Преобразование почвенных систем в Приднепровском регионе в результате применения взрывчатых веществ (на примере Криворожского железорудного бассейна)

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 631.4(477.63/65):662.41

Национальный горный университет, Днепропетровск

Преобразование почвенных систем в приднепровском регионе в результате применения взрывчатых веществ (на примере Криворожского железорудного бассейна)

Т.И. Долгова© Долгова Т.И., 2002

гидрологический пылегазовый пористость взрывной

Встановлено, що проведення вибухових робіт не тільки погіршує гідрологічний та повітряний режими екопедоценозів в зоні впливу сформованої пилогазової хмари за рахунок переущільнення грунтів та зменшення їх шпаристості, але й трансформує геохімічні властивості суміжних ландшафтів з наступною дестабілізацією гомеостазу педосфери.

Аннотация

Установлено, что проведение взрывных работ не только ухудшает гидрологический и воздушный режимы экопедоценозов в зоне влияния образованного пылегазового облака за счет переуплотнения почв и уменьшения их пористости, но и трансформирует геохимические свойства прилегающих ландшафтов с последующей дестабилизацией гомеостаза педосферы.

Annotation

It has been ascertained that boring-explosive jobs are not only initiator of water and air conditions' deteriorate in zone of dust-gas cloud's influence for soil's recondensation and porosity reduce, but transform geochemical properties of contiguous landscapes with following soil's equilibrium disbalance yet.

Горнодобывающие предприятия Днепропетровской области являются крупнейшими потребителями взрывчатых веществ (ВВ) не только в нашем регионе, но и в Украине. Причем до настоящего времени при разработке месторождений полезных ископаемых (особенно открытым способом) используются взрывчатые вещества на основе тротила, хотя их применение в гражданских целях запрещено практически во всем мире, поскольку тринитротолуол относится к высоко опасным соединениям [1].

Так, например, только в Кривбассе весь объем взрывных работ уже длительное время осуществляется с использованием именно тротила и тротилсодержащих ВВ (таблица 1). По данным ОАО ППП «Кривбассвзрывпром» за период с 1991 по 2001 гг. на карьерах Криворожского железорудного бассейна было израсходовано более 500 тыс. тонн указанных взрывчатых веществ. Кроме применения в чистом виде, тротил широко используется также в тротилсодержащих ВВ (акватол Т-20Г, граммонит 79/21 и другие) в качестве горючих добавок.

Опасность рассматриваемых соединений распространяется практически на все объекты ОС. С учетом объема потребления тротилсодержащих ВВ только в 2000 г. суммарное загрязнение биогеоценозов Днепропетровской области в виде токсичных выбросов составило 22 25 млн. м³ оксидов углерода, около 100 тыс. тонн сажистых продуктов и почти 7 тыс. м³ оксидов азота. Последние, как известно, соединяются в атмосфере с водой, а затем выпадают в виде кислотных дождей [2], трансформируя окислительно-восстановительные условия в педоценозах вплоть до формирования кислотных геохимических барьеров.

Следует отметить, что за последние годы возросло применение тех взрывчатых веществ, которые менее устойчивы к воде (таблаблица 1). С одной стороны, это положительный момент - данные ВВ имеют незначительный кислородный баланс и, следовательно, их аэрогенное влияние на объекты окружающей среды не столь масштабны, как в случае гранулотола или граммонита [3]. Но, с другой стороны, их воздействие на почвенные и водные системы возрастает в силу того, что основным компонентом этих ВВ является аммиачная селитра, которая частично растворяется в обводненных скважинах и вымывается за ее пределы, попадая в почву, а затем с грунтовыми водами в водоносные пласты и расположенные рядом водоемы. Так, например, только в 2001 г. в Кривбассе, где было израсходовано почти 17 тыс. т акватола (с 67% содержанием селитры) и еще больше граммонита, в водоносные горизонты попали сотни тонн этих азотных соединений.

Ситуация усугубляется тем, что при ведении взрывных работ в карьерах имеют место отказы скважинных зарядов. Так, например, было установлено, что в Кривбассе на каждые 1000 взорванных скважин происходит около 2-х отказов, а каждый отказ - это в среднем около 500 кг ВВ [4]. Нетрудно подсчитать, какое количество нитратов и аммония попадает в результате постепенного растворения содержащейся во взрывчатых веществах селитры в педоценозы, а затем и в водоемы. Только в 2001 году при добыче железной руды в Кривбассе было около 180 отказов, что эквивалентно почти 90 т ВВ, которые, оставшись в скважинах, постепенно (что зависело от степени их обводненности) "поставляли" минеральный азот в различные объекты ОС.

Таблица 1. Количество ВВ, используемых на карьерах ГОКов при проведении взрывных работ в течение 1991 - 2001 гг. (по данным ОАО ППП «Кривбассвзрывпром»)

К сожалению, практически все проблемы, связанные с применением взрывчатых веществ, рассматривают, как правило, с позиций либо охраны труда, либо защиты здоровья [1,3]. Экологический аспект этого вопроса изучен мало, причем касается он, в основном, воздействия взрывных работ на атмосферный воздух [4,5]. Более детальный анализ последствий проведения буровзрывных работ на ОС свидетельствует о чрезвычайно масштабном и комплексном их влиянии практически на все компоненты биогеоценозов, а не только на атмосферный воздух.

Так, например, известно, что при взрыве тротила образуются компоненты с высокой газовой и дисперсной токсичностью различные оксиды азота и углерода, а также сажистые продукты, которые формируют пылегазовое облако объемом в несколько млн. м³, выбрасываемое на значительную высоту, а поэтому вовлекаемое в атмосферные потоки и рассеиваемое затем по поверхности земли [3]. Причем, как было отмечено в [4], их локальность, скоротечность (залповый характер), а также чрезвычайно высокая концентрация пыли и газа наносит значительный ущерб прилегающей территории в большей мере, чем выбросы металлургических и коксохимических заводов, воздействующих на природу постоянно. И это, безусловно, так, поскольку загрязняющие вещества (ЗВ), постепенно попадающие в природные объекты, вполне могут быть ими "переработаны" (конечно, если их количество не превысит адаптационные возможности природной системы) за счет реализации механизмов обеспечения их инвариантности. Если же происходит взрыв, то природный объект (особенно экопедоценоз, который не в состоянии разбавить высокую концентрацию ЗВ подобно атмосферному воздуху или воде) может просто "не справиться" с таким количеством одновременно поступивших чужеродных веществ. И тогда в почвенных системах процессы обмена веществом и энергией (биогеохимические циклы) могут не только замедлиться вплоть до полного прекращения своего функционирования, но и кардинальным образом трансформироваться на том или ином этапе.

Сложность ситуации состоит еще и в том, что процессы самоочищения почв в этих условиях дестабилизированы не только за счет ингибирования их биологической активности, как основного механизма обеспечения инвариантности, но и простого механического разбавления гуминовых кислот привнесенной пылью. Это сокращает способность педоценозов противостоять негативному действию компонентов пылегазового облака, а также тем геохимическим изменениям, которые оно инициирует.

Одним из аспектов рассматриваемой проблемы является также то, что в результате миграции пылегазового облака, образованного после взрыва, разносятся не только газообразные соединения и минеральные частицы различной степени дисперсности, но и адсорбированные ими деструкционно- и биохимически-активные элементы довольно широкого спектра, в том числе тяжелые металлы (ТМ). Результатом этого является формирование полиэлементных техногенных аномалий с аккумулятивным характером, которые со временем приобретают относительно стационарный характер, хотя потоки рассеяния их могут нарастать синхронно проведению взрывных работ. Кстати, выделяемые при взрыве газообразные соединения (оксиды азота и углерода) тоже относятся к педохимически активным веществам, поскольку они могут изменять как кислотно-щелочные, так и окислительно-восстановительные условия среды, поглотившей их.

Что же происходит с химическим составом почвы и ее биоактивностью при проведении взрывных работ в случае применения тротила и тротилсодержащих ВВ? Как почва реагирует на этот вид достаточно специфического по своей интенсивности, объемам и характеру техногенного воздействия?

С целью выяснения данных вопросов нами было проведено исследование почвенных систем в районе локализации Криворожского железорудного бассейна (КР) и их фонового аналога (фон). Пробы почв были отобраны, а затем проанализированы в лаборатории физико-химических исследований Института проблем природопользования и экологии НАН Украины по общепринятым методикам [6]. В образцах определяли: показатели техногенной нагрузки на почвенные экосистемы (качественный и количественный спектр наиболее характерных для области тяжелых металлов меди, свинца, цинка, кобальта, кадмия, хрома и никеля; количество нефти и ее фракционный состав; уровень минеральных форм азота NO3-, NO2-, NH4+), а также активность окислительных ферментов: полифенолоксидазы (Пф), пероксидазы (Пе), дегидрогеназ (Дг) и каталазы (К).

Все исследования осуществлялись в 5 - 7 кратной повторности с последующей математической обработкой на 95% уровне доверительной вероятности с помощью пакетов прикладных программ на персональном компьютере АВМ РС.

На базе полученных данных был вычислен интегральный показатель экологической напряженности почв по тяжелым металлам, а также их адаптивный потенциал.

Предварительный анализ характера загрязнения почв Кривбасса свидетельствует о высоком уровне его техногенной нагрузки по всем контролируемым компонентам, особенно в сопоставлении с фоновым аналогом, что, впрочем, вполне естественно и закономерно [7]. Однако более детальное изучение полученной картины позволило сделать несколько дополнительных выводов. Прежде всего, необходимо отметить явное накопление аммонийного азота, что может быть и результатом увеличения его общего пула за счет растворения селитры в обводненных скважинах, и торможения процессов нитрификации в пределах КР как следствие угнетения соответствующей микрофлоры в его педоценозах из-за переуплотнения почв (рис. 1).

Подобное предположение имеет право на существование. Во-первых, факт растворения аммиачной селитры (одного из компонентов ВВ) установлен, причем масштабы этого явления весьма внушительны. А, во-вторых, в условиях изменившихся физических параметров с дестабилизированным водно-воздушным режимом наблюдается явное угнетение биологической активности почвенных систем на всех уровнях, о чем свидетельствует специфика их биохимических процессов, катализируемых ферментами. Наши исследования показали резкое падение энзиматической активности, особенно каталазы (почти в 14 раз по сравнению с фоном), в техногенно трансформированных почвах преимущественно южного и юго-восточного направления, что соответствует розе ветров в летний период времени на фоне минимального количества осадков (табл.2). Данный факт вполне может быть следствием обезвоженности педоценозов, поскольку водопроницаемость почв тем меньше, чем интенсивней происходит снижение их макропористости [8], которое как раз и является результатом действия пылегазового облака (особенно летом в аридных условиях) после проведения взрывных работ. А между влажностью грунтов и ее ферментативной активностью, в частности каталазой, существует обратная, причем очень высокая корреляция [9]. Данный факт косвенно подтверждает динамика рН на территории Кривбасса. В весенний и зимний период времени здесь преобладают ветры восточной и юго-восточной четверти. Но именно на данные сезоны приходится максимум осадков. Следовательно, облако от взрыва будет распространяться в это время года преимущественно в северном и северо-западном направлении с достаточно быстрым формированием кислотных дождей, которые и обусловят пониженные величины рН педоценозов, что и подтверждают наши исследования (рис. 2).

Таким образом, полученная картина служит дополнительным доказательством зависимости техногенной трансформации почвенных систем именно от проведения взрывных работ.

Следует также остановиться на процессах самоочищения почв от нефтепродуктов. Причем речь идет даже не столько о количестве нефти в педоценозах КР (которой, кстати, почти в 46 раз больше, чем в почвах фонового аналога, что может быть результатом повышенного техногенеза территории), сколько о ее фракционном составе (рис.3), который свидетельствует о накоплении высококипящих фракций более интенсивно, чем в фоновых почвах. Данная картина может быть результатом, с одной стороны, чисто физических причин более интенсивного испарения летучих фракций за счет повышенной аридности, а с другой стороны угнетения микрофлоры, которая утилизирует высококипящие фракции, вызывающие замазучивание почв и дальнейшее ухудшение их водно-физических свойств. Иными словами, в данном случае имеет место обратная связь буровзрывные работы являются причиной переуплотнения почв за счет выпадения мелкодисперсной фракции (пыли и сажистых продуктов) переуплотнение ухудшает водно-воздушный режим педоценозов при таких аэрогидрологических условиях происходит угнетение микрофлоры, в том числе той, которая разрушает нефтепродукты накапливаются высококипящие фракции нефти и происходит замазучивание почв замазучивание вызывает регресс физического состояния почв и ухудшение их водно-воздушного режима... Цепь замкнулась. А это значит, что взрывные работы являются не только причиной снижения качества почвенных систем, но и могут быть пусковым механизмом их дальнейшей деградации. Теоретической основой данного вывода является то, что все почвенные режимы тесно взаимосвязаны. Изменение одного из них приводит к изменению остальных, однако, наиболее сильно и практически моментально все они откликаются даже на незначительную динамику структурного состояния, в то время как он сам наиболее консервативен и обладает известной степенью устойчивости [10].

О том, что почвы в районе Криворожского железорудного бассейна явно деградированы, причем их способность к самоочищению очень низка в сравнении с фоном, свидетельствует величина их адаптивного потенциала, которая почти на порядок ниже их фоновых величин (табл. 2).

Таблица 2. Адаптивный потенциал почв Кривбасса и его фонового аналога

Из всего вышеизложенного следует, что проведение буровзрывных работ, особенно с применением тротила и тротилсодержащих ВВ, является причиной:

переуплотнения почв, причем, возможно, не только поверхностного слоя, но и зоны аэрации, что может зависеть от количества применяемых ВВ и кратности их использования;

повышения диспергированности и усиления анизотропности почвенного профиля;

ухудшения водно-физических свойств вследствие уменьшения общей пористости за счет минимизации объема крупных межагрегатных и агрегатных пор, обеспечивающих аэрацию, а также впитывание и фильтрацию воды;

нарушения почвенной структуры за счет повышения плотности сложения не только из-за уменьшения пористости почвенных агрегатов и характера порового пространства, но и увеличения равновесной плотности сложения,

снижения содержания гумуса как за счет разбавления почвы частицами сажи и пыли (физическая дегумификация), так и торможения процессов гумусонакопления с участием микроорганизмов (функциональная дегумификация),

уменьшения водопрочности структур в результате снижения доли водопрочных агрегатов как следствие дегумификации;

снижения водопроницаемости почв из-за их физического переуплотнения и замазучивания;

увеличения токсичности загрязняющих веществ (особенно ТМ) в результате изменения кислотно-щелочных условий в почвенных системах и последующего роста миграционной активности ЗВ;

угнетения биологической активности почв (с качественной и количественной перестройкой микро-, нано- и зоофауны педоценозов, их фитоценозов, а также дестабилизацией энзиматической активности);

роста негативных последствий техногенной нагрузки не столько из-за увеличения количества поступающих ЗВ, сколько в результате снижения способности почвенных систем к самоочищению с формированием техногенных геохимических аномалий аккумулятивного типа;

трансформации почвенных систем, которая при определенном уровне необратимых изменений почв инициирует нарастание их деградации.

Перечень ссылок

Дубнов Л.В., Бахаревич Н.С., Романов А.И. Промышленные взрывчатые вещества. - М.: Недра, 1988. - 358 с.

Ефремов Э.И., Петренко В.Д. Экология массовых взрывов в карьерах // Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1991. № 4. - С. 5 - 6

Куку М.А. Наука о промышленных взрывчатых веществах. - М.: Недра, 1980. - 453 с.

Проблемы экологии массовых взрывов в карьерах / Э.И. Ефремов, П.В. Бересневич, В.Д. Петренко, В.П. Мартыненко, В.И. Борисов // Под ред. Э.И. Ефремова. Днепропетровск : «Січ», 1996. - 179 c.

Ефремов Э.И. Проблемы охраны окружающей среды при массовых взрывах на карьерах // Вісник АН УРСР. - 1989. - № 11. - С. 64 - 70.

Справочник по физико-химическим методам исследования объектов окружающей среды / Под ред. Г.И. Арановича. Л.: Судостроитель, 1979. 647 с.

Экологические основы природопользования / Н.П. Грицан, Н.В. Шпак, Т.И. Долгова и др.: Под ред. Н.П. Грицан. Днепропетровск: ИППЭ НАН Украины, 1998. 409 с.

Дмитриев Е.А. Экологические аспекты почвенных режимов // Почвоведение. 1997. № 7. С. 831 839.

Раськова Н.В., Звягинцев Д.Г. Активность каталазы в почвах под широколиственно-еловым лесом и лугом // Почвоведение. 1981. № 6. С. 76 81.

Гончаров Е.М., Коновалов С.Н., Корякин А.С. Сравнение основных физических свойств каштановых почв // Почвоведение. 1993. № 5. С. 34 41.

Представлено членом редколлегии д.т.н., проф. А.Г. Шапарем

Размещено на Allbest.ru