RARE METALS IN TECHNOGENICALLY TRANSFORMED WATER OF ZHYREKENSKY, SHAKHTAMINSKY AND BUGDAINSKY MOLYBDENUM DEPOSITS (EASTERN TRANSBAIKAL)

РЕДКИЕ МЕТАЛЛЫ В ТЕХНОГЕННО-ТРАНСФОРМИРОВАННЫХ ВОДАХ ЖИРЕКЕНСКОГО, ШАХТАМИНСКОГО И БУГДАИНСКОГО МОЛИБДЕНОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ (ВОСТОЧНОЕ ЗАБАЙКАЛЬЕ)

Научная статья

Чечель Л.П.*

ORCID: 0000-0002-4150-6871,

Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, Чита, Россия

* Корреспондирующий автор (lpchechel[at]mail.ru)

Аннотация

В пределах нарушенных горной отработкой территорий Жирекенского, Шахтаминского и Бугдаинского молибденовых месторождений сформировались кислые, околонейтральные и слабощелочные воды преимущественно сульфатного анионного состава. Максимальные концентрации редких металлов свойственны кислым высокоминерализованным подотвальным дренажным стокам Бугдаинского месторождения. В них зафиксировано преимущественное накопление редкоземельных элементов, кадмия, лития, галлия и рубидия. Изучено фракционирование редкоземельных элементов и показано существенное отличие конфигураций их профилей в воде и породе. Практическая значимость проведенного исследования обусловлена решением задачи сохранения водных ресурсов в условиях воздействия горного производства, а также необходимостью выявления возможных сырьевых источников редких металлов.

Ключевые слова: редкие металлы, техногенные воды, молибденовые месторождения, подотвальный дренаж, хвостохранилище.

RARE METALS IN TECHNOGENICALLY TRANSFORMED WATER OF ZHYREKENSKY, SHAKHTAMINSKY AND BUGDAINSKY MOLYBDENUM DEPOSITS (EASTERN TRANSBAIKAL)

Research article

Chechel L.P.*

ORCID: 0000-0002-4150-6871,

Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology of the Siberian Branch of the RAS, Chita, Russia

* Corresponding author (lpchechel[at]mail.ru)

Abstract

Acid, near-neutral and slightly alkaline waters of predominantly sulfate anionic composition have been formed within the limits of the mining operations of the Zhyrekensky, Shakhtaminsky and Bugdainsky molybdenum deposits. Maximum concentrations of rare metals are characteristic of highly mineralized acidic sub-dump drainage effluents of the Bugdainsky deposit. Here predominant accumulation of rare-earth elements, cadmium, lithium, gallium, and rubidium is recorded. The fractionation of rare-earth elements is studied, and a significant difference in the configurations of their profiles in water and rock is shown. The practical significance of the study is due to the solution of the problem of preserving water resources regarding the mining production impact, as well as the necessity to identify possible raw materials sources of rare metals.

Keywords: rare metals, industrial waters, molybdenum deposits, sub-dump drainage, tailing pond.

Введение

Сравнительно позднее открытие и освоение редких элементов промышленностью объясняется их малой распространенностью и рассеянностью и связанными с этим технологическими трудностями извлечения. Большая часть редких элементов представлена металлами, к которым в настоящее время относят, как правило, 36 химических элементов [9, С. 79]: Li, Be, Sc, V, Ga, Ge, Se, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Cd, In, Te, Cs, La и лантаноиды, Hf, Ta, Re, Tl, Bi.

Забайкальский край – старейший горнорудный регион, на его долю приходится около трети запасов молибдена России, активная добыча которого велась в прошлом и на некоторых объектах продолжается до настоящего времени. Отходы горного производства, складированные на прилегающих территориях, а также дренажные стоки горных выработок и фильтрация из заброшенных карьеров являются, с одной стороны, источниками загрязнения окружающей среды, а с другой – перспективным объектом для получения ценных элементов, в том числе редких металлов. Целью данной работы явилось изучение распространенности редких металлов в техногенно-трансформированных водах молибденовых месторождений Восточного Забайкалья.

Объекты и методы исследования

Рассматриваемые объекты расположены в восточной части Забайкальского края (см. рис. 1). На Шахтаминском и Жирекенском месторождениях в прошлом велась промышленная отработка. Оба рудника в настоящее время закрыты. На Бугдаинском месторождении велась только опытная добыча.

Месторождения приурочены к гранитоидам шахтаминского и амананского (J_2-3) рудоносных комплексов, характеризующихся редкометалльной геохимической специализацией [2, С. 575], [3, С. 772], [5, С. 113, 125]. Жирекенское и Шахтаминское месторождения относится к группе существенно молибденовых месторождений Cu-Mo-порфировой формации. Главными рудными минералами на Жирекенском месторождении являются молибденит, халькопирит и пирит [7, C. 185]. На Шахтаминском месторождении наиболее распространенные рудные минералы – молибденит, пирит, сфалерит, галенит, халькопирит [8, C. 191]. Бугдаинское W-Mo месторождение приурочено к центральной части вулкано-купольной структуры, прорванной гранитоидами шахтаминского интрузивного комплекса. Наиболее распространенными рудными минералами являются пирит, галенит, сфалерит, молибденит [5, C. 114].

Рис. 1 – Географическое положение месторождений

 

В исследованных районах были опробованы воды, дренирующие отвалы горных пород, прудов хвостохранилищ, поверхностные и подземные воды. Химико-аналитические исследования вод проводились общепринятыми методами в Институте природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН (г. Чита). Дополнительно выполнялся анализ методом ICP-MS в Институте геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (г. Иркутск).

Результаты исследования и их обсуждение

Воды, формирующиеся в пределах Шахтаминского и Жирекенского месторождений, характеризуются повышенными значениями рН [5, C. 410]. В хвостохранилище и подотвальном дренаже Жирекенского ГОКа вода имеет слабощелочную реакцию (рН 7,7-7,8), на Шахтаминском месторождении величина рН техногенных вод изменяется от слабокислых до слабощелочных значений (рН 5,7-8,1). Наиболее кислые воды (рН<4) зафиксированы в дренажном стоке породных отвалов Бугдаинского месторождения. В пределах исследованных территорий преобладают сульфатные воды: SO₄-Mg-Ca на Бугдаинском, SO₄- и HCO₃-SO₄-Mg-Ca на Шахтаминском, SO₄- и HCO₃-SO₄-Na-Ca на Жирекенском месторождениях. По величине минерализации воды варьируют от ультрапресных (<0,2 г/л) на Шахтаминском до пресных и солоноватых на Жирекенском (0,5-1,3 г/л) и Бугдаинском (0,8-2,2 г/л) месторождениях.

Согласно [2, С. 575], [3, C. 772] гранитоидам шахтаминского и амананского рудоносных комплексов свойственны высокие содержания Rb, Cs, Sr и легких РЗЭ (La, Се, Рг, Nd, Sm, Eu) и напротив – пониженные концентрации Sc, Y, Zr, Hf, Nb, Ta и тяжелых РЗЭ (Y, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu).

Наиболее высокие концентрации редких металлов зафиксированы в водах, дренирующих породные отвалы на Бугдаинском (см. рис. 1 – БД-14-1, БД-14-3, БД-15-2) и Жирекенском (рис. 1 – ЖР-14-3) и водах пруда верхнего хвостохранилища на Шахтаминском (см. рис.1 – ШХ-14-6) месторождениях (Таблица). Максимальные содержания свойственны (в порядке убывания): Sr, Cd, Rb, Li, ∑REE – на Шахтаме, Sr, Li, Rb, Cd, Re, ∑REE, Se – на Жирекене, ∑REE, Cd, Y, Sr, Li, Sc, Rb, Be, Ga – на Бугдае. При этом концентрации редких металлов в водах подотвальных дренажей на Бугдаинском месторождении на порядки выше тех, что отмечались в нейтральных и слабощелочных условиях двух других месторождений.

Сравнение содержаний редких металлов с кларками речной воды [6, С. 9] показало значительное превышение для Ga, Cd, Sc, Y и лантаноидов в кислых подотвальных водах Бугдаинского месторождения (см. рис. 2а). Неблагоприятные геохимические условия (нейтральные и щелочные значения рН) для накопления редких металлов в водах двух других месторождений определяют заметно меньшие превышения их концентраций.

Таблица 1 – Диапазон колебаний концентраций редких металлов и коэффициентов распределения лантаноидов в водах молибденовых месторождений

Примечание: в таблице показаны – минимальные, максимальные и средние (в скобках) значения концентраций компонентов, «–» - содержание ниже предела обнаружения метода; ∑REE – суммы лантаноидов; La_n/Yb_n – отношение, нормированное по NASC; Eu/Eu* = 2(Eu_n)/(Sm_n+Gd_n); Ce/Ce* = 2(Ce_n)/(La_n+Pr_n).

Рис. 2 – Спектры распределения элементов в водах Шахтаминского (ШХ), Жирекенского (ЖР) и Бугдаинского (БД) месторождений при нормировании: а) на кларк речной воды; б) на североамериканский сланец (NASC)

 

Техногенные воды на Шахтаминском месторождении характеризуются накоплением Sc, Rb, Sr, Cd и лантаноидов, на Жирекенском – Li, Se, Rb, Sr, Cd, Cs и лантаноидов.

Профили распределения редкоземельных элементов в рассматриваемых водах в значительной степени отличаются от их спектров в гранитоидах рудоносных комплексов. Распределение в водах характеризуется пологой конфигурацией профилей (см. рис. 2 б, таблица – La_n/Yb_n), тогда как спектры распределения редкоземельных элементов в гранитоидах имеют выраженный отрицательный наклон: La_n/Yb_n = 9,6-20,0 на Жирекенском, 11-47 на Шахтаминском и 5,1-75,5 на Бугдаинском месторождениях [2, C. 579], [3, C. 773], [1, C. 1305].

Конфигурации спектров распределения лантаноидов при нормировании на кларки речных вод либо североамериканский сланец отличаются незначительно. Для исследованных вод, за редким исключением, характерны цериевые минимумы (Таблица – Ce/Ce*, см. рис. 2б). Их появление в водах объясняют обычно частичным окислением Се³⁺ до Се⁴⁺ и, как следствие, более активным удалением его из водных растворов совместно с гидроокислами железа [10, С. 527]. Слабо выраженные отрицательные европиевые аномалии на Шахтаме и Жирекене (Таблица – Eu/Eu*, см. рис. 2б), соответствуют распределению в породах и рудах месторождений [1, C. 1306], [2, C. 579], [3, C. 772].

Заключение

Отработка молибденовых месторождений способствовала усилению водной миграции рудных элементов, в том числе редких и редкоземельных металлов, максимальные концентрации которых зафиксированы в кислых высокоминерализованных дренажных стоках Бугдаинского месторождения. Проведенные исследования позволяют рассматривать их в качестве возможного источника добычи редких металлов.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Абрамов Б.Н. Особенности распределения редкоземельных элементов в породах и рудах Бугдаинского молибденового месторождения (Восточное Забайкалье) / Б.Н. Абрамов // Успехи современного естествознания. – 2015. – № 1. – С. 1303-1307.
2. Берзина А.П. Жирекенская Мо-порфировая рудно-магматическая система (Восточное Забайкалье) / А.П. Берзина, А.Н. Берзина, В.О. Гимон и др. // Геология и геофизика. – 2015. – Т.56. – № 3. – С. 571-594.
3. Берзина А.П. Шахтаминская Мо-порфировая рудно-магматическая система (Восточное Забайкалье): источники, генетические особенности / А.П. Берзина, А.Н. Берзина, В.О. Гимон и др. // Геология и геофизика. – 2013. – Т. 54. – № 6. – С. 764-786.
4. Замана Л.В. Гидрогеохимия зоны техногенеза молибденовых месторождений Восточного Забайкалья / Л.В. Замана, Л.П. Чечель // Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Евразии: материалы Всероссийской конференции с международным участием c элементами научной школы. Томск, 2015. С. 409-413.
5. Коваленкер В.А. Минералогия и условия формирования золотоносного W-Mo порфирового Бугдаинского месторождения (Восточное Забайкалье, Россия) / В.А. Коваленкер, Г.Д. Кисилева, Т.Л. Крылова // Геология рудных месторождений. – 2011. – Т. 53. – № 2. – С. 107–142.
6. Соловов А.П. Справочник по геохимическим поискам полезных ископаемых / А.П. Соловов, А.Я. Архипов, В.А. Бугров и др. – М.: Недра, 1990. – 335 с.
7. Сотников В.И. Жирекенское медно-молибденовое месторождение. Месторождения Забайкалья (в 2 книгах) / В.И. Сотников, А.П. Берзина, А.Н. Берзина и др. – М.: Геоинформмарк, 1995. – Т. I. – Кн. I. – С. 180-186.
8. Сотников В.И. Шахтаминское молибденовое месторождение. Месторождения Забайкалья (в 2 книгах) / В.И. Сотников, А.П. Берзина, А.Н. Берзина и др. – М.: Геоинформмарк, 1995. – Т. I. – Кн. I. – С. 187-192.
9. Усова Т.Ю. Редкие металлы и их месторождения / Т.Ю. Усова // Соросовский образовательный журнал. – 2001. – Т. 7. – № 11. – С. 79-85.
10. Чудаева В.А. Особенности накопления и фракционирования редкоземельных элементов в поверхностных водах Дальнего Востока в условиях природных и антропогенных аномалий / В.А. Чудаева, О.В. Чудаев // Геохимия. – 2011. – № 5. – С. 523–549.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Abramov B.N. Osobennosti raspredeleniya redkozemel'nyh ehlementov v porodah i rudah Bugdainskogo molibdenovogo mestorozhdeniya (Vostochnoe Zabajkal'e) [The particularities of rare earth elements distribution in the breeds and ores of Bugdainsky molybdenum deposit (Eastern Transbaikalia)] / B.N. Abramov // Uspekhi sovremennogo estestvoznaniya [The successes of modern natural science]. – 2015. – № 1. – P. 1303-1307. [in Russian]
2. Berzina A.P. Zhirekenskaya Mo-porfirovaya rudno-magmaticheskaya sistema (Vostochnoe Zabajkal'e) [Zhireken Mo-porphyry ore-magmatic system (Eastern Transbaikalia)] / A.P. Berzina, A.N. Berzina, V.O. Gimon and others // Geologiya i geofizika [Geology and Geophysics]. – 2015. – Vol. 56. – № 3. – P. 571-594. [in Russian]
3. Berzina A.P. Shahtaminskaya Mo-porfirovaya rudno-magmaticheskaya sistema (Vostochnoe Zabajkal'e): istochniki, geneticheskie osobennosti [Shakhtakhtinskaya Mo-porphyry ore-magmatic system (Eastern Transbaikalia): sources, genetic features] / A.P. Berzina, A.N. Berzina, V.O. Gimon and others // Geologiya i geofizika [Geology and Geophysics]. – 2013. – Vol. 54. – № 6. – P. 764-786. [in Russian]
4. Zamana L.V. Gidrogeohimiya zony tekhnogeneza molibdenovyh mestorozhdenij Vostochnogo Zabajkal'ya [Hydrogeochemistry of technogenesis zone of molybdenum deposits of Eastern Transbaikalia] / L.V. Zamana, L.P. CHechel' // Sovremennye problemy gidrogeologii, inzhenernoj geologii i gidrogeoehkologii Evrazii: materialy Vserossijskoj konferencii s mezhdunarodnym uchastiem c ehlementami nauchnoj shkoly [Modern problems of hydrogeology, engineering geology and hydrogeoecology of Eurasia: materials of the all-Russian conference with international participation with elements of the scientific school]. – Tomsk, 2015. – pp. 409-413. [in Russian]
5. Kovalenker V.A. Mineralogiya i usloviya formirovaniya zolotonosnogo W-Mo porfirovogo Bugdainskogo mestorozhdeniya (Vostochnoe Zabajkal'e, Rossiya) [Mineralogy and formation conditions of gold-bearing W-Mo porphyry bugdainsky Deposit (Eastern Transbaikalia, Russia)] / V.A. Kovalenker, G.D. Kisileva, T.L. Krylova and others // Geologiya rudnyh mestorozhdenij [Geology of ore deposits]. – 2011. – Vol. 53. – № 2. – P. 107–142. [in Russian]
6. Solovov A.P. Spravochnik po geohimicheskim poiskam poleznyh iskopaemyh [Handbook of geochemical prospecting for minerals] / A.P. Solovov, A.Ya. Arhipov, V.A. Bugrov and others. – Moscow: Nedra, 1990. – 335 p. [in Russian]
7. Sotnikov V.I. Zhirekenskoe medno-molibdenovoe mestorozhdenie. Mestorozhdeniya Zabajkal'ya (v 2 knigah) [Zhireken copper-molybdenum Deposit. Deposits of Transbaikalia (in two books)] / V.I. Sotnikov, A.P. Berzina, A.N. Berzina and others. – Moscow: Geoinformmark, 1995. – Vol. I. – Book I. – P. 180-186. [in Russian]
8. Sotnikov V.I. Shahtaminskoe molibdenovoe mestorozhdenie. Mestorozhdeniya Zabajkal'ya (v 2 knigah) [Shahtaminskoe molybdenum deposit. Deposits of Transbaikalia (in two books)] / V.I. Sotnikov, A.P. Berzina, A.N. Berzina and others. – Moscow: Geoinformmark, 1995. – Vol. I. – Book I. – P. 187-192. [in Russian]
9. Usova T.Yu. Redkie metally i ih mestorozhdeniya [Rare metals and their deposits] / T.Yu. Usova // Sorosovskij obrazovatel'nyj zhurnal [Soros educational magazine]. – 2001. – Vol. 7. – № 11. – P. 79-85. [in Russian]
10. Chudaeva V. A. Osobennosti nakopleniya i frakcionirovaniya redkozemel'nyh ehlementov v poverhnostnyh vodah Dal'nego Vostoka v usloviyah prirodnyh i antropogennyh anomalij [Features of accumulation and fractionation of rare earth elements in the surface waters of the Far East under natural and anthropogenic anomalies] / V. A. Chudaeva, O.V. Chudaev // Geohimiya [Geochemistry]. – 2011. – № 5. – P. 523–549. [in Russian]