gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2021-3-181-191gscience-289Research ArticleSAFETY IN MINING AND PROCESSING INDUSTRY AND ENVIRONMENTAL PROTECTIONТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОМ КОМПЛЕКСЕ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫChemical reactions and conditions of mineral formation at tailings storage facilities of the Russian Far EastХимические реакции и условия минералообразования на хвостохранилищах Дальнего Востока Россииhttps://orcid.org/0000-0001-8288-0993ЗвереваВ. П.ZverevaV. P.

Валентина Павловна Зверева – доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник, Лаборатория геохимии гипергенных процессов

Scopus ID 14628094500

ResearcherID D-6017-2014

г. Владивосток

Valentina P. Zvereva – Dr. Sci. (Geol. and Min.), Chief Researcher, Laboratory of Hypergene Processes Geochemistry

Scopus ID 14628094500

ResearcherID D-6017-2014

Vladivostok

zvereva@fegi.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6122-2980ФроловК. Р.FrolovK. R.

Константин Русланович Фролов – кандидат химических наук, старший преподаватель, Базовая кафедра химических и ресурсосберегающих технологий

Scopus ID 55570105700

ResearcherID Q-1471-2016

г. Владивосток

Konstantin R. Frolov – Cand. Sci. (Chem.), Associate Professor, Department of Petroleum Technology and Petrochemicals

Scopus ID 55570105700

ResearcherID Q-1471-2016

Vladivostok

 

frolov.kr@dvfu.ruhttps://orcid.org/0000-0002-6439-0736ЛысенкоА. И.LysenkoA. I.

Анастасия Игоревна Лысенко – кандидат химических наук, научный сотрудник, Лаборатория геохимии гипергенных процессов

Scopus ID 55569808000

г. Владивосток

Anastasiya I. Lysenko – Cand. Sci. (Chem.), Researcher, Laboratory of Hypergene Processes Geochemistry

Scopus ID 55569808000

Vladivostok

zvereva@fegi.ruДальневосточный геологический институт ДВО РАНРоссияFar East Geological Institute, Far Eastern Branch of the Russian Academy of SciencesRussian FederationДальневосточный федеральный университетРоссияFar Eastern Federal UniversityRussian Federation20211310202163181191Copyright © Zvereva V.P., Frolov K.R., Lysenko A.I., 20212021Зверева В.П., Фролов К.Р., Лысенко А.И.Zvereva V.P., Frolov K.R., Lysenko A.I.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/289

Cassiterite-sulfide and polymetallic deposits of the Far Eastern Region (FER) were mined by both openpit and underground methods. This resulted in the emerging numerous mine workings and tailings storage facilities (TSFs) (abandoned without reclamation in latest decades) and the formation of mining technogenic mineralogical systems. Sulfide component of minerals in the mining technogenic system is subjected to hypergenic and technogenic processes (oxidation and hydrolysis reactions). As a result, highly concentrated technogenic solutions are formed, from which minerals of various classes precipitate. In this connection the purpose of this study was formulated as follows: to show the possibility of crystallization of technogenic minerals from micropore technogenic solutions. In achieving this goal the following tasks were solved: to demonstrate the possible reactions of oxidation and hydrolysis of technogenic minerals at the tailings storage facilities; to identify Eh-pH parameters of their precipitation from highly concentrated solutions; to determine their possible associations. The studies involved field observations and computations with the use of “Selector” software package. The study findings allow demonstrating possible chemical reactions and physico-chemical conditions of mineral formation for the following elements: Fe, Cu, Pb, Zn, Sb, Mg, Al, and Ca, including the following classes of minerals: oxides and hydroxides, sulfates, carbonates, arsenates and silicates. The paper presented for the first time the crystallization reactions of secondary minerals (37 ones) and their physico-chemical conditions. It was found that secondary minerals: jarosite, pitticite, siderite, tenorite, poznyakite, antlerite and ktenasite crystallize in the interval of positive temperatures, while scorodite, chalcantite, broshantite, cerussite, starkeyite, epsomite and rostite originate in cryogenic conditions (below 0 oC). All other minerals, the possibility of precipitation of which was shown in the paper, crystallized in the whole considered temperature interval, from −25 oС to +45 oС. Field studies and modeling data on formation of technogenic waters (solutions) and crystallization of secondary minerals on the surface of and inside tailings at the tailings storage facilities of the Far East showed high intensity of technogenic processes. Since the tailings storage facilities were not reclaimed, the process of environmental pollution, including the hydrosphere, would last for many decades.

Касситерит-сульфидные и полиметаллические месторождения дальневосточного региона отрабатывались как открытым, так и подземным способами, что привело к появлению многочисленных горных выработок и хвостохранилищ (в период перестройки брошены без рекультивации), а также к формированию горнопромышленных техногенных систем. Сульфидная составляющая полезных ископаемых в горнопромышленной техногенной системе подвергается гипергенным и техногенным процессам (реакциям окисления и гидролиза). В результате формируются высококонцентрированные техногенные воды, из которых выпадают минералы из различных классов. В связи с этим сформулирована цель данной работы – показать возможность кристаллизации техногенных минералов из микропоровых растворов техногенных вод. При достижении данной цели решались следующие задачи: показать возможные реакции окисления и гидролиза техногенного минералообразования на хвостохранилищах; выявить Eh-pH параметры их выпадения из высококонцентрированных растворов; определить их возможные ассоциации. Исследования проведены с помощью натурных наблюдений и программного комплекса «Селектор». Полученные результаты позволяют продемонстрировать возможные химические реакции и физико-химические условия формирования минералов: Fe, Cu, Pb, Zn, Sb, Mg, Al и Ca из различных классов: оксидов и гидроксидов, сульфатов, карбонатов, арсенатов и силикатов. В статье впервые показаны реакции кристаллизации вторичных минералов (37 наименований) и их физико-химические условия. Установлено, что в интервале положительных температур кристаллизуются вторичные минералы: ярозит, питтицит, сидерит, тенорит, познякит, антлерит и ктенасит, а в криогенных условиях: скородит, халькантит, брошантит, церуссит, старкеит, эпсомит и ростит. Все остальные минералы, возможность выпадения которых показана в статье, кристаллизуются во всем рассматриваемом интервале – от –25 до +45 ºС. Натурные наблюдения и полученные при моделировании данные по формированию техногенных вод и кристаллизации вторичных минералов на поверхности и в толще хвостов обогащения на хвостохранилищах Дальнего Востока позволили показать высокую активность техногенных процессов. Так как хвостохранилища не рекультивированы, то процесс загрязнения окружающей среды, включая гидросферу, продлится на многие десятилетия.

горное делополезные ископаемыеобогащениеотходыхвостохранилищетехногенные минералыгипергенные минералысульфидыассоциация (associare)парагенезисшламовые и дренажные водыminingmineralsbeneficiationwastestailings storage facilitytechnogenic mineralshypergene mineralssulfidesassociationparagenesisslime and drainage watersReferencesБулавко Н. В. Минералогия скарновых месторождений Дальнегорского рудного поля (Приморье): Монография. Владивосток: Дальневосточное книжное издательство; 2000. 219 с.Bulavko N. V. Mineralogy of skarn deposits of the Dalnegorsk ore field (Primorye). Monograph. Vladivostok: Far Eastern Book Publisher; 2000. 219 p. (In Russ.)Зверева В. П. Экологические последствия гипергенных процессов на оловорудных месторождениях Дальнего Востока. Монография. Владивосток: Дальнаука; 2008. 165 c.Zvereva V. P. Ecological impacts of hypergene processes at tin the deposits of the Far East. Monograph. Vladivostok: Dalnauka; 2008. 165 p. (In Russ.).Križáni I., Andráš P., Šlesárová A. Percolation modelling of the dump and settlimg pit sediment at the Banská Štiavnbica ore-field (Western Carpathians, Slovakia). Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences. 2009; 4(1):109–125.Križáni I., Andráš P., Šlesárová A. Percolation modelling of the dump and settlimg pit sediment at the Banská Štiavnbica ore-field (Western Carpathians, Slovakia). Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences. 2009; 4(1):109–125.Schwartz M. O. Numerical modelling of groundwater vulnerability: The example Namibia. Environmental Geology. 2006;50(2):237–249. https://doi.org/10.1007/s00254-006-0204-6Schwartz M. O. Numerical modelling of groundwater vulnerability: The example Namibia. Environmental Geology. 2006;50(2):237–249. https://doi.org/10.1007/s00254-006-0204-6Fernandes H. M., Franklin M. R. Assessment of acid rock drainage pollutants release in the uranium mining site of Pocos de Caldas-Brazil. Journal of Environmental Radioactivity. 2001;54(1):5–25. https://doi.org/10.1016/s0265-931x(00)00163-6Fernandes H. M., Franklin M. R. Assessment of acid rock drainage pollutants release in the uranium mining site of Pocos de Caldas-Brazil. Journal of Environmental Radioactivity. 2001;54(1):5–25. https://doi.org/10.1016/s0265-931x(00)00163-6Aryafar A., Ardejani F. D. Verification of numerical modeling results using analytical solution for oxygen diffusion process in sulfide waste dump. In: 4th WSEAS/IASME International Conference on Dynamical Systems and Control. Abstracts. Athens: World Scientific and Engineering ACAD and SOC; 2008. P. 25–29.Aryafar A., Ardejani F. D. Verification of numerical modeling results using analytical solution for oxygen diffusion process in sulfide waste dump. In: 4th WSEAS/IASME International Conference on Dynamical Systems and Control. Abstracts. Athens: World Scientific and Engineering ACAD and SOC; 2008. P. 25–29.Puura E., Neretnieks I., Kirsimae K. Atmospheric oxidation of the pyrite waste rock in Maardu, Estonia. 1 field study and modeling, Environmental Geology. 1999;39:1–19. https://doi.org/10.1007/s002540050432Puura E., I. Neretnieks I., Kirsimae K. Atmospheric oxidation of the pyrite waste rock in Maardu, Estonia. 1 field study and modeling. Environmental Geology. 1999;39:1–19. https://doi.org/10.1007/s002540050432Fernandes H. M., Franklin M. R. Assessment of acid rock drainage pollutants release in the uranium mining site of Pocos de Caldas-Brazil. Journal of Environmental Radioactivity. 2001;54(1):5–25. https://doi.org/10.1016/s0265-931x(00)00163-6Fernandes H. M., Franklin M. R. Assessment of acid rock drainage pollutants release in the uranium mining site of Pocos de Caldas-Brazil. Journal of Environmental Radioactivity. 2001;54(1):5–25. https://doi.org/10.1016/s0265-931x(00)00163-6Wunderly M. D., Blowes D. W., Frind E. O., Ptacek C. J. Sulfide mineral oxidation and subsequent reactive transport of oxidation products in mine tailings impoundments: A numerical model. Water Resources Research. 1996;32(10):3173–3187. https://doi.org/10.1029/96WR02105Wunderly M. D., Blowes D. W., Frind E. O., Ptacek C. J. Sulfide mineral oxidation and subsequent reactive transport of oxidation products in mine tailings impoundments: A numerical model. Water Resources Research. 1996;32(10):3173–3187. https://doi.org/10.1029/96WR02105Чудненко К. В. Термодинамическое моделирование в геохимии: теория, алгоритмы, программное обеспечение, приложения. Монография. Новосибирск: Гео; 2010. 287 с.Chudnenko K. V. Thermodynamic modeling in geochemistry: theory, algorithms, software, and applications. Monograph. Novosibirsk: Geo Publ.; 2010. 287 p. (In Russ.)Helgeson H. C., Kirkham D. H., Flowers G. C. Theoretical prediction of the thermodynamic behavior of aqueous electrolytes at high pressures and temperatures: Calculation of activity coefficients, osmotic coefficients, and apparent molal and standard and relative partial molal properties to 600°C and 5 Kb. American Journal of Science. 1981;281(10):1249–1516. https://doi.org/10.2475/ajs.281.10.1249Helgeson H. C., Kirkham D. H., Flowers G. C. Theoretical prediction of the thermodynamic behavior of aqueous electrolytes at high pressures and temperatures: Calculation of activity coefficients, osmotic coefficients, and apparent molal and standard and relative partial molal properties to 600°C and 5 Kb. American Journal of Science. 1981;281(10):1249–1516. https://doi.org/10.2475/ajs.281.10.1249Tanger J. C., Helgeson H. C. Calculation of the thermodynamic and transport properties of aqueous species at high pressures and temperatures: Revised equations of state for the standard partial molal properties of ions and electrolytes. American Journal of Science. 1988;288(1):19–98. https://doi.org/10.2475/ajs.288.1.19Tanger J. C., Helgeson H. C. Calculation of the thermodynamic and transport properties of aqueous species at high pressures and temperatures: Revised equations of state for the standard partial molal properties of ions and electrolytes. American Journal of Science. 1988;288(1):19–98. https://doi.org/10.2475/ajs.288.1.19Карпов И. К., Киселёв А. И., Летников Ф. А. Моделирование природного минералообразования на ЭВМ. Монография. М.: Недра; 1976. 255 c.Karpov I. K., Kiselev A. I., Letnikov F. A. Computer modeling of natural mineral formation. Monograph. Мoscow: Nedra Publ.; 1976. 255 p. (In Russ.)Johnson J. V., Oelkers E. H., Helgeson H. C. SUPCRT92: A software package for calculating the standard molal thermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000 bar and 0–1000 °C. Computers & Geosciences. 1992; 18(7): 899–947. https://doi.org/10.1016/0098-3004(92)90029-QJohnson J. V., Oelkers E. H., Helgeson H. C. SUPCRT92: A software package for calculating the standard molal thermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000 bar and 0–1000 °C. Computers & Geosciences. 1992; 18(7): 899–947. https://doi.org/10.1016/0098-3004(92)90029-QKulik D. I. Dmitrieva S. V., Chudnenko K. V. et al. User’s manual for Selector-A. Monograph. Brooklyn-Kiev; 1997. 270 p.Kulik D. I., Dmitrieva S. V., Chudnenko K. V. et al. User’s manual for Selector-A. Monograph. Brooklyn-Kiev; 1997. 270 p.Еремин О. В. Расчёт стандартных потенциалов Гиббса для комплексных сульфатов. В: Минералогия и геохимия ландшафта горнорудных территорий. Современное минералообразование: материалы II Всероссийского симпозиума с международным участием и VIII Всероссийских чтений памяти академика А.Е. Ферсмана. Тез. докл. Чита: Экспресс; 2008. С. 98–99.Eremin O. V. Calculation of standard Gibbs potentials for complex sulfates. In: Mineralogy and geochemistry of the landscape of mining areas. Recent mineral formation: Proceedings of the II All-Russian Symposium with international participation and VIII All-Russian readings in memory of Academician A.E. Fersman. Book of abstracts. Chita:Express Publ.; 2008. Pp. 98–99 (In Russ.)Ерёмин О. В., Винниченко С. В., Юргенсон Г. А. Оценка стандартных потенциалов Гиббса сульфатов меди при помощи задач линейного программирования. Вестник Отделения наук о Земле РАН. 2006;(1):19–20.Yeremin O. V., Vinnichenko S. V., Yurgenson G. A. Estimation of standard Gibbs potentials of copper sulfates by means of linear programming techniques. Vestnik Otdeleniya nauk o Zemle RAN. 2006;(1):19–20. (In Russ.)Савченко А. В. Физико-химическое моделирование поведения микроэлементов на некоторых геохимических барьерах. [Дис. … канд. хим. наук]. Владивосток; 2007. 193 с.Savchenko A. V. Physico-chemical modeling of the behavior of minor elements on some geochemical barriers. [PhD thesis in Chemistry]. Vladivostok: 2007; 193 p. (In Russ.)Charykova M. V., Krivovichev V. G., Depmeier B. Thermodynamic of arsenates, selenites and sulfates in the weathering zone of sulfide ores. I. Thermodynamic constants at standard conditions. Zapiski RMO (Proceedings of the Russian Mineralogical Society). 2009;138(6):105–117.Charykova M. V., Krivovichev V. G., Depmeier B. Thermodynamic of arsenates, selenites and sulfates in the weathering zone of sulfide ores. I. Thermodynamic constants at standard conditions. Zapiski Rossiyskogo Mineralogicheskogo Obshchestva / Proceedings of the Russian Mineralogical Society. 2009;138(6):105–117.Yeriomin O. V. Calculation of standard thermodynamic potentials for Na-zeolites with the use of linear programming problems. International Journal of Geosciences. 2011;2(3):227-230. https://doi.org/10.4236/ijg.2011.23024Yeriomin O. V. Calculation of standard thermodynamic potentials for Na-zeolites with the use of linear programming problems. International Journal of Geosciences. 2011;2(3):227-230. https://doi.org/10.4236/ijg.2011.23024Хорн Р. Морская химия: Монография. М.: Мир; 1972. 398 с.Horn R. Marine chemistry. Monograph. Мoscow: Mir Publ., 1972, 398 p. (In Russ.)Карпов И. К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии: Монография. Новосибирск: Наука; 1981. 247 с.Karpov I. K. Computer physico-chemical modeling in geochemistry. Monograph. Novosibirsk: Nauka Publ.; 1981. 247 p. (In Russ.)Зверева В. П., Костина А. М., Лысенко А. И. Происхождение гипергенных и техногенных минералов в горнопромышленных техногенных системах (на примере Дальнегорского района, Приморье). Записки Российского Минералогического Общества. 2019;148(2):50–60. https://doi.org/10.30695/zrmo/2019.1482.03Zvereva V. P., Kostina A. M., Lysenko A. I. Origin of hypergeneand technogene minerals in mining technogene systems (a case study of the Dalnegorsk region, Primorye). Zapiski Rossiyskogo Mineralogicheskogo Obshchestva = Proceedings of the Russian Mineralogical Society. 2019;148(2):50–60. https://doi.org/10.30695/zrmo/2019.1482.03Zvereva V., Frolov K. Komsomol’sk Tin Ore District Mining Industrial System and Parameters of Hypergene and Technogenic Mineral Formation Therein (Far East of Russia). Russian Journal of General Chemistry. 2020;90:2552–2562. https://doi.org/10.1134/S1070363220130046Zvereva V., Frolov K. Komsomol’sk Tin Ore District Mining Industrial System and Parameters of Hypergene and Technogenic Mineral Formation Therein (Far East of Russia). Russian Journal of General Chemistry. 2020;90:2552–2562. https://doi.org/10.1134/S1070363220130046Zvereva V., Lysenko A., Frolov K. Modern minerals formation genesis in kavalerovsky tin-ore district technogenic system (Primorsky Krai). Minerals. 2020;10(2):91. https://doi.org/10.3390/min10020091Zvereva V., Lysenko A., Frolov K. Modern minerals formation genesis in kavalerovsky tin-ore district technogenic system (Primorsky Krai). Minerals. 2020;10(2):91. https://doi.org/10.3390/min10020091Зверева В. П., Лысенко А. И. Реакции и физико-химические параметры кристаллизации гипергенных и техногенных минералов из рудничных вод на месторождениях Дальнего Востока. Экологическая химия. 2021;30(3):159–164.Zvereva V. P., Lysenko A. I. Chemical reactions and conditions of crystallization of man-generic minerals from miner water at deposits of the Far East. Journal of Ecological Chemistry. 2021;30(3):159–164. (In Russ.)Zvereva V. P., Krupskaya L. T. Anthropogenic waters in the Komsomolsk, Kavalerovskii, and Dalnegorsk mining areas of the Far East and their impact on the hydrosphere. Russian Journal of General Chemistry. 2012;82:2244–2252. https://doi.org/10.1134/S1070363212130105Zvereva V. P., Krupskaya L. T. Anthropogenic waters in the Komsomolsk, Kavalerovskii, and Dalnegorsk mining areas of the Far East and their impact on the hydrosphere. Russian Journal of General Chemistry. 2012;82:2244–2252. https://doi.org/10.1134/S1070363212130105Zvereva V. P. Impact of technogenic wastewaters of Kavalerovskii and Dalnegorskii mining districts on the hydrosphere of Primorsky Krai. Russian Journal of General Chemistry. 2019;89(13):2808–2817. https://doi.org/10.1134/S1070363219130115Zvereva V. P. Impact of technogenic wastewaters of Kavalerovskii and Dalnegorskii mining districts on the hydrosphere of Primorsky Krai. Russian Journal of General Chemistry. 2019;89(13):2808–2817. https://doi.org/10.1134/S1070363219130115Лазарев Н. В., Гадаскина И. Д. (ред.) Вредные вещества в промышленности. Справочник для химиков, инженеров и врачей. Изд. 7-е, пер. и доп. В трех томах. Том III. Неорганические и элементорганиче- ские соединения. Л.: Химия; 1977. C 332–333.Lazarev N. V., Gadaskina I. D. (eds.). Hazardous Substances in Industry. Handbook for chemists, engineers and doctors]. 7th edition, amended. In three volumes. Volume III: Inorganic and organometallic compounds. Leningrad: Khimiya Publ.; 1977. Pp. 332–333. (In Russ.)Филов В. А. (ред.) Вредные химические вещества. Неорганические соединения V-VIII групп: Справочник. Л.: Химия; 1989. C. 250–255.Filov V. A. (ed.). Harmful chemical substances. Inorganic compounds of V-VIII groups. Handbook. Leningrad: Khimiya Publ.; 1989. Pp. 250–255. (In Russ.)Zvereva V. P., Krupskaya L. T., Malyuk Ya. N. The influence of Karamkenskoe deposit tailing dump on the region hydrosphere and the dump recultivation (Magadan Region). Russian Journal of General Chemistry. 2013;83:2694–2700. https://doi.org/10.1134/S107036321313015XZvereva V. P., Krupskaya L. T., Malyuk Ya. N. The influence of Karamkenskoe deposit tailing dump on the region hydrosphere and the dump recultivation (Magadan Region). Russian Journal of General Chemistry. 2013;83:2694–2700. https://doi.org/10.1134/S107036321313015X

The authors declare that there are no conflicts of interest present.