Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Общая характеристика района и объектов исследования 7
1.1. Физико-географический очерк 7
1.2. Геологическая характеристика района 14
1.3. Полезные ископаемые 17
1.4. Эколого-геохимическая характеристика и изученность района 23
Глава 2. Методика исследований 35
2.1. Полевые работы 35
2.1.1. Опробование поверхностных вод 35
2.1.2. Опробование донных отложений 37
2.1.3. Опробование почв и сухой части хвостохранилища 37
2.1.4. Опробование растительности 39
2.1.5. Опробование пылевых выпадений 41
2.2. Аналитические исследования 41
2.2.1. Анализ почв 41
2.2.2. Анализ растительности 45
2.2.3. Анализ поверхностных вод 46
2.2.4. Анализ донных отложений 47
2.2.5. Анализ сухой части хвостохранилища 47
2.2.6. Анализ пылевых выпадений 49
2.3. Методика выявления и оценки загрязнения 51
2.3.1. Выявление загрязнения методами эколого-геохимического картирования 51
2.3.2. Нормативные показатели по оценке загрязнения окружающей среды 54
2.3.3. Оценка уровня загрязнения в компонентах окружающей среды по суммарным показателям загрязнения 56
Глава 3. Источники загрязнения и механизмы поступления тяжелых металлов на территорию района 58
3.1. Загрязнение поверхностных вод и донных отложений 58
3.1.1. Поверхностные воды 58
3.1.2. Донные отложения 63
3.1.3. Система арыков 68
3.2. Аэротехногенное воздействие хвостохранилища 69
3.2.1 Формы нахождения ТМ в пыли и сухой части хвостохранилища 77
Глава 4. Техногенные аномалии в почвах района 81
4.1. Распределение тяжелых металлов по почвенным разрезам. 98
4.2. Изучение форм нахождения тяжелых металлов 104
Глава 5. Геохимическая оценка загрязнения растительности 109
Заключение 118
Список литературы 123
Список таблиц 129
Список рисунков 131
- Полезные ископаемые
- Поверхностные воды
- Формы нахождения ТМ в пыли и сухой части хвостохранилища
- Изучение форм нахождения тяжелых металлов
Введение к работе
Актуальность темы. Горные районы являются территориями с особой уязвимостью к антропогенному воздействию и с высоким риском экологических и техногенных катастроф. Учитывая, что Северный Кавказ обладает репрезентативными для молодых горных сооружений природными характеристиками и особой значимостью экологических проблем, участники I Международной конференции "Экологические проблемы горных территорий" (г. Владикавказ, октябрь 1992 г.) рекомендовали рассматривать Северную Осетию как оптимальный полигон для отработки новых технологий и апробации научных разработок в экологии горнорудных районов. Важность и актуальность эколого-геохимических исследований в районах Горной Осетии определяется целым рядом причин. Исследования проведены на территории Садонского рудного района, где поиски, разведка, добыча и переработка полиметаллических руд ведутся с середины XIX века. В районе известно около 300 жильных свинцово-цинковых месторождений и рудопроявлений, большинство из которых выходит на уровень современного эрозионного среза промышленными интервалами оруденения, что в условиях активно денудируемых районов определяет образование высококонтрастных вторичных ореолов рассеяния в современных элювио-делювиальных образованиях и лито- и гидрохимических потоков рассеяния в современных аллювиальных отложениях и речных водах. Главные компоненты руд свинец и цинк занимают ведущие места в ряду токсичных химических элементов, угрожающих здоровью человека. Вся инфраструктура горнодобывающих предприятий (рудники, обогатительные фабрики, хвостохранилища, дороги) приурочена к густо населенным долинам основных водных систем республики. В связи с этим выявление техногенных аномалий в компонентах природной геологической среды (ПГС) горнорудных районов, установление их элементного состава и форм нахождения токсичных элементов и количественная оценка степени техногенного загрязнения для конкретизации природоохранных мероприятий представляется своевременной и актуальной.
Целью работы являлось определение состава, форм нахождения, механизмов поступления загрязняющих веществ и оценка уровня и масштабов загрязнения компонентов окружающей среды в районе Унальского хвостохранилища, а также изучение динамики этого загрязнения за десятилетний период.
Основные задачи исследований:
-
изучение распределения химических элементов в пылевых выпадениях, донных отложениях, поверхностных водах, почвах и растительности, определение параметров и характеристик природных и техногенных аномалий;
-
определение форм нахождения ведущих элементов-загрязнителей в почвах и пылевых выпадениях
-
определение уровня загрязнения компонентов окружающей среды, выявление территорий с наиболее напряженной экологической ситуацией;
-
изучение динамики загрязнения почв, донных отложений, поверхностных вод и растительности за период с 1989 по 2003 год.
Научная новизна работы. Диссертационная работа является одним из первых комплексных исследований, отражающих изменение состояния окружающей среды в Садонском горнорудном районе после введения в эксплуатацию Унальского хвостохранилища (1984 г.).
Установлены основные источники и механизмы техногенного загрязнения
ПГС района и выявлена решающая роль хвостохранилища в формировании техногенных аномалий свинца на нижних террасах р. Ардон. Методами прогнозно-поисковой геохимии проведена количественная оценка техногенного загрязнения почв свинцом и цинком.
Установлено преобладание растворимых форм нахождения основных рудных элементов в почвах и пыли, являющееся наиболее опасным для компонентов окружающей среды.
Показано, что соотношение основных рудных элементов (Pb/Zn) может служить критерием для выделения аэротехногенной составляющей воздействия хвостохранилища при разделении источников загрязнения.
Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты, наряду с другими исследованиями и публикациями в этой области, привлекли внимание общественности и руководства Садонского свинцово-цинкового комбината (СЦК) к ухудшению экологического состояния природных сред в районе Унальского хвостохранилища, отчетливо проявившемуся на рубеже 90-х годов.
Результаты работы партии кафедры геохимии, переданные руководству Садонского СЦК, послужили в 1989 г, причиной начала водного орошения сухой части хвостохранилища, организованного технологической службой комбината, что существенно уменьшило ветровую эрозию.
В результате литохимического опробования почв и донных отложений района по суммарному геохимическому показателю выявлены территории опасного и высоко опасного уровня загрязнения.
По данным гидрохимического опробования р. Уналдон выявлены высокие концентрации Zn и Cd на всем течении реки, по кадмию превышающие ПДК для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.
Проведенные геохимические исследования позволяют рассматривать это хвостохранилище как эталонный объект при эколого-геохимических исследованиях в районах действующих и проектируемых горнорудных предприятий, расположенных в горных местностях.
Фактический материал. При выполнении работы автор использовал данные, полученные в результате полевых исследований, проведенных в 1989-2003 г.г. сотрудниками кафедры геохимии МГУ. В 1998 и 2003 г.г. автор принимал участие в полевых работах. Основным видом полевых работ являлось эколо-го-геохимическое картирование района Унальского хвостохранилища с опробованием почв, растительности, вод и донных отложений водотоков.
В основу диссертационной работы положены результаты анализов 528 почвенных проб, 126 почвенных вытяжек (на РЬ и Zn), 17 проб с сухой части хвостохранилища и 10 вытяжек, 319 проб растительности, 39 проб пыли и 30 вытяжек, 126 проб донных отложений, 113 проб поверхностных вод (в 100 из них определялись концентрации растворенных и взвешенных форм химических элементов).
Определения химического состава природных вод и содержаний в них микроэлементов в растворенной и взвешенной формах (с 1997 по 2003 г.г.), химических свойств почв и содержаний в них подвижных и других форм металлов (1997 - 1999 г.г.), определение валовых содержаний и подвижных форм металлов в смывах с листьев (1998 - 2000 г.г.), гранулометрический анализ донных отложений (2003 г.) и проб с сухой части хвостохранилища (2001 г.) и определе-
ниє в последних форм нахождения металлов проводились автором в лаборатории кафедры геохимии. Автором проведены компьютерная обработка данных и построение карт техногенных геохимических аномалий. Защищаемые положения:
1. В результате комплексного изучения компонентов окружающей среды в
районе деятельности Садонского СЦК выявлены природные и техногенные ано
малии в почвах, донных отложениях, водных системах и основных видах сель
скохозяйственных культур района, связанные с вторичными ореолами и потока
ми рассеяния Pb-Zn месторождений и рудопроявлений, отвалами и рудничными
водами месторождений Джими, Бозанг, Холст, системой арыков, ветровой эро
зией Унальского хвостохранилища.
-
Установлено, что основными источниками загрязнения водных систем района являются отвалы и рудничные воды разведочных штолен месторождений Джими, Бозанг и Холст. Основными загрязнителями донных отложений являются Zn>Pb>Ag>As>Cu>Sn>Bi. До 2001 г. высоко опасный уровень загрязнения (Zc>64) отмечался только в районе отвалов, после схода селевого потока в 2001 г. - на участке реки после впадения притоков до устья. Поверхностные воды в основном загрязнены Zn, Cd и Pb (Кс достигают 44, 95 и 17 соответственно).
-
Основными загрязнителями почв являются Zn>Pb>Ag>Cu>Cd>Bi>As. Количественная оценка техногенного загрязнения почв на глубину 0,2 м показала, что на террасах р. Ардон накоплено 150 т Zn, 32 т РЬ, 16 т Си и 0,07 т Ag. Аэротехногенное воздействие хвостохранилища - один из основных источников поступления металлов на нижние террасы р. Ардон. Для свинца оно играет решающую роль, составляя в среднем 460 г металла в сутки на км2. Доля подвижных форм РЬ за период 1989 - 1999 г.г. увеличилась с 13% до 41%, что в абсолютных цифрах сопоставимо с количеством металла, поступившего за этот период аэротехногенным путем.
-
Соотношение основных рудных элементов (Pb/Zn) может служить критерием для выделения аэротехногенного воздействия хвостохранилища при разделении источников загрязнения. В компонентах ПГС, непосредственно подвергающихся пылевому воздействию (листья, кожура яблок), оно приближается к 1, что соответствует их соотношению в хвостохранилище.
-
Природный почвенный фон района обусловливает повышенные (относительно ПДК) содержания ТМ в растениях, при этом аномальные концентрации металлов в сельскохозяйственных культурах обнаружены только в зернах кукурузы (Zn) и картофеле (Ag и РЬ на верхней аномалии). Из всех употребляемых в пищу сельскохозяйственных культур района только в картофеле с участка верхней почвенной аномалии за период с 1990 по 1997 г.г. отмечено увеличение концентраций РЬ и Zn.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 132 страницах машинописного текста, содержит 40 таблиц , 39 рисунков и список литературы из 69 наименований.
Полезные ископаемые
В Северной Осетии известны проявления более 45 видов полезных ископаемых. Их образование тесно связано с региональной зональностью области, причем отдельные геолого-тектонические зоны определяют металлогенический облик и размещение рудных и нерудных полезных ископаемых.
Зона Северного склона насыщена полиметаллическими месторождениями, образовавшимися в киммерийскую металлогеническую эпоху. Они приурочены к субширотному полиметаллическому поясу, в пределах которого оруденение контролируется региональными разломами общекавказского простирания, которые осложняют крылья Садоно-Унальской, Фиагдонской и др. антиклинальных складок. Проявления полиметаллической минерализации связаны с породами андезито-дацитовой и гранодиорит-порфировой формации [10, 26].
В геотектоническом отношении полиметаллический пояс расположен в устойчивом блоке с фундаментом, сложенным в основном гранитоидами с проявлением жильной фации вулканизма среднего и кислого состава.
В полиметаллическом поясе известны Садоно-Згидское, Архоно-Холстинское, Фиагдонское, Буронское, Даргавс-Санибанское, Тоторс-Каридонское и Казатхох-Фаснальское рудные поля [10, 48]. Изучаемый район расположен в пределах центральной части Садонского рудного района.
Садоно-Унальское рудное поле представлено месторождениями Фаснал, Згид, Садон, Архон, Холст, Октябрьское и др. Особняком стоит Левобережное месторождение, относящееся к Фиагдонскому рудному полю.
Садонский рудный район характеризуется сложной блоково-глыбовой структурой и двухэтажным строением. Нижний этаж - фундамент альпийской складчатости, сложенный гранитами среднего палеозоя и кристаллическими сланцами и амфиболитами нижнего палеозоя, верхний - сложный комплекс терригенных и вулканогенных пород юры. Месторождения локализуются как в нижнем (Садон, Згид, Холст, Архон, Октябрьское, Буронское), так и в верхнем (Левобережное, Какадур-Ханикомское) структурных этажах. Преобладающей формой рудных тел являются массивные плитообраз-ные, реже ветвящиеся субвертикальные жилы, приуроченные к мощным зонам дробления и разломов. Размеры жил самые различные - протяженность 10п-100п м, мощность от 0,1 м до п м. Главными минералами руд являются сфалерит, галенит, пирит, пирротин, халькопирит; второстепенными - арсенопирит, марказит, магнетит; жильными -кварц, кальцит. Околорудные изменения включают серитизацию, окварцевание, хлори тизацию, карбонатизацию, сульфидизацию. Помимо основных полезных компонентов -РЬ и Zn - промышленное значение в комплексе имеют Ag, Cd, In, Си.
Месторождения различаются по количественным соотношениям рудных минералов. От верхнего структурного этажа (Левобережное) к нижнему (Холст, Архон, Октябрьское) уменьшается количество гематита, магнетита, пирита, клейофана, карбонатов и барита и возрастает количество пирротина. Уменьшение содержания пирита и увеличение содержания пирротина также наблюдается от Холстинского месторождения к Архонскому и Октябрьскому. В этом же направлении отмечается и уменьшение отношения свинца к цинку.
Распределение полезных компонентов в руде неоднородно: среднее содержание РЬ колеблется от 0,42 до 12,8% , Zn - от 1,87 до 26,2% . В отдельных обогащенных местах содержание этих элементов достигает 50% [14, 44, 45].
Первые сведения о рудах из Северной Осетии датируются 1766 г. Фактическая разведка полиметаллических месторождений началась в 1847 г., а строительство плавильного завода в г. Алагир - в 1851 г. В 1898 г. начались работы по строительству металлургического завода в г. Владикавказе, который в 1902 г. дал первую плавку. В 1905 г. на заводе был получен первый в России цинк (до этого времени цинк из полиметаллических руд не добывался). Обогатительная фабрика в г. Мизуре (МГОФ) строилась одновременно со строительством завода во Владикавказе. С момента ввода в эксплуатацию и до 1991 г на ней было переработано свыше 17 млн. т. руды [65]. В районе действовали и продолжают действовать большое количество рудников Садонского свинцово-цинкового комбината, краткая характеристика которых приводится ниже.
Садонский рудник работает с 1853 года по настоящее время. Садонское месторождение представляет собой сложную жилу, выполняющую крупный разлом, который пересекает палеозойские граниты, перекрывающие их юрские эффузивы и затухает в осадочной толще юры на крыльях Садоно-Згидской антиклинали. Большую часть площади месторождения слагают биотитовые микроклин-плагиоклазовые граниты палеозойского возраста. Вертикальный разлом, вдоль которого следует жила, вытянут по азимуту СВ 30-50. Рудоносный разлом прослежен по простиранию на 4 км, по падению горными выработками до 1,5 км и еще ниже на 300 м буровыми скважинами. В тектоническом отношении он представляет собой сбросо-сдвиг с опущенным и перемещенным на юго-запад северо-западным крылом [48]. Содержание сульфидов в жилах до 80%. Главные рудные минералы: сфалерит, галенит, пирит, халькопирит; жильные -кварц, кальцит. Суммарное содержание свинца и цинка в жилах колеблется от долей процента до 30% и более. На Садоне отмечается фациальная эндогенная зональность, вследствие которой галенит оказывается преобладающим на верхних горизонтах, а пирротин и сфалерит - на нижних. Этим обусловлено снижение содержания свинца сверху вниз, составляющее, по данным Э. Кобленца, 0,53% на 100 м углубки и более медленное снижение содержания цинка, достигающее 0,40% на то же интервал. Данное обстоятельство приводит к тому, что отношение свинца к цинку уменьшается от 0,54 на верхних горизонтах до 0,30 на нижних горизонтах месторождения [48]. За период с 1943-1997 гг. погашены запасы (добыча плюс потеря в недрах) 7827 тысяч тонн руды, в том числе 229 тысяч тонн свинца и 568 тысяч тонн цинка. О количестве породы, извлеченной на поверхность, говорит тот факт, что общая длина подземных выработок составляет несколько сот километров. Месторождение Садон является практически выработанным. На 01.01.1998 года оставшиеся запасы составляли 374 тысячи тонн руды со средними содержаниями свинца и цинка 1,52% и 5,29% соответственно, что определяет запасы свинца 5,7 тысяч тонн и цинка 19,8 тысяч тонн.
Згидский рудник также расположен в бассейне р. Ардон (-4 км к западу от Садо-на), по генезису и минералогическому составу месторождение аналогично Садону. Рудная жила Згида мощностью от 0,1 до 5 м локализована в гранитах и лишь отчасти проникает в слоистые породы юры. Она контролируется сбросо-сдвигом северовосточного простирания и крутого падения, меняющегося от северо-западного к юго-восточному. По простиранию она с перерывами прослежена на 3,5 км, а по падению на 1200 м. Горизонтальная амплитуда смещения вдоль рудоносного разлома оценивается в 100 м, а вертикальная - в 70 м. В плоскости рудной жилы Згида отмечается смена минерального и химического состава руд по простиранию и по падению. Область высоких концентраций свинца приурочена к центральной части верхних горизонтов месторождения. Богатые цинком руды распространены на периферии и на нижних горизонтах жилы. Кроме этой зональности, обусловленной разноориентированным приоткрывани-ем рудоносной полости на разных стадиях минералонакопления, на месторождении Згид отмечается фациальная зональность отложения рудообразующих минералов. В силу этой зональности отношение свинца к цинку, по данным С. Редькина, изменяется от 6 на верхних горизонтах до 0,5 на нижних горизонтах месторождения [48]. Руда из Згида по 12-ти километровому туннелю поступает в Садон, откуда перевозится на МГОФ. Добыча руды ведется с 1942 года по настоящее время. За этот период погашены запасы - 5703 тысячи тонн руды, в том числе 174 тысячи тонн свинца и 131 тысяча тонн цинка. На 01.01.1998 года невыработанные запасы составляли 602 тысячи тонн руды со средними содержаниями свинца и цинка 2,97% и 2,62% соответственно, что определяет запасы свинца 17,9 тысяч тонн и цинка 15,8 тысяч тонн. Архонский рудник расположен в 5-6 км вверх по течению от района исследований. Архон-Холстинское рудное поле является непосредственным продолжением Са-донского рудного поля и весьма сходно с ним по геологическому строению. Функционирует с 1953 года по настоящее время. Погашенные запасы полиметаллических руд составляют 3474 тысячи тонн, в том числе 44,5 тысячи тонн свинца и 86,9 тысяч тонн цинка. На 01.01.1998 года оставшиеся запасы составляли 824 тысячи тонн руды, в том числе 15,7 тысяч тонн свинца и 32,7 тысяч тонн цинка при средних содержаниях в рудах 1,9% и 3,97% соответственно.
Холстинский рудник расположен в 1-3 км вверх по течению р. Уналдон, многочисленные штольни и отвалы видны на всем протяжении реки вплоть до сел. В. Унал. Работал с 1953 по 1992 г.г. За это время погашенные запасы составили 1568 тысячи тонн руды, из них 34 тысячи тонн свинца и 44,6 тысяч тонн цинка. На момент закрытия рудника в недрах оставшиеся промышленные запасы по категориям С1+С2 составили 319 тысяч тонн руды, в том числе 7,3 тысячи тонн свинца (среднее содержание в рудах 2,35%) и 15,5 тысяч тонн цинка (4,86%).
Поверхностные воды
Река Уналдон (в верховьях которой находится рудник Холст и поисково разведочные штольни полиметаллических месторождений - Джими, Уарахком, Хоро новское, а также поля рассеяния сульфидов рудопроявлений Сухой Лог, Ахшартырах ское, Верхнеунальское и Крутое), собирающая стоки с отвалов Холстинского ущелья, содержит в аллювии и взвеси высокие концентрации ТМ. Поступление их через арычную сеть способствует формированию контрастных литохимических аномалий в почвах района Унальского хвостохранилища. Отвалы отработанной породы из штолен на склонах гор создают локальные ореолы ТМ в почвах, а при контакте с реками загряз ч няют водную среду.
Воды района - типичные горные реки с ледниковым питанием: маломинерализованные ( 200 мг/л), нейтральные (рН - 6,5 - 7,4), количество взвеси колеблется в пределах 10-80 мг/л; по преобладающим ионам имеют гидрокарбонатно-сульфатно-кальциевый состав. Характер вод меняется на сульфатный в пробах, отобранных в районах влияния отвалов, что является результатом окисления сульфидов, содержание которых увеличивается на этих участках. В этих же пробах отмечается увеличение общей минерализации в 2 раза относительно фона. В устье р. Уналдон, принимающей все стоки с отвалов и штолен, также увеличивается количество сульфат иона. По данным последних двух лет (2003 - 2004 г.г.) характер вод в устье сменился на сульфатный, что может быть связано с катастрофическим сходом селевого потока в 2001 г., в результате которого в р. Уналдон были смыты отвалы месторождения Холст.
Определение содержаний ТМ в водотоках проводилось с 1992 года практически каждый полевой сезон в июле-августе. Результаты опробования приведены в табл. 18.
Из таблицы видно, что содержания металлов варьируют в широких пределах из года в год. Это естественно, поскольку поверхностные воды - динамическая система, зависящая от многих факторов (количество осадков, средние температуры, количество переносимого взвешенного вещества, расход воды и др.). В засушливые годы, например, резко уменьшается поступление металлов в р. Уналдон со штольневыми водами, вплоть до полного пересыхания штольневых ручьев в отдельные года. Тем не менее, по имеющимся данным можно отметить некоторые закономерности.
По результатам анализа проб, представленных в таблице, можно заметить, что наибольшее загрязнение по реке Уналдон наблюдается в районе непосредственного влияния отвалов и штолен (р. Джимидон - отвалы штолен № 3, 45, руч. Верхнеуналь-ский - штольни № 8,47- месторождение Джими-Бозанг; р. Холстдон - отвалы штольни Нижняя, отвалы штольни № 43, штольни № 44 - месторождение Холст), а также после впадения всех притоков до устья. Содержания цинка в водах реки под отвалами Джими в 1994 г почти в 2 раза превышают ПДК для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования и почти достигают их в 1998 и 2003 г.г. (среднее превышение над фоном - 44 раза, максимальное - 95 раз). Содержания кадмия в районе отвалов в среднем превышают ПДК более чем в 2,5 раза (Кс - 95). Содержания свинца и меди в районе отвалов за весь период исследования не превышали ПДК. Тем не менее, максимальные концентрации меди отмечены именно в районе отвалов: достигают 60 фоновых значений, в среднем превышая фон в 33 раза. Максимальные концентрации свинца в районе отвалов достигали 10 фоновых значений, в среднем превышение над фоном составляет 6,5 раз.
В нижнем течении отмечается падение концентраций ТМ (Кс для цинка - 20, для кадмия - 52, для меди - 5), за исключение свинца. Максимальные концентрации свинца отмечены в 1994 году в устье р. Уналдон, и в целом в устье содержания свинца всегда выше, чем в районе отвалов (Кс - 17, максимальный Кс - 31). Несомненно, сказывается влияние кислых рудничных вод с высокими содержаниями ТМ, попадающих в р. Уналдон. Данные анализа рудничного ручья штольни 43 (месторождение Холст), выход которой находится на левом склоне р. Уналдон примерно 0,5 км выше селения Нижний Унал, показывают превышение ПДК по свинцу в среднем в 15 раз, по цинку в среднем в 120 раз, по кадмию - более чем в 160 раз (Кс для цинка, кадмия и свинца - п-1000, для меди — 45). Тем не менее, пробы, отобранные из р. Уналдон ниже впадения ручья штольни, свидетельствуют о том, что он, хотя и вносит свой вклад в загрязнение реки, однако, вследствие большой разницы расходов и быстрого течения р. Уналдон, - не такой большой, как можно было бы ожидать. Превышение предельно допустимых концентраций в устье р. Уналдон отмечается только для кадмия. Он тесно связан с цинком (этот факт подтверждается их очень тесной корреляционной связью (0,989, г = 0,708, п = 12)) что, несомненно, является следствием его изоморфизма цинку.
В 1993-1994 годах в водных пробах был проведен анализ на содержание Hg. В целом, концентрация растворенной Hg в воде р. Уналдон находится в пределах вариаций геохимического фона (Сф - 0,05 мкг/л). Содержания, превышающие ПДКн5 (0,5 мкг/л), отмечены лишь для пробы из рудничных вод холстинской штольни № 43 (4,8 мкг/л).
Одна из главных особенностей воздействия ГОКов на характер миграции элементов - резкое увеличение доли их взвешенных форм. Высокие содержания и огромные массы взвешенных форм химических элементов приводят к формированию очень контрастных и протяженньк аномалий в донных отложениях водотоков, которые могут определять качество воды. В механизме формирования техногенных потоков рассеяния в донных отложениях четко прослеживается сезонность. Степень накопления многих элементов в донных отложениях возрастает в зимнюю межень и снижается в период половодья (весна-лето) [50].
Река Уналдон, собирающая стоки с отвалов месторождений Холст и Джими-Бозанг, содержит в аллювии и взвеси высокие концентрации ТМ (в основном РЬ и Zn, в меньшей степени Си и Cd). Воды естественного стока с породных и рудных отвалов являются существенным источником загрязнения. Подобные воды обогащены взвешенным твердым веществом - в среднем в 5-10 раз выше относительно фона. Оценка миграции ТМ со взвешенным веществом оценивалась по двум показателям: 1-й (мкг/л) использовался для выяснения преимущественного переноса (растворенная - взвешенная форма), 2-й (мкг/г) - характеризует обогащение взвеси тяжелыми металлами. В реках района отмечаются широкие вариации различных форм переноса ТМ, что обусловливается различным количеством переносимой взвеси на разных участках (табл. 19). В среднем по р. Уналдон свинец больше переносится во взвешенной форме ( 50% после впадения основных притоков), чем цинк ( 25%). Не смотря на широкие вариации содержаний металлов во взвешенной форме в объеме воды, концентрации ТМ в самих взвесях достаточно стабильны и в среднем достигают: 4100 мг/кг Zn, 400 мг/кг РЬ, 300 мг/кг Си.
Воды реки Уналдон с повышенными содержаниями ТМ являются дополнительным источником загрязнения р. Ардон. Концентрации свинца в р. Ардон ниже хвостохранилища в среднем в 2 раза выше, чем до хвостохранилища и впадения р. Уналдон. Это может объясняться как влиянием вод р. Уналдон, так и влиянием хвостохранилища. Содержание свинца в сливе хвостохранилища только в 1994 году ниже, чем в устье р. Уналдон, - как правило, оно выше в несколько раз. Содержания Zn, Cd и Си на этом участке р. Ардон увеличиваются незначительно (в мкг/л, Zn: 116 - 136, Cd: 0,48 - 0,64, Си: 2,5 - 2,8). И поступление Zn и Cd в р. Ардон с водой р. Уналдон выше, чем со сливом хвостохранилища. В воде р. Ардон отмечено повышенное содержание растворенных форм ртути. Полученные данные свидетельствуют о непричастности хвостохранилища к загрязнению реки. Содержание ртути в воде р. Ардон выше хвостохранилища -9,9 мкг/л, а в 200 м ниже - 5,1 мкг/л. Содержания ртути в отстойнике хвостохранилища не обнаружено, а в сливе составили 1,1 мкг/л в 1993 году и 3,3 мкг/л в 1994 году. Данные более ранних исследований [62] приведены в таблице 20.
Аномально высокие концентрации ТМ в 1989 - 90 г.г. возможно связаны с единичными сбросами отходов, поскольку в последующие годы загрязнения такого уровня не наблюдалось, что еще раз говорит о динамичности этой системы.
Таким образом, влияние вод р. Уналдон с высокими концентрациями Zn и Cd на загрязнение р. Ардон вследствие большой разницы расходов и высокой степени загряз ненности самой р. Ардон не значительно. Дополнительную роль на этом участке течения р. Ардон играет хвостохранилище, слив которого с высокими концентрациями РЬ непосредственно попадает в р. Ардон. Тем не менее, по данным Дегтярева А.П. и Ермакова В.В. [18] через п-100 м ниже хвостохранилища концентрации металлов снижаются до значений, отмеченных до хвостохранилища.
Абсолютные цифры выноса тяжелых металлов с водами р. Уналдон при расходе воды 0,95 м3/сек (сентябрь 2004 г.) составили: свинец - 0,37 кг/сут., цинк - 32 кг/сут., кадмий - 0,136 кг/сут. Вынос ТМ со сливом хвостохранилища в осенний период (2004 г.) составил: РЬ - 0,187 кг/сут., Cd - 0,008 кг/сут., Zn - 0,27 кг/сут. Таким образом, со сливом хвостохранилища в р. Ардон поступают сопоставимые с выносом р. Уналдон количества свинца. Только вынос цинка рекой существенно преобладает над поступлением со сливом с хвостохранилища. По данным Дегтярева А.П. и Ермакова В.В. [18] масштабы выноса металлов из хвостохранилища с жидкой фазой в весенне-летне-осенний период следующие: свинец - 3,5 кг/сут., цинк - 4,9 кг/сут., кадмий - 0,2 кг/сут. С учетом этих цифр р. Уналдон выносит в р. Ардон в 9,5 раз меньше свинца и в 1,5 раза меньше кадмия, чем хвостохранилище.
Формы нахождения ТМ в пыли и сухой части хвостохранилища
В атмосферных осадках преобладают водорастворимые формы металлов. Анализ воды, в которой производился смыв с листьев (1998 - 2000 г.г.) показал, что доля водорастворимых форм от валового содержания в пыли составляет от 2 до 12% РЬ, и от 7,5 - 28% Zn; анализ фильтратов из емкостей для сбора пыли (2004 г.) дал цифры - 90%.
При исследовании форм нахождения РЬ и Zn в твердой фазе пыли методом последовательных вытяжек было выявлено, что на нижних террасах р. Ардон -60% РЬ находится в форме, извлекаемой ацетатно-аммонийным буфером, в то время как на верхних террасах и в районе Луарского оползня доля этих форм свинца составляет -40% (рис. 12). Рентгенофазовый и минералогический анализы подтвердили наличие в пробах гид-роцеруссита. На нижних террасах доля извлекаемых ААБ форм свинца варьирует от 45 до 70 % с максимумом в южной части, совпадающим с максимумом валового содержания (в почвах на этом участке подвижные формы свинца также увеличиваются от устья р. Майрамдон к устью р. Уналдон от 30 до 46%).
Нерастворимый остаток на всех участках составил 7-11 %, доля сульфидных и связанных с окислами и гидроокислами железа форм также различается мало: 19% на нижних террасах, 16 и 13% на верхних и в районе с. Луар (РФА подтвердил наличие
Микрозондовый анализ показал наличие в пыли железистых слюд с примесями РЬ и Zn (0,55 и 0,62 %), и сульфида железа с примесями цинка (1,2%) и меди (0,6%) и собственный минерал свинца, возможно смешанный церуссит (содержания РЬ 30%). Содержание форм, связанных с органическим веществом, на нижних террасах в 3 раза ниже, чем на других участках (-10%), что с учетом существенного вклада хвостохранилища в поступление пыли на этот участок вполне объяснимо.
В целом для нижних террас р. Ардон распределение свинца по вытяжкам представлено следующим рядом: подвижные формы сульфиды и формы, связанные с окислами и гидроокислами железа и марганца формы, связанные с органическим веществом прочно связанный в нерастворимых силикатах свинец. На двух остальных участках с органическим веществом связано больше свинца, чем с сульфидами и окислами и гидроокислами железа и марганца. Распределение свинца по формам в шламе хвостохранилища описывается следующим рядом: прочно связанный в нерастворимых силикатах сульфиды сульфаты и карбонаты арсенаты окиси формы, связанные с окислами и гидроокислами железа и марганца (рис. 13). Данными рентгенофазо-вого анализа было подтверждено наличие карбонатов и сульфидов свинца (церуссита и галенита). Присутствие большого количества сульфидов - явление достаточно аномальное для зоны гипергенеза, поскольку сульфидные минералы неустойчивы в условиях окислительной ландшафтно-геохимической обстановки. Значительное участие сульфидов в балансе металлов связано с их постоянным поступлением в составе пульпы с пустой породой, поступающей в хвостохранилища хвостохранилище с обогатительной фабрики. В свою очередь аэротехногенное воздействие хвостохранилища обусловливает значительное участие сульфидов в балансе металлов верхней части почвенного профиля за счет их постоянного поступления в составе аэрального потока вещества.
Цинк, в отличие от свинца, меньше извлекается на нижних террасах р. Ардон (рис. 12). Здесь доля форм, извлекаемых ААБ, составляет 40%, в то время как на двух остальных - 64 и 67% (в почвах в среднем извлекается -50% ПФ цинка). Микрозондовый анализ показал наличие в пыли формирований с содержаниями Zn -7% (при отсутствии S, Al, Fe), возможно являющихся оксидом цинка, сорбированном на кальците. В неизвлекаемом остатке остается почти 47% цинка (на верхнем иве. Луар - 24 и 26%). Таким образом, на долю сульфидных и связанных с окислами и гидроокислами железа форм, а также форм, связанных с органическим веществом, на всех участках приходится меньше 13%, но аналогично свинцу, доля металла, связанного с органическим веществом, наименьшая на нижних террасах. В зоне гипергенеза свинцово-цинковых месторождений распространена серия глинистых цинкосодержащих образований, называемых мореснети-том или цинковыми глинками. Глинки содержат переменное, но иногда очень высокое (ZnO 30-40%) количество цинка [59]. Вероятно, образование подобных минералов обусловливает пониженные концентрации цинка в подвижной форме.
В целом для участка нижней аномалии распределение цинка по вытяжкам представлено следующим рядом: прочно связанный в нерастворимых силикатах подвижные формы сульфиды и формы, связанные с окислами и гидроокислами железа и марганца формы, связанные с органическим веществом. На двух остальных участках доля ПФ в среднем в 1,5 раза превышает неизвлекаемую часть, и аналогично свинцу, с органическим веществом связано больше цинка, чем с сульфидами и окислами и гидроокислами железа и марганца.
При исследовании форм нахождения Zn в шламе хвостохранилища методом последовательных вытяжек было выявлено следующее распределение: формы, связанные с окислами и гидроокислами железа и марганца прочно связанный в нерастворимых силикатах сульфиды подвижные формы (рис. 14).
Растения загрязняются с поверхности в результате оседания из воздуха на листья, стебли и плоды металлсодержащих частиц, и поверхностное загрязнение может быть значительным [6, 22, 24, 51].
Изучение форм нахождения тяжелых металлов
Одним из важнейших показателей природных процессов наряду с характеристикой комплекса элементов и их количественных соотношений является состояние или форма нахождения этих элементов. Знание форм нахождения рудных элементов позволяет более определенно судить о природе и месте концентрации рудного материала, что успешно используется в поисковой геохимии. С другой стороны высокие концентрации этих элементов могут представлять экологическую опасность, являясь источниками загрязнения почв, природных вод, растительности и в конечном итоге человека. Формы нахождения химических элементов значительно глубже отражают сущность геохимических явлений, чем валовое содержание. Известно, что геохимическую обстановку в почвах в значительной степени формирует подвижная, то есть способная к миграции часть валового содержания микроэлементов.
Почвенные аномалии ПФ ТМ в районе Унальского хвостохранилища существенно более контрастны. Кроме того, в отличие от валовых содержаний, с 1989 по 1999 г.г. их площадь увеличились, и они стали более контрастны (табл. 38): по данным 1993 года были выделены аномальные участки с 20-тикратным превышением ПДКп.ф [39], как для цинка, так и для свинца. Сравнение этих данных с данными предыдущих лет (табл. 38, рис. 31, 32) позволяет говорить о тенденции увеличения доли ПФ Zn и РЬ в обеих аномалиях.
Как видно из таблицы, в 1989, 1994 годах подвижные формы составляли: 6 - 20 % для свинца, 10-34 % для цинка. В 1997, 1999 г.г. процент извлечения подвижных форм увеличился и составил для свинца 24 - 51 %, для цинка 25 - 67 %. Рассчитанные коэффициенты концентрации по ПФ металлов увеличиваются за исследуемый период: 5,8 -8,3 - 10 - 14,3 для свинца, 8,3-21-41-51 для цинка. Наибольшая концентрация подвижных форм ТМ выявлена в зоне загрязнения на нижних террасах р. Ардон (фруктовые сады) и около моста через р. Ардон (рис. 31, 32).
Таким образом, за период 1989 - 1999 г.г. в почвах нижних террас установлено увеличение подвижных форм РЬ в 2,5 раза. В абсолютных цифрах это составляет п г подвижных форм свинца на квадратный метр в поверхностном слое (глубиной 10 см) В твердой фазе пыли на этом участке (1999 г.) подвижные формы свинца составляют -60%, и с учетом жидкой фазы, общее аэротехногенное поступление свинца за 10-тилетний период сопоставимо с приростом ПФ этого металла в почвах. Доля ПФ Zn в почвах за этот период увеличилась в 3,6 раза (в абсолютных цифрах - п 10 г ПФ цинка на м2), при этом общее поступление цинка аэротехногенным путем на порядок ниже -вероятно более существенную роль в загрязнении подвижным цинком нижних террас р. Ардон играют поверхностные воды и арыки.
Полученные данные по формам нахождения металлов отражают отличия в поведении цинка и свинца [13, 19, 23, 25, 38, 51], что выражается большей степенью извлечения цинка. На рис. 33 - 34 приведены диаграммы распределения свинца и цинка по формам нахождения в почвах в 1999 г. Как видно из рисунков с нерастворимыми силикатами или труднорастворимыми первичными минералами связано 3,9 % цинка и 13,2 % свинца. В основном цинк и свинец связаны с окисленными формами: окиси, гидроокиси, сульфаты, карбонаты (условно объединенными на диаграмме, как карбонаты) -37,5% и 44,2%. Существенная доля цинка (-7,5%, для свинца - 0,6%), находится в сорбированной форме, что вероятно связано с одним из основных источников его поступления: с водой в виде растворенных форм. Значительно большая доля цинка (в отличие от свинца - 3,4) - 32,7% - связана с органическим веществом, оставшиеся 18,5% связаны с оксидами и гидроксидами железа и марганца и сульфидами. Доля свинца связанного с оксидами и гидроксидами железа и марганца и сульфидами составляет 39 %.
Сравнивая результаты фазового анализа с анализом подвижных форм необходимо указать, что основная доля подвижных форм свинца, извлекаемая буферной вытяжкой, представляет собой карбонаты, малоподвижные в геохимическом отношении. Данные рентгенофазового анализа подтвердили наличие в почвах собственной минералогической фазы свинца - гидроцеруссита.
Для анализа подвижной составляющей валового содержания Hg были отобраны геохимические пробы из песков хвос-тохранилища, из донных осадков оросительных каналов и литохи-мические пробы с участка нижних аномалий. Результаты анализа показали наибольшее количество подвижных форм Hg в донных отложениях арыков (31,4%) и резко меньше в песках хвостохранилища (3,6-5,5%) и почвах района (0,4-2,2%), что может объясняться преобладанием в почвах карбонатных соединений, образующих с Hg труднорастворимые соединения.
При изучении гумусового вещества почв наибольшее количество органических соединений Hg определено в донных отложениях арыков (44,8%) и почвах садов (11,1-21,5%), наименьшее количество - в песках хвостохранилища (3,3-5,6%). Известно, что соединения ртути могут образовывать с гумусовым веществом почвы прочные малоподвижные органические комплексы, т.е. иметь тенденцию к накоплению, что не может не вызвать тревоги по поводу экологической обстановки в районе.
