С.Г. Выборов - Минералого-геохимические и гидрогеохимические особенности регионального антропогенного замещения геологической среды Донецкой области

Аннотация

С.Г. Выборов - Минералого-геохимические и гидрогеохимические особенности регионального антропогенного замещения геологической среды Донецкой области В статье рассмотрена проблема антропогенной дифференциации вещества земной поверхности. Показано закономерное развитие ореолов антропогенного замещения геологической среды, проявленное в почвах, грунтах зоны аэрации, водовмещающих породах и подземных водах.

Содержание работы

Любая современная антропогенная деятельность сопровождается значительными преобразованиями геологической среды (ГС) и дифференциацией ее вещества. При этом формируются ореолы замещения, которые контролируют значительную часть антропогенных геохимических аномалий (очагов загрязнения) и нередко имеют с ними генетическую связь. Антропогенное замещение и загрязнение проявляется во всех компонентах ГС – в почвах, грунтах зоны аэрации, водовмещающих породах, в поверхностных и подземных водах, донных отложениях. Исследуемые явления и процессы преобразования ГС имеют большое научное и практическое значение для решения различных геолого-экологических, инженерно-геологических и гидрогеологических задач. При этом их изученность является недостаточной, практически отсутствуют обобщающие исследования.

Основной задачей проведенных исследований является изучение факторов, процессов и явлений антропогенной дифференциации вещества ГС.

Многолетние исследования ГС Донецкой области в процессе проведения геолого-экологических, инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий позволили автору накопить большой объем фактического материала (образцы пород и грунтов, пробы почв, грунтов, поверхностных и подземных вод, донных отложений и результаты их химического анализа), обработка и обобщение которого позволяет определить состояние ГС и динамику развития региональных ореолов антропогенного замещения.

С геохимической точки зрения всю полноту антропогенного преобразования земной поверхности можно исследовать, исходя из понятия замещения, как направленного закономерного процесса дифференциации вещества, протекающего в исходных условиях природной среды под действием антропогенного фактора, приводящего к постоянному изменению геологической среды в пределах современной зоны гипергенеза.

Региональная зональность ореолов антропогенного замещения ГС, наблюдаемая в пределах Донецкой области, определяется пространственным размещением и характером деятельности промышленно-городских агломераций. Она формируется при рассеивании по земной поверхности компонентов промышленных выбросов в атмосферный воздух со стороны источников регионального значения – тепловые электростанции, металлургические и коксохимические заводы, городские территории с развитой промышленной и транспортной инфраструктурой. Поэтому региональные ореолы замещения ГС изначально формируются под действием факторов, обуславливающих условия воздушной миграции загрязняющих веществ, однако дальнейшее их развитие определяется условиями водной миграции.

Основными факторами водной миграции в пределах земной поверхности и зоны гипергенеза являются рельеф и количество атмосферных осадков. В пределах исследуемой территории эти факторы взаимосвязаны [1]. На основе существующего картографического материала [2] можно определить, что максимальное количество атмосферных осадков выпадает в пределах главного водораздела Донбасса. Отчетливо устанавливается пространственная связь между наивысшими отметками рельефа (более 200 м) и зоной со среднегодовым количеством осадков более 500 мм. Эта зона захватывает восточную часть Донецкой области, распространяется вдоль ее границы с юга на север от г. Снежное к г. Дебальцево и еще несколько далее. На запад зона максимального количества осадков разветвляется вдоль основных водоразделов рек.

Так совпало, что в пределах выделенной зоны с наибольшим количеством осадков, на водоразделах расположены наиболее крупные промышленные центры Донбасса – Донецко-Макеевский, Горловско-Енакиевский, Шахтерско-Снежнянский промузлы. Вокруг этих центров сформировалась интенсивно проявленная зона замещения ГС, которая динамически развивается в направлении движения поверхностных и подземных вод. Выделяется три основных направления поверхностного стока и подземного потока со стороны главного водораздела Донбасса: на юг к Азовскому морю, на запад к долине р. Днепр, на север к долине р. Северский Донец. Развитию ореолов техногенного замещения ГС вокруг выделенных промышленных центров способствует их расположение на водоразделах и наиболее промывной режим поверхности и зоны гипергенеза антропогенно трансформированными водами инфильтрогенного цикла. Они наиболее ярко проявлены в почвах, грунтах зоны аэрации, водовмещающих породах, подземных водах.

Почвы поверхностный слой геологической среды, первым принимающий рассеивающиеся по земной поверхности компоненты антропогенных выбросов. Наиболее интенсивное и масштабное суммарное загрязнение почв установлено в связи с Горловско-Енакиевским и Константиновко-Дружковским промузлами. В целом почвы городских территорий Донбасса загрязнены на уровне умеренно- и высоко- опасной степени. Основными элементами, определяющими степень регионального суммарного загрязнения почв, являются кадмий, ртуть, свинец, молибден, мышьяк. Поступление в почвы и ГС большей части элементов обусловлена процессами добычи, переработки и сжигания угля, подготовки и переработки железной руды и прочего сырья. В исходном топливе и сырье в повышенных концентрациях содержится сульфидная сера и группа халькофильных элементов, которые при их сжигании и переработке выделяются вместе с выбросами и попадают в окружающую среду, загрязняют почвы и концентрируются в ореолах замещения ГС.

Если основным фактором регионального загрязнение почв является рассеивание по земной поверхности компонентов промышленных выбросов, то ореолы замещения грунтов зоны аэрации, водовмещающих пород и подземных вод формируются в условиях водной миграции вымываемых атмосферными осадками антропогенных компонентов из почвенного горизонта. Воздушная дифференциация сменяется водной и загрязняющие почву вещества вовлекаются в инфильтрогенный цикл. При этом создаются достаточно устойчивые во времени и пространстве ореолы замещения ГС, проявленные в изменении минерального и петрохимического состава, структуры грунтов, их геохимической специализации. Эти ореолы, формируемые антропогенно загрязненными инфильтрогенными водами, впоследствии контролируют их состав. Зональность создаваемых ореолов, их динамика в грунтах и подземных водах развивается согласовано и закономерно. Каждой зоне замещения в грунтах, соответствуют равновесные им инфильтрационные воды определенного состава.

Интенсивность регионального замещения закономерно меняется по направлению от земной поверхности к зоне водонасыщения. Замещение на уровне прожилково-вкрапленной сульфатной и гидрокарбонатной минерализации отмечается в зоне аэрации, оно возрастает по мере приближения к зеркалу грунтовых вод и постепенно уменьшается с глубиной в пределах зоны водонасыщения. Наибольшему замещению подвержена зона капиллярного подъема и верхняя часть водонасыщенных грунтов. Здесь главным новообразованным минералом является гипс.

Зональность ореола замещения ГС наиболее ярко проявлена в закономерном изменении состава и степени минерализации подземных вод [3, 4]. Существует прямая зависимость между степенью замещения грунтов зоны аэрации, водовмещающих пород и уровнем загрязнения подземных вод.

Внутренние зоны регионального ореола замещения Донецкой области характеризуются преимущественно сульфатным составом вод с преобладанием натрия, при уровне минерализации – более 2,5 г/дм3. Здесь устанавливается наибольшая степень загрязнения вод сульфатами, железом, марганцем и токсичными элементами. Данная зона контролируется промышленными узлами и городскими территориями, генетически связана с ореолом регионального замещения ГС.

Промежуточная зона соответствует гидрокарбонатно-хлоридно-сульфатному составу вод с минерализацией от 1,5 до 2,5 г/дм3. Воды имеют смешанный катионный состав с преобладанием натрия. Эта зона менее загрязненных вод имеет неравновесный переходный, переменчивый состав.

Внешняя зона антропогенной трансформации природных вод отличается очевидной ролью в составе вод гидрокарбонат-аниона при минерализации 1,0-1,5 г/дм3. Катионный состав сохраняет смешанный характер. Область распространения данных вод, весьма ограничена в пределах исследуемой территории.

Наименее минерализованные (менее 1 г/дм3) и близкие по составу к природным воды устанавливаются в пределах реликтовых окон. Они соответствуют питьевому качеству, однако антропогенное влияние здесь также устанавливается по аномалиям железа, марганца, аммония, нитратов и натрия.

В целом для регионального процесса замещения поверхностных и подземных вод характерна сульфатно-натриевая направленность с созданием зонально-построенных ореолов, что свидетельствует о значительном масштабе и интенсивности техногенных преобразований ГС в целом.

Сформированный в Донецкой области региональный ореол замещения ГС динамически развивается. Деятельность промышленных предприятий сопровождается его постепенным разрастанием вдоль верхней части зоны водонасыщения в соответствии с направлением движения подземного потока. Интенсивность и масштабы замещения весьма значительны, на что указывает не только пространственные параметры ореола, но и широкий спектр элементов, вовлеченный в процесс антропогенной дифференциации.

Список использованной литературы

1. Симоненко В.Д. Очерки о природе Донбасса. – Донецк: Изд-во Донбасс, 1977. – 149 с.
2. Доклад о состоянии окружающей среды в Донецкой области / под ред. С. Третьякова, Г. Аверина. – Донецк, 2007. – 116 с.
3. Выборов С.Г., Павелко А.И., Щукин В.Н. Эпигенетические изменения водовмещающих пород под действием техногенных факторов // Наукові праці ДонНТУ, серія гірничо-геологічна. 2004, вип. 81. – С. 56-61.
4. Выборов С.Г., Рудченко Е.В. Гидрогеохимические закономерности развития процесса антропогенного замещения водной среды // Наукові праці ДонНТУ, серія гірничо-геологічна. 2008, вип. 8 (136). – С. 55-61.