Горно-геологический факультет
Специальность: Экологическая геология
Актуальность темы
Тема является актуальной в первую очередь потому, что, когда в ходе различных исследований обнаружено загрязнение какого-либо участка, необходимо определять все возможные источники загрязнения, рассматривать воздействие различных объектов.
При этом основными объектами изучения являются эндогенные и экзогенные геологические процессы, влияющие на формирование геологической среды; ландшафтно-геохимические системы (природные и техногенные).
Основное внимание в работе уделяется и возможным естественным источникам загрязнения (разрывные нарушения, слагающие массив породы), и техногенным систем и объектам (территориально-промышленные комплексы - ТПК; промышленно-городские агломерации - ПГА; горнодобывающие аграрно-промышленные комплексы; районы интенсивной сельскохозяйственной деятельности и т.п.).
Таким образом, конечным итогом работы является оценка состояния геологической среды и оценка влияния протекающих в ней природных процессов на экологическую обстановку; а также оценка совокупности природных и техногенных факторов геологической среды, определяющих функционирование геолого-техногенных систем и их экологические параметры.
Связь работы с научными темами
Работа проводится с целью выявления основных источников загрязнения и геохимической специфики зон их воздействия, а также установления природных условий формирования и проявления ореолов рассеяния.
Цель и задачи исследования
Целью работы является детальная оценка функционирования природных и техногенных факторов, влияющих на распределение химических элементов на исследуемой площади.
Задачи исследования:
- выбор методов для обработки имеющихся данных;
- исследование закономерностей пространственного распределения химических элементов на данной территории;
- построение карт распределения химических элементов на исследуемой площади;
- выделение природных и техногенных аномалий с повышенным содержанием химических элементов в почвах;
- изучение проявления интенсивности геологических факторов;
- разработка рекомендаций по ограничению и предупреждению неблагоприятных и опасных геологических и техногенных процессов.
Объект исследования
Исследуемым объектом данной работы является геологическая среда вблизи шахты «Южно-Донбасская» № 3.
Предмет исследования
Предметом исследования является оценка геологических факторов, влияющих на пространственное распределение химических элементов, в совокупности с техногенными факторами и экологическими последствиями деятельности предприятия угольной промышленности.
Фактический материал, использованный для исследования, представлен данными полуколичественного спектрального анализа проб почвогрунтов по 25 химическим элементам. Количество проб – 291.
Методы исследования
В работе используются следующие методы:
- определение основных статистик для показателей, исследуемых на объекте;
- выявление информативных показателей и уточнение значимости связей по результатам корреляционного анализа, а также создание ассоциации на основе кластерного анализа;
- расчет мультипликативного показателя загрязнения территории;
- картирование пространственного распределения комплексного загрязнения участка;
- построение ландшафтно-геохимических карт 2, 7 и 8 уровней по классификации Алексеенко [1];
- изучение природных и техногенных факторов, создающих загрязнение и влияющих на интенсивность и площадное распределение аномалий на шахтном поле.
Научная ценность работы
Главная ценность данной работы заключается в применении ландшафтно-геохимического картирования для выявлениея закономерностей распределения загрязнения и как результат оперативная оценка аварийных ситуаций по загрязнению окружающей среды.
Практическое значение работы
Полученные результаты могут быть использованы при решении вопросов экологии, связанных с отрицательным воздействием предприятий угольной промышленности на состояние окружающей среды.
Такой метод работы можно использовать и в последующих исследованиях загрязнений шахтных полей, когда важно выявить и изучить наиболее распространенные типы контрастно различающихся ландшафтно-геохимических обстановок, следует учесть как природные, так и антропогенные факторы воздействия, а, главное, рассмотреть их все в комплексе.
Личный вклад
Детализация распределения химических элементов на исследованной территории с использованием методов ландшафтной съемки, а также выделение совокупности воздействия как природных, так и техногенных факторов на площадное распределение химических элементов.
Апробация результатов и публикации
1. VIII Міжнародна наукова конференція аспірантів та студентів «Охорона навколишнього середовища та раціональне викормистання природних ресурсів». Секція Проблеми екологічної безпеки. Статья написана по следующей теме: «Влияние геологических и ландшафтных факторов на загрязнение почвогрунтов поля шахты «Южно-Донбасская» № 3».
2. Международная геолого-экологическая конференция «Перспективы развития минерально-сырьевой базы Украины и мира». Статья написана по следующей теме: «Влияние деятельности шахты «Южно-Донбасская» № 3 на загрязнение почвогрунтов шахтного поля».
Первое определение элементарного ландшафта ввел Б.Б. Полынов, обозначив его, как часть биосферы с одинаковым рельефом, почвами, растительным и животным миром, положением относительно подземных вод, корой выветривания и т.д. , В зависимости от цели исследования и масштаба элементарные ландшафты можно объединять по некоторым признакам. Результатом такого объединения могут стать геохимические ландшафты. Геохимические ландшафты – это парагенетическая ассоциация закономерно сочетающихся элементарных ландшафтов, связанных между собой миграцией элементов. Геохимические классификации ландшафтов составляются на основе меняющихся факторов миграции элементов, получивших в последнее время название ландшафтно-геохимических [1].
Наиболее распространенные классификации А.И. Перельмана, М.А. Глазовской, В.А Алексеенко [2]. Каждая из них имеет свои преимущества и свои недостатки. Например, по классификации Перельмана геохимические ландшафты делятся на довольно крупные таксоны (группы, типы, семейства), внутри которых есть более мелкие (классы, рода, виды), то есть при отнесении какого-либо участка земной поверхности к элементарному ландшафту необходимо учитывать возможность распространения данного элементарного ландшафта на значительно большие территории [3].
В данной работе используется классификация Алексеенко, опыт работы которого показал, что к факторам, о которых писал Б.Б. Полынов, следует добавить особенности атмосферной миграции элементов, состав подземных вод, вероятное наличие многолетней мерзлоты, режим кислорода и серы. А важнейшим постоянным источником химических элементов в ландшафте являются почвообразующие горные породы. Данная классификация создана на основе классификации Перельмана, заменив отдельные классификационные признаки на некоторых уровнях. Классификационная система базируется на ряде таксонометрических уровней. На каждом из них учитываются определенные ландшафтно-геохимические особенности внешних факторов миграции химических элементов. Разработка такой классификации была связана с разномасштабным картографированием территорий, занимающих большие площади. Она позволяет систематизировать многочисленные данные о состоянии окружающей среды и оценить роль отдельных факторов в миграции и концентрации химических элементов.
В работе предлагается выделение ландшафтных уровней, таких как 2, 7, 8. На втором уровне ландшафты подразделяются на биогенные и техногенные. В результате получают данные о распределении на исследуемой территории сельскохозяйственных угодий, населенных пунктов, железных и автомобильных дорог, лесополос, отвалов, промышленных предприятий. Седьмой уровень разделяет территорию по присутствующим здесь геоморфологическим особенностям. Восьмой классификационный уровень позволяет разделить участок по особенностям постоянного природного источника химических элементов, поступающих в ландшафт (почвоподстилающие породы).
2.1 Географическое положение и границы
В геолого-структурном отношении исследуемая территория расположена в центральной части Южно-Донбасского угленосного района. Ранее недра шахтного поля принадлежали производственному объединению "Донецкуголь" МУП Украины, в настоящее время шахта является самостоятельным предприятием.
Вблизи шахтного поля и по балкам и долинам рек расположен ряд населенных пунктов сельского типа: с.Константиновка, с.Елизаветовка, с.Доброволье и др. В 6км от участка построен шахтный поселок городского типа - Угледар, в котором проживают горняки Южного Донбасса. Районный центр - п.г.т. Марьинка расположен в 25-30 км к северу, а областной центр - г. Донецк - в 50 км к северо-востоку. В связи с дефицитом рабочей силы из-за недостаточных темпов жилищного строительства в г. Угледаре часть рабочих на шахты района доставляется арендуемым автотранспортом из г. Донецка и близлежащих поселков.
Ближайшая железнодорожная магистраль Донецк-Мариуполь проходит в 25 км, от которой отведена железнодорожная ветка на промплощадку шахт "Южно-Донбасская" №1 и №3. Размеры шахтного поля составляют 10 км по простиранию и 5 км по падению, площадь около 50 км2; размеры участка доразведки составляют 6км по простиранию и 3 км по падению, площадь -18 км2.
2.2 Стратиграфия и литология
Описываемая площадь выделена в центральной части Южно-Донбасского угленосного района, в геологическом строении площади принимают участие, каменноугольные отложения среднего (свита С21) и нижнего (свиты С15, С14, С13, С12 - частично) отдела карбона, повсеместно перекрытые мезозойскими и кайнозойскими образованиями.
Литологически каменноугольные отложения представлены чередованием слоев аргиллитов, алевролитов, разнозернистых песчаников с подчиненными слоями известняков и углей, основные, наиболее устойчивые, угольные пласты и известняки являются маркирующими горизонтами.
Мезозойские отложения распространены почти повсеместно и относятся к верхнему (К2) и нижнему (К1) разделам мела, литологически они представлены мелоподобными мергелями и спонголитами - кремнистыми осадочными породами. Максимальная мощность мезозойских отложений 120-130 м отмечена в центральной части поля. В крайней южной части поля они полностью или частично размыты в результате послемеловых поднятий. Средняя мощность меловых отложений на поле шахты - 70-30 м.
Кайнозойские отложения на описываемой площади представлены четвертичными и неоген-палеогеновыми образованиями. Неоген-палеогеновая толща представлена отложениями сарматского, полтавского, бучакского ярусов и нерасчлененной толщей датского палеоцена.
Сарматские слои представлены светло-серыми и пестроцветными плотными пластичными глинами с включением кристаллов гипса, нередко с линзами кварцевых песков. Мощность 32 м.
Полтавский ярус представлен преимущественно разнозернистыми кварцевыми песками с включением линз глин и песчаников на глинистом цементе. Мощность яруса колеблется в пределах 2,4-50,0 м, достигая иногда 50-60 м.
Залегающие ниже отложения бучакского яруса представлены толщей кварцевых песков от серого до черного цветов, часто глинистых, разнозернистых, с включением линз бурого угля и обломков обугленной древесины. Залегают они в форме линз в различных частях поля. Мощность их небольшая и изменяется от 2 до 19,5 м.
Нерасчлененная толща датского палеоцена представлена кварцево-глауконитовыми песками и алевролитами зеленого и темно-зеленого цветов. Мощность толщи 10-15 м. Прослои песков и алевролитов не выдержанные, они часто выклиниваются и замещают друг друга в разрезе.
Четвертичные отложения на площади развиты повсеместно. Это элювиально-делювиальные осадки современного (Q4), верхнего (Q3), среднего (Q2), нижнего (Q1) отделов и нерасчлененная толща плиоцена-постплиоцена (N2-Q1). Представлены они почвенным слоем, красно-бурыми. Плотными, часто пластичными вязкими суглинками и глинами, с включениями карбонатов и кристаллов гипса. Нередко встречаются прослои глинистых песков и супесей. Общая мощность четвертичных отложений изменяется в пределах 0,5-35,0 м, увеличиваясь до 35-40 м на водоразделах, в среднем она составляет 18-20 м [4].
2.3 Тектоника
Южно-Донбасское месторождение коксующихся углей (геолого-промышленный район) расположено в полосе распространения нижне-каменноугольных отложений вдоль юго-западной окраины Донецкого бассейна, в зоне его сочленения с Приазовским выступом Украинского кристаллического массива.
Характеристики тектоники и ее особенности, как в районе, так и на поле шахты, выделенном в центральной части района, определяют неглубокое залегание кристаллического фундамента, близость зоны сочленения палеозоя с докембрийскими образованиями и складчатый характер смежного района Центрального Донбасса.
Поле шахты «Южно-Донбасская» № 3 выделено в блоке между Сложным, Долинным и Владимировским сбросами и охватывает большую часть синклинали Широкой, ось которой прослеживается в центральной части поля с погружением на северо-восток; северное ее крыло простирается в северо-западном направлении, южное - в широтном. Углы падения изменяются в пределах 5-120, увеличиваясь в зонах тектонических нарушений до 40-700.
Ось синклинали Широкой примыкает к Криворожско-Павловскому сбросу почти под прямым углом и в этой части погружается на юго-запад. Седло расположено в 1500 м от сброса, на уровне Павловского купола, примыкающего с юго-запада к границам шахтного поля. Южное крыло купола образует Павловскую флексуру.
Основной является северо-западная ориентировка простирания тектонических структур. Северо-восточная ориентировка выражена в простирании элементов морфологии большинства угольных пластов (контуры расщепления, размывов, направления крупных зон сингенетичного выклинивания).
Разрывные нарушения рассматриваемой части района по морфологическим особенностям можно разделить на следующие группы:
- региональные и крупноамплитудные сбросы с северо-западным простиранием и северо-восточным падением сместителей и их апофиз (Криворожско-Павловский сброс, Сложный оброс);
- крутопадающие сбросы с юго-восточным простиранием и юго-западным падением сместителей (Долинный, Придолинный, Владимировский, Шевченковский)
- крутопадающие сбросы, осложняющие купольные структуры;
- мелкоамплитудные разрывные нарушения: азимут простирания, угол падения плоскости сместителя, амплитуда нарушения, количество скважин, вскрывших нарушения.
2.4 Полезные ископаемые
Исследуемое предприятие занимается добычей угля марки Г. В терригенной толще верхневизейских и намюрских отложений отмечено до 100 пластов и прослоек угля. Первые прослойки угля появляются уже из самых нижних горизонтов свиты С12 однако вверх по разрезу угленосность увеличивается немного и только в верхней части свиты местами достигают мощности более 0,5 м.
Наиболее высокой углеобильностью отличается свита C13. Толща между известняками C1 и С5, что составляет около 25% от общей мощности всей терригенной толщи нижнего карбона, включает 60% общего количества пластов и прослоев угля; причем почти все рабочие пласты заключены в этой толще. Выше известняка С5 угленосность резко уменьшается и в разрезе, вплоть до известняка F1, лишь изредка встречаются пласты, которые достигают промышленных кондиций на отдельных участках.
Угленосность отдельных свит и отложений нижнего карбона в целом в пределах территории Южного Донбасса склонна к весьма значительным колебаниям. В связи с этим в районе выделяются с запада к востоку три подрайоны: Волчанский, Володимиривский и Кальмиуский, что отличаются так существенно по характеру промышленной угленосности, что в будущем при более дробном районировании Большого Донбасса они должны рассматриваться как самостоятельные геологопромышленные районы.
Угленосность нижнего карбона в районе по протяжению последовательно увеличивается от его западной периферии к центральной части.
Основным компонентом угля является, как и в среднеокарбоновлм угле, витренит, но вместимость его значительно ниже (в среднем 54-69 %), фюзенит составляет 17-28 %, вместимость липтенита повышена 10-16 %. Такое соотношение микрокомпонентного состава существенно влияет на спекаемость свойства Южно-Донбасского месторождения в сторону их улучшения в сравнении с углем среднего карбона одноименной марки [5].
3.1 Выделение ландшафтов по методике Алексеенко
Для качественной оценки состояния ландшафтов и почв участка были выделены ландшафты согласно классификации Алесеенко по трем классификационным уровням: техногенные ландшафты 2 уровня; элементарные ландшафты 7 уровня; ландшафты 8 уровя по почвообразующим породам.
В результате получены такие сведения:
- распределение сельскохозяйственных угодий, расположение населенных пунктов, железных и автомобильных дорог, лесополос, отвалов, промышленных предприятий, курортных зон;
- расположение лесов, полей, лугов, болот;
- распределение почв различного состава и генезиса;
- наличие и распространение участков подверженных интенсивной ветровой эрозии;
- геоморфологические особенности участка;
- геологическое строение изучаемого участка [6].
Итак, качественная оценка состояния окружающей природной среды необходима для того, чтобы выделить возможные источники техногенного загрязнения (при построении карт техногенных ландшафтов 2 уровня), возможный сток загрязняющих веществ (при построении карты ландшафтов 7 уровня), а так же рассмотреть возможность возникновения геохимических аномалий из-за состава и состояния почвообразующих пород (при построении карты ландшафтов 8 уровня).
3.2 Статистическая обработка геохимических данных
Статистическая обработка геохимических данных с помощью программы SPSS производилась отдельно по ландшафтам 7 уровня, так как была возможность разделения всех имеющихся данных на отдельные выборки по ландшафтам для более точного анализа распределения элементов. Эти ландшафты подразделяются по интенсивности процессов миграции, определяющейся в основном силами гравитации. При обработке геохимических данных решалось несколько задач. Во-первых, были определены основные статистические показатели (мода, среднее, стандартное отклонение и т.д.). Затем на основе корреляционного и кластерного анализов исследованы корреляционные связи между элементами и выделены их ассоциации. Проведен также расчет мультипликативного показателя, характеризующего суммарное загрязнение.
3.3 Построение геохимических карт
В работе строились различные виды геохимических карт:
- ландшафтно-геохимические карты различных уровней;
- моноэлементные карты пространственного распределения элементов;
- карта мультипликативного показателя загрязнения территории;
- карта СПК (суммарный показатель концентрации, который характеризует общую геохимическую нагрузку на объект, создаваемую всеми химическими элементами с аномальными содержаниями).
Построение карт производилось с помощью следующих пакетов программ Surfer, MapInfo. Все карты сопоставлялись между собой и анализировались на предмет схожести или различия.
4.1 Результаты ландшафтно-геохимического картирования
4.1.1 Ландшафты 2 уровня
Среди имеющихся на исследуемом участке техногенных ландшафтов выделены следующие группы: 1 – сельскохозяйственные; 2 – промышленные; 3 – населенные пункты; 4 – дорожные; 5 – лесотехнические.
Группа 1 - сельскохозяйственный ландшафт. Он имеет некоторые характерные черты:
- с 1 га каждый год с урожаем отделяется от земли до 10000 кг разных элементов;
- среди таких элементов преобладают биофильные (О, К, N, P, Ca, Mg);
- техногенным путем под отдельные культуры вносится до 40 т/га органических удобрений, в которых значительная часть химических элементов находится не в минеральной, а в биогенной формах;
- каждый год в ладшафты поступает до 600 кг/га элементов в форме минералов и техногенных соединений, которые не имеют природных аналогов.
Сельскохозяйственный ландшафт на описываемой территории представлен животноводческими фермами и сельхозугодиями с севооборотом многолетних культур (садами). Данный тип ландшафта распространен преимущественно на севере территории.
Группа 2 – промышленный ландшафт. К ним относятся территории, расположенные за пределами населенных пунктов и занятые промышленными предприятиями. Роль биологического круговорота элементов в этих ландшафтах минимальна. На исследуемом участке присутствуют следующие промышленные ландшафты: 3 породных отвала, искусственный пруд-отстойник, промплощадка очистных сооружений, воздухоподающий ствол, вентиляционный ствол. Все эти объекты расположены в центре территории, равномерно распространяясь от центральной промплощадки шахты на юг. Также на участке присутствуют водонапорные башни.
Группа 3 – селитебный ландшафт. Это ландшафт населенных пунктов с комплексами жилых зданий, приусадебных участков, городских промышленных предприятий, зон отдыха и рекреации. Ландшафты населенных пунктов обладают целым рядом присущих им особенностей, которые определяют ход миграции элементов в этих ландшафтах. Так, количество грунтовых вод на единицу площади в населенных пунктах выше, чем в окружающих ландшафтах. Существенно отличаются и почвы, и атмосфера городов. В целом для данной группы характерно полное изменение среды, связанное с использованием человеком огромного количества химических соединений. Характерно наличие устойчивых соединений, в т.ч. многообразные полимеры.
Выделенные ландшафты приурочены к следующим населенным пунктам: Угледар, Водяное, Елизаветовка, Катериновка, Доброволье.
Группа 4 – дорожный ландшафт. Дорожные ландшафты представлены рядом автомобильных дорог различного типа: дороги с бетонным покрытием и с грунтовым покрытием, которые являются частью общегосударственной дорожной сети и на данном участке связывают между собой промышленные, сельскохозяйственные объекты, населенные пункты. Также на территории присутствуют железнодорожные ветки.
Для данного ландшафта в первую очередь характерно накопление свинца, который оседает на прилегающей территории, кроме того, вокруг дорог отмечается сильная запыленность воздуха.
Группа 5 – лесотехнический ландшафт. Представлен лесными насаждениями, а также лесополосами, распространенными по всей описываемой территории [7].
4.1.2 Ландшафты 7 уровня
На объекте выделены такие виды элементарных ландшафтов: трансэллювиальный, супераквальный, аквальный.
Элювиальный ландшафт на данной территории не присутствует. Он расположен на плоских водоразделах с глубоким залеганием уровня подземных вод; поступление вещества только с атмосферы и отсутствие бокового привноса; кора виветривания имеет остаточный характер; грунты обогащены кислородом.
Трансэлювиальные ландшафты формируются на выпуклых вершинах и верхних более крутых выпуклых частях склонов. Для них характерен привнос элементов не только из атмосферы, а также с боковым твердым и жидким стоком. Данный ландшафт слагает практически всю территорию, завершаясь лишь на более пониженных участках рельефа.
Супераквальный ландшафт формируется на пониженных участках рельефа вдоль б. Икряной, где грунтовые воды подходят близко к дневной поверхности и по капилярам способны подниматься к корням растений. Также данный ландшафт можно наблюдать по боковым частям пруда-отстойника, вблизи породных отвалов и севернее с. Водяное, где заболоченная местность. Для данного вида ландшафтов характерно, что приток вещества происходит с атмосферы, с трердым и жидким стоком с соседних элювиальных ландшафтов. Химический состав грунтов такого ландшафта связан с составом грунтовых вод.
Аквальный ландшафт на данной территории приурочен к б. Икряной, пруду-отстойнику, небольшим водохранилищам. В аквальном ландшафте приток вещества происходит с твердым стоком и с накоплением движущихся элементоов в грунтах со дна водохранилищ и речек. Разложение вещества происходит в анаэробных условиях и сопровождается формированием сапрапелей. На участке данный ландшафт присутствует в виде рек, балок и водохранилищ.
Рассмотренные особенности классификации ландшафтов на седьмом уровне являются общими и для природных, и для техногенных ландшафтов.
ля последующей обработки данных ставилась задача разделения выборки данных на более мелкие. Следует отметить, что на исследуемом участке присутствуют 3 вида ландшафтов (трансэллювиальный, супераквальный, аквальный), но были сформированы только 2 выборки отдельно для ландшафтов трансэлювиального (выборка 1) и супераквального (выборка 2). Для аквального ландшафта выборку сформировать не удалось из-за отсутствия точек наблюдения на водных источниках.
4.1.3 Ландшафты 8 уровня
На этом уровне в основу классификации положены особенности миграции и соотношения между элементами, поступающими в данный ландшафт от постоянного природного источника. В большинстве случаев особенности миграции определяются минерально-геохимической характеристикой коры выветривания почвообразующих и почвоподстилающих горных пород, служащих главными источниками поступающих веществ.
На исследуемом участке выделен один ландшафт осадочных отложений, представленных песками светло-серыми, глинами желто-бурыми и суглинками от желто-бурого до темно бурого. Нижележащие породы значительного влияния на ландшафт оказывать не будут, так как мощность осадочного чехла на участке составляет 35-150 м.
4.2 Результаты статистической обработки данных по ландшафту 7 уровня
На основании имеющихся данных полуколичественного анализа почвогрунтов в работе следовало оценить степень загрязненности объекта исследования, масштабы загрязнения, степень влияния на прилегающие к объекту жилые поселки, сельскохозяйственные объекты и сделать выводы об изменении сложившейся ситуации и предложить возможные варианты решения проблемы.
При обработке геохимических данных необходимо было определить основные статистические показатели (мода, среднее, стандартное отклонение и т.д.). Далее, исходные данные содержаний в точках опробования следовало преобразовать и сравнить с эталонными показателями: ПДК, фон или Кларк. Важным показателем для определения опасности загрязнения является класс опасности элемента. Чем выше класс опасности, тем более вреден элемент для состояния здоровья и человека, и окружающей среды. Классы опасности имеющихся у нас элементов следующие: I класс: Pb, Zn, Be; II класс: Ni, Cr, Co, Bi, Nb, Cu, B, Mo; III класс: V, Ba [8].
4.2.1 Трансэлювиальный ландшафт
Итак, при обработке данных трансэлювиального ландшафта в почвогрунтах из токсичных и вредных химических элементов в концентрациях превышающих ПДК (фон), зафиксированы:
1. I класс опасности: Цинк (Zn) – превышение фона в среднем по полю до 1,5ПДК; Бериллий (Ве) по максимальному значению превышает фон в 2 раза.
2. II класс опасности: Nb, Mo имеют превышения эталонных значений по всем показателям, но они незначительны, максимальные превышения равняются 1,06Сф и 1,4Сф; Со и В превышают эталонные показатели по максимальным значениям в 2 раза. Модальные и средние значения откланяются незначительно.
3. III класс опасности: Ва по своему максимальному значению практически достигает двойного фона.
4. Также элементы Sn и Mg превышают нормативы по максимальным значениям в 2 раза. Здесь наибольший интерес представляет собой Zr, т.к. по максимальному значению он превышает норматив в 2,5 раза (Сф=197 г/т) и таких точек достаточно большое количество.
Отмечено, что часть химических элементов, превышающих нормативы по обоим ландшафтам совпадают, для большего уточнения требовался более детальный анализ. Для анализа характера распределения показателей на исследуемой территории использован коэффициент вариации, вычисление которого дает возможность выделить группу элементов, которую следовало обрабатывать в дальнейшей работе. По данному ландшафту все элементы относятся к группе с однородным распределением, но была выбрана группа элементов, где небольшая вариация все же есть.
Далее ставилась задача выделения групп элементов, обладающих схожими геохимическими связям, за счет которых наблюдается их согласованное изменение на исследуемой территории в пределах каждого ландшафта в отдельности. Но прежде, необходимо было определить, существуют ли связи между элементами. Для этого используется корреляционный анализ (см. табл. 4.1). К сожалению, на основании только корреляционного анализа установить, как следует объяснить наблюдаемую связь, не всегда возможно. Чаще всего корреляционный анализ – только исходная точка для дальнейшего поиска правильных, геологически объяснимых результатов, источник для новых предположений и методов исследований, а не окончательный ответ. Необходимо было рассмотреть причины взаимосвязей показателей и объяснить их как действие каких-либо природных факторов. Связи следует рассматривать между элементами, выделенными предыдущими исследованиями относительно других как наиболее вариабельные.
| Элементы | кобальт | цирконий | барий | цинк | бор |
| кобальт | 1,000/0 | -0,026/0,679 | 0,381**/0 | 0,338**/0 | -0,015/0,808 |
| цирконий | -0,026/0,679 | 1,000/0 | 0,089/0,168 | 0,006/0,929 | 0,127*/0,044 |
| барий | 0,381**/0 | 0,089/0,168 | 1,000/0 | 0,325**/0 | 0,017/0,786 |
| цинк | 0,338**/0 | 0,006/0,929 | 0,325**/0 | 1,000/0 | -0,109/0,083 |
| бор | -0,015/0,808 | 0,127*/0,044 | 0,017/0,786 | -0,109/0,083 | 1,000/0 |
Примечания: * - корреляция с уровнем значимости 0,05; ** - корреляция с уровнем значимости 0,01; 0,089/0 - коэффициент Пирсона, уровень значимости.
Исходя из построенной матрицы видно, что значимые связи наблюдаются между следующими элементами: Co-Ba; Co-Zn; Ba-Zn; B-Zr. Все связи являются положительными.
Но для выделения ассоциации одного построения матрицы корреляции мало, так, следовало использовать еще один метод проверки наличия значимых связей между показателями. Таким методом является метод построения дендрограмм, основанный на проверке степени значимости и объединении в ассоциацию элементов, связанных наиболее тесными положительными связями. Дендрограмма построена также с помощью программы SPSS (рис. 4.1). Она является составляющей метода кластерного анализа. Кластеры, получающиеся в результате слияния, отображаются горизонтальными линиями. При этом каждый шаг на шкале равен 0,2 коэффициента корреляции.
Рисунок 4.1 - Горизонтальная дендрограмма для трансэлювиального ландшафта
Таким образом, данный метод кластерного анализа подтвердил полученные значимые положительные связи Zn и Со, Co и Zn с помощью матрицы корреляций. То есть выделена ассоциация элементов Со-Ba-Zn. По полученной ассоциации элементов был рассчитан мультипликативный показатель (МП) по следующей формуле: Ba•Со•Zn. Перед расчетом значения элементов нормировались относительно ПДК (фона). Далее был определен фоновый уровень для территории, соответствующий значению МП - 0,5 условных единиц.
Для комплексной оценки с помощью программы Surfer была построена карта суммарного загрязнения по рассчитанному МП, и с помощью программы MapInfo изолинии значений МП были наложены на топографическую основу изучаемой территории.
4.2.2 Супераквальный ландшафт
При статистической обработке данных супераквального ландшафта превышения ПДК (фона) зафиксированы:
1. I класс опасности: Ве, Zn по средним значениям превышают фон в 2 раза.
2. III класс опасности: Ва по среднему значению фон не превышает, но по максимальному – в 2 раза.
3. Sn и Zr в небольшом количестве точек наблюдения до 2,5Сф.
Вся дальнейшая обработка проводилась по той же схеме, что и для трансэлювиального ландшафта. В результате получены матрица корреляционных связей (табл.4.2) и горизонтальная дендрограмма (рис.2).
| Элементы | олово | цирконий | барий | кальций | цинк | бериллий |
| олово | 1,000/0 | -0,147/0,39 | 0,400*/0,021 | -0,181/0,284 | 0,049/0,773 | -0,323/0,259 |
| цирконий | -0,147/0,387 | 1,000/0 | 0,036/0,840 | -0,206/0,221 | 0,196/0,246 | -0,058/0,844 |
| барий | 0,400*/0,021 | 0,036/0,840 | 1,000/0 | 0,100/0,580 | 0,423*/0,014 | 0,593*/0,033 |
| кальций | -0,181/0,284 | -0,206/0,22 | 0,100/0,580 | 1,000/0 | 0,436**/0,007 | 0,686**/0,007 |
| цинк | 0,049/0,773 | 0,196/0,246 | 0,423*/0,014 | 0,436**/0,007 | 1,000/0 | 0,870**/0 |
| бериллий | -0,323/0,259 | -0,058/0,84 | 0,593*/0,033 | 0,686**/0,007 | 0,870**/0 | 1,000/0 |
Примечания: * - корреляция с уровнем значимости 0,05; ** - корреляция с уровнем значимости 0,01; 0,089/0 - коэффициент Пирсона, уровень значимости.
Исходя из матрицы корреляций, можно отметить, что связи обнаружены между: Sn-Ba; Ba-Zn; Ba-Be; Ca-Be; Ca-Zn; Zn-Be; Be-Ca.
Рисунок 4.2 - Горизонтальная дендрограмма для супераквального ландшафта (17 кадров; задержка 200, 50; 40 Кбайт; 5 повторов)
С помощью примененного метода кластерного анализа выделена следующая ассоциация элементов: Zn-Be-Bа-Ca, но при расчете мультипликативного показателя загрязнения Ве в формулу не входил из-за большого количества проб с нулевым содержанием. На мой взгляд, этот элемент достаточно интересен в связи с тем, что в большинстве точках наблюдений этот элемент не был обнаружен, а практически все оставшиеся превышают значение эталона (Сф=2,4 мг\кг), элемент следует исследовать более тщательно в дальнейшем. Для него построена моноэлементная карта загрязнения. Значение рассчитанного фонового содержания для супераквального ландшафта составило 1,07 условных единиц.
4.3 Сравнительная характеристика результатов обработки отдельных ландшафтов
Статистическая обработка геохимических данных по различным ландшафтам показала, что практически все элементы, превышающие допустимые концентрации по обоим ландшафтам совпадают, но вариабельность их различна. Так в выборку для трансэлювиального ландшафта вошли такие элементы, как Sn, Zr, Ba, Ca, Zn, Be, а для супераквального - Zr, Ba, Zn, B, Co. Выявленные корреляционные связи и проведенный кластерный анализ позволили сформировать ассоциации элементов. Для трансэлювиального ландшафта выделена ассоциация: Со-Ba-Zn, а для супераквального - Zn-Be-Bа-Ca.
То есть, такие элементы, как Zn и Bа накапливаются в обоих ландшафтах. Фоновые содержания для ландшафтов, определенные как модальное значение мультипликативного показателя загрязнения, также отличаются. Для супераквального ландшафта это значение больше в 2 раза, чем для трансэлювиального. Это связано с тем, что супераквальный ландшафт формируется на пониженных участках рельефа вдоль балок рек, на участках болот, куда происходит сток вещества.
Для трансаллювиального ландшафта характерно то, что здесь распределение вещества происходит в площадном варианте и не связано со стоком. Оно связано с деятельностью шахты, так как аномальные участки концентрируются вокруг промышленных площадок. Также загрязнение в пределах данного ландшафта связано с ветками железной дороги, где может происходить выброс токсичных веществ.
Для супераквального ландшафта характерны повышенные содержания элементов, что в пространственном отношении приходятся на пониженные участки рельефа. Накопление связано со стоком вещества со всей территории и сосредоточением его по балкам рек. Также большие концентрации сосредоточены в районе пруда-отстойника. Здесь происходит накопление вредных компонентов за счет деятельности предприятия. Также на территории имеются заболоченные участки, которые в свою очередь являются геохимическими барьерами. Здесь происходит накопление вещества, что подтвердилось проведенными исследованиями. То есть для данного ландшафта характерно наибольшее скопление загрязняющего вещества.
Таким образом, в площадном отношении суммарное загрязнение попадает на места расположения промышленных площадок шахты «Южно-Донбасская» № 3, либо в места, куда происходит сток вещества с породных отвалов, промплощадки очистных сооружений (болота, балки и т.д.). Эти объекты входят в промышленный ландшафт (2 уровень). То есть они являются участками появления вредных и токсичных веществ, от которых загрязнение распространяется по всей территории и накапливается на описанных ранее ландшафтах.
Все основные виды антропогенных изменений в природе пока не выходят за пределы биосферы. Однако практически невозможно связать такое глобальное понятие, как биосфера, с влиянием на изменение процессов миграции и концентрации различных веществ отдельных предприятий и даже крупных промышленных и аграрных комплексов. В связи с этим геохимическую роль антропогенных процессов удобнее рассматривать на более низком уровне организации материи [9].
Как показал опыт многочисленных исследований, наиболее удобным уровнем при изучении антропогенного воздействия на окружающую человека среду является ландшафтно-геохимический, что включает два основных типа биокосных систем: элементарный и геохимический ландшафт.
В данной работе рассмотрен вопрос выявления факторов, влияющих на пространственное распределение загрязняющих веществ в почвогрунтах поля шахты «Южно-Донбасская» № 3. Изучено распределение химических элементов в почвах на исследуемой площади. Выделены отдельные элементарные ландшафты, для которых сформированы выборки и проведены различные виды анализа (статистический, корреляционный, кластерный). По полученным данным построены карты суммарного загрязнения территории. Установлено, что максимальные концентрации приурочены к местам расположения центральной промплощадки шахты, породного отвала и пруда-отстойника, а накопление веществ происходит на пониженных участках рельефа.
Решения экологических проблем, связанных с деятельностью предприятий угольной промышленности Донецкой области в целом и конкретного исследуемого объекта, требует комплексного подхода. Основные направления решения этих проблем, на наш взгляд следующие:
1. Внедрение процессов добычи угля без выдачи пустой породы на поверхность и восстановление системы профилактики от самовозгорания породных отвалов.
2. Максимальное использование газа-метана, который выделяется из угольных пластов; переход автотранспорта на газообразное топливо.
3. Предупреждение фильтрации вредных веществ из действующих шахтных отстойников, как в подземные водоносные горизонты, так и поверхностные водотоки. При этом особое внимание следует уделять активным в современную эпоху тектоническим структурам, которые являются проводниками фильтрирующихся веществ в недрах.
4. Снижение объемов образования вредных отходов, их последующая утилизация; ликвидация хранилищ высокотоксичных отходов; упорядочение полигонов или мест хранения производственных отходов.
5. Рекультивация нарушенных земель с восстановлением сельскохозяйственной, рекреационной или селитебной их ценности, например, глубинная вспашка (до 1 м) [10].
Выполнение вышеизложенных направлений является одной из важнейших задач в сфере защиты окружающей природной среды.