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

Полный текст (PDF)

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.

Ключевые слова: тяжелые металлы, почвы, отвалы, цинк, свинец, кадмий, медь

DOI: 10.31857/S0869605520020057

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).

Рис. 1.

Географическое положение месторождений Херцет Юсеф и Шаабет-эль-Хамра (Nekache, 2012 с дополнениями).

Fig. 1. Geographical location of Kherzet Yussef and Chaabet El Hamra mines.

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.

Рис. 2.

Схема отбора проб.

Fig. 2. Sampling scheme.

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.  

Минеральный состав (мас. %) и характеристика проб почв и техногенных отложений по цветовой шкале Манселла (в сухом состоянии) Table 1.  Mineral composition (wt %) and characteristics of soils and technogenic deposits samples according to the Munsell color scale (in dry conditions)

№ 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

* В таблице приведены минералы, содержание которых не ниже 1%.

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).

Рис. 3.

Пространственное распределение содержаний (%) карбонатов (а), кальцита (б), доломита (в) и скелетной составляющей (г) в почвах и техногенных отложениях.

Fig. 3. Spatial distribution of contents (%) of carbonates (a), calcite (б), dolomite (в), and skeletal part (г) in soils and technogenic deposits.

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.  

Содержания тяжелых металлов и мышьяка (ppm) в пробах почв и техногенных отложений Table 2. Content of heavy metals and arsenic (ppm) in soils and technogenic deposits

№ 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.  

Оценка загрязнения тяжелыми металлами почв и техногенных отложений Table 3.  Assessment of heavy metal contamination of soils and technogenic deposits

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

1 Association Française de normalisation.

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.

Рис. 4.

Пространственное распределение содержаний цинка (а), свинца (б), кадмия (в) и мышьяка (г) в почвах и техногенных отложениях.

Fig. 4. Spatial distribution of contents of zinc (a), lead (б), cadmium (в), and arsenic (г) in soils and technogenic deposits.

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).

Рис. 5.

Содержания цинка, свинца, кадмия, меди и серы в зависимости от глубины отбора проб в наиболее загрязненной точке № 20.

Fig. 5. Contents of zinc, lead, cadmium, copper, and sulfur depending on the sampling depth at the most contaminated point No. 20.

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.

Рис. 6.

Пространственное распределение содержаний серы (а), железа (б), сульфидов (в) и меди (г) в почвах и техногенных отложениях.

Fig. 6. Spatial distribution of contents of sulfur (a), iron (б), sulfides (в) and copper (г) in soils and technogenic deposits.

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

  1. Бортникова С.Б., Гаськова О.Л., Бессонова Е.П. Геохимия техногенных систем. Новосибирск: Гео, 2006. 169 с.

  2. Справочник по растворимости солевых систем / Ред. Пельш А.Д. В 2-х томах. Л.: Химия, 1975. Т. 1. 1070 с.

Дополнительные материалы отсутствуют.