Сбор материалов (проб) для изучения геохимии горнопромышленного техногенеза

Сбор материалов (проб) для изучения геохимии горнопромышленного техногенеза

Сбор материалов (проб) для изучения геохимии горнопромышленного техногенеза

Сбор материалов (проб) для изучения геохимии горнопромышленного техногенеза

4.                  Выполнение задачи 1. В горно-лесной зоне Южного Урала значительные площади занимают темно-серые лесные почвы. Отличительной особенностью темно-серых лесных почв является повышенное содержание гумуса и более темная окраска горизонта А₁ по сравнению с серыми и светло-серыми лесными оподзоленными почвами. Степень оподзоленности этих почв невелика. Строение почвенного профиля зависит от геоморфологических условий площадки отбора, вследствие чего обнаруживаются широкие вариации мощности почвенного покрова, а также соотношений мощностей различных генетических горизонтов, что обуславливает разнообразие вариаций состава и распределения физико-химических показателей по профилям почв. Наблюдаются разрезы как с четкими границами перехода одного горизонта в другой (A→B; В→С; С→D), так и почвы с постепенным переходом между основными горизонтами, где были выделены слои АВ, ВС, СD.

Основным зональным типом почв в  Башкирском Зауралье являются выщелоченные и неполнопрофильные чернозёмы. В условиях высокой эрозионной способности и дефляции  мощность гумусового горизонта составляет менее 40 см. По этому показателю чернозёмовидные почвы  относятся к маломощным. Основной объём почв приходится на среднегумусные чернозёмы с содержанием гумуса между 6 и 9%. Характерным признаком  черноземов на вулканитах основного состава является «языковатость» профиля, формирующаяся за счет затёков гумуса в иллювиальный горизонт по морозобойным трещинам в условиях редуцированного разреза. Поскольку этот тип почв занимает возвышенные участки рельефа и склоны, то почвенный профиль имеет укороченный  вид. Отличается от чернозёмов выщелоченных вскипанием от 10% HCl непосредственно под гумусовым горизонтом, наличием переходного горизонта и его комковатой структурой. В районе, где выполнялся отбор проб, преобладают именно слабокарбонатные чернозёмы с карбонатами в виде присыпки, журавчиков и мелких пятен. Химический состав характеризуется нейтральной реакцией среды и высоким содержанием обменных катионов.

Опробование проводили по генетическим горизонтам почвенных рарезов, с равномерным охватом, для возможности последующего расчета средних содержаний тяжелых металлов в горизонтах А, В и С, оценки физико-химических свойств почв и содержаний в них микроэлементов. Соблюдался основной принцип – обязательное вскрытие и опробование горизонта почвообразующей материнской породы. После препарирования разреза по одной из стенок выполнялось опробование с отбором проб на всю мощность вскрытых горизонтов. Образцы для анализа отбирали в виде средней смешанной пробы из каждого горизонта отдельно из вертикально расположенного выделенного участка профиля (ширина 6–8 см, глубина 5–6 см, высота – глубина горизонта). Вес каждого образца 0.5–0.75 кг.

В целом, на площадках опробования были заложены как маломощные до 35 см, так и полнопрофильные почвенные разрезы мощностью до 1 м, в зависимости от глубины залегания материнской породы. Мощность горизонта лесной подстилки не превышает 3 см, мощность гумусово-аккумулятивного горизонта варьирует от 5 до 30 см (наиболее часто встречаются разрезы с мощностью около 15 см). Аналогичные вариации наблюдаются в мощности иллювиального горизонта, при средних значениях 12 см. Зачастую наблюдаются переходные горизонты типа АВ, ВС, мощность которых варьирует от 10 до 30 см.

В полевой сезон 2015 года заложено 12 полнопрофильных почвенных разрезов, отобрано 128 проб почв (табл.1, рис. 1–6).

Дальнейшие работы с отобранными пробами будут ориентированы на получение следующих данных:

1.      Микроэлементый состав черноземовидных почв Башкирского Зауралья и Оренбуржья  в сравнении с серыми лесными почвами горно-лесной зоны Южного Урала для характеристики масштабов горнопромышленного техногенеза. Все эти почвы по геохимии будут сопоставляться с почвами в пределах геотехнических систем.

2.      Определение потенциальных форм нахождения элементов в зависимости от зонального типа почв с использованием методик последовательных химических экстракций.

3.      Оценка изотопных отношений свинца в различных генетических горизонтах почв  в бинарной системе ²⁰⁶Pb/²⁰⁷Pb - ²⁰⁶Pb/²⁰⁸Pb для геохимической характеристики горнопромышленного техногенеза.

4.      Химико-экспериментальные работы по исследованию потенциальной биодоступности основных элементов (Cu,Zn,Pb,Cd,As,Tl) в растворах, имитирующих желудочный сок и лёгочную жидкость.

Таблица 1

Координаты точек заложения почвенных разрезов 2015

Рис. 1. Места заложения почвенных разрезов.

К настоящему времени пробы почв находятся в стадии подготовки к анализам.

Рис. 2. Полевая документация  почвенного разреза UC(Sl) 645.

Выполнение задачи 2. В прошлые годы уже были отобраны пробы поверхностных почв в пределах геотехнических систем Урала и Казахстана с разным уровнем и генезисом техногенной нагрузки. В текущий полевой сезон была опробована урбанизированная территория Сибайской геотехнической системы.

Полевые и лабораторные исследования загрязненных металлами почв и почвенных образцов осуществляли по «Методическим рекомендациям по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами». Отбор проб почв при проведении мониторинга производили в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.3.01-83 и ГОСТ 17.4.4.02-84.

Поверхностные почвы отбирали методом усреднения пробы верхних слоев (5–7 см) горизонта А.

В районе Сибайской геотехнической системы отобраны поверхностные почвы горизонта А, 1-5 см. В городской черте почвы опробованы в парковой зоне и придомовых территориях, почвы в городской черте не материнские. Всего отобрано 24 пробы почв (рис. 7, табл. 2).

Рис. 7. Места отбора проб поверхностных почв в районе г. Сибай.

Таблица 2

Координаты отобранных проб

К настоящему времени пробы просушены, просеяны и готовы к анализу и прочим исследованиям.

Обработаны пробы прошлых полевых сезонов. Получены первые результаты. Опубликованы тезисы на тему «Особенности микроэлементного состава почв в районе медеплавильного производства (г. Карабаш, Южный Урал)».

Схема опробования поверхностных почв в районе г. Карабаш приведена на рис. 8.

Рис. 8. Схема отбора проб почв в городе Карабаш.

Аналитические исследования проведены в Южно-Уральском центре коллективного пользования по исследованию минерального сырья (в ИМин УрО РАН) с использованием атомно-абсорбционных спектрофотометров (Perkin-Elmer 3100 и Aanalyst 300), а также масс-спектрометрометра с индуктивно-связанной плазмой (Agilent 7700x).

Валовый микроэлементный состав почв в точках отбора пронормирован на среднее содержание элементов в земной коре, что отражено на графиках распределения элементов (рис. 9).

Рис. 9. Значения коэффициентов кларковых концентраций элементов почв в г. Карабаш (c отражением максимальных и минимальных значений).

По сравнению с кларковыми значениями, в почвах г. Карабаш выявлено обогащение As, Cd, Cu, Se, Pb, Sb, Zn, Ti более чем в 100 раз, Sn, Mo, Tl, Ni, Mn превышение от 2 до 20 раз. Co, Ge, Fe, Ba, Cr характеризуются небольшими коэффициентами концентрации (меньше 2), а W, V, U, Li, Y, Sc, Sr, Al, Be, Rb, Th, Nb, Zr, Hf и вовсе находятся в меньших количествах чем в среднем в земной коре. Почвы Карабаша также обеднены элементами группы РЗЭ.

В характеристике почв города Карабаш, в спектре аномальных элементов на первое место выходит As, в целом весь ряд халькофильных элементов имеет весьма большие коэффициенты концентрации относительно кларковых значений. Это явное свидетельство того, что почвы «заражены» продуктами деятельности медеплавильного завода.

Суммарный показатель химического загрязнения почв на всей территории г. Карабаш свидетельствует об уровне «экологического бедствия». Около 70 % исследованной территории характеризуются суммарным показателем загрязнения, превышающим значение 128. Наиболее значимые химические элементы «городской ассоциации» (As, Cd, Cu, Se, Pb, Sb, Zn,) распределены на поверхности практически одинаково: максимальные концентрации приурочены к площадям, примыкающим к действующим производствам медеплавильного завода, и убывают к их периферии – к окраинам города.

Вычисленные коэффициенты суммарного показателя загрязнения по валовому составу почв в некоторых случаях не отображают реальную картину, поскольку не учитывается форма нахождения металлов в почвенном слое. Для определения доступных форм металлов в почве используют вытяжки с применением ацетатно-аммонийного буфера. Для установления количества подвижных форм металлов проведен эксперимент по получению ацетатно-аммонийных вытяжек из почв на мониторинговых площадках, с последующим измерением в них спектра металлов, аналогичного валовому составу почв с этих площадок. Полученные результаты отражены на гистограммах (рис. 10).

На гистограммах (рис. 3) отчетливо наблюдается резкое снижение концентраций с удалением от источника эмиссии. Для Сu четко виден переход от буферной зоны к условно-фоновой. Для Zn область буферной зоны, исходя из полученных значений (если принять ОДК по этому элементу 150–300 мг/кг), несколько расширяется, что может быть связано с химическим и гранулометрическим составом технологических пылей. Концентрации Cu и Zn значительно повышаются в 4 км от труб медеплавильного завода в южном направлении, что объясняется особенностью геоморфологии в данной точке наблюдения. Мониторинговая площадка заложена на склоне достаточно высокой сопки, обращенном в сторону завода и принимает на себя пылевой поток при ветрах южного направления. Повышенные концентрации этих элементов в 6.5 км от труб завода в южном направлении объясняются ветровым разносом вещества хвостохранилища, расположенного в этом районе. Аналогичные закономерности наблюдаются в распределении Pb и Cd.

Скачок концентраций Ni и Сo (4 км южное направление), может объясняться наличием здесь природной минерализации Ni и Co, чему способствует тип пород этой территории (аподунит-гарцбургитовые серпентиниты). Похожая картина наблюдается в 13 км (район дер. Сактаево), где залегают аналогичные породы Таловского массива.

Проблема заложения фоновых площадок в условиях широкого развития горнопромышленного производства на Урале не раз отмечалась исследователями, поскольку в настоящее время, при имеющемся распределении производств, найти площади нетронутые техногенезом практически невозможно.

Необходимо отметить, что, несмотря на аномально высокие концентрации, полученные для гумусово-аккумулятивного горизонта, основная часть металлов в них находится в прочносвязанной форме.

Присутствие большого количества Fe в составе выбросов не приводит к повышению его содержания в почвах импактной зоны на фоне высоких природных концентраций (первые проценты). Как показал эксперимент, Fe находится в прочносвязанной форме, доля его подвижных форм не превышает 2 %, а на фоновых территориях сотые доли процента.

На фоновых и условно-фоновых территориях количество подвижных форм Cu в горизонте А, не превышает 8 %, независимо от различий в валовых концентрациях. В направлении перехода буферной зоны в импактную наблюдается повышение доли подвижной Cu до 26 % в горизонте А.

В горизонте А на фоновых территориях доля подвижного Pb находится в пределах первых процентов, а зоне техногенеза абсолютные значения концентрации подвижных форм Pb отличаются как минимум на два порядка.

Значения долей подвижного Cd в горизонте А, в среднем, составляют 44 % независимо от зоны воздействия. Тип таких соединений Cd и их происхождение, особенно на фоновой территории, неясен. Абсолютные концентрации Cd в горизонте А не превышают 4.5 мг/кг (за исключением ближайшей к заводу площадки – 9.2 мг/кг), что не намного превышает ОДК для почв (3–3.5 мг/кг).

Таким образом, установлено накопление ТМ почвенным слоем, которое выражается в увеличении концентрации их в верхних слоях почвы – 5–12 см (независимо от типа почвенного горизонта). На формирование почвенных растворов горизонта А существенное влияние оказывает тип атмосферных осадков и техногенных выпадений, трансформируемых наземной растительностью. Рассматривая состав почв и экспериментальных вытяжек границу импактной зоны можно провести на расстоянии до 5 км, а буферной – до 15–18 км от Медеплавильного завода.

Сходные методы исследования планируется применить к пробам Сибайской ГТС отобранным сезоне 2015.

Выполнение задачи 3. (Установка почвенных лизиметров и отбор проб лизиметрических вод для исследования геохимии внутрипочвенного стока). Отбор гидрохимических проб, проб влекомой взвеси, донных отложений и аутигенных минералов в поверхностных водотоках Карабашской геотехнической системы.

Для оценки изменения состава поверхностных вод в зоне воздействия Карабашского горнодобывающего и прерабатывающего комплекса во время полевых работ 2015 года производили гидроопробование с отбором разовых и периодических проб. Мониторинговые точки расположены на различных по уровню техногенной нагрузки водотоках. 1) фоновые – минимальный уровень воздействия. 2) техногенные, 3) зоны смешения (рис. 11.). Необходимо отметить, что зоны смешения представляют собой контрастные по свойствам водотоки. Например, при смешении вод Рыжего ручья с р. Сак-Элга, в последней вымирает все живое, а при впадении р. Сак-Элга в р. Миасс визуального загрязнения не наблюдается.

Пробы из поверхностных водотоков отбирали вручную. Разовые пробы характеризовали качество воды в данном месте и в данное время. Периодические пробы отбирем ежегодно на определенных участках поверхностных водотоков. Отбор проб производили согласно ГОСТ Р 51592–2000.

Гидрохимические пробы помещали в чистые 1.5-литровые пластиковые бутылки с четкой маркировкой, которые заполняли под пробку. Пробы в день отбора доставляли в лабораторию для выполнения аналитических работ. Для изучения донных отложений водных систем как индикаторов техногенной нагрузки были отобраны донные осадки поверхностных водотоков. Пробы донных отложений отбирали горстевым способом и помещали в герметичные пакеты. После сушки пробы просеивали через сито с размером ячеек 0.315 мм и хранили в бумажных пакетах в сухом помещении до анализа. Всего отобрано 11 гидрохимических проб и проб донных отложений.

Основными источниками техногенного воздействия на водные системы являются флотационные хвосты обогатительной фабрики и отвалы некондиционных руд и вмещающих пород. Имеется два хвостохранилища содержащие в сумме около 11 млн. т пиритсодержащих хвостов и, так называемое, неорганизованное хвостохранилище, образованное в русле р. Сак-Элга, при сбросе в нее отходов фабрики, которое представляет собой техногенную залежь площадью около 2.5 км² и мощностью от 30 см до 2 м. Образующиеся высокометальные воды-рассолы собираются в общий природный водоток р. Сак-Элга а затем в р. Миасс.

Работы по определению химического состава вод  (табл. 3, 4) и донных отложений продолжаются в настоящий момент. Все пробы к настоящему времени подготовлены для дальнейших анализов.

Таблица 3

Результаты химического анализа точечных проб вод Карабашской ГТС (сентябрь, 2015, аналитики Лонщакова Г.Ф., Уачина Л.Г., Вализер Н.И., Филиппова К.А.)

Продолжение таблицы 3

Таблица 4

Результаты химического анализа точечных проб вод Карабашской ГТС (сентябрь, 2015, аналитики Лонщакова Г.Ф., Уачина Л.Г., Вализер Н.И., Филиппова К.А.)

Продолжение таблицы 4

Выполнение задачи (продолжение прошлых исследоваий)Отбор проб донных отложений озер и верховых торфяников для оценки геохимии и минералогии голоценовой седиментации на Урале.

Проведен отбор проб донных отложений в виде стратифицированной колонки на озере Аушкуль (рис. 12–14).

Рис. 12. Общий вид оз. Аушкуль.

Рис. 14. Фото стратифицированной колонки донных отложений оз. Аушкуль и  ее полевая зарисовка (R(Sd)874).

Отобрано 16 проб донных отложений, а так же пробы придонной (глубина 8.5 м) и поверхностной  (0.15 м) воды. В настоящий момент пробы донных отложений просушиваются.

Данные для этого озера необходимы для продолжения «озерной» тематики  лаборатории. Исследования прошлых лет озер Б.Миассово, Тургояк, Б.Таткуль, Сырыткуль позволлили определить диапазон возраста начальных периодов озерного седиментогенеза на Урале (радиоуглеродные датировки). Выполнение анализов изотопии углерода и кислорода позволит составить изотопно-кислородные летописи реконструкций палеотемператур и ландшафтно-климатических условий позднеледниковья-голоцена для территории Южного Урала. Для некоторых озер к настоящему времени уже изучен минералого-геохимический состав для построения реконструкции палеоклиматических обстановок плейстоцен-голоценовой седиментации. Использование радиометрических трассеров позволит оценить изменения скоростей осадконакопления в котловинах озер в индустриальный период развития территории.

Для данных озер характерны низкие значения отношения объема притока к объему водной массы (К_в=0.01–0.02), в результате чего в расходной части преобладает испарение (50–75%), а в приходной – осадки на водное зеркало (50–75%). По соотношению элементов водного баланса озера относятся к испарительно-дождевым и испарительно-приточным. Тип водообмена аккумулятивно-транзитный, озера слабоводообменны, модуль среднегодового стока низок и составляет около 2 л/сек с 1 км². Поэтому эти озера могут рассматриваться как естественные «планшеты-накопители» аэральных природно-техногенных выпадений, а их стратифицированные донные отложения несут информацию об истории аккумуляции тяжелых металлов в регионе.

Озера располагаются на различном удалении от источника эмиссии – медеплавильного завода. Из них оз. Серебры самое близкое от завода, располагается в 3.5 км к ССЗ в направлении господствующих ветров. Остальные озера располагаются в противоположном направлении, преимущественно южном: Сырыткуль – 20 км, Бол. Таткуль – 31 км, Бол. Миассово – 34 км, Тургояк – 37 км и Бол. Еланчик – 65 км.

Стратифицированные колонки неконсолидированных донных отложений до глубины 30 см отобраны пробоотборником гравитационного типа с закрывающейся диафрагмой и разделены на интервалы 1–2 см. Интервалы более глубоких горизонтов с консолидированными илами отобраны поршневой трубкой и опробованы с шагом 5 см. Анализ воздушно-сухих проб выполнен методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ELAN 9000). Содержания ртути определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре PerkinElmer 3110 с использованием ртуть-гидридной приставки MHS-10 методом «холодного пара» после восстановления ртути SnCl₂.

Распределение тяжелых металлов по колонкам донных отложений показывает резкое увеличение концентраций халькофильных элементов в верхних интервалах. Такие аномальные концентрации четко разграничивают индустриальный и доиндустриальный периоды

Опробование оз. Аушкуль преследует основную цель: поиск «фонового» разреза донных отложений по отношению к основному техногенному источнику для данного района – Карабашского медеплавильного завода. По удалению в южном направлении от завода, это одно из последних озер в изучаемом районе, далее при переходе в степную зону мы сталкиваемся с проблемой отсутствия «природных» озер (наблюдаются только запруды рек и другие искусственные водоёмы).

Для отобранных проб, как и для других озер в прошлые годы, будет проанализирован состав воды – анионно-катионный состав и физико-химические  параметры стандартными лабораторными методами, микроэлементный состав воды и донных отложений методом ICPMS.