Формирование гидрогеохимических полей вольфрамовых месторождений Восточного Забайкалья под влиянием природных и антропогенных факторов

Актуальность темы исследования. Изучение водной миграции
загрязняющих веществ в горнодобывающих регионах разных стран мира, заметно
активизировавшееся в конце 20 века, показало, что наиболее экологически
опасными являются складированные отходы добычи и обогащения сульфидных
руд, окисление которых способствует формированию кислых дренажей с
аномально высокими содержаниями тяжелых металлов (Удачин, 2011;
Бортникова, 2010; Табаксблат, 2002; Гавришин, 2015; Счастливцев, 2015; Ahmed,
2010; Langmuir, 1997; Nash, 2002; Amos, 2015; McCarthy, 2011; Fawcett, 2015).
Нейтральные и щелочные рудничные воды, при этом, несут не меньшую угрозу:
концентрации тяжелых металлов в них невелики, однако высокой подвижностью
обладают токсичные анионогенные элементы (Alderton, 2005; Lindsay, 2015;
Nordstrom, 2015; Zhou, 2017).
В металлогении Восточного Забайкалья месторождения вольфрама
занимают одно из ведущих мест, что связано с широким развитием на его
территории вольфрамоносных гранитоидов. Значительная часть этих
месторождений уже отработана или отрабатывается в настоящее время, являясь
источником постоянного техногенного загрязнения подземных и поверхностных
вод. В связи с чем, изучение особенностей химического состава и степени
техногенной трансформации вод, развитых в этих районах, а также формирующих
их процессов актуально и имеет важное практическое значение в решении задачи
сохранения окружающей среды и прогноза ее экологического состояния.
Теоретической базой исследований является разработанное С.Л.
Шварцевым представление о двойственном равновесно-неравновесном характере
системы вода-порода, что дает возможность для расширения и уточнения
понимания процессов, контролирующих состав вод зоны гипергенеза рудных
месторождений, как в естественных, так и нарушенных отработкой условиях.
Цель работы: изучение геохимии и особенностей формирования вод,
развитых в районах рудных полей вольфрамовых месторождений Восточного
Забайкалья.
Основные задачи:
1. изучить ландшафтно-климатические и геолого-гидрогеологические условия
районов вольфрамовых месторождений;
2. исследовать химический состав вод и характер распределения в них
компонентов, выявить свойственные им ассоциации химических элементов;
3. изучить закономерности миграции химических элементов – рассчитать их
формы и показать особенности поведения в зоне действия геохимических
барьеров;
4. дать оценку степени термодинамических равновесий вод с основными
породообразующими и вторичными минералами, провести геохимическую
типизацию образующихся гидрогеохимических систем;
5. выявить ведущие факторы формирования состава вод в районах
вольфрамовых месторождений.
Объекты исследования: воды, формирующиеся в зоне гипергенеза
Белухинского, Букукинского, Антоновогорского, Спокойнинского
вольфрамовых месторождений и Уронайского Cu-W-Au-Bi рудного узла,
расположенных в Восточном Забайкалье. Выбор объектов исследований
определяется разнообразием геологического строения месторождений, степени
нарушенности прилегающих территорий, а также приуроченностью к разным
ландшафтно-климатическим зонам.
Материалы и методы исследований. Основой диссертационной работы
послужили материалы гидрогеохимического опробования территорий
локализации вольфрамовых месторождений. В период с 1985 года было отобрано
и проанализировано 848 проб воды и 16 проб вторичных минеральных
новообразований. Химико-аналитические исследования проводились в
аттестованной лаборатории геоэкологии и гидрогеохимии ИПРЭК СО РАН
общепринятыми методами – потенциометрией, турбидиметрией, титриметрией,
колориметрией, атомно-абсорбционной спектрометрией и спектральной
эмиссией. Дополнительно анализ водных проб выполнялся методом ICP-MS в
Институте геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (Иркутск). Анализ
минеральных новообразований включал исследование на химический
(спектральный анализ – ЗабНИИ, Чита; ГИН СО РАН, Улан-Удэ;
рентгенофлуоресцентный анализ – ИГ Коми НЦ УРО РАН, Сыктывкар) и
минеральный (рентгенофазовый анализ – ИЗК СО РАН, Иркутск) составы.
Для написания диссертационной работы были использованы фондовые
материалы Забайкальского филиала ФГУ «ТФГИ по Сибирскому федеральному
округу». Хранение и обработка аналитических и картографических данных
осуществлялись с помощью средств пакетов программ Excel, Statistica, Photoshop,
OriginPro. Термодинамические расчёты выполнялись с помощью программного
комплекса HydroGeo (автор М.Б. Букаты) и расчетами с использованием
справочных материалов (Наумов и др., 1971; Лурье, 1971 и др.).
Личный вклад автора. Лично автором и при его непосредственном участии
выполнен основной объем гидрогеохимического опробования; обобщена и
проанализирована имеющаяся по данной территории геолого-гидрогеохимическая
информация, проанализированы публикации по теме исследований; выполнен
расчет основных форм миграции химических элементов; выявлены
геохимические барьеры; проведена оценка степени равновесия вод с основными
минералами вмещающих горных пород и вторичными новообразованиями;
установлены основные геохимические особенности вод, выполнена их
геохимическая типизация, подготовлена основная часть публикаций.
Научная новизна.
 на современном аналитическом уровне исследован химический состав вод
и распределение в них широкого круга ранее не определявшихся компонентов;
 выявлены ассоциации химических элементов, накапливающихся в водах,
показана степень техногенного преобразования вод;
 выявлены геохимические барьеры и показаны особенности поведения
компонентов в зонах их действия;
 определены термодинамические равновесия вод с основными
алюмосиликатными минералами, а также вторичными сульфатами, карбонатами,
фторидами, вольфраматами и молибдатами, выделены геохимические типы вод;
 показаны ведущие факторы формирования состава вод, дренирующих
вольфрамовые месторождения.
Защищаемые положения.
1. В рудных полях вольфрамовых месторождений формируются три типа
гидрогеохимических сред: первый тип – кислые и слабокислые воды с высокими
значениями Eh, характеризующиеся SO4 и F-SO4 анионным составом с ведущими
катионами Ca, Mg, Fe, Al и аномальными концентрациями халько- и
сидерофильных рудных компонентов; второй тип – околонейтральные и
слабокислые воды с повышенными значениями Eh преимущественно SO4-HCO3 и
HCO3 составов, с главными катионами Ca, Mg и Na и высокими содержаниями Zn,
Fe, Mn и Al; третий тип – околонейтральные, слабощелочные и щелочные воды с
пониженными значениями Eh преимущественно HCO3 Mg-Ca или HCO3 Na
состава с повышенными концентрациями рудных анионогенных элементов.
2. Основные неорганические формы существования элементов в
гидрогеохимических полях вольфрамовых месторождений, контролируемые
величиной Eh, рН и содержанием лигандов, представлены простыми катионными,
сульфатными, фторидными, гидрокарбонатными, карбонатными и
гидроксидными комплексами. Миграция вольфрама и молибдена осуществляется
преимущественно в виде анионов кислотных остатков. Наличие геохимических
барьеров ограничивает водную миграцию химических элементов в природных и
техногенных системах, воздействуя на соосаждение определенных групп
компонентов. Наибольшее распространение получили геохимические барьеры
комплексного типа, сформировавшиеся при наложении кислородного и
сорбционного, а также кислородного и щелочного барьеров.
3. Природа формирования геохимических типов вод вольфрамовых
месторождений определяется соотношением ландшафтно-климатического,
геолого-структурного и антропогенного факторов. В горно-таежной ландшафтной
зоне, в условиях активного водообмена и естественной природной обстановки в
соответствии с составом равновесных вторичных минеральных фаз формируются
воды алюминиево-кремнистого и кремнистого типов, в нарушенных горной
отработкой условиях – воды кремнистого и кислого сульфатно-металлоносного
фтористого типа. В условиях замедленного водообмена и более сухого климата
лесостепной ландшафтной зоны независимо от степени нарушенности
геологической среды преимущественным распространением пользуются воды
кремнистого геохимического типа.
Практическая значимость:
 определен уровень концентраций в водах токсичных компонентов;
 установлен неопределенно длительный срок загрязнения водной
среды после вывода месторождений из разработки;
 показано, что природные геохимические барьеры не обеспечивают
снижение концентраций токсичных компонентов до экологически безопасного
уровня; как при разработке месторождений, так и для ликвидации ее последствий
требуется создание искусственных барьеров или системы очистки вод;
 данные по содержанию и ассоциациям рудных элементов в
ненарушенных условиях могут использоваться при гидрогеохимических поисках
рудных месторождений, в особенности вольфрама.
Достоверность полученных результатов обеспечена количеством
исследованных водных проб, использованием современных аналитических
методов, применением в процессе обработки данных статистических методов
анализа, термодинамических расчетов, а также анализом широкого круга научных
публикаций по теме диссертации. Сформулированные в работе научные
положения и выводы подкреплены убедительными фактическими данными,
наглядно представленными в приведенных таблицах и рисунках. Теоретические
построения основаны на современных представлениях о закономерностях
формирования химического состава вод. Основные выводы и обобщения,
представленные в диссертации, опубликованы в изданиях, в том числе
индексируемых в базах WOS и Scopus.
Апробация результатов исследования и публикации. Основные
положения диссертации и результаты исследований докладывались и
обсуждались на международных конференциях – Симпозиум по проблемам
прикладной геохимии (Иркутск, 1994); Окружающая среда и экология Сибири,
Дальнего Востока и Арктики (Томск, 2003); Proceeding of the 5th International
Symposium of Geological and mineragenic Correlation in Contiguous Regions of
China, Russia and Mongolia (China, 2003); Regularities of the structure and evolution
of geospheres. Proceedings of V International Symposium (Vladivostok, 2000);
Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего
тысячелетия (Томск, 2000); 16th International Symposium on Water-Rock Interaction
and 13th International Symposium on Applied Isotope Geochemistry (Томск, 2019); а
также на всероссийских совещаниях и конференциях – Геохимия техногенеза
(Иркутск, 1985); Теория и практика геохимических поисков в современных
условиях (Ужгород, 1988); «Подземные воды Востока России» (Тюмень, 1997;
Красноярск, 2003); Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири
(Томск, 2003); Совещание по экспериментальной минералогии (Сыктывкар,
2005); Сергеевские чтения: Инженерно-геологические и геоэкологические
проблемы утилизации и захоронения отходов (Москва, 2005); Фундаментальные
проблемы квартера: итоги изучения и основные направления дальнейших
исследований (Новосибирск, 2009); Геологическая эволюция взаимодействия
воды с горными породами (Томск, 2012; Владивосток, 2015; Чита, 2018); Развитие
минерально-сырьевой базы Сибири: от Обручева В.А., Усова М.А., Урванцева
Н.Н. до наших дней (Томск, 2013); Эволюция биосферы и техногенез (Чита,
2016).
Диссертационная работа выполнена в Институте природных ресурсов
экологии и криологии СО РАН и является составной частью бюджетных
исследований по проблемам изучения дренажных стоков отработанных рудных
месторождений. При подготовке диссертации автор принимала участие в
проектах ИПРЭК СО РАН 7.12.2.4. «Геохимическая среда как фактор
биологического разнообразия и состояния водных экосистем верхнеамурского
бассейна» (2008-2009 гг.); VIII.79.1.1. «Гидрогеохимия, криогеохимия и
электрофизические свойства ледяных образований в зоне техногенеза рудных