Содержание к диссертации
Стр.
Введение 4
Глава 1. Состояние проблемы 11
Глава 2. Методы исследования 20
2.1. Полевые работы 22
Отбор твердых проб из шурфов 22
Отбор водных проб 24
Отбор донного осадка 25
Отбор проб растительного материала 25
Отбор молочных продуктов 25
2.2. Лабораторные исследования 26
Двухступен чатое выщелачивание 26
Эксперимент с водными вытяжками 27
2.2.3. Серии экспериментов по исследованию способов снижения
техногенного влияния дренажных вод на окружающую среду 27
2.2.4. Полное разложение твердых проб для ААС 28
2.2.5. Лабораторный анализ проб на тяжелые металлы методом
атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС) 30
2.3. Метрологические характеристики 31
Точность методики 31
Ошибка воспроизводимости 32
Минералогические исследования 32
Физико-химическое моделирование 33
Используемые коэффициенты 34
Глава 3. Описание объекта 36
Глава 4. Закономерности перераспределения металлов в
складированных отходах Салаирского ГОКа 43
4.1. Распределение металлов и их подвижных форм в
твердом веществе 43
Гранулометрия и визуальное описание вещества 43
Минеральный состав Талмовских песков 46
Содержания элементов и их распределение по вертикали 54
Подвижные формы нахождения металлов 59
4.2. Поровые воды отходов 73
Основной ионный состав 1Ъ
Содержания тяжелых металлов 74
Формы нахождения металлов в растворе 75
Индексы насыщения 16
Коэффициенты подвижности металлов 77
Глава 5. Поведение элементов в гидроотвале Беловского ЦЗ 80
Дренажные потоки отвалов Беловского цинкового завода 80
Поверхностные воды отстойника 81
Химические формы элементов 83
Донный осадок отстойника 83
Особенности формирования испарительного барьера 84
Коэффициенты подвижности элементов 89
Глава 6. Гидрогеохимия поверхностных вод 91
6.1. Поверхностные воды 91
Основной ионный состав 91
Коэффициенты обогащения металлов 91
Подвижные формы нахождения элементов
в pp. М. Талмовая и Талмовая 96
Химические формы металлов в растворе 101
Индексы насыщения 108
Количественная оценка подвижности металлов 109
6.2. Донные осадки ПО
Коэффициенты обогащения металлов 110
Минеральный состав донных осадков 115
Вертикальное строение донных осадков р. М. Талмовая 115
Подвижные формы нахождения элементов в донных
осадках рек М. Талмовая и Талмовая 118
6.2.5. Коэффициенты подвижности элементов 122
7. Миграция элементов в трофических цепях 124
Токсическое действие элементов 124
Распределение по гидрогеохимическому пути 128
Коэффициенты загрязнения металлов в речных водах 128
Металлы в питьевых водах 130
7.3. Распределение металлов по биогеохимическому пути 131
Металлы в растениях 131
Относительная аккумуляция металлов в наземных растениях 136
Металлы в молочных продуктах 139
Онкологическая заболеваемость населения 139
Исследование способов снижения техногенного влияния отходов.. 141
Заключение 146
Список литературы
Введение к работе
«Мир больше не может развиваться стихийно, ибо пассивное следование такому стихийному развитию ведет просто-напросто к гибели».
Ю. Одум
Актуальность работы. Главная особенность современного этапа развития биосферы - постоянное возрастание роли антропогенного фактора в формировании миграционных потоков элементов. К сожалению, человек часто без должного внимания вмешивается в установившиеся взаимосвязи между природными явлениями и, нарушая их, приводит к непредсказуемым последствиям.
Принципиальное отличие человечества от животного мира заключается в создании им техносферы. Человечество, представляя ничтожную долю биомассы планеты, за счет своей технологической деятельности интенсивно меняет спектр элементов и их концентрацию в окружающей среде. Миграционные потоки ряда элементов, в частности Pb, Cd, Fe, Си, Zn, As, Hg и т.д., обусловленные деятельностью человека, уже сейчас значительно превосходят уровень рассеяния этих элементов, связанный с геологическими процессами. Мы все чаще сталкиваемся с тем феноменом, о котором говорил В. И. Вернадский (1980): человечество становится ведущей геологической силой, и его деятельность определяет формирование современной геологической обстановки в атмосфере, гидросфере и верхних зонах литосферы. Особенно это относится к горнодобывающей промышленности, в результате которой поверхность Земли в некоторых регионах изменяется до неузнаваемости и превращается в «лунные ландшафты».
Миграция тяжелых металлов в окружающей среде определяется нарастающей волной их поступления в различные природные компоненты вследствие хозяйственной деятельности человека. В 30-40-е годы горнодобывающая и перерабатывающая промышленность широко развивалась в стране. При этом до 1950 промышленные отходы и стоки бесконтрольно сбрасывались в водные системы
или поступали в почву. Считалось, что природа может эффективно бороться с опасными отходами с помощью процессов самоочищения, или вообще этому не придавалось значения.
В последние десятилетия проблема загрязнения природных систем токсичными компонентами техногенного происхождения приобретает все большую актуальность в силу нарастающего влияния источников тяжелых металлов на окружающую среду и, как следствие, - на трофические цепи и организм людей.
Традиционно при геоэкологических исследованиях анализируются общие содержания токсичных, элементов, но только миграционноспособные формы токсикантов могут быть опасными для экосистем, в то время как трудноподвижные формы малоопасны. Легкоподвижными и способными к миграции формами нахождения тяжелых металлов являются в первую очередь растворимые и обменные формы.
Основная цель работы заключается в построение экогеохимической модели миграции металлов (Zn, Cd, Pb, Си, Ва, Fe) в горнодобывающих регионах с прогнозной оценкой их распространения в поверхностные воды и организм человека через трофические цепи. Выполнение работы проводилось на примере речной сети: Малая Талмовая —» Талмовая — Малый Бачат — Бачат — Иня —> Обь, загрязненной потенциально токсичными компонентами вследствие деятельности горнообогатительной промышленности (хвостохранилища Салаирского горнообогатительного комбината (СГОКа), отвалы клинкеров и хвостохранилища Беловского цинкового завода (БЦЗ)). Выбор данного списка элементов обусловлен минеральным составом исследуемых отходов, в которых сульфидная составляющая представлена пиритом (FeS2), сфалеритом (ZnS), галенитом (PbS), халькопиритом (CuFeS2), а в качестве примеси присутствуют Cd и As.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Построение минералого-геохимической модели перераспределения элементов в хранилищах сульфидных отходов на основе определения подвижных форм нахождения тяжелых металлов на разных стадиях изменения вещества и в зависимости от морфологической структуры техногенного тела; количественное описание особенностей формирования геохимических барьеров.
Выявление аномалий потенциально токсичных компонентов (Zn, Cd, Pb, Си, Fe, Ва, As, SO42') в реках и водоемах бассейна рек Иня и Обь; определение физико-химических параметров растворов различного происхождения (рН, Eh, основной ионный состав), так как они создают условия изменения форм металлов.
Определение подвижных форм нахождения тяжелых металлов в поверхностных водах и донных осадках рек. Оценка миграционной способности элементов как внутри техногенных тел, так и в компонентах окружающей среды.
Сравнительная оценка двух путей попадания токсичных элементов в организм человека от складированных отходов, а именно: 1) поверхностные воды —> питьевые воды; 2) наземная и околоводная растительность -» крупный рогатый скот — молочные продукты.
Данная работа так же посвящена проблеме безопасного хранения отходов горнодобывающей промышленности. На основе изучения подвижности, форм нахождения тяжелых металлов, пространственного и временного перераспределения вещества в работе предлагаются рациональные пути утилизации отходов аналогичного состава.
Научная новизна.
Предложена генетическая модель развития техногенного тела с физико-химическим описанием принципиальных процессов, формирующих его структуру. Построена численная модель последовательности минералообразования на испарительном барьере, позволяющая постадийно оценить количество формирующихся фаз. Сделана количественная оценка доли подвижных форм нахождения (водорастворимых и обменных, которые являются наиболее опасными для растений, живых организмов и человека) в теле хвостохранилища и показаны закономерности их концентрирования по вертикали. Проведена сравнительная оценка мобильности элементов и построены ряды их подвижности в системах: «отходы - поровая вода», «отходы - поверхностная вода рек», «поверхностная вода - донный осадок». Проведена сравнительная оценка двух путей попадания токсичных элементов в организм человека от складированных отходов: гидрогеохимического (через питьевые воды) и биогеохимического (через молочные продукты).
Практическая значимость.
Построены карты аномалий распространения тяжелых металлов в поверхностных водах, донных осадках и наземной растительности части речной сети р. Иня и р. Обь. Сделана экогеохимическая оценка состояния территорий, испытывающих влияние хвостохранилищ Салаирского ГОКа и БЦЗ. Проведена количественная оценка миграционной способности элементов как внутри техногенных тел, так ив особенно значимых компонентах окружающей среды. Сделана сравнительная оценка двух путей попадания токсичных элементов в организм человека от складированных отходов с питьевыми водами и молочными продуктами. Эти результаты могут быть использованы при прогнозе развития экологической ситуации в районе и для разработки природоохранных мероприятий. В качестве реального результата автором работы сформулированы основные рекомендации по рациональному и достаточно дешевому способу уменьшения антропогенной нагрузки горно-обогатительной промышленности Кемеровской области на компоненты окружающей среды, а особенно на поверхностные воды, которые являются источником питьевой воды.
Защищаемые положения.
Хранение сульфидсодержащих отходов в русле реки Малая Талмовая за 70 лет привело к интенсивному преобразованию вещества, в результате чего 30-50% Zn, Cd и Си перешло в легкоподвижные формы. Экранирующая роль геохимических барьеров замедляет окисление сульфидов в 2-3 раза, что определяет снижение потока растворенных форм металлов в поверхностные и грунтовые воды
Техногенные воды являются высокоминерализованными сульфатными растворами. Основные химические формы нахождения металлов в поровых водах -это сульфатные комплексы и аква-ионы (Me(S04)2> Me(S04)22\ Ме2+), а в поверхностной воде реки большее значение приобретают карбонатные, гидрокарбонатные и гидроксидные комплексы металлов (МеСОз0, Ме(СОз)г2\ МеНСОз+, Ме(ОН)2, МеОН+). В отличие от поровых вод, из которых формируются сульфатные твердые фазы (англезит, ярозит, гипс, ангидрит), в поверхностных водах
могут образовываться карбонатные и гидроксидные соединения (смитсонит, отавит, кальцит, ферригидрит) оседающие в виде взвеси.
Аномалии металлов в донном осадке протягиваются на расстояние десятков километров от очага загрязнения с формированием наиболее контрастных ореолов РЬ, Ва и Си в нижнем течении. В результате вертикального структурирования в донных осадках образуются обогащенные металлами горизонты. На границе раздела вода-осадок металлы связываются в устойчивые соединения, но при подкислении среды могут выноситься и стать причиной вторичного загрязнения поверхностных вод.
Попадание токсичных элементов в организм человека от складированных отходов проходит по двум миграционным путям: 1) отходы -поровые воды - поверхностные воды - питьевые воды (гидрогеохимический); 2) отходы - (поровые воды, эоловый снос) - наземная и околоводная растительность -крупный рогатый скот - молочные продукты (биогеохимический). В гидрогеохимическом пути наиболее опасны для человека Ва, Zn, Cd, в биогеохимическом - Zn, Cd, РЬ. Инертный в отходах и поверхностных водах РЬ становится подвижным при попадании в биоту, и его опасность для животных и человека резко возрастает.
Фактический материал.
Основу работы составляет фактический материал, собранный и обработанный лично автором в сочетании с данными, предоставленными сотрудниками лаборатории геохимии техногенеза ИГ ОИГГМ СО РАН. Автором были собраны пробы поверхностных вод рек, взвеси, донных осадков, растительного материала, питьевых вод населенных пунктов, молочных продуктов (около 300 проб). При отборе проб осуществлялось их фильтрование, замер рН, Eh — параметров, консервация. Лично автором в лабораторных условиях проведено разложение всех отобранных проб твердого вещества, растительного материала и молочных продуктов (ок. 180 проб), а также проведено экспериментальное двухступенчатое выщелачивание (водная и слабокислая вытяжка) твердых проб отходов и донного осадка (70 проб). Автором совместно с Андросовой Натальей Валерьевной проделан анализ водных консервированных проб, поровых вод донных осадков, разложенных
проб твердого вещества на содержание элементов (Ва, Zn, Cd, Pb, Си, Fe, As) методом атомно-абсорбционной спектроскопии.
Структура и объем работы.
Работа состоит из Введения, 7 глав и Заключения. Диссертация изложена на 167 страницах, включает 49 таблиц и 43 иллюстраций. Список использованной литературы состоит из 101 наименования.
Апробация работы.
Представленная работа была выполнена в лаборатории геохимии техногенеза Института Геологии ОИГГМ СО РАН в соответствии с планами НИР ИГ СО РАН. Результаты работы докладывались на:
IV Международной экологической молодежной конференции «Экология России и сопредельных территорий», 29-30 октября 1999, Новосибирск, НГУ, Россия;
Международной Эколого-Биосферной Олимпиаде - 2000, май 2000, Новосибирск, Россия;
V Международной экологической молодежной конференции «Экология России и сопредельных территорий. Экологический катализ», 28-30 октября 2000, Новосибирск, НГУ, Россия;
VIII Всероссийской конференции «Экология и проблемы защиты окружающей среды», 24-28 апреля 2001, Красноярск, КГУ, Россия;
Международной научной молодежной конференции «Студент и научно-технический прогресс», май 2001, Новосибирск, НГУ, Россия;
VI Международной экологической молодежной конференции «Экология России и сопредельных территорий. Экологический катализ», 26-28 октября 2001, Новосибирск, НГУ, Россия;
III Межвузовской молодежной научной конференция «Школа экологической геологии и рационального недропользования», 24-30 мая 2002 г., Санкт-Петербург, СПбГУ, Россия;
I Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о земле, 4-6 декабря 2002 г., Новосибирск, ОИГГМ СО РАН, Россия;
13-ой встрече Ассоциации Европейских Геологических обществ «Геологические исследования и Европейская водная директива» (MAEGS - 13), 10-13 сентября 2003 г., Ганновер, Геоцентр, Германия;
IV Всероссийской конференции «Экогеология - 2003», 7-11 октября 2003 г., Санкт-Петербург, СПбГУ, Россия.
Работа проводилась при поддержке РФФИ: проект № 03-05-64529, руководитель - А.А. Богуш, проект № 01-05-65294, руководитель - СБ. Бортникова.
Благодарности.
Выражаю благодарность научному руководителю д.г.-м.н. СБ. Бортниковой за поддержку и помощь в выполнении исследований. Большую помощь, содействие и непосредственное руководство при осуществлении лабораторных анализов оказывала Н.В. Андросова. Выражаю большую благодарность за многочисленные консультации к.г.-м.н. О. Л. Гаськовой, к.г.-м.н. Н.В. Максимовой, к.х.н. Б. С. Смолякову, к.г.-м.н. Е.В. Лазаревой, Л.П. Мазеиной, к.г.-м.н. Н.В. Сиденко. Ценные замечания и рекомендации были высказаны академиком В.В. Ревердатто, д.г.-м.н. Ю.Г. Щербаковым, д.г.-м.н. Г.Н. Аношиным, д.г.-м.н. А.С Лапуховым, д.г.-м.н. А.Б. Птицыным, к.г.-м.н. В.Д. Страховенко, которым автор выражает искреннюю благодарность. Серьезную поддержку в проведении полевых исследований оказали Е.П. Бессонова, Д.Ю. Бессонов. Автор благодарит Ю.П. Колмогорова, Л. В. Мирошниченко, С. В. Летова за выполнение химико-аналитических и минералогических исследований. Руководство и штатные геологи Салаирского ГОКа оказывали всестороннюю поддержку в проведении полевых исследований и сборе архивного материала. Работа проводилась при финансовой поддержке РФФИ: проекты №№ 03-05-64529, 01-05-65294.
