​Сибирские ученые обнаружили, что отвалы сульфидных месторождений испаряют токсичные химические соединения даже при сравнительно низкой температуре (30—80 °С). Подобный процесс описан впервые, подробности опубликованы в журнале Science in the Total Environment. 

Сульфидные месторождения содержат полиметаллические руды, представленные соединениями серы с металлами. Это, например, такие минералы, как галенит (свинцовая руда), пирит (железный колчедан), молибденит. С 1930-х годов, когда началось активное освоение таких залежей по всему миру и в нашей стране, в частности в Красноярском крае (1930-е, 1960-е годы), на Кольском полуострове (1930-е, 1950-е годы), Рудном Алтае (1970-е годы), Кемеровской области, предприятия не занимались специальным захоронением остатков, возникающих в результате обогащения руды.

Складированные отходы (отвалы, хвостохранилища) сульфидных месторождений рассредоточены почти по всей территории Сибирского региона и представляют опасность для окружающей среды и для человека из-за токсичности выделяемых химических элементов. В Сибири большая часть таких объектов находится в Кемеровской области — это, например, хвостохранилища Салагаевское и Дюков лог в городе Салаире, Комсомольское в поселке Комсомольск, Урской и Белоключевской отвалы в поселке Урск. Эти образования никак не изолированы, часто находятся в границах населенных пунктов или их свободно посещают люди. В то же время из отходов обогащения горно-рудной промышленности в воздух, воду и почву поступают различные элементы: мышьяк, бериллий, олово, свинец и другие с превышением предельно допустимых концентраций (ПДК).

«В мире огромное внимание уделяется определению аномалий распространения токсичных элементов в почве, растительности, но их низкотемпературный перенос, например из сульфидных хранилищ, не обсуждается. Считается, что его не существует, для таких случаев нет даже нормативов ПДК. Хотя они есть для соединений или элементов, мигрирующих в аэрозольной фазе, в виде твердых частиц. Однако же в результате исследования проб воздуха, взятых над территорией месторождения, мы установили, что вместе с газовой фазой из отвалов мигрируют металлы и металлоиды (переходные элементы, у которых есть свойства металлов и неметаллов), возможно в форме аквакомплексов — соединений, содержащих одну или несколько молекул воды», — объясняет заведующая лабораторией геоэлектрохимии Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН профессор, доктор геолого-минералогических наук Светлана Борисовна Бортникова​.  

Ученые ИНГГ, Института геологии и минералогии им. В. С. Соболева СО РАН, Института неорганической химии им. А. В. Николаева СО РАН отбирали образцы воды, почв и воздуха с Белоключевского отвала в Кемеровской области. Пробы твердых веществ и по́ровых вод были взяты из специально зачищенной пятиметровой вертикальной стенки, в которой можно было увидеть взаимоотношения между разными слоями, формирующими отвал. 

Для оценки выноса элементов вместе с испарениями исследователям потребовалось сконструировать специальное устройство: пластиковая бочка без дна ставилась на почву, в течение 4—24 часов с помощью специального охлаждающего устройства собирался жидкостный конденсат из накопившегося в бочке воздуха. Также ученые получили и газовые пробы, прокачав накопившийся под пластиковым сосудом воздух через поглотитель (бидистиллированную воду).

«Мы определили, что и конденсаты, и растворы поглотителя содержат высокое количество разнообразных элементов, в частности металлов и металлоидов. Концентрации кальция, магния, натрия, железа в воздухе над отвалом были немного выше, чем в фоновых образцах. Концентрации калия и мышьяка — даже ниже. Однако для меди, свинца, никеля, теллура, олова и бария измеренные показатели превышали фоновые от 100 до 800 раз. Мы предположили, что источником элементов могут быть вторичные минералы (они образуются в результате окисления сульфидов) и по́ровые растворы в разных пропорциях», — говорит Светлана Бортникова. 

Чтобы смоделировать и исследовать низкотемпературный газовый перенос в лабораторных условиях, ученые нагревали высушенные твердые образцы при 65 °С, конденсировали из них пары́ и анализировали полученные вещества. Выяснилось, что есть сходство между составами конденсатов, извлеченных из воздуха над месторождением, из по́ровых вод и из твердых веществ в ходе лабораторных экспериментов. Положительная корреляция была зафиксирована для окисленных образцов кварц-баритового (SiO2 — BaSO4) состава. Этот факт подтверждает предположение о том, что источником элементов в испаряющихся газах могут быть нестабильные соединения, образующиеся в результате окисления сульфидных минералов.

«Отвалы сульфидных месторождений подвергаются воздействию воздуха и сезонных вод. В результате труднорастворимые сульфиды переходят в легкорастворимые формы — сульфаты. Внутри тела отвала формируются горизонты с высокоминерализованными по́ровыми растворами, из-под него вытекают дренажные воды, в которых тоже может быть высокое количество химических элементов. Сравнительно легко понять, как происходит перенос элементов при низкотемпературном испарении растворов, но гораздо сложнее объяснить этот же процесс для твердого вещества. Пока наша рабочая гипотеза в том, что происходит растворение поверхности зерен минералов сорбированной и/или структурной водой. Сульфатные минералы — это кристаллогидраты, в структуре которых есть связанная вода, она может выходить при повышении температуры даже до 40 °С и захватывать элементы из состава минералов», — добавляет Светлана Бортникова. 

В дальнейшем исследователи планируют подтвердить или опровергнуть предположение, выяснить детали того, как происходит миграция элементов при низкотемпературном испарении, и попробовать определить токсичность этого процесса. 

Надежда Дмитриева