Ecological and geochemical assessment of soils in residential areas of Eastern Transbaikalia

Texto integral

Введение

Восточное Забайкалье относится к числу старейших горнодобывающих регионов России. На территории Забайкальского края известно более 1000 рудопроявлений и месторождений золота, молибдена, олова, вольфрама редкометалльных и полиметаллических месторождений (рисунок). В течение 2019–2022 гг. сотрудники Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН в рамках базовых проектов провели опробование почв населенных пунктов (нп.) Восточного Забайкалья. Были рассчитаны суммарные показатели загрязнения почв (Z_c) [1] в 30 населенных пунктах, из них 14 являются горнорудными поселениями, в пределах которых находится инфраструктура горно-обогатительных комбинатов (ГОК). Для установления степени загрязненности почвы нп. были объединены в следующие группы: нп. при золоторудных, молибденовых свинцово-цинковых и редкометалльных месторождениях, а также нп., не связанные с добычей полезных ископаемых. Одной из важных экологических проблем является состояние хвостохранилищ токсичных отходов горнорудного производства, которое влияет на все компоненты природной среды. Так, например, известно, что почвенный слой территорий, прилегающих к хвостохранилищам, интенсивно загрязнен и степень этого загрязнения напрямую зависит от концентраций токсичных элементов в хвостохранилищах и от близости расположения к ним [2–19].

В нп., связанных с работой ГОК, наблюдается неблагополучная экологическая обстановка вследствие выбросов токсичных соединений в атмосферу, загрязнения водных объектов и почв стоками с хвостохранилищ, содержащих токсичные металлы. Непосредственными объектами техногенного загрязнения служат воды, почвы, атмосферный воздух, растительные и животные организмы и микроорганизмы, а также человек. Элементный состав почв селитебных территорий является одним из важных условий безопасного проживания населения [20].

При изучении хвостохранилищ особое внимание уделяют минералогическому анализу с выделением гипергенных стадий минералообразования. Выделяют следующие стадии их трансформации в зоне окисления: сульфиды–сульфаты–карбонаты (окислы). Минералы сульфатной стадии обладают наибольшей растворимостью и представляют наибольшую опасность для окружающей среды. Хвостохранилища изучаемых месторождений отличаются составом пород и руд, разным временным интервалам их образования. Большое значение имеет временной интервал их существования. Время заложения хвостохранилищ золоторудных и оловополиметаллических месторождений составляет более 60 лет, золоторудных (кроме Александровского месторождения), полиметаллических месторождений – 30–40 лет, молибденовых – более 20 лет. Процесс перехода сульфидных минералов в окисленные формы занимает 150–200 лет. Хвостохранилища, заложенные позднее, характеризуются меньшими степенями гипергенных преобразований. Степень гипергенных преобразований зависит также от количества и состава сульфидов. Хвостохранилища с повышенными содержаниями сульфидов характеризуются более высокой кислотностью водных растворов, являющихся главными факторами выщелачивания и миграции токсикантов. При окислении сульфидов хвостохранилищ происходит миграция элементов, в том числе и токсичных, во все компоненты природной среды [21].

Продукты деятельности ГОК оказывают неблагоприятное воздействие на все жизнеобеспечивающие среды: почвы, воздух, воду, растительность, аккумулирующие токсичные химические элементы.

 

Рисунок. Схема опробования селитебных почв Восточного Забайкалья; 1 – а) административные и государственные границы; б) железные дороги; в) автомобильные дороги; 2 – нп. горнорудных районов при месторождениях: а) золота; б) свинца, цинка, олова; в) редких металлов; г) молибдена; 3 – нп., не связанные с горнорудной деятельностью

Figure. Scheme of testing residential soils of Eastern Transbaikalia 1 – a) administrative and state borders; б) railways; в) highways; 2 – settlements of mining districts with deposits: a) gold; б) lead, zinc, tin; в) rare metals; г) molybdenum; 3 – settlements not related to mining activities

 

Население в городских поселениях с горнорудными предприятиями, в сравнении с населением нп., не имеющими их, значительно чаще подвержено заболеваниям. В 1994–1996 гг. Восточно-Сибирский научный центр Российской академии медицинских наук (г. Иркутск) проводил работы в г. Балей. Цель исследований заключалась в обосновании территории г. Балей как зоны экологического неблагополучия [22]. Анализ показал, что в структуре заболеваемости выделены следующие особенности: патология органов кровообращения (более 15 %, а в среднем по РФ – 6,8 %), болезни органов дыхания, часто отмечаются анемия, патология органов слуха и зрения, как врожденная (нейросенсорная потеря слуха, афакия, катаракта), так и возникающая в более поздние сроки. Обращаемость по поводу данного заболевания в несколько раз превышает таковую в соседних районах Забайкальского края [22].

Изучением влияния хвостохранилищ на компоненты природной среды в Восточном Забайкалье занимались многие исследователи [23–32].

Основной задачей исследования является установление степени суммарного загрязнения селитебных почв нп. Восточного Забайкалья.

Методы исследования

Для расчета потенциальной экологической опасности использованы данные по содержаниям элементов в почвах нп. и локальных фонах. Сведения по концентрациям химических элементов получены при проведении исследований по базовым проектам Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН. Кроме того, использованы опубликованные данные и сведения территориального геологического фонда по Забайкальскому краю (г. Чита). Для определения элементного состава проб почв применялся рентгенофлуоресцентный анализ в Геологическом институте СО РАН (г. Улан-Удэ) и ICP-MS в ЗАО «SGS Vostok Limited» (г. Чита). Глубина отбора проб на анализы составляла 0–10 см. Вес грунтовой пробы составлял 1,0 кг. Пробы в нп. отбирались главным образом вдоль основных улиц и автотрасс. Пробы для определения фоновых концентраций элементов в почвах отобраны вне зоны влияния техногенных объектов, в водораздельных частях ландшафтов, на удалении от них от нескольких сотен метров до 1–2 км.

Геохимические показатели загрязнения почв населенных пунктов Восточного Забайкалья

Рассмотрим распределение химических элементов первого, второго и третьего класса опасности в почвах селитебных территорий Восточного Забайкалья. По классу опасности химические элементы подразделяются на три класса: I класс – As, Cd, Hg, Pb, Zn; II класс – Ni, Cu, Sb, Cr; III класс – Mn, V [33]. В подвижной форме ко второму классу также относят Co. Согласно СанПиН 3685-21, такие элементы, как Sn, Mo, W и Sr, не имеют конкретного ПДК для почв и поэтому не имеют в настоящее время конкретного класса опасности. Тем не менее в водных средах W и Sr относятся ко II, а Sn и Mo – к III классу опасности. В недействующем на сегодняшний день ГОСТ 17.4.1.02-83 данные элементы также принадлежат ко II и III классам опасности [34]. Поэтому в текущем исследовании для обозначения классов опасности дополнительно использована ссылка на недействующий ГОСТ, что не имеет существенного значения для обсуждения результатов.

При расчетах коэффициентов концентраций элементов брались в расчет средние содержания элементов в почвах нп. по А.П. Виноградову [35]. По данным В.А. Алексеенко и др. средние содержания токсичных элементов в почвах селитебных территорий уменьшаются по мере снижения числа жителей в нп. [36]. В Восточном Забайкалье число жителей в нп. соответствуют малым нп. (таблица). Для оценки показателя загрязнения почв рассчитан суммарный показатель загрязнения (Z_c): [1]

$Z_c=K_{ci}+\dots +K_{cn}-\left(n-1\right)$,                                                                                             (1)

где n – количество учитываемых химических элементов; К_ci – коэффициент концентрации i-го компонента загрязнения, превышающий единицу; К_сi=С_i/С_ф, где С_i – фактическое содержание i-го химического элемента в почвах и грунтах, мг/кг; С_фi – фоновое содержание i-го химического элемента в почвах и грунтах мг/кг. Значения, характеризующие суммарное загрязнение Z_с по уровню загрязнения, имеют следующие диапазоны: Z_с<16 – низкий уровень; 16< Z_с< 32 – средний, умеренно опасный; 32<Z_с<64 – высокий, опасный; 64<Z_с<128 – максимальный, чрезвычайно опасный [1].

Для изучения степени влияния конкретного химического элемента в рассматриваемой выборке рассчитаем индексы геоаккумуляции (I_geo) в почвах нп. по методике, предложенной Г. Мюллером. Для вычислений применялась следующая формула [37]:

$I_{geo}={\log }_2\frac{C_n}{\mathrm{1,5}B{E}_n}$,                                                                                                       (2)

где C_n – измеренная концентрация соединений тяжелых металлов в образце; BE_n – среднее геохимическое фоновое значение измеряемых элементов.

Значения индекса подразделяются на следующие уровни загрязненности: I_geo ≤ 0 – практически незагрязненный; 0 < I_geo≤ 1 – незагрязненный до умеренно загрязненного; 1 < I_geo≤2 – умеренно загрязнённый; 2 < I_geo≤ 3 – средне загрязненный; 3<I_geo≤ 4 – сильно загрязненный; 4 < I_geo≤5 – сильно загрязненный до чрезмерно загрязненного; I_geo > 5 – чрезмерно загрязненный.

Результаты исследования

Содержания элементов в почвах горняцких поселков в среднем на порядок превышают таковые в почвах нп., не связанных с горнорудной деятельностью. Результаты расчета суммарного показателя загрязнения почв (Z_c) указывают на то, что селитебные почвы нп, при горно-обогатительных комбинатах в среднем на порядок превышают таковые показатели в почвах нп., не связанных с горнорудной деятельностью (таблица).

Установлены следующие средние значения суммарных показателей степени загрязнения рассматриваемых групп нп.: нп. при свинцово-цинковых месторождениях – Z_c=68,87; золоторудных – Z_c = 30,67; молибденовых – Z_c=32,25; редкометалльных Z_c = 0,03; нп., не связанных с горнорудной деятельностью – Z_c = 0,32. Разные значения показателей загрязнения объясняются разными содержаниями токсичных элементов в техноземах хвостохранилищ. Степень загрязнения почв рабочих поселков при горно-обогатительных комбинатах в основном соответствует опасным и умеренно опасным показателям месторождении (таблица). Почвы нп., не связанных с горнорудной деятельностью, соответствуют низким показателям загрязненности.

 

Таблица. Эколого-геохимические показатели состояния почв в населенных пунктах Восточного Забайкалья (содержания элементов в г/т)

Table. Ecological and geochemical indicators of soil condition in settlements of Eastern Transbaikalia (content of elements in g/t)

Элементы/ Elements	As	Pb	Zn	Cd	Cu	Sn	Mo	Sb	Ba	Sr
К ПДК/MPC	5 2,0	10 32	50 55,0	0,5 0,5	20 33,0	10 53	3 254	10 4,5	500 165	300 600
Населенные пункты при золоторудных месторождениях/Settlements at gold deposits Селитебные почвы/Residential soils (n=31) Zc=30,67 As>Mo>Pb>Cd>Zn>Cu, As>Cu>Mo>Zn
x	475,0	96,45	172,45	4,90	40,20	10,2	55,7	47,97	735,8	278,9
s	607,2	143,85	269,82	4,75	23,34	6,53	82,8	82,79	368,0	160,1
x/К	95,0	9,65	3,45	9,8	2,0	1,0	18,57	4,8	1,47	0,93
x/ПДК/x/MPC	237,5	3,01	3,14	9,8	1,22	0,2	0,22	10,66	4,46	0,46
Igeo	2,41	0,84	0,71	2,44	–0,21	1,44	–1,51	2,86	–0,95	–0,90
Фон/Background (n=6)
x	59,64	35,8	70,2	0,6	31	2,5	105,5	4,4	948,6	347
s	87,84	26,53	38,58	–	18,13	–	54,1	–	285,27	90,32
Населенные пункты при свинцово-цинковых месторождениях/Settlements at lead-zinc deposits Селитебные почвы/Residential soils (n=42) Zc=68,87 As>Pb>Zn>Cd>Cu>Mo, As>Zn>Pb>Cu
x	584,6	859,07	930,65	6,00	55,67	9,41	3,04	18,58	578,7	231,6
s	1056,1	2180,7	1920,53	14,36	80,50	19,64	2,85	37,00	201,71	122,73
x/К	116,92	85,9	18,61	12,0	2,78	0,94	1,0	1,86	1,16	0,77
x/ПДК/x/MPC	292,3	26,85	16,92	12,0	1,69	0,18	0,01	4,13	3,51	0,39
Igeo	3,36	3,85	2,57	3,60	1,07	0,29	–1,99	2,11	–0,83	–0,63
Фон/Background (n=17)
x	37,92	39,58	104,60	0,33	17,67	5,13	8,03	2,86	686,76	238,48
s	11,74	25,87	40,08	0,19	13,48	4,19	7,61	1,70	176,41	102,68
Населенные пункты при молибденовых месторождениях/Settlements at molybdenum deposits Селитебные почвы/Residential soils (n=14) Zc=32,25 Mo>As>Pb>Cu>Zn>Cd, As>Cu>Mo>Zn>Sb>Pb
x	159,92	91,26	123,00	2,25	168,89	6,16	127,88	18,84	637,14	278,50
s	498,66	81,80	110,62	3,69	133,34	1,53	190,88	18,37	149,63	103,21
x/К	31,98	9,03	2,46	4,5	8,44	0,62	42,63	1,88	1,27	0,93
x/ПДК/x/MPC	79,96	2,85	2,24	4,5	5,12	0,12	0,5	4,19	3,86	0,46
Igeo	2,43	0,67	0,20	2,32	1,70	0,07	2,21	1,97	–0,60	–0,21
Фон/Background (n=6)
x	19,8	38,2	71,25	0,3	34,7	3,9	18,45	3,2	643,45	214,65
s	13,86	9,76	1,48	0,21	13,15	2,76	13,65	2,26	165,82	25,39
Населенные пункты при редкометалльных месторождениях/Settlements at rare metal deposits Селитебные почвы/Residential soils (n=6) Zc=0,03 As>Pb>Sb>Zn>Cu, As>Cu>Sb>Mo>Zn>Pb
x	20,25	34,25	50,50	–	18,60	22,50	95,67	21,67	596,75	235,75
s	13,33	38,56	12,29	–	2,41	3,54	66,93	2,89	48,02	28,39
x/К	4,05	3,43	1,0	–	0,93	2,25	31,89	2,17	1,19	0,79
x/ПДК/x/MPC	10,13	1,07	0,92	–	0,56	0,42	0,38	4,82	3,62	0,39
Igeo	0,30	0,81	–0,28	–	–0,76	–	–1,27	–	–0,67	–0,79
Фон/Background (n=1)
	11	13	41	–	21	–	154	–	634	271
Населенные пункты, не связанные с горнорудной деятельностью/Settlements not related to mining activities Селитебные почвы/Residential soils (n=65) Zc=0,32 As>Mo>Pb>Sn>Zn>Cu, As>Cu>Mo>Zn>Pb
x	32,01	37,79	63,84	–	21,45	13,33	23,74	10,03	416,98	159,08
s	36,35	33,20	73,45	–	17,19	4,70	43,18	9,74	358,10	176,56
x/К	6,4	3,78	1,28	–	1,07	1,33	7,91	1,0	0,83	0,32
x/ПДК/x/MPC	16,01	1,18	1,16	–	0,65	0,25	0,09	2,23	2,53	0,27
Igeo	0,70	0,62	–0,47	–	–0,53	–	–2,86	–0,23	–1,61	–1,70
Фон/Background (n=19)
x	13,11	16,35	58,78	0,06	20,65	–	114,83	7,85	847,67	344,79
s	11,87	7,86	39,07	0,03	11,37	–	73,94	4,45	281,62	178,59

Примечание: x – среднеарифметическое, s – стандартное отклонение; Z_c – суммарный показатель загрязнения; As>Pb>Zn>Cd – коэффициенты концентраций элементов (х/К), от большего к меньшему значению; I_geo – индекс геоаккумуляции элементов; As>Zn>Pb>Cu – отношение средних значений к ПДК, от большего к меньшему значению; К – среднее содержание элементов в почвах [35], ПДК – предельно допустимые концентрации элементов в почвах [38–40]; «–» – нет данных.

Note: x is the arithmetic mean, s is the standard deviation; Z_c is the total pollution indicator; As>Pb>Zn>Cd is the coefficients of the concentrations of elements (х/К), from a higher to a lower value; I_geo is the geoaccumulation indicator of elements; As>Zn>Pb>Cu is the ratio of average values to MPC, from higher to lower values; K is the average content of elements in soils [35], MPC is the maximum permissible concentrations of elements in soils [38–40]. "–" no data available.

 

Повышенные коэффициенты концентрации ряда элементов в почвах селитебных территорий относительно фоновых содержаний их в почвах связано с процессами миграции элементов из хвостохранилищ в почвы населенных пунктов.

В ряде случаев фоновые концентрации элементов превышают таковые в селитебных почвах. Повышенные концентрации ряда элементов на фоновых участках можно объяснить особенностями геологического строения данных территорий.

В селитебных почвах рудных месторождений в целом выдерживается последовательность коэффициентов концентраций элементов от большего к меньшему значению: As>Pb>Zn. Для молибденовых месторождений типична последовательность Mo>AS>Pb.

Значения индекса геоаккумуляции элементов в селитебных почвах относительно коэффициентов концентрации элементов имеют различия в градации. Для нп., прилегающих к свинцово-цинковым и редкометалльным месторождениям, градация в целом сохраняется. Для нп. в пределах золоторудных месторождений наибольшие значения индекса I_geo отмечены для Sb (2,86), Cd (2,44), As (2,41), Sn (1,44), Pb (0,84) и Zn (0,71). В нп. в пределах молибденовых месторождений – As (2,43), Cd (2,32), Mo (2,21), Sb (1,97), Cu (1,7). В нп., не подверженных влиянию горнорудной деятельности градация значений индекса также расходится с градацией коэффициентов концентрации (таблица).

Можно сделать вывод, что наибольший вклад в загрязнение почв, согласно рассчитанным индексам I_geo, вносят элементы первого и второго классов опасности. В нп. золоторудных и молибденовых месторождений значения индексов соответствуют по As, Cd, Cu, Sb и Sn уровню загрязненности от умеренно загрязненных до сильно загрязненных (таблица). В нп. свинцово-цинковых месторождений загрязнение почв As, Pb и Cd соответствуют сильно загрязненному уровню, Zn и Sb – средне загрязненному, Cu – умеренно загрязненному. Расчеты с использованием данных таблицы показывают аномально высокие превышения ПДК токсичных элементов в почвах населенных пунктов при ГОК свинцово-цинковых и золоторудных месторождений.

Существенное влияние на степень загрязнения почв горняцких поселков оказывает их расположение относительно гипсометрических отметок отвалов вскрышных горных пород и хвостохранилищ. Среди рассматриваемых нп. наибольшей степенью загрязнения почв характеризуются располагающиеся в зоне влияния свинцово-цинковых и золоторудных месторождений. Высокие значения суммарного показателя загрязнения почв (Z_c) можно объяснить расположением хвостохранилищ ГОК в черте населенного пункта.

Заключение

Впервые для Восточного Забайкалья проведен сравнительный анализ значений суммарного показателя загрязнения селитебных почв (Z_c) населенных пунктов при градообразующих горнодобывающих комбинатах и населенных пунктов, не связанных с горнорудной деятельностью. Установлено, что значения средних суммарных загрязнений почв селитебных горнорудных территорий существенно превышают таковые значения среднего суммарного загрязнения почв населенных пунктов, не связанных с горнорудной деятельностью. Значения Z_c почв населенных пунктов свинцово-цинковых месторождений превышают значения Z_c населенных пунктов, не связанных с горнорудной деятельностью в 215,2 раз, золоторудных месторождений – в 95,8 раз, молибденовых месторождений – в 100,8 раз. Отмечено, что значение Z_c редкометалльных месторождений в 10,7 раз меньше значения Z_c населенных пунктов, не связанных с горнорудной деятельностью.

Анализ эколого-геохимического состояния почв селитебных территорий Восточного Забайкалья выявил следующие закономерности распределения показателей суммарного загрязнения:

1. Среди горнорудных поселков наибольшие значения показателя суммарного загрязнения почв выделены в поселках при ГОК свинцово-цинковых и молибденовых месторождений, где значения индекса соответствуют уровням «чрезвычайно опасный» и «опасный». Горняцкие поселки при ГОК золоторудных месторождений отвечают среднему показателю суммарного загрязнения почв. Населенные пункты, не связанные с горнорудной деятельностью, а также нп. при ГОК редкометалльных месторождений характеризуются низким показателем суммарного загрязнения почв (Z_c<16).
2. Коэффициенты концентраций элементов в почвах горняцких поселков отражают наличие преобладающих рудных элементов в хвостохранилищах. Коэффициенты концентраций элементов от большего к меньшему значению в целом выдерживается последовательность As>Pb>Zn. Для молибденовых месторождений типична последовательность Mo>Pb>Zn.
3. Значения индекса геоаккумуляции элементов в селитебных почвах относительно коэффициентов концентрации элементов имеют различия в градации. Для нп., прилегающих к свинцово-цинковым и редкометалльным месторождениям, градация в целом сохраняется. Наибольший вклад в загрязнение почв населенных пунктов, согласно рассчитанным индексам, вносят элементы первого и второго классов опасности – мышьяк, свинец, цинк, кадмий, медь, сурьма и олово. По содержанию свинца и цинка почвы нп. соответствуют уровню загрязненности от умеренно загрязненного до сильно загрязненного.
4. В селитебных почвах горнорудных поселков отмечены следующие превышения ПДК: As – в 292,3, Pb – в 26,9, Zn – в 16,9, Cd – в 12, Cu – в 5, Sb – в 10,7 раз.

Sobre autores

Bair Abramov

Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: b_abramov@mail.ru
ORCID ID: 0000-0002-8905-1677

Dr. Sc., Leading Researcher, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology

Rússia, 16а, Nedorezov street, Chita, 672014

Timur Tsyrenov

Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Autor responsável pela correspondência
Email: master.of.pistols@mail.ru
ORCID ID: 0000-0002-6058-164X

Junior Researcher, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology

Rússia, 16а, Nedorezov street, Chita, 672014

Natalia Mikheeva

Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: natastep6565@mail.ru

Junior Researcher, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology

Rússia, 16а, Nedorezov street, Chita, 672014

Roman Filenko

Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: filrom@yandex.ru
ORCID ID: 0000-0001-6736-9556

Researcher, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology

Rússia, 16а, Nedorezov street, Chita, 672014

Marat Usmanov

Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch of Russian Academy of Sciences

Email: usgi@yandex.ru
ORCID ID: 0000-0003-4676-6741

Researcher, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology

Rússia, 16а, Nedorezov street, Chita, 672014

Bibliografia

Arquivos suplementares