Эколого-геохимическая характеристика особенностей накопления химических элементов в почвах Приазовья
Автор: Волкова Т.П., Попова Ю.С., Омельченко А.А.
Источник: Наукові праці ДонНТУ, серія гірничо-геологічна, 2005, вып. 96, с. 84–90
Автор: Волкова Т.П., Попова Ю.С., Омельченко А.А.
Источник: Наукові праці ДонНТУ, серія гірничо-геологічна, 2005, вып. 96, с. 84–90
Волкова Т.П., Попова Ю.С., Омельченко А.А. Эколого-геохимическая характеристика особенностей накопления химических элементов в почвах ПриазовьяРассмотрены основные особенности накопления химических элементов в почвах Приазовья, в связи с распространенной промышленной деятельностью в регионах и опасностью образования геохимических аномалий в местах совмещения техногенеза с природными вторичными ореолами.
В административном отношении большая часть территории Приазовья принадлежит Донецкой области, частично к Днепропетровской и Запорожской. На территории Донецкой области, которая составляет всего 4,4 % площади страны, сосредоточена пятая часть промышленного потенциала Украиы. Высокая концентрация промышленности и сельскохозяйственного производства, транспортной инфраструктуры, большая плотность населения создали очень большую техногенную нагрузку, в 5–7 раз выше средней по Украине [1]. Тема данной работы возникла в связи с известной в геологии концепции геохимической специализации пород в районах развития месторождений определенных видов полезных ископаемых и, одновременно, большой промышленной нагрузкой Донецкой области. Поскольку развитие определенных отраслей промышленности связано с переработкой конкретных видов полезных ископаемых, чаще всего распространенных в этих же регионах, существует реальная опасность возникновения мощных геохимических аномалий в местах совмещения техногенеза с природными вторичными ореолами. В связи с этим, целью работы являлось сравнение условий возникновения и геохимических особенностей техногенных и природных аномалий для дальнейшего прогнозирования наиболее опасных районов Приазовья.
Эколого-геохимическая съёмка масштаба 1:200000 проводились предприятием Донбассгеология (г. Артёмовск). Всего было отобрано 2265 проб. При отборе проб расстояние между профилями и пикетами равнялось 2 км, а на территории г. Мариуполь сетка сгущалась до 0,5 км. Отбор проб почвы при эколого-геохимической съёмке производился до глубины 5 см [2].
Было установлено несколько зон с повышенным содержанием химических элементов. Это геохимически специализированные массивы пород – Октябрьский, Володарский, Талаковский и площадь, окружающая г. Мариуполь.
Техногенные аномалии образуются в верхнем слое почвы за счёт осаждения соединений химических элементов из атмосферы, за счёт их миграции из породных отвалов, грунтовых вод и т.д [1]. Природные геохимические аномалии обусловлены рудной минерализацией, которая в промышленных количествах является месторождением. Породы, вмещающие месторождения, отличаются от соседних участков земной коры целым рядом особенностей, в том числе повышенным содержанием элементов типоморфного минералогического комплекса. Эти участки называются первичными ореолами рассеивания. В почвах, покрывающих массивы пород, распространяются вторичные ореолы рассеивания. Они характеризуются незначительным превышением содержания в сравнении с первичными [3]. Поэтому целесообразно сравнивать геохимические техногенные аномалии с природными, образующимися во вторичных ореолах.
В геологическом плане Приазовье расположено в восточной части Украинского Щита и является его крайним юго-восточным блоком. Область, которая сложена кристаллическими породами, занимает площадь приблизительно 1600 км2. Системой ступенчатых сбросов Приазовский блок отделён от Донецко-Днепровского авлакогена, а на юге – от Причерноморской впадины. Крайнее восточное положение выходов кристаллических пород фундамента установлено по р.Грузский Еланчик. На западе Приазовье отделяется от соседнего Приднепровского блока Орехово-Павлоградским разломом [4]. В пределах Приазовского блока известны массивы пород с различной геохимической специализацией [5], результаты выделения которых представлены ниже (табл.1).
Таблица 1 – Геохимическая спецализация пород Приазовья
| Стратиграфические комплексы пород Приазовья | Возраст, млн.лет | Элементы с аномальными концетрациями | Геологические структуры |
| Обиточненский | 2000±25 | Sr, Ni, Cr, Cu, Co, S | Салтычанский Центрально-Обиточненский Северно-Обиточненский Западно-Елисеевский Восточно-Елисеевский Нельговский Богородицкий Еленовский |
| Анадольский | 2000±25 | Rb, P, Ce, La, Y, Yb | Анадольский Лозоватский антиклинорий | Хлебодаровский | 2050±25 | Pb, Zn, Mo, Cu, Si, F, P; Ce, La, Y | Хлебодаровский Дубовский Талаковский Греково-Александровский Кумачёвский | Cалтычанский | 2000±25 | Be, Fe, Ni-Nb, Ta, Li, Ce, La, Y, Yb; Cu, Mo, Cs, Rb, Sn, Be | Елисеевский купол Андреевский купол Елизаветовский купол | Каменномогильский | 1800±50 | Pb, Li, Nb, Sn, Al, Be, Zr, Ta, W | Каменные Могилы Екатериновский Стародубовский Ново-Янисольский | Октябрьский | 1800±50 | Nb, Та, Co, Cr, Ti, Ni, Ce, La, Y, Yb, Zr | Октябрьский | Южнокальчикский | 1785±50 | Zr, Ce, La, Y, Nb, P, Ti | Володарский Кременёвский |
Наиболее интенсивные аномальные содержания рудных элементов установлены в Октябрьском и Володарском массивах Приазовья. Поэтому для сопоставления интенсивности накопления химических элементов в природных и техногенных аномалиях наряду с элементами І и II класса экологической опасности исследовались рудные элементы, характерные для пород Октябрьского и Володарского массивов – Nb, Ta, Zr, Ce, La, Y, Yb.
Главное техногенное воздействие на окружающую среду осуществляется промышленными предприятиями. На территории Донецкой области наиболее распространёнными являются предприятия угольной, металлургической и коксохимической промышленности. Как металлургические предприятия, так и предприятия угольной промышленности являются источниками загрязнения почв свинцом, цинком и др. химическими элементами [6, 7]. Во время проведения геолого-экологических исследований на участке, где расположен г. Мариуполь, было отобрано 340 проб почвы.
Таблица 2 – Статистические характеристики распределения химических элементов в почвах территории г. Мариуполь
| Химические элементы | Средние содержания химических элементов,Xср, мг/кг | Стандартное отклонение по Хср | Средние значения коэффициента концентрации химических элементов, Кс | Стандартное отклонение по Кс | Коэффициент вариации, V | ПДК, мг/кг | |
| Pb | 53,0 | 69,87 | 2,95 | 3,88 | 1,32 | 18,0 | |
| Zn | 110,0 | 92,15 | 4,78 | 4,01 | 0,84 | 23,0 | |
| Mo | 2,0 | 1,86 | 1,46 | 1,33 | 0,93 | 1,4 | |
| Ti | 2573,0 | 116,7 | 5,3 | 5,8 | 1,10 | 480,0 | |
| Mn | 1260,0 | 129,3 | 1,8 | 2,0 | 1,10 | 700,0 | |
| Cr | 108,0 | 8,2 | 1,2 | 0,85 | 0,70 | 90,0 | |
| Co | 14,6 | 0,42 | 0,8 | 0,24 | 0,30 | 19,0 | |
| Nb | 13,7 | 3,08 | 0,72 | 0,16 | 0,23 | 19,0 | |
| Ta | 25,0 | 00,0 | 1,00 | 0,00 | 0,00 | 25,0 | |
| Ce | 21,1 | 7,37 | 0,70 | 0,25 | 0,35 | 30,0 | |
| La | 11,0 | 4,30 | 0,55 | 0,21 | 0,39 | 20,0 | |
| Y | 9,1 | 3,26 | 0,48 | 0,17 | 0,36 | 19,0 | |
| Yb | 1,0 | 0,16 | 0,32 | 0,05 | 0,16 | 3,2 | |
| Zr | 178,7 | 49,84 | 0,91 | 0,25 | 0,28 | 197,0 |
Повышенные содержания свинца и цинка являются причинами многих заболеваний: болезни печени, селезёнки, лёгких, крови и т.д. Среднее содержание свинца в почве территории Мариуполя составляет 53 мг/кг, коэффициент вариации 1,32, что указывает на его крайне неравномерное распределение. Содержания свинца, превышающее ПДК (предельно допустимые концентрации) от 2 до 6 раз наблюдается на большей части территории г. Мариуполя. Наибольшая концентрация элемента наблюдается в юго-восточной и восточной частях, где она достигает 700 мг/кг, превышая ПДК в 39 раз. Среднее значение коэффициента концентрации равно 2,95. Для Донецка оно составляет 1,86 [8].
Среднее содержание цинка в почвах Мариуполя – 110 мг/кг (при ПДК 23). Распределение его тоже неравномерное. На большей части территории содержания цинка превышают ПДК от 2 до 8 раз. Наибольшая концентрация наблюдается в северо-восточной и восточной частях, где она достигает 1000 мг/кг, превышая ПДК в 43 раза. Среднее значение коэффициента концентрации равно 4,78, а в Донецке – 2,13 [8].
Среднее содержание молибдена в почвах г. Мариуполь превышает ПДК в 1,46 раз – достаточно незначительно по сравнению с двумя вышеописанными. В Донецке этот элемент также накапливается менее интенсивно, превышая ПДК в среднем в 1,41 раза. На большей части территории г. Мариуполя содержание молибдена превышает ПДК в 2 раза, а наибольшая концентрация наблюдается в южной части, где отмечено превышение ПДК в 21 раз.
Титан интенсивнее всего накапливается в поверхностном слое (0–2,5 см). Cреднее содержание титана в почве составляет 2573 мг/кг и превышает ПДК в 5,3 раза. При этом коэффициент вариации составляет 1,1 (110 %). Это свидетельствует о неравномерном распределении этого элемента в почвах. Для г. Донецка среднее содержание титана составляет 4670 мг/кг и не превышает ПДК (Кс = 0,97 ). Средняя концентрация марганца в почве г.Мариуполя составляет 1260 мг/кг и превышает ПДК в 1,8 раза. В Донецке оно ниже и составляет 872 мг/кг [8]. Коэффициент вариации составляет 1,1, что характеризует его распределение как неравномерное. Содержание хрома на территории города Мариуполя превышает ПДК в среднем в 1,2 раза. Его вариации также незначительны. Среднее содержание этого элемента в Мариуполе составляет 108 мг/кг, а в Донецке соответственно 97 мг/кг, что практически соответствует санитарным нормам. Источником загрязнения для этих элементов являются предприятия металлургической промышленности. Их число в Мариуполе больше, чем в Донецке, что и обусловило значительную разницу в содержаниях.
Содержание таких элементов как Nb, Ta, Ce, La, Y, Yb, Zr в почве г. Мариуполь практически не превышает ПДК. Это указывает на то, что они не характерны для техногенных аномалий. Аномальные концентрации этих элементов связаны с возникновением природных аномалий и установлены в геохимически специализированных массивах пород Приазовья. Месторождения полезных ископаемых обуславливают первичные ореолы рассеивания, которые наблюдаются в коренных породах на глубинах свыше десятков метров.
Октябрьский массив находится в северной части Восточного Приазовья и представлен разнообразными по химическому составу породами, начиная от ультраосновных (пироксениты) и основных (габбро) и заканчивая щелочными и нефелиновыми сиенитами. Самыми древними являются ультраосновные и основные породы (2600 млн лет). Возраст щелочных сиенитов – 2000 млн лет, затем образовались нефелиновые сиениты и разнообразные метасоматиты, в том числе и мариуполиты – основные рудовмещающие породы. Большая часть метасоматитов имеет редкометальное и редкоземельное оруденение [9]. В Октябрьском массиве находится два месторождения (Мазуровское и Калинино-Шевченковское) и несколько рудопроявлений редких металлов [10].
Мазуровское месторождение находится в северо-восточной части Октябрьского массива. В разрезе пологие этажные тела мариуполитов прослеживаются на глубину 600 м. Среднее содержание Nb в мариуполитах Мазуровского месторождения 0,11 вес. %, Ta – 0,0079 вес. %, Zr – 0,27 вес. % [9]. В составе первичных ореолов, образующихся на выклинивании рудных тел, часто встречаются аномальные содержания халькофильных элементов. Они фиксируют тектонически-ослабленные зоны, благоприятные для развития метасоматических процессов. Процессы гипергенеза в породах месторождений приводят к формированию над ними вторичных ореолов рассеивания. В отличии от месторождений полезных ископаемых, они являются малоконтрастными и характеризуются относительно небольшими содержаниями элементов-индикаторов [3]. Их основные особенности заключаются в следующем:
- их размеры превышают размеры первичных ореолов;
- соотношение между размерами вторичных ореолов различных видов непостоянное;
- элементы-индикаторы распределяются более равномерно;
- содержание элементов-индикаторов даже в обогащенных зонах превышает фон незначитнльно;
- cущественное влияние на распределение элементов во вторичных ореолах оказывают ландшафтно-геохимические особенности района.
Отбор проб осуществлялся из верхнего слоя почв. Поэтому содержание таких элементов как Ce, La, Y, Yb, Zr, Nb, Ta во вторичном ореоле значительно меньше, чем в мариуполитах Октябрьского массива (табл.3).
Таблица 3 – Статистика распределения химических элементов в почвах, покрывающих Октябрьский массив Приазовья
| Химические элементы | Средние содержания химических элементов,Xср, мг/кг | Стандартное отклонение по Хср | Средние значения коэффициента концентрации химических элементов, Кс | Стандартное отклонение по Кс | Коэффициент вариации, V | ПДК, мг/кг | |
| Pb | 26,5 | 11,35 | 1,47 | 0,63 | 0,42 | 18,0 | |
| Zn | 71,2 | 80,36 | 3,09 | 4,15 | 0,86 | 23,0 | |
| Mo | 19,6 | 30,75 | 14,03 | 21,96 | 1,57 | 1,4 | |
| Nb | 21,2 | 21,46 | 1,11 | 1,13 | 1,01 | 19,0 | |
| Ta | 25,0 | 00,0 | 1,00 | 0,00 | 0,00 | 25,0 | |
| Ce | 21,1 | 7,49 | 0,74 | 0,25 | 0,34 | 30,0 | |
| La | 21,0 | 7,58 | 1,06 | 0,38 | 0,36 | 20,0 | |
| Y | 14,1 | 10,88 | 0,74 | 0,57 | 0,77 | 19,0 | |
| Yb | 1,6 | 0,91 | 0,50 | 0,28 | 0,57 | 3,2 | |
| Zr | 264,7 | 96,66 | 1,34 | 0,48 | 0,37 | 197,0 |
С глубиной содержание циркония увеличивается в 3 раза, итербия – в 1,4, иттрия – в 1,6, лантана – почти в 2 раза, церия – в 2 раза, а ниобия – в 40 раз [10].
Повышенное содержание таких элементов как Pb, Zn, Mo объясняется процессами метасоматоза, которые охватили и вмещающие габбро. Элементы Pb, Zn, Mo характерны для темноцветных минералов этих пород [11].
На территории Октябрьского массива среднее содержание свинца составляет 26,5 мг/кг. Коэффициенты концентраций свинца от 1 до 1,3 наблюдаются на большей части территории Октябрьского массива. Наибольшая концентрация этого элемента сосредоточена на участке, который прилегает к Мазуровскому месторождению, где достигает 50 мг/кг, что превышает ПДК в 2,7 раз. Для цинка характерно преобладающее превышение ПДК от 1,3 до 5 раз. Наибольшая концентрация в северо-восточной части исследуемого массива около с. Донское, где достигает 300 мг/кг, превышая ПДК в 13 раз.
Содержание молибдена с коэффициентом концентрации от 0,5 до 2 можно увидеть на половине исследуемой территории. Другая же половина занята геохимической аномалией с резким повышением коэффициента концентрации. На участке, который тяготеет к зоне разломов, концентрация молибдена составляет 180 мг/кг, что превышает ПДК в 128 раз. На территории, прилегающей к п.г.т. Донское, максимальное содержание молибдена 300 мг/кг, что превышает ПДК в 215 раз. Поскольку здесь расположены отвалы переработанных редкометальных руд Мазуровского месторождения, то максимальные уровни концентрации здесь отражают условия наложения техногенной и природной аномалии.
Володарский массив приурочен к юго-восточному отрезку Азово-Днепровского пояса глубинных разломов. Становление массива происходило в позднем протерозое (1800±20 млн.лет) в течение длительной магматической фазовой дифференциации, результатом которой явились разнообразные породы от основного до субщелочного состава. Границы с вмещающими массив породами тектонические: с востока ограничен разрывами Мало-Янисольской зоны, с юго-запада – Федоровским разломом, с северо-запада – Володарской зоной разломов, на юге граничит с породами центрально-приазовской серии. Площадь массива 170 км2. Первая фаза массива представлена расслоенной габбро-сиенитовой интрузией, занимающей около 60% площади Володарского интрузива в юго-восточном секторе [12]. Акцессорный циркон распространен в ассоциации с апатитом и магнетитом. Вторая фаза представлена интрузией щелочнополевошпатовых гастингситовых сиенитов. В акцессорную ассоциацию входят циркон, ортит и пирохлор. В третью фазу формировались розовые щелочнополевошпатовые гастингситовые граносиениты и володарские граниты, которые незакономерно переходят друг в друга. В центре массива выделяется три, соединенных между собой, округлых в плане тела гранитов. В северной части Володарского массива выделяется шток сиенит-пегматитов диаметром 2 км, названный Азовской структурой. Для ее пород характерно повышенные содержания циркона, флюорита, бастнезита, ортита. Азовское цирконий-редкоземельное месторождение в структурном плане приурочено к юго-восточному экзоконтакту интрузии сиенит-пегматитов. Аналогичные породы выявлены на Панновском участоке, расположенном в юго-западном теле граносиенитов [12]. Еще в нескольких скважинах, пробуренных в пределах пород второй и третьей фазы Володарского массива при эколого-геохимическом картировании обнаружены участки повышенных концентраций (табл.4).
Таблица 4 – Статистика распределения химических элементов в почвах, покрывающих Володарский массив Приазовья
| Химические элементы | Средние содержания химических элементов,Xср, мг/кг | Стандартное отклонение по Хср | Средние значения коэффициента концентрации химических элементов, Кс | Стандартное отклонение по Кс | Коэффициент вариации, V | ПДК, мг/кг | |
| Ti | 2910,6 | 112,8 | 10,5 | 5,4 | 0,9 | 480,0 | |
| Mn | 870,3 | 96,4 | 1,5 | 2,3 | 1,5 | 700,0 | |
| Cr | 81,9 | 6,4 | 0,89 | 0,5 | 0,6 | 90,0 | |
| Co | 15,8 | 0,9 | 0,83 | 0,06 | 0,07 | 19,0 | |
| Ce | 25,2 | 6,9 | 0,84 | 0,23 | 0,06 | 30,0 | |
| Y | 8,7 | 0,19 | 0,4 | 0,05 | 0,13 | 19,0 | |
| Yb | 1,1 | 0,02 | 0,3 | 0,02 | 0,12 | 3,2 | |
| Zr | 184,3 | 5,4 | 0,9 | 0,01 | 0,08 | 197,0 |
Cреднее содержание титана и марганца превышает ПДК в 10,5 и 1,5 раза соответственно. При этом коэффициенты вариации титана и марганца достаточно высокие – 0,9 и 1,5, что характеризует их распределение на площади исследование как неравномерное и крайне неравномерное. С глубиной (в первичных ореолах) их содержание практически не меняется.
Среднее содержание редких элементов с глубиной изменяется существенно: цирконий увеличивается в 3 раза, иттербий – в 1,4 раза, иттрий – в 1,6 раза, церий – в 2 раза. Эти элементы содержатся в рудах и рудовмещающих породах (минералы: пирохлор, бритолит, бастензит, чевкинит, ортит, циркон).
Сравнивая интенсивность техногенных и природных аномалий, можно увидеть, что содержание свинца в почвах г. Мариуполь превышает его содержание в почвах Октябрьского массива в 2 раза, причём его распределение на площади техногенной аномалии является намного более неравномерным, чем в природной.
Цинк в техногенной аномалии имеет большее значение содержания, чем в природной аномалии в 1,5 раза. Содержание молибдена в природных аномалиях превышает ПДК в 14 раз, а относительно техногенной аномалии, его содержание выше в 10 раз. Аналогично характеризуется распределение титана в почвах, покрывающих Володарский массив, что связано с повышенным содержанием этого элемента в рудных и породообразующих минералах пород. Распределение их в природных аномалиях крайне неравномерное. Незначительное различие в природных и техногенных аномалиях наблюдается в распределении марганца и хрома. Очевидно, они также характерны и для природных аномалий собственных месторождений. Элементы Nb, Ta, Ce, La, Y, Yb, Zr наоборот, имеют повышенные содержания в природных аномалиях и отличаются от техногенных повышенными коэффициентами концентрации и вариации.
Таким образом, свинец и цинк – элементы I класса опасности – являются характерными элементами, в основном, техногенных аномалий. Молибден, титан, марганец и хром более характерны для природных аномалий, хотя и в процессах техногенеза они имеет тенденцию к накоплению. Условия наложения природных и техногенных аномалий были определены на участке п.г.т. Донское, где расположен горнообогатительный комбинат по переработке редкометальных руд. В природных аномалиях активно происходит процесс перераспределения рудных элементов, о чём свидетельствует неравномерное распределение их содержаний в почвах. Поэтому можно сделать вывод, что геохимические аномалии элементов постоянно изменяются. При совмещения природных и техногенных аномалий, что возможно в условиях отработки редкометальных месторождений, среднее содержание этих элементов может стать намного выше ПДК. Это вызывает повышенную опасность и необходимость проведения постоянного мониторинга.
1. Земля тривоги нашої. За матеріалами доповіді про стан навколишнього природного середовища в Донецькій області у 2002 році / Під ред. С.В. Третьякова. – Донецьк: Новий мир. – 2003. – 158 с.
2. Временные методические рекомендации по проведению эколого-геологических исследований при геологоразведочных работах (для условий Украины). Д.Ф. Володин, Е.А. Яковлев и др. – К., 1990. – 87 с.
3. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия: Учебник. – М.: Логос, 2000. – 627 с.
4. Цуканов В.А. Петрология раннедокембрийских гранитоидов Приазовья. – К.: Наукова думка, 1977. – 184 с.
5. Гранитоиды Украинского щита. Петрохимия, геохимия, рудоносность: Справочник. – К.: Наукова думка, 1993. – 230 с.
6. Проект нормативов предельно допустимых выбросов (ПДВ, ВСВ) для Донецкого металлургического завода. – Донецк, 1992. – 120 с.
7. Геологический отчет о доразведке и переоценке запасов каменных углей поля шахты им. М.Горького п. о. «Донецкуголь». – Донецк, 1993. – 240 с.
8. Панов Б.С., Шевченко О.А., Дудик А.М., Дудик С.А., Селяков С.Ю. Современные экологические проблемы Донецкого бассейна // Геофизический журнал, 2003, № 3. – c. 46–60.
9. Волкова Т.П. Критерии продуктивности редкометальных рудопроявлений Октябрьского массива // Наукові праці ДонНТУ, серія гірничо-геологічна, 2001. – Вип. 36. – c. 63–69.
10. Волкова Т.П. Проблемы генезиса и рудоносности Октябрьского массива щелочных пород // Сборник научных трудов НГА, 2000. – № 4. – c. 9–10.
11. Минералогия Приазовья // Е.К. Лазаренко, Л.Ф. Лавриненко, Н.И. Бучинская и др. – Киев: Наукова думка, 1980. – 432 с.
12. Волкова Т.П., Смертин Д.А. Поисковые предпосылки месторождений циркона // Труды ДонГТУ, 2002, серия горно-геологическая, вып. 45. – С. 112-117.