Для установления закономерностей, влияющих на формирование качественного состава гидроминеральных ресурсов, образующихся на медноколчеданных месторождениях, необходимо изучение не только техногенных, но и природных факторов.
Воздействие физико-географических и горно-геологических факторов на процесс формирования водопритока и химического состава поверхностных и подземных вод сопровождается физико-химическими процессами, результатом которых и является образование метаморфизованных вод. К физико-химическим факторам, влияющим на формирование состава вод, относятся химические свойства элементов горных пород и вод, щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные условия среды, растворимость солей, процессы диффузии, осмоса, смешения вод и катионного обмена, биохимические и другие процессы [1–4].
Химический состав вод зависит от состава и растворимости твердых веществ, с которыми вода взаимодействует, от условий, в которых это взаимодействие осуществляется. На контакте подземной воды с горными породами протекают физико-химические и биохимические процессы, основными из которых являются растворение (осаждение) твердых минеральных веществ, гидролиз, ионный обмен между горными породами и водой, преобразование и минерализация органического вещества, окисление и восстановление минеральных соединений [5].
В результате смешения вод различных водоносных горизонтов и подземных вод с инфильтрующимися водами поверхностного происхождения (атмосферные осадки, поверхностные воды водотоков, сточные воды различного состава) происходит увеличение или уменьшение концентрации растворенных веществ в подземных водах [5, 6].
При контакте вод с минеральными веществами горных пород происходит их гидратация, которая ведет к разрушению кристаллических структур и переходу твердых веществ в растворенное состояние [4, 8].От кислотно-щелочной реакции воды, скорости ее движения, состава и структурных особенностей пород зависит интенсивность взаимодействия воды с минералами [3, 7].
Определяющую роль в формировании химического состава и объемов водопритока шахтных и поверхностных вод играют природные факторы, хотя техногенные факторы часто являются доминирующими в образовании локально измененных природных вод на техногенные [5, 7 – 9]. Поэтому, изучая влияния техногенза на формирование природных и техногенных вод необходимо учитывать совокупное влияние этих факторов.
Одним из важнейших условий формирования состава подземных вод является климат. Количество, состав и режим выпадения атмосферных осадков в течение года влияют на химический состав не только грунтовых вод, но и на воды более глубоко залегающих водоносных горизонтов. Доля атмосферных осадков, идущая на пополнение подземных вод, во многом определяется температурой воздуха и величиной испарения.
Снижение температуры воздуха зимой сопровождается промерзанием почвы и изменением условий питания подземных вод. Повышение температуры весной сопровождается таянием снежного покрова и интенсивной инфильтрацией талых вод, наблюдается снижение минерализации подземных вод и увеличение содержания гидрокарбоната [4, 10]. В зимние месяцы во многих районах установлено повышение минерализации и изменение состава грунтовых вод обусловленное отсутствием пополнения горизонта за счет атмосферных осадков. Такая связь между промерзанием почвы и верхней части пород зоны аэрации и увеличением минерализации и изменением состава (в основном за счет снижения содержания гидрокарбонатов и увеличения сульфатов). Сопоставление режимов уровня и химического состава грунтовых вод, с характером выпадения атмосферных осадков показывает, что осадки зимнего периода являются наиболее эффективными: как правило, весной под влиянием инфильтрации талых вод происходит уменьшение уровня и снижение минерализации грунтовых вод [4].
Климат не только определяет пополнение водоносных горизонтов за счет атмосферных осадков, но и интенсивность преобразования горных пород (выветривание) [4, 6]. В коре выветривания непременным участником реакций взаимодействия с породами является вода, с движением которой происходит принос реагентов и удаление продуктов реакций. Скорость движения воды в породах зоны аэрации и зоны насыщения обусловливает состав и концентрацию растворенных компонентов в воде, и химические изменения пород при их выветривании. Следовательно, интенсивность водообмена является ведущим фактором преобразования горных пород и химического состава подземных вод.
Влияние гидрологического фактора на подземные воды зависит от особенностей гидрографической сети: наличие густой, глубоковрезанной сети способствует дренированию водоносных горизонтов грунтовых и напорных вод. В периоды паводков речные воды пополняют горизонты подземных вод в прибрежной зоне, снижая их минерализацию и изменяя состав. Подземные и поверхностные воды представляют единую гидравлически связанную систему, и нарушение равновесия в одной ее части отражается на состоянии другой [3, 4, 9, 11].
Современная гидрогеодинамическая и гидрогеохимическая структура подземной гидросферы Южного Урала сформировалась в результате длительной эволюции под воздействием комплекса естественноисторических процессов [4]. В последние годы происходит глубокое проникновение техногенных процессов в геологическую среду (до 2000 м). Наиболее интенсивно техногенез формируется на территориях, где одновременно производится промышленное освоение целой группы близко расположенных друг к другу месторождений полезных ископаемых (Баймакский, Учалинский, Бурибаевский, Маканский и другие рудные районы) [1, 4].
Техногенная деградация подземной гидросферы горнорудных районов уральского региона носит локальный характер в пространстве, но длительный характер во временном отношении, что обусловлено накоплением огромных объемов твердых и «жидких» отходов. Трещинный и трещинно-жильный характер подземных вод, слабое развитие перекрывающих пород способствует беспрепятственному проникновению концентрированных растворов, содержащих тяжелые металлы, в водоносные горизонты. Все это приводит к формированию на территории горнорудных узлов техногенных гидрогеохимических полей трансформированных вод [4, 10, 11].
В настоящее время в горнодобывающей и обогатительной промышленности Южного Урала одними из наиболее многотоннажных «жидких» отходов являются подотвальные, карьерные и шахтные воды. Формирование состава данной категории вод зависит от свойств химических элементов и их соединений (подвижности, способности вступать в реакции, величины растворимости, форм миграции и др.) и тесно связано с преобразованием горных пород и выносом из них растворенных компонентов [4, 6].
Кислые рудничные воды горных предприятий Южного Урала характеризуются высокими концентрациями ионов меди, цинка, железа, марганца и других ценных металлов, что позволяет отнести данные вод к категории «жидких» техногенных металлсодержащих георесурсов [7 – 9, 11].
На основании годовых отчетов отдела охраны окружающей среды ЗАО «Бурибаевский ГОК» были изучены закономерности изменения объемов кислых подотвальных вод в течение года, а также изменение концентрации Mn (II) (мг/дм3) в зависимости от сезонности и рН водоема. Полученные результаты показали, что в зимний период в связи с отсутствием пополнения запасов поверхностных и грунтовых вод за счет атмосферных осадков снижаются объемы сбрасываемых стоков. Подотвальные воды, питающиеся преимущественно за счет осадков с декабря по середину марта, практически отсутствуют - сток перемерзает. Весной, в период активного таяния снежного покрова, наблюдается увеличение объемов подотвальных вод. Летом при высокой температуре в результате испарения объем подотвальных вод незначительно снижается [7].
Анализ изменения кислотности среды и концентрации марганца в подотвальных водах ЗАО «Бурибаевский ГОК» в течение года показал, что с декабря по середину марта ввиду того, что сток перемерзает, концентрация марганца практически равна нулю. Весной объем подотвальных вод увеличивается, значения рН изменяются в пределах 3,6 – 3,9, концентрация ионов марганца возрастает. Летом, при незначительном снижении объемов подотвальных вод наблюдается увеличение кислотности и концентрации марганца (рисунок).
Изменение рН и концентрации марганца в подотвальных водах Бурибаевского ГОКа в течение года (средние значения за 2010 г.) [8]
Таким образом, проведенный анализ влияние природных условий на формирование состава подземных гидротехногенных образований горных предприятий показал что:
– физико-географические факторы и горно-геологические условия, непосредственно влияют на формирование химического состава подземных и поверхностных вод;
– на горных предприятия, занимающихся разработкой медноколчеданных месторождений под действием естественных факторов независимо от влияния техногенных также формируются кислые сульфатные воды, концентрация катионов металлов в которых зависит от климатических явлений, от морфолого-тектонических факторов, литолого-минералогического состава рудных тел и вмещающих пород, рудной минерализации и других вышеперечисленных факторов.
– совокупное влияние техногенеза горнорудного профиля и природных процессов вызывает образование кислых подземных и поверхностных вод, что отрицательно воздействует на окружающую среду, а также весьма осложняет условия ведения горных работ.