Глава 1. Природные условия Хиагдинского ураново-рудного поля

Хиагдинское месторождение признано одним из лучших объектов России по запасам уранового сырья, находится в Баунтовском Эвенкийском районе Республики Бурятия. Прогнозные запасы оцениваются в 100 тыс. тонн урана и рассчитаны на 40 лет добычи. До освоения месторождения таежно-мерзлотные ландшафты, представляли первичные, мало трансформированные, природные комплексы, которые начали подвергаться техногенному воздействию.

ОАО "Хиагда" с 1999 по 2008 гг. на V рудном теле Хиагдинского месторождения урана проводилась опытно-промышленная добыча урана способом подземного выщелачивания.

Полигон подземного выщелачивания на ОАО «Хиагда »

http://www.khiagda.armz.ru/

С 2009 г. предприятие переходит на стадию промышленного освоения. Полигон ПВ расположен на покрове базальтов, пологом солифлюкционном склоне в вершине ручья Дренажного – правого притока р. Тетрах – 1-^й. (См. приложение 1.) Ранее в 1982 – 1998 гг. в 250 м ниже полигона ПВ были проведены два натурных опыта по двух скважинной схеме извлечения урана сернокислотными растворами способом подземного выщелачивания из V рудного тела.

Техногенное воздействие на экосистемы началось с 1960 г. после строительства автодороги Романовка – Багдарин. С 1980 г. усилились поисково-разведочные работы в связи с открытием Хиагдинского месторождения урана и с 1989 г. его опытно-промышленной разработкой. Основное воздействие на экосистемы и геологическую среду оказали поисково-разведочные работы по линиям буровых скважин, дороги, строительство временного поселка Южный геологов - разведочников на берегу оз. Хиагда и промышленно-опытный участок с полигоном ПВ – локального источника техногенного радионуклидного и сульфат-ионного загрязнения окружающей среды. При строительстве поселка геологов и вахтового поселка с полигоном ПВ был вырублен лиственничный лес и снят почвенный покров, в результате на месте этих объектов была ликвидирована аномалия цезия-137. Так возникли окна (4 - 7 га) фоновых концентраций цезия-137 среди площадных техногенных аномалий, образовавшихся в 1949-1962 гг. после испытаний ядерного оружия на Семипалатинском полигоне.

Радиационный фон таежно-мерзлотных ландшафтов изменился в результате техногенного воздействия, выпадения радиоактивных осадков и опытно-промышленной добычи урана способом подземного выщелачивания. Выпадение радионуклидов после испытаний ядерного оружия (ЯО) на Семипалатинском полигоне вызвало аккумуляцию Cs-137 в верхнем горизонте почв – подстилке и мохово-лишайниковом покрове таежных экосистем. Накопление Cs-137 на биогеохимическом барьере локализовало техногенное загрязнение и резко ограничило вертикальную и горизонтальную миграцию в указанных экосистемах. Локальные пятна загрязнения Cs-137 на площади работ не вызывают экологической напряженности на биоту (Кременецкий, Леонов, 2006).

На площади полигона в 1,2 га размещаются 18 закачных и 5 откачных скважин (Лбов, Адосик, Курсинов, 2005). Шесть наблюдательных скважин обеспечивают контроль при процессе выщелачивания, растекания технологических растворов за границы опытного блока в продуктивном горизонте и оценку состояния подземных вод вышележащего водоносного горизонта в неогеновых базальтах. Продуктивные (промышленные) растворы из скважин по трубопроводу поступают в ГОК, цех гидрометаллургии, где получают урановый концентрат - "желтый кек", который складируется в контейнеры. Освобожденный от урана раствор доукрепляется серной кислотой и снова закачивается в продуктивный горизонт. При ПВ осуществляется замкнутый технологический цикл извлечения урана. Общая производительность полигона по растворам составляет 23-25 м³/час, дебиты откачных скважин – 3.3-3.5 м³/час. Большое количество растворов подается в закачной ряд (скв. №№ 12, 13, 14, 15), дебиты наливов в скважины составляют 1,4-1,45 м³/час.

Опытные работы – подача слабокислых растворов серной кислоты (5-8 г/л) начаты - 15 марта 1999 г. на первом блоке (скважины №18, 19 и 20). Первые признаки формирования растворов возникли последовательно в скважинах № 20, 18 и 19 за счет повышения сульфат-иона. В откачиваемых растворах наблюдалось появление сульфат-иона, увеличение содержания железа и ряда макро-микроэлементов. На переработку продуктивные растворы (ПР) были поданы 5 июля 1999 г. с содержанием урана 11 мг/л (в скв. № 20 –24 мг/л, в скв. 19-11,2 мг/л, в скв. 18-отсутствует).

Закисление второго блока началось 5 августа 2000 г., подача промышленного раствора на переработку на опытной установке (ОУ) – 24 октября 2000 г. Содержание урана в промышленном растворе (ПР) в первом блоке к этому времени составило 45 мг/л, во втором блоке – 8 мг/л. Среднее содержание урана в ПР, поступившее на опытной участок (ОУ) составило 40-50 мг/л.

Основными источниками техногенного загрязнения являются:

· утечки из оголовок закачных и откачных скважин;

· при разрывах трубопроводов утечки растворов, обогащенных серной кислотой, нитратами и радионуклидами;

· сточные воды из скважин, образующиеся при подготовке их к эксплуатации (в среднем 110-130 м³ с каждой скважины) и хозяйственно-бытовые воды;

· наледи вокруг скважин;

· пруд-накопитель для сбора вод из скважин, дождевых и талых вод, дренирующих полигон;

· выбросы загрязняющих веществ в атмосферу - нитратов аммония, гидроокислов натрия, серной кислоты и радона, образующихся при получении уранового концентрата в ГОКе;

· основной вид загрязнения подземных вод продуктивного горизонта при ПВ - развитие сульфатного потока.

Расчетная протяженность такого потока от контура стандартного опытного участка составляет 100 м, при промышленном освоении она будет достигать 200-400 м.

В 2000 г. Центральной геохимической партией ГФУП «Бурятгеоцентр» при инженерно-экологических изысканиях на участке подземного выщелачивания Хиагдинского уранового месторождения были исследованы ландшафты на покрове базальтов, перекрывающих Хиагдинское ураново-рудное поле. Установлено, что природные воды отличаются низким содержанием урана - от 0,2 до 4,1х10^-7 г/л (среднее 0,08 мкг/л). На полигоне ПВ по руч. Дренажный выделяется гидрохимический поток урана (0,15 – 0,4 мкг/л) и сульфат - иона с содержанием 450 мк/л (ПДК=500 мг/л) с разубоживанием к устью до 24 мг/л и в р. Тетрах – 1^й до 3 мг/л. Показано, что техногенное загрязнение радионуклидами воды и донных осадков руч. Дренажного имеет локальный характер и не оказывает влияния на экосистемы.

Распределение радона, урана и тяжелых металлов в почвах на полигоне ПВ

Профиль 1 пройден с севера на юг с западной стороны опытно-промышленной площадки. Результаты измерений показаны на рисунке 1

Рис. 1. Распределение потока радона по профилю 1

Рис. 3.4

Рудная залежь в интервале 460-720 м достаточно отчетливо проявляется повышенными средними значениями потока радона серией аномальных точек, в которых величина потока превышает 1,5 Бк/м²мин. Повышенные значения потока в интервале 130-160 м обусловлены, по всей вероятности, влиянием разлома на формирование эманационного поля.

Профиль №2 пересекает рудную залежь с северной стороны промышленной площадки с северо-востока на юго-запад (рис..2).

Рис.1

В интервале 220-760 м рудная зона проявляется в эманационном поле отчетливо, в то время как в интервале 1000-1300 м обнаружена только одна локальная аномалия (1260 м). Это различие, скорее, обусловлено спецификой образования открытых трещин на покровных базальтах на различных участках месторождения.

Рис. 2. Распределение потока радона по профилю 2

Профиль № 3 полностью пересекает рудную залежь с восточной стороны промышленной площадки (направление с северо-запада на юго-восток), отличается низким уровнем потока радона на всем его протяжении (рис.3.). Повышенные значения потока в точках 220 и 540 м можно объяснить проявлением разломов, которые профиль пересекает в этих точках.

Рис.3. Распределение потока радона на профиле 3

Профиль № 4 проходит параллельно профилю №1 (330 м восточнее), с севера на юг, начало профиля расположено на 50 м южнее юго-восточного угла промышленной площадки. Распределение потока радона по этому профилю показано на рисунке 4. Повышенные значения потока радона в интервале 30-70 м, вероятно, обусловлены наличием разлома, пересекаемого профилем в этом интервале.

Рис. 4. Распределение потока радона по профилю 4

Дальнейшее изменение потока радона по профилю подобно тому, что наблюдалось на профиле № 1 - постепенное возрастание потока при смещении точек наблюдения к югу. Такое изменение потока можно объяснить систематическим изменением проницаемости трещин в базальтовом покрове или ростом мощности рудного тела в этом направлении, что свидетельствуют о совпадении трендов изменения потока радона и концентрации урана в растворе откачных скважин.

Рис. 3.7.

Для проверки возможного влияния поверхностных ореолов радия на формирование эманационного поля в районе опытно-промышленной площадки было отобрано 21 геохимическая проба по профилю № 4, точно по точкам наблюдения потока радона в интервале 0-210 м. Результаты измерения Ra, Th и К в этих пробах показаны на рис. 5.

Рис.5. Изменение содержания радия, тория, калия по профилю 4

Радиевая аномалия в интервале 40-80 м практически точно совпадает с эманационной аномалией на профиле № 4 (Рис. 5.) Данный интервал профиля пересекается с северо-западного направления разломом, где циркуляция приповерхностных вод привела к формированию поверхностной радиевой аномалии. Содержание радия в геохимических пробах порядка nх10^-14 г/кг, в рабочем растворе с извлекаемым ураном 2,5х10^-10г/кг, и это соотношение содержания радия делает вполне допустимой возможность формирования поверхностных аномалий радия за счет утечек рабочего раствора с промышленной площадки.

Таким образом, величина потока радона на поверхности в почвах в районе отрабатываемой урановой залежи отличается достаточно низкими значениями. На участках профилей, пересекающих рудное тело, характерны повышенные значения потока, порядка 1,5 Бк/м²мин и более.

Наблюдаемая зависимость характера изменения и величины потока радона от направления профилей позволяют сделать предположение об ориентации проницаемых трещин в покровных базальтах в северо-западном направлении. Достаточно высокое содержание радия в рабочем растворе (2,5 Бк/л) может привести к формированию поверхностных радиевых аномалий за счет утечки раствора с промышленной площадки.

Распределение радионуклидов и тяжелых металлов в почвах

Характер изменения концентраций радионуклидов и тяжелых металлов в почвах на производственно – опытного участка изучен по двум профилям: АБ - широтному и ВС - меридиональному, пересекающихся на ПВ у скважины № 26 (рис. 6, 7). Профили выходят в лиственничный лес, где верхние горизонты почв загрязнены цезием-137 (20-130 Бк/кг) в результате выпадения радиоактивных осадков после взрывов атомного оружия на Семипалатинском полигоне. На ПОУ с полигоном ПВ, где полностью ликвидирован почвенно-растительный покров, характерны в грунтах низкие фоновые концентрации цезия-137 (2-3 Бк/кг).

Рис. 6. Изменение содержания радиоактивных элементов в почвенных пробах по профилю АБ

Рис. 7. Изменение содержания радиоактивных элементов в почвенных пробах по профилю ВС

На полигоне ПВ вокруг скважины № 17, 20 и др., котлована-отстойника выделяются локальные техногенные пятна загрязнения ураном с содержанием 7-25, 60 г/т. Протяженность их по профилю АБ – 70 м, профилю ВС - 30 и 40м. Здесь на грунтах с низкой радиоактивностью базальтов МЭД колеблется от 6 до 25 мкР/час, повышаясь в оголовке скважин до 30-100 мкР/час. Фоновые концентрации урана в почвах на базальтах колеблются в пределах 1,0-2,0; тория – 4,0-6,8 г/т; калия-40 - 0,65-1,66%.

На рис.8,9,10 показано распределение тяжелых металлов в почвах, на базальтах, перекрывающих Хиагдинское урановое месторождение (V рудная залежь). Обращает внимание повышенное накопление никеля. Содержание никеля в почвах превышает ПДК в 2-2,5 раза (ПДК по никелю составляет 50 мк/кг. В редких пробах почв (П63, П64) повышены содержания свинца, превышение ПДК в 1,2-1,5 раза. Накопление указанных металлов в почвах, вероятно, связано с сорбционным барьером, который проявлен в мерзлотно-таежных ожелезненных почвах на щебнисто-глинистых корах выветривания базальтов с повышенным содержанием окислов железа (рис 10).

Техногенные потоки рассеяния по руч. Дренажному и природные потоки рассеяния по р. Тетрах-1^й

Полигон подземного выщелачивания урана оказывает воздействие на поверхностный сток. От полигона ПВ урана на протяжении 1100 метров фиксируется контрастный техногенный гидро-, лито- и биогеохимический поток рассеяния по руч. Дренажному. Техногенное загрязнение ручья Дренажного от полигона ПВ происходило в течение 10 лет: в 1982 – 1989 гг. при проведении опытных работ по двух скважинной схеме извлечение урана и в 1999 – 2003 гг. при опытно-промышленной добыче урана способом ПВ.

По р. Тетрах-1^й выделятся совмещенные потоки тяжелых металлов в донных осадках и урана в водах. Эти аномалии приурочены к пересечению разломов северо-западного и широтного направлений, где проявлены комплексные геохимические барьеры в заболоченной долине.

На рис. 11 представлены гидрогеохимический поток, образовавшийся при разливе промышленного раствора серной кислоты на поверхности полигона во время технологических операций. При этом произошло смещение кислотно-основных условий среды в кислую область. Концентрация сульфата, хлора превышает фоновые значения в десятки и сотни раз. Происходит интенсивное выщелачивание из вмещающих неогеновых отложений Са, Si, Co, Ni.

Рис. 11. Графики изменения некоторых параметров техногенного потока рассеяния по руч. Дренажный от опытного участка ПВ урана из V рудного тела.

Рис..12. Гидрогеохимический поток рассеяния урана, железа, свинца, углекислого газа по руч. Дренажному, пересекающий разрывное нарушение в точке 6

Руч. Дренажный на удалении 800 метров от границы полигона (рис. 12.) пересекает разлом (точка 6) северо-западного направления, который вероятно дренирует рудное тело 5 и фиксирует разгрузку трещинно-жильных подмерзлотных вод, в которых отмечаются повышенные содержания U, Fe, CO₂. Эти показатели указывают на их глубинный источник. Уменьшение содержаний Pb в воде, вероятно, связано с его высаживанием из раствора в форме труднорастворимого карбоната. Все это может указывать на интенсивную миграцию рабочего раствора с полигона по этому тектоническому нарушению, что создает опасность выхода растворов с высоким содержанием кислоты, урана и др. токсичных компонентов на поверхность.

По ручью Дренажному сформировался короткий (около 1 км) контрастный комплексный техногенный поток (рис. 13.) при сбросе в ручей вод промышленного раствора. Примечательно, что геохимический спектр лито- и биогеохимического потока аналогичен составу промышленного раствора, из которого в поток, совместно с ураном и торием, поступают скандий, лантаноиды, церий. Техногенное загрязнение радионуклидами четко выявляется по растительности – осоке Шмидта.

Гидрогеохимический поток SO₄ и U

Литохимический поток - U, Th, La, Ce, Sm, Eu, Lu, Sc (n×10^-4 %)

Рис. 13. Техногенный поток ПВ по ручью Дренажному

Таким образом, поверхностный сток разлива промышленного раствора на ПВ по ручью Дренажный определяет формирование лито- и биогеохимического потока рассеяния радионуклидов, тяжелых металлов и редких земель. Литохимическая составляющая потока формируется при сорбции из вод указанных элементов тонкодисперсной фракцией донных осадков. Растения вдоль руслового потока активно поглощают из сточных вод и из донных осадков радионуклиды и их спутники. Так, по ручью Дренажный формируется комплексный техногенный гидро-, лито- и биогеохимический поток рассеяния. Он локализуется в устье руч. Дренажного на комплексном геохимическом барьере в мохово-торфяном покрове и не имеет выхода в р. Тетрах – 1^й.

В водах трех наблюдательных скважин на полигоне ПВ, расположенных ниже закачных скважин, характерны повышенные содержания сульфата и хлорида, превышающие фоновые значения в десятки и сотни раз. В водах скважин отмечаются высокие содержания кремния и железа. Это свидетельствует о том, что поток рабочего раствора достиг наблюдательных скважин, в одной из них отмечены подъем этого раствора в подмерзлотные воды к подошве покрова базальтов.

Выше отмечалось, что на Хиагдинском месторождении разрывные нарушения северо-западного и меридионального направлений в верхнепалеозойских гранитах контролируют заложение ураноносных палеодолин и направление долин современных малых рек над ними на плато базальтах, перекрывающих урановые залежи. Разрывные нарушения на плато базальтах являются проницаемыми структурами для восходящих потоков углекислого газа, радона, урана. Вблизи полигона ПВ по долине р. Тетрах вдоль активизированного меридионального разлома выявлены отчетливо слабые аномалии радона, урана, отражающие погребенные базальтами известные урановые залежи (см. рис. 14).

Рис. 14. Распределение радона и урана в воде р. Тетрах – 1^й вдоль разломов над рудными телами V, VI, VII Хиагдинского месторождения урана, перекрытых базальтами