2. Химическая дифференциация

1. Сульфидный ряд

Техногенное преобразование отвалов связано с тем, что выведенные на дневную поверхность экскаваторами или драгой вмещающие породы россыпей, попадая в новые условия, по-разному реагируют на физико-химические изменения среды.

Показательный пример в этом отношении представляет Чернореченская россыпь золота, расположенная на восточном склоне Урала. Россыпь отработана гидравликой. В галечном и песчаном материале намывной фации отмечено повышенное содержание пирита, марказита и других сульфидов, которые встречаются как в обломочном материа­ле в прожилках до 1-З мм, так и в качестве самостоятельных выделе­ний в виде агрегатов. Агрегаты представлены зернами мелкопесчаной и алевритовой размерности.

При разработке россыпи сульфидсодержащие породы были подняты на поверхность. В результате перемыва технологическими и атмосфер­ными водами зерна сульфидов разложились на гидрооксиды железа, в воде сконцентрировались сульфат-ионы, образовался сернокислый раствор. В понижениях рельефа образовались «красные» озерца, в которых наиболее интенсивно происходит разложение сульфидов и вы­падение в осадок гидрооксидов железа (лимонита). Мощность корочки лимонита составляет от 5 до 15 см, берега лимонитизированы на 2-5 м по периметру. На участке высохшего озерца констатирован гипергенный гипс размером 2-5 мм, выпавший в осадок в виде налетов на буром основании лимонита.

Вода в озерцах кислая, рН находится в пределах 3-4. При работе гидравлики железное оборудование (трубы, части соединений и другие элементы) быстро изнашивались в результате абразивно-химического воздействия песчаного материала и кислых вод (если с утра на участке наблюда­лась едва заметная течь, то к вечеру она разрасталась до заметных струй). Стальные и чугунные детали, оставшиеся в виде лома на месте переработки россыпи, через два года практически полностью проржа­вели. Слой ржавчины достигал 1 см и более.

Интенсивность процесса физико-химического преобразования техногенных осадков зависит от состава, количества поднятых, неустойчи­вых при выветривании пород и времени образования («возраста») от­валов. Так, на площади формирования свежих отвалов В. Велсовского месторождения при разложении железистых минералов образуются конгломераты с гидрооксидами железа мелкогравийной размерности. При этом заметное количество частиц золота, поступивших в отвалы, ока­зывается среди новообразованных железистых конгломератов.

Формирование железистых соединений часто происходит на поверх­ности зерен разных минералов, что приводит к существенному измене­нию их гидравлической крупности. Сопоставление минералогических анализов тяжелой фракции, выполненных оптическим способом и на дифрактометре «Дрон-З», показало, что в техногенных осадках дражных отвалов бассейна р.Колчима пленки гидрооксидов и оксидов железа перевели в разряд тяжелых минералов 24% кварца и 5,2% полевого шпата.

Нередко процесс преобразования неустойчивых минералов в техногенных отвалах ускоряет обработка отвалов кислыми водами. При этом возрастает доля новообразованных конгломератов, цементом ко­торых служат гидрооксиды железа. Так, в отвальной фации Исовского прииска доля новообразованных конгломератов составляет 60-70 % фракции крупнее 3 мм.

Распределение концентраций золота и платиноидов в отвальной фации весьма сложное. Работами якутских геологов установлено, что нижние горизонты осадков отвальной фации более обогащены золотом, что свидетельствует о проявлении просадочных эффектов /2/. Наши исследования отвалов ШОУ Исовского прииска подтверждают отмеченную особенность. В нижнем горизонте отвалов нами установлены более высокие концентрации золота и платиноидов, а металл представлен более крупными классами.

Металлургическое производство

Металлургическое производство связано с производством в основном железорудного сырья и продукции. Сосредоточено в районе гг. Чусового, Перми, Нытвы, Павловска, Александровска. В отвалах, помимо металлургических отходов основного производства (шлаки, золы, сплавы и др.), имеются многие попутные компоненты (железо, ванадий, медь, алюминий, скандий, редкоземельные элементы и др.), а также продукты вторичного минералообразования.

Чусовской металлургический завод (ЧМЗ) производит прокат для автомобильной промышленности, оксид ванадия и феррованадия. Отвал ЧМЗ формируется с 1939 г.. и расположен на  высокой пойме и  I надпойменной террасе на участка слияния рр. Усьвы и Чусовой. Металлургические шлаки образуются при выплавке металла за счет руды (или исходного предельного металла) и флюсов. Представлены доменными шлаками, шлаками от плавки феррованадия, химическими отходами ферросплавного производства. В состав шлака попадают минеральные вещества топлива и огнеупоров печей.

По гранулометрическому составу шлаки состоят из крупнощебнистых до песчаных, преобладают агрегаты размером 20 – 200 мм.

Минеральный состав пород отвала характеризуется преобладанием оксидов двух- и трехвалентного железа в минеральных формах (%): вюстит (19.6), гематит (38.8) и магнетита (59.4); значительным количеством оксидов, гидрооксидов и карбонатов Ca и Mg (%): портландита (до 84.6), периклаза (до 56.7), брусита (до 3.4), кальцита (до 11.3), арагонита (до 3.1), доломита (до 1.7), магнезита (до 0.3), брейнерита (до 1.3). Кроме того, установлены следующие минеральные ассоциации (%): гематит (13)-магнетит (13)-кварцевая (47); кальцит (11)-портландитовая (85); гематит (10)-вюстит (20)-магнетитовая (60); периклаз (33)-гематитовая (39); геленит (10)-кварц (13)-периклазовая (57). Типичные шлаковые минералы представлены (%): геленитом (до 10.3), тридимитом (до 4.8), кристобалитом (до 7.9), муллитом (до 7.6). В отдельной пробе отмечены (%): альбит (до 0.7), микроклин (до 0.3), амфиболы (до 1.2).

По химическому составу в шлаках преобладают: SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃, FeO, MnO, CaO, MgO; микроэлементы (г/кг): Cu — до 5.7, Zn — до 1.83, Cr — до 1.7, Mn — до 2,5.

В составе современного аллювия в  районе отвалов определено значительное содержание оксидов и гидрооксидов железа (магнетит, вюстит, гетит общей суммой до 10.9%); техногенные образования — металловидные шлаковые частицы (до 30.5%), керамические и стекловатые частицы (0.6-0.9) (Максимович Н.Г. и др., 1998).

Пашийский металлургическо-цементный завод проводил многолетнее складирование отходов газоочистки в необорудованное шламохранилище - старые отработанные алмазные карьеры. В настоящее время шламохранилище практически заполнено.

Техногенные отходы представлены пульпой, содержание жидкой фазы в которой составляет не менее 90 %. Пульпа имеет высокую минерализацию жидкой фазы - 34-42 г/л и щелочную реакцию среды (рН=8,9-9,4). В макрокомпонентном составе пульпы преобладают (г/л): гидрокарбонатный (до 18,2) и карбонатный (до 5,2) ионы, хлорид-ион (до 7,8 , а также ионы натрия и калия (до 14). В микрокомпонентном составе выявлены высокие концентрации Cu, Cd, Pb, Zn, Ni, Mo, As, Ti, Be, Mn. В составе органических веществ обнаружены предельные углеводороды высоких фракций, ароматические углеводороды и их оксипроизводные (полифенолы). Растворенные органические вещества образуют устойчивые комплексы с металлами (Блинов, Максимович, 2001).

Отвалы Кыновского завода предварительно оценены по вещественным комплексам руслового аллювия в устьевой зоне р. Кынок. Здесь преобладают металлосодержащие шлаки высокой плотности железо-ванадиевого состава. Русловой аллювий на 60-80% представлен шлаками размером 20-200 мм.

Шлакоотвалы состоят из пустой породы, флюсов, золы, кокса – продуктов металлургического расплава. Химический состав шлаков разный (основные, нейтральные и щелочные). Шлаки используются как строительный материал. Гранулированные шлаки применяют в бетонах, дорожном строительстве, из них готовят минеральную вату, шлаковую пемзу, изделия шлакового литья, шлакопродукции различного назначения.