Записки Российского минералогического общества, 2020, T. 149, № 2, стр. 96-110
Минералого-геохимические особенности и степень загрязнения почв в районе комбината по обогащению цинковой руды месторождения Шаабет-эль-Хамра (Алжир)
Р. Омара 1, *, д. чл. М. В. Чарыкова 1, А. В. Русаков 1, С. В. Малышев 1, д. чл. Н. В. Платонова 1
1 Санкт-Петербургский государственный университет
199034 С.-Петербург, Университетская наб., 7/9, Россия
* E-mail: omaralyna913@gmail.com
Поступила в редакцию 05.11.2019
После доработки 25.11.2019
Принята к публикации 12.02.2020
Аннотация
В работе исследованы пробы почв и техногенных отложений (отвалов) на территории, подвергающейся воздействию комбината по обогащению цинковой руды месторождения Шаабет-эль-Хамра: охарактеризована их окраска по цветовой шкале Манселла, определены содержания тяжелых металлов и ряда других элементов, минеральный состав, pH, доля скелетной части. Показано, что практически на всей изученной территории, за исключением небольшого участка в предгорье, имеет место превышение нормативных показателей по цинку, свинцу и кадмию. Загрязнение медью менее значительно и локализовано в основном на территории самого комбината.
Предприятия горнодобывающей промышленности являются основными антропогенными источниками поступления в окружающую среду таких тяжелых металлов, как Pb, Zn, Cd, Cr, Cu, Ni (Callender, 2014). При этом происходит загрязнение воздуха и природных вод, но большая часть антропогенных поступлений этих элементов в окружающую среду приходится на почвы территорий, прилегающих к горнодобывающим и обогатительным комбинатам и металлургическим предприятиям. Так, согласно данным, приведенным в обзоре (Callender, 2014), соотношение суммарных количеств этих металлов (в тыс. т), поступивших за период 1980 гг. в воздух, почвы и природные воды, составляет для свинца 2 : 6 : 1, для цинка 1 : 10 : 2, для кадмия 1 : 3 : 1, для меди 1 : 27 : 3. Именно эти четыре элемента являются основными загрязнителями окружающей среды в районах, примыкающих к предприятиям по добыче и переработке цинковых и свинцовых руд (Adriano, 1986).
Авторы монографии, посвященной техногенным системам (Бортникова и др., 2006), отмечают, что “период бесконтрольного складирования отходов обогащения руд закончился в 70-х годах ХХ в., когда обнаружился значительный уровень загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и другими токсичными компонентами вследствие их миграции из хранилищ”. Однако следует признать, что для большого числа горно-обогатительных предприятий эта проблема сохраняет свою актуальность и в настоящее время.
Объектом нашего исследования является территория вблизи горно-обогатительного комбината, расположенного в северо-восточной части Алжира, вблизи города Айн Азель (рис. 1). С 1978 г. сырьем для обогащения на комбинате служила свинцово-цинковая руда месторождения Херзет Юсеф, эксплуатация которого была прекращена в 1991 г. в связи с аварийным прорывом воды в шахту. С 1991 по 1994 г. и с 2005 г. по настоящее время на обогащение поступает цинковая руда месторождения Шаабет-эль-Хамра (Boutaleb, 2001).
Месторождение Шаабет-эль-Хамра расположено примерно в 250 км к юго-востоку от г. Алжир и в 50 км к югу от г. Сетиф в районе Шуф-Буарке. Оно, как и месторождение Херзет Юсеф, входит в состав свинцово-цинковой металлогенической провинции горного массива Ходна (Khalfi, Taleb, 2014). Основными минералами на месторождении являются сфалерит, пирит и марказит. Галенит встречается реже и не имеет промышленного значения. Жильные минералы – кальцит, барит, доломит, реже кварц и гипс. Вторичные минералы, образующиеся в результате окисления – смитсонит, церуссит и лимонит (Khalfi, Taleb, 2014).
Максимальная годовая мощность обогатительного комбината составляет 70 000 т цинковой руды (среднее содержание Zn 8.29%) и 5585 т продукта – цинкового концентрата с содержанием Zn 53% (Rezigat, Imchal, 2008). Отходы предприятия, содержащие тяжелые металлы (Zn, Pb, Cd, Cu и др.), складируются на открытом воздухе. Всего к 2016 г. было накоплено около 2 160 000 т твердых отходов, которые образуют отвалы площадью 7.2 га. Поскольку климат региона характеризуется сильными ветрами, имеет место пылевое загрязнение атмосферы и поверхностного слоя почв (Attouchek, 2005; Rezigat, Imchal, 2008; Khalfi, Taleb, 2014). Дополнительную опасность для окружающей среды представляет сброс жидких отходов в ближайшее к комбинату периодически пересыхающее русло реки (Nekache, 2012).
ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
С целью оценки загрязнения окружающей среды на территории, примыкающей к обогатительному комбинату, в октябре 2018 г. были отобраны пробы почв и рыхлых отложений в 38 точках. Схема отбора проб представлена на рис. 2.
В соответствии с районированием почвенного покрова в пределах Алжира (https://esdac.jrc.ec.europa.eu/content/soil-map-soil-atlas-africa) доминирующими здесь являются три группы почв, определяющих почвенный покров ненарушенных территорий в 50 км к югу от г. Сетиф. Почвы классифицированы по международной классификации IUSS Working Group WRB (2015). Преобладают почвы группы Haplic Calcisols (Yermic), характеризующиеся существенным накоплением вторичного карбоната кальция и широко распространенные в аридных и семиаридных областях, где они в основном приурочены к карбонатным материнским породам. Группа Lithic Leptosols занимает подчиненное положение и объединяет почвы на плотных породах и сильно каменистые почвы. Пахотные почвы в пределах района исследования представлены Petric Calcisols (Loamic, Aric) и Haplic Calcisols (Yermic, Aric).
Рыхлые поверхностные отложения на территории, прилегающей к обогатительному комбинату, могут быть отнесены к группе Technosols, которая объединяет почвы, сформированные на промышленных отходах (производственном шламе, шлаках, отвалах).
Пробы отбирались по сети с шагом 100 м на территории промышленной зоны, из твердых отвалов, около места сброса жидких отходов, а также на прилегающих территориях – в предгорьях и в районе сельскохозяйственной деятельности. Кроме того, была отобрана проба почвы в близлежащем городе Айн Азель и вблизи самой шахты Шаабет-эль-Хамра. Отбор почв и рыхлых отложений осуществлялся из верхнего слоя мощностью 20 см, для двух точек были взяты несколько проб с разной глубины (до 80 см). Масса каждой пробы составила примерно 200 г. Отобранные пробы высушивались на открытом воздухе в течение десяти дней, затем помещались в полиэтиленовые пакеты и транспортировались в лабораторию для дальнейших исследований.
Все пробы классифицировались по цвету с помощью атласа Манселла (Munsell, 2014), в них определялась доля скелетной части (фракция >1 мм), измерялся pH водной вытяжки (троекратно, соотношение почва : вода = 1 : 2.5), выполнялся CHN-анализ. Элементный анализ осуществлялся рентгено-спектральным флуоресцентным методом (точность определения 10 отн. %); измерения проводились для фракции <1 мм. Для определения минерального состава проб рыхлых отложений использовалась порошковая рентгенография (полнопрофильный анализ методом Ритвельда). Для наглядного представления результатов были построены графики в среде программирования R-studio с использованием библиотеки визуализации ggplot2. Образцы цинковой руды были охарактеризованы методами электронной микроскопии и микрорентгеноспектрального анализа.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Отобранные пробы весьма разнообразны по окраске (табл. 1), но все они характеризуются щелочной или слабощелочной реакцией среды (рНводн. 7.1–8.5), что типично для почв, входящих в группу Calcisols. Во всех пробах в большом количестве присутствуют карбонаты – в основном доломит и кальцит, в отдельных пробах встречаются примеси карбонатов цинка и свинца (смитсонита и церуссита).
Таблица 1.
№ точки | Окраска | Минеральный состав* | № точки | Окраска | Минеральный состав* |
---|---|---|---|---|---|
Пастбище, предгорье | Территория комбината | ||||
1 | 2.5 Y 7/3 pale brown | кальцит – 43 доломит – 23 кварц – 11 мусковит и/или иллит – 9 хлорит – 7 каолинит – 7 |
4 | 2.5 Y 4/3 olive brown | кальцит – 20 доломит – 15 кварц – 27 мусковит и/или иллит – 7 смектит – 29 |
2 | 10 YR 7/3 very pale brown | кальцит – 29 доломит – 25 кварц – 32% мусковит и/или иллит – 5 хлорит – 3 каолинит – 5 |
8 | 7.5 YR 6/4 light brown | кальцит – 29 доломит – 18 кварц – 37 мусковит и/или иллит – 14 хлорит – 2 |
3 | 2.5 Y 7/4 pale brown | кальцит – 22 доломит – 15 кварц – 55 мусковит и/или иллит – 3 хлорит – 2 каолинит – 2 |
9 | 10 YR 5/3 brown | кальцит – 23 доломит – 20 кварц – 27 мусковит и/или иллит – 18 каолинит – 6 гипс – 3 сфалерит -2 пирит – 1 |
6 | 5 Y 8/4 pale yellow | доломит – 65 кварц – 3 мусковит и/или иллит – 23 каолинит – 9 |
10 | 7.5 YR 5/2 brown | кальцит – 41 доломит – 14 кварц – 28 мусковит и/или иллит – 12 каолинит – 4 |
7 | 2.5 Y 7/3 pale brown | кальцит – 41 доломит – 26 кварц – 11 мусковит и/или иллит – 17 каолинит – 5 |
13 | 2.5 Y 4/3 olive brown | доломит – 86 кварц – 3 гипс – 2 пирит – 3 марказит – 4 |
11 | 7.5 YR 8/3 pink | кальцит – 57 доломит – 18 кварц – 12 мусковит и/или иллит – 8 каолинит – 4 |
14 | 2.5 Y 5/2 grayish brown | кальцит – 21 доломит – 42 кварц – 17 мусковит и/или иллит – 8 каолинит – 4 гипс – 2 сфалерит -1 смитсонит – 1 |
12 | 10 YR 5/3 brown | кальцит – 33 доломит – 19 кварц – 26 мусковит и/или иллит – 12 каолинит – 5 пирит – 2 смитсонит – 1 |
15 | 7.5 YR 5/4 brown | кальцит – 30 доломит – 9 кварц – 42 мусковит и/или иллит – 9 каолинит – 4 полевой шпат – 6 |
16 | 2.5 YR 6/3 light yellowish brown | кальцит – 29 доломит – 39 кварц – 13 мусковит и/или иллит – 3 каолинит – 5 полевой шпат – 5 гипс – 1 сфалерит -2 пирит – 1 марказит – 1 |
17 | 7.5 YR 5/4 brown | кальцит – 26 доломит – 17 кварц – 35 мусковит и/или иллит – 10 каолинит – 4 полевой шпат – 5 гипс – 2 |
19 | 2.5 Y 5/3 light olive brown | кальцит – 23 доломит – 38 кварц – 13 мусковит и/или иллит – 6 каолинит – 5 полевой шпат – 8 гипс – 3 сфалерит -1 пирит – 1 марказит – 2 |
18 | 10 YR 6/3 pale brown | кальцит – 46 доломит – 15 кварц – 18 мусковит и/или иллит – 9 хлорит – 1 каолинит – 2 полевой шпат – 5 |
Площадка сброса жидких отходов | |||||
22 | 10 YR 4/6 dark yellowish brown | кальцит – 16 доломит – 26 кварц – 27 мусковит и/или иллит – 14 каолинит – 4 полевой шпат – 8 гипс – 2 марказит – 2 |
20 | 2.5 Y 6/4 light yellowish brown | кальцит – 4 доломит – 47 кварц – 7 мусковит и/или иллит – 11 каолинит – 3 гипс – 2 сфалерит – 12 пирит – 2 марказит – 6 смитсонит – 4 церуссит – 2 |
Пашня | Отвалы | ||||
21 | 7.5 YR 6/4 light brown | кальцит – 23 доломит – 9 кварц – 28 мусковит и/или иллит – 18 полевой шпат – 13 гипс – 2 пирит – 1 марказит – 3 смитсонит – 1 |
1` | 2.5 Y 5/2 grayish brown | доломит – 88 гипс – 4 сфалерит – 4 марказит – 4 |
24 | 10 YR 5/6 yellowish brown | кальцит – 23 доломит – 11 кварц – 27 мусковит и/или иллит – 17 каолинит – 10 полевой шпат – 9 марказит – 3 |
35 | 2.5 Y 6/1 gray light brown | кальцит – 2 доломит – 87 кварц – 2 пирит – 4 марказит – 3 |
29 | 7.5 YR 6/4 light brown | кальцит – 29 доломит – 12 кварц – 30 мусковит и/или иллит – 12 каолинит – 7 полевой шпат – 10 |
39 | 2.5 Y 4/4 olive brown | кальцит – 1 доломит – 87 гипс – 3 пирит – 2 марказит – 3 гетит – 2 гексагидрит – 2 |
Периодически пересыхающее русло реки | 79 | 5 Y 7/1 light gray | кальцит – 2 доломит – 91 кварц – 1 гипс – 2 пирит – 2 марказит – 2 |
||
23 | 10 YR 5/4 yellowish brown | кальцит – 28 доломит – 14 кварц – 32 мусковит и/или иллит – 11 каолинит – 5 полевой шпат – 7 гипс – 2 |
83 | 2.5 Y 5/3 light olive brown | доломит – 81 гипс – 6 пирит – 6 марказит – 5 пироаурит – 1 |
28 | 10 YR 5/4 yellowish brown | кальцит – 18 доломит – 33 кварц – 24 мусковит и/или иллит – 11 каолинит – 2 полевой шпат – 7 гипс – 3 марказит – 2 |
87 | 2.5 Y 5/3 light olive brown | доломит – 90 гипс – 4 пирит – 3 марказит – 2 |
Территория вблизи шахты Шаабет-эль-Хамра | 125 | 10 YR 5/3 brown | кальцит – 21 доломит – 36 кварц – 22 мусковит и/или иллит – 13 каолинит – 3 гипс – 4 марказит – 1 |
||
5 YR 5/4 reddish brown | кальцит – 29 доломит – 6 кварц – 56 мусковит и/или иллит – 4 каолинит – 3 |
128 | 5 Y 6/2 light olive gray | доломит – 81 кварц – 1 мусковит и/или иллит – 3 каолинит – 4 гипс – 4 пирит – 3 марказит – 4 |
|
Населенный пункт (город Айн Азель) | 132 | 7.5 YR 5/4 brown | кальцит – 24 доломит – 13 кварц – 30 мусковит и/или иллит – 12 каолинит – 7 полевой шпат – 5 гипс – 6 |
||
7.5 YR 7/3 pink | кальцит – 9 доломит – 15 кварц – 59 мусковит и/или иллит – 8 каолинит – 4 полевой шпат – 3 гипс – 1 |
5’ | 10 YR 5/6 yellowish brown | доломит – 84 кварц – 2 гипс – 6 пирит – 3 марказит – 4 |
Схемы пространственного распределения содержаний суммы карбонатов, а также кальцита и доломита в отдельности, представлены на рис. 3, а–в. Видно, что наибольшее содержание карбонатов наблюдается в пробах, отобранных из отвалов – оно превышает 80%, причем преобладающим минералом является доломит. Для этих же проб характерно практически полное отсутствие в гранулометрическом составе частиц размером более 1 мм (рис. 3, г). Кальцит является преобладающим минералом для точек, расположенных в северо-западной и южной частях исследуемой территории. Отметим, что для этих же проб характерны наибольшие значения рНводн. (>8), что, вероятно, объясняется большей растворимостью кальцита по сравнению с доломитом (Справочник по растворимости…, 1975).
Разнообразный минеральный состав исследованных образцов отражается в их бурой, розовой, оливково-бурой и серой окраске (табл. 1). Естественные почвы территорий предгорий, используемые под пастбища, отличаются в основном палево-бурой и желтовато-палевой окраской. Пахотные почвы характеризуются желтовато-бурой и светло-бурой окраской гумусового горизонта.
Помимо карбонатов минеральный состав почв включает кварц, мусковит, каолинит, иногда хлорит и полевой шпат; во многих пробах определяются гипс и сульфиды (пирит, марказит). Минеральный состав отвалов представлен в основном доломитом с примесью гипса и сульфидов (пирита, марказита, сфалерита) (табл. 1).
Методом рентгено-спектрального флуоресцентного анализа во всех пробах были определены концентрации более 30 химических элементов. Приоритетными токсикантами для данной территории являются цинк, свинец, кадмий и медь (Attouchek et al., 2008). Как уже было сказано, именно эти элементы являются основными загрязнителями окружающей среды в районах, примыкающих к предприятиям по добыче и переработке цинковых и свинцовых руд (Adriano, 1986). Их содержания приведены в табл. 2.
Таблица 2.
№ точки | Функциональная группа | Zn | Pb | Cd | Cu | As |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | Пастбище, предгорье | 1.4 × 102 | 3.5 × 101 | <5 | 1.2 × 101 | 4.2 |
2 | Пастбище, предгорье | 9.3 × 101 | 3.0 × 101 | <5 | 1.3 × 101 | <4 |
3 | Пастбище, предгорье | 2.5 × 102 | 5.5 × 101 | <5 | 1.7 × 101 | <4 |
4 | Территория завода | 1.4 × 104 | 3.0 × 103 | 6.6 × 101 | 5.6 × 101 | <4 |
6 | Пастбище, предгорье | 1.2 × 102 | 1.5 × 101 | <5 | 7.0 | 4.2 |
7 | Пастбище, предгорье | 1.4 × 102 | 2.4 × 101 | <5 | 1.8 × 101 | 5.6 |
8 | Территория завода | 8.6 × 103 | 1.3 × 103 | 4.0 × 101 | 2.2 × 101 | <4 |
9 | Территория завода | 2.7 × 104 | 2.3 × 103 | 7.7 × 101 | 1.4 × 102 | <4 |
10 | Территория завода | 2.5 × 103 | 2.3 × 102 | 1.1 × 101 | 2.2 × 101 | <4 |
11 | Пастбище, предгорье | 8.8 × 101 | 1.5 × 101 | <5 | 1.6 × 101 | 6.5 |
12 | Пастбище, предгорье | 1.6 × 104 | 3.4 × 103 | 7.6 × 101 | 6.1 × 101 | <4 |
13 | Территория завода | 1.3 × 104 | 7.8 × 102 | 2.6 × 101 | 2.5 × 101 | <4 |
14 | Территория завода | 2.2 × 104 | 2.4 × 103 | 1.0 × 102 | 2.6 × 102 | <4 |
15 | Территория завода | 9.3 × 101 | 2.0 × 101 | <5 | 1.9 × 101 | 4.1 |
16 | Пастбище, предгорье | 2.6 × 104 | 2.1 × 103 | 9.2 × 101 | 2.0 × 101 | <4 |
17 | Территория завода | 4.3 × 103 | 5.0 × 102 | 1.6 × 101 | 2.4 × 101 | <4 |
18 | Территория завода | 7.0 × 103 | 2.7 × 103 | 3.9 × 101 | 4.4 × 101 | <4 |
19 | Пастбище, предгорье | 2.0 × 104 | 2.4 × 103 | 8.1 × 101 | 3.8 × 101 | <4 |
20 | Площадка сброса жидких отходов | 1.6 × 105 | 3.5 × 104 | 6.6 × 102 | 3.0 | 2.1 × 102 |
21 | Пашня | 3.6 × 103 | 5.0 × 102 | 1.7 × 101 | 2.1 × 101 | <4 |
22 | Пастбище, предгорье | 2.3 × 103 | 4.3 × 102 | 1.0 × 101 | 2.7 × 101 | <4 |
23 | Периодически пересыхающее русло реки | 1.2 × 103 | 2.8 × 102 | 8.2 | 1.8 × 101 | <4 |
24 | Пашня | 1.7 × 104 | 4.8 × 103 | 9.9 × 101 | 2.4 × 102 | <4 |
28 | Периодически пересыхающее русло реки | 3.4 × 103 | 5.0 × 102 | 1.7 × 101 | 2.8 × 101 | <4 |
29 | Пашня | 9.9 × 102 | 2.2 × 102 | 5.8 | 1.7 × 101 | <4 |
1` | Отвалы | 4.8 × 103 | 3.2 × 102 | 1.1 × 101 | 3.1 × 101 | <4 |
5’ | Отвалы | 4.0 × 103 | 5.1 × 102 | 1.3 × 101 | 2.0 × 101 | <4 |
35 | Отвалы | 5.1 × 103 | 2.2 × 102 | 1.4 × 101 | 2.7 × 101 | <4 |
39 | Отвалы | 6.1 × 103 | 3.1 × 102 | 1.5 × 101 | 3.0 × 101 | <4 |
79 | Отвалы | 1.4 × 103 | 2.9 × 102 | 5.0 | 4.3 × 101 | <4 |
83 | Отвалы | 3.3 × 104 | 2.6 × 103 | 7.6 × 101 | 5.8 × 101 | <4 |
87 | Отвалы | 1.3 × 104 | 5.3 × 102 | 2.8 × 101 | 1.9 × 101 | <4 |
125 | Отвалы | 6.0 × 103 | 5.5 × 102 | 3.3 × 101 | 2.1 × 101 | <4 |
128 | Отвалы | 3.9 × 103 | 1.5 × 103 | 1.2 × 101 | 8.1 × 101 | <4 |
132 | Отвалы | 5.3 × 103 | 1.5 × 103 | 3.2 × 101 | 2.7 × 101 | 3.9 × 101 |
Шаабет-эль-Хамра | Территория вблизи шахты | 6.7 × 102 | 5.6 × 101 | <5 | 1.2 × 101 | <4 |
Город Айн Азель | Населенный пункт | 6.5 × 102 | 1.3 × 102 | 5.6 | 2.3 × 101 | <4 |
В табл. 3 представлен диапазон содержаний Zn, Pb, Cd и Cu в исследованных пробах в сравнении с применяемыми в Алжире нормативными показателями концентраций этих элементов в почвах, а также фоновые значения для изученной территории и литературные данные о средних содержаниях в почвах мира (Adriano, 1986; Li, 2000; Kabata-Pendias, 2000). Максимальное превышение нормативных показателей (по цинку более чем в 1000 раз, по свинцу почти в 600 раз и по кадмию более чем в 900 раз) установлено для одной и той же пробы, отобранной в непосредственной близости от места сброса жидких отходов после обогащения цинковой руды (точка № 20 на рис. 2). Что касается проб почв, то нормативный показатель по цинку превышен в них максимум в 181 раз, по кадмию – в 143 раза, по свинцу – в 81 раз, причем наибольшее содержание Zn наблюдаются на территории комбината (точка № 9), наибольшее содержание Pb – на сельскохозяйственных землях (точка № 24), наибольшее содержание Cd – в пробах № 14 и № 24 (территория комбината и пашня).
Таблица 3.
Элемент | Содержание, ppm | Нормативный показатель A.F.N.O.R.1, ppm (Attouchek et al., 2008) | Превышение нормативного показателя | Локальный фон (ppm) (Attouchek et al., 2008) | Среднее содержание в почвах | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
(Li, 2000) | (Adriano, 1986) | (Kabata-Pendias, 2000) | |||||||
почвы | отвалы | почвы | отвалы | ||||||
Zn | 8.8 × 101–2.7 × 104 | 1.4 × 103– 1.6 × 105 | 150 | 0.59–180 | 9.3–1066 | 50 | 74 | 60 | 66 |
Pb | 1.5 × 101 – 4.8 × 103 | 2.2 × 102– 3.5 × 104 | 60 | 0.25–80 | 3.7–583 | 20 | 26 | 19 | 30 |
Cd | <5– 1.0 × 102 | 5.0– 6.6 × 102 | 0.7 | <7–143 | 7.1–943 | 0.1 | 0.35 | 0.06 | |
Cu | 7.0– 2.6 × 102 | 1.7 × 101– 8.1 × 101 | 40 | 0.18–6.5 | 0.43–2.0 | 35 | 23 | 25 | 22 |
Наиболее чистыми являются пробы, отобранные в предгорьях, к северо-западу от зоны складирования твердых отвалов и территории комбината (точки № 1, 2, 3, 6, 7, 11) – в них содержания Zn и Pb не превышают нормативные показатели для почв (A.F.N.O.R.), а содержание Cd ниже предела обнаружения. Содержания свинца в этих точках примерно соответствуют локальному фону и средним концентрациям в почвах мира (табл. 3), для цинка содержания несколько выше фоновых. Эта закономерность расположения наименее загрязненных почв согласуется с преимущественным направлением ветров, которые могут способствовать пылевому разносу частиц с поверхности отвалов – на исследуемой территории это западные и юго-западные ветры (Attouchek et al., 2008).
Загрязнение медью менее значительное, чем цинком, свинцом и кадмием – нормативные показатели превышены в почвах максимум в 6.5 раз, а в отвалах – в 2 раза, причем наиболее загрязненной является проба № 14, отобранная на территории комбината.
Полученные результаты в целом согласуются с данными работы (Attouchek et al., 2008), в которой рассматривалась территория, прилегающая к месторождению Херзет Юсеф и было установлено превышение содержаний Zn, Pb и Cd над нормативными показателями при содержании Cu, близком к фоновому.
На рис. 4, а, г показано пространственное распределение содержаний Zn, Pb и Cd, а также As. Для всех этих элементов наблюдаются сходные закономерности – наиболее загрязненной является проба поверхностных отложений, отобранная в точке № 20, расположенной в непосредственной близости от места сброса жидких отходов. Вероятно, источник загрязнения этими элементами один и тот же, однако можно заметить, что повышенные содержания цинка и кадмия распространены на большем расстоянии от точки № 20 по сравнению с мышьяком и свинцом. Очевидно, Zn и Cd обладают на данной территории большей миграционной подвижностью.
На рис. 5 можно видеть, как изменяются содержания цинка, свинца, кадмия и меди в точке № 20 в зависимости от глубины отбора пробы (содержание мышьяка не представлено, т.к. в пробах, отобранных на глубине >20 см, оно ниже предела обнаружения). Концентрации всех перечисленных элементов, кроме меди, с глубиной убывают, аналогичная картина наблюдается и для серы. Этот факт находится в полном согласии с результатами изучения минерального состава почв и рыхлых отложений. В минеральном составе пробы №20, отобранной с глубины до 20 см, установлено наиболее высокое среди всех проб содержание минералов цинка и свинца – 12% сфалерита и 4% смитсонита, а также 2% церуссита. Остальные минералы – доломит (более 40%), марказит (6%), пирит (2%), а также мусковит, небольшие количества кварца, кальцита, гипса. Следующая по глубине отбора проба в той же точке содержит уже меньше минералов цинка и свинца: 8% сфалерита, 3% смитсонита, 1% церуссита. Остальные минералы присутствуют примерно в тех же количествах, за исключением гипса – здесь наблюдается его наибольшая концентрация среди всех проанализированных проб (12%). Наконец, проба, отобранная на глубине 80 см, отличается отсутствием сульфидных минералов и резким преобладанием в ее минеральном составе кальцита над доломитом (38 и 16% соответственно).
Интересно сравнить пространственные распределения содержаний Zn, Pb, Cd, As (рис. 4) с аналогичными распределениями серы и сульфидов (рис. 6, а, в). Максимальные содержания в поверхностном слое рыхлых отложений в этом случае приходятся на зону складирования твердых отвалов, которая несколько смещена от точки сброса жидких отходов. Именно здесь (точки №№ 35, 39, 79, 83) наблюдаются высокие содержания пирита и марказита при отсутствии в составе отложений минералов цинка и свинца. Распределение содержаний железа (рис. 6, б) аналогично распределению серы, т.е. его повышенные концентрации определяются попаданием в поверхностный слой рыхлых отложений частиц сульфидных минералов с места складирования твердых отвалов.
Поведение меди отличается от поведения других тяжелых металлов. Для изученной территории она традиционно рассматривается в качестве одного из основных загрязнителей (Attouchek et al., 2008), однако, как было отмечено выше, ее содержания в исследованных пробах превышают нормативные показатели не столь значительно – максимум в 6.5 раз. Как следует из рис. 6, г, повышенные содержания Cu на данной территории не связаны с твердыми отвалами или сбросом жидких отходов; они наблюдаются на территории завода. Низкие (по сравнению с другими элементами) содержания меди в почвах, вероятно, связаны с ее низкими содержаниями в исходной руде месторождений Херзет Юсеф и Шаабет-эль-Хамра (Henni, 1998). Одна из возможных причин загрязнения медью почв на территории комбината – использование флотационных агентов, в число которых входит сульфат меди.
Особый интерес представляет анализ почв, используемых для сельскохозяйственной деятельности (выращивания овощей). Пример – точка № 29, в которой содержание цинка в 6.6 раз превышает нормативный показатель, содержание свинца – в 3.7 раз, содержание кадмия – в 8.3 раза, содержание меди ниже нормы. Несколько в меньшей степени загрязнена тяжелыми металлами проба, отобранная на территории города Айн Азель (расположен в 6 км от исследуемой территории) – содержание цинка здесь превышает нормативный показатель в 4.3 раза, свинца – в 2.1 раза, кадмия – в 8 раз, меди – ниже нормы. Наконец, в пробе почвы, отобранной в непосредственной близости от шахты Шаабет-эль-Хамра, содержание цинка превышает нормативный показатель в 4.4 раза, содержание свинца близко к нормативному показателю, меди – ниже нормы, кадмия – ниже предела обнаружения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенного исследования охарактеризованы поверхностные отложения отвалов и почвы территории, подвергающейся воздействию комбината по обогащению цинковой руды месторождения Шаабет-эль-Хамра, изучен их минеральный состав и определена степень загрязнения тяжелыми металлами. Показано, что практически на всей изученной территории, за исключением небольшого участка в предгорье, имеет место превышение нормативных показателей по цинку, свинцу и кадмию; пространственное распределение содержаний этих элементов носит сходный характер, а источником загрязнения являются отвалы и жидкие отходы горно-обогатительного комбината. Загрязнение медью менее значительно и локализовано в основном на территории самого комбината.
Следующим этапом нашей работы станет изучение миграционной способности тяжелых металлов в исследуемых пробах, т.е. определение форм их нахождения и степени подвижности в зависимости от изменения физико-химических условий, моделирование взаимодействия загрязненных почв и отвалов с природными водами и, следовательно, оценка способности перехода рассматриваемых элементов в растворенные формы, представляющие наибольшую опасность для окружающей среды.
Работа выполнена с использованием оборудования Научного парка СПбГУ (ресурсные центры “Геомодель”, “Рентгенодифракционные методы исследования”, “Методы анализа состава вещества”).
Список литературы
Бортникова С.Б., Гаськова О.Л., Бессонова Е.П. Геохимия техногенных систем. Новосибирск: Гео, 2006. 169 с.
Справочник по растворимости солевых систем / Ред. Пельш А.Д. В 2-х томах. Л.: Химия, 1975. Т. 1. 1070 с.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Записки Российского минералогического общества