Back Up Next

СТАДИИ РАЗВИТИЯ И ПРОДУКТЫ МЕТАБОЛИЗМА
ГЕОТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ ХАЛЬКОФИЛЬНОГО РЯДА

Емлин Э.Ф.
УГГГА, Екатеринбург

        Геотехногенные системы (ГТС) халькофильного ряда формируются при техногенезе колчеданных месторождений, образующих на Урале классическую минерагеническую провинцию. Вполне естественно выделяются следующие стадии техногенеза или развития ГТС халькофильного ряда. Первая стадия – механогенез - подразделяется на две подстадии. Начальная характеризуется механическим разрушением горных массивов до уровня подземных вод, в течение второй подстадии в механогенез вовлекаются сульфидные руды. Ведущим процессом является дифференциация механических фракций в гравитационном поле. Элементарный акт формирования техноземов - разгрузка разрушенной горной массы на склон - приводит к образованию элементарного неполного конуса. Здесь проявляются три главным механизма разделения гранулометрических фракций: 1) при перемещении по склону в зависимости от размера (веса) обломков, 2) при перемещении по склону в зависимости от формы обломков, 3) при просеивании через упаковку обломков, составляющих поверхность склона. Пелитовая фракция выдувается ветром, прилипает к поверхности крупных обломков, увлекается инфильтрационными водами в основание насыпного грунта, или вымывается временными потоками, формируя периферическую часть конусов выноса. Крупные изометричные глыбы (литоны с максимальным числом граней, объемом 1-3 м3), перемещаясь по склону, набирают скорость достаточную для удаления от подножья склона на несколько десятков метров. Так формируется своеобразная «периферическая фация» крупных глыб, которые при отсыпке горной массы на склон постепенно поглощаются отвалом и формируют его основание. Элементарные неполные конусы, соответствующие акту разгрузки разрушенной горной массы на склон, смыкаясь, образуют единичный слой технозема с градационной слоистостью (мощность от первых метров до десятков и первой сотни метров). Обычно техногенные насыпные грунты - отвалы - представлены несколькими единичными градационными слоями, составляя в целом толщу со своеобразным циклическим строением, с закономерной связью между изменением размера обломков от подошвы к кровле и мощностью горизонта. Литологический состав этих грунтов определяется соотношением векторов промышленной разработки и геологической зональности. В идеальном случае (векторы параллельны) зональность техноземов в обратном порядке повторяет геологическую зональность (геосистема сохраняет свою геологическую память). Другой крайний случай (векторы нормальны) - геологическая зональность не проявляется в зональном строении техноземов, то есть при техногенезе геологическая информация разрушается. При дефиците мелкозема на поверхности грунта формируется своеобразная фация отмостки - горизонт конденсации крупных, устойчивых к выветриванию глыб (для уральских медноколчеданных месторождений это чаще всего диабазы). В основании градационного интервала образуется иллювиальный горизонт. Самопроизвольная биологическая рекультивация в этом случае или затруднена, или невозможна, так как в этом поверхностном глыбовом горизонте влага не задерживается. Более того, вследствие конвективного теплопереноса в этих грунтах образуются многолетнемерзлые зоны (на Среднем Урале), или льдистость грунтов сохраняется до конца лета (на Южном Урале). Существенно изменяется вертикальная температурная зональность, спектр геодинамических процессов в ГТС обогащается криогенными явлениями (термокарст, глетчеры, солифлюкция). Проседание поверхности и интенсивная суффозия прекращаются, как только мелкозем заполнит все пустоты в упаковке глыб. Техногенный грунт в этом случае задерживает влагу и при отсутствии фитотоксичных компонентов происходит постепенное зарастание поверхности отвала и формирование нормального профиля молодых почв. При вовлечение в механогенез сульфидных залежей (вторая подстадия) в ГТС появляется новая, чрезвычайно неравновесная фаза – механохимически активированные мелкие сульфидные частицы с высокой удельной поверхностью. Сульфидный мелкозем обогащен минеральными фазами с наибольшим числом трещин спайности, поэтому микрочастицы сфалерита обогащают суспензионные (воздушные и водные) потоки. Скорость генерации сульфидного мелкозема намного выше скорости окисления сульфидов. Вследствие этого суспензионные потоки переносят и отлагают сульфидные алевролиты с тонкой горизонтальной градационной и косой (потоковой) слоистостью. На склонах мелкие сульфидные частицы слипаются, скатываясь вниз по склону, увеличиваются в размере и приобретают правильную сферическую форму. Такие сульфидные окатыши формируют у подножья своеобразные конусы выноса с градационным распределением сульфидных сфер по размеру (от 3-5 до 20 мм).

        Стадия зрелого техногенеза характеризуется возрастающей ролью гидрогеохимической миграции халькофилов, химическим разрушением силикатов, образованием неопелитов и вовлечением литофилов (Mg, Al, Na, Ca, K) в гидрогеохимическую миграцию. Согласно доминирующей гидрогеохимической системы условно выделяются две подстадии.

        Система «сульфиды - раствор». Накопление в пределах техногенной зоны аэрации механохимически активированного сульфидного мелкозема, обогащенного пелитофильными фазами, на начальной стадии предопределяет ведущую роль окисления сульфидов. Скорость окисления сульфидов – главный фактор формирования ионного состав вод ГТС на этой подстадии. В окислительных условиях максимальной подвижностью обладают главные рудные элементы - железо, медь, цинк. Скорость их перехода в раствор высока в начальный нестационарный период окисления. В течение последующего длительного периода скорость их мобилизации понижается на 2-3 порядка. При избытке влаги продукты окислительных реакций удаляются, и мобилизация халькофилов соответствует стационарному режиму.

        «Мелантеритовая стадия»: система «сульфиды - рассол - гидросульфаты типа мелантерита. Fe, Cu, Zn, Mg – гидросульфаты в форме линз, натечных образований, друзовых инкрустаций полостей накапливаются в техногенной зоне аэрации, увеличенной вследствие искусственного понижения уровня грунтовых вод. В эту же стадию формируются подотвальные бассейны высокоминерализованных вод, линзы рассолов, инфильтрующиеся с поверхности, задерживаются на местных водоупорах. При сгущении раствора за счет испарения в виде кристаллогидратов фиксируется преимущественно железо. Цинк и тем более кадмий накапливаются в остаточном слабо летучем рассоле (минерализация до 550 г/л). Разбавление такого рассола атмосферными водами сопровождается повышением рН и гидролизом сульфата окиси железа; в целом циклы «испарение Ы разбавление» способствуют разделению железа и цинка (с кадмием).

        В течение сезонных циклов эфемерные эвапоритовые микробассейны сменяются криогенными системами. На криогенном барьере вымораживание сульфатных разбавленных рассолов способствует накоплению алюминия и кадмия в остаточных рассолах - криопегах. Понижение температуры, независимо от концентрации исходного раствора, приводит к образованию унифицированных криопегов, обогащенных компонентами, понижающими температуру замерзания рассола ниже 0оС; вымораживание способствует разделению кадмия и цинка, цинка и меди.

        Гидросульфаты - важнейший геохимический ресурс ГТС, содержащий халькофилы и литофилы в мобильной форме. Наибольшее минералогическое разнообразие неосульфатов устанавливается в поверхностном горизонте зоны аэрации, характеризующемся непостоянством физико-химических условий. Ниже в подзоне сезонных колебаний физико-химических параметров минералогическое разнообразие уменьшается: здесь среди неосульфатов преобладают минералы группы мелантерита. Еще ниже, в подзоне стационарного физико-химического режима, существуют гипергенные протосульфаты: главным рудным элементам соответствуют часто самостоятельные фазы относительно простого химического состава - собственно мелантерит, халькантит, госларит и пр. Состав эфемерных неосульфатов (мелантеритов) зависит от климатических условий (прежде всего водного режима), стадии развития ГТС и сезонных циклов. Увеличение влажности и длительности экспозиции мелантерита в зоне аэрации приводит к упрощению его состава.

        Общий ионный сток ГТС на несколько порядков превышает фоновые значения, обычные для ненарушенных геосистем. Ионный сток ГТС по своей величине nx(103-104) т/км2 в год соответствует стоку поствулканических гидротермальных систем или зонам дренажа соленосных отложений.

        Стадия релаксации характеризуется возрастанием роли биогеохимической миграции, при доминирующей гидрогеохимической. Нестационарная подстадия - заполняется карьерное озеро, растворяются гидросульфаты, гидрогеохимическая мобилизация геохимических ресурсов накопленных в техногенной зоне аэрации (неосульфаты, рассолы). Потеря устойчивости бортов карьера при подтоплении активизирует гравитационные потоки. Образуются осыпи, ротационные оползни, оплывины, селевые потоки. Стационарная подстадия характеризуется сопряжением бактериального окисления сульфидов выше кислородной границы и сульфат-редукции ниже нее. Мелантериты последовательно замещаются копиапитами, последние преобразуются в гетит. Лимонитовый панцирь нарастает в зонах разгрузки сульфатных растворов у подножья склонов со скоростью до 1 см/год. Внутри отвалов, за счет последовательного химического разрушения в «гумидной подзоне» прежде всего листовых породообразующих силикатов, генерируются неопелиты (каолинит, галлуазит, иллиты), гидросульфаты обогащаются Mg, Al, Ca. Формируется стационарное строение техноземов: пелиты заполняют все пустоты в упаковке глыб, представленных относительно устойчивыми к выветриванию породами, на плакорах прекращается суффозия и проседание, изменяется механизм тепло- и влагопереноса, влага задерживается в приповерхностной зоне, образуются растительный покров (в т.ч. галмейная флора) и молодые почвы. Поступление сульфатных вод в глеевые торфяные болота приводит к накоплению халькофилов в сульфидной форме вследствие сульфат-редукции. Халькофилы включаются в трофические цепи сопряженных с ГТС экосистем.

        Геотехногенная система на зрелых стадиях своего развития характеризуется концентрической гидрогеохимической зональностью, которая проявляется в изменении состава и распределения основных фаз гидрогеохимической миграции - растворов, рассолов и водорастворимых неосульфатов. К периферии ГТС, наряду с убыванием общей минерализации вод, в их ионном составе увеличивается доля элементов с постоянной валентностью, растет количество литофилов и увеличивается рН. Во внутренних зонах преобладает сульфат-ион, к периферии он сменяется бикарбонат-ионом (на севере), в южных регионах все большую роль играют хлориды. Во внутренних областях этой общей гидрогеохимической зональности обычной фазой являются кислые гидросульфаты типа мелантерита, к периферии они сменяются основными сульфатами, в состав которых входит Fe3+, и, наконец, внешняя кайма этой минералогической зональности представлена гидроксидами железа (мелантеритовая, копиапитовая, гетит-гидрогетитовая подзоны). Геотехническая система открыта в отношении цинка, кадмия и, в значительной степени, меди.

        Локальная ГТС на всех стадиях техногенеза подчиняется принципу латеральной и вертикальной зональности, ее состояние определяется сезонными циклами, ее строение контролируется зональностью исходной геосистемы и зависит от климатических факторов и стадии развития техногенеза.

        При особых, но типичных условиях (затрудненный теплообмен, например при подземном способе отработки сульфидных залежей) спектр процессов в ГТС халькофильного ряда обогащается гидротермальными, пневматолитовыми и магматическими явлениями (взрывы сульфидной пыли и возгорание сульфидного мелкозема, образование очагов разогрева и плавления сульфидных руд и силикатных пород, выбросы раскаленных газов и пыли, гидротермальная активность).

        Техногенез – ведущий современный геологический процесс, преобразующий Уральский горно-складчатый пояс – может быть представлен как процесс возникновения и эволюции геотехногенных систем (ГТС), объединяющих технические и природные компоненты. Геотехносфера Урала в этом смысле является региональной ГТС, включающей в качестве подсистем ГТС более низкого уровня. Развитие единичной ГТС в редуцированном виде повторяет эволюцию геотехносферы в целом. Техногенез действует как катализатор, ускоряет естественные процессы, совмещая в рамках геотехносферы историческое и геологическое время. Геотехнические системы нестационарны, нестабильны, поэтому обладают максимальной производительностью. Метаболизм земной геотехносферы соизмерим по объему преобразуемого вещества с приращением океанической коры в зоне спрединга.