Гірничо-геологічний факультет
Специальність: Екологічна геологія
Актуальність теми
Тема є актуальною в першу чергу тому, що, коли в ході різних досліджень виявлено забруднення якої-небудь ділянки, необхідно визначати всі можливі джерела забруднення, розглядати дію різних об'єктів.
При цьому основними об'єктами вивчення є ендогенні і екзогенні геологічні процеси, що впливають на формування геологічного середовища; ландшафтно-геохімічні системи (природні і техногенні).
Основна увага в роботі приділяється і можливим природним джерелам забруднення (розривні порушення, що складають масив породи), і техногенним систем і об'єктам (територіально-промислові комплекси - ТПК; промислово-міська агломерація - ПГА; гірничодобувні аграрно-промислові комплекси; райони інтенсивної сільськогосподарської діяльності і т.п.).
Таким чином, кінцевим висновком роботи є оцінка стану геологічного середовища і оцінка впливу протікаючих в ньому природних процесів на екологічну обстановку; а також оцінка сукупності природних і техногенних чинників геологічного середовища, визначальних функціонування геолого-техногенних систем і їх екологічні параметри.
Зв'язок роботи з науковими темами
Робота проводиться з метою виявлення основних джерел забруднення і геохімічної специфіки зон їх дії, а також встановлення природних умов формування і прояву ореолів розсіяння.
Мета і завдання дослідження
Метою роботи є детальна оцінка функціонування природних і техногенних чинників, що впливають на розподіл хімічних елементів на досліджуваній площі.
Завдання дослідження:
- вибір методів для обробки наявних даних;
- дослідження закономірностей просторового розподілу хімічних елементів на даній території;
- побудова карт розподілу хімічних елементів на досліджуваній площі;
- виділення природних і техногенних аномалій з підвищеним вмістом хімічних елементів в грунтах;
- вивчення прояву інтенсивності геологічних чинників;
- розробка рекомендацій по обмеженню і попередженню несприятливих і небезпечних геологічних і техногенних процесів.
Об'єкт дослідження
Досліджуваним об'єктом даної роботи є геологічне середовище поблизу шахти «Південно-Донбаська» № 3.
Предмет дослідження
Предметом дослідження є оцінка геологічних чинників, що впливають на просторовий розподіл хімічних елементів, в сукупності з техногенними чинниками і екологічними наслідками діяльності підприємства вугільної промисловості.
Фактичний матеріал, використаний для дослідження, представлений даними напівкількісного спектрального аналізу проб почвогрунтов по 25 хімічним елементам. Кількість проб – 291.
Методи дослідження
У роботі використовуються наступні методи:
- визначення основних статистик для показників, досліджуваних на об'єкті;
- виявлення інформативних показників і уточнення значущості зв'язків за наслідками кореляційного аналізу, а також створення асоціації на основі кластерного аналізу;
- розрахунок мультиплікативного показника забруднення території;
- картування просторового розподілу комплексного забруднення ділянки;
- побудова ландшафтно-геохімічних карт 2, 7 і 8 рівнів по класифікації Алексеєнко [1];
- вивчення природних і техногенних чинників, що створюють забруднення і що впливають на інтенсивність і площадковий розподіл аномалій на шахтному полі.
Наукова цінність роботи
Головна цінність даної роботи полягає в застосуванні ландшафтно-геохімічного картування для виявлення закономірностей розподілу забруднення і як результат оперативна оцінка аварійних ситуацій по забрудненню навколишнього середовища.
Практичне значення роботи
Отримані результати можуть бути використані при рішенні питань екології, пов'язаних з негативною дією підприємств вугільної промисловості на стан навколишнього середовища.
Такий метод роботи можна використовувати і в подальших дослідженнях забруднень шахтних полів, коли важливо виявити і вивчити найбільш поширені типи ландшафтно-геохімічних, що контрастно розрізняються, обстановок, слід врахувати як природні, так і антропогенні чинники дії, а, головне, розглянути їх всі в комплексі.
Особистий внесок
Деталізація розподілу хімічних елементів на дослідженій території з використанням методів ландшафтної зйомки, а також виділення сукупності дії як природних, так і техногенних чинників на площадковий розподіл хімічних елементів.
Апробація результатів і публікації
1. VIII Міжнародна наукова конференція аспірантів та студентів «Охорона навколішнього середовіща та раціональне вікормістання пріродніх ресурсів». Секція Проблемі екологічної безпеки. Стаття написана по наступній темі: «Вплив геологічних і ландшафтних чинників на забруднення почвогрунтов поля шахти Південно-Донбаська № 3».
2. Міжнародна геолого-екологічна конференція «Перспективи розвитку мінерально-сировинної бази України і миру». Стаття написана по наступній темі: «Вплив діяльності шахти «Південно-Донбаська» № 3 на забруднення почвогрунтов шахтного поля».
Перше визначення елементарного ландшафту ввів Б.Б. Полинов, позначивши його, як частина біосфери з однаковим рельєфом, грунтами, рослинним і тваринним світом, положенням щодо підземних вод, корою вивітрювання і т.д. Залежно від мети дослідження і масштабу елементарні ландшафти можна об'єднувати за деякими ознаками. Результатом такого об'єднання можуть стати геохімічні ландшафти. Геохімічні ландшафти – це парагенетічеськая асоціація елементарних ландшафтів, що закономірно поєднуються, зв'язаних між собою міграцією елементів. Геохімічні класифікації ландшафтів складаються на основі змінних чинників міграції елементів, що одержали останнім часом назва ландшафтно-геохімічних [1].
Найбільш поширені класифікації А.І. Перельмана, М.А. Глазовськой, В.А Алексеєнко [2]. Кожна з них має свої переваги і свої недоліки. Наприклад, по класифікації Перельмана геохімічні ландшафти діляться на досить крупні таксони (групи, типи, сімейства), усередині яких дрібніші (класи, роду, види), тобто при віднесенні якої-небудь ділянки земної поверхні до елементарного ландшафту необхідно враховувати можливість розповсюдження даного елементарного ландшафту на значно великі території [1].
У даній роботі використовується класифікація Алексєєнко, досвід роботи якого показав, що до чинників, про які писав Б.Б. Полинов, слід додати особливості атмосферної міграції елементів, склад підземних вод, вірогідну наявність багаторічної мерзлоти, режим кисню і сірки. А найважливішим постійним джерелом хімічних елементів в ландшафті є грунтоутворюючі гірські породи. Дана класифікація створена на основі класифікації Перельмана, замінивши окремі класифікаційні ознаки на деяких рівнях. Класифікаційна система базується на ряду таксонометрічеськіх рівнів. На кожному з них враховуються певні ландшафтно-геохімічні особливості зовнішніх чинників міграції хімічних елементів. Розробка такої класифікації була пов'язана з різномасштабним картографуванням територій, що займають великі площі. Вона дозволяє систематизувати численні дані про стан навколишнього середовища і оцінити роль окремих чинників в міграції і концентрації хімічних елементів [3].
У роботі пропонується виділення ландшафтних рівнів, таких як 2, 7, 8. На другому рівні ландшафти підрозділяються на біогенні і техногенні. В результаті одержують дані про розподіл на досліджуваній території сільськогосподарських угідь, населених пунктів, і автомобільних залізниць, лісосмуг, відвалів, промислових підприємств. Сьомий рівень розділяє територію по присутніх тут геоморфологичеськім особливостях. Восьмий класифікаційний рівень дозволяє розділити ділянку по особливостях постійного природного джерела хімічних елементів, що поступають в ландшафт (почвоподстілающие породи).
2.1 Географічне положення і межі
У геолого-структурному відношенні досліджувана територія розташована в центральній частині Південно-Донбасівського вугленосного району. Раніше надра шахтного поля належали виробничому об'єднанню "Донецьквугілля" МУП України, в даний час шахта є самостійним підприємством.
Поблизу шахтного поля і по балках долин річок розташований ряд населених пунктів сільського типа: с.Константіновка, с.Елизаветовка, с.Доброволье і ін. У 6 км від ділянки побудоване шахтне селище міського типа - Вугледар, в якому проживають гірники Південного Донбасу. Районний центр - п.г.т. Марьїнка - розташований в 25-30 км на північ, а обласний центр - м. Донецьк - в 50 км до північного сходу. У зв'язку з дефіцитом робочої сили із-за недостатніх темпів житлового будівництва у Вугледарі частина робочих до шахт району доставляється автотранспортом, що орендується, з м. Донецька і довколишніх селищ.
Найближча залізнична магістраль Донецьк-Маріуполь проходить в 25 км, від якої відведена залізнична вітка на промплощадку шахт «Південно-Донбаська» № 1 та № 3. Розміри шахтного поля складають 10 км по простяганню і 5 км по падінню, площа близько 50 км2; розміри ділянки доразведки складають 6 км по простяганню і 3 км по падінню, площа -18 км2 .
2.2 Стратіграфія і літологія
Описувана площа виділена в центральній частині Південно-донбасівського вугленосного району, в геологічній будові площі беруть участь, кам'яновугільні відкладення середнього (свита С21) і нижнього (свити С15, С14, С13, С12 - частково) відділу карбону, повсюдно перекриті мезозойськими і кайнозойськими утвореннями.
Літологичеські кам'яновугільні відкладення представлені чергуванням шарів аргиллітов, альовролітов, різнозернистих пісковиків з підлеглими шарами вапняків і вугілля, основні, найбільш стійкі, вугільні пласти і вапняки є маркіруючими горизонтами.
Мезозойські відкладення поширені майже повсюдно і відносяться до верхнього (К2) і нижнього (К1) розділів крейди, літологичеські вони представлені мелоподобнимі мергелями і спонголітамі - крем'янистими осадковими породами. Максимальна потужність мезозойських відкладень 120-130 м відмічена в центральній частині поля. У крайній південній частині поля вони повністю або частково розмиті в результаті послемелових поднятій. Середня потужність крейдяних відкладень на полі шахти - 70-30 м.
Кайнозойські відкладення на описуваній площі представлені четвертинними і неоген-палеогеновимі утвореннями. Неоген-палеогеновая товща представлена відкладеннями сармата, полтавського, бучакського ярусів і нерозчленованою товщею данського палеоцену.
Шари, сарматів, представлені світло-сірими і пестроцветнимі щільними пластичними глинами з включенням кристалів гіпсу, нерідко з лінзами кварцевих пісків. Потужність 32 м.
Полтавський ярус представлений переважно різнозернистими кварцевими пісками з включенням лінз глин і пісковиків на глинистому цементі. Потужність ярусу коливається в межах 2,4-50,0 м, досягаючи іноді 50-60 м.
Залягаючі нижче відкладення бучакського ярусу представлені товщею кварцевих пісків від сірого до чорного кольорів, часто глинистих, різнозернистих, з включенням лінз бурого вугілля і уламків обвугленої деревини. Залягають вони у формі лінз в різних частинах поля. Потужність їх невелика і змінюється від 2 до 19,5 м.
Нерозчленована товща данського палеоцену представлена кварцево-глауконітовимі пісками і альовролітамі зеленого і темно-зеленого кольорів. Потужність товщі 10-15 м. Прослої пісків і альовролітов не витримані, вони часто вибиваються клин і заміщають один одного в розрізі.
Четвертинні відкладення на площі розвинені повсюдно. Це елювіально-делювіальниє осідання сучасного (Q4), верхнього (Q3), середнього (Q2), нижнього (Q1) відділів і нерозчленована товща пліоцену-постпліоцену (N2-Q1). Представлені вони грунтовим шаром, червоно-бурими. Щільними, часто пластичними в'язкими суглинками і глинами, з включеннями карбонатів і кристалів гіпсу. Нерідко зустрічаються прослої глинистих пісків і супісків. Загальна потужність четвертинних відкладень змінюється в межах 0,5-35,0 м, збільшуючись до 35-40 м на вододілах, в середньому вона складає 18-20 м [4].
2.3 Тектоніка
Південно-донбасівське родовище вугілля (геолого-промисловий район), що коксується, розташоване в смузі розповсюдження нижньо-кам'яновугільних відкладень уздовж південно-західної околиці Донецького басейну, в зоні його зчленування з Приазовським виступом Українського кришталевого масиву.
Характеристики тектоніки і її особливості, як в районі, так і на полі шахти, виділеному в центральній частині району, визначають неглибоке залягання кристалічного фундаменту, близькість зони зчленування палеозою з докембрійськімі утвореннями і складчастий характер суміжного району Центрального Донбасу.
Поле шахти Південно-Донбаська № 3 виділене в блоці між Складним, Долинним і Владіміровськім скиданнями і охоплює велику частину синкліналі Широкої, вісь якої простежується в центральній частині поля із зануренням на північний схід; північне її крило тягнеться в північно-західному напрямі, південне - в широтному. Кути падіння змінюються в межах 5-120, збільшуючись в зонах тектонічних порушень до 40-700.
Вісь синкліналі Широкої примикає до Криворізько-Павлівського скидання майже під прямим кутом і в цій частині занурюється на південний захід. Сідло розташоване в 1500 м від скидання, на рівні Павлівського куполу, що примикає з південного заходу до меж шахтного поля. Південне крило куполу утворює Павлівську флексуру.
Основним є північно-західне орієнтування простягання тектонічних структур. Північно-східне орієнтування виражене в простяганні елементів морфології більшості вугільних пластів (контури розщеплювання, розмивів, напряму крупних зон сингенетічного виклинювання).
Розривні порушення даної частини району по морфологічних особливостях можна розділити на наступні групи:
- регіональні і крупноамплітудниє скидання з північно-західним простяганням і північно-східним падінням сместітелей і їх апофіз (Криворізько-Павлівське скидання, Складне обріс);
- крутопадаючі скидання з південно-східним простяганням і південно-західним падінням сместітелей (Долинний, Прідолінний, Владіміровській, Шевченківський);
- крутопадаючі скидання, що ускладнюють купольниє структури;
- мелкоамплітудниє розривні порушення: азимут простягання, кут падіння площини сместітеля, амплітуда порушення, кількість свердловин, що розкрили порушення.
2.4 Корисні копалини
Досліджуване підприємство займається видобутком вугілля марки Г. В теригенній товщі верхневізейськіх і намюрськіх відкладень відмічено до 100 пластів і прошарків вугілля. Перші прошарки вугілля з'являються вже з самих нижніх горизонтів свити С12 проте вгору по розрізу вугленосність збільшується небагато і лише у верхній частині свити місцями досягають потужності більше 0,5 м.
Найбільш високої углеобільностью відрізняється свита C13. Товща між вапняками C1 і С5, що складає близько 25 % від загальної потужності всієї теригенної товщі нижнього карбону, включає 60 % загальної кількості пластів і прослоєв вугілля; причому майже всі робочі пласти поміщені в цій товщі. Вище за вапняк С5 вугленосність різко зменшується і в розрізі, аж до вапняку F1, лише зрідка зустрічаються пласти, які досягають промислових кондицій на окремих ділянках.
Вугленосність окремих свит і відкладень нижнього карбону в цілому в межах території Південного Донбасу схильна до вельми значних коливань. У зв'язку з цим в районі виділяються із заходу на схід три підрайони: Волчанській, Володімірівській і Кальміуській, що відрізняються так істотно по характеру промисловій вугленосності, що в майбутньому при більш дробовому районуванні Великого Донбасу вони повинні розглядатися як самостійні геологопромишленниє райони.
Вугленосність нижнього карбону в районі по протягу послідовно збільшується від його західної периферії до центральної частини.
Основним компонентом вугілля є, як і в среднеокарбоновлм вугіллі, вітреніт, але місткість його значно нижча (в середньому 54-69 %), фюзеніт складає 17-28 %, місткість ліптеніта підвищена 10-16 %. Таке співвідношення складу, мікрокомпонента, істотно впливає на спікливість властивості Південно-Донбаського родовища у бік їх поліпшення порівняно з вугіллям середнього карбону однойменної марки [5].
3.1 Виділення ландшафтів за методикою Алексеєнко
Для якісної оцінки стану ландшафтів і грунтів ділянки були виділені ландшафти згідно класифікації Алесєєнко по трьох класифікаційних рівнях: техногенні ландшафти 2 рівні; елементарні ландшафти 7 рівня; ландшафти 8 уровя по грунтоутворюючих породах.
В результаті одержані такі відомості:
- розподіл сільськогосподарських угідь, розташування населених пунктів, і автомобільних залізниць, лісосмуг, відвалів, промислових підприємств, курортних зон;
- розташування лісів, полів, лугів, боліт;
- розподіл грунтів різного складу і генезису;
- наявність і розповсюдження ділянок схильних до інтенсивної вітрової ерозії;
- геоморфологічні особливості ділянки;
- геологічна будова ділянки, що вивчається [6].
Отже, якісна оцінка стану навколишнього природного середовища необхідна для того, щоб виділити можливі джерела техногенного забруднення (при побудові карт техногенних ландшафтів 2 рівні), можливий стік забруднюючих речовин (при побудові карти ландшафтів 7 рівня), а так само розглянути можливість виникнення геохімічних аномалій із-за складу і стану грунтоутворюючих порід (при побудові карти ландшафтів 8 рівня).
3.2 Статистична обробка геохімічних даних
Статистична обробка геохімічних даних за допомогою програми SPSS проводилася окремо по ландшафтах 7 рівня, оскільки була можливість розділення всіх наявних даних на окремі вибірки по ландшафтах для точнішого аналізу розподілу елементів. Ці ландшафти підрозділяються по інтенсивності процесів міграції, що визначається в основному силами гравітації. При обробці геохімічних даних розв'язувалося декілька завдань. По-перше, були визначені основні статистичні показники (мода, середнє, стандартне відхилення і т.д.). Потім на основі кореляційного і кластерного аналізів досліджені кореляційні зв'язки між елементами і виділені їх асоціації. Проведений також розрахунок мультиплікативного показника, що характеризує сумарне забруднення.
3.3 Побудова геохімічних карт
У роботі будувалися різні види геохімічних карт:
- ландшафтно-геохімічні карти різних рівнів;
- моноелементні карти просторового розподілу елементів;
- карта мультиплікативного показника забруднення території;
- карта СПК (сумарний показник концентрації, який характеризує загальне геохімічне навантаження на об'єкт, що створюється всіма хімічними елементами з аномальним змістом).
Побудова карт проводилася за допомогою наступних пакетів програм Surfer, MapInfo. Всі карти зіставлялися між собою і аналізувалися на предмет схожості або відмінності.
4.1 Результати ландшафтно-геохімічного картування
4.1.1 Ландшафти 2 рівня
Серед техногенних ландшафтів, що є на досліджуваній ділянці, виділені наступні групи: 1 – сільськогосподарські; 2 – промислові; 3 – населені пункти; 4 – дорожні; 5 – лісотехнічні.
Група 1 - сільськогосподарський ландшафт. Він має деякі характерні риси:
- з 1 га щороку з урожаєм відділяється від землі до 10000 кг різних елементів;
- серед таких елементів переважають біофільниє (О, N, P, Ca, Mg);
- техногенним шляхом під окремі культури вноситься до 40 т/га органічних добрив, в яких значна частина хімічних елементів знаходиться не в мінеральній, а в біогенній формах;
- щороку в ладшафти поступає до 600 кг/га елементів у формі мінералів і техногенних з'єднань, які не мають природних аналогів.
Сільськогосподарський ландшафт на описуваній території представлений тваринницькими фермами і сельхозугодіямі з сівозміною багаторічних культур (садами). Даний тип ландшафту поширений переважно на півночі території.
Група 2 – промисловий ландшафт. До ним відносяться території, розташовані за межами населених пунктів і зайняті промисловими підприємствами. Роль біологічного круговороту елементів в цих ландшафтах мінімальна. На досліджуваній ділянці присутні наступні промислові ландшафти: 3 порідних відвала, штучний ставок-відстійник, промплощадка очисних споруд, воздухоподающий стовбур, вентиляційний стовбур. Всі ці об'єкти розташовані в центрі території, рівномірно розповсюджуючись від центральної промплощадки шахти на південь. Також на ділянці присутні водонапірні башти.
Група 3 – селітебний ландшафт. Це ландшафт населених пунктів з комплексами житлових будівель, присадибних ділянок, міських промислових підприємств, зон відпочинку і рекреації. Ландшафти населених пунктів володіють цілим рядом властивих їм особливостей, які визначають хід міграції елементів в цих ландшафтах. Так, кількість грунтових вод на одиницю площі в населених пунктах вище, ніж в навколишніх ландшафтах. Істотно відрізняються і грунти, і атмосфера міст. В цілому для даної групи характерний повна зміна середовища, пов'язана з використанням людиною величезної кількості хімічних сполук. Характерний наявність стійких з'єднань, в т.ч. багатообразні полімери.
Виділені ландшафти приурочені до наступних населених пунктів: Вугледар, Водяне, Елізаветовка, Катеріновка, Доброволье.
Група 4 – дорожній ландшафт. Дорожні ландшафти представлені поряд автомобільних доріг різного типа: дороги з бетонним покриттям і з грунтовим покриттям, які є частиною загальнодержавної дорожньої мережі і на даній ділянці зв'язують між собою промислові, сільськогосподарські об'єкти, населені пункти. Також на території присутні залізничні вітки.
Для даного ландшафту в першу чергу характерний накопичення свинцю, який осідає на прилеглій території, крім того, навколо доріг наголошується сильна запилена повітря.
Група 5 – лісотехнічний ландшафт. Представлений лісовими насадженнями, а також лісосмугами, поширеними по всій описуваній території [7].
4.1.2 Ландшафти 7 рівня
На об'єкті виділені такі види елементарних ландшафтів: транселлювіальний, супераквальний, аквальний.
Елювіальний ландшафт на даній території не присутній. Він розташований на плоских вододілах з глибоким заляганням рівня підземних вод; надходження речовини тільки з атмосфери і відсутність бічного прівноса; кора віветріванія має залишковий характер; грунти збагачені киснем.
Транселювіальниє ландшафти формуються на опуклих вершинах і верхніх крутіших опуклих частинах схилів. Для них характерний прівнос елементів не тільки з атмосфери, а також з бічним твердим і рідинним стоком. Даний ландшафт складає практично всю територію, завершуючись лише на більш знижених ділянках рельєфу.
Супераквальний ландшафт формується на знижених ділянках рельєфу уподовж би. Ікряний, де грунтові води підходять близько до денної поверхні і по капілярам здатні підніматися до коріння рослин. Також даний ландшафт можна спостерігати по бічних частинах ставка-відстійника, поблизу порідних відвалів і північніше с. Водяне, де заболочена місцевість. Для даного виду ландшафтів характерний, що притока речовини відбувається з атмосфери, з трердим і рідинним стоком з сусідніх елювіальних ландшафтів. Хімічний склад грунтів такого ландшафту пов'язаний з складом грунтових вод.
Аквальний ландшафт на даній території приурочений би. Ікряний, ставку-відстійнику, невеликим водосховищам. У аквальоном ландшафті притока речовини відбувається з твердим стоком і з накопиченням рухомих елементоов в грунтах з дна водосховищ і річок. Розкладання речовини відбувається в анаеробних умовах і супроводжується формуванням сапрапелей. На ділянці даний ландшафт присутній у вигляді річок, балок і водосховищ.
Розглянуті особливості класифікації ландшафтів на сьомому рівні є загальними і для природних, і для техногенних ландшафтів.
Для подальшої обробки даних ставилося завдання розділення вибірки даних на дрібніші. Слід зазначити, що на досліджуваній ділянці присутні 3 види ландшафтів (транселлювіальний, супераквальний, аквальний), але були сформовані тільки 2 вибірки окремо для ландшафтів транселювіального (вибірка 1) і супераквального (вибірка 2). Для аквального ландшафту вибірку сформувати не вдалося через відсутність точок спостереження на водних джерелах.
4.1.3 Ландшафти 8 рівня
На цьому рівні в основу класифікації покладені особливості міграції і співвідношення між елементами, що поступають в даний ландшафт від постійного природного джерела. В більшості випадків особливості міграції визначаються мінерально-геохімічною характеристикою кори вивітрювання грунтоутворюючих і почвоподстілающих гірських порід, що служать головними джерелами речовин, що поступають.
На досліджуваній ділянці виділений один ландшафт осадкових відкладень, представлених пісками світло-сірими, глинами жовто-бурими і суглинками від жовто-бурого до темно бурого. Пролягаючі нижче породи значного впливу на ландшафт надавати не будуть, оскільки потужність осадкового чохла на ділянці складає 35-150 м.
4.2 Результати статистичної обробки даних по ландшафту 7 рівня
На підставі наявних даних напівкількісного аналізу почвогрунтов в роботі слід було оцінити ступінь забрудненості об'єкту дослідження, масштаби забруднення, ступінь впливу на прилеглі до об'єкту житлові селища, сільськогосподарські об'єкти і зробити висновки про зміну ситуації, що склалася, і запропонувати можливі варіанти рішення проблеми.
При обробці геохімічних даних необхідно було визначити основні статистичні показники (мода, середнє, стандартне відхилення і т.д.). Далі, початкові дані змісту в точках випробування слід було перетворити і порівняти з еталонними показниками: ГДК, фон або Кларк. Важливим показником для визначення небезпеки забруднення є клас небезпеки елементу. Чим вищий клас небезпеки, тим більше шкідливий елемент для стану здоров'я і людини, і навколишнього середовища. Класи небезпеки елементів, що є у нас, наступні: I клас: Pb, Zn, Be; II клас: Ni, Cr, Co, Bi, Nb, Cu, B, Мо; III клас: V, Ba [8].
4.2.1 Транселювіальний ландшафт
Отже, при обробці даних транселювіального ландшафту в почвогрунтах з токсичних і шкідливих хімічних елементів в концентраціях тих, що перевищують ГДК (фон), зафіксовані:
1. I клас небезпеки: Цинк (Zn) – перевищення фону в середньому по полю до 1,5ПДК; Берилій (Ве) по максимальному значенню перевищує фон в 2 рази.
2. II клас небезпеки: Nb, Мо мають перевищення еталонних значень за всіма показниками, але вони незначні, максимальні перевищення дорівнюють 1,06Сф і 1,4Сф; З і В перевищують еталонні показники по максимальних значеннях в 2 рази. Модальні і середні значення відкланяються трохи.
3. III клас небезпеки: Ва по своєму максимальному значенню практично досягає подвійного фону.
4. Також елементи Sn і Mg перевищують нормативи по максимальних значеннях в 2 рази. Тут найбільший інтерес є Zr, оскільки по максимальному значенню він перевищує норматив в 2,5 разу (Сф=197 г/т) і таких крапок достатньо велика кількість.
Відмічено, що частина хімічних елементів, що перевищують нормативи по обох ландшафтах співпадають, для більшого уточнення був потрібен детальніший аналіз. Для аналізу характеру розподілу показників на досліджуваній території використаний коефіцієнт варіації, обчислення якого дає можливість виділити групу елементів, яку слід було обробляти в подальшій роботі. По даному ландшафту всі елементи відносяться до групи з однорідним розподілом, але була вибрана група елементів, де невелика варіація все ж таки є.
Далі ставилося завдання виділення груп елементів, що володіють схожими геохімічними зв'язкам, за рахунок яких спостерігається їх узгоджена зміна на досліджуваній території в межах кожного ландшафту окремо. Але раніше, необхідно було визначити, чи існують зв'язки між елементами. Для цього використовується кореляційний аналіз (див. табл. 4.1). На жаль, на підставі тільки кореляційного аналізу встановити, як слід пояснити спостережуваний зв'язок, не завжди можливо. Найчастіше кореляційний аналіз – тільки початкова точка для подальшого пошуку правильних, геологічно з'ясовних результатів, джерело для нових припущень і методів досліджень, а не остаточна відповідь. Необхідно було розглянути причини взаємозв'язків показників і пояснити їх як дію яких-небудь природних чинників. Зв'язки слід розглядати між елементами, виділеними попередніми дослідженнями щодо інших як найбільш варіабельниє.
| Елементи | кобальт | цирконій | барій | цинк | бор |
| кобальт | 1,000/0 | -0,026/0,679 | 0,381**/0 | 0,338**/0 | -0,015/0,808 |
| цирконій | -0,026/0,679 | 1,000/0 | 0,089/0,168 | 0,006/0,929 | 0,127*/0,044 |
| барій | 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 |
Примітки: * - кореляція з рівнем значущості 0,05; ** - кореляція з рівнем значущості 0,01; 0,089/0 - коефіцієнт Пірсону, рівень значущості.
Виходячи з побудованої матриці видно, що значущі зв'язки спостерігаються між наступними елементами: Co-Ba; Co-Zn; Ba-Zn; B-Zr. Всі зв'язки є позитивними.
Але для виділення асоціації однієї побудови матриці кореляції мало, так, слід було використовувати ще один метод перевірки наявності значущих зв'язків між показниками. Таким методом є метод побудови дендрограмм, заснований на перевірці ступеня значущості і об'єднанні в асоціацію елементів, зв'язаних найбільш тісними позитивними зв'язками. Дендрограма побудована також за допомогою програми SPSS (рис. 4.1). Вона є складовою методу кластерного аналізу. Кластери, що виходять в результаті злиття, відображаються горизонтальними лініями. При цьому кожен крок на шкалі рівний 0,2 коефіцієнта кореляції.
Рисунок 4.1 - Горизонтальна дендрограма для транселювіального ландшафту
Таким чином, даний метод кластерного аналізу підтвердив одержані значущі позитивні зв'язки Zn і З, Co і Zn за допомогою матриці кореляцій. Тобто виділена асоціація елементів Со-Ba-Zn. По одержаній асоціації елементів був розрахований мультиплікативний показник (МП) по наступній формулі: Ba•Со•Zn. Перед розрахунком значення елементів нормувалися щодо ГДК (фону). Далі був визначений фоновий рівень для території, відповідні значенню МП - 0,5 умовних одиниць.
Для комплексної оцінки за допомогою програми Surfer була побудована карта сумарного забруднення по розрахованому МП, і за допомогою програми MapInfo ізолінії значень МП були накладені на топографічну основу території, що вивчається.
4.2.2 Супераквальний ландшафт
При статистичній обробці даних супераквального ландшафту перевищення ГДК (фону) зафіксовані:
1. I клас небезпеки: Ве, Zn по середніх значеннях перевищують фон в 2 рази.
2. III клас небезпеки: Ва по середньому значенню фон не перевищує, але по максимальному – в 2 рази.
3. Sn і Zr в невеликій кількості точок спостереження до 2,5Сф.
Вся подальша обробка проводилася по тій же схемі, що і для транселювіального ландшафту. В результаті одержані матриця кореляційних зв'язків (табл. 4.2) і горизонтальна дендрограма (рис. 4.2).
| Елементи | олово | цирконій | барій | кальцій | цинк | берилій |
| олово | 1,000/0 | -0,147/0,39 | 0,400*/0,021 | -0,181/0,284 | 0,049/0,773 | -0,323/0,259 |
| цирконій | -0,147/0,387 | 1,000/0 | 0,036/0,840 | -0,206/0,221 | 0,196/0,246 | -0,058/0,844 |
| барій | 0,400*/0,021 | 0,036/0,840 | 1,000/0 | 0,100/0,580 | 0,423*/0,014 | 0,593*/0,033 |
| кальцій | -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 |
| берилій | -0,323/0,259 | -0,058/0,84 | 0,593*/0,033 | 0,686**/0,007 | 0,870**/0 | 1,000/0 |
Примітки: * - кореляція з рівнем значущості 0,05; ** - кореляція з рівнем значущості 0,01; 0,089/0 - коефіцієнт Пірсону, рівень значущості.
Виходячи з матриці кореляцій, можна відзначити, що зв'язки виявлені: Sn-Ba; Ba-Zn; Ba-Be; Ca-Be; Ca-Zn; Zn-Be; Be-Ca.
Рисунок 4.2 - Горизонтальна дендрограма для супераквального ландшафту(17 кадрів; затримка 200, 50; 40 Кбайт; 5 повторів)
За допомогою застосованого методу кластерного аналізу виділена наступна асоціація елементів: Zn-Be-Bа-Ca, але при розрахунку мультиплікативного показника забруднення Ве у формулу не входив через велику кількість проб з нульовим змістом. На мій погляд, цей елемент достатньо цікавий у зв'язку з тим, що в більшості точках спостережень цей елемент не був виявлений, а практично всі залишилися перевищують значення еталону (Сф=2,4 мг\ кг), елемент слід досліджувати ретельніше надалі. Для нього побудована моноелементна карта забруднення. Значення розрахованого фонового змісту для супераквального ландшафту склало 1,07 умовних одиниць.
4.3 Порівняльна характеристика результатів обробки окремих ландшафтів
Статистична обробка геохімічних даних по різних ландшафтах показала, що практично всі елементи, що перевищують допустимі концентрації по обох ландшафтах співпадають, але варіабельность їх різна. Так у вибірку для транселювіального ландшафту увійшли такі елементи, як Sn, Zr, Ba, Ca, Zn, Be, а для супераквального - Zr, Ba, Zn, B, Co. Виявлені кореляційні зв'язки і проведений кластерний аналіз дозволили сформувати асоціації елементів. Для транселювіального ландшафту виділена асоціація: Со-Ba-Zn, а для супераквального - Zn-Be-Bа-Ca.
Тобто, такі елементи, як Zn і Bа накопичуються в обох ландшафтах. Фоновий зміст для ландшафтів, визначений як модальне значення мультиплікативного показника забруднення, також відрізняється. Для супераквального ландшафту це значення більше в 2 рази, чим для транселювіального. Це пов'язано з тим, що супераквальний ландшафт формується на знижених ділянках рельєфу уздовж балок річок, на ділянках боліт, куди відбувається стік речовини.
Для трансаллювіального ландшафту характерно те, що тут розподіл речовини відбувається в площадковому варіанті і не пов'язано із стоком. Воно пов'язане з діяльністю шахти, оскільки аномальні ділянки концентруються навколо промислових майданчиків. Також забруднення в межах даного ландшафту пов'язане з вітками залізниці, де може відбуватися викид токсичних речовин.
Для супераквального ландшафту характерний підвищений вміст елементів, що в просторовому відношенні доводяться на знижені ділянки рельєфу. Накопичення пов'язане із стоком речовини зі всієї території і зосередженням його по балках річок. Також великі концентрації зосереджені в районі ставка-відстійника. Тут відбувається накопичення шкідливих компонентів за рахунок діяльності підприємства. Також на території є заболочені ділянки, які в свою чергу є геохімічними бар'єрами. Тут відбувається накопичення речовини, що підтвердилося проведеними дослідженнями. Тобто для даного ландшафту характерний найбільше скупчення забруднюючої речовини.
Таким чином, в площадковому відношенні сумарне забруднення потрапляє на місця розташування промислових майданчиків шахти «Південно-Донбаська» № 3, або в місця, куди відбувається стік речовини з порідних відвалів, промплощадки очисних споруд (болота, балки і т.д.). Ці об'єкти входять в промисловий ландшафт (2 рівень). Тобто вони є ділянками появи шкідливих і токсичних речовин, від яких забруднення розповсюджується по всій території і накопичується на описаних раніше ландшафтах.
Всі основні види антропогенних змін в природі поки не виходять за межі біосфери. Проте практично неможливо зв'язати таке глобальне поняття, як біосфера, з впливом на зміну процесів міграції і концентрації різних речовин окремих підприємств і навіть крупних промислових і аграрних комплексів. У зв'язку з цим геохімічну роль антропогенних процесів зручніше розглядати на нижчому рівні організації матерії [9].
Як показав досвід численних досліджень, найбільш зручним рівнем при вивченні антропогенної дії на навколишнє людину середовище є ландшафтно-гохимічеській, що включає два основних типу біовідсталих систем: елементарний і геохімічний ландшафт.
У даній роботі Розглянуте питання виявлення чинників, що впливають на просторовий розподіл забруднюючих речовин в почвогрунтах поля шахти «Південно-Донбаська» № 3. Вивчено розподіл хімічних елементів в грунтах на досліджуваній площі. Виділені окремі елементарні ландшафти, для яких сформовані вибірки і проведені різні види аналізу (статистичний, кореляційний, кластерний). За одержаними даними побудовані карти сумарного забруднення території. Встановлено, що максимальні концентрації приурочені до місць розташування центральної промплощадки шахти, порідного відвала і ставка-відстійника, а накопичення речовин відбувається на знижених ділянках рельєфу.
Рішення екологічних проблем, пов'язаних з діяльністю підприємств вугільної промисловості Донецької області в цілому і конкретного досліджуваного об'єкту, вимагає комплексного підходу. Основні напрями рішення цих проблем, на наш погляд наступні:
1. Впровадження процесів видобутку вугілля без видачі порожньої породи на поверхню і відновлення системи профілактики від самозагорання порідних відвалів.
2. Максимальне використання газу-метану, який виділяється з вугільних пластів; перехід автотранспорту на газоподібне паливо.
3. Попередження фільтрації шкідливих речовин з діючих шахтних відстійників, як в підземні водоносні горизонти, так і поверхневі водотоки. При цьому особливу увагу слід приділяти активним в сучасну епоху тектонічним структурам, які є провідниками фільтрірующихся речовин в надрах.
4. Зниження обсягів утворення шкідливих відходів, їх подальша утилізація; ліквідація сховищ високотоксичних відходів; впорядкування полігонів або місць зберігання виробничих відходів.
5. Рекультивація порушених земель з відновленням сільськогосподарської, рекреаційної або селітебной їх цінності, наприклад, глибинна оранка (до 1 м) [10].
Виконання таких напрямів є одним з найважливіших завдань у сфері захисту навколишнього природного середовища.