Содержание к диссертации
Введение
1. К вопросу об эколого-геохимических исследованиях урбанизированных территорий 18
2. Методика проведения эколого-геохимических исследований урбанизированных территорий 28
2.1. Объекты исследований 28
2.2. Методы и виды исследований 35
2.3. Аналитическое обеспечение исследований 53
2.4. Методика обработки информации 63
3. Краткий очерк природно-климатических особенностей и общих геоэкологических проблем юга Западной Сибири 66
3.1. Общая характеристика климата юга Западной Сибири 66
3.2. Ландшафты и почвы региона исследований 68
3.3. Общие геоэкологические проблемы региона 71
4. Особенности распределения элементов и вещественный состав твердофазных выделений в снеговом покрове урбанизированных территорий юга Западной Сибири 95
4.1. Атмосферные аэрозоли в оценке экологического состояния окружающей среды 95
4.2. Радиоактивные элементы в твердофазных выделениях снегового покрова 102
4.3. Геохимическая характеристика твердофазных выделений в снеговом покрове фоновых и урбанизированных территорий 109
4.3.1. Геохимическая характеристика твердофазных выделений в снеговом покрове фоновых районов 109
4.3.2, Геохимическая характеристика твердофазных выделений в снеговом покрове урбанизированных территорий 115
4.4. Пылевая нагрузка и вещественный состав твердофазных выделений в снеговом покрове 153
4.5. Содержание, минеральные формы железа и магнитная восприимчивость твердофазных выделений снегового покрова 184
5. Особенности распределения элементов и вещественный состав твердофазных компонентов почв и почвогрунтов урбанизированных территорий юга Западной Сибири 188
5.1. Почвы в оценке экологического состояния окружающей среды 188
5.2. Радиогеохимическая характеристика почв и почвогрунтов 190
5.3. Геохимическая характеристика почв и почвогрунтов фоновых и урбанизированных территорий 203
5.3.1. Геохимическая характеристика почв фоновых территорий 203
5.3.2. Геохимическая характеристика почв и почвогрунтов урбанизированных территорий 207
5.4. Вещественный состав, минеральные формы железа, магнитная восприимчивость почв и почвогрунтов 237
5.4.1. Вещественный состав почв и почвогрунтов 237
5.4.2. Содержание, минеральные формы железа и магнитная восприимчивость почв 250
6. Комплексная оценка и зонирование территории со сложной техногенной нагрузкой 258
6.1. Общая характеристика экологических проблем территории 258
6.2 Геохимические особенности компонентов природной среды 267
6.3. Зонирование территории 315
6.4. Оценка взаимосвязи эколого-геохимических особенностей компонентов природной среды и медико-биологических показателей здоровья населения 318
7. Нетрадиционные способы эколого-геохимической оценки состояния урбанизированных территорий со сложной техногенной нагрузкой 329
7.1. Оценка состояния урбанизированных территорий на основе изучения магнитных свойств компонентов природной среды 329
7.2. Оценка загрязнённости территорий по минерально-вещественному составу твердофазных выделений в компонентах природной среды 334
7.2.1. Оценка загрязнённости территорий по минерально-вещественному составу твердофазных выделений в снеговом покрове 334
7.2.2. Оценка загрязнённости территорий по минерально-вещественному составу твердофазных выделений в почвенном покрове 341
7.3. Оценка экологического состояния территорий по геохимическому составу солевых образований питьевых вод 344
7.4. Комплексная оценка опасности для окружающей среды отходов производства 367
Заключение 377
Литература 382
- Аналитическое обеспечение исследований
- Общая характеристика климата юга Западной Сибири
- Атмосферные аэрозоли в оценке экологического состояния окружающей среды
- Почвы в оценке экологического состояния окружающей среды
Введение к работе
Во многих городах России и других стран экологическая ситуация близка к критической. Наиболее сильно техногенное геохимическое воздействие на природную среду и население проявляется в крупных промышленных центрах, которые уже сейчас по интенсивности загрязнения и площади аномалий загрязняющих веществ представляют собой техногенные геохимические и биогеохимические субпровинции. Сами города выступают как мощные источники техногенных веществ, включающихся в региональные миграционные циклы. Для Западной Сибири с её ландшафтами равнинного типа, которые занимают 90 % всей территории, характерны трансграничные переносы загрязняющих веществ индустриальных центров, которые расположены в бассейне одной реки - Оби. Атмосферные трансграничные переносы доставляют из индустриальных центров, промышленных и военных полигонов, расположенных на значительных расстояниях, техногенные аэрозоли и газы, в том числе токсичные и радиоактивные. Радиационная опасность Западно-Сибирского региона в пределах бассейна р. Обь обусловлена ядерными испытаниями на Семипалатинском и Новоземельском полигонах, а также деятельностью объектов ядерно-технологического цикла ПО «Химконцентрат» (г. Новосибирск), Сибирский химический комбинат (г. Северск) и НПО «Маяк» (г. Озёрск). Следует отметить, что проявление радиационных факторов протекает на фоне общего химического загрязнения территории бассейна р. Обь.
Впервые в нашей стране широкие научно-методические и прикладные геохимические исследования урбанизированных территорий были начаты под руководством Ю.Е. Саета в 1976 году. Эти исследования опирались, с одной стороны, на разработки А.П. Виноградова, В.В. Ковальского, В.А. Ковды и их последователей, а с другой, на опыт поисковой геохимии, возникшей впервые под влиянием научных идей
В.И. Вернадского, А.Е. Ферсмана, В. Гольдшмидта, а затем развитые в работах А.ГТ. Соловова, Е.А. Сергеева, С.Д. Миллера, М.А. Глазовской, А.Н. Еремеева, Е.М. Квятковского, А.И. Перельмана, В.В. Поликарпочкина, Л.Н. Овчинникова, Л.В. Таусона, Н.И. Сафронова, Д.П. Малюги, А.А. Сау-кова, И.И. Гинзбурга, В,И. Красникова, СВ. Григоряна, Н.Ф. Глазовского, В.А. Алексеенко, Э.К. Буренкова, Н.С, Касимова и многих других.
В последующие годы большой вклад в совершенствование методики эколого-геохимических исследований и геоэкологического картирования, основанной на теории и методах поисковой геохимии (Принципы ..., 1979), внесены сотрудниками ИМГРЭ, ВСЕГИНГЕО, ВИМС, ВСЕГЕИ, МГУ, СПбГУ, институтами геохимии и аналитической химии им. В.И, Вернадского РАН (г. Москва), геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (г. Иркутск), ОИГГМ СО РАН (г. Новосибирск) и многими другими научно-исследовательскими и производственными организациями.
Анализ ранее проведённых эколого-геохимических исследований урбанизированных территорий показывает, что они характеризуются недостаточной комплексностью исследований с учётом радиоэкологических особенностей компонентов природной среды, в спектре изучаемых элементов часто отсутствуют радиоактивные, редкие и редкоземельные элементы, практически нет сведений о минеральной составляющей техногенных образований, не уделяется внимание особенностям распределения радиоактивных делящихся элементов, мало используются экспрессные способы оценки территорий с точки зрения их соответствия для экологически безопасного проживания человека
Коллективом кафедры геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета, в составе которого автор принимал участие на различных этапах проведения эколого-геохимического мониторинга, начиная с 1989 года, накоплен обширный фактический материал, позволяющий впервые на современной аналитической базе выполнить
комплексную эколого-геохимическую оценку состояния компонентов природной среды территорий со сложной разнопрофильной техногенной нагрузкой на юге Западной Сибири.
Объектом исследования являются урбанизированные территории разнопрофильных районов юга Западной Сибири. Предметом исследования выступают депонирующие компоненты окружающей среды.
Целью исследований является выявление эколого-геохимического состояния компонентов окружающей среды урбанизированных территорий с разнопрофильной техногенной нагрузкой юга Западной Сибири и разработка методологии их комплексной оценки.
Задачи исследований:
1. Оценить уровни накопления элементов и выявить геохимические
особенности различных компонентов природной среды урбанизированных
территорий в зонах воздействия разнопрофильных промышленных
предприятий.
Изучить особенности вещественного состава твердофазных выделений в компонентах природной среды урбанизированных территорий со сложной техногенной нагрузкой.
Обосновать использование геохимического состава солевых отложений как индикатора качества питьевой воды и критерия выделения территорий экологического неблагополучия.
Разработать новые методы экспрессной оценки определения загрязнённости снегового и почвенного покровов тяжёлыми металлами.
Апробировать методы биотестирования для оценки токсичности отходов горнорудных предприятий, пылеаэрозольных выпадений и загрязнённых почв.
Обосновать методические подходы к комплексной эколого-геохимической оценке и районированию урбанизированных территорий со сложной техногенной нагрузкой.
7. Провести типизацию урбанизированных территорий с размещением разнопрофильных производств на основе минералого-геохимического изучения компонентов природной среды.
Фактический материал и методы исследований. В основу диссертационной работы положены материалы, полученные лично автором или совместно с сотрудниками кафедры геоэкологии и геохимии ТПУ при проведении научно-исследовательских работ на территории юга Западной Сибири, начиная с 1989 года. За этот период на кафедре по данному направлению с участием автора в качестве консультанта или научного руководителя защищено 6 кандидатских диссертаций и готовятся к защите 3 работы, подготовлено 26 научно-производственных отчетов.
Работы выполнялись в рамках госбюджетных тем 2,10, 2.88с (номер гос. регистрации № 01920000326, № 01960008457, № 01200406068), договорных работ с ОАО «Томскгеомониторинг» согласно «Программы ведения государственного мониторинга состояния недр на территории Томской области» в рамках контрактов № 1-К/2001 с КПР по Томской области и № 19/200ІМ с ФГУГП «Гидроспецгеология», а также в рамках государственной программы радиационного мониторинга Областного комитета экологии и охране окружающей среды по Томской области при выполнении научно-исследовательской работы «Оценка качества среды обитания человека на юге Томской области с целью возможного выделения радиационного фактора заболеваемости», хоздоговорных тем с промышленными предприятиями и гранта АОЗ-2.13-765 по Минобразованию России. Основной фактический материал получен при выполнении договорных работ с администрациями Томской, Кемеровской областей, Алтайского края, Республики Хакасия, а также при проведении инициативных исследований в Тюменской, Челябинской, Курганской областях и Восточном Казахстане.
С разной степенью детальности изучены урбанизированные территории районов с разнопрофильным производством (нефтегазодобывающий, деятельности предприятий с ядерно-топливным циклом, угле-и горнодобывающие), включающие семь городов: Стрежевой, Томск, Междуреченск, Северск, Мегион, Кедровый, Новокузнецк; пять промышленных предприятий (ОАО «Сибэлектромотор», НПФ «Квадро», ОАО «ТНХК» (Томский нефтехимический комбинат), АОЗТ «Рубцовский завод ТЗЧ»); районы четырёх месторождений (Тейское железорудное, Кибик-Кордонское мраморов, Изербельское гранитов, участок Чалпан Бейского угольного месторождения); три тепличных хозяйства (Кузовлевское, агрофирма «Томич» и ОАО «Тепличное») и 27 сельхозпредприятия (ОАО «Степановский», «Томич» и др.).
Диссертация базируется на большом количестве аналитических материалов, полученных методами полевой гамма-радиометрии (2270 точек измерений) и гамма-спектрометрии (2527 точек измерений), а также методами многоэлементного анализа проб почв и почвогрунтов (2893 пробы), снега (442 пробы), накипи (108 проб), растительности и растительной продукции (254 пробы), отходов производства (96 проб), воды (186 проб), донных отложений (60 проб), волос (182 пробы), молока (73 пробы) и картофеля (75 проб).
Аналитические определения получены методами лазерно-люминесцентного, рентгено-спектрального, эмиссионно-спектрального полу количественного и атомно-абсорбционного анализами - в ЦАЛ ССП «Березовгеология» ГФУГП «ЦГЭ» МПР РФ (г. Новосибирск), а также атомно-эмиссионным с индуктивно-связанной плазмой, атомно-абсорбционным с электротермической атомизацией, потенциометрическим - в региональном аналитическом центре ЗАО «Механобр-Аналит» (г. Санкт-Петербург) и атомно-эмиссионным с индуктивно-связанной плазмой - в
центральной научно-исследовательской лаборатории АО «Кара-Балтинский горнорудный комбинат» (г. Кара-Балта).
Значительная часть аналитических определений выполнена методом инструментального нейтронно-активационного анализа в ядерно-геохимической лаборатории кафедры геоэкологии и геохимии, функционирующей на базе исследовательского ядерного реактора института ядерной физики Томского политехнического университета. Все анализы выполнялись в аккредитованных лабораториях, по аттестованным методикам, с использованием стандартных образцов сравнения и контролировались параллельными определениями элементов несколькими аналитическими методами, а также данными внешнего и внутреннего контроля.
Исследования минерального состава почв и твердого осадка снега проводились рентгенофазовым и дифференциально-термическим анализами, электронной микроскопией на растровом электронном микроскопе с рентгеновской микрозондовой приставкой TesIa-BS-ЗОІ и в просвечивающем электронном микроскопе, а электронно-зондовый микроанализ выполнялся на энергодисперсном рентгеновском спектрометре Link 8601500 (Великобритания) с микроанализатором Camebax-MBX. Все исследования выполнены в аналитическом центре Всероссийского института минерального сырья им. Н.М. Федоровского (г. Москва). Микрорентгено-спектральный микрозондовый анализ проводился на установке JXA-5 GEOL в лаборатории Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова и микрозонде MS-46 К.А.М.Е.К.А. в лаборатории Уральского государственного горного университета.
Научная новизна работы: I. Впервые проведена комплексная эколого-геохимическая типизация урбанизированных территорий юга Западной Сибири, подверженных воздействию разнопрофильных производств (нефтегазодобывающего,
угледобывающего, горнорудного, металлургического, нефтехимического, с предприятиями ядерно-топливного цикла, теплоэнергетического, аграрного и других комплексов) с использованием редких, редкоземельных и радиоактивных элементов.
Разработана методология комплексной эколого-геохимической оценки и выполнено районирование территории со сложной техногенной нагрузкой в зоне воздействия многопрофильных производств.
Впервые установлены особенности минерального состава и определены уровни накопления редкоземельных и радиоактивных элементов твердофазных выделений в компонентах природной среды урбанизированных территорий с многопрофильным производством. Выявлены формы нахождения радиоактивных делящихся элементов в пылеаэрозольных выпадениях методом осколочной радиографии и доказано присутствие в зоне воздействия предприятий ядерно-топливного цикла собственных микровключений оксидов урана.
4. Предложены новые методы оценки состояния урбанизированных
территорий и опасности отходов горнорудных производств на основе
изучения минерально-вещественного состава и магнитных свойств
твердофазных выделений снега и почв, геохимического состава солевых
образований питьевых вод и методов биотестирования.
Защищаемые положения. 1. Выявлена специфическая особенность загрязнения компонентов природной среды урбанизированных территорий с разнопрофильным производством, которая характеризуется присутствием типоморфных элементов и минеральных образований: нефтегазодобывающий район - Вг, ТЬ, сажа, кварц; угледобывающий - Zr, As, Та, Y, Au, S,*,,, S^^, Сдбщ, Сорг, угольная пыль, муллит; горнодобывающий железорудный - Fe, Со, U, оксиды и гидроокислы железа; машиностроения и металлообработки - Fe, Cr, Mn, Ni, Hg, магнезиоферрит; металлургический - Са, Ва, As, Sb, Sm, Au,
La, Lu, Cr, Li, Pb, магнезиоферрит; нефтехимический - Br, Sb; районов с многопрофильным производством - Си, Mo, Pb, W, муллит, магнезиоферрит; с предприятиями ядерно-топливного цикла - U, Lu, Zn, F, графит, оксиды урана; с редкометалльным производством - U, Та, Со, Sc, Sb, Ag и сельскохозяйственных угодий - Na, As, Yb, Mn, Sr, Cr, Co, Ni, Sc, Mo.
2. В зоне долговременного воздействия предприятий Томск-Северской
промышленной агломерации установлена комплексная техногенная
геохимическая субпровинция с ярко выраженной структурой
геохимического поля, характеризующаяся повышенными уровнями
накопления ряда микроэлементов, являющихся характерным для того или
иного вида производств, а также специфическими геохимическими
ассоциациями и формами их нахождения. Основными источниками
загрязнения выступают предприятия ядерно-топливного цикла,
нефтехимического производства и теплоэнергетического комплекса.
3. Оценка степени экологического состояния урбанизированных
территорий определяется техногенной минеральной составляющей снега и
почв, а также величиной их магнитной восприимчивости. Новый
альтернативный предмет исследования - солевые образования на
теплообменной аппаратуре, содержание микроэлементов, например, урана, в
которых отражает качество питьевых вод и фиксирует участки
экологического неблагополучия. Оценка опасности для окружающей среды
отходов производства, пылеаэрозольных выпадений и загрязнённых почв
устанавливается комплексным исследованием, включающим геохимические
методы и методы биотестирования.
4. Методологические подходы к комплексной эколого-геохимической
оценке урбанизированных территорий со сложным характером
техногенного воздействия базируются на исследовании основных
депонирующих компонентов природной среды, отбирающихся в точках
сближенных в пространстве и по времени, а также анализируемых на максимальный спектр химических элементов. Определение химических компонентов и минеральной составляющей твердофазных выделений проводится по единым унифицированным методикам с использованием высокочувствительных методов анализа и методов экологической минералогии.
Практическая значимость работы и реализация результатов исследований.
Принципы методологических подходов к комплексной эколого-геохимической оценки территорий деятельности предприятий ядерно-топливного цикла, использованные при оценке юга Томской области, позволили обосновать и в настоящее время осуществлять работы по ведению государственного мониторинга состояния недр на полигоне «Томский» совместно с ОАО «Томскгеомониторинг» в рамках программы «Ведения государственного мониторинга состояния недр на территории Сибирского федерального округа». Данные разработки могут стать также методической основой районирования для территорий с опасным производством как в Сибири, так и в регионах России и других стран.
Проведённая автором типизация урбанизированных территорий с выделением приоритетного типа загрязнения послужит основой для разработки и внедрения системных природоохранных мероприятий, а также медико-гигиенических и лечебно-профилактических мер для обеспечения здоровья персонала разнопрофильных предприятий и населения, проживающего в зонах их влияния.
Разрабатываемое направление изучения особенностей распределения элементов в пылеаэрозольных выпадениях снегового покрова, вносит существенный вклад в развитие теоретических представлений о влиянии техногенных факторов на геохимические и биогеохимические процессы формирования элементного химического состава аэрозолей Сибири.
Полученные новые способы экспрессной оценки определения загрязнённости снегового и почвенного покровов тяжёлыми металлами и техногенными компонентами, по которым получено четыре патента, позволяют совершенствовать технологию геоэкологического картирования и мониторинга.
Реализация результатов работы проведена в период с 1989 по 2005 годы при разработке отдельных разделов к экологическим паспортам промышленных предприятий - ОАО «Сибэлектромотор», ОАО «Томский нефтехимический комбинат» (Томская область), АОЗТ «Рубцовский завод тракторных запасных частей» (Алтайский край); предприятиям сельскохозяйственного назначения - АОЗТ «Томь», АОЗТ «Степановский»; тепличным хозяйствам - агрофирма «Томич», тепличные комбинаты «Кузовлевский» (г. Томск), «Тепличный» (г. Стрежевой). Даны комплексные заключения оценки класса токсичности отходов ОАО «Угольный разрез Чалпан», АООТ «Тейское рудоуправление», ОАО «Саянмрамор» (Республика Хакасия). По итогам работ усовершенствована технология обработки камня на комбинате ОАО «Саянмрамор», что позволило использовать шлам для производства строительных материалов. Проведённая эколого-геохимическая оценка урбанизированных территорий, выполненная по заданию городских комитетов по экологии и охране окружающей среды гг. Томска, Северска, Стрежевого и Междуреченска, позволила провести ряд природоохранных мероприятий по улучшению радиационной и общей экологической ситуации городов. Результаты исследований реализованы в программе Областного комитета экологии и охране окружающей среды по Томской области по теме «Оценка качества среды обитания человека на юге Томской области с целью возможного выделения радиационного фактора заболеваемости», а также использованы в работах ОАО «Томскгеомониторинг» согласно «Программы ведения
государственного мониторинга состояния недр на территории Томской области».
Материалы диссертационной работы использованы при разработке рабочих программ и чтении лекционных курсов «Геоэкологический мониторинг», «Геохимический мониторинг природных сред», «Геоэкологическое проектирование и экспертиза проектов», «Минералогия техногенных образований», «Техногенные системы и экологический риск», составления путеводителя для проведения геоэкологических практик в Хакасии для студентов специальности «Геоэкология», а также подготовки 5-й учебных пособий, в том числе одного с грифом УМО.
Достоверность защищаемых положений определяется большим массивом используемого фактического материала, полученного современными высококачественными аналитическими методами в ведущих аналитических центрах России, а также глубиной проработки материала.
Апробация работы. Основные результаты работы по теме диссертации были доложены на Международных конференциях: "Объединенный Международный симпозиум по проблеме прикладной геохимии" (Иркутск, 1994), "Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека" (Томск, 1996; 2004), "Природа и природопользование на рубеже XXI века" (Омск, 1999), "Тяжелые металлы, радионуклиды и элементы-биофилы в окружающей среде" (Семипалатинск, 2002; 2004), "Техногенная трансформация геологической среды" (Екатеринбург, 2002), "Подземное и кучное выщелачивание урана, золота и других металлов, современное состояние" (Москва, 2002), "Самоорганизация и динамика геоморфосистем в условиях техногенного освоения территорий и потепления климата" (Томск, 2003), "Актуальные проблемы урановой промышленности" (Алматы, 2004), "Современные проблемы загрязнения почв" (Москва, 2004) и "Климато-экологический мониторинг" (Томск, 2005).
Публикации. Основное содержание и научные положения диссертации опубликованы в 75 работах, в том числе в 2-х монографиях, 5-й учебных пособиях и в 68 статьях и тезисах докладов. Получено 4 патента и 1 авторское свидетельство на изобретение. Из них 20 работ опубликованы в рецензируемых научных журналах, включённых в перечень ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения. Объем работы составляет 423 страницы, включая 106 таблиц и 216 рисунков. Список литературы состоит из 465 наименований.
Личный вклад автора. Диссертант лично участвовал в обосновании, организации и проведении всех эколого-геохимических исследований урбанизированных территорий с различной техногенной нагрузкой юга Западной Сибири. Автором вместе с коллегами сформулированы научные задачи, проведено опробование, экспериментальные исследования, разработана методика комплексной радиоэколого-геохимической оценки урбанизированных территорий и запатентованы новые способы определения загрязнённости снегового и почвенного покровов. Автором лично получены научные результаты эколого-геохимического состояния компонентов окружающей среды урбанизированных территорий с разнопрофильной техногенной нагрузкой юга Западной Сибири.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность своему учителю и научному консультанту, профессору, д.г.-м.н. Л.П. Рихванову. Особо признателен руководителям и исполнителям аналитических лабораторий А.Ф. Судыко, Л.В. Богутской, Н.А. Чарикову, Г.А. Бабченко, С.Н. Зиминой, Л.И. Евтеевой, Г.А. Савченко, Т.Д. Кириленко, С.С. Чернянс-кому, В.Н. Ослоповскому, Н.А. Цехановской за помощь в проведении исследований.
Автор благодарен соавторам и коллегам по работе д.б.н, Н.Н. Ильинских, д.г.-м.н. Р.В. Голевой, д.г.-м.н. В.Т. Дубинчук, д.г.н. Н.С. Евсеевой, д.г.-м.н. А.Г. Бакирову, д.г.-м.н. И.В. Кучеренко, д.г.-м.н. В.Н. Сальникову, дх.-м.н. А.Ф. Коробейникову, д.г.-м.н. СИ. Арбузову, к.х.н, Г.Е. Пашневой, к.ф.-м.н. А.А. Михальчуку, к.г.-м.н. А.А. Поцелуеву, к.г.-м.н. А.Я. Пшеничкину, к.г.-м.н. А.К. Полиенко, к.г.-м.н. В.А. Дома-ренко, к.г.-м.н. В.А, Льготину, к.г.-м.н. Ю.В. Макушину, к.х.н. Н.А. Оси-повой, к.г.-м.н, В.В. Ершову, к.г.-м,н. О.А. Микову, к.г.-м.н. А.Ю. Шатилову, к.б.н. Н.В. Барановской, к.г.-м.н. СВ. Азаровой, к.г.-м.н. А.В. Волост-нову, к.г.-м.н. И.С, Соболеву, В.М. Худякову, Д.В. Волостнову, В.П. Шинкаренко, Е.П. Янкович, В.К, Кондрину, B.C. Барановскому, аспирантам Л.В. Жорняк, А.В. Таловской и бывшим студентам С. Грязнову, Е. Гвоздеву, О. Грязновой, О. Мельниковой, Л. Собаниной, А. Ручейновой, Н, Митро-фановой за помощь в проведении полевых, камеральных работ и разностороннее обсуждение результатов исследований.
Аналитическое обеспечение исследований
Впервые в нашей стране широкие научно-методические и прикладные геохимические исследования урбанизированных территорий были начаты под руководством Ю.Е. Саета в 1976 году (Методические ..., 19821; Геохимия ..., 1990). Эти исследования опирались, с одной стороны, на разработки А.П. Виноградова, В.В. Ковальского, В.А. Ковды и их последователей, а с другой, на опыт поисковой геохимии. Затем эти методы были использованы при геохимической оценки источников загрязнения окружающей среды (Методические ..., 19822) и поверхностных вод (Методические „., 1985). Аналогичный методический подход был применен в исследовании рудных месторождений при проведении геологоразведочных работ для оценки воздействия на окружающую среду горнодобывающих предприятий (Методические ..., 1986).
В последующие годы большой вклад в совершенствование методики эколого-геохимических исследований и геоэкологического картирования, основанной на теории и методах поисковой геохимии (Принципы ..., 1979), внесены сотрудниками Института минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов (ИМГРЭ), Всесоюзного научно-исследовательского института гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГИНГЕО), Всесоюзного геологического института (ВСЕГЕИ), Всероссийского института минерального сырья (ВИМС), институтами геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН (г. Москва), института геохимии им. АЛ. Виноградова СО РАН (г. Иркутск), объединённого института геологии, геофизики и минералогии СО РАН (г. Новосибирск), Московского, Санкт-Петербургского, Воронежского государственных университетов, а также многих других учебных, научно-исследовательских и производственных организаций. Эколого-геохимические работы сразу же были довольно широко развернуты как в нашей стране (АЛ. Беус, М.А. Глазовская, В.К. Лукашев, К.И. Лукашев, В.В. Иванов, В.В. Ковальский, В.А. Алексеенко, А.И. Перельман, Н.С. Касимов, П.В. Коваль и др.), так и за рубежом (Е. Goldberg, U. Forstner, J.A.C. Fortescue, H.J.M, Bowen, E.I. Hamilton и др.).
С начала последнего десятилетия XX в. комплексное решение природоохранных и ресурсных задач составляло ряд международных проектов по геохимическому картированию, к числу которых относятся: IGCP-259 - «Международное геохимическое картирование»; IGCP-360 -«Глобальные изменения»; проекты «Nord Collot» и «Midle Norden» Швеция, Финляндия, Норвегия; проект 17 европейских стран (A.G. Darnley, J.A. Plant, R. Salminen, AJ. Bjorklund, B. Bolviken, N. Gustavsson, Э.К. Буренков, П.В. Коваль, Xie Xuejing и др.).
Более широко методологические подходы в области геоэкологии разрабатывались Г.А. Голодковской (Голодковская и др., 1989), Ю.Е. Саетом (Геохимия ..., 1990), В.Н. Островским и Л.А. Островским (Островский и др., 1993), Н.С. Касимовым (Экогеохимия ..., 1995), Э.К. Буренковым, А.А. Кременецким, Е.П. Яниным, А.А. Головиным, Л.Н. Гинзбургом, Н.К. Грибановой (Комплексная ..., 1997), В.И. Осиповым (Осипов, 1997), ВХ Трофимовым (Теория ..., 1997; Экологические ..„ 2000), Г.С. Вартаняном (Вартанян и др., 2000; Экогеологическое ..., 2001), В.Е. Ольховатенко (Ольховатенко и др., 2002; 2003), О.Н. Грязновьш (Грязнов и др., 20021 2) и др.
Серия методических документов по проведению эколого-геологических исследований и картографирования масштабов 1:1000000 -1:500000, 1:200000- 1:100000, 1:50000- 1:25000 (Требования ..., 19901 2 3) была разработана ВСЕГИНГЕО и другими организациями. Эти документы стали методической базой для выполнения подобного вида работ в системе Мингео СССР, Роскомнедр, а затем Министерства природных ресурсов МПР Российской Федерации (МНР РФ). На основе разработанных научных концепций и методологии выполнен ряд крупных научных региональных обобщений (Экогеология ..., 2000; Комплект ..., 1994-1996). Несмотря на отмеченные достижения, осталось актуальным ряд экол о го-геологических научных и практических проблем, в т.ч. и прикладной геохимии, отмеченные Н.П. Лаверовым и др. (Прикладная ..., 2003), которые необходимо решать в ближайшие годы, в т.ч. и с учетом положений «Экологической доктрины Российской Федерации» (одобрено Правительством РФ 31.08.2002, № 1225. Р). Региональные геоэкологические исследования осуществлялись без нацеленности на решение конкретных практических задач и в значительной степени базировались на идее стадийности проведения работ, в соответствии с которой предусматривалось поэтапное изучение территорий с постепенным укрупнением масштаба исследований. Разумеется, нельзя отрицать преимущества системы стадийного выполнения работ, т.к. она позволяла получить достаточно полную информацию, но в настоящих условиях ее использование чрезвычайно затруднено, в связи с необходимостью существенного финансирования. Поэтому следует переработать систему нормативно-методических документов по региональным геоэкологическим исследованиям и картографированию, для чего основное направление совершенствования научно-методической базы проведения работ должно заключаться в создании комплекта документов, ориентированного на решение задач, возникающих в конкретной природио-хозяйственной обстановке.
Общая характеристика климата юга Западной Сибири
Западная Сибирь как отдельный физико-географический район включает Западно-Сибирскую низменность с северными склонами Казахского мелкосопочника и часть Алтая (в пределах республики Алтай) с его северными отрогами - Кузнецким Алатау и Салаирским кряжем, между которыми расположена Кузнецкая котловина. Равнинные пространства занимают 90 % всей территории, так что климат Западной Сибири - это в основном климат равнины, ограниченной с запада и востока горами и возвышенностями.
Климатическая специфика Западной Сибири определяется наличием широкого спектра природных зон, от которых зависят основные характеристики климата (Орлова, 1962; Евсеева, 2001).
Вся площадь Западной Сибири является бассейном одной реки Оби. Площадь Западно-Сибирской низменности составляет свыше 2000000 км2. Большую часть этой площади (до 70 %) занимают болота, главным образом моховые. Кроме того, по территории разбросаны десятки тысяч больших и чаще малых и мелких озёр. Они питаются в основном зимними и лишь от части летними осадками (Плиткин, 1976).
В значительной степени климат формируется циклонической деятельностью. Прохождение циклонов зимой вызывает значительные, но кратковременные потепления, усиление ветра, снегопады и метели. Особенно резкие (до плюсовых значений) потепления, интенсивные метели и снегопады вызывают зимой выход южных циклонов. Летом циклоническая деятельность ослабевает и территория Западной Сибири находится под воздействием антициклонов, что обуславливает довольно жаркую погоду, хотя влияние северных морей и играет существенную роль в понижении температуры. Осадки из влаги континентальных воздушных масс атлантического происхождения формируются в процессе циркуляции атлантического воздуха над материком. На долю осадков, образуемых всеми разновидностями воздушных масс атлантического происхождения, приходятся на севере Западной Сибири более 50 %, а на юге Западной Сибири - до 30-50 %. В распределении атмосферных осадков зимой определяющим фактором является формирование циклонических процессов на полярных и арктических фронтах. Основное количество атмосферных осадков, выпадающих на обширных сибирских пространствах, обусловлено влиянием арктического фронта. На юго-востоке доля таких осадков достигает 90 %.
Общая вогнутость Западно-Сибирской низменности в центральной её" части обуславливает в зимнее время распределение температуры, весьма далёкое от зонального, которое можно было бы ожидать на такой плоской равнине. Благодаря континентальному положению, особенностям циркуляции и характеру рельефа, климат Западно-Сибирской низменности отличается суровой зимой с сильными ветрами и метелями, весенними возвратами холодов, поздними весенними и ранними осенними заморозками. При этом на большей части Западной Сибири, кроме крайнего севера, вследствие обилия солнечного света и тепла, преобладает теплое, а на юге жаркое, хотя и довольно короткое лето. Резкий годовой ход температуры сочетается в Западной Сибири с чрезвычайной изменчивостью температур зимних и весенних месяцев от года к году. Очень большая неустойчивость погоды наблюдается в начале зимы - в ноябре и декабре. Из весенних месяцев особенно велика изменчивость погоды в мае (Евсеева и др., 1976; Земцов и др., 1988),
В результате циклонической деятельности лесная зона, особенно ее" восточная часть, отличается мощным снежным покровом, высота которого достигает 90 см. К северу и югу высота снежного покрова уменьшается.
Переходные сезоны в Западной Сибири очень короткие, особенно весна, что характерно для континентального климата. Период с температурой выше 5С длится здесь 160-170 дней. Осенний период в Западной Сибири немного продолжительнее, чем весенний. На севере низменности осень наступает рано. В тундре переход к отрицательным температурам происходит в третьей декаде сентября. В степной же полосе начало сентября бывает нередко ещё очень тёплым и носит летний характер, но ночные заморозки говорят уже о начале осени. От октября к ноябрю температура резко понижается и появляется снежный покров.
Равнинность территории Западной Сибири и направление барического градиента в холодное полугодие с юго-юго-востока на запад-северо-запад определяет развитие стойкого юго-западного переноса, охватывающего всю равнинную часть. Лишь в восточной части территории под влиянием гор и благодаря наличию области высокого давления над Восточной Сибирью ветры принимают на юго-востоке юго-юго-западное, а вдоль Енисея -южное направление. Летом, когда давление над Арктикой становится больше, чем на материке, на Западно-Сибирской низменности до 60 с.ш. господствуют северные и северо-западные ветры, дующие с океана на материк. Южнее 60 с.ш. летом также часто, как и северные, наблюдаются западные ветры, а в предгорьях они и летом имеют южную составляющую, в чём сказывается влияние Алтайских гор.
Атмосферные аэрозоли в оценке экологического состояния окружающей среды
Атмосферные аэрозоли играют существенную роль во многих атмосферных процессах и оказывают значительное влияние на качество окружающей среды, климат, химию и физику атмосферы (Carbonaceous ..., 1996; Seinfeld et al,, 1998; The chemical Composition ..., 2000; Кабанов и др., 2000), поэтому внимание к изучению атмосферных аэрозолей с каждым годом неуклонно растет. Изучение химического состава аэрозольных частиц имеет важное значение для выяснения закономерностей естественной миграции химических элементов в воздушной среде и ее роли в вещественном балансе различных регионов и субрегионов биосферы (Ковальский, 1971). Оно имеет также существенное значение для понимания процессов обогащения и распределения химических элементов в аэрозолях, в выяснении источников и масштабов техногенного загрязнения воздуха, его гигиенических и биогеохимических аспектов.
Изучение химического состава атмосферного аэрозоля и его распределение в пространстве с учетом времени необходимо для оценки биологических эффектов загрязнения биосферы некоторыми токсичными аэрозолями (Thermal Neutron ..., 1970), а также для нормирования промышленных выбросов. Определенный интерес представляет также исследование аэрозольных частиц как индикаторов передвижения воздушных масс, а также особенно важное значение приобретают эти исследования в связи со все возрастающим загрязнением окружающей среды и необходимостью его оценки и предупреждения. Исследования в этом направлении ведутся в США (СасНе, 1966; Thompson et al., 1970; Gillette et al., 1971; Pillay et al., 1971;), Англии (Pasquill, 1962) и ряде других стран.
Механизмам формирования пылей естественного и искусственного происхождения посвящено множество работ (Фетт, 1961; Юнге, 1965; Миклишанский и др., 1978; Голенецкий, 1982; Кондратьев и др,, 1983 и т.д.).
История исследования атмосферных аэрозолей, в том числе и атмосферной пыли, насчитывает уже более 100 лет. Большой вклад в развитие этого направления на рубеже XIX-XX веков внесли английские и немецкие ученые, результаты исследований которых обобщил в своей монографии В. Фетт (1961). Часто оценке подлежит не весь пылевой компонент аэрозоля, а отдельные его фракции - органическая и неорганическая составляющие, дающие представление о степени минерализации пыли, отдельные частицы и др. (Фетт, 1961; Виленский, 1966; 1972; Смирнов и др., 1966; Иванов и др., 1970; Содержание ..., 1977; Содержание ..., 1980; Глазовский, 1982; Содержание ..., 1983; Глазовский и др., 1982; 1983; Кизильштейн и др., 1987; 1991і; 19912; Язиков и др., 1998; Состав ..., 1999; Содержание ..., 1977; Шатилов, 2001; Минеральный ..., 2004 и др.).
До недавнего времени в качестве важнейших загрязняющих веществ рассматривались, главным образом, пыль, угарный и углекислый газы, оксиды серы и азота, углеводороды, соединения азота, калия и фосфора, синтетические органические вещества, радиоактивные изотопы. Микроэлементный состав атмосферных выпадений рассматривался обычно в меньшей степени, В последние десятилетия, однако, интерес к оценке микроэлементов как загрязняющих веществ резко повысился. Это, прежде всего, связано с фактами проявления острых токсичных эффектов, вызванных промышленным загрязнением ртутью, кадмием, селеном и свинцом.
Экспериментальные и эпидемиологические исследования, проведенные и проводимые ныне различными специалистами, выявили широчайшую гамму отрицательных воздействий микроэлементов на живые организмы на различных уровнях их организации. Важно подчеркнуть, что для многих микроэлементов, помимо прямого токсического воздействия, характерны и так называемые отдаленные эффекты, которые затрагивают основополагающие функции живых организмов: воспроизводство и биопродуктивность. Степень их вредности в конечном счете значительно больше, нежели в случае токсических эффектов, так как угроза создается не для отдельных организмов, а для целых популяций и поколений. В этом плане они могут считаться экологически токсичными.
В отличие от многих загрязняющих веществ, микроэлементы не включаются в процессы самоочищения: в ходе миграции они меняют лишь уровень содержания или формы нахождения. Включаясь во все типы миграций и биологический круговорот, они неизбежно приводят к загрязнению важнейших жизнеобеспечивающих сред: почвы, воды, воздуха, пищи.
В настоящее время используется большое разнообразие методов исследования запыленности атмосферы: актинометрия (исследование прозрачности воздуха с помощью актинометров), наблюдение за прямой и рассеянной радиацией, лазерное зондирование и др. (Берлянд, 1988; Региональный мониторинг..., 1997).
Особо следует выделить три метода исследования: 1) аспирационный, основанный на просасывании через фильтры определенного количества воздуха; 2) седиментационный, в основе которого лежит изучение аэрозоля, выпавшего на специальные планшеты (сухие выпадения); 3) седиментационный, основанный на анализе атмосферных осадков (мокрые выпадения).
Почвы в оценке экологического состояния окружающей среды
Анализу геохимической обстановки окружающей среды, взаимосвязи различных факторов и природных сред, в том числе и почв, посвящено значительное количество работ, среди которых наиболее обстоятельными являются исследования P.P. Брукса, 1962; В.В. Ковальского, 1974; 1982; А.А, Беуса, 1976; Г.Е. Пашневой и др, 1978; А.И. Перельмана, 1979; К. Рэуце и др., 1986; Ю.В. Алексеева, 1987; М.А. Глазовской, 1988; А. Кабата-Пендиас, X. Пендиас, 1989, Ю.Е. Саета (Геохимия ..., 1990); В.И. Савича и др., 1990; Н,А. Рослякова, В.П. Ковалева, Ф.В. Сухорукова и др. (Экогеохимия ..., 1996); ЭХ Буренкова, Л.Н. Гинзбург, Н.К. Грибановой (Комплексная ..., 1997), В.А. Алексеенко, 2000; Г.В. Мотузовой, 2001; В.Б. Ильина, А,И. Сысо и др, 2001; (Содержание .„, 2000); Н.С. Касимова, Е.М. Никифоровой (Геохимия ландшафтов ..., 2002) и многих других.
Почва является объектом природной среды, несущая в себе долговременную информацию о техногенном воздействии, и представляет собой сложную природно-антропогенную систему (Ильин и др., 1980; Экогеохимия ..., 1995; Семячков, 2001; Сысо, 2004 и др.). Продукты техногенеза накапливаются в верхних горизонтах почв, изменяя их химический состав, и включаются в природные и техногенные циклы миграции. В почве накапливаются вещества, не подверженные процессам полного разрушения, которые особо опасны для живых организмов в виде пылевой составляющей.
При оценке техногенного загрязнения природной среды особое значение приобретает получение достоверной информации о содержании в почвах веществ-загрязнителей и уровнях их накопления в растениях, в том числе сельскохозяйственных. Это позволяет объективно разграничивать состояние эко-, агросистем и природной среды в целом на благополучное и неблагополучное. Значимость объективной оценки уровня техногенного загрязнения природной среды (в первую очередь почв, являющихся основным «депо» техногенных веществ-загрязнителей) усиливается тем обстоятельством, что существует достоверная значимость между уровнем загрязнения природной среды и состоянием здоровья населения. Однако до настоящего времени всё ещё отсутствуют единые приёмы контроля загрязнения почв и растений, как нет и удовлетворяющих методик полевых и лабораторных исследований техногенного загрязнения отдельных компонентов природной среды - почв, воздуха, вод и растений. Не случайно, что результаты исследований даже по фоновому (глобальному) содержанию в почвах, например, тяжёлых металлов, различаются нередко в 5-10 раз. По некоторым элементам-загрянителям существует несоответствие между их фоновым содержанием в почвах и ПДК (Обобщённые ,.., 1990). Учитывая такую ситуацию, Госкомсанэпиднадзор Российской Федерации в 1994 году разработал новые гигиенические нормативы, с учетом некоторых физико-химических свойств почв - ОДК (Ориентировочно ..., 1995). Однако они разработаны только для 6 элементов (Hg, Pb, Cd, Си, Zn, As) н представляют собой всё же фиксированные средние значения, хотя более достоверными были бы интервалы колебаний содержания этих элементов в почвах.
Наибольшее накопление тяжёлых металлов техногенного происхождения происходит в поверхностном слое почв (Гармаш, 1985; Байдина, 1994; І995; Геохимия ..., 1990 и др.). Это объясняется тем, что при техногенном загрязнении основная часть тяжёлых металлов поступает в почвы в форме труднорастворимых или нерастворимых соединений - на долю, например, водорастворимых форм Zn и Cd приходится всего 6-7 %, а среди техногенных соединений РЬ, поступающих в почвы, водорастворимые формы вообще отсутствуют (Ильин, 1991).
Особое внимание к радиоактивным элементам в почвах вызвано необходимостью изучения воздействия этих токсикантов на трофические цепи: растительные и животные организмы - человек. Все радиоактивные элементы достаточно хорошо отличаются индивидуальными химическими свойствами. Они по разному мигрируют, реагируют и осаждаются в обстановках разной смены экстенсивных и интенсивных параметров среды нахождения, неодинаково поступают в трофические цепи. Кинетика этих элементов во многом определяется как газовым и водным режимом, химической активностью совмещающихся в зоне гипергенеза неорганических и органических соединений, так и прочими факторами.
Первые данные о содержании естественных радиоактивных элементах в почвах приводятся в работе АЛ. Виноградова (1957), где рассматриваются содержания U, Th и Ra в почвах разных зон и незначительные их различия по почвенным горизонтам А, В и С.
Для территории Западно-Сибирского региона радиоэкологическая обстановка определяется мощностью экспозиционной дозы (МЭД) почвенного покрова различных районов. По результатам наших исследований методом полевой гамма-радиометрии на территории фоновых районов для различных генетических типов почв величина МЭД изменяется от 9,3 мкР/ч (дерново-подзолистые) до 13 мкР/ч (дерновые перегнойно-глеевые) (табл. 5.2.1). Для урбанизированных территорий величина МЭД изменяется от 7,8 мкР/ч (нефтегазодобывающий район) до 12,4 мкР/ч (угледобывающий район) (табл. 5.2.1). Однако в случае не соблюдения техники безопасности хранения радиоактивных веществ на урбанизированных территориях обнаруживаются радиоактивные аномалии.
