Эколого-геохимическая оценка почв селитебных территорий Восточного Забайкалья

Полный текст

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.

Об авторах

Баир Намжилович Абрамов

Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН

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

доктор геолого-минералогических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории геохимии и рудогенеза

Россия, 672014, г. Чита, ул. Недорезова, 16а

Тимур Гармажапович Цыренов

Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: master.of.pistols@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6058-164X

младший научный сотрудник лаборатории геохимии и рудогенеза

Россия, 672014, г. Чита, ул. Недорезова, 16а

Наталья Юрьевна Михеева

Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН

Email: natastep6565@mail.ru

младший научный сотрудник лаборатории геоэкологии и гидрогеохимии

Россия, 672014, г. Чита, ул. Недорезова, 16а

Роман Андреевич Филенко

Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН

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

научный сотрудник лаборатории геохимии и рудогенеза

Россия, 672014, г. Чита, ул. Недорезова, 16а

Марат Тимурович Усманов

Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН

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

научный сотрудник лаборатории геоэкологии и гидрогеохимии

Россия, 672014, г. Чита, ул. Недорезова, 16а

Список литературы

Дополнительные файлы