Эколого-геохимические исследования Приазовья с учётом влияния геодинамически активных разломов

Шеремет Е.М. д.г-м.н., инж. Волкова К.В., инж. Омельченко А.А.,
Проблеми гірського тиску.Випуск №12- Донецьк, ДонНТУ, 2004.- 43-53 с.

По современным геологическим представлениям вся приповерхностная часть земной коры разбита на блоки различной тектонической активности [2]. Границы таких блоков представляют собой геодинамические зоны. Они могут иметь либо аномально напряжённое состояние, либо представляют собой структуры, по которым происходили или происходят тектонические подвижки блоков горного массива. На площадях развития таких геологических образований формируются природные аномалии многих элементов, превышающие уровни предельно допустимых концентраций (ПДК) для почв в несколько раз. Известно, что разломные зоны являются наиболее проницаемыми участками земной коры. Вдоль них отмечаются выходы подземных вод к дневной поверхности, повышенный газовый и тепловой поток из недр. В зоне их влияния в коренных породах формируются повышенные концентрации рудных элементов, часть их которых при условии превышения уровня предельно допустимых концентраций опасны для человека. Таким образом, разломные зоны, особенно несущие рудную минерализацию, представляют собой потенциально опасные участки для проживания человека, поэтому для оценки их опасности необходим анализ данных геохимических съемок, проведенных по почвенным отложениям.

Кроме этого, в настоящее время на территории Украины происходит формирование атмогеохимических систем "воздушные выбросы в атмосферный воздух - осаждение на поверхность почво-грунтов". Основной особенностью таких систем является динамическое равновесие концентраций аэрозолей металлов и радионуклидов в приземном слое вследствие высокой скорости их осаждения. В то же время, в почво-грунтах происходит резкое замедление миграции многих химических элементов. В результате на поверхности и в верхней зоне почво-грунтов формируются высокие концентрации металлов и радионуклидов, представляющих собой ореолы техногенных изменений геохимического поля и крайне отрицательно влияющих на окружающую среду. Они и являются объектами эколого- геохимических исследований.

Обязательное применение геохимических методов исследований при геолого-экологических работах определяется, прежде всего, тем, что геохимические нагрузки являются одним из ведущих факторов неблагоприятных изменений окружающей среды. Эколого-геохимические исследования выполняются с привлечением широкого комплекса традиционных лито-, био-, гидро- и атмогеохимических методов, основные положения по применению которых регламентируются инструкциями [3,6]. Сущность эколого- геохимического картирования заключается в отборе проб по регулярной сети пунктов наблюдения с последующими аналитическими исследованиями, сравнением полученных результатов с фоновыми содержаниями химических элементов и выделением геохимических аномалий. В качестве критерия оценки изменений в атмогеохимических системах используется система ПДК, хотя в настоящее время корректность применения в качестве критерия оценки состояния среды ПДК многими авторами подвергается сомнению. Предлагается использовать более жесткие критерии, основанные на экологических принципах: верхним пределом экологических критериев должен приниматься такой условно безопасный фактор, который не превышает так называемую "не действующую дозу", равную половине предельно допустимых концентраций, а в тех случаях, когда ПДК отсутствует, - не более двух региональных геохимических фонов [3]. Такой подход при изучении окружающей среды позволяет на ранних стадиях исследований определять масштабы и направленность процессов загрязнения, определять воздействие нескольких элементов в тех случаях, когда концентрации каждого из них не превышают ПДК, но в сочетании могут вызвать отрицательные последствия.

Основной целью эколого-геохимических исследований является количественная оценка макро- и микрокомпонентного состава природных и техногенных компонентов геологической среды - почв, грунтов, горных пород, донных осадков, воды: выявление и оценка источников загрязнения окружающей среды; геохимическая оценка состояния сельскохозяйственных угодий; опережающая оценка состояния сельскохозяйственных угодий; опережающая оценка аварийных ситуаций по загрязнению химическими элементами окружающей среды.

При выборе средств и методов геохимического опробования учитывают то, что в отличие от естественных процессов миграция элементов-загрязнителей происходит сверху вниз. Максимальные концентрации элементов-загрязнителей устанавливаются в верхнем (5 см) горизонте почвенного покрова. Опробование почво-грунтов производится преимущественно в площадном варианте, по квадратной или близкой к ней по параметрам сети, с учетом ландшафтно-геохимического районирования и эколого-геохимических данных.

При геологосъемочных работах масштаба 1:200000 Приазовской комплексной геологоразведочной экспедицией был проведен отбор проб почв и грунтов по сети 4х4 км со сгущениям в аномальных участках 2х2 км и 1х1 км. По данным спектрального анализа этих проб авторами выполнены эколого-геохимические исследования на территории Приазовья. Основой эколого-геохимических исследований является метод картирования компонентов геологической среды, позволяющий установить пространственные закономерности распределения и взаимосвязи природной и техногенной составляющей геохимического поля, а также выявить источники загрязнения. При любых концентрациях элементов, превышающих условно безопасный фактор, их следует рассматривать как показатель загрязнения среды. Естественные аномальные концентрации химических элементов (геохимические аномалии, рудопроявления, месторождения) формально также относятся к объектам, загрязняющим геологическую среду. Картирование почво-грунтов позволяет выделять ареалы техногенного загрязнения или природные гипергенные аномалии, изучение структуры и градиентов которых позволяет определить промышленный или природный источник загрязнения.

В геологическом отношении территория Приазовья весьма разнообразна. Приазовская субпровинция расположена в краевой восточной части Украинского щита. Территорию субпровинции слагают породы архея и протерозоя, относящиеся к самостоятельным структурным ярусам, каждый из которых характеризуется своим набором геологических формаций. Архейский ярус представлен в нижней толще, имеющей мощность 8-9 км, пироксеновыми кристаллосланцами, амфиболитами, биотитовыми гнейсами с пачками глиноземистых пород, а также безрудных и железистых кварцитов. Верхняя часть яруса, имеющая мощность 1 км, представлена глиноземистыми гнейсами, железистыми кварцитами, биотитовыми и серицито-кварцевыми сланцами и метапесчаниками [5]. В протерозойском ярусе также выделяется нижняя и верхняя части. Первая из них представлена пёстрой ритмично-слоистой толщей, состоящей из биотитовых, силлиманит-биотитовых, графит- биотитовых гнейсов, кварцитов, в меньшей степени, амфиболитов, пироксеновых сланцев. Верхняя часть сложена вулканогенными породами, биотитовыми гнейсами, железистыми кварцитами и известняками. Приазовский мегаблок пережил несколько магматических этапов (рис. 1).

Рис. 1.Схема геологического строения Восточного Приазовья (данные Приазовской экспедиции по геологическому доизучению площадей масштаба 1:200000 (ГДП-200) Приазовского блока Украинского щита)Условные обозначения: 1 - достоверные геологические границы; 2 - предполагаемые геологические границы; 3 - оси антиклиналей; 4 - оси синклиналей; 5 - глубинные разломы; 6 - разрывы; 7 - тектонические зоны; 8 - гнейсы биотитовые, биотит-амфиболовые; 9 - гнейсы гранат-силлиманит-биотитовые; 10 - кристаллосланцы двупироксеновые; 11 - граниты биотитовые, биотит-мусковитовые; 12 - плагиограниты биотит-пироксеновые; 13 - диориты, гранодиориты; 14 -нефелиновые сиениты; 15 - кварцевые сиениты; 16 - карбонатиты; 17 - габбро; 18 - габбро-диориты.

К наиболее древним интрузивным комплексам относятся архейские пироксен-содержащие плагиограниты токмакского комплекса, а также плагиограниты и плагиомигматиты шевченковского комплекса. В раннем протерозое образовались диориты и гранодиориты обиточненского комплекса, биотитовые граниты салтычанского комплекса и более поздние биотитовые граниты анадольского комплекса, относимые к гранит- лейкогранитному формационному типу. В эпоху протерозойской тектоно-магматической активизации возникли разнообразные по составу массивы магматических пород: Хлебодаровский, Кальмиусский, Греко-Александровский, Талаковский (формация интрузивных чарнокитоидов, 2025±25 млн.лет), Кременевский и Володарский (габбро-сиенит - гранитная формации, 1800±20 млн.лет), Октябрьский (габбро-нефелиновая формация, 1800±50 млн.лет), Стародубовский, Екатериновский, Каменномогильский, Новоянисольский (формация редкометальных субщелочных лейкогранитов, 1750±50 млн.лет). Многие из названных массивов имеют определенную геохимическую специализацию [4].

Например, массивы формации интрузивных чарнокитоидов имеют, по сравнению с кларками этих пород, повышенные содержания халькофильных элементов. Акцессорные редкометальные минералы, такие как циркон, монацит, ортит, бритолит, встречаются практически во всех интрузивных и ультраметаморфических комплексах Приазовья [2]. Это обеспечивает появление природных геохимических аномалий редких и редкоземельных элементов, многие из которых переведены в разряд рудопроявлений и месторождений. В краевых частях Приазовского блока Украинского щита проявился палеозойский этап, где в связи с основным и щелочным магматизмом и гидротермально- метасоматическими процессами возникло оруденение бериллия, редких земель и плавикового шпата.

Широкое распространение и разнообразный состав магматических пород связывают с наличием в основании Приазовского блока мантийного диапира, центр которого расположен в Восточном Приазовье [7]. Внедрение диапира сопровождалось активизацией древних и появлением новых разломов, способствовавших увеличению магматической проницаемости и появлению многочисленных интрузий. Общеизвестна роль разломов в формировании эндогенного оруденения. Они являются каналами, по которым глубинное вещество поступало к местам локализации, вдоль них происходит мобилизация рудных элементов из вмещающих пород и переотложения в благоприятной термодинамической обстановке. Особенно большое значение имеют долгоживущие глубинные разломы. Многочисленными исследованиями установлено также, что наиболее благоприятны для рудоотложения узлы пересечений разломов.

Разломные зоны относятся к одним из важнейших элементов структуры земной коры. Эти зоны являются наиболее мобильными, энергоемкими и самыми ослабленными ее частями. С ними связан основной тепломассоэнергопоток в недрах Земли. Эти же зоны являются основными проводниками продуктов техногенеза в недра и они формируют геопатогенные зоны в земной коре. По современным представлениям разломы земной коры - это линейные геологические структуры, которые характеризуются не только значительными горизонтальными размерами, но и определенной шириной, достигающей в ряде случаев десятков километров [1]. При этом породы в разломных структурах характеризуются специфическим составом и внутренней структурой. По простиранию разлома меняется его ширина, внутренняя структура, геодинамическая активность проницаемость для рудных растворов. Оценить все эти признаки разломов в полевых условиях при геологосъемочных работах сложно, так как чаще всего разломы закрыты рыхлыми отложениями и доступны для полевого наблюдения лишь отдельные фрагменты разломной структуры. Привлечение комплекса геохимических и геоморфологических методов позволяет в первом приближении решить проблему оценки интенсивности перераспределения химических элементов.

При обработке геохимических данных и графическом изображении полученных результатов важной операцией является определение регионального фона и порогов аномальности элементов. В данных конкретных условиях для региональных фоновых оценок были приняты модальные значения элементов с последующим шагом для изображения в изофонах. За нижний порог аномальности принимались содержания элементов с уровнем аномальности равным 1,5 стандарта.

При обработке данных геохимических исследований использовались современные программные средства - пакет статистического анализа MS Excel и система моделирования поверхностей Surfer 7.0. Для построения моделей пространственного распределения концентраций химических элементов и среднего показателя загрязнения на основе данных в отдельных точках опробования использован метод триангуляции. По полученной треугольной сети производилось построение изоконцентраций отдельных химических элементов и суммарного показателя загрязнения (рис. 2).

Рис. 2.Суммарный показатель загрязнения (в ПДК)

Проведенные исследования позволили выявить аномальные концентрации в почвах следующих токсичных элементов: Zn, Pb (первый класс опасности), Co, Mo, Cr (второй класс опасности), Ba, Mn (третий класс опасности). Концентрации остальных элементов, создающих аномалии в почвах, превысили кларки почв более чем в 2 раза. В целом, наибольший вклад в загрязнения почв вносят сидерофильные элементы (элементы группы железа)- Co, Ni, Cr, Mn. Максимальные концентрации этих элементов в почво-грунтах наблюдаются в районе г. Мариуполь (рис. 2), что, по-видимому, обусловлено техногенными источниками загрязнения. Сопоставление аномалий указанных элементов с положением разломов показало, что аномалии их содержания расположены в зоне влияния Малоянисольской и Кальмиусской зоны разломов. Значительное преобладание влияния техногенных источников загрязнения на рис. 2 обусловлено и тем, что в районе г. Мариуполь сгущена сеть отбора проб почв и грунтов.

По результатам исследований можно сделать вывод, что разломы в Приазовье формируют в почвенных отложениях аномалии токсичных элементов, интенсивность которых превышает безопасный уровень. В состав этих опасных элементов входят элементы группы железа, а также барий, молибден, цинк. Геофизические и геохимические аномалии над активными разломами в пределах геопатогенных зон создают дискомфортную ситуацию для человека, а в ряде случаев приводят к тяжелым заболеваниям. В пределах таких зон увеличивается число аварий на транспорте, происходят деформации зданий и сооружений, разрывы трубопроводов и сетей городских коммуникаций. Для выявления таких опасных зон необходимы дальнейшие систематические эколого- геохимические исследования.

СПИСОК ССЫЛОК

1. Алехин В.И.Проницаемость и неотектоническая активность разломов Приазовского блока УЩ в связи с оценкой их рудоносности // Наукові праці ДонНТУ: Серія гірничо-геологічна. Вип.32.- Донецьк, ДонНТУ, 2001. -С.38-44.

2. Воевода Б.И., Соболев Е.Г., Русинов А.Н, Савченко О.В. Геодинамика и её экологические проявления // Наукові праці ДонНТУ: Серія гірничо- геологічна. Випуск 23. - Донецьк, ДонНТУ, 2001.-с.4-11.

3. Волкова Т.П., Стрекозов С.Н. Минералого-геохимические критерии редкометальной специализации докембрийских комплексов Приазовья // Труды ДонГТУ. Сер. горно-геол. - 2001. - вып.24. - С.120-126.

4. Временные методические рекомендации по проведению геолого- экологических исследований при геологоразведочных работах (для условий Украины)/ Д.Ф.Володин, Е.А.Яковлев, В.И. Почтаренко, В.В.Кухар, В.Ю.Бондаренко, Б.Б. Котляр, А.В.Лущик, Н.Н. Лысяный, А.И.Оставненко, В.А.Сляднев, Л.С.Филатова.. - Киев: Главное координационно-геологическое управление "Укргеология", Центральная тематическая экспедиция, 1990.- 87 с.

5. Гранитоиды Украинского щита. Петрохимия, геохимия, рудоносность. Справочник. / Есипчук К.Е., В.И.Орса, И.Б. Щербаков и др. - Киев: Наукова думка,1993. -231c.

6. Есипчук К.Ю.,Щербак Н.П., Глеваський Е.Б.Уточнення кореляційної стратиграфічної схеми докемрію Українського щита // Минералогический журнал, 1999, №1, с.5-19.

7. Инструкция по геохимическим методам поисков рудных месторождений..- М: Недра, 1983. - 191 с.

8. Оровецкий Ю.П.Мантийный диапиризм. - Киев: Наукова Думка, 1990. - 170 с.

9. Dove, P.M., De Yoreo, J.J., and Weiner, S., Eds.., 2003, Biomineralization: Reviews in Mineralogy and Geochemistry, v.54, 381p.

10. Elburg, M., P.Bons, J. Foden, C. Passchier2002): "The origin of fibrous veins: constraints from geochemistry" in: Deformation Mechanisms, Rheology and Tectonics: Current Status and Future Perspectives. Geol. Soc. London Spec. Publ. 200:103-118