Техногенный рельеф районов сосредоточенной добычи минерального сырья в аридных ландшафтах на примере Центрального Казахстана

Размещено на http://www.allbest.ru/

Техногенный рельеф районов сосредоточенной добычи минерального сырья в аридных ландшафтах на примере Центрального Казахстана

А.А. Лукашов,

К.М. Акпамбетова

Показано, что в условиях аридного климата эколого-геоморфологические последствия сосредоточенной добычи минерального сырья обладают определенной спецификой: дефляция минеральной массы шахтных отвалов и бортов эксплуатационных карьеров порождает масштабную интоксикацию воздушного бассейна; как в пределах горных отводов, так и вблизи них активизируются водная эрозия незащищенных грунтов, суффозия, просадки и процессы подтопления шахтными водами. Отмечено, что техногенный пресс распространяется и на урбанизированные территории, к числу которых относится и Караганда. Доказано, что геоморфологическая оптимизация природопользования в аридных ландшафтах, в частности в Центральном Казахстане, необходима во избежание негативных экологических последствий.

Введение. Начиная со II тысячелетия до н.э. разработка ценных месторождений выступает в роли одного из ведущих факторов порождения эколого-геоморфологических проблем (рис. 1), особенно в регионах с засушливым климатом. В аридных районах, где имела место длительная горная добыча, особенно велики преобразования (большей частью негативные) морфолитогенной основы ландшафтов. Так, в Восточной пустыне Египта земля взрыта на обширных площадях в среднем на глубину до 2 м разработками россыпного золота, которые велись старателями практически во всех вади. Вследствие активной дефляции древние россыпные разрезы и поныне являются очагами загрязнения приземной атмосферы. шахтный дефляция карьер

К началу наступившего тысячелетия в мероприятиях по утилизации эксплуатационных отвалов и рекультивации территории нуждаются уже 240 000 км 2 поверхности суши. Складирование токсичных - долго не зарастающих отвалов вскрышных пород на угольных месторождениях - нередко "имитирует" эффекты аридного техногенного морфолитогенеза даже далеко за пределами ареалов недостаточного увлажнения (рис. 2).

Во многих областях бывшего СССР добыча полезных ископаемых осуществляется на фоне обострения социально-экологической обстановки, а главное - усложнения проблем рационального использования естественных ресурсов, охраны и преобразования природной среды. Особенно актуальны эти проблемы для "добывающих" и "перспективных" регионов аридных территорий. Опасные эколого-геоморфологические последствия порою "закладываются" уже на стадии проектирования добывающего предприятия и обогатительных производств. Они возникают, например, при неудачном размещении промышленных и селитебных элементов горнодобывающего комплекса по отношению к господствующим летним ветрам. Наглядным примером может служить асбестовый рудник Ак-Довурак на засушливом западе Тувы. Городок горняков построен в степной местности долины р. Хемчик с подветренной стороны от рудника. Его население вынуждено дышать канцерогенной пылью, попадающей в воздух при дефляции отвалов карьера. В тех случаях, когда на значительных площадях хозяйственная деятельность (обычно в течение десятилетий) оказывает негативное влияние на естественные комплексы, возникают и долго остаются "на повестке дня" эколого-геоморфологические проблемы.

Техногенный, экологически проблемный морфолитогенез проявляется не только в появлении антропогенных комплексов рельефа и соответствующих пород, но и в резкой активизации неблагоприятных или опасных геолого-геоморфологических процессов. Одним из наиболее мощных факторов возникновения региональных эколого-геоморфологических проблем является добыча минерального сырья. Ареалы антропогенного горнотехнического вмешательства в недра и наземные ландшафты ограничены контурами отдельных месторождений (реже - целых рудных полей, угольных и нефтегазовых бассейнов и т.п.). Однако неблагоприятное дальнодействие в пространстве-времени может распространяться и за пределы горных отводов.

Таким образом, регионы, где осуществляются масштабные мероприятия по извлечению из недр минерального сырья, почти неизбежно приобретают больший либо меньший спектр экологических проблем [1].

Постановка проблемы. Освоение минеральных богатств зачастую осуществляется в сложных природных условиях и сопровождается масштабными негативными последствиями для природы и человека (с учётом трудно оцениваемой стоимости жертв и вполне оценимой стоимости нарушенных ландшафтов кажущаяся экономическая выгода горной добычи предстаёт в новом свете). Экологический вред, наносимый населению и ландшафтам, иногда соизмерим с экономической выгодой от извлечения минерального сырья из недр. Немалая доля этого вреда приходится на эколого-геоморфологические последствия добычи и первичной переработки ископаемых.

Возникающие в ходе разведки и эксплуатации месторождений проблемы касаются:

· минимизации экологического ущерба на первичной стадии освоения;

· безопасного для здоровья людей размещения элементов добывающего (особенно горнорудного) комплекса, включая обогатительные звенья в рельефе;

· выбора оптимальных участков для складирования отвалов, равно как и для отвода скважинных и шахтных вод;

· "тактики" подземного и карьерного строительства, размещения сети эксплуатационных скважин, предусматривающей щадящее землепользование;

· обеспечения безопасного извлечения сырья;

· оценки характера и степени воздействия на человека и на природные объекты, как при производстве работ, так и в последующий период.

Нежелательные последствия горной добычи на новых этапах освоения недр должны быть спрогнозированы, как минимум, в отношении рельефа, экзогенных процессов и гидрогеологического режима. В основу геоморфологического прогнозирования может быть положена "технологическая" связь между формами антропогенного рельефа, географической обстановкой, условиями залегания скоплений минерального сырья и их вещественным составом [2].

Определяющее воздействие на формирование техногенного рельефа оказывает система добычи минерального сырья. Открытая добыча рудных и нерудных ископаемых уже около 40 лет относится географами и многими геологами к ряду морально устаревших технологий. К сожалению, приповерхностное залегание пластовых тел многих видов сырья большей частью исключает щадящий вариант подземной добычи. Эксплуатационные карьеры в аридных регионах почти неизбежно становятся обширными очагами дефляции. Это имеет место, в частности, на открытых разработках тургайских бокситов на Северо-Западе Казахстана. Глубокие карьеры кардинально меняют гидрогеологическую обстановку в окрестностях месторождений, особенно на территориях скудного атмосферного увлажнения. Так, например, обстоит дело в окрестностях карьера "Богатырь", расположенного в Экибастузском угольном бассейне на Северо-Востоке Казахстана. Его дно в ходе добычи "ушло" на глубину 250 м относительно дневной поверхности. Карьер, к тому же, обрамлён рекордно высокими отвалами, не защищёнными от водной эрозии и дефляции.

При подземном способе добычи характер деформаций поверхности зависит, при прочих равных условиях, от применения сплошной или столбовой системы разработок и, в неменьшей степени, от осуществления или неосуществления закладки выработанных объёмов породы. Типичные геоморфологические последствия подземных работ - мульды оседания, рвы и зоны обрушения, провальные воронки. Иногда густота последних - около 10 на гектар - позволяет говорить даже о проявлении "промышленного карста" (выражение Ф.Н. Милькова).

Таким образом, сосредоточение промышленного потенциала в крупных территориально-производственных комплексах ведет к существенным изменениям окружающей среды. Эти изменения проявляются в таких негативных явлениях, как деформация поверхности земли, загрязнение подземных и поверхностных вод, атмосферного воздуха, заболачивание, деградация почв, частичное или полное уничтожение растительных сообществ. Негативное воздействие на рельеф в аридной зоне оказывают, например, также разработки месторождений флюорита в Западном Прибалхашье и, в ещё большей степени, разработки медно-молибденовых месторождений Северного Прибалхашья.

Разрывные нарушения, вмещающие флюоритовые месторождения и рудопроявления, представляют собой зоны дробления или зоны повышенной трещиноватости. Шахтная добыча этого вида минерального сырья способствует возникновению на поверхности различных положительных и отрицательных техногенных форм рельефа. Разработка Коунрадского медно-молибденового месторождения, кроме образования отвалов, выемок и других форм техногенного генезиса, повлекла за собой целый ряд экологических проблем. Процессы природного выщелачивания в отвалах приводят к загрязнению окружающей среды и создают большое количество кислотных растворов в техногенных водоемах, расположенных в районе отвалов. Сульфидное заражение препятствует возобновлению естественной растительности. Балхашский горнометаллургический комбинат (БГМК) является основным предприятием, оказывающим негативное воздействие на экологическое состояние озера Балхаш и его побережий. [При этом окрестности Балхаша отличаются своеобразным ландшафтом и особой живописностью, благодаря причудливым формам гранитных скал гор Бектауата (рис. 3) и Западного Прибалхашья.]

Материалы и методы исследования.

Исходными материалами явились результаты полевых исследований (1998-2009 гг.), а также исследования, выполнявшиеся в рамках совместной Российско-Казахстанской программы научно-исследовательских, экспериментальных и опытно-конструкторских работ по оценке воздействия и уменьшения вредного влияния запусков ракетоносителей "Протон" на окружающую среду (20002004 гг.), работы по проектам госбюджетной темы "Географические и геоэкологические исследования Центрального Казахстана", фондовые материалы Областного территориального управления "Казнедра" (г. Караганда). Анализ результатов собственных наблюдений, а также фондового и опубликованного материалов явился основным методом исследования.

Ярким примером экологически проблемного техногенного морфолитогенеза, протекающего в аридных условиях, является один из крупнейших угольных бассейнов постсоветского пространства - Карагандинский (Центральный Казахстан). Бассейн занимает площадь 3600 км, вытянут на 120 км в широтном направлении и местами на 60 км - в меридиональном. Он возник в среднем девоне в пределах широтной ветви Казахстанского вулканического пояса. В геологическом строении бассейна принимают участие породы, имеющие широкий возрастной диапазон. Выделяются два комплекса отложений: нижний состоит из глинисто-кремнистых глауконитовых и карбонатных осадков турнейского яруса, а верхний представлен 5,5-километровой параллической угленосной толщей и континентальной молассой среднего верхнего карбона. Продуктивная толща представляет собой типичное для геосинклинальных угленосных формаций однообразное чередование песчаников, глинистых сланцев, мергелей, углистых сланцев и углей. Северный борт бассейна - пологий, мощность отложений там невелика. Она резко возрастает к южному борту, где отложения смяты в опрокинутые и надвинутые к северу складки. Мощность угольных платов Караганды достигает 12 м. Рабочую мощность (более 0,6 м) имеют до 45 угольных пластов [3]. Рельеф бассейна равнинный, абсолютные отметки колеблются от 500 до 600-700 м, что создает благоприятные условия для проведения горных работ. Рельеф, на котором выросла собственно Караганда, представляет собой волнистую наклонную равнину с превышениями до 160 м. Бассейн окружён мелкосопочником из эффузивных и осадочных пород девонского возраста.

Обсуждение результатов

Эколого-геоморфологические исследования, проведенные Лабораторией эколого-географических исследований Центрального Казахстана КарГУ им. Е.А. Букетова (К.М. Акпамбетова, 19952008 гг.) на территории бассейна, позволили на первом этапе выделить специфические типы и формы рельефа техногенного происхождения (табл.). Кроме перечисленных форм рельефа, нами нанесены на карту миниатюрные, но быстро развивающиеся "речные долины", которые образовались в результате размыва пустой породы сбрасываемыми шахтными водами (русло их извилистое, склоны крутые (25-300), сыпучие, средняя высота 4-5 м). В Шерубайнуринском и Тентекском районах бассейна основными видами нарушений природного ландшафта являются заболачивание и затопление подработанных территорий. Источником подтопления служат грунтовые воды аллювиальных отложений рек Шерубайнура и Сокыр. Общая площадь подтопленных земель составляет приблизительно 1000 га, из которых треть затоплена постоянно, а 2/3 - сезонно, вследствие колебания уровня грунтовых вод [4]. В Карагандинском угольном бассейне ведется подземная добыча угля. В зависимости от геоморфологических, геологических и горнотехнических факторов налицо большое разнообразие технологий разработки, оказывающих различное влияние на природную среду. Основными технологическими процессами являются выемка угля, выдача на поверхность шахтных вод, закладка выработанных пространств [5]. Выемка угля способствует образованию трещин, миграции воды и газа в горные выработки и на дневную поверхность. На территории исследования в результате поступления отработанной горной породы сформировались техногенные ландшафты (районы Майкудука, Пришахтинска, Юго-Востока, Шахтинска и др.), отмечается заболачивание участков у подножий отвалов, загрязнение водоемов шламовыми водами.

Нарушение естественного ландшафта происходит также за счет создания и эксплуатации карьеров и дорог к ним. Источниками, активизирующими техногенное воздействие на рельеф, помимо топливно-энергетического и рудного сырья, являются месторождения открытого типа флюсового известняка (Волынское, Южно-Топарское), строительного песка и камня (Молодецкое, Майкудукское), песчано-гравийного материала (Солонички), цемента (Астаховское) и др. Широко распространены просадочные формы рельефа, имеющие не только техногенное происхождение, в их образовании принимают участие также горные породы (конгломераты, гравелиты, песчаники), обладающие определенными физико-химическими свойствами. По данным ПТО ТЭЦ-1 Караганды, плотность пород вскрыши колеблется в интервале значений 2,5-2,9 г/куб. см, влажность составляет 0,6-39 %, текучесть - 12-54 %, пластичность - 1-33 %, фильтрация достигает 2 м в сутки, а просадочность, что особо важно, - 0,25 м в сутки. В горнопромышленных регионах аридной зоны Казахстана города исторически оказались в центре площадей разработок полезных ископаемых, которые ведутся как открытым, так и подземным способами. Процессы, сопровождающие эти разработки, оказывают свое негативное влияние на близрасположенные населенные пункты.

Городские территории меняют свой облик в связи с ростом и укрупнением производственного потенциала месторождения, влекущими за собой крупное промышленное и селитебное строительство, строительство железных дорог и т.д. К таким городам относится и Караганда - крупный город общей площадью 800 км 2. Расположенный в северной части угольного бассейна, он вырос на угольных копях, и является ныне административным центром Карагандинской области. Для него характерна разобщенность и разбросанность жилых массивов и промышленных районов (здесь выделены Юго-Восточный, Северо-Восточный, Западный и Северный районы). Шахты и предприятия угольной промышленности находятся в Северном районе; транспортные и складские хозяйства - в Западном.

Город состоит из двух частей - Старого и Нового города. Старый город, с шахтами и обогатительными фабриками, очень обширен, а Новый город, с многоэтажными административными зданиями, вузами, торговыми центрами, - наиболее благоустроенный район Караганды. Район Старого города - это покатая равнина с небольшими холмами, разделенными широкими плоскодонными лощинами и рытвинами, по которым происходит сток атмосферных и шахтных вод. На высоких сглаженных увалах, имеющих наклон к реке, разместился Новый город. На востоке находится равнина Майкудук (с одноименным промышленным районом Караганды), с небольшими возвышенностями Уштобе и Кособа. В целом рельеф города благоприятен для формирования здесь промышленных предприятий, для проведения жилищно-гражданского строительства.

При вскрышных работах и добыче полезных ископаемых возникают карьеры, рудники, шахты, провальные воронки, а также отвальные поля и терриконы, уступы и террасы (рис. 4).

Кроме скульптурных форм рельефа, развиваются аккумулятивные образования на террасах нижних уровней карьеров или за их пределами. Такие формы рельефа обычно сложены из материала, возникшего в результате вскрышных работ, дробления. На площадках уступов можно видеть небольших размеров аккумулятивные формы рельефа - конусы выноса у тыловых швов, накопившиеся за счет осыпания, обваливания и оползания. Возникшие в результате разработки карьеров техногенные формы рельефа подвергаются влиянию склоновых экзогенных процессов, что увеличивает и водно-эрозионную деятельность, сглаживает и уничтожает неровности. Измененный характер рельефа, увеличение положительных и отрицательных форм создают новые условия для формирования микроклимата. Техногенное воздействие активизирует процессы линейной эрозии, дефляции, суффозии, образования оврагов и промоин. Эти и другие изменения рельефа обусловливают протекание новых, не типичных для региона почвообразующих процессов, химические и физические параметры которых находятся в зависимости от литологического состава пород [1].

В городе-спутнике Абае при сбросе шахтных вод "на рельеф" происходит затопление и уничтожение плодородного слоя почвы; сельскохозяйственные угодья превращаются в болота. Изменению рельефа способствует и разработка месторождения флюсового известняка. С 2003 г. пустая порода терриконов используется в строительстве автомобильных дорог, для заполнения очистного пространства отработанных горизонтов и закрытых шахт, шурфов, канав. Ландшафты, в которых расположены предприятия горнодобывающей промышленности, отличаются повышенным загрязнением атмосферного воздуха в результате развевания мелкозёмистой пустой породы. С начала 70-х годов в Караганде принимались меры по утилизации отходов угольного производства, производились тушение и последующая ликвидация терриконов. Активизация процессов денудации способствовала образованию мощных очагов запыления. Денудация вскрышных пород в отвалах, терриконах, шахтах, карьерах и последующая миграция содержащихся в них химических элементов с образованием вторичных ареалов рассеяния также являются составной частью техногенеза. При складировании пород, извлеченных из массива при проходке горных выработок на шахтах и рудниках, а также при вскрышных работах на карьерах и разрезах образуются отвальные насыпи. Отвальные насыпи могут быть разнообразными по масштабу и форме. Карьерные выемки и отвалы в большинстве случаев представляют собой безжизненные территории. Эрозионные процессы выводят из строя обширные участки, способствуют аккумуляции материала у подножий склонов. На территории города имеется несколько отвалов, на которых вскрышные породы складируются в несколько ярусов высотою более 20 м. Полученный искусственный пересечённый рельеф представляет собой комбинацию высоких насыпей и неглубоких впадин. Склоны отвалов изборождены промоинами.

Заключение

Ежедневно в Карагандинской области образуется около 80-ти наименований промышленных отходов, объем которых составляет более 12 млн тонн в год. Сложилось неудовлетворительное положение, связанное с нарушениями проектных решений в эксплуатации накопителей промышленных отходов, с задержкой строительства и ввода новых мощностей по их хранению. Предприятия, производящие складирование золошлаковых отходов, находятся в окрестностях Караганды. Рельеф, на котором они расположены, относится к типу горнопромышленного. Почвенно-растительный покров здесь сильно деградирован, а отдельные участки долин рек Кокпекты и Солонка заболочены.

Таким образом, разработки месторождений полезных ископаемых, в первую очередь каменного угля, искусственное выравнивание рельефа с целью строительства дорог, наличие карьеров и шурфов без их последующей рекультивации, подтопление рельефа отработанными шахтными водами, наличие закрытых шахт без их последующей рекультивации, наличие отвалов пустой породы привели к развитию многочисленных очагов дефляции, заболачиванию, подтоплению и просадке значительной части аридных ландшафтов Казахстана, в том числе территории г. Караганды.

References

1. TrofimovT., KharkinaM.A., Grigoryeva I. U. Environmental geodynamics. - Moscow, 2008. - 472 p.

2. Lukashov A.A. Nevyazhsky I.I. Principles of Forecasting geomorphic effects the mineral deposits. Geomorph - Moscow, 1979. - № 1. - P. 21-27.

3. Koronovsky V. Short Course Regional Geology of the USSR. MSU press. - 1976. - 399 p.

4. Akpambetova K.M. The influence of anthropogenic impact on the development of the relief // Modern ecological problems of the Central Kazakhstan: collection of research papers. - Karaganda, - Р. 66-72.

5. Engineering Geology of the USSR. Urals, Taimyr and Kazakh folded Country // V.P. Bochkarev, I.A. Pecherkin, Y. Neyzvestnov M. et al. 1990. - Р. 318-366.

Размещено на Allbest.ru