Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние изученности проблемы 9
1.1. Современные представления о эколого-геологических системах горнодобывающего класса 9
1.2. Общая характеристика месторождений карбонатного сырья 29
2 Основные напрвления преобразования эколого- геологических систем в районах разработки месторождений карбонатного сырья 34
2.1 Специфика структуры комплексов по добыче и переработке карбонатного сырья 34
2.2 Анализ основных источников воздействия на элементы эколого- геологических систем 43
2.3 Оценка радиуса влияния предприятий по добыче карбонатного сырья на прилегающие территории 52
3. Особенности эколого-геологических систем районов разработки месторождений карбонатного сырья 70
3.1 Эколого-геологические условия района Сокольско-Ситовского месторождения известняков 70
3.1.1 Физико-географические условия 70
3.1.2 Неотектонические особенности 73
3.1.3 Геологическое строение участка месторождения 78
3.1.4 Гидрогеологическая характеристика 88
3.1.5 Особенности почвенных отложений 92
3.1.6 Экологические аспекты разработки месторождения 95
3.2 Сноухимические аномалии в зоне влияния КДиП КС Сокольско- Ситовского месторождения 98
3.3 Эколого-геохимическая оценка почвенного покрова 108
3.4 Геоиндикаторы преобразования грунтов зоны аэрации 125
3.5 Эколого-гидрогеохимическая оценка 132
3.6 Оценка радиационной обстановки 145
3.7 Растительность как элемент индикации преобразования ЭГС 148
3.8 Основные формы миграции тяжелых металлов в природных средах района КДиП КС Сокольско-Ситовского месторождения 158
4 Система рационального природопользования районов добычи и переработки карбонатного сырья 165
4.1 Классификация природных и техногенных факторов экологической опасности 165
4.2 Структура рационального природопользования районов месторождений карбонатного сырья 168
4.3 Система эколого-геологического мониторинга КДиП КС 174
Заключение 178
Список литературы 181
- Общая характеристика месторождений карбонатного сырья
- Оценка радиуса влияния предприятий по добыче карбонатного сырья на прилегающие территории
- Сноухимические аномалии в зоне влияния КДиП КС Сокольско- Ситовского месторождения
- Структура рационального природопользования районов месторождений карбонатного сырья
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Техногенное преобразование компонентов окружающей среды может проявляться на поверхностном, приповерхностном, а также глубинном уровнях. Наиболее интенсивно оно проявляется в районах разработки месторождений полезных ископаемых. Их разведка, разработка, процессы переработки сырья формируют эколого-геологические системы (ЭГС) горнодобывающего класса, которые характеризуются преобразованием компонентов природной среды как на поверхности, так и в геологическом разрезе. Это обстоятельство является отличительной особенностью данных систем. Вопросы преобразования ЭГС в районах разработки месторождений полезных ископаемых рассмотрены в работах В.Т. Трофимова, О.М. Гуман, О.Н. Грязнова, А.Б. Макарова, Ю.В. Шайхиева, И.И. Косиновой, А.В. Захарова и др. Авторы подчеркивают широкий спектр и интенсивность воздействия горнодобывающей деятельности как на абиотическую, так и на биотическую составляющие. Особенно интенсивно оно проявляется в районах открытых разработок месторождений. Карьерным способом добывают полезные ископаемые рудные (полиметаллические, черные, редкоземельные, урановые руды и т.д.) и нерудные (каменный уголь, фосфориты, самородная сера, пески, глины, известняки, мергеля, доломиты и т.п.).
В настоящее время детально изученными являются основные направления преобразования компонентов природной среды в зонах влияния разработки месторождений рудного сырья. Отличием месторождений нерудного сырья является их приуроченность к плотнозаселенным районам, так как их продукт используется в строительной индустрии. Нередко контур разработки месторождения располагается в пределах городской черты. Однако исследования влияния разработки данных месторождений на компоненты природной среды носят эпизодический характер и касаются отдельных вопросов природоохранного характера. Особую актуальность данная проблема имеет для Центрального черноземного региона России (ЦЧР), с богатейшим ресурсным потенциалом уникальных черноземов, обеспечивающих устойчивое развитие аграрного сектора экономики России, и наличием значительного количества нерудных полезных ископаемых. В структуре разработки месторождений нерудного сырья ЦЧР карбонатные породы составляют около 30%, они используются в строительных целях, в сельском хозяйстве, в металлургической промышленности.
Цель работы – эколого-геологическая оценка комплексов по добыче и переработке карбонатного сырья (КДиП КС) для рационального природопользования территорий.
Для достижения поставленной цели необходимо:
1. Проанализировать техногенные комплексы районов разработки месторождений карбонатного сырья (МКС).
2. Определить пространственные характеристики воздействия разработки
МКС на компоненты природной среды.
3. Оценить эколого-геологическую систему района разработки
Сокольско-Ситовского месторождения известняков.
-
Выявить ведущие элементы преобразования ЭГС и определить основные экологические мишени в зоне влияния разработки.
-
Разработать систему рационального природопользования районов разработки месторождений известняка. Под «экологической мишенью» понимается абиотический или биотический компонент окружающей среды, являющийся объектом, в том числе и потенциальным, негативного воздействия природного либо техногенного характера.
6. Сформировать структуру системы эколого-геологического
мониторинга района разработки месторождений известняка.
Объект исследований – эколого-геологические системы зон влияния комплексов по добыче и переработке карбонатного сырья (КДиП КС).
Предмет исследований – оценка процессов поступления загрязняющих веществ в природную среду, особенности их накопления и миграции в зоне воздействия комплексов по добыче и переработке карбонатного сырья.
Фактический материал. В основу диссертации положены эколого-геологические исследования автора в рамках ряда НИР, выполняемых на месторождениях карбонатного сырья Липецкой и Ростовской областей. Исследования проводились в период с 2008 по 2013 гг. и включали полевые, аналитические и камеральные работы. Также в диссертационной работе использовались материалы ОАО «Липецкгеология».
В сферу наблюдений были включены: снежный покров (654 пробы), почвенный покров (621 проба), грунты зоны аэрации (по трем скважинам), подземные воды 368 проб за 12-летний период), радиологические исследования (621 точка наблюдения), растительность (621 проба).
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением апробированных методов анализа и статистической обработки фактического материала, а также системного подхода в изучении объекта, использованием общепринятых критериев оценки полученных данных.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Методика оценки воздействия комплексов районов разработки МКС на компоненты природной среды. В рамках ЭГС данного типа основным фактором преобразования является добыча, переработка карбонатного сырья и производство цементного сырья, что формирует комплексное воздействие на природную среду.
-
Анализ пространственных характеристик воздействия на компоненты природной среды, которые определяются дисперсностью пылевых частиц буровзрывного облака и метеоусловиями района воздействия комплексов по добыче и переработке карбонатного сырья. Радиус воздействия
составляет 1,2 км, первый максимум накопления пылевых выбросов фиксируется на расстоянии 150-200 м, второй - на 650-800 м.
3. Комплексная эколого-геологическая оценка района разработки Сокольско-Ситовского месторождения известняков. Определение перечня ведущих загрязняющих элементов, транспортирующихся по всем компонентам ЭГС. Система рационального природопользования в зонах функционирования комплексов по добыче и переработке карбонатного сырья, включающая мероприятия по реабилитации окружающей среды, рекомендации по функциональному освоению территории. Создание системы мониторинга территории.
Научная новизна.
Разработана методика определения воздействия техногенных комплексов районов разработки МКС на компоненты природной среды.
Представлен анализ пространственных характеристик воздействия на компоненты природной среды с определением радиуса данного воздействия.
Впервые дана комплексная эколого-геологическая оценка систем КДиП КС на компоненты природной среды. Определены ведущие элементы преобразования ЭГС, а также обозначены основные экологические мишени в зоне влияния разработки.
Разработана система рационального природопользования районов КДиП КС. Составлены природоохранные мероприятия и система функционального использования территории. Сформированы основные направления эколого-геологического мониторинга в пределах функционирования КДиП КС.
Теоретическая значимость работы определяется комплексным подходом при эколого-геологической оценке влияния КДиП КС. Обоснованы количественные параметры состояния эколого-геологических систем, необходимые для разработки структуры рационального природопользования в пределах данных территорий. Создан алгоритм исследования техногенных комплексов. Использование предлагаемой методики и системы рационального природопользования возможно на предприятиях-аналогах.
Практическая значимость работы определяется установлением радиуса зоны отчуждения на основании количественной оценки состояния эколого-геологической системы в 1,2 км. С помощью методики определения воздействия техногенных комплексов районов ДиП КС установлены ведущие производственные циклы, воздействующие на природную среду, а также определены основные экологические мишени. На основе полученных результатов предложена система эколого-геологического мониторинга. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при эколого-геологической оценке аналогичных предприятий в пределах европейской части России.
Апробация работы. Основные результаты научных исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались автором на Международной научной конференции, посвященной 90-летию ВГУ (Воронеж, 2008); Международной научно-практической конференции «Экологическая геология: научно-практические, медицинские и экономико-правовые аспекты» (Воронеж,
2009); 11-й Межвузовской молодежной научной конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования» (Санкт-Петербург, 2011); Научной сессии Воронежского государственного университета (Воронеж, 2010, 2011); 2-й Международной научно-практической конференции «Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы» (Воронеж, 2011, 2013); 7-й Международной научно-практической конференции «Обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях» (Воронеж, 2010, 2011); Молодежном инновационном проекте "Школа экологических перспектив" (Воронеж, 2012, 2013); 7-й Международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семей, 2012); 9-й Общероссийской конференции изыскательских организаций «Перспективы развития инженерных изысканий в строительстве в Российской Федерации» (Москва, 2013); 2-й Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии Урала и сопредельных территорий» (Екатеринбург, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 печатная работа, в том числе 3 в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных литературных источников. Объем работы составляет 194 страницы машинописного текста, включающие 91 рисунок, 17 таблиц, 13 формул. Список использованной литературы состоит из 125 наименований (в том числе 4 на иностранном языке).
Общая характеристика месторождений карбонатного сырья
Карбонатные породы составляют более 15% массы в земной коре [19, 101]. В России широкое применение получило использование карбонатного сырья с 1962 года. Для Центрального Черноземного региона России карбонатные месторождения во многих областях занимают ведущую роль в общей структуре добычи нерудного сырья. К карбонатному сырью относятся месторождения известняка, мела, доломитов, доломитовой муки, мергелей, известковых туфов (травертина), гажа (известняк пресноводный, мел озерный) и т.п. Состав карбонатных пород в основном представлен карбонатами кальция, магния, часто с примесями железа. В их минеральном составе, помимо кальцита, нередко присутствует кварц, полевые шпаты, глинистые частицы, глауконит, сульфаты, сульфиды и др. Карбонатное сырье используются в значительных объемах в различных отраслях промышленности и в сельском хозяйстве. Общее количество разведанных запасов КС, которые учтены балансом запасов России [119], в настоящее время превышает 60 млрд. т. Так, разведано более 1900 месторождений карбонатного сырья, однако из их общего числа разрабатывается только 30 %. Основные направления промышленного использования карбонатных пород, процентное соотношение от общего количества разрабатываемых месторождений, запасов и добычи сырья по России приведены в табл. 1.1.
Существует условное деление месторождений карбонатного сырья (МКС) по величине запасов в зависимости от направлений их использования. Условность деления обусловлена ресурсными особенностями отдельных месторождений. В последнее время наиболее часто разведывают запасы средних и особенно мелких месторождений, значительно реже крупных. Условная группировка месторождений КС по величине запасов приведена в табл. 1.2.
Основная масса добытого карбонатного сырья (3/4) используется в следующих строительных целях [119]:
– в качестве строительного и штучного камня (бута, стеновой, декоративно-архитектурный, облицовочный, в гидротехническом и дорожном строительстве, и т. д.);
– при производство цемента и извести. В роли цементного сырья выступают известняки и доломиты, строительной извести – мел, известняки, доломиты, портландцемента – мергеля, мел, известняки;
– щебень используется в качестве наполнителя бетона, также при разливе балласта и т.д.;
– производство искусственных стройматериалов и др.
Одна четверть добываемого сырья используется:
– в металлургической промышленности – флюсовые известняки и доломиты;
– при производстве связывающих веществ – каустические доломиты;
– в химической промышленности: в качестве добавки к удобрениям используются известняки, доломиты, магнезит, при производстве соды – известняки, магнезии – доломиты и др.;
– в стекольной промышленности – в качестве стекольной шихты применяются доломиты, мел, известняки;
– в сахарной промышленности фигурирует применение известняка. В производстве огнеупорных систем используют магнезиты, доломиты. Основное практическое применение карбонатных пород сводится к их использованию в качестве строительного камня, для производства цемента и извести, в иных отраслях – преимущественно в металлургии.
Глубина залегания карбонатных пород преимущественно колеблется от единиц до нескольких десятков метров относительно уровня дневной поверхности. Породы вскрыши имеют разнообразные литологические характеристики.
При добыче карбонатных горных пород открытым способом чаще всего применяются буровзрывные работы (рис. 1.6). В установленном порядке, вдоль фронта уступа, размещают взрывчатые вещества (пороха, аммонит, аммонал и др.) в шпурах или скважинах [120]. Зачастую после взрыва количество кондиционной фракции может быть меньше обломочных остатков. Для дробления негабаритных кусков используют как накладные заряды, так и механическое дробление. Погрузка породы осуществляется экскаваторами. В процессе обозначенного цикла работ продуктами отработки создается значительная пылевая нагрузка на территории, прилегающие к зонам разработок. Наиболее крупные частицы пыли осаждаются в непосредственной близости к карьеру, тонкодисперсные способны разлетаться на несколько километров от разрабатываемого карьера.
Буровзрывные работы, проводимые на Ситовском карьере Сокольско-Ситовского месторождения известняков (г. Липецк) В качестве альтернативного метода добычи КС в настоящее время имеет место применение системы механического рыхления [52]. Система основана на использовании навесных тракторных рыхлителей, которые способны разрабатывать породы с ограниченным пределом прочности (при сжатии до 190 МПа). Эффективность подобных работ зависит не только от прочности пород, но и от их структуры, степени трещиноватости. Применение рыхлителей целесообразно как с экономических, так и с экологических позиций. Данный метод является более безопасным с точки зрения экологических аспектов.
Зачастую добыча мягких пород, таких как мел и глины, осуществляется напрямую одноковшовыми либо роторными экскаваторами, которые отделяют породы от общего пласта и погружают готовое сырье. Также, при добычи мела и глины целесообразно применение специальных комбайнов, которые основаны на базе роторного экскаватора и производят одновременную добычу и размучивание карбонатного сырья.
Транспортировка сырья на дальнейшую переработку осуществляется посредствам использования автомобильного и железнодорожного транспорта, гидротранспорта, воздушно-канатных дорог, ленточных конвейеров.
В составе Центрально-черноземного региона наиболее активная разработка карбонатных месторождений ведется Липецкой, Курской и Воронежской областями (рис. 1.7). В свою очередь Липецкая область из всей горнодобывающей деятельности главным образом ориентирована на добычу карбонатного (известнякового) материала.
Оценка радиуса влияния предприятий по добыче карбонатного сырья на прилегающие территории
Пространственные характеристики воздействия на компоненты природной среды определяются дисперсностью пылевых частиц буровзрывного облака, интенсивностью пылевой нагрузки и метеоусловиями района воздействия комплексов по добычи и переработке карбонатного сырья. Для установки радиуса зон воздействия разработки месторождений карбонатного сырья на природные эколого-геологические системы была использована снеговая съемка, являющаяся одним из основных методов экологической геохимии [43]. Свежевыпавший снег накапливает загрязняющие вещества, находящиеся в атмосфере. При увеличении техногенной нагрузки от деятельности промышленных предприятий, функционировании транспортной сети, отработки карьеров и т.д. осаждающиеся на снежном покрове загрязняющие вещества формируют пылевые ореолы загрязнения, в зависимости от их качественного состава создается специфика геохимических аномалий. Для выделения ореолов воздействия и выявления ведущих источников загрязнения также весьма эффективна рН-съемка. Важными показателями состояния компонентов природной среды является количество пылевых выбросов (по показателю среднесуточной пылевой нагрузки Рn). Они подразделяются по размерности частиц – песчаные (2-0,5 мм), пылеватые (0,5-52 0,05 мм) и дисперстные ( 0,002) [95]. В районах горнодобывающих предприятий большое количество пыли становится негативным фактором жизнедеятельности.
В рамках исследуемых комплексов по добыче и переработке карбонатного сырья нами дана оценка их радиуса воздействия на природные эколого-геологические системы на примере ряда характерных месторождений Центральной России – Сокольско-Ситовского, Донского и Рогаликского. Пробоотбор осуществлялся с 2010 по 2013 гг по радиальной системе по восьми румбам, с дополнительными точками между профилями. Шаг пробоотбора составил 50м, 100м, 150м, 200м, 300м, 400м, 500м, 600м, 800м, 1000м, 1500м согласно стандартным методикам [8 , 65-67].
Содержание минеральной пыли в снеговом покрове – один из важнейших интегральных показателей, позволяющих анализировать закономерности распределения техногенной нагрузки. Масса пыли в снеговой пробе служит основой для определения пылевой нагрузки Pn в мг/(м2 сут) или в кг/(км2 сут), т.е. отношения количества твердых выпадений за единицу времени на единицу площади. Пылевая нагрузка определялась в соответствии со следующей формулой [95]: Pn= P0/ (S t) (2.9) где P0 – масса пыли в пробе, S – площадь шурфа, t – время от начала снегостава. Время начала снегостава на дату отбора проб составляет 110 суток, площадь шурфа при опробовании - 0,36 м2. По результатам расчетов выделяются различные уровни загрязнения (табл. 2.5).
Также при оценке пылевого загрязнения территории применялась характеристика относительно превышений фоновых показателей пылевой нагрузки. Пробы для определения фонового количества пыли отбирались на участках, отдаленных от источников пыления и располагающихся в пределах естественных ЭГС. Фоновые пробы снега для Донского и Сокольско-Ситовского месторождений отбирались в заповеднике «Галичья гора» Липецкого района (Рnф составляет 40 кг/(км2 сут)), для Рогаликского – в 1000 м к северу от населенного пункта Рогалик в условии отсутствия источников Таблица 2.5 Ориентировочная шкала оценки аэрогенных очагов загрязнения [95]
Уровень загрязнения Состояние атмосферного воздуха Показатели загрязненияснеговогопокрова
Среднийумеренноопасный Превышение ПДК отдельных загрязняющих веществ (пыль, оксиды углерода и азота, сернистый ангидрид); содержание тяжелых металлов выше фона Повышенная запыленность снегового покрова (среднесуточная нагрузка 250 — 450 кг/км2)
Высокий опасный Превышение ПДК комплекса загрязняющих веществ (пыль, оксиды углерода - и азота, сернистый ангидрид); содержания отдельных металлов (главным образом свинца) выше ПДК Среднесуточный уровень выпадения пыли 450—800 кг/км2
Очень высокий чрезвычайно опасный Превышение ПДК (иногда многократное) комплекса загрязняющих веществ, в том числе ряда тяжелых металлов Очень высокаязапыленность снегового покрова (среднесуточная нагрузка 800 кг/км2 ) загрязнения (Рnф составляет 30 кг/(км2 сут)).
Из рассматриваемых комплексов по добыче и переработке карбонатного сырья наибольшее время эксплуатации имеет Донское месторождение известняков, в соответствии с чем, карьер по добыче сырья имеет значительную глубину (50 м). Морфологической особенностью данного месторождения является его приуроченность к крупной овражной сети. Отработка известняка производится буровзрывным способом. Пробоотбор снега производился по заданной сети, однако возможность опробования по северному профилю составила 600 м (в связи с нахождением в северной части ж/д станции), а по западному – 100 м (урез реки). В результате проведенных исследований выявлено, что по уровню рН снежный покров территории, главным образом, оценивается как слабокислый (рис. 2.5). Исключение составляет северовосточная часть, где на расстоянии 100 м от бровки карьера наблюдаются слабощелочные свойства среды. Причем, непосредственно на восточной бровке карьера рН составил 7,95, на северной - 7,3.
Показатели среднесуточной пылевой нагрузки в снежном покрове Донского месторождения незначительны и колеблются в пределах десятков кг/(км2 сут) (рис. 2.6). В целом показатели не превышают 1-2 фоновых значений, однако в северной части достигают свыше 3 ф. Максимальное количество пыли зафиксировано в северо-восточной части бровки отрабатываемого карьера (355,5 кг/(км2 сут)), а также по северному профилю, на отметке 400 м (334,3 кг/(км2 сут)), расположенной вблизи ж/д станции. В целом пылевая компонента формируется в результате воздействия атмосферных выбросов Елецкого железнодорожного узла, расположенного севернее карьера. Визуально пыль имеет черный, темно-серый цвет, в некоторых местах маслянистый блеск. В гранулометрическом составе преобладают пылеватые частицы.
Сноухимические аномалии в зоне влияния КДиП КС Сокольско- Ситовского месторождения
Изучение минерального и химического состава пылевой компоненты, химического состава снежного фильтрата в зоне влияния карьера и сопутствующих ему комплексов осуществлялось по радиальной системе опробования, описанной в разделе 2.3 [95].
Большая часть твердой составляющей буровзрывного облака
представлена пылью известняка. Нами был произведено исследование химического состава известняка и состава его нерастворимого остатка. В результате атомно-адсорбционного анализа комплексной пробы известняка задонско-елецкого горизонта выявлено содержание в породе валовых форм тяжелых металлов. Так, наиболее значимые коэффициенты концентрации имеют Cr, Cu, Pb (рис.3.2).
Показатели Кк ТМ в известняке
Диапазон изменения массы нерастворимого остатка известняка составляет 1,23-5,56 %. В его составе отмечены наиболее высокие содержания железа, марганца и хрома (таблица 3.2).
Анализ твердой составляющей снега проводился с помощью микроскопа, в результате чего зафиксирован минеральный состав, представленный, главным образом, кальцитом двух типов: ожелезненным и не ожелезненным (до 80% содержания в пробе, рис. 3.3) [40]. Повышенное ожелезнение карбонатов формируется по зонам трещиноватости и выветривания. Отдельным источником фракций железа является рудный горизонт, вскрываемый в процессе отработки месторождения. Данная составляющая снеговых отложений формируется за счет пылевых выбросов буровзрывных работ комплексов по добыче и переработке карбонатного сырья. для предприятия составляет 319473,054т). Из них составили: твердые загрязняющие вещества – 20748,115т; газообразные и жидкие загрязняющие вещества – 256994,491т (в том числе углеводороды без ЛОС – 173,936т), ЛОС – 1593,291т. Класс опасности выбрасываемых веществ: 18 компонентов – четвертый класс опасности, 25 веществ – третий класс опасности, 26 веществ – второй класс и 5 веществ первого класса опасности (бенз/а/пирен, свинец и его соединения, хром шестивалентный, озон, толуилендиизоцианат). Основную долю выбросов составляют газообразные и жидкие вещества (92,5%). В составе их преобладает оксид углерода (82,5%), диоксид серы (5,9%), оксиды азота (3,5%). Твердые вещества в выбросах составляют 7,5%. В их составе преобладают оксид железа (3,5%), пыль неорганическая, содержащая менее 20% оксида кремния (2%), оксид кальция (1,3%). Практически все загрязняющие вещества поступают в атмосферу от технологических процессов производства и только 7,593т твердых веществ, 1351,241т диоксида серы, 495,691т оксида углерода и 1267,595т оксида азота от сжигания топлива (для выработки электро- и теплоэнергии). Отмечено превышение выбросов за год относительно ПДВ по 15 загрязняющим веществам.
Определенный интерес представляет наличие в пылевых отложениях частиц черного цвета имеющих смолянистый блеск на изломе (рис. 3.9, 3.10). Они также являются частью пылевой составляющей НЛМК и сформированы за счет органической составляющей (толуол, толуилендиизоцианат, фенолы).
Модальное содержание элементов в снеговой пыли свидетельствуют о том, что наибольшее высокий процент содержания имеет железо, кобальт, хром, цинк, медь и т.д. (рис. 3.11). свинец,
Согласно существующим методикам [95], при построении геохимического спектра содержания ТМ в снеговой пыли (рис. 3.12) по среднестатистическим показателям коэффициентов концентраций элементов выявлено, что высокую степень концентраций имеет железо, свинец и хром; среднюю степень - кобальт, цинк, никель, медь; низкая степень концентраций – марганец, ванадий, фосфор.
Оценка состояния снежного фильтрата производилась по микрокомпонентам и макрокомпонентам по величине Zc в соответствии с критериями, предложенными в таблице 3.3 [95]. Также установлено содержание железа и ряда тяжелых металлов. Фоновые пробы снега отбирались в заповеднике «Галичья гора» Липецкого района [65-67]. Полученные результаты были положены в основу тематических карт, отражающих экологическое состояние снеговых отложений по всем исследуемым компонентам.
Согласно расчетам Zc в снеговом фильтрате исследуемой территории содержание микрокомпонентов находится в пределах допустимого уровня загрязнения (рис. 3.13). Повышение показателей наблюдается на юго-западе, западе и в северной части территории, что формируется наиболее высоким содержанием цинка и меди.
Содержание макрокомпонентов по величине Zc также характеризуются допустимыми концентрациями, наиболее высокое содержание отмечено для Сa, HCO3, Cl. Максимумы Сa выявлены в южной зоне, где коэффициенты концентраций достигают 7 (рис. 3.14). Уровень HCO3 имеет высокие показатели в форме ореолов, оконтуривающих Ситовский карьер, максимальные значения Кк – 6,5 (рис.3.15). Основные повышения соединений кальция приурочены к производству дробления известняка, расположенного южнее промплощадок. Показатели Cl в северо-восточном и восточном направлениях имеют минимальные уровни. Некоторые превышения (до 3,5ф) фиксируются в районе цементного завода.
Структура рационального природопользования районов месторождений карбонатного сырья
Основные направления реабилитации компонентов окружающей природной среды ориентированы на создание системы рационального природопользования в пределах функционирования комплексов по добыче и переработке карбонатного сырья [13, 71-73, 79, 103, 115], включающую в себя природоохранные мероприятия и рекомендации по функциональному использованию данных территорий.
Построение системы рационального природопользования и реабилитации среды сформировано с учетом выявленных основных экологических мишеней, к которым в существующих условиях отнесены почвы и фитоценозы территории.
Природоохранные мероприятия сформированы в рамках защитных, инженерных и правовых аспектов с учетом ведущих циклов функционирования комплексов по добыче и переработке карбонатного сырья.
На стадии формирования комплексов по добыче и переработке карбонатного сырья следует учитывать ситуацию, которая складывается в процессе ее функционирования [79]: - отчуждение земель под горный отвод карьера. - площадь землеотвода определяется границами воздействия, - изменение равновесия сложившегося микрорельефа при производстве земляных работ, прокладке подземных инженерных коммуникаций. - снижение продуктивности и хозяйственной ценности почв, складируемых временно в отвалах, угнетение растительности. - активизация склоновых процессов на обвало-опасных участках склонов, угроза оползания склонов. - срезка плодородного слоя почвы в пределах площади карьерных работ, частичное перемешивание с подстилающим грунтом, перемещение во временный отвал для дальнейшего использования, соответствующее ухудшение ее качественных и количественных характеристик. 168 - ухудшение состояния почв и растительности за пределами горного отвода в результате пылевого воздействия комплексов по добыче и переработке карбонатного сырья. Система рационального природопользования районов КДиП КС включает мероприятия по реабилитации окружающей среды, рекомендации по функциональному освоению территории (рис.4.2). Природоохранные мероприятия сводятся: - к правовым (рекомендуемая зона отчуждения не менее 1,2 км в соответствии с установленным радиусом воздействия комплексов по добычи и переработке карбонатного сырья; необходим контроль выполнения требований экологического законодательства) [102]; - к защитным (создание охранного целика для водоносного горизонта по всей территории (рис. 4.3); на стадии освоения месторождений рекомендовано соотнесение проведения буровзрывных работ с метеоусловиями (размещения дробильных цехов, перерабатывающих предприятий и цементных заводов необходимо закладывать с учетом направления господствующей розы ветров); при рекультивационных работах необходимо учитывать геологическое строение грунтов зоны аэрации); - инженерным (установка очистных фильтров на трубах цементного завода [79]; борьба с пылеобразованием на дорогах (прокладка искусственных оснований, использование связывающих средств); восстановление ПРС при помощи выведения ТМ растительностью с последующей утилизацией загрязненных растений). Предлагается ряд мероприятий по физической и биологической очистке загрязненных тяжелыми металлами почв [57, 82, 104], благодаря которым токсичность данных загрязнителей может быть устранена, либо снижена. Эффективным считаем методы фитоадсорбции загрязнителей в зоне отчуждения, которые направлены на выведение из состояния консервации ТМ (биологическая очистка).
Метод фитоэкстракции заключается в постоянном выращивании растений, способных извлекать и концентрировать в надземной биомассе значительное количество ТМ Особенно актуален данный метод для выщелоченных черноземов (имеющих, в частном случае, нейтральную и слабощелочную реакцию среды). Процесс фитоэкстракции заключается в образовании прочных водорастворимых связей. Для очистки почв растениям необходимо иметь мощную корневую систему, быстро и обильно производить надземную биомассу. Очистку почвы необходимо проводить до соответствия содержания ТМ предельно-допустимым концентрациям.
Также в исследованных условиях по очистке почв от кобальта эффективным методом является фитодеградация, который основан на способности растений вместе с почвенной микрофлорой разъединять сложные органические вещества и переводить их в менее токсичные формы. В целях понижения рН почвенной среды и увеличения подвижности ТМ при данном методе учитывается стимуляция активности кислотообразующих бактерий. Далее целесообразно применение метода фитостабилизации, который заключается в выращивание толерантной к ТМ растительности. Толерантные растения имеют физиологическую потребность в избытке определенных металлов по сравнению с основными видами растений. Отдельные виды растений накапливают значительное количество тяжелых металлов без видимых признаков деградации. К гипераккумуляторам тяжелых металлов относится большинство дикорастущих растений семейства крестоцветных. Так, Cu и Ni эффективно накапливаются сарептской горчицей, Pb выносится из почв сорными растениями (амброзией). Данными свойствами также обладают одуванчик лекарственный, полынь обыкновенная, люцерна. Толерантным растением для кобальта является кроталярия (Crotalaria cobaltica), для хрома (Leptospermum scoparium) и пимелея Зутера (Pimelea suteri), для Cu - бециум Хомбла (Becium homblei), для Zn - хвощ полевой (Equisetutn arvense). Следует учитывать, что данная растительность имеет большую потенциальную опасность для здоровья людей, так как возможно передача загрязнений по пищевым цепям. Таким образом, на почвах, загрязненных тяжелыми металлами запрещено высаживать плодовые и злаковые культуры, такие как подсолнечник, горчица, яровой ячмень, овес, петрушка, укроп, салат, в связи с их значительными толерантными свойствами. После выращивания биомасса зараженных культур подвергается утилизации и захоронению.
На сопредельных зоне отчуждения территориях в целях реабилитации растительного покрова возможно применение плантажной или глубокой (более 171 см) вспашки, в результате чего загрязнители из верхних наиболее плодородных горизонтов почвы перемещаются в нижележащие. При внесении органических удобрений загрязненный верхний слой почвы необходимо удалять за пределы горизонта, питающего корневую систему растительности.
В результате предложенных природоохранных мероприятий один из ценнейший ресурсов ЦЧР – черноземные почвы - могут снизить содержание вредных веществ до нормального, в связи с умеренным загрязнением территории, попадающей под воздействие комплексов по добыче и переработке карбонатного сырья.
Наибольшими токсическими свойствами как для высших растений, так и для ряда микроорганизмов обладают Pb, Co, Cu, Ni. Металлы, накапливающиеся в почвах с высокими щелочными свойствами, медленно выводятся из среды посредствам выщелачивания, потребления растениями и т.д. Однако подобная обстановка обычно приводит к пониженной биологической активности, росту рН и, как результат - к деградации органо минеральных комплексов. Сильно загрязненная почва нуждается в специальной обработке. Известкование почв или внесения в них фосфора (для осаждения Pb) уменьшает миграционную способность тяжелых металлов, в соответствии с чем выявленные загрязнители (карбонаты свинца, кобальта, меди и фосфаты хрома и цинка) находятся главным образом в труднорастворимых соединениях. Таким образом, происходит консервация загрязнителей в почвенном покрове, что препятствует их распространению в значительных количествах. Миграционная способность Zn, Pb, Со обусловлена главным образом нахождением в органических соединениях, Cr и Fe – в окисленных формах (хромат-ион Cr2О4, оксиды и гидрооксиды железа). В результате формируются незначительные биогеохимические аномалии по данным компонентам. Высокое содержание железа снижает поступление Zn в растения. В свою очередь, оксидная и гидроксидная формы железа формируют значительное накопление данного вещества растительностью. В грунтах зоны аэрации также выявлена миграция хрома и кобальта с дневной поверхности на значительные глубины, что обуславливается в случае хрома возможностью его прогрессирующего 172 окисления, в результате чего образуется весьма подвижный и к тому же слабо сорбирующийся глинами и водными оксидами хромат-ион (Cr2О4); а в случае кобальта – возможностью формирования органических хелатов, известных как легкоподвижные и активно транспортируемые в почвах соединения (которые могут быть также легко доступными для растений). Так, для реабилитации почвенного покрова в пределах зоны отчуждения необходима высадка фитоадсорбентов травянисто-сорняковых видов растительности (толерантными к соединениям ТМ являются амброзия, полынь, люцерна, одуванчик, хвощ и т.д.) с последующей утилизацией загрязненных растений (Рис. 4.4).
