Минералогический и гранулометрический составы почв, формирующихся на поверхности железорудных хвостохранилищ

Введение

Кузбасс является одним из наиболее промышленно развитых регионов России. Высокая концентрация промышленных предприятий и нерациональное использование природных ресурсов привело к тому, что на месте когда-то плодородных земель сформированы техногенные ландшафты. На юге Кемеровской области ‒ Кузбасса расположен АО «ЕВРАЗ Объединенный Западно-Сибирский металлургический комбинат» (ЕВРАЗ ЗСМК) – металлургический комбинат полного цикла, производящий металлопрокат для строительной, железнодорожной и других отраслей промышленности. Сырьем является железная руда, которая обогащается на Абагурской обогатительно-агломерационной фабрике (ранее на Мундыбашской обогатительной фабрике). В результате переработки руд образуются отходы (хвосты обогащения), которые складируются в хвостохранилища. Таким образом, на этой территории формируются техногенные ландшафты, на поверхности которых происходит формирование молодых почв.

Минералогический состав почв является одним из определяющих факторов, который оказывает непосредственное влияние на их физические и химические свойства, а также на протекающие в них процессы. Он является матрицей формирования свойств почв, регулирует трансформацию, миграцию и аккумуляцию веществ, энергии и информации внешней среды. В отличие от остальных факторов (климат, рельеф, растительность и др.), которые определяют механизм и темпы почвообразования, минеральный субстрат формирует вещественную основу, в массе которой возникает почвенный профиль [1; 2].

Изучение минералогического состава позволяет сформировать не только понимание свойств, но и понимание особенностей генезиса вновь формирующихся техногенных почв, так как он определяет предпосылки для вектора и интенсивности почвообразовательных процессов (гумусово-аккумулятивного, внутрипочвенного выветривания, лессиважа, оподзоливания, оглеения, буроземообразования и др.). Следовательно, требуются определение и учет минералогического состава при классификации почв [1; 3; 4].

Основной целью настоящей работы является исследование минералогического и гранулометрического составов пород в посттехногенный период хвостохранилищ первичного и вторичного обогащения железной руды, на поверхности которых в настоящее время протекает процесс формирования молодых почв (эмбриоземов).

Объекты и методы исследования

В качестве объектов исследования выступали хвостохранилища Мундыбашской (первичное) обогатительной (N53°13ʹ28,90ʺ E86°16ʹ04,01ʺ) и Абагурской (вторичное) обогатительно-агломерационной фабрик (N53°42ʹ11,95ʺ E87°14ʹ12,50ʺ).

Мундыбашская обогатительная фабрика (ОФ) была построена в 1931 – 1935 гг. для обогащения железной руды расположенного рядом Тельбесского рудника Кузнецкого металлургического комбината. Работа фабрики продолжалась до апреля 2015 г., после чего фабрика прекратила деятельность. Хвостохранилище предположительно не эксплуатируется с 2000 г.

Абагурская обогатительно-агломерационная фабрика перерабатывает первичные концентраты и получает вторичный концентрат. Потребителем продукции фабрики является ЕВРАЗ ЗСМК. Производительность корпусов 1 и 2 по промпродукту составляет 3,560 млн т в год, по концентрату – 2,780 млн т (с рудников Горной Шории и Абаканского рудника). Производительность корпуса 3 по промпродукту – 2,858 млн т в год, по концентрату – 1,960 млн т (с Тейского рудника и 10 % с рудников Горной Шории). Исследуемое хвостохранилище не эксплуатируется с 2001 г.

На каждом из исследуемых хвостохранилищ железной руды выделяли четыре концентрические зоны, отличающиеся по степени дисперсности материала седиментации (приустьевая, основная, приядерная и ядерная). Верхняя часть седиментационного бассейна (приустьевая зона) характеризуется легким механическим составом и обладает высокой дренирующей способностью. Основная зона, сформированная частицами средней дисперсности, занимает большую часть территории гидроотвала. Аккумулятивным центром водосборной чаши (прудка) являются приядерная и ядерная зоны, характеризующиеся тиксотропным состоянием или покрыты водой. В каждой из зон отбирали образцы в слое 0 ‒ 40 см ввиду того, что рассматриваемый слой потенциально может выступать слоем аккумуляции 90 % корневой массы.

Минералогический и петрографический составы проб из различных зон седиментации гидроотвалов изучали с помощью стереоскопического микроскопа МБС-10 (увеличение 8 – 16 крат) в отраженном свете. Проводили изучение внешних (макроскопических) признаков и физических свойств. В некоторых случаях применяли простейшие микрохимические капельные реакции, реакции в порошках [5; 6].

Гранулометрический состав как один из важных показателей почв, от которого зависят многие аспекты существования и функционирования почвы, анализировали по Качинскому пирофосфатным методом пробоподготовки. При анализе отбирали фракции физического песка и физической глины размером более 0,01 (до 1 мм) и менее 0,01 мм.

Результаты исследования

Гидроналивной способ складирования отходов обогащения руд оказывает влияние на пространственное распределение материала в хвостохранилищах. Прежде всего выделяется контрастное сложение по гранулометрическому составу из-за осаждения частиц в водных условиях под действием гравитационного поля. Скорость осаждения зависит от массы, размера, формы и плотности вещества частиц, вязкости и плотности среды, а также от ускорения, силы тяжести и действующих на частицы центробежных сил.

Для всех зон седиментации характерна пространственная неоднородность гранулометрического состава: увеличение содержания физической глины и снижение фракций песка от приустьевой зоны к ядерной (см. таблицу). Все образцы были представлены мелкоземом, фракция более 1 мм отсутствовала. Перераспределение фракций физической глины в зонах седиментации на всех объектах исследования носит схожий характер, по количеству от общего ее содержания в каждой из зон выстраивается следующий ряд: пыль мелкая (около 50 %) – пыль средняя (около 30 %) – ил (около 20 %). Перераспределение фракций, входящих в группу физического песка, на всех исследуемых объектах неоднородно и зависело от вида разрушаемых горных пород.

Приустьевая зона, расположенная по внешнему периметру гидроотвалов, характеризуется песчаным (Мундыбашская ОФ) или супесчаным (Абагурская аглофабрика) гранулометрическим составом. В рассматриваемой зоне на всех объектах наблюдения замедленное почвообразование, поэтому основу почвенного покрова составляют инициальные эмбриоземы. Растительный покров полностью отсутствует или представлен единичными экземплярами рудеральной растительности ксерофитной экогруппы. В составе физического песка гидроотвала ОФ «Мундыбашская» чуть менее 50 % приходится на фракцию мелкого песка, а оставшаяся часть равными долями разделяется на крупный-средний песок и крупную пыль. Похожая закономерность распределения по фракциям физического песка прослеживается на гидроотвале Абагурской аглофабрики. В целом стоит отметить, что на поверхности гидроотвалов в этой зоне отмечается наивысшая степень проявления дефляционных и эрозионных процессов.

Минералогический состав представлен как первичными, так и вторичными минералами. Минеральный состав Мундыбашской ОФ характеризуется наличием обломков магнетита размером менее 0,5 мм (около 10 %), реже до 1,5 мм; единичным вкраплением молибденита; множеством кристаллов кальцита, в том числе обломков мрамора размерами от 1,5 до 2,0 мм и мельче; серпентина (размер обломков от 1,5 до 2,0 мм) около 10 ‒ 15 %; единичными чешуйками талька; пироксенов менее 5 % и единично кварца. Для Абагурской аглофабрики характерно наличие магнетитовой пыли (около 5 ‒ 10 %); единично железного шлака и халькопирита; единично пирита; кальцита (кристаллы) и доминирование обломков мрамора; кварца около 10 %; мусковита около 20 %; пироксенов около 1 ‒ 3 %; единичное содержание амфиболы и гипса (селенита). Для хвостохранилищ в рассматриваемой зоне седиментации характерно наличие вторичных минералов, таких как гетит и гематит, которые встречаются единично.

По результатам наблюдений в основной зоне седиментации двух хвостохранилищ сформировались органо-аккумулятивные эмбриоземы [7; 8]. На поверхности присутствует рудеральная растительность ксерофитной экогруппы, общее проективное покрытие не превышает 2 ‒ 5 %. Общее содержание физического песка для этой зоны составляет 71 ‒ 90 %, при этом гранулометрический состав гидроотвалов соответствует легкому суглинку. Несмотря на это, на каждом из объектов перераспределение фракций песка не идентично: преобладающей группой на хвостохранилище Мундыбашской ОФ является 0,05 ‒ 0,01 мм (примерно 90 %), Абагурской аглофабрики – 1,00 ‒ 0,25 мм (примерно 39 %) и 0,05 ‒ 0,01 мм (примерно 36 %). На поверхности развиты процессы эрозии, присутствуют промоины глубиной от 15 до 40 см, выражены следы дефляционных процессов.

Минералогический состав зоны Мундыбашской ОФ представлен обломками менее 0,5 мм (около 10 %) магнетита и железного шлака; доминированием кристаллов кальцита, обломков мрамора размером менее 0,5 мм (изредка 1,0 ‒ 1,5 мм); обломками менее 0,5 мм (редко 1,0 ‒ 1,5 мм) серпентина (около 5 %); единичными чешуйками талька и кварца; обломками пироксенов размером 1,0 ‒ 1,5 мм и мельче (около 1 ‒ 5 %). Из вторичных минералов присутствует единично гетит. Минералогический состав в основной зоне хвостохранилища идентичен приустьевой зоне, однако размеры обломков менее 0,5 ‒ 1,0 мм; в пылеватой фракции: магнетит (около 5 ‒ 10 %), доминируют кальцит, кварц и мусковит, пироксены, вторичные минералы отсутствуют.

Приядерная зона выступает в качестве ярко-выраженной переходной границы по преобладанию или значительному увеличению физической глины в гранулометрическом составе. Такое увеличение обусловлено особенностями намыва гидроотвала и седиментации частиц породы, а также приносом фракции мелкой пыли в результате развития эрозионных процессов в момент выпадения дождей. Утяжеление гранулометрического состава от среднего суглинка до средней глины (см. таблицу) приводит к формированию на поверхности гидроотвалов дернового и органо-аккумулятивного или органо-аккумулятивного глеевого (со следами оксидов железа из-за сезонного застоя влаги) эмбриоземов. В результате этого наблюдается разница в сформировавшихся экогруппах рудеральной растительности. В основной зоне преобладают мезоксерофитная или ксеромезофитная группы с площадью проективного покрытия до 10 %, на гидроотвале Мундыбашской ОФ – до 50 %.

Минералогический состав хвостохранилища ОФ представлен частицами менее 0,5 мм железного шлака и магнетита (около 10 %); обломками угля и шлака; кристаллами кальцита и обломками мрамора размером 1,0 ‒ 0,5 мм и мельче (около 3 %); единично кварца и чешуйками талька; фрагментами современной растительности (много); вторичные минералы отсутствуют. Минералогический состав приядерной зоны хвостохранилища аглофабрики идентичен составу приустьевой зоны, однако имеет ряд некоторых особенностей: размеры обломков минералов менее 0,5 ‒ 1,0 мм; количество магнетитовой пыли около 5 ‒ 10 %; доминирование кварца и кальцита; содержание пирита около 0,5 %; вторичные минералы отсутствуют.

На каждом из исследуемых объектов ядерная зона является конечной зоной аккумуляции глинистых частиц. В проанализированных образцах содержание физической глины изменяется от 56 до 73 %. При этом соотношение фракций, относящихся к физической глине, остается условно неизменным, хотя можно предположить перераспределение долей в пользу более тонких частиц. В составе физического песка отсутствует фракция крупного-среднего и мелкого песка (1,00 ‒ 0,05 мм), вся доля приходится на крупную пыль (0,05 ‒ 0,01 мм). Тяжелый гранулометрический состав приводит к затруднению фильтрации и длительному застою талых снеговых и дождевых вод. На поверхности ядерной зоны в настоящий момент диагностировано два типа глеевых эмбриоземов (см. таблицу). Различие в формировании эмбриозема на том или ином объекте обусловлено длительностью посттехногенного периода, литогенными свойствами пород и продуктивностью растительных сообществ [9; 10]. Сформировавшиеся фитоценозы относятся к ксеромезофитной/мезофитной экогруппе, встречаются гигрофиты (камыш, осока и другие), но в период засухи (дефицита влаги) такие растения погибают или находятся в угнетенном состоянии.

Минералогический состав ядерной зоны хвостохранилища первичного обогащения представлен частицами железного шлака и магнетита размерами менее 0,01 мм (около 1 ‒ 3 %); неопределимыми минеральными частицами размером менее 0,01 мм, а также современными растительными фрагментами (около 15 %); вторичные минералы отсутствуют. Минералогический состав приядерной зоны хвостохранилища, сформированного при вторичном обогащении, характеризуется таким же составом, как и предыдущие, доминирующие по рельефу зоны. Тем не менее имеются свои особенности: преобладание обломков минералов размером менее 0,5 ‒ 1,0 мм, наличие магнетитовой пыли около 5 ‒ 10 % и доминирование кальцита и кварца; вторичные минералы отсутствуют, как и в предыдущих двух зонах седиментации.

Обсуждение полученных материалов

Несмотря на значительное количество исследований по влиянию минералогического состава на развитие почв, формирующихся на поверхностях хвостохранилищ железных руд, рассматриваемая проблема изучена недостаточно [11 ‒ 14]. Это определяет отсутствие общепринятых показателей скорости развития почв, формирующихся на техногенном минеральном субстрате, и степени накопления в таких почвах биофильных элементов.

Наиболее распространенными первичными минералами, преобладающими в крупных фракциях естественных почв, являются кварц, кальцит, слюды. При этом стоит отметить, что такой набор минералов является индикатором благоприятного процесса почвообразования на поверхности техногенных ландшафтов [15 ‒ 17]. От первичных минералов зависят физические свойства почв, они уже являются резервным источником зольных элементов питания растений, в результате их видоизменения образуются вторичные минералы (минералы простых солей, минералы оксидов и гидроксидов, глинистые минералы). Минералы простых солей (кальцит, магнезит, доломит, гипс и др.) определяют качественный и количественный составы засоления почв. Минералы оксидов и гидроксидов благодаря своей огромной поверхности поглощают много фосфора, делают его малодоступным растениям. Глинистые минералы (монтмориллонит, каолинит) и гидрослюды, преобладающие в тонкодисперсных фракциях, в сочетании с гумусовыми кислотами способствуют улучшению водно-физических свойств почв, являются источниками элементов минерального питания для растений, обусловливают поглотительную способность почв [8].

Важнейшим индикатором педогенных преобразований почв техногенных ландшафтов является кальцит [18; 19]. Наличие карбонатов по профилю хорошо отображает трансформацию исходного субстрата в процессе почвообразования. Наиболее высокие содержания кальцита наблюдаются в приустьевой, основной и приядерной зонах Мундыбашского хвостохранилища. Количество и разнообразие форм выделения кальцита достаточно хорошо отражает интенсивность процессов почвообразования и трансформации исходного субстрата. Содержание кальцита обусловлено, с одной стороны, более благоприятными гидрологическими условиями (промывной водный режим), а с другой ‒ вероятно, продолжительным временем почвообразования на участках ввиду того, что ядерная зона подвержена периодическому затоплению.

Наличие вторичных минералов (гетита), сформировавшегося в результате окисления пироксена и гематита (дегидратации гетита в приустьевой и основной зонах хвостохранилищ), свидетельствует об интенсивности и скорости процессов выветривания. Можно предположить, что почти все содержащие железо минералы после изменения в результате воздействия воды и гумусовых кислот преобразуются в лимонит. Кроме того, выветривание оксидов железа (магнетит, гематит, гетит), встречающихся в минеральном составе рассматриваемых хвостохранилищ, может приводить к выделению железа в поровые воды и осаждению в виде ферригидрита [20 ‒ 22], а также к образованию в воде и осаждении в водоносных породах гидроксида железа. Ферригидрит в дальнейшем трансформируется в гематит, также может образовываться и гетит. Тип конечного минерала зависит от физических и химических факторов в процессе функционирования гидроотвалов из отходов обогащения железных руд (температуры, величины рН, концентрации Fе(III) в растворе, природы и количества сопутствующих анионов). Доля гематита достигает максимума в слабощелочной среде, а минимума – в умеренно кислой. Рост температуры и снижение влажности приводят к более быстрой трансформации ферригидрита и увеличению отношения гематит : гетит [22]. При контакте с водой, содержащей сульфиды, происходит образование гидросульфида железа, который, в свою очередь, может адсорбироваться на поверхности частиц минеральных зерен и превращаться в оксиды железа, причем в более сложных процессах может участвовать и оксид железа FeO₂.

По своей сути минеральный скелет почв, состоящий в основном из кварца, кальцита и железистых первичных и вторичных минералов, является основой, внутри которой протекает основная часть химических, физико-химических и биохимических процессов, составляющих сущность почвообразования на поверхности исследуемых хвостохранилищ. Почвообразование как форма биологического выветривания приводит к трансформации в гранулометрическом составе, а периодическое промачивание – к перераспределению и изменению соотношения фракций. Так, например, зимнее промачивание в серых лесных почвах приводит к усреднению фракций до 0,01 мм и повышает подвижность ила, что усиливает преобразование почвообразующих пород [23].

Более интенсивный почвообразовательный процесс в настоящее время наблюдается на поверхности минерального субстрата гидроотвала Мундыбашской обогатительной фабрики. Так, за прагматически приемлемый период там сформировались грубогумусовые-аккумулятивные и дерновые эмбриоземы. Это обусловлено более сбалансированным гранулометрическим составом пород, состоящим не более чем на 60 % из физической глины, непрепятствующей сезонному промачиванию корнеобитаемой толщи и фильтрации избытка влаги в нижележащие горизонты. При превышении содержания физической глины более чем на 60 % как в приядерной, так и ядерной зонах гидроотвала Абагурской аглофабрики наблюдается процесс формирования водоупорного слоя практически на поверхности минеральной части (в слое 10 ‒ 30 см), что приводит к застою влаги, особенно в весенний и осенний периоды. Это явление приводит к замедлению процессов почвообразования на поверхности хвостохранилищ. Так, на рассматриваемых территориях за длительный период времени сформировались лишь органо-аккумулятивные эмбриоземы, что говорит о неудовлетворительном почвенно-экологическом состоянии при застойном водном режиме.

Выводы

Минеральные преобразования динамичны в почвах техногенных ландшафтов, сформированных из отходов первичного и вторичного обогащений руд черных металлов. Минеральная часть почвообразующей породы, сформированной отходами первичного обогащения, представлена в основном магнетитом, кальцитом, кварцем и чешуйками талька и незначительно изменяется от одной зоны седиментации частиц к другой. В хвостохранилище вторичного обогащения минеральная часть более однородна от зоны к зоне и состоит в основном из мусковита, кварца, кальцита и магнетитовой пыли. Для основной и приустьвой зон седиментации обоих хвостохранилищ характерно формирование вторичных минералов (гетит и гематит). Предположительно образование гематита происходит в результате дегидратации гидроксидов железа. Гематит образуется через фазу ферригидрита – путь, характерный для почв (особенно в гумидных регионах), а при определенных гидротермических условиях может формироваться гетит.

Даже при благоприятном минералогическом составе почвообразующих пород отмечается замедление почвообразовательного процесса вследствие особенностей гранулометрического состава хвостохранилищ железных руд. При содержании физической глины в породах более 60 % за прагматически приемлемый срок (не менее 20 лет) на поверхности формируются лишь органо-аккумулятивные эмбриоземы.