21.85

42.99

386.05

1998.48

2.37

321.56

Расчет массы тяжелых металлов () проводился по следующей формуле:

(5.1.)

где:

- масса горных пород i-го возраста и генезиса происхождения,

- среднее содержание химического элемента горной породе i-го возраста и генезиса происхождения.

Масса горных пород i-го возраста и генезиса происхождения () рассчитывалась по следующей формуле:

(5.2.)

где:

S_i - площадь распространения горной породы i-го возраста и генезиса происхождения,

H_i - средняя мощность горной породы i-го возраста и генезиса происхождения,

- плотность четвертичных отложений.

Плотность четвертичных отложений принята как среднее для песков, супесей, суглинков и глин - 1,88 г/см³. Была также оценена распространенность в каждом горизонте основных литологических разностей: песков, супесей, суглинков и глин, а также кислотно-щелочного состояния породы.

Расчет средних концентраций производился на основе метода нахождения долей. Так, распространение кислой и щелочной сред во всех горных породах четвертичных отложений различного возраста и генезиса приблизительно одинаково. В силу этого мы взяли их соотношение, как 30 % кислых пород и 70 % щелочных. Соотношение литологических разностей принималось в зависимости от возраста и генезиса пород на основе литературных данных и данных полученных в ходе работы в ГУП "Мосгоргеотрест".

Голоцен. Современные отложения Q_IV. Техногенный (насыпной) слой (k-Q_IV) на территории города Москвы содержит приблизительно 30 % песков,20 % супеси,20 % суглинков и 30 % глины (антропогенные включения не учитывались, так как в большинстве своем имеют незначительную долю).

Неоплейстоцен. Верхнечетвертичные отложения Q_III. Древний аллювий 2^ой надпойменной (Мневниковской) террасы р. Москвы (a-Q_III²) в основном в своем составе содержит песок - 20 % и в незначительных количествах суглинок - 5 % и глину - 5 %. Для древнего аллювия 3^ей надпойменной (Ходынской) террасы р. Москвы приняли, что он полностью состоит из песка. Состав древнего аллювия клязьмо-яузского протока (a^k-j-Q_III¹) - это 90 % песка, 3 % супеси, 4 % суглинка и 3 % глины. Озерно-болотные отложения времени микулинского межледниковья (lh-Q_III^mik) содержат 50 % песка, 25 % супеси и 25 % глины.

Среднечетвертичные отложения Q_II. Покровные отложения (pr-Q_II-III) в основном состоят из суглинков - 90 % и в равных долях из супеси и глины. Флювиогляциальные водно-ледниковые отложения московского оледенения (f-Q_II^ms) содержат 75 % песка, 10 % супеси, 10 % суглинка и 5 % глины. Состав морены московского оледенения (g-Q_II^ms) - это по 30 % супеси и суглинка, по 20 % песка и глины. Озерно-ледниковые отложения между днепровским и московским оледенениями (одинцовского межледниковья) (lgl-Q_II^d-m) состоят из 70 % глины и равных долей песка, супеси и суглинка. Флювиогляциальные водно-ледниковые отложения (f-Q_II^d-m) - 75 % песка, по 10 % супеси и суглинка, 5 % глины. Морена днепровского оледенения (g-Q_II^d) в основном состоит из суглинка (80 %) и в равных частях из супеси и глины. Флювиогляциальные водно-ледниковые отложения (f-Q_II^o-d) содержат 90 % песка, по 3 % супеси и глины, 4 % суглинка.

При ведении расчета средних концентраций, как было сказано выше, учитывалось соотношение литологических разностей. Но как видно из таблиц 4.1 и 4.2., не для каждой из них были получены средние значения в силу отсутствия необходимого объема данных. В этом случае эта литологическая разность в расчете не принимала участие, но ее доля учитывалась. Общая формула расчета среднего содержания для каждого химического элемента в горной породе имеет вид:

(5.3.)

где:

- среднее содержание химического элемента горной породе i-го возраста и генезиса происхождения,

w_{к. с. -} доля горных пород с кислой средой,

w_{щ. с. -} доля горных пород с щелочной средой,

w_ij - доля j-ой литологической разности горной породы i-го возраста и генезиса происхождения,

С_ij - среднее содержание химического элемента j-ой литологической разности горной породы i-го возраста и генезиса происхождения.

На основании выше изложенных данных, а также данных о средних концентрациях тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd и Ni) в основных литологических разностях для каждого из 12 выделенных горизонтов были рассчитаны массы содержащихся в них, а также во всей четвертичной толще, меди, цинка, кадмия и никеля, приведенные в таблице 5.1. Сравнительная оценка масс тяжелых металлов, содержащихся в почвенном горизонте и четвертичных отложениях г. Москвы и выносимых р. Москвой с её территории. На основе литературных данных и данных полученных экспериментальным путем проведена сравнительная оценка масс тяжелых металлов, содержащихся в почвенном горизонте, четвертичных отложениях г. Москвы и выносимых р. Москвой с её территории. Много ли это или мало? Для сравнения рассчитана также масса меди, цинка, кадмия и никеля в почвенном покрове г. Москвы, в четвертичных отложениях на тойже территории при кларковых (для песчано-глинистых пород литосферы), а также ежегодный вынос меди и цинка водами р. Москвы с территории города, которые сведены в таблицу 5.2.

Таблица 5.2.

Сравнительная оценка масс тяжелых металлов, содержащихся в почвенном горизонте и четвертичных отложениях г. Москвы и выносимых р. Москвой с её территории

Изученные объекты	Масса породы 109 т. Расход воды 109 м3/год	Тяжелые металлы 109 г или 103т. Вынос р. Москвой 109г/год
		Cu	Zn	Cd	Ni
Почвенный покров	0.373	37.28	111.83	0.56	11.18
Четвертичные отложения	при кларковых концентрациях	42.99	2.45	3.44	0.013	4.08
	при реальных концентрациях	42.99	386.05	1998.48	2.37	321.56
р. Москва	2.1	0.047	0.055	-	-

Хорошо видно, что масса рассмотренных тяжелых металлов содержащихся в четвертичных отложениях г. Москвы при реальных концентрациях на порядок превышает их массы в почвенном покрове и на два порядка - при кларковых (фоновых) концентрациях. Ежегодный вынос меди и цинка р. Москвы с территории города также сравнительно невелико.

Таким образом, исходя из рассмотренных данных, можно заключить, что четвертичные отложения на территории г. Москвы являются основным накопителем тяжелых металлов, поступающих в окружающую среду в результате антропогенной нагрузки.

Можно считать, что четвертичные отложения мегаполиса являются важнейшей депонирующей средой для тяжелых металлов на территории города. Это обязательно надо учитывать при проведении различных строительных работ, когда на поверхность извлекается значительная масса горных пород и содержащиеся в них тяжелые металлы будут вовлекаться в водную и воздушную миграцию и оказывать негативное влияние на экологическую обстановку города.

Глава 6. Особенности распределения тяжелых металлов в разрезе на примере левобережья р. Москвы в районе Краснопресненской набережной

Детальное изучение распределения меди, цинк, кадмия и никеля в четвертичных и каменноугольных отложениях, а также во взаимодействующих с ними подземных водах осуществили на примере четырех скважин пробуренных до глубины 50 - 60 м на левом берегу р. Москвы в районе Краснопресненской набережной. Участок нанесен на карту-схему г. Москвы под № 50.

Работая с полученными в ходе работ материалами для наглядного их представления были описаны пробуренные скважины и построен геолого-литологический разрез, содержащий места отбора проб грунта и грунтовых вод.

В ходе работы на испытательной площадке было отобрано 20 образцов грунта и проведено 80 анализов на валовое содержание кадия, меди, никеля, цинка,20 на кислотность (pH_KCl). Все результаты исследования грунтов сведены в общую таблицу 6.1 Для анализа поступления тяжелых металлов в грунтовые воды было взято 8 проб воды и проведено 32 исследования по определению валового содержания кадия, меди, никеля и цинка, 24 - катионов Сa²⁺, Mg²⁺, Na⁺, 24 - анионов Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, 8 - кислотности (pH_KCl), 8 - сухого остатка, а также построено распределение изучаемых компонентов по разрезу для обеих скважин. Результаты исследования грунтовой воды сведены в таблицу. Пробы были взяты из различных геолого-литологических разностей. Если описывать пробы с верху вниз, то две верхние взяты на уровне насыпных грунтов (одна проба принадлежит к грунтовым водам верховодки, а вторая - к надкаменноугольному водоносному горизонту, который циркулирует в трещиноватых и разрушенных известняках перхуровской толщи и насыщает современные аллювиальные отложения). Одна проба взята из суглинка современного аллювиального отложения, которая также как и предыдущая проба относится к надкаменноугольному водоносному горизонту; две - также из надкаменноугольного водоносного горизонта, но уже на уровне известняка, разрушенного до щебня, дресвы, муки Дорогомиловского горизонта (перхуровской толщи), где в основном и циркулирует горизонт. Две - из глины Кревякинского горизонта (Воскресенской толщи), но вода принадлежит к напорным водам суворовского водоносного горизонта, циркулирующим в трещиноватых известняках суворовской толщи; одна - из среднекаменноугольного водоносного горизонта, циркулирующего в трещиноватых и разрушенных известняках мячковской толщи среднего карбона.

На основе данных анализа грунтовых вод с помощью расчетной программы Solmineq, позволяющей провести термодинамическое моделирование, был найден состав химических элементов и значение выражения log (Ap/kT) для минералов в подземных водах. Полученные данные представлены в диссертационной работе.

В работе представлено геолого-литологическое строение и гидрогеологические условия испытательной площадки с разрезами для четырех описываемых скважин.

Подземные воды в четвертичных и каменноугольных отложениях. Особенности распределения тяжелых металлов в них до глубины ~ 50 м рассмотрены на примере левобережья р. Москвы в районе Краснопресненской набережной. Для их детального изучения были выбраны две скважины, разрезы которых представлены в работе.

Таблица 6.1.

Содержание тяжелых металлов в четвертичных отложениях и подстилающих их горных породах на территории объекта, расположенного на левом берегу р. Москвы в районе Краснопресненской набережной.

№ скв.	Глубина отбора проб, м	pHKCl	Результат измерения, мг/кг
			Cd	Cu	Ni	Zn
НД на МВИ	ГОСТ26483-85	РД 52.18.191-89,ПНД Ф 16.1: 2.2: 3.17-98	РД 52.18.191-89
Погрешность МВИ	0.1	40%	19%	27%	24%
3	0.3-0.5	7.37	0.1032	37.31	15.38	79.84
	0.5-1.0	7.29	0.1441	97.50	11.40	111.64
	1.0-2.5	6.81	<ПО	6.23	4.68	13.32
	2.5-4.0	6.92	0.0139	29.47	5.22	26.92
	4.0-6.0	7.38	0.0172	17.28	14.95	29.20
	6.0-8.0	7.44	0.0273	12.77	19.61	29.10
	8.0-10.0	7.41	0.0197	14.46	19.03	38.44
	10.0-13.0	7.46	0.1268	85.55	28.14	108.13
	13.0-15.0	8.34	0.2089	15.09	5.52	27.59
	15.0-18.0	7.82	0.2205	20.30	23.23	66.50
4	0.0-0.2	8.24	0.1398	86.56	14.79	119.53
	0.2-1.0	7.28	0.3426	132.81	21.22	250.43
	1.0-3.0	7.19	0.7353	311.57	32.99	534.53
	3.0-4.8	7.36	0.6444	144.71	35.91	752.86
	4.8-6.0	8.27	0.2256	25.88	18.83	116.83
	6.0-9.0	7.45	0.0074	4.91	70.78	194.03
	9.0-12.0	7.49	0.0335	14.28	75.53	244.95
	12.0-14.0	7.43	0.0288	12.49	80.08	225.37
	14.0-16.0	8.12	0.1365	3.42	22.09	51.42
	16.0-18.0	7.97	0.1707	7.17	13.33	34.21

Вода четвертичных отложений имеет минерализацию несколько выше 1 г/л и Сl ^- HCO₃ ^- Na⁺ - Ca²⁺ состав Минерализация подземных вод верхнего карбона увеличивается с глубиной от 1050 мг/л на глубине ~ 13 м до 650 мг/л на отметке - 52 м, где состав воды становится HCO₃ ^- Cl ^- Ca²⁺.

Несомненно, что подземные воды четвертичных отложений значительно более подвержены влиянию антропогенной нагрузки и достаточно загрязнены. Об этом говорят закономерные снижения с глубиной отбора содержания изученных компонентов, в том числе и тяжелых металлов, особенно меди, концентрация которой в подземных водах верхней части разреза на глубине 4 м превышает содержание в более глубоких горизонтах в 2 раза. Более сложное изменение концентрации цинка, для которого характерны максимумы содержания на глубинах 4 и 10 - 12 м, где его также в 2 раза больше, чем в остальных опробованных горизонтах.

Действительные формы нахождения химических элементов в природных водных растворах, в том числе и подземных водах, во многом отличаются от данных химических анализов, выраженных обычно в концентрациях неассоциированных ионов.

Количественная оценка реальных состояний химических элементов в подземных водах стала возможной с развитием методов термодинамического моделирования физико-химических процессов в природных водных растворах, в основе которого лежат законы равновесной термодинамики.

Основой термодинамического моделирования гидрогеохимических процессов является представление о существовании в природных системах частичного или локального равновесия. Первое означает, что в неравновесной в целом гидрогеохимической системе могут существовать химические равновесия для отдельных реакций. Локальное равновесие подразумевает, что в целом неравновесную гидрогеохимическую систему можно разделить в пространстве на ряд участков, где в определенное время существуют условия химического равновесия. Между собой они находятся в неравновесном состоянии, обеспечивая также неравновесность крупных гидрогеохимических систем.

Рассматриваются два типа гидрогеохимических систем: гомогенные с взаимодействием между различными компонентами воды и гетерогенные - для систем типа вода-порода и т.п.

Гомогенные системы - это обычные природные растворы, оторванные от вмещающей их гетерогенной системы. Подобной задачей является определение форм нахождения химических элементов в природном растворе известного состава в конкретных РТ-условиях.

Гетерогенные системы - это более приближенные к действительности природные водные растворы, контактирующие с вмещающими породами и газовой фазой. Взаимодействие в подобных системах формирует химический состав природных вод.

Термодинамическое моделирование, исходя из процессов частичного и локального равновесия, состоит в том, что состояние системы описывается через ряд последовательных равновесных состояний.

По своей сути гидрогеохимические задачи подразделяются на две группы, связанные с расчетом равновесного состава и с моделированием необратимой эволюции системы.

Для расчета равновесного химического состава подземных вод существует два подхода: метод решения уравнений термодинамических констант равновесия реакций и метод минимизации свободной энергии Гиббса системы. Существует более 50 компьютерных программ позволяющих решать самые сложные аспекты геохимических процессов.

В диссертации термодинамическое моделирование выполнено с помощью программы SOLMINEQ. Результаты исследований приведены в работе. Моделирование показало, что преобладающей формой состояния цинка в подземных водах является его ион Zn²⁺, а меди - ионы хлорида меди CuCl⁺ и Сu²⁺.

Показано, что за исключением самых верхних частей разреза (на глубине 4 м) подземные воды изученной территории равновесны с карбонатом кальция. Все минералы меди и цинка, за исключением Cu₂O в верхних частях разреза первого участка, не равновесны с подземными водами, что говорит о возможности их выноса при интенсивной инфильтрации.

Тяжелые металлы в грунтах четвертичных и каменноугольных отложений. Особенности распределения тяжелых металлов в грунтах четвертичных и каменноугольных отложениях до глубины 18 м рассмотрены на примере двух скважин (№№ 3,4) во взаимосвязи с гидро-геологическими скважинами №№ 1,2. Общий разрез испытательной площадки приведен в работе.

Полученные значения в техногенных грунтах скважины № 3 превышают найденные средние значения по всему региону по меди в 1.5 - 4 раза. В песке современного аллювия на границе с глиной видно значительное увеличение содержания меди. Это объясняется тем, что глинистые породы имеют более низкую проницаемость и значительную сорбционность по отношению к тяжелым металлам.

Содержание кадмия, меди, никеля и цинка в скважине № 4 в техногенных грунтах значительно превышает найденные нами средние значения для этих элементов. Это следствие высокой техногенной нагрузки на грунты. Попытки найти какие-либо закономерности в результатах анализа образцов техногенных отложений ни к чему не приводят вследствие особенности их формирования - при постоянном техногенном влиянии, как с поверхности, так и в самой толще (коммуникации, откачки и т.д.).

Динамика содержание тяжелых металлов в исследуемых скважинах по глубине в основном полностью согласуется с геолого-литологическим разрезом и его влиянием на их концентрацию. Так, на границе "песчанистые - глинистые" породы всегда можно видеть накопление и вследствие этого увеличение концентрации тяжелых металлов. Значение рН образцов с увеличением их выемки из известняка разрушенного до щебня, дресвы и муки каменноугольных отложений увеличивается в сторону более щелочной среды. А в глине это значение начинает снижаться.

Как известно, медь связывается в процессе миграции в форме малорастворимых карбонатов, что хорошо видно в разрезе при прохождении ее через карбонатные породы, концентрация меди выравнивается и отклонения по ее среднему содержанию в разрезе не значительно, о чем свидетельствуют и данные анализа образцов как грунта, так и грунтовой воды.

Кадмий относится к элементам слабого захвата, что хорошо иллюстрируют приведенные в работе колонки. Хорошо просматривается его связь с кислотностью среды. При увеличении рН грунта содержание кадмия снижается за счет его закрепления в комплексы.

Поведение никеля в разрезе очень неоднозначно, что можно объяснить постоянным пополнением его содержания вследствие разрушения почвенных и грунтовых минералов, например силиката никеля.

Цинк относится к элементам сильного накопления. При увеличении содержания его в грунтах заметно его значительное уменьшение содержания в грунтовых водах. В известковистых грунтах его содержание значительно снижается.

Полученные результаты анализа показали, что содержание цинка в глинистых породах скважины № 4 почти на порядок превышает содержание в песчаных породах скважины № 3. В глинистых породах для обеих скважин содержание меди с никелем выше раз в 5, а кадмия - на два порядка выше.

Это убедительно показывает, что основными аккумулирующими породами тяжелых металлов являются глинистые породы. Очевидна сорбция.

Основные выводы работы:

Четвертичные отложения на территории г. Москвы являются основным накопителем тяжелых металлов, поступающих в окружающую среду в результате антропогенной нагрузки. Содержание меди, цинка, кадмия и никеля в них (голоцен и неоплейстоцен) несколько ниже, чем в почвенных горизонтах, но существенно выше, чем в сопредельных районах Центральной России. Полученные данные обязательно надо учитывать при проведении различных строительных работ, при которых на поверхность извлекается значительная масса горных пород и содержащиеся в них тяжелые металлы вовлекаются в водную и воздушную миграцию и оказывают негативное влияние на экологическую обстановку города.

В большинстве случаев концентрация изученных тяжелых металлов в глинистых и суглинистых разностях выше, чем в песчаных и супесчаных, что объясняется более высокой сорбционной способностью первых, что также подтверждается и на отдельно изученном объекте на левом берегу р. Москвы в районе Краснопресненской набережной.

В кислых средах металлы боле подвижные и естественно, что они в больших количествах аккумулируются в щелочных условиях.

Изучение подземных вод четвертичных отложений на типовом участке современного строительства в районе Краснопресненской набережной позволило заключить, что они значительно подвержены влиянию техногенной нагрузки на что указывает более высокое содержание Zn и Cu в подземных водах верхних частей разреза.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Заволокина С.В. Оценка загрязнения грунтов г. Москвы тяжелыми металлами (медь, цинк, кадмий, никель) при проведении инженерно-экологических изысканий. // Четвертая научно-практическая конференция. Раздел "Охрана окружающей среды" - новые подходы и требования к разработке. Материалы докладов. - М.: Эко-Real, 2004, 62 - 68 с.

2. Заволокина С.В. Тяжелые металлы (медь, цинк, кадмий, никель) в четвертичных отложениях территории г. Москвы. // VII Международная конференция "Новые идеи в науках о земле": Материалы докладов. т.4. - М.: КДУ, 2005,19 с.

3. Заволокина С.В., Зверев В.П. О масштабах загрязнения четвертичных отложений территории г. Москвы тяжелыми металлами. // Сергеевские чтения. Инженерно-геологические проблемы утилизации и захоронения отходов. Выпуск 7/ Материалы годичной сессии Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии (23 марта 2005 г.) - М.: ГЕОС, 2005, с.111-115.

4. Заволокина С.В., Зверев В.П. О распределении тяжелых металлов (меди, цинка, кадмия, никеля) в четвертичных отложениях территории Москвы // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология - М.: НПО "Издательство "Наука"", 2007, № 1, с.67-74.

Размещено на Allbest.ru

...