​Ученые ИНГГ СО РАН провели комплексные геохимические и геофизические исследования рекультивируемых отвалов, содержащих сульфидсодержащие отходы Беловского цинкового завода (Кемеровская область). Специалисты установили связь между степенью нейтрализации отходов и удельным электрическим сопротивлением среды. Это позволит определить структуру отвалов, найти в них горизонты с различным содержанием сульфидной компоненты и создать рекомендации по геофизическому мониторингу за процессом нейтрализации.

О проведенной работе рассказала София Павловна Грахова – научный сотрудник лаборатории эколого-экономического моделирования техногенных систем ИНГГ СО РАН.

София Грахова проводит измерения на Беловском отвале

Где именно работали ученые?

Исследуемые отходы складированы в виде клинкеров – отходов пирометаллургической обработки сфалеритового концентрата – на территории бывшего Беловского цинкового завода (Кемеровская область). В период с 1950 по 1994 годы в результате пирометаллургической переработки сфалеритового концентрата там было накоплено около 1 млн тонн шлака, содержащего высокие концентрации сульфидов металлов (цинк, медь, кобальт, никель, свинец и др.), металлоидов (мышьяк, сурьма), коксовой пыли и обладающего кислотопродуцирующим потенциалом.

Техногенное загрязнение почв на этой территории существенно: в непосредственной близости от клинкеров в образцах почвы зафиксировано 60-кратное превышение регионального фона по содержанию цинка.

Ученые ИНГГ СО РАН исследуют эти отвалы в течение многих лет. Компания ООО «Рециклинг» в настоящий момент проводит рекультивацию нарушенной территории, в том числе осуществляет нейтрализацию клинкеров. Целью последних исследований был неразрушающий контроль внутренней структуры штабелей клинкера – как отработанного (после извлечения металлов кислыми растворами), так и нейтрализованного (добавлением извести). Это позволит специалистам оценить формирование и распространение минерализованных растворов.

Панорамный вид Беловского цинкового отвала

Что именно сделали ученые Института?

Сотрудники ИНГГ СО РАН провели на отвалах Беловского цинкового завода полевые геофизические исследования. С помощью методов электрометрии ученые определили геометрию и структуру отвалов. Для сбора информации использовались многоэлектродные электроразведочные косы и аппаратура «Скала-48», а для построения трехмерных моделей – программа Res3DInv (Geotomo Corp., Малайзия).

В лаборатории ученые при помощи специального прибора – резистивиметра – измерили удельное электрическое сопротивление (УЭС) образцов клинкера в зависимости от влагонасыщенности.

Сотрудники Института исследовали материал, собранный в течение полевых сезонов 2017–2019 годов. Это образцы отработанного (после извлечения металлов) и нейтрализованного клинкера.

Специалисты выявили численные взаимосвязи между составом вещества из того или иного места отвалов и значениями удельного электрического сопротивления среды (УЭС). На основании геофизических и геохимических исследований в Институте создали трехмерную модель строения отвалов.

Одновременно с определением УЭС клинкера измерялась и его поляризуемость – свойство горных пород создавать вторичные электрические поля под воздействием внешнего поля. Высокой поляризуемостью обладают минералы с электронной проводимостью (например, сульфиды металлов) и графит.

Заземление на территории бывшего Беловского цинкового завода

К каким выводам пришли ученые?

Специалисты установили, что нейтрализованный клинкер обладает более высокими значениями УЭС, чем отработанный во всем диапазоне влажности.

– Это указывает на то, что с помощью электроразведочных методов можно обнаружить участки, не прошедшие нейтрализацию, а также оконтурить обводненные линзы с высокоминерализованными растворами внутри штабеля отвалов, – говорит София Грахова.

Геофизические данные заверялись геохимическими характеристиками вещества. Кроме того, сотрудники ИНГГ СО РАН сделали замеры методом вызванной поляризации – подобные измерения на отвалах Беловского цинкового завода были проведены впервые.

При анализе распределения поляризуемости ученые обнаружили: на профилях электротомографии и вызванной поляризации выделяются зоны с повышенной поляризуемостью. С ними и связаны низкие значения УЭС. Ученые предполагают, что подобные аномалии вызваны остаточными металлическими корольками (сгустками металла), которые характерны для отходов пирометаллургии. Также на поляризуемость вещества может влиять кокс, содержание которого в отвале осталось довольно высоким.

​Что дальше?

По словам Софии Граховой, необходим контроль за состоянием складированных нейтрализованных клинкеров. Актуальной задачей становится разработка неинвазивных методик их контроля с применением электроразведки.

В ближайшем будущем ученые ИНГГ СО РАН планируют осуществлять дальнейший мониторинг отвалов Беловского цинкового завода, а также проводить сезонные наблюдения.

Справка

Работа выполнена при поддержке проектов ФНИ № 0266-2019-0008 и РНФ № 19-17-00134.

Проект Софии Граховой «Разработка методики контроля и объёмного мониторинга процесса рекультивации сульфидсодержащих отходов на территории Российской Федерации методом трёхмерной электротомографии» стал победителем конкурса «Умник».

Текст под редакцией Павла Красина

Иллюстрации предоставлены С.П. Граховой