Тяжелые металлы и металлоиды в системе "Хвостохранилище-дорожная пыль-почва" в зоне влияния Джидинского W-MO комбината (Республика Бурятия)

Размещено на http://www.allbest.ru/

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ И МЕТАЛЛОИДЫ В СИСТЕМЕ «ХВОСТОХРАНИЛИЩЕ-ДОРОЖНАЯ ПЫЛЬ-ПОЧВА» В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ДЖИДИНСКОГО W-MO КОМБИНАТА (РЕСПУБЛИКА БУРЯТИЯ)

И.В. Тимофеев¹, А.В. Рыжов²

Аннотация

По данным геохимической съемки 2012 и 2016 гг. рассмотрена связь элементов в системе «хвостохранилище-дорожная пыль-почва». Установлено, что дорожная пыль является фазой-носителем от источника в депонирующую среду. Крупная фракция дорожной пыли PM_10-1000 характеризуется максимальным содержанием рудного элементам W и схожими с PM₁₀ концентрациями по всем остальным тяжелым металлам и металлоидам. В дорожной пыли Закаменска W, Bi, Cd, Mo, Sb, Pb, Zn, Cu, Sn поступают от техногенных источников - хвостохранилищ. Для Mn, Fe, As, Co, V, Cr, Ni преобладают природные источники - почвообразующие породы и почвы.

Ключевые слова: тяжелые металлы и металлоиды, дорожная пыль, поверхностные горизонты почв, горнопромышленные ландшафты, экогеохимия

Об авторах:

1 к.г.н., научный сотрудник, МГУ имени М.В. Ломоносова, Географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, Москва, vano-timofeev@yandex.ru

2 магистрант 2-го года обучения, МГУ имени М.В. Ломоносова, Географический факультет, кафедра геохимии ландшафтов и географии почв, Москва, 88nujabes88@mail.ru

Abstract

I.V. Timofeev, A.V. Rizhov

Heavy metals and metalloids in the “tailing-road dust-soil“ system in the Dzhida W-Mo plant impact zone (Buryat Republic)

As a results of the geochemical survey conducted in 2012 and 2016 elements connection considered in system «tailings-road dust-soil». It is established that road dust is the carrier phase from the source to the deposit environment. Road dust coarse fraction PM_10-1000 is characterized by the maximum ore W element content and close concentrations in PM₁₀ for all other heavy metals and metalloids. W, Bi, Cd, Mo, Sb, Pb, Zn, Cu, Sn come to road dust from technogenic sources - tailings. Mn, Fe, As, Co, V, Cr, Ni mainly come to road dust from nature sources - parent rocks and soils.

Key words: heavy metals and metalloids, road dust, surface soil horizon, mining landscape, ecogeochemistry

Горнопромышленные центры представляют собой особые ландшафтно-геохимические системы, формирующиеся в условиях высокой литолого-геохимической неоднородности и природной аномалии. Высокий геохимический фон усиливается техногенным воздействием. Добыча полезных ископаемых является одним из крупнейших источников поступления тяжелых металлов и металлоидов (ТММ) в окружающую среду [1]. Она приводит к необратимым изменениям ландшафтов [2], сопровождается образованием более 10 миллиардов тонн отходов ежегодно [3], которые складируются в виде хвостохранилищ и создают значительные риски для здоровья населения [4].

Цель работы - проследить миграцию ТММ в ландшафтах г. Закаменска от источника до почв и техногенных поверхностных образований (ТПО) и оценить экологическую опасность их накопления в депонирующих средах. Решались следующие задачи: 1) определить уровни накопления ТММ в хвостохранилищах, поверхностных горизонтах почв, ТПО и дорожной пыли; 2) оценить содержание элементов в различных гранулометрических фракциях (РМ₁₀, РМ_10-1000) дорожной пыли; 3) провести эколого-геохимическую оценку почвенного покрова и дорожной пыли.

Объект исследования

Город Закаменск был построен для обеспечения работы Джидинского W-Mo комбината (ДВМК), действующего в 1934-1998 гг. Он находится в узкой, сильно расчлененной горной долине р. Модонкуль, правом притоке р. Джиды, в 460 км к юго-западу от г. Улан-Удэ. Климат резко континентальный, годовое количество осадков 250-300 мм. По данным метеорологической станции Цакир, расположенной в 27 км к северо-востоку от г. Закаменска, зима холодная (до -49°С), продолжительная и относительно малоснежная, преобладают ветры северного и северо-западного направлений. Лето короткое, теплое (t_июля = +15,6°С), с увеличением частоты ветров восточного направления.

Дифференциация ландшафтов обусловлена в основном горным рельефом и экспозицией склонов, и в меньшей степени - микроциркуляцией воздушных масс, увлажнением и др. факторами. Город расположен в бореальном поясе, Восточно-Сибирской мерзлотно-таежной зоне, Восточно-Саянской горной почвенной провинции [5]. На вершинах холмов и крутых склонах развиты горные дерново-таежные и дерново-карбонатные почвы [6] под лиственницей сибирской и березой плосколистной с подлеском из рододендрона даурского, шиповника иглистого, голубики обыкновенной [7]. В межкотловинных понижениях на нижних частях пологих склонов долины рр. Модонкуль и Джида под луговой, лугово-болотной растительностью распространены дерновые лесные почвы, а под ивняками -аллювиально-луговые [6].

Градообразующим предприятием являлся ДВМК, который в предвоенные годы добывал 50-60% W в СССР, до 80% во время Великой Отечественной войны и 25-30% Мо [8]. За время работы сформировалось около 44,5 млн т опасных отходов, складированных в Джидинском (насыпном), Барун-Нарынском (гидроотвале) и аварийном хвостохранилищах. С 2010 г. ЗАО «Закаменск» начало доизвлечение W из Джидинского и Барун-Нарынского хвостохранилищ, складируя отходы в новом Зун-Нарынском (рис. 1А). В городе имеются иные источники загрязнения ТММ: ТЭЦ, предприятия по заготовке и переработке древесины, литья металлов, производства продовольственных товаров, строительных материалов, швейных изделий, обработки камней и др.

Методы и материалы

Почвенно-геохимическая съемка г. Закаменска проводилась летом 2012 г. Пробы отбирались из поверхностного (0-10 см) горизонта по сетке с шагом 500-700 м (рис. 1А), что обеспечило пространственную детализацию, необходимую для составления крупномасштабных геохимических карт. Количество и местоположение точек опробования определялось с учетом геологической неоднородности и принадлежности к тому или иному элементарному геохимическому ландшафту [9], выделенному путем анализа цифровой модели рельефа [10].

Пробы дорожной пыли отбирались летом 2016 г. с асфальтового или бетонного покрытия возле бордюрного камня с помощью пластикового совка и щетки в 3-7 повторностях. Отобранные образцы на месте просеивались через сито с диаметром ячеек 1 мм. Фракционирование на РМ₁₀ и РМ_10-1000 выполнено методом отмучивания [11] с использованием фильтров Millipore диаметром 0,45 мкм.

Валовое содержание 54 ТММ в 132 (включая 27 фоновых) пробах почв и 10 пробах дорожной пыли анализировалось масс-спектральным и атомно-эмиссионным методами с индуктивно-связанной плазмой во ВНИИ минерального сырья им. Н.М. Федоровского на приборах Elan-6100 и Optima-4300 («Perkin Elmer», США). Для подробного анализа выбрано 14 приоритетных загрязнителей, типичных для W-Mo месторождений [2], относящихся к I (Zn, As, Pb, Cd), II (Cr, Co, Ni, Cu, Mo, Sb), III (V, W) классам опасности [12], а также Sn и Bi.

Полученные значения для ТММ в пробах дорожной пыли C_d сравнивались с кларками земной коры С [13] путем расчета кларков концентрации КК=С_d / С и рассеяния КР=С / С_d. Геохимическая специализация дорожной пыли оценивалась с помощью коэффициента обогащения К_e = (C_d / C_La)_проба / (C / C_La)_{земн.кора}. La использовался как нормирующий элемент, т.к. он не поступает в атмосферные аэрозоли из техногенных источников. Коэффициенты К_с = С_u / C_b и К_р = С_b / C_u в почвах рассчитывались относительно фоновых почв, развитых на тех же почвообразующих породах, где C_u, С_b - содержание элемента в городских и фоновых образцах.

Эколого-геохимическое состояние почв и дорожной пыли характеризовалось интегральным показателем загрязнения, учитывающим токсичность элементов ИПЗ = У(K_T *С_u / С ) - (n - 1), где n - число элементов c С_u / С > 1,3, K_T - коэффициент токсичности (для элементов I класса опасности K_T = 1,5, для II - 1,0, для III - 0,5) [14]. ИПЗ имеет пять градаций экологической опасности: неопасная (< 16), умеренно-опасная (16-32), опасная (32-64), очень опасная (64-128), чрезвычайно опасная (> 128).

Техногенные источники ТММ в ландшафтах

Рудные тела месторождений Джидинского узла помимо W и Mo, превышающие кларки в сотни и тысячи раз, характеризуется повышенными концентрациями Cu, Zn, As, Pb, Bi, Cd (табл. 1). Порода после дробления до частиц размером 0,07 мм и извлечения полезной компоненты методом флотации с использованием токсичных реагентов - керосина, серной кислоты, ксантогената, соснового масла, жидкого стекла и др. - складировалась в хвостохранилища. В них установлено повышенное содержание этих элементов, а также Sb. Различия в геохимической специализации поверхностных горизонтов городских почв и отложений в местах складирования отходов незначительны. Согласно ранее проведенным исследованиям [15,16] основным источником загрязнения является материал хвостохранилищ, подверженный активной водной и ветровой эрозии с перемещением большого количества крупной и мелкой фракций.

Таблица 1. Кларки концентрации ТММ в рудах [8,17] г. Закаменска

Миграция элементов из техногенного источника (хвостохранилища) в депонирующие среды происходит при участии дорожной пыли, которая является транзитной средой и фазой-носителем ТММ, которая существует в периоды между выпадением жидких осадков.

Геохимия дорожной пыли

Дорожная пыль имеет значительно более низкие концентрации ТММ, чем отложения в хвостохранилищах: в ней очень сильно накапливается W (КК > 20), сильно Bi и Cd (КК = 10-20), повышено содержание Mo, Sb, Pb (КК = 2-10). В околокларковых концентрациях (КК и КР < 2) содержатся Zn, Cu, Sn, As, Co, Cr, рассеиваются V и Ni. Анализ геохимических спектров (рис. 2) позволил установить, что наибольшее воздействие на состав дорожной пыли оказывает Барун-Нарынское хвостохранилище.

Элементный состав гранулометрических фракций дорожной пыли г. Закаменска схож. Содержание всех элементов уменьшается при увеличении размера частиц. Наибольшие концентрации Cd, Bi, W, Mo, Sb приурочены к фракциям PM₁₀, вероятно из-за поступления обогащенных ими частиц при ветровой эрозии и последующем эоловом переносе материала хвостохранилищ.

Геохимическая специализация дорожной пыли оценивалась с помощью коэффициента обогащения К_е. При использовании К_e предполагается, что в природных пробах соотношение изучаемого и нормирующего элементов остается практически неизменным и равняется отношению в земной коре, изменяясь при техногенном воздействии. Для элементов, поступающих от техногенных источников, характерны К_e > 2. В дорожной пыли Закаменска W, Bi, Cd, Mo, Sb, Pb, Zn, Cu, Sn поступают от техногенных источников (Рис. 3). Этими источниками являются хвостохранилища. Для Mn, Fe, As, Co, V, Cr, Ni преобладают природные источники - почвообразующие породы, почвы, природные строительные материалы для создания дорожного полотна и др.

Геохимия поверхностных горизонтов почв

Конечное «депо» - почва, где происходит аккумуляция ТММ на педогеохимических барьерах, характеризует загрязнение окружающей среды за многолетний период. Содержания рудных элементов (W, Mo) и их спутников (Bi, Sb), типичных для Первомайского и Инкурского месторождений [8,17], превышают среднемировые значения во всех фоновых пробах в 1,3-20 раз [15,16]. В поверхностных горизонтах городских почв в результате техногенного воздействия изменилось содержание ТММ. Наиболее загрязнены почвы промышленной зоны (рис. 3b), в которой накапливаются Bi, W, Cd, Pb, Mo, Sb, Cu, Zn, Sn, As. Перечень элементов приоритетных загрязнителей обусловлен их поступлением из нескольких источников: хвостохранилищ, от завода «Литейщик» и ТЭЦ, работающей на мазуте [16].

Селитебная зона с многоэтажной застройкой - вторая по уровню загрязнения почв, из-за примыкающих к ней техногенных песков Джидинского хвостохранилища с повышенной по сравнению с горными породами аэрируемостью и водопроницаемостью. Поэтому здесь наблюдается его активная дефляция, водная эрозия, плоскостной смыв и химическое сернокислотное выветривание, что приводит к увеличению скорости окисления сульфидов и растворения продуктов выветривания. Их латеральная миграция вызывает обогащение почв близлежащей жилой зоны W, Bi, Cd, Pb, Zn, Mo, Cu.

Таблица 2. Геохимическая специализация почв г. Закаменск

Примечание: *n - количество образцов в Закаменске; ** верхний индекс - значения К_с

Почвы селитебной с одноэтажной застройкой и природно-рекреационной зон не загрязнены - концентрации элементов близки к фоновым. Исключением являются рудные элементы W, Mo и их спутники Bi, Cd. В селитебной зоне также выявлено слабое накопление Pb и Zn, источниками которых обычно являются коммунальные отходы и автотранспорт. загрязненность почва пыль металл

Эколого-геохимическая оценка почв и дорожной пыли

Опасность полиэлементного загрязнения поверхностных горизонтов почв и дорожной пыли в Закаменске оценивалась по интегральному показателю. Почвы, как индикатор многолетнего загрязнения, характеризуются широким разбросом значений ИПЗ - от 1,5 до 1737. Медиана, устойчивая к аномально высоким значениям, равна 102, что свидетельствует об очень опасной экологической ситуации. Пространственное распределение ИПЗ отличает наличие нескольких высококонтрастных аномальных зон, приуроченных к промплощадкам и хвостохранилищам (рис. 1Б): аварийному (ИПЗ=823-1737); Барун-Нарынскому и Зун-Нарынскому (647-851); Джидинскому и территории ДВМК (500-702); Модонкульскому техногенному месторождению (400-740); долине р. Инкур (300-330). По этому показателю выявляется еще ряд территорий с чрезвычайно опасной степенью загрязнения: юго-восточная часть горнопромышленного центра, у подножия отвалов вскрышных пород, из-под которых вытекает р. Гуджирка (ИПЗ = 770); долина р. Модонкуль ниже хвостохранилищ, размыв и русловой транспорт материала которых образовал вытянутую с юга на север аномалию в верхних горизонтах пойменных почв (ИПЗ =134-146).

Дорожная пыль г. Закаменска в целом характеризуется очень опасной степенью экологической опасности (ИПЗ = 77). Самые высокие значения ИПЗ характерны для наиболее близких к Барун-Нарынскому хвостохранилищу проб (ИПЗ до 118). В точках, расположенных вне зоны влияния хвостохранилищ, показатель ИПЗ минимальный (рис. 1Б). Фракция дорожной пыли РМ₁₀ имеет в 1,5-2 раза большие значения ИПЗ, чем фракция РМ_10-1000. Дорожная пыль попадает в почвы и водотоки, а также влияет на состав аэрозолей воздуха. Увеличению запыленности атмосферы способствует ряд факторов: местные метеоусловия отличаются довольно частыми и сильными ветрами; узкая долина р. Модонкуль с высокими бортами приводит к развитию эффекта «каньона»; при проезде автотранспорта формируются турбулентные потоки воздуха.

В зону чрезвычайной экологической опасности (ИПЗ > 128) попадает практически половина горнопромышленного центра - 47% [15,16]. Данные о составе дорожной пыли подтверждают полученные ранее выводы о критическом состоянии ландшафтов г. Закаменска, которое вызывает нарушения органов дыхания и других важнейших систем организма и увеличивает частоту заболеваемости детей и подростков [18-20].

Анализ полученных геохимических данных показал, что концентрации всех рассматриваемых элементов уменьшаются в ряду «хвостохранилище-почва-дорожная пыль». Близкая геохимическая специализация этих компонентов ландшафтов указывает на общность происхождения аномалий в этих средах. Экологическая ситуация в г. Закаменске обусловлена высокой степенью полиэлементного загрязнения почвенного покрова и дорожной пыли. Максимальные значения приурочены к местам складирования отходов ДВМК. Полное осушение хвостохранилищ и отсутствие растительного покрова привели к развитию водной и ветровой эрозии. В результате непродуманного размещения хвостов и отсутствии контроля за хвостохранилищами сформировалась обширная зона чрезвычайной экологической опасности, негативно влияющая на здоровье населения.

Библиографический список

1. Hudson-Edwards K.A., Jamieson H.E., Lottermoser B.G. Mine Wastes: Past, Present, Future // Elements. 2011. Vol. 7, № 6. P. 375-380.

2. Сает Ю.Е. et al. Геохимия окружающей среды. Москва: Недра, 1990. 335 p.

3. Adiansyah J.S. et al. A framework for a sustainable approach to mine tailings management: Disposal strategies // J. Clean. Prod. 2015. Vol. 108. P. 1-13.

4. Acosta J.A. et al. Multivariate statistical and GIS-based approach to evaluate heavy metals behavior in mine sites for future reclamation // J. Geochemical Explor. 2011. Vol. 109, № 1-3. P. 8-17.

5. Добровольский В.В., Урусевская И.С. География почв: Учебник. 2-е изд., ed. Москва: Изд-во МГУ, Изд-во “КолосС,” 2004. 460 p.

6. Ногина Н.А. Почвы Забайкалья. Москва: Наука, 1964. 312 p.

7. Папов А.П. Реализация природоохранных мероприятий, связанных с закрытием Джидинского вольфрамово-молибденового комбината г. Закаменска; оценка экологической ситуации в прилегающей зоне бывшего ДВМК: Пояснительная записка. Улан-Удэ: ФГОУ ВПО "Бурятская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Р. Филиппова», 2007. 259 p.

8. Зиновьева И.Г. et al. Вторая очередь мероприятий по ликвидации экологических последствий деятельности Джидинского вольфрамо-молибденового комбината в Закаменском районе Республики Бурятия: Предпроектные исследования. Научно-технический отчет. Чита: ООО “Гидроспецстрой,” 2011. 213 p.

9. Полынов Б.Б. Избранные труды. Москва: Изд-во Академии наук СССР, 1956. 751 p.

10. Хайбрахманов Т.С., Тимофеев И.В., Кошелева Н.Е. Опыт построения карты родов элементарных ландшафтов на основе ЦМР для территории г. Закаменска (Бурятия) // Геоинформационное картографирование в регионах России материалы VII Всероссийской научно-практической конференции (Воронеж, 10-12 декабря 2015 г.). 2015. P. 148-152.

11.Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. Москва: Агропромиздат, 1986. 416 p.

12.ГОСТ 17.4.1.02-83. Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения. Москва, 2008. P. 4.

13.Касимов Н.С., Власов Д.В. Кларки химических элементов как эталоны сравнения в экогеохимии // Вестник Моск. ун-та. Серия 5. География. 2015. № 2. P. 7-17.

14.Большаков В.А. et al. Методические рекомендации по оценке загрязненности городских почв и снежного покрова тяжелыми металлами. Москва: Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 1999. 32 p.

15.Тимофеев И.В., Касимов Н.С., Кошелева Н.Е. Геохимия почвенного покрова горнопромышленных ландшафтов на юго-западе Забайкалья (город Закаменск) // География и природные ресурсы. 2016. № 3. P. 49-61.

16.Тимофеев И.В. Тяжелые металлы и металлоиды в почвах и древесных растениях зоны влияния Джидинского W-Mo (Россия) и Эрдэнэтского Cu-Mo (Монголия) комбинатов: Дисс.... канд.геогр.наук. Москва: МГУ имени М.В. Ломоносова, Географический факультет, 2016. 210 p.

17.Смирнова О.К., Плюснин А.М. Джидинский рудный район (проблемы состояния окружающей среды). Улан-Удэ: Изд-во Бурятского научного центра СО РАН, 2013. 181 p.

18.Вековшинина С.А. et al. Оценка качества среды обитания и рисков для здоровья населения г. Закаменска - территории длительного хранения отходов Джидинского вольфрамо-молибденового комбината // Гигиена и санитария. 2017. Vol. 96, № 1. P. 15-20.

19.Прусаков В.М. et al. Оценка риска здоровью детского населения от воздействия техногенных песков вольфрамово-молибденового ГОКа // Методологические проблемы экологически обусловленных нарушений здоровья: Бюлл. ВСНЦ СО РАМН. Иркутск: Научный центр реконструктивной и восстановительной хирургии СО РАН, 2005. P. 55-60.

20.Иметхенов А.Б. et al. Воздействие техногенных загрязнений Джидинского вольфрамо-молибденового комбината на здоровье детей г. Закаменска (Республика Бурятия) // Вестник Бурятского государственного университета. 2015. Vol. 4. P. 229-236.

Размещено на Allbest.ru