию накопления в них. Судя по полученным данным, D. zawadskii, вероятно, относится к безбарьерным относительно накопления висмута, а G. Verum (L.) – к барьерным видам растений.
Выводы
1. Впервые выполнено сравнительное изучение содержания висмута в почвах и в органах D. zawadskii и G. Verum (L.) различных частей Шерловогорского рудного района, представляющих собою различные месторождения. Содержание висмута в почвах, техноземах и растениях на порядки превышает соответствующие его кларки. Источниками висмута в ландшафте района являются висмутин, бисмутит, рузвельтит и самородный висмут, а также глинистая составляющая рыхлого материала продуктивных на ювелирные камни полостей в жильных телах.
2. В результате экспериментов показано, что поступление висмута в почвенный горизонт возможно за счет циркуляции грунтовых вод с pH 7,2.
3. Максимальное накопление висмута типично для корней и листьев изученных растений, а минимальное – в стеблях и генеративных органах. Установлена нечеткая тенденция возрастания содержания висмута в растениях от содержания его в почве и техноземах, но функциональной зависимости между этими величинами при сравнении для отдельных растений не проявляется. Это подтверждает и сравнение коэффициентов биологического накопления висмута в конкретных индивидах и их группах во взаимосвязанных пробах «почва – растение» для других растений.