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

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.

К началу наступившего тысячелетия в мероприятиях по утилизации эксплуатационных отвалов и рекультивации территории нуждаются уже 240 000 км² 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 скважин-ных 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 тургай-ских 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 не меньшей 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 турней-ского 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-географи-ческих 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, Пришахтин-ска, 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 км². 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.