К геоэкологии Донбасса
Автор: Б.С.Панов, О.А. Шевченко, Ю.А. Проскурня, Е.С. Матлак, А.М. Дудик
Источник:Проблемы экологии: ДонГТУ. – 1999. – вып., с.17–25
Автор: Б.С.Панов, О.А. Шевченко, Ю.А. Проскурня, Е.С. Матлак, А.М. Дудик
Источник:Проблемы экологии: ДонГТУ. – 1999. – вып., с.17–25
Донецкий бассейн расположен на юге Восточно-Европейской платформы на территории Украины и Ростовской области России. Он занимает площадь более 60 тыс. км2, вытянутую в субширотном направлении на 650 км при ширине до 100–150 км. Донбасс – крупная геологическая структура, которая является составной частью глобального пояса глубинных дислокаций и геодинамической активности земной коры – линеамента Карпинского [1]. Мощность осадочных образований в Донбассе достигает 20–24 км, главная часть которых относится к каменноугольной системе. Карбон залегает на осадочно-вулканогенных породах верхнего девона или на докембрийском кристаллическом фундаменте бассейна.
Стратиграфический разрез карбона практически непрерывный и является одним из наиболее полных в мире. На породах верхнего карбона без перерыва залегают нижнепермские отложения эвапоритовой формации мощностью до 3 км. В каменноугольных отложениях Донбасса заключено около 330 угольных пластов, из них 130 имеют мощность более 0,45 м. Запасы углей, отвечающих современным кондициям, составляют 96 млрд.т, в том числе в украинской части бассейна 80 млрд.т. Преобладают в Донбассе угли с повышенной зольностью (Aо =12–18%), содержание серы в углях в основном 2,5–3,5%. Характерной особенностью углей является высокое содержание ртути (0,1–0,2 г/т и более) и мышьяка (1–100 г/т и более) [2], что объясняется условиями угленакопления в Донбассе, происходившего на фоне дегазации мантии по зонам глубинных разломов.
Залежи каменного угля в Донбассе были открыты Г.Капустиным в 1721 г., а в 1796 г. началась их промышленная разработка. За 200 лет было добыто свыше 8 млрд.т угля, причем около 5 млрд.т за последние 30 лет. Наибольшая добыча угля в Донбассе приходится на 1975–1977 гг., когда добывалось до 210 млн.т ежегодно. В настоящее время Донбасс переживает глубокий кризис, происходит ежегодное снижение угледобычи. В 1997 г. она составила около 70 млн.т, т.е. оказалась на уровне 30-х годов. Сотни угольных шахт, десятки карьеров по добыче нерудного сырья, многочисленные металлургические, коксохимические, химические и другие заводы на протяжении длительного времени постоянно загрязняют почвенный слой, подземные воды и атмосферу Донбасса токсичными химическими соединениями и металлами, пылью, газами, радионуклидами. Все это весьма негативно сказалось как на окружающей среде, так и на здоровье и продолжительности жизни населения.
2. Материал и методы исследований
Для оценки распространения тяжелых металлов в биосфере Донбасса было проведено эколого-геохимическое картирование почв Донецко-Макеевского района, занимающего площадь более 1000 км2 и являющегося одним из крупнейших горно-промышленных регионов Европы.
Методика работ заключалась в следующем:
Гидрогеохимические исследования включали анализ более 6000 проб воды, отобранных из различных источников: колодцев, родников, скважин и др. Анализ включал изучение не только физических и химических свойств воды, но и определение различных химических элементов и соединений: Hg, As, Zn, Pb, Cu, Mn, F, B, Br, NO3-, NO2- в лаборатории ПГО "Донбассгеология".
Определение содержания ртути в воздухе проведено с помощью газоанализатора ИМГРЭ-8, установленного на микроавтобусе.
3. Неоминерализация в угольных отвалах
Состояние окружающей среды Донецкого бассейна в значительной мере определяется огромным количеством отходов горного производства. За период разработки углей только в Донецкой области накоплено отходов добычи и обогащения около 2 млрд.т. К настоящему времени в бассейне имеется 1257 терриконов, из них для 355 характерны процессы самовозгорания угля. Тонна угля, сгорая, выделяет в атмосферу 60 кг пыли, 50 кг сернистого ангидрита, 8 кг окислов азота и других химических соединений, а также целый набор радионуклидов в виде радона-222, радия-226, тория-232, полония-207 и других.
Изучение минералогических особенностей угленосных пород, склонных к самовозгоранию, показало, что этому способствует их высокая зольность, наличие в углях и породах включений сульфидов железа (в основном пирита) и повышенная пористость [3]. Разложение пирита и других сульфидов происходит не только в результате химического взаимодействия минералов с агентами выветривания, но и при широком участии в этих процессах постоянно присутствующих в зоне гипергенеза тионовых бактерий Thiobacillus ferrooxidaus. Эти бактерии вызывают деструкцию сульфидов, в особенности пирита, и окисляют сульфидную серу до сульфат-ионов. Выделение тепла вследствие экзотермических реакций, протекающих в пиритсодержащих угленосных породах, приводит к их разогреву. При нагревании горных пород до температур 250–260°С выделяющиеся пары серы, содержание которой во многих случаях превышает 4%, а также сероводород, могут самовоспламеняться. Самонагревание пород переходит в их возгорание. Температура в зоне горения, особенно в глубине отвалов, доходит до 800–1200°С, при этом породы испытывают термальный метаморфизм вплоть до частичного их плавления с образованием при остывании псевдо-"базальта".
Перегоревшие породы изменяют свой цвет и становятся красновато-бурыми за счет мельчайших частичек оксидов железа, образующихся из пирита, лимонита, сидерита и других железосодержащих минералов.
Результаты проведенных анализов свидетельствуют о том, что химический состав пород шахтных терриконов в основном отражает состав песчано-глинистых пород карбона Русской платформы. В аргиллитах из шахтных терриконов несколько больше содержания Al2O3 и TiO2 и меньше MgO, CaO. В перегоревших аргиллитах отмечается тенденция к накоплению Fe2O3, S, K2O, а в обломках, содержащих остатки металлических изделий содержание Fe2O3 достигает 67,7%. Перегоревшие алевролиты обогащены K2O, Al2O3, Fe2O3, S. Содержание S в этих породах в 3-10 раз выше, чем в неизмененных алевролитах. В неизмененных песчаниках шахтных терриконов содержание Al2O3, Fe2O3, Na2O в 1,5-3 раза выше кларка песчаных пород [4]. В горелом песчанике содержание Fe2O3, TiO2, P2O5 в 1,5–4,5 раза больше, чем в неизмененном. Горелый песчаник по сравнению с неизмененным обеднен Na2O, K2O, S на в 1,5–2 раза.
Очаги горения являются источниками газовыделений, иногда достаточно интенсивных. При этом в местах выхода газовых струй на поверхности терриконов образуются различные техногенные минералы. Наиболее распространены налеты, корки, кристаллы и их сростки, а также дендриты и другие выделения самородной серы и нашатыря. Новообразования серы занимают иногда площади до нескольких квадратных метров и более.
Химический состав нашатыря, пробы которого были взяты из различных терриконов Донецкой и Луганской областей, отличается постоянством: NH4=33,54–33,74%; Cl=66,03–66,48%. Во всех пробах присутствует бром (0,004–0,133%) и иод (0,0007–0,001%) [5].
Помимо серы и нашатыря на териконах Донбасса впервые обнаружены и другие минералы. Реальгар обычно считается типичным минералом гидротермальных рудных месторождений или продуктом вулканических возгонов на стенках трещин и кратеров вулканов. Как показывают наши данные, он может иметь и иное происхождение, техногенное, будучи продуктом псевдофумарольной деятельности горящих угольных терриконов. Это же можно сказать и о масканьите, который также считали продуктом вулканических возгонов.
В углях и породах угленосной толщи постоянно присутствуют элементы-примеси цветных, редких, благородных и радиоактивных металлов. Их содержания, как правило, значительно превышают кларковые, составляя от 0,1 до 1% на золу, что неизбежно имеет экологические последствия при использовании углей. Токсичными и экологически опасными элементами являются ртуть, мышьяк и другие элементы. При сжигании углей они вначале улетучиваются, а затем частично осаждаются и проникают в почвенный покров и водоносные слои зоны гипергенеза.
4. Тяжелые металлы в почвах Донбасса
Почвы Донбасса представлены черноземом с содержанием гумуса до 5%. Они накапливают химические элементы и соединения техногенного происхождения, в результате чего образуются геохимические аномалии, оказывающие постоянное негативное воздействие на приземную атмосферу, поверхностные и подземные воды. В результате эколого-геохимического картирования было установлено, что из 44 изученных химических элементов 26 являются элементами-загрязнителями почв и других компонентов окружающей среды региона. Они образуют в почвах различные по масштабам и интенсивности очаги загрязнения, которые, как правило, носят комплексный характер. Ртуть, мышьяк и свинец – элементы I класса опасности, входят в группу наиболее активных загрязнителей региона.
Ртуть. Среднее содержание ртути в почвах незагрязненных заповедных ландшафтов юго-востока Украины, принятых за эталон доантропогенных почв Донбасса, составляет 0,037 мг/кг. Среднее значение техногенного фона в почвах Донецко-Макеевского района 0,165 мг/кг. Во многих случаях выявлены высокие концентрации ртути (вплоть до 9,0 мг/кг). Техногенные аномалии ртути различной контрастности покрывают около 90% почв г.Донецка. Анализ распределения загрязнения почв ртутью показывает, что основную роль в этом играют угледобывающие (шахты), углеперерабатывающие и углепотребляющие предприятия, а также бытовое сжигание угля. Среднее содержание ртути в перегоревших отвалах угольных шахт и обогатительных фабрик составляет 0,185 мг/кг, в горящих отвалах оно в десять раз больше – 1,85 мг/кг. В шламах коксохимических заводов количество ртути – 1,12–1,18 мг/кг, а в золе и шлаках тепловых электростанций, работающих на донецком угле содержание ртути – от 0,17 до 1,55 мг/кг. В почвах многих жилых массивов, где происходит в значительном объеме бытовое сжигае угля, наблюдается накопление ртути в концентрациях 0,15–0,37, а иногда до 0,74 мг/кг и более. Аномальные концентрации ртути в почвах установлены и в других районах Донбасса, например, Центральном. Здесь более 100 лет добывались и перерабатывались ртутные руды Никитовского месторождения, а также расположено несколько крупных коксохимических заводов, использующих для получения кокса местные угли, которые наиболее обогащены ртутью. По имеющимся данным количество ртути в почвах г.Горловки в районе Никитовского ртутного комбината достигает 15–20 мг/кг, а в г.Енакиево вблизи коксохимического и металлургического заводов доходит до 10–15 мг/кг.
Мышьяк. На территории г.Донецка выделено 89 очагов загрязнения почв мышьяком, оконтуренных изоконцентратой 63 мг/кг, в 12 из них содержание мышьяка в почвах достигает 85–250 мг/кг, что в 40–100 раз больше предельно допустимой концентрации (ПДК). Многие очаги загрязнения имеют пространственную и генетическую связь с шахтами, обогатительными фабриками, коксохимическими заводами. Присутствуют также техногенные аномалии мышьяка в зонах воздействия на окружающую среду металлургических, металлообрабатывающих и транспортных предприятий. Большое количество очагов загрязнения почв мышьяком обнаружено на территории жилых массивов города, особенно в районах одноэтажной застройки. Некоторые из них имеют значительные размеры (0,3–0,5 км2) и обладают высокой контрастностью. Так, в почвах крупного очага загрязнения (0,5 км2), находящегося в поселке Лидиевка, содержание мышьяка в почвах достигает 100–120 мг/кг (50–60 ПДК).
Свинец. Практически до 90% площади городской застройки загрязнено свинцом в различной степени. Более половины почв г.Донецка содержат свинец в концентрациях от 72 до 1800 мг/кг и более. Основными источниками загрязнения являются предприятия металлургической, горной промышленности, а также автохозяйства.
Помимо ртути, мышьяка и свинца почвы г.Донецка содержат повышенные количества цинка, кадмия и других токсичных элементов. Содержание цинка в почвах составляет от 32 до 10000 мг/кг при ПДК=23 мг/кг. Очаги загрязнения цинком распространены на 60% городской территории и приурочены к заводам черной и цветной металлургии, горящим терриконам угольных шахт и другим промышленным предприятиям. Кадмий обнаружен в пробах почв в количестве 50–500 мг/кг (среднее его содержание в почвах мира 0,5 мг/кг).
Проведенные эколого-геохимические исследования показали, что 50% почв г.Донецка содержат 26 элементов-загрязнителей в средней, высокой и чрезвычайно высокой концентрациях, а 15% городской территории опасно для проживания в соответствии с существующими на Украине санитарными нормами [6].
5. Геохимические аномалии в подземных водах и воздушной среде Донбасса
Проведенные исследования подземных вод верхних водоносных горизонтов Донбасса показало, что здесь сформировалось множество гидрогеохимических аномалий, в которых содержание химических элементов и соединений значительно превышает их предельно допустимые концентрации. Полученные данные позволили выявить закономерности распределения наиболее характерных для зоны свободного водообмена Донбасса токсичных компонентов. Наибольшую угрозу среди них представляет ртуть, мышьяк, цинк и нитраты.
Ртуть образует наиболее крупные техногенные аномалии в подземных водах Центрального района Донбасса вблизи Никитовского ртутного комбината. Здесь содержание этого токсичного элемента составляет 0,01 мг/л, что в 20–30 раз превышает ПДК. Весьма высокие значения (15–20 ПДК) выявлены также в районе г.Енакиево вблизи коксохимического и металлургического заводов. Гидрогеохимические аномалии ртути до 3–10 ПДК обнаружены также вблизи горящих породных отвалов угольных шахт и металлургических заводов городов Донецк, Макеевка и других. Аномалии ртути в регионе связаны с высокой ее концентрацией в почвах и породах горящих терриконов. Это неизбежно негативно сказывается и на состоянии приповерхностной атмосферы региона, где также установлены повышенные содержания ртути. При дыхании пары ртути сорбируются белковыми молекулами и образуют токсичную метил-ртуть, которая нарушает имунную систему и поражает многие органы человека. С помощью газоанализатора ИМГРЭ-8, расположенного на микроавтобусе, было определено количество паров ртути в гг.Донецк, Горловка и в районе Никитовского ртутного комбината (аналитик Фурсов В.З.). В г.Донецке измерения проводились непрерывно при движении микроавтобуса на расстоянии 16 км от западной границы города до его центра и обратно. Было установлено, что среднее содержание паров ртути здесь составляет 27 пг/л при фоновых концентрациях за пределами промышленных регионов до 1,6–1,8 пг/л (1 пг=10–12 г). Еще более значительные содержания паров ртути были выявлены в г.Горловка, особенно вблизи Никитовского ртутного комбината. Здесь были зафиксированы значения от 155–300 до 1427–1680 пг/л. Это является причиной ртутной интоксикации жителей этого района, их повышенной заболеваемости и детской смертности.
Цинк в подземных водах региона образует наиболее крупные ореолы рассеяния. Основными техногенными источниками цинка являются сточные воды заводов цветной и черной металлургии и в меньшей степени угольных шахт. Наиболее высокие его концентрации (50–70 мг/л при ПДК=5,0 мг/л) установлены в районе заводов "Укрцинк" г.Константиновка и "Цветмет" г.Артемовск. Содержание цинка в 2–5 раз превышающее ПДК выявлено также в зоне выщелачивания соленосных отложений нижней перми на северо-восточной окраине Донбасса.
Мышьяк часто встречается в концентрациях, превышающих предельно допустимые. Такие места выявлены в районах крупных коксохимических заводов, горящих отходов угольных шахт, металлургических предприятий. Особо следует отметить наличие крупной по своим размерам (15x30 км) гидрогеохимической аномалии в районе городов Донецк, Макеевка и Ясиноватая. Здесь расположен крупный коксохимический завод, перерабатывающий донецкие угли, в которых содержание мышьяка доходит до 1 кг/т. Выбросы этого завода, а такжже многочисленные породные отвалы угольных шахт, где образуется реальгар и другие мышьяксодержащие минералы привели к накоплению мышьяка в подземных водах этого района в концентрациях до 1,2 мг/л (24 ПДК), что представляет серьезную угрозу окружающей среде и здоровью населения.
Загрязнение подземных вод региона нитратами развито на 80% территории. Во многих случаях их содержание значительно (в 10–20 раз и более) превышает уровень ПДК, составляющий 45,0 мг/л. При изучении распределения нитратов в подземных водах Донецкой области самая высокая концентрация нитратов (до 2180,0 мг/л) установлена в водах четвертичных аллювиальных отложений с.Алексеевка западнее г.Донецка. Контрастные гидрогеохимические аномалии нитратов выявлены в районе г.Доброполье (до 1100,0–1581,0 мг/л), г.Красноармейска (до 1000,0–1250,0 мг/л) и в ряде других мест. Кроме того, обнаружено множество аномалий нитратов с содержанием до 700,0–800,0 мг/л. Высокие содержания соединений азота обычно связывают с промышленными, сельскохозяйственными и бытовыми источниками загрязнения. Однако, помимо традиционных, существуют и другие источники соединений азота, роль которых еще недостаточно оценена и часто не учитывается при эколого-гидрогеохимических исследованиях. В Донбассе – это горящие терриконы угольных шахт [7]. Очаги горения являются источниками выделения газов, в составе которых, помимо аммиака и окислов азота, установлены метан, углекислый газ, сероводород и другие компоненты. В результате взаимодействия газов с кислородсодержащими атмосферными осадками, а также растворения этими осадками техногенных азотсодержащих минералов (нашатырь, масканьит, аммонистая селитра), образуются нитрат-ионы, которые мигрируют в подземных водах зоны гипергенеза, образуя обширные ореолы рассеяния.
6.Дискуссии и выводы
Выполненные исследования выявили существенное загрязнение биосферы Донбасса тяжелыми металлами, нитратами и другими соединениями, оказывающими негативное воздействие на природную среду и здоровье населения. Это привело к значительному ухудшению условий существования человека, повышенной заболеваемости и сокращению продолжительности жизни, которая в настоящее время в Донбассе соcтавляет менее 55 лет и продолжает уменьшаться. Поступление в организм человека химических элементов и соединений в количествах, превышающих определенные нормы, приводит к нарушению нормальных функций различных органов. Установлено, что уже при 1,5–2х кратном превышении ПДК химических веществ в биосфере регистрируются негативные отклонения физиологических параметров, а при уровне загрязнения, превышающем допустимый в 2–3 раза растут показатели заболеваемости человека [8].
Одним из самых опасных элементов является ртуть и ее соединения, негативно влияющие на центральную нервную систему человека и снижающие его иммунитет к различным заболеваниям. В Донбассе содержания ртути, превышающие ПДК, установлены в почвах, водной и воздушной средах, что отрицательно влияет на окружающую среду и здоровье человека. Аналогично воздействие и других химических элементов и соединений, особенно относящихся к I классу опасности: Аs, Сd, Рв, Hg, Zn.
Весьма неблагоприятно присутствие в подземных водах соединений азота – нитратов и нитритов. Они являются канцерогенами, отрицательно влияют на многие органы человека. Важным фактором определения влияния загрязнения биосферы на организм человека является сопоставление результатов эколого-геохимического районирования с уровнем неинфекционной заболеваемости населения. Такие сопоставления показывают, что в ряде промышленных городов Донбасса (Донецк, Макеевка, Горловка и лр.) уровень заболевания органов кровообращения, дыхания, пищеварения, а также онкологических заболеваний увеличен в 1,5–2 раза. По данным съезда украинских медицинских работников (апрель 1997 г., г.Киев) в Донецкой области существенно возросла смертность, здесь за 1996 г. умерло 86000 человек из 440000 умерших по всей Украине.
Крайне неблагоприятная экологическая ситуация в Донбассе требует решения многих вопросов охраны и оздоровления окружающей среды. Одним из них является утилизация углеродсодержащих отходов горного производства. Их следует рассматривать как ценное вторичное минеральное сырье, которое экономически эффективно можно использовать в разных направлениях. В Пенсильвании (США), например, на тепловой электростанции "Арчибальд" в районе г. Скрэнтона по специальной технологии сжигаются накопленные за многие годы отвалы шахтных пород. Это не только улучшает экологическую ситуацию региона, но и приносит весомую экономическую выгоду [9]. Второе направление связано с использованием глинистых пород шахтных отвалов в качестве минерального сырья для получения строительного кирпича и других изделий грубой керамики. Технология этого производства разработана и может быть осуществлена в производственных масштабах при соответствующих инвестициях. Необходимо проведение дальнейших комплексных экологических исследований Донбасса с привлечением различных методов и систематического контроля за состоянием окружающей среды и здоровья населения. Должна быть повышена роль экологической экспертизы при оценке новых технологий и оборудования. В таких комплексных исследованиях целесообразно участие коллективов разных стран по согласованным программам.
1. Панов Б.С. Глубинные разломы и минерагения линеамента Карпинского с позиций синергетического анализа. – Киев. Препринт ИГМР АН Украины, 1994. – 74 с.
2. Курило М.В. Токсичные элементы в углях Центрального и Восточного Донбасса//Материалы конференции "Актуальные проблемы экологии Украины". – Киев, 1997. – С.10.
3. Зборщик М.П., Панов Б.С., Михайлова А.С. Минералогическая характеристика осадочных пород склонных к самовозгоранию//Разработка месторождений полезных ископаемых, 1989. – С.92–98.
4. Краткий справочник по геохимии Войткевич Г.В., Мирошников А.Е., Поваренных А.С. и др. – М.: Недра, 1977. – 186 с.
5. Панов Б.С. Некоторые вопросы экологической минералогии Донецкого бассейна// Минералогический журнал. – 1993. – т. 15. – № 6. – С.43–50.
6. Dudik A.M., Matlak E.S., Panov B.S. On pollution of the biosphere by heavy metals in industrial areas: the example of the Donets Basin. 30th Internation geological congress. - Bejing, China, 1996. – v. 3. – p.409.
7. Суярко В.Г., Панов Б.С. О соединениях азота в подземных водах (на примере Донецкого бассейна)//Известия ВУЗов. Геология и разведка. – М., 1992. –N 4. – С. 107–114.
8. Сердюк А.М., Волощенко О.У., Звенячковский Г.У. Роль химических факторов влияния окружающей среды на здоровье человека//Материалы международной конференции "Экология химических производств". – Северодонецк, 1994. – С. 56.
9. Ridge T., Seif J. Pennsylvania's abandoned mines. Problems and solution. Dept. of Envirenmental protection, Elensburg, 1995.