Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы изучения микроэле ментного состава дисперсных грунтов 10
Глава 2. Методика изучения содержаний, распределения и взаимосвязей микроэлементов в дисперсных грунтах . 26
2.1. Аналитические методы 26
2.2. Стандартный статистический анализ 32
2.3. Программа «Кластер-анализ» 33
Глава 3. Микроэлементы в лёссовых и глинистых грунтах (инженерно-геологические разрезы) 35
3.1. Разрезы «Маршал» 36
3.2. Разрезы «Студгородок» 50
3.3. Разрез «Солнечный» 58
3.4. Разрезы «Могойтуй» 69
3.5. Разрез «Саянск» 78
3.6. Разрезы «Биробиджан» 84
Глава 4. Микроэлементы в дисперсных грунтах различных геолого-генетических комплексов 95
4.1. Ключевые участки в Тункинской впадине (лёссовые, глинистые, песчаные грунты, погребённые почвы) 95
4.2. Ключевые участки в Баргузинской впадине (песчаные грунты) 108
Глава 5. Инженерно-геологические и геоэкологические аспекты изучения микроэлементного состава дисперсных грунтов 118
5.1. Корреляционно-генетическая роль микроэлементов в дисперсных грунтах при их инженерно-геологической оценке 118
5.2. Токсичные элементы в дисперсных грунтах и почвах . 121
5.3. Биогеохимический потенциал дисперсных грунтов 130
Заключение 139
Литература 143
- Современное состояние проблемы изучения микроэле ментного состава дисперсных грунтов
- Стандартный статистический анализ
- Ключевые участки в Баргузинской впадине (песчаные грунты)
- Токсичные элементы в дисперсных грунтах и почвах
Введение к работе
Работа посвящена изучению распределения микроэлементов в дисперсных грунтах ключевых участков юга Восточной Сибири в рамках задач, связанных с инженерно-геологическими и геоэкологическими аспектами.
Актуальность работы. На современном этапе развития грунтоведения инженерно-геологическая оценка грунтов рассматривается как анализ открытой природно-техногеннои системы, основными структурными элементами которой являются информационные блоки о составе, микроструктуре, состоянии и различных свойствах. Микроэлементный состав грунтов при их инженерно-геологической оценке практически не изучается, несмотря на то, что эта информация является очень важной наряду с данными по гранулометрии, минералогии и содержанию породообразующих оксидов и относится к разряду корреляционно-генетических критериев грунтовых толщ. Кроме того, микроэлементы играют роль диагностического фактора, определяющего степень техногенного воздействия на исследуемые дисперсные грунты, что является необходимым условием при проведении геоэкологических исследований на урбанизированных территориях.
Объектами исследований являются лёссовые и глинистые грунты опорных инженерно-геологических разрезов мощностью 15-20 м: «Маршал» (скв. 1416а, 250а, 1437, 260, г. Иркутск); «Студгородок» (скв. 1362, 1363, 1364, г. Иркутск); «Солнечный» (скв. 273, г. Иркутск); «Саянск» (скв. 579), а также образцы почв г. Братска. Кроме того, изучены грунты территории перспективной застройки пос. Могойтуй (Забайкалье), образцы которых были отобраны из 8 скважин глубиной до 10 м и естественных обнажений. Для сравнения исследованы разрезы из района г. Биробиджан
(скв. 998, 999, 1000, 1001, 1002 глубиной до 12 м), вскрывающие тиксотропные глины.
На ключевых участках в Тункинской и Баргузинской впадинах объектами исследования явились лёссовые, глинистые и песчаные отложения различных геолого-генетических комплексов, а также разновозрастные погребённые почвы. Образцы были отобраны из естественных обнажений в интервале глубин от 0,5 до 4,0 м.
Целью диссертационной работы является изучение микроэлементного состава природных дисперсных грунтов ключевых участков юга Восточной Сибири и использование полученных данных при их инженерно-геологической оценке и решении некоторых геоэкологических вопросов.
Задачи исследований: 1.) определить содержания микроэлементов в дисперсных грунтах ключевых участков методом рентгеноспектрального флуоресцентного анализа (РФА); 2.) изучить характер распределения микроэлементов в инженерно-геологических разрезах лёссовых и глинистых грунтов; 3.) проанализировать полученные по инженерно-геологическим разрезам данные с помощью программ «Стандартная статистика» и «Кластер-анализ», использовать эту информацию для характеристики концентраций различных микроэлементов, оценки их взаимосвязей, а также для выделения геолого-генетических комплексов грунтов; 4.) установить микроэлементный состав лёссовых и глинистых грунтов различных геолого-генетических комплексов и связанных с ними разновозрастных погребённых почв, рассматривая эти данные в качестве генетического критерия (на примере ключевых участков в Тункинской впадине); 5.) изучить содержание микроэлементов в песчаных грунтах, представленных связными (облессованными) разновидностями (на примере ключевых участков в Баргузинской впадине); 6.) определить роль микроэлементного состава природных дисперсных грунтов при их инженерно-геологическом
(корреляционно-генетические построения) и геоэкологическом (оценка концентрации токсичных элементов и биогеохимического потенциала) изучении.
Исходные материалы и личный вклад автора.
Фактологическую базу диссертационной работы составляют материалы, полученные в результате аналитических исследований микроэлементного состава и содержаний части породообразующих оксидов в образцах дисперсных грунтов, их анализ с помощью различных компьютерных программ, опубликованные литературные данные, связанные с темой диссертации. Использованы материалы комплексных исследований, проведённых в грунтоведческой группе Аналитического центра ИЗК СО РАН, данные отчёта Центра геолого-экологических исследований (ЦГЭИ) Иркутского государственного технического университета, составленного А.В. Самусенко в 2001 г., а также коллекции образцов дисперсных грунтов Т.Г. Рященко (ИЗК СО РАН), И.И. Крапивиной (Братский государственный университет), Н.И. Беляниной (Тихоокеанский институт географии ДВО РАН, Владивосток), В.И. Коломийца (Институт геологии СО РАН, Улан-Удэ).
В процессе научной работы автор выполнил следующий комплекс исследований, направленный на решение поставленных задач: 1.) количественный рентгеноспектральный флуоресцентный анализ 296 образцов дисперсных грунтов (6512 элемент/определения) и 20 образцов их глинистых (< 0,001 мм) фракций (360 элемент/определения); 2.) проведена статистическая обработка полученных аналитических данных: установлены средние значения концентраций микроэлементов и пределы их изменения, по величине коэффициента вариации выделены группы компонентов, имеющих различный тренд (степень изменчивости) при их распределении в вертикальном разрезе толщи и в зависимости от генетической принадлежности грунтов; 3.) построены графики зависимости концентраций
микроэлементов от глубины отбора образцов (инженерно-геологические разрезы) и содержаний оксидов железа и кальция, диаграммы распределения микроэлементов в дисперсных грунтах различных геолого-генетических комплексов; 4.) построены дендрограммы R- и Q- типа, где выявлены корреляционные связи между микроэлементами, а также произведено группирование образцов грунта; 5.) проведён сравнительный анализ по концентрациям токсичных элементов в почвах г. Братска и грунтовых толщах урбанизированных территорий (Иркутск, Саянск), выявлен уровень биогеохимического потенциала лёссовых, глинистых и песчаных грунтов.
Методы исследований.
При выполнении диссертационной работы использованы методики количественного рентгеноспектрального флуоресцентного анализа, разработанные А.Г. Ревенко с сотрудниками рентгеновской группы Аналитического центра ИЗК СО РАН.
Применение программ «Стандартная статистика» и «Кластер-анализ» позволило определить особенности распределения микроэлементов в дисперсных грунтах, выявить корреляционные связи между определёнными химическими элементами, произвести классификации образцов различного генезиса с учетом их микроэлементных составов.
Одним из методических приёмов явился сравнительный анализ микроэлементного состава исследованных образцов дисперсных грунтов (в том числе почв) с опубликованными материалами по другим регионам (Приморье, Центральное Черноземье).
Научная новизна выполненной работы заключается в следующем: 1.) впервые с помощью современного метода - количественного рентгеноспектрального флуоресцентного анализа получены данные о содержании и распределении 18 микроэлементов в лёссовых и глинистых толщах инженерно-геологических разрезов, расположенных на
урбанизированных территориях (Иркутск, Саянск) и незастроенных участках (Могойтуй, Биробиджан); установлено влияние гранулометрического, минерального и химического (содержание оксидов железа и кальция) состава грунтов на концентрации микроэлементов; 2.) на основе статистической обработки аналитических данных, анализа изменчивости концентраций элементов в вертикальных разрезах грунтовых толщ и применения программы «Кластер-анализ» установлены закономерности распределения микроэлементов и проведена количественная оценка их взаимосвязей; 3.) изучено содержание микроэлементов в лёссовых (с разновозрастными горизонтами погребённых почв) и глинистых грунтах различных геолого-генетических комплексов, распространённых в пределах Тункинской впадины (ключевые участки), и выявлена роль различных микроэлементов в качестве их стратиграфо-генетического критерия; 4.) впервые установлен микроэлементный состав особой разновидности песчаных отложений — связных (облессованных) песков, распространённых в пределах Баргузинской впадины; 5.) определена роль микроэлементного состава дисперсных грунтов при их инженерно-геологической оценке, приведена характеристика концентрации токсичных элементов и биогеохимического потенциала этих грунтов.
Защищаемые положения.
1. Микроэлементный состав дисперсных грунтов рассматривается как один
из корреляционно-генетических критериев их инженерно-геологической
оценки, о чём свидетельствуют установленные закономерности
изменчивости концентраций микроэлементов и их взаимосвязей для каждого
геолого-генетического комплекса отложений исследуемых опорных разрезов.
2. Содержания микроэлементов в лёссовых, глинистых и песчаных грунтах
с горизонтами погребённых почв играет роль стратиграфо-генетического
критерия, что установлено при изучении различных по возрасту и генезису
отложений, распространённых в пределах Тункинской и Баргузинской
впадин; особенно чёткие критерии имеют разновозрастные погребённые почвы, а также связные (облессованные) пески.
3. При инженерно-геологических и геоэкологических исследованиях микроэлементный состав природных дисперсных грунтов исполняет роль генетических корреляторов и отражает, с одной стороны, степень их токсичности (загрязнения), с другой — величину биогеохимического потенциала грунтов.
Практическое значение работы. Полученные в результате исследований материалы свидетельствуют о возможности использования микроэлементного состава дисперсных грунтов в качестве критериев их инженерно-геологической оценки. Кроме того, с точки зрения геоэкологических аспектов проблемы выявлено состояние дисперсных грунтов урбанизированных территорий и участков за их пределами в отношении концентраций токсичных и полезных элементов. Так установлен положительный биогеохимический потенциал лессовых и глинистых грунтов, а также связных (облессованных) песков Тункинской и Баргузинской впадин, что позволяет использовать их как природные экологически чистые удобрения. Наибольшее содержание токсичных элементов (цинк, свинец, медь) зафиксировано в почвах г. Братска.
Апробация работы. Полученные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих научных и научно-практических конференциях:
научно-техническая конференции «Геология, поиски и разведка полезных ископаемых и методы геологических исследований» (Иркутск, ИрГТУ, 2006-2009 гг.);
юбилейная научная конференция, посвященная 120-летию со дня рождения профессора М. И. Кучина (23-25 октября 2007 года) (Томск, Томский государственный архитектурно-строительный университет, 2007 г);
XXI, XXII, XXIII Всероссийские молодёжные конференции «Строение литосферы и геодинамика» (Иркутск, ИЗК СО РАН, 2005, 2007, 2009 гг.);
V Всероссийская конференция по рентгеноспектральному анализу (Иркутск, ИЗК СО РАН, 2006 г.)
международная научная конференция «Современные проблемы геохимии, геологии и поисков месторождений полезных ископаемых», посвященная 100-летию со дня рождения академика НАН Беларуси К. И. Лукашёва (март 2007 г., Минск);
международная научная конференция «Проблемы экологической геохимии в XXI веке», посвященная 70-летию со дня рождения член.-корреспондента НАН Беларуси В. К. Лукашёва (июнь, 2008 г., Минск).
Публикации. По результатам исследований автором лично и в соавторстве опубликовано 17 работ, в том числе две статьи в научных журналах из перечня ВАК.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Объем работы 156 стр., в том числе 78 рисунков, 37 таблиц; список использованной литературы составляет 120 наименований.
Благодарности. Автор искренне благодарен и признателен научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору Т.Г. Рященко за помощь и поддержку при выполнении работы.
Автор выражает благодарность доктору технических наук А.Г. Ревенко, кандидатам геолого-минералогических наук В.В. Акуловой и Н.Н. Уховой, чьи советы, участие и помощь способствовали выполнению работы, Е.В. Худоноговой за помощь в выполнении аналитических исследований, Т.Ф. Даниловой и М.В. Даниловой за выполнение ґрунтоведческих анализов дисперсных грунтов.
Современное состояние проблемы изучения микроэле ментного состава дисперсных грунтов
Дисперсные грунты являются объектом изучения первого раздела инженерной геологии - грунтоведения. Современное определение термина «грунт» формулируется следующим образом - это любые горные породы, почвы и техногенные отложения, которые рассматриваются как многокомпонентные системы (твёрдая минеральная часть, вода, газ, биота) и которые являются объектом инженерно-хозяйственной деятельности человека. Согласно стандартной инженерно-геологической классификации (ГОСТ 25100 - 95) среди сообщества перечисленных выше субъектов выделяются природные (II класс) и техногенные (IV класс) дисперсные грунты, которые характеризуются водно-коллоидными (коагуляционными) и механическими (за счет сил трения между частицами, карбонатов, аморфных оксидов и водорастворимых солей) структурными связями. Природные разновидности образуются в результате процессов литогенеза, действующих на стадиях седиментогенеза, диагенеза и эпигенеза (постдиагенетические преобразования породы под воздействием природных и природно-техногенных факторов), и представляют собой различные геолого-генетические комплексы глинистых, лёссовых, песчаных и крупнообломочных отложений, техногенные — перемещённые природные разновидности и созданные в результате человеческой деятельности антропогенные образования.
Изучение микроэлементов в природных дисперсных грунтах при их инженерно-геологической оценке практически не проводится, однако при решении геоэкологических вопросов, связанных с геохимической функцией литосферы, эти исследования являются обязательными (Трофимов, 1997; Трофимов, Зилинг, 2002).
Как известно, первым барьером, принимающим на себя влияние техногенных факторов, является почва (природный дисперсный грунт), поэтому большой блок информации связан с публикациями в области почвоведения, особенно в связи с загрязнением почвенных покровов тяжелыми металлами вблизи крупных промышленных комплексов.
На сегодняшний день исследователи выделяют различные группы тяжелых металлов в зависимости от их атомной массы и физико-химических свойств. По классификации Н.Ф. Реймерса тяжелыми следует считать металлы с плотностью более 8 г/см , за исключением благородных и редких: РЬ, Си, Zn, Ni, Cd, Со, Sb, Sn, Bi, Hg (Реймерс, 1990). В классических работах Ю.А. Израэля выделена небольшая группа элементов, в которую входят РЬ, Hg, Cd, As (Израэль, 1984). В работе (Ливийская, Владимирский, Данильчук и др., 2005) приводится другая классификация, согласно которой более 40 элементов с высокой относительной атомной массой и плотностью больше 6 г/см следует относить к тяжелым. При проведении геоэкологических исследований большинство исследователей придерживаются первых двух классификаций, несколько расширяя группу токсичных элементов, добавляя к их числу V, Cr, Mn, Fe (Никитин, 2000; Ермакова, 2006; Бычинский, Вашукевич, 2007). Содержания перечисленных химических элементов в почвах, превышающие их предельно допустимые концентрации (ПДК), нередко вызывают отравление почвенных покровов, болезни растений, людей (Можаев, Литвинов, 1988; Яблоков, 1990; Минеев,1988; Новиков, Сайфутдинов, Денисов, 2001).
Наиболее хорошо известна свинцовая интоксикация, случаи которой зафиксированы в 14 отраслях промышленности России. Ведущими являются электротехническая промышленность (производство аккумуляторов), приборостроение, полиграфия, цветная металлургия (Шелеховцев, Звонов, Чижов, 1995). Максимальные нагрузки выпадения свинца, ведущие к деградации наземных экосистем, наблюдаются в Московской, Владимирской, Нижегородской, Рязанской, Тульской, Ростовской и Ленинградской областях (Снакин, 1998; Учватов, 1994). Процессу поглощения свинца почвами посвящено большое количество работ. Например, описывается роль различных компонентов поглощающих почвенных комплексов (ППК), к числу которых относятся органическое вещество, глинистые минералы (смектит, вермикулит, гидрослюда, хлорит, каолинит), а также гидроокислы железа и марганца (Добровольский, 1987). Среди глинистых минералов высокой поглотительной способностью к свинцу обладают смектит и вермикулит. Рентгенодифрактометрический анализ смектита, насыщенного РЬ +, позволил сделать предположение о поглощении свинца в межпакетном пространстве минерала в форме РЬО+ или PbZT Н20. В результате адсорбция происходит не только на внешней, но и на внутренней поверхности минерала. В.В. Добровольский приводит данные, из которых следует, что наибольшая концентрация свинца в почвах приурочена к высокодисперсным фракциям, для которых характерно повышенное содержание органического вещества. Обогащение свинцом крупных фракций связано с источниками техногенной пыли или рудными месторождениями.
Следует отметить, что обычные микроэлементы, присутствующие в больших количествах в почвах, могут также стать токсичными и оказывать неблагоприятное влияние на окружающую среду. Например, повышенное содержание стронция в почвах вызывает дискомфортное состояние людей, животных и растений (Перельман, 1972). В то же время небольшие концентрации микроэлементов, за исключением олова, свинца и мышьяка, необходимы для нормального развития растений, поэтому агрохимики применяют микроудобрения - борные, марганцевые, молибденовые, медные, цинковые (Ягодин, Смирнов, Петербургский, 1989). В. А. Ковда приводит общую схему участия микроэлементов в различных почвенных процессах (табл. 1.1) (Ковда, 1973). Из приведенных данных видно, что накопление максимального количества микроэлементов связано с высокодисперсной частью почвы. Следовательно, и в других дисперсных грунтах (глинистых, лёссовых и песчаных) наблюдается аналогичная картина. Эта высокодисперсная часть, представленная фракцией 0,001 мм, состоящей из глинистых минералов, является своеобразным накопителем как токсичных, так и полезных микрокомпонентов, поэтому особенно важно определять состав и концентрацию элементов именно в тонкоглинистой фракции грунтов.
Стандартный статистический анализ
Обработка результатов количественного рентгенофлуоресцентного анализа исследуемых дисперсных грунтов произведена с помощью программы «Стандартная статистика» (Microsoft EXCEL) (Рященко, Клеерова, 2008). Определены следующие статистические параметры: минимальное (Xmin), максимальное (Хтах) и среднее (Хср) значения; стандартное (среднеквадратическое) отклонение (с); коэффициент вариации: VBap. = (a/Xcp) 100%.
Схема использования указанной программы была следующей. Для каждой инженерно-геологической скважины (4 скв. - «Маршал», 3 -«Студгородок», 1 - «Солнечный», 1 - «Саянск», 5 - «Биробиджан»), разрез которой генетически был индексирован (выделены на основании полевой документации геолого-генетические комплексы грунтов) проводились расчёты статистических параметров для каждого микроэлемента. На основании этих данных определялись общие особенности грунтов, в том числе средние содержания микроэлементов - устанавливались ведущие и второстепенные их группировки; отдельно анализировались средние значения по содержанию токсичных компонентов. Затем проводилось разделение микроэлементов на группы по величине коэффициента вариации (VBap., %), в результате выделялись элементы с наибольшим трендом (изменчивостью) их распределения в вертикальном разрезе грунтовой толщи (они имели коэффициент вариации 30 %), которые и представляли собой признаки (критерии) выделенных в толще геолого-генетических комплексов. Однородное (почти стабильное) распределение микроэлемента (VBap. 10 %) отражало либо моногенетичное строение грунтовой толщи, либо общую картину содержания данного компонента, независимо от состава и генетической принадлежности грунтов.
Статистическая обработка данных по концентрациям микроэлементов проводилась для почв г. Братска и образцов глинистых фракций, выделенных из тиксотропных глин («Биробиджан») и лёссовых грунтов («Маршал»), а также лёссового делювия (dQ4) и глинистого элювия сланцев (е / ел) в районе пос. Могойтуй. Для лёссовых, глинистых и песчаных грунтов ключевых участков в Тункинской и Баргузинской впадинах программа «Стандартная статистика» также применялась, только полученные результаты отражали общие особенности дисперсных грунтов различных геолого-генетических комплексов, однако по величине коэффициента вариации фиксировались микроэлементы, имеющие разнородное распределение в общей выборке образцов (эти компоненты можно рассматривать как индикаторы различного генезиса и возраста отложений).
Идея кластер-анализа заключается в том, что в m-мерном пространстве признаков задаваемое множество объектов (п) проявляет свойство группирования в кластеры. С математической точки зрения каждый объект (образец грунта) можно рассматривать как точку в многомерном пространстве, координатами которой является набор значений его признаков (показателей состава, микроструктуры и свойств); на основе этих данных рассчитывается та или иная дистанция, отражающая меру близости (подобия, эквивалентности и т.д.) между всеми точками попарно.
Программа состоит из двух частей: R-анализ исследует связь признаков (показателей состава, микроструктуры и свойств грунта) по общей выборке образцов; Q-анализ устанавливает связь между объектами (образцами). В первом случае строится дендрограмма, характеризующая степень корреляционной связи между признаками и их группами: по вертикали располагаются признаки, по горизонтальной оси - коэффициент корреляции R (от + 1 до - 1). Во втором случае дендрограмма представляет собой группирование объектов (образцов) по степени сходства между ними относительно анализируемых признаков: на горизонтальной оси указывается «эвклидово расстояние» (г) — мера близости между объектами (от 0 до + 1), на вертикальной - порядковые номера объектов. Широкое использования кластерного анализа в грунтоведческой группе Аналитического центра началось в 2001 г., когда программа была установлена на персональном компьютере в EXCEL (Данилов, 2001).
В диссертационной работе впервые этот метод был применён для обработки данных микроэлементного состава дисперсных грунтов. Объектами исследования были образцы лёссовых, глинистых и песчаных грунтов (п — их количество); признаками объектов (образцов) являлись концентрации микроэлементов (m = 18).
На основе результатов кластерного анализа можно решить две задачи. Во-первых, среди множества признаков (это концентрации микроэлементов) устанавливаются группы — кластеры с определенным уровнем взаимосвязей. Во-вторых, группирование объектов (образцов) дает возможность подтверждать (или не подтверждать) инженерно-геологическое классифицирование дисперсных грунтов по генетическому принципу.
Изучение микроэлементного состава лёссовых и глинистых грунтов проводилось по инженерно-геологическим разрезам ключевых участков, расположенных в Приангарье (урбанизированные территории - Иркутск, Саянск) и Забайкалье (район пос. Могойтуй); кроме того, для сравнительного анализа исследовались образцы тиксотропных глин, вскрытых в период изысканий на площадке нефтегазоносной скважины в районе г. Биробиджана, а также дисперсные грунты района Приморья (рис. 3.1-3.2).
Мощность грунтовых толщ составляла преимущественно 10—20 м, интервал опробования - 1—3 м; для каждого образца определялось содержание 15-18 микроэлементов и некоторых породообразующих оксидов. Проводилась статистическая обработка данных по микроэлементному составу дисперсных грунтов каждого разреза, анализировался характер распределения элементов в вертикальном разрезе толщи и их взаимосвязи, выявлялись концентрации токсичных компонентов и их зависимость от гранулометрического и химического состава породы; по аналогии с минеральным и химическим составом грунтов микроэлементы рассматривались как критерии их принадлежности к определенным геолого-генетическим комплексам; при обработке данных микроэлементного состава грунтов применялась программа «Кластер-анализ». Для региона эти исследования выполнены впервые.
Ключевые участки в Баргузинской впадине (песчаные грунты)
Согласно теории К. И. Лукашева, лёссовый литогенез — это особый геохимический тип выветривания, при котором происходит пропитывание карбонатными растворами сиаллитного минерального субстрата и создание специфической агрегатной микроструктуры в рыхлых осадках; в течение плейстоцена лёссообразование представляло грандиозный литолого-геохимический процесс, обусловивший значительные накопления лёссовых пород в перигляциальных областях аккумуляции пылевато-песчаного материала (Лукашёв, 1961).
Песчаные грунты, для которых выполнялись исследования микроэлементного состава, относятся к особой разновидности лёссовых отложений — связным пескам, представляющим продукт воздействия процессов лёссового литогенеза преимущественно криогенного характера в постдиагенетическую стадию существования песчаных толщ (Рященко, 1988). Установлены отличия химического состава, физических и физико-химических свойств этих образований по сравнению с «нормальными» песками (Рященко, Ухова, Акулова, 2005).
Ключевые участки, где проводился отбор образцов, расположены в Баргузинской впадине в районах дд. Сахули (1545), Могойто (1548), Элысун (1551) и Суво (1552), мощность разрезов составляла 3—4 м, в некоторых были вскрыты горизонты погребённой песчаной почвы (коллекция В.Л. Коломийца, Институт геологии СО РАН, Улан-Удэ). Образцы включали связные (ps ), со следами связности (ps ) и нормальные (ps) пески различных геолого-генетических комплексов (aQ4-ps , aQ3-ps , ps , ps, vQ3.4-ps , ps) (рис. 4.16).
При сравнении содержаний микроэлементов по средним значениям места распределяются следующим образом: на первом находятся В a, Sr, Zr (300-1100 ppm), они же имеют стабильное (однородное) распределение, на последнем - Со, Pb, Sn, Nb (7-12 ppm), при этом возрастает степень разнородности их распределения в общей выборке образцов (V=20—33 %). Содержание остальных 11 элементов находится в пределах 20-84 ppm, коэффициенты вариации изменяется от 12 до 35 %.
Концентрации бария и стронция связаны с химическим составом грунтов. Исследованные пески обогащены карбонатами (по данным солянокислой вытяжки среднее содержание карбонатных солей 12,8 %) и характеризуются карбонатно-сульфатным типом засоления, поэтому могут содержать большое количество практически нерастворимых солей SrSC 4 и BaSC 4. Исследована зависимость концентраций Ва, Sr, Zr от количества СаО (рис. 4.18). Видно, что барий не связан с оксидом кальция (отмечается его стабильно высокое содержание), стронций и цирконий эту связь обнаруживают.
Концентрация бария, как известно, связана с гранулометрическим составом пород - его накопление происходит преимущественно в песчано-пылеватых фракциях, в глинистых ( 0,001 мм) этот элемент присутствует в небольшом количестве в отличие от свинца, меди, никеля, цинка, лантана, церия, неодима, высокие концентрации которых были обнаружены в глинистой ( 0,001 мм) составляющей лёссовых и глинистых грунтов из районов Иркутска и Биробиджана. Исследованные пески по данным стандартной гранулометрии отличаются большими диапазонами содержаний тонко-мелкопесчаных (28,3-87,0 %) и крупнопылеватых (5,5—47,1 %) частиц, которые являются своеобразным «накопителем» господствующего компонента - бария. Значительные колебания в содержании тонко-мелкопесчаной фракции в песчаных грунтах определили сложную зависимость концентрации бария от этой фракции (рис. 4.19).
Токсичные элементы в дисперсных грунтах и почвах
Значение геоэкологических проблем непрерывно возрастает, в большей степени это касается урбанизированных территорий, где широко развиты процессы техногенеза, оказывающие влияние как на геологическую, так и на окружающую среду в целом.
Так сложилось, что на сегодняшний день в рамках широкого понятия «геоэкология» находятся многие весьма разнообразные научные направления и практические проблемы. В связи с тем, что геоэкология охватывает многообразные аспекты взаимодействия общества и природы, наблюдается различная трактовка её предмета, объекта и содержания, не определен круг вопросов геоэкологических исследований, не существует общепризнанной методологии и терминологической базы, но, несмотря на это, уже четко прослеживаются позиции, с которых можно рассматривать новое научное направление — геоэкологию.
Так, профессор И.Е. Тимашев излагает свою точку зрения на содержательную суть термина "геоэкология", характеризуя пять основных позиций (подходов): 1) географический; 2) биологический; 3) геологический; 4) географо-геологический; 5) расширенный междисциплинарный (Бочаров, 2004). В данной работе используется геологический подход, сформировавшийся в самостоятельный междисциплинарный раздел, рассматривающий геоэкологию как новое научное направление, исследующее экологические проблемы геологической среды (верхней части литосферы), закономерности взаимодействия литосферы и биосферы (Бочаров, 2004). В рамках задач, связанных с геоэкологическими аспектами проблемы, в работе большое внимание уделяется изучению величин накопления и распределения токсичных микроэлементов в грунтовых толщах, распространенных как на урбанизированных территориях (Иркутск, Саянск), так и за их пределами (районы Биробиджана, пос. Могойтуй), а также в почвенных покровах промышленного города Братска.
Ранее рассматривались методические подходы к оценке геоэкологического состояния территорий городов Иркутска, Ангарска и Братска (Рященко, Крапивина, Акулова, 2006). В работе (Рященко, Штельмах, Крапивина, 2009) рассматривается геохимическое загрязнение дисперсных грунтов урбанизированных территорий в качестве одного из основных информационных блоков системы «геологическая среда - природно-техногенные процессы» (рис. 5.2).
Критическая экологическая ситуация сложилась в г. Братске, на территории которого находится большое количество предприятий теплоэнергетики (ТЭЦ) и сосредоточены крупные промышленные комплексы: Братский алюминиевый завод (БрАЗ), целлюлозно-картонный комбинат (ЦКК), хлорный завод, лесоперерабатывающий комплекс (БЛІЖ). Братск входит в число наиболее загрязненных городов России. В атмосферный воздух выбрасываются химические вещества 109 наименований. Развитая промышленность оказывает сильное воздействие на геологическую среду, вызывая загрязнение почв, подстилающих их рыхлых отложений и снежного покрова. Ареалы загрязнения почв в результате осаждения компонентов промышленных выбросов локализуются вокруг промышленных зон и распространяются на селитебную территорию города (Крапивина, Рященко, 2003; Подпругин, Подкорытов, 2002; Попов, Залетаев, Подзолкина, 2002; Угрюмов, Кондратов, 2007). Центром ГСЭН в Братске ежегодно проводится лабораторный контроль санитарного состояния почвы в жилых районах города и зонах влияния промышленных предприятий. Неблагоприятная ситуация отмечена по содержанию свинца (анализы с превышением ПДК в 1,4-2,3 раза составляют 4-14 % от общего количества проб) и меди (превышение ПДК в 1,4-4,7 раза); в районах БрАЗа фиксируется ареал повышенного содержания железа и алюминия, БЛПКа - накопление кальция, хлоридов, сульфатов (Крапивина, Рященко, 2004).
Неблагоприятное состояние окружающей среды оказывает негативное воздействие на состояние здоровья населения. Показатели заболеваемости населения города превышают показатели Иркутской области как по общей заболеваемости - на 19%, так и первичной - на 15%, в том числе по заболеваниям дыхательной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, болезням кожи и опорно-двигательного аппарата. Происходит увеличение смертности от злокачественных новообразований. Интегрированный канцерогенный риск оценивается как неприемлемый, а показатели его по Центральному округу в 5 раз выше, чем по Падунскому. Имеет место тенденция роста смертности населения, а также высокая смертность детей до года от врожденных пороков развития (материалы муниципальной целевой программы «Охрана окружающей среды и обеспечение экологической безопасности населения города Братска на 2007-2011 годы»).
