Техногенные минералы зоны смешения речных и кислых шахтных вод Кизеловского угольного бассейна

Рассмотрен процесс образования и трансформации минералов в донных отложениях р. Косьвы, которая подвергается загрязнению шахтными водами Кизеловского угольного бассейна. Типоморфными минералами, образующимися при смешении кислых шахтных вод с речными водами, являются ярозит и гетит. Обнаружено, что содержание гетита в донных отложениях может достигать 92% от всех железосодержащих минералов, а содержание ярозита во фракции с размером частиц до 0,01 мм – 55% от всех минералов. При смешении шахтных вод с речными происходит образование взвеси, которая в дальнейшем выпадает в осадок и переносится потоком вниз по течению на значительные расстояния от источника загрязнения. Она содержит железистые минералы, являющиеся сорбентами микроэлементов. Для дальнейшего анализа динамики образования взвеси, содержащей загрязняющие компоненты, детально изучена зона наиболее интенсивного ее образования и выделен оптимальный участок для установки гидрохимических датчиков. Со временем происходит трансформация всех железосодержащих минералов в гетит. Однако так как трансформация минералов протекает через фазу их растворения, а образующийся в результате трансформации гетит обладает меньшими адсорбционными свойствами, чем исходные минералы, то адсорбированные микроэлементы могут высвобождаться в раствор и являться источником вторичного загрязнения. Изучение образования техногенной взвеси при помощи данных, получаемых с гидрохимических датчиков, позволит оценивать временную изменчивость поступления загрязняющих веществ.

Максимович Н. Г., Деменев А. Д., Хмурчик В. Т., Березина О. А., Мизёв А. А. Техногенные минералы зоны смешения речных и кислых шахтных вод Кизеловского угольного бассейна // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2025. – № 4. – С. 72–87. DOI: 10.25018/0236_1493_2025_4_0_72.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-77-01081 (https://rscf.ru/project/23-77-01081).

Максимович Николай Георгиевич¹ — канд. геол.-минерал. наук, доцент, Заслуженный эколог РФ, заместитель директора по научной работе Естественнонаучного института, e-mail: nmax@psu.ru, ORCID ID: 0000-0001-6220-2730,
Деменев Артем Дмитриевич¹ — канд. геол.-минерал. наук, старший научный сотрудник, e-mail: demenevartem@gmail.com, ORCID ID: 0000-0003-1086-178Х,
Хмурчик Вадим Тарасович¹ — д-р геол.-минерал. наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: khmurchik.vadim@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-7629-6168,
Березина Ольга Алексеевна¹ — канд. геогр. наук, доцент, e-mail: berezina.olga16@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-6491-0722,
Мизёв Артем Александрович¹ — студент магистратуры, e-mail: artem.mizev@bk.ru, ORCID ID: 0009-0008-0069-1207,
¹ Пермский государственный национальный исследовательский университет (ПГНИУ)

Березина О.А., e-mail: berezina.olga16@gmail.com.

1. Acharya B. S., Kharel G. Acid mine drainage from coal mining in the United States — An overview // Journal of Hydrology. 2020, vol. 588. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2020.125061.

2. Бурмистров А. А., Самсонов А. А., Тельнов А. Е. Эколого-экономические аспекты разработки природных и связанных с ними техногенных рудных месторождений на примере Джидинского вольфрамо-молибденового комбината, Республика Бурятия // Вестник Московского Университета. Серия 4. Геология. — 2024. — № 2. — С. 54—64. DOI: 10.55959/MSU0579-94064-2024-63-2-54-64.

3. Рыбникова Л. С., Рыбников П. А., Наволокина В. Ю. Оценка эффективности очистки кислых шахтных вод (на примере медноколчеданных рудников Среднего Урала) // Записки Горного института. — 2024. — Т. 267. — С. 388—401.

4. Abramov S. M., Tejada J., Grimm L., Schädler F., Bulaev A., Tomaszewski E. J., Byrne J. M., Straub D., Thorwarth H., Amils R., Kleindienst S., Kappler A. Role of biogenic Fe (III) minerals as a sink and carrier of heavy metals in the Rio Tinto, Spain // Science of the Total Environment. 2020, vol. 718, article 137294. DOI: 10.1128/aem.02290-21.

5. Фетисова Н. Ф. Исследование форм миграции металлов в реках, подверженных влиянию шахтных вод Кизеловского угольного бассейна // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2021. — № 1. — С. 144—152. DOI: 10.18799/24131830/2021/ 1/3007.

6. Broshears R. E., Runkel R. L., Kimball B. A., McKnight D. M., Bencala K. E. Reactive solute transport in an acidic stream: experimental pH increase and simulation of controls on pH, aluminum, and iron // Environmental Science & Technology. 1996, vol. 30, no. 10, pp. 3016—3024.

7. Максимович Н. Г., Пьянков С. В. Кизеловский угольный бассейн: экологические проблемы и пути решения. — Пермь: ПГНИУ, 2018. — 288 с.

8. Имайкин А. К., Имайкин К. К. Изменение гидрогеологических условий Шумихинского месторождения угля (Предуралье) под влиянием подземных горных работ // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2022. — Т. 333. — № 7. — C. 64—75. DOI: 10.18799/24131830/2022/7/3482.

9. Kupka D., Pállová Z., Horňáková A., Achimovičová M., Kavečanský V. Effluent water quality and the ochre deposit characteristics of the abandoned Smolník mine // East Slovakia. Acta Montanistica Slovaca. 2012, vol. 17, no. 1, pp. 56—64.

10. Fischer W., Schwertmann U. The formation of hematite from amorphous iron (III) hydroxide // Clays and Clay Minerals. 1975, vol. 23, pp. 33—37.

11. Supattarasakda K., Petcharoen K., Permpool T., Sirivat A., Lerdwijitjarud W. Control of hematite nanoparticle size and shape by the chemical precipitation method // Powder Technology. 2013, vol. 249, pp. 353—359.

12. Ивашов П. В. Геохимия и термодинамика эпигенетического процесса образования пиритовых конкреций // Биогеохимия зоны гипергенеза: сборник научных статей. — М., 1971. — С. 3—29.

13. Peiffer S. The reaction of hydrogen sulphide with ferric oxides — some conceptual ideas on its significance for sediment—water interactions // Environmental Chemistry of Lakes and Reservoirs. ACS Advances in Chemistry Series. 1994, vol. 237, pp. 371—390.

14. Lee J.-E., Kim Y. A quantitative estimation of the factors affecting pH changes using simple geochemical data from acid mine drainage // Environmental Geology. 2008, vol. 55, no. 1, pp. 65—75. DOI: 10.1007/s00254-007-0965-6.

15. Yu J. Y., Heo B., Choi I., Cho J., Chang H. Apparent solubilities of schwertmannite and ferrihydrite in natural stream waters polluted by mine drainage // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1999, vol. 63, no. 19/20, pp. 3407—3416.

16. Da Silva E. F., Patinha C., Reis P., Fonseca E. C., Matos J. X., Barrosinho J., Oliveira J. M. S. Interaction of acid mine drainage with waters and sediments at the Corona stream, Lousal mine (Iberian Pyrite Belt, Southern Portugal) // Environmental Geology. 2006, vol. 50, no. 7, pp. 1001—1013. DOI: 10.1007/s00254-006-0273-6.

17. Munk L., Faure G., Pride D. E., Bigham J. M. Sorption of trace metals to an aluminum precipitate in a stream receiving acid rock-drainage; Snake River, Summit County, Colorado // Applied Geochemistry. 2002, vol. 17, no. 4, pp. 421—430. DOI: 10.1016/S0883-2927(01)00098-1.

18. Sánchez-España J., López-Pamo E., Santofimia E. P., de Andrés J.-R., Martin-Rubi J.-A. The removal of dissolved metals by hydroxysulphate precipitates during oxidation and neutralization of acid mine waters, Iberian Pyrite Belt // Aquatic Geochemistry. 2006, vol. 12, no. 3, pp. 269—298. DOI: 10.1007/s10498-005-6246-7.

19. Paulson J. A., Balistrieri L. Modeling removal of Cd, Cu, Pb, and Zn in acidic groundwater during neutralization by ambient surface waters and groundwaters // Environmental Science & Technology. 1999, vol. 33, no. 21, pp. 3850—3856.

20. Zhao H., Xia B., Qin J., Zhang J. Hydrogeochemical and mineralogical characteristics related to heavy metal attenuation in a stream polluted by acid mine drainage. A case study in Dabaoshan Mine, China // Journal of Environmental Sciences. 2012, vol. 24, no. 6, pp. 979—989. DOI: 10.1016/S10010742(11)60868-1.

21. Hammarstrom J. M., Seal R. R., Meier A. L., Kornfeld J. M. Secondary sulfate minerals associated with acid drainage in the eastern US: recycling of metals and acidity in surficial environments // Chemical Geology. 2005, vol. 215, no. 1—4, pp. 407—431. DOI: 10.1016/j.chemgeo.2004.06.053.

22. Murad E., Rojik P. Iron mineralogy of mine-drainage precipitates as environmental indicators: review of current concepts and a case study from the Sokolov Basin, Czech Republic // Clay Minerals. 2005, vol. 40, no. 4, pp. 427—440. DOI: 10.1180/0009855054040181.

23. Bigham J. M., Schwertmann U., Traina S. J., Winland R. L., Wolf M. Schwertmannite and the chemical modeling of iron in acid sulfate waters // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1996, vol. 60, no. 12, pp. 2111—2121. DOI: 10.1016/0016-7037(96)00091-9.