Известно, что рудные тела на месторождениях в процессе разработки, особенно когда вскрываются, подвергаются активному воздействию агентов выветривания, к которым относятся атмосферные факторы (кислород, азот, углекислота), поверхностные воды, градиенты температуры и т. д. В результате в большинстве случаев образуется довольно мощная (иногда до 300 м и более) зона быстрого преобразования руд — зона гипергенеза, которая включает в себя зону окисления, зону вторичного сульфидного обогащения, а также измененные вмещающие породы (Смирнов, 1951, 1955). Зона окисления — верхняя, близкая к поверхности часть обогащенных сульфидами месторождений или рудных тел, расположенная выше уровня грунтовых вод, т. е. в зоне просачивания. Зона вторичного сульфидного обогащения — верхняя часть сульфидных месторождений, расположенная под зоной окисления ниже уровня грунтовых вод. Большой вклад в современное состояние учения о гипергенезе на рудных месторождениях и теоретические обобщения внесли отечественные ученые С.С. Смирнов, Ф.В. Чухров, А.И. Перельман, Т.Н. Шадлун, Л.К. Яхонтова, А.П. Грудев, В.Н. Авдонин и др.

Ведение на рудопроявлениях горнотехнических и технологических работ приводит к активным физико-химическим процессам, в результате которых образуются разнообразные техногенные минералы. Этот процесс назван техногенезом. Техногенез определяется совокупностью геоморфологических и минералого-геохимических процессов, вызванных производственной деятельностью человека. Несмотря на участие техники и человека, этот процесс в значительной мере стихийный.

Термин «техногенез» был введен А.Е. Ферсманом (1934) для обозначения группы геохимических явлений, входящих в класс гипергенных процессов, и сначала не отвечал полностью его буквальному смыслу. В дальнейшем значение термина было расширено. Техногенез включает широкий спектр геологических, геохимических и минералогических процессов, являющихся следствием деятельности человека. Этой сложной и интересной проблемой занимались и внесли большой вклад В.И. Вернадский, А.И. Перельман, М.А. Глазовская, В.В. Добровольский, В.Я. Монаков, В.Н. Авдонин, Б.В. Чесноков, Э.Ф. Емлин и другие ученые. В последнее десятилетие следует отметить интересные работы по минералогии техногенеза ученых Российской академии наук С.С. Потапова, А.А. Каздыма, Е.Б. Щербаковой, Г.Г. Кораблева, С.Б. Бортниковой и многих других.

На активно разрабатываемых месторождениях взаимодействие техники и природы проявляется особенно отчетливо, со всеми противоречиями и проблемами, решение которых жизненно важно как для общества, так и для природы в целом. К числу процессов, сопровождающих промышленную отработку, относятся: сдвижения горных масс, обрушения, оползни, техногенные землетрясения, сели, возгорание руд, взрывы сульфидной пыли, минерализация вод, коррозия машин и механизмов, деградация почвенного профиля, разрушение биогеоценозов, эндемические болезни и т. д. Техногенез является определенным этапом в общей геологической истории рудного района и модифицирует важнейшие геодинамические процессы в главных внешних оболочках планеты: атмо-, гидро-, био- и литосфере. Отсюда анализ техногенеза является одной из важнейших задач теоретической и прикладной геоэкологии. От решения этой задачи зависит геологическое будущее Земли, а главное — здоровье людей, живущих на ней. Необходимо осознать геологические и геоэкологические аспекты техногенеза как глобального процесса, преобразующего лик Земли не всегда в лучшую сторону. В отличие от всех других геологических явлений техногенез должен быть процессом управляемым.

Несмотря на широкое распространение термина «геоэкология», понятийная и концептуальная основы этой науки, претерпевшие значительные изменения за последние десятилетия, все еще не находятся на стадии завершения. Можно сказать, что споры относительно самого термина «геоэкология», структуры этой науки, объекта и предмета исследования не закончились и в настоящее время. Термин геоэкология применяется в географических, геологических, социальных и других науках при решении проблем природоохранной направленности. Термин «геоэкология» впервые предложен в 1939 г. К. Троллом применительно к изучению экологии природных, неизмененных ландшафтов (Troll, 1970), хотя фундаментальные аспекты этой науки были заложены значительно раньше. Понимание его содержания существенно отличается у исследователей даже одного научного направления, а поэтому требует комментария, что сделано в работах В.Т. Трофимова с соавторами (1994-1999). В работах этих авторов подробно показано, что в определении понятия геоэкология, ее объектов исследования, а также в постановки цели и задач этой науки принимали активное участие многие известные ученые: В.Б. Сочава (1970), А.А. Минц и В.С. Преображенский (1973), И.В. Крутя (1978), Е.М. Сергеев (1979), В.Д. Федоров и Т.Г. Гильманов (1980), И.П. Герасимов (1985), Е.А. Козловский и Г.А. Голодковская (1989), К.И. Сычев (1990), Н.М. Фролов (1991), С.П. Горшков (1992), Г.Л. Кофф и В.В. Тарасов (1993) и др.

В.И. Осипов в своих публикациях (1993, 1997) также уделял большое внимание проблемам геоэкологии. Под геоэкологией он понимает «науку, изучающую геосферные оболочки Земли как компоненты окружающей среды и минеральную основу биосферы и происходящие в них изменения под влиянием как природных и технологических факторов» (Осипов, 1993, с. 6). В более поздней работе (Осипов, 1997, с. 5) автор дает следующее определение — «геоэкология — междисциплинарная наука, изучающая неживое (абиотическое) вещество геосферных оболочек Земли, как компоненту окружающей среды и минеральную основу биосферы. В центре внимания геоэкологии находится верхняя часть литосферы и процессы, происходящие в ней под влиянием природных и техногенных факторов». Автор отмечает, что геоэкология признана объединить все науки о Земле с целью комплексного решения экологических проблем, связанных с эволюцией и ресурсами геосферных оболочек, а также влиянием на них антропогенной деятельности. Кроме того, В.И. Осипов считает, что геоэкология наука о Земле и должна встать в один ряд с такими науками как геофизика, геохимия, геотектоника и т. д.

В более поздних работах других авторов (Саксин и др., 1999; Крупская, Саксин, 2002) проведен анализ публикаций последних лет по данной проблеме и рассмотрены вопросы о месте геоэкологии в системе наук и научных дисциплин. В своей работе эти авторы, основываясь на определении геоэкологии В.И. Осипова, приходят к выводу, что геоэкологические проблемы носят комплексный характер и требуют интегрирования данных геологии, геохимии, геофизики, географии, почвоведения, горной науки в единую систему знаний о Земле. Тем не менее, базовыми науками для геоэкологии является геология и экология.

Большинство авторов, занимающихся теоретическими проблемами геоэкологического направления, считают, что основной задачей является переход на новую стратегию борьбы с природными и природно-техногенными катастрофами, ориентированную не на борьбу с их последствиями, а на прогноз, предупреждение и принятие экстренных мер по их предотвращению или смягчению последствий. Конечной целью геоэкологии является сохранение жизнеобеспечивающей среды и жизни на Земле. В этом смысле геоэкология тесно переплетается с наукой о биосфере. Обращая взгляд к своему общему дому — Земле, человечество убеждено, что проблемы Земли должны занять в ближайшем будущем лидирующее положение в естествознании. От развития геоэкологических знаний будет зависеть возможность восстановления оптимального взаимодействия человечества и окружающей среды — материальной основы биосферы.

По мнению автора в единую систему знаний о Земле, решающих геоэкологические проблемы, несомненно, должна быть внесена и минералогия. Практически все экологические проблемы, возникающие в минерально-сырьевом комплексе, первоначально порождены минералами, их качественным и количественным составом, формой, размерами, строением и генетической историей. Оценка участия минералов в массообмене экосистем (например, в доставке токсичных элементов) является важнейшим направлением работ минералогов при рассмотрении экологических проблем. Поэтому очень важно использовать все накопленные к настоящему моменту знания о гипергенных и техногенных процессах и минералах. Для минералогии как науки появляется реальная возможность и обязанность участвовать в рассмотрении и разрешении экологических проблем. Только такой подход поможет решить многие вопросы, вызванные воздействием различных факторов на среду обитания, которые приводят к качественным и количественным изменениям в различных рангах экосистемы, особенно в сфере обитания человека, живых организмов и их популяций, и которые затронуты кризисом: технологическим, физико-географическим, медицинским и экономическим.

Многие экологические проблемы, связанные с горным производством, рассмотрены в классических работах В.И. Вернадского, А.Е. Ферсмана, К.Н. Трубецкого, К.Н. Мирзаева, Н.Ф. Ремерса, Ю.У. Саета, А.И. Перельмана, М.А. Глазовской, В.В. Иванова, В.Т. Трофимова, В.И. Осипова, Н.А. Шило и других авторов. В научной литературе (Колотов и др., 1970; Аржанова, 1976; Киселева и др., 1979; Елпатьевский и др., 1983; Борисова и др., 1985; Косолапов, 1996; Крупская, 1998; Бортникова, 2001 и т. д.) имеются интересные результаты исследований, показывающие воздействие токсичных составляющих техногенной системы на экосферу (воздух, почву, растительность и живые организмы).

Вопросам минералогии гипергенеза и горнопромышленного техногенеза на примере колчеданных и медноколчеданных месторождений Урала уделялось внимание как в предыдущие годы (Вертушков, 1940; Шадлун, 1948; Читаева, 1967; Авдонин, 1984; Богатырев и др., 1986; Чесноков и др., 1987; Емлин, 1991), так и в настоящее время (Щербакова, 1995; Максимович и др., 2001; Кораблев, 2002; Макаров и др., 2003). Следует отметить и другие публикации (Карасик, 1946; Чухров, 1950 а, б; Крейтер и др., 1958; Некрасов, 1959; Витовская, 1960; Яхонтова, 1961; Лукашев, 1964; Дубинина, 1966, 1968; Средобольский, 1976; Жданов, 1989; Бортникова и др., 1996; Юргенсон, 1997; Тарасенко, Зиньков, 2001 и т. д.) по исследованию вторичных минералов на различных типах месторождений. На оловорудных месторождениях этими вопросами практически не занимались (Вишневский, 1959; Маршукова и др., 1977; Чистякова и др., 1977; Жданов, 1989).

В настоящей монографии рассматриваются вопросы гипергенной и техногенной минералогии, геохимии и экологических последствий горнопромышленных техногенных систем оловянных и оловосульфидныхместорождений практически не имеющие обсуждения в литературе. Своей работой автор надеется внести некоторый полезный вклад: в фундаментальные вопросы минералогии и геохимии современных процессов, в рассмотрение экологических последствий создания и воздействия горнопромышленных техногенных систем на экосферу, а также в практическое решение назревших в настоящее время проблем рекультивации отходов горнорудного производства, которые непосредственно связаны с геоэкологическими проблемами.

Глава 3. Генетическая характеристика зоны гипергенеза

________________________________________________________________

Проблема происхождения и образования минералов в зоне гипергенеза рудных месторождений является очень сложной. Первые представления о гипергенных процессах, происходящих на месторождениях полезных ископаемых, дает классическая гидрохимическая модель формирования окисленных руд. Основополагающая идея данной модели заключается в том, что разрушение первичного, или жильного, материала руд под воздействием кислородсодержащих растворов обычно сопровождается формированием водного раствора. Из последнего посредством высаждения (кристаллизации), а также в результате ряда химических превращений (гидролиз, окисление, обмен и др.) происходит гипергенное минералообразование (Finch, 1904; Винчелл, 1907; Emmons, 1917; Смирнов, 1951,1955; Перельман, 1968, 1972 и др.). Химизм указанных процессов отражается уравнением разрушения первичных минералов, в которых обычно соблюдается лишь баланс вещества. Большую роль в формировании зоны гипергенеза играют следующие факторы: климат, рельеф местности, минеральный состав руд, вмещающих пород и их текстурная характеристика, тектоника и пр. Развитие гипергенеза протекает по стадиям. Начальная стадия формирования окисленных руд в основном маркируется образованием сульфатов и отчасти оксидов и гидроксидов. Карбонаты, силикаты и основная масса гидроксидных минералов принадлежат конечной стадии гипергенеза. В соответствии с этой моделью классический профиль зоны гипергенеза включает глубокоокисленные, полуокисленные и слабоокисленные руды. В ряде случаев такой профиль осложнен процессами вторичного сульфидного обогащения руд.

Первые попытки конкретизировать условия образования гипергенных минералов принадлежат Ф.В. Чухрову (1950). В его работе, посвященной изучению зоны гипергенеза сульфидных месторождений степной части Казахстана, показаны возможные условия образования многих гипергенных минералов (сульфатов, арсенатов, карбонатов и силикатов). Выявлено значение таких условий минералообразования, как степень разбавленности сернокислых растворов, величина окисленного потенциала растворов и характер гидролитического эффекта, определена роль концентрационных порогов компонентов в растворах и произведений растворимости формирующихся твердых фаз.

38

Очень важные экспериментальные данные о состоянии растворов, концентрации в них различных ионов в условиях щелочности-кислотности среды, образования минералов из группы гидроксидов железа (лепидокрокит, гетит, гематит, акаганеит и др.) были получены коллективом сотрудников ИГЕМ АН СССР под руководством Ф.В. Чухрова (1975). Дополнительные данные по условиям формирования минералов окисленных руд на сульфидных, арсенидных и сульфоарсенидных отечественных месторождениях содержатся в работах Т.Н. Шадлун, В.В. Щербины, И.В. Витовской, В.Н. Дубининой, Л.П. Ермиловой, Л.К. Яхонтовой, Б.Н, Сребродольского, В.Н. Авдонина, И.М. Голованова и др.

Позднее процессы, происходящие в зоне гипергенеза рудных месторождений, рассматриваются с позиций электрохимической модели, учитывающей электрохимические взаимодействия между минералами-полупроводниками и растворами-электролитами (Свешников, 1967; Рысс, Воронин, 1971; Воронин, 1972; Nickel et al., 1974; Яхонтова, Грудев, 1978). При этом некоторыми представителями этого направления (Г.Б. Свешниковым, Ю.С. Рысс, Д.В. Ворониным, E.H. Nickel) механизм формирования минералов зоны гипергенеза рассматривается как совершающийся в обстановке «руды под током», который возникает в рудном теле месторождения в результате работы природных микрогальванических элементов. В последних одни первичные минералы играют роль катода, а другие — анода. Гипергенные минералы, согласно этим представлениям, рассматриваются в виде продуктов анодных или катодных процессов, концентрирующихся в соответствующих участках разреза и площади рудного тела. Образование каждого минерала описывается свойственными для него электрохимическими характеристиками (плотностью протекающего тока, временем его протекания и др.).

Авторами другого, электрохимического, направления (Яхонтова, Грудев, 1966; 1973; 1974; 1978) процессы, происходящие в зоне гипергенеза, рассматриваются с позиции коррозионной модели (электрохимическая модель без протекающего тока). Основные положения данной модели заключаются в том, что окислительно-восстановительная реакция разрушения рудного минерала-полупроводника сопровождается выделением или захватом электронов, т. е. гальваническим эффектом, а ее направленность и результативность зависят от возможностей среды (растворов и контактирующих минералов) принимать или отдавать электроны минералу. Главную роль в осуществлении окислительных реакций играет основной природный окислитель — кислород, растворенный в природных водах. Следовательно, решающее значение имеет не протекание тока — непосредственного продукта химической реакции, а «катодный эффект» в среде, в омывающем минерал

39

электролите, или на контактирующем минерале, занимающем катодное положение в этой системе. Начальный процесс окисления минералов происходит как коррозия, при которой минеральный электрод под воздействием окружающей среды подвергается окислению и, следовательно, разрушению. Коррозионная модель развития зоны гипергенеза учитывает действие факторов, формирующих зону гипергенеза и выявленных классическим гидрохимическим представлением. Практически она опирается на достижения классического учения о зоне гипергенеза.

В фундаментальных трудах В.И. Вернадского, таких как «Биосфера» (1926) и «Очерки геохимии» (1934), заложены методологические основы новых направлений в геологической науке. Первая попытка охарактеризовать биокосную систему на примере почв предпринята А.И. Перельманом (1977). Высоко оценивая эту пионерскую работу, следует отметить, что содержащиеся в ней характеристики различных типов почвы как биокосной системы не сопровождаются раскрытием ее энергетических и функциональных связей с деятельностью заселяющих ее микроорганизмов. В более поздних работах в области почвоведения развиты представления о биоценозе (экосистеме) как о единстве и сопряжении почвы, рельефа, климатической и гидрогеологической обстановки и живого вещества, но роль микроорганизмов в почве автором была оценена недостаточно (Ковда, 1985; и др.).

В последнее время в механизме разрушения рудных и нерудных (силикатов) минералов выявлена также существенная роль микроорганизмов, в частности бактерий, которые осуществляют этот процесс значительно интенсивнее, чем в случае воздействия чисто химического или электрохимического фактора (Colmer, Hinkle, 1947; Remsen, Lundgren, 1960; Sato, 1960; Razzel, Trussell, 1963; Ляликова, 1970; Каравайко и др., 1972; Яхонтова, Каравайко, 1977; Яхонтова и др., 1983, 1985 и др.). При этом с точки зрения коррозионной модели бактерии в процессе окисления руд выступают в роли «живого» катода, «забирающего» электроны окислительной реакции «на себя», в сферу внутриклеточных жизнеобеспечивающих реакций (Яхонтова, Грудев, 1978; Яхонтова и др., 1983).

С точки зрения коррозионной модели формирования зоны гипергенеза складываются представления о тесной связи гипергенного минералообразования с такими факторами, как химический состав и состояние растворов, окислительно-восстановительные и ассоциативно-диссоциативные равновесия в этих растворах. Впервые были учтены и признавались определяющими электрохимические, микробиологические и гидратационные факторы, которые контролируют выпадение твердых фаз (минералов) из растворов. Показано, что Eh — pH-параметры растворов

40

обеспечивают необходимое состояние компонентов, формирующих гипергенные минералы. Большое значение для решения рассматриваемой проблемы имеет развитие новой методики по выводу уравнений окисления первичных минералов, основанной на исследовании зависимости электродного потенциала окисляющегося минерала от величины рН раствора (Яхонтова, Грудев, 1978).