Пряничникова Елена Владимировна
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
Введение
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 навсем 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 19892003 г.г. сотрудниками кафедры геохимии МГУ. В 1998 и 2003 г.г. автор принимал участие в полевых работах. Основным видом полевых работ являлось эколого-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 Pb 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 определение в последних форм нахождения металлов проводились автором в лаборатории кафедры геохимии. Автором проведены компьютерная обработка данных и построение карт техногенных геохимическиханомалий.
Защищаемые положения:
В результате комплексного изучения компонентов окружающей среды в районе деятельности Садонского СЦК выявлены природные и техногенные аномалии в почвах, донных отложениях, водных системах и основных видах сельскохозяйственных культур района, связанные с вторичными ореолами и потоками рассеяния Pb-Zn месторождений и рудопроявлений, отвалами и рудничными водами месторождений Джими, Бозанг, Холст, системой арыков, ветровой эрозией 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 (Ксдостигают 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 Pb, 16 т Cu 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 Pb 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 Pb 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 Pb 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.
Публикации и апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на III экологической конференции студентов и молодых ученых вузов г. Москвы <Охрана окружающей среды на пороге третьего тысячелетия в интересах устойчивого развития> в 1999 г., на эколого-геологической межвузовской студенческой школе в 2000 г. (г. Санкт-Петербург); на III Международном совещании <Геохимия биосферы> в 2001 г. (г. Новороссийск); на V и VII Международных конференциях <Новые идеи в науках о Земле> в 2001 и 2005 г.г. (г. Москва) и на II Всероссийской научно-практической конференции <Горно-металлургический комплекс России: состояние, перспективы развития> в 2003 г. (г. Владикавказ). По теме диссертации опубликовано 11 научных работ.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю А.А. Матвееву и научному консультанту Т.В.Шестаковой за внимание, ценные советы и помощь при выполнении работы; М.В. Борисову, Д.В. Гричуку, Ю.Н. Семенову, Ю.Н.Николаеву за помощь в проведении полевых работ и полезные консультации; Родионовой И.П., Пчелинцевой Н.Ф., Сафроновой Н.С., Герасимовской Л.А. и Пушко С. за помощь при выполнении анализов; Аплеталину А.В. и Охапкиной Е.Ю. за содействие при написании и оформлении работы.
Глава 1. Общая характеристика района.
Район исследований находится в горной части Северной Осетии, характеризующейся широким спектром ландшафтных условий и природных ресурсов, сложным, сильно расчлененным рельефом с большими амплитудами относительных и абсолютных высот. В Горной Осетии расположены пять параллельных хребтов, вытянутых с севера-запада на юго-восток. Наиболее южное положение занимает водораздельный Главный Кавказский хребет, севернее расположен Боковой, затем – Скалистый и Пастбищный, а еще далее на севере, перед равниной, лежит Лесной хребет (<Черные горы>). Горы резко расчленены многочисленными реками и их притоками на ряд узких и длинных ущелий различных направлений. Наиболее протяженные ущелья имеют субмеридиональное направление и сформированы такими реками, как Ардон, Урух, Фиагдон, Гизельдон – наиболее крупными притоками основной водной артерии республики – р. Терек.
Изучаемый район (рис. 1) находится в долине между Боковым и Скалистым хребтами (Садоно-Унальская котловина), в бассейне р. Ардон и ее притоков (р.р. Уналдон, Майрамдон). Садоно-Унальская котловина выработана регрессивной эрозией рек в области распространения легко поддающихся денудации песчано-сланцевых толщ средней юры. Здесь преобладает эрозионно-аккумулятивный рельеф. Территория характеризуется средне-высокогорным рельефом: перепады высот – от 900 до 3000 м над уровнем моря. Скалистый хребет сложен, в основном, верхнеюрскими и нижнемеловыми известняками и доломитами, Боковой – нижнеюрскими сланцами и докембрийскими гранитами.
Водные системы района – типичные горные реки с ярко выраженным ледниковым режимом, маломинерализованные (200 мг/л), нейтральные (рН – 6,5-7,4), по преобладающим ионам имеют гидрокарбонатно-кальциевый состав.
Долина р. Ардон в районе работ в поперечном профиле асимметрична: левый борт крутой, образован скальными выходами осадочных пород средней юры и оползневыми отложениями г. Кион-Хох (по нему проходит шоссейная дорога "Транскам"); правый -более пологий, представлен серией разноуровневых аккумулятивных и цокольных речных террас. Террасы сложены валунно-галечными отложениями с гравийно-песчанистым заполнителем и перекрыты слоем суглинка, нередко лессовидного характера. На правом берегу расположено сел. Унал, разделяющееся на Верхний и Нижний, и учебно-научная база МГУ им. проф. А.П. Соловова (в сел. Н. Унал).
Долина реки Ардон в районе сел. Унал характеризуется своим особенным микроклиматом; она находится в дождевой "тени" под защитой Скалистого хребта. Средняя температура самого теплого месяца, июля, составляет +16°С, самого холодного, января, -2°С. Годовое количество осадков составляет 300-400 мм с наибольшим выпадением летом и осенью.
Район относится к горно-степной зоне, занимающей межгорныедепрессии между Скалистым, Боковым и Водораздельными хребтами. В депрессиях под влиянием сухого и относительно теплого климата сформировались своеобразные горно-степные почвы под разреженным травянистым покровом и горно-луговые почвы под хорошо развитой субальпийской разнотравной растительностью (почвообразующие породы -известняки). По характеру почвы имеют сходство с черноземами и даже каштановыми почвами (преимущественнона террасах р. Ардон). По долинам больших рек от Бокового до Скалистого хребтов развиваются коричневые горные лугово-степные почвы с ковыльно-злаковой растительностью. Кроме того, в пределах долины выделяются склоновые горно-лесо-луговые бурые оподзоленные и перегнойно-карбонатные почвы.
Сельское хозяйство в районе имеет профилирующее плодово-овощное и животноводческое направление. Здесь широко развиты яблонево -грушевые сады, имеющие местное промышленное значение. Среди овощных и зерновых сельскохозяйственных культур наибольшим распространением пользуются картофель, кукуруза, бобовые. Промышленность в большей степени связана с добычей, обогащением и переработкой полезных ископаемых. Главная транспортная <артерия> – Транскавказская автомагистраль (ТРАНСКАМ) – проходит по левому борту долины р. Ардон.
Практически более половины горной территории Осетии относится к республиканским заказникам, на базе которых в 1967 году организован Северо-Осетинский Государственный заповедник.
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.
Садонский рудный район, в пределах центральной части которого находится изучаемая территория, характеризуется сложной блоково-глыбовой структурой и двухъярусным строением. Месторождения локализуются как в нижнем (Садон, Згид, Холст, Архон, Октябрьское, Буронское), так и в верхнем (Левобережное, Какадур-Ханикомское) структурных ярусах. Преобладающей формой рудных тел являются массивные плитообразные, реже ветвящиеся субвертикальные жилы, приуроченные к мощным зонам дробления и разломов. Размеры жил самые различные – протяженность 10n-100n м, мощность от 0,1 м до n м. Главными минералами руд являются сфалерит, галенит, пирит, пирротин, халькопирит; второстепенными – арсенопирит, марказит, магнетит; жильными – кварц, кальцит. Помимо основных полезных компонентов – Pb и Zn – промышленное значение в комплексе имеют Ag,Cd,In,Cu. Распределение полезных компонентов в руде неоднородно: среднее содержание Pb колеблется от 0,42 до 12,8% , Zn – от 1,87 до 26,2% . В отдельных обогащенных местах содержание этих элементов достигает 50%.
В районе действовали и продолжают действовать большое количество рудников Садонского свинцово-цинкового комбината. Со всех месторождений руды поставляются на Мизурскую горно-обогатительную фабрику (МГОФ), расположенную в 8-10 км южнее сел. Унал вверх по течению р. Ардон в пос. Мизур. Официально она была открыта в марте 1929 года и в настоящее время является главным источником техногенного загрязнения окружающей среды в районе. При нормальном обеспечении МГОФ за сутки перерабатывала до 20000 тонн руды. Полученные в результате селективной флотации свинцовые и цинковые концентраты содержат: Pb, Bi, Sb, Ag, Au, Cu, Zn, Co, As (свинцовый); Zn, Cd, Co, Pb, S, Sb, Ag, Fe, In (цинковый). Концентраты транспортируются в г. Владикавказ для выплавления металлов на заводе <Электроцинк>.
Хвосты до 1 января 1984 года складировались в чаше временного хвостохранилища, расположенного в узкой боковой долине (левый приток р. Ардон) над г. Мизур. С 1929 по 1984 гг. МОФ работала в режиме зимнего хранения хвостов, и сбрасывала их в реку Ардон в паводковый период. Попадание шахтных и производственных стоков в реку привело к сильному загрязнению речной воды и донных отложений Pb, Zn, Cu, Cd, Ag на всем ее протяжении, поэтому встал вопрос о постройке нового хвостохранилища.
Хвостохранилище, расположенное в долине р. Ардон в 500 м севернее сел. Унал, как и большинство источников техногенного загрязнения (ГОК, часть отвалов и штолен) исследуемого района находятся в густонаселенном районе.
Специализированные эколого-геохимические работы на территории Северной Осетии начались с 1982 г. после решения Мингео СССР о проведении исследований по проблеме <Охрана природы и рациональное использование природных ресурсов> от 31.03.1981 г. Среди них можно выделить работы Центральной опытно-методической геохимической экспедиции (ЦОМГЭ) ИМГРЭ (сел. Ниж. Бирагзанг) в различные годы. В предшествующих работах столь комплексного исследования с изучением состояния растительности не проводилось; основной причиной формирования почвенных аномалий на нижних террасах р. Ардон назывались арыки, а вклад ветровой эрозии хвостохранилища оценивался, как минимальный.
Глава 2. Методика исследований.
Полевые исследования в районе Унальского хвостохранилища проводились в 1989-2004 г.г. и включали в себя:
эколого-геохимическое картирование территории с опробованием почв, вод и донных отложений водотоков;
мониторинговые исследования в районе Унальского хвостохранилища с опробованием почв, растительности, поверхностных вод, рудничных вод, отвалов, сухой части поверхности хвостохранилища и пылевых выпадений.
Почвенные пробы отобраны по 9-ти профилям, ориентированным вкрест простирания предполагаемой техногенной аномалии. Сеть опробования составляла 200×50 м., пробы отбирались с поверхности (10-15 см). Для изучения проникновения загрязнения на глубину проходились шурфы глубиной до 1 м с погоризонтным опробованием с интервалом 0,2 м. Опробование донных отложений проводилось из русел р.р. Майрамдон и Уналдон из песчано-глинистой фракции руслового аллювия с шагом 100 – 250 м. Пробы воды отбирались по разреженной сети: расстояние между пунктами 1000 – 1500 м.
Опробование рудничных вод проводилось в местах их излияния из штолен, а также из рек в 100 м выше и ниже по течению от места впадения рудничных вод.
Опробование представительных видов растительности (листьев и плодов яблонь, картофеля, кукурузы, спилов деревьев) проводилось параллельно с отбором почвенных проб (на нижних террасах р. Ардон – с каждой 3-й почвенной пробой, на остальной территории – с каждой 5-7-й). Опробование хвостохранилища проводилось с поверхности по периметру (по сухой части), шаг опробования 100м.
Для оценки количества пылевых выпадений в 1998 – 2000 г.г. использовались смывы с листьев и плодов яблони, в 2003 пыль собиралась в специальные емкости с водой. После фильтрации через фильтр <синяя лента>, анализировались как твердая, так и жидкая фазы атмосферных выпадений.
Для определения концентраций химических элементов в пробах почв, донных отложений, отвалов, сухой части хвостохранилища и растительности использовался приближенно-количественный спектральный анализ, который выполнялся в лаборатории Опытно-методической экспедиции (ОМЭ) (г. Александров). Лаборатория имеет свидетельство об аттестации и обеспечена необходимыми государственными стандартами и образцами.
В пробах почв, отвалов, сухой части хвостохранилища и донных отложений определялись содержания 36 химических элементов: Cu, Zn, Pb, Ni, Co, Cr, V, Mo, Ag, Mn, As, Sb, W, Sn, Bi, Ba, Sc, Ti, Li, Be, Nb, Y, Yb, Zr, Hf, La, Ce, Cd, In, P, Ge, Ga, Sr, Ta, Tl и B, предварительное истирание проб проводилось в той же лаборатории. Определение содержаний 12 химических элементов в пробах растительности проводилось после их предварительного сухого озоления: Cu, Zn, Pb, Ni, Co, Cr, V, Mo, Ag, Mn, Sn и Sr. Все метрологические характеристики анализов, проведенных в ОМЭ, не превышали допустимых пределов, предусмотренных действующими инструкциями.
Концентрации микроэлементов в пробах воды, пылевых смывах, вытяжках из почв, пыли и шлама хвостохранилища определялись атомно-абсорбционным анализом на спектрометре AAS-3 фирмы Карл Цейсс Йена с дейтериевым корректором в пламени воздух – ацетилен (кафедра геохимии, МГУ). Предварительная подготовка проб проводилась в лаборатории кафедры геохимии МГУ.
Для разделения растворимых и взвешенных форм тяжелых металлов в природных водах проводилась их фильтрация через мембранные фильтры с диаметром пор 0,45 мкм. Гидропробы концентрировались методом упаривания в присутствии хлорной (HClO4) и азотной (HNO3) кислот, в соотношении 1:3. Пробы пыли и водной взвеси озолялись при t – 400°C (с добавлением капли HNO3), разлагались плавиковой (HF) и хлорной (HСlO4) кислотами. Подвижные формы тяжелых металлов извлекались из почв вытяжкой ацетатно-аммонийного буфера (ААБ) с рН = 4,8. Отношение твердой фазы к жидкой = 1:10.
Изучение форм нахождения микроэлементов в пыли, почвах, шламе хвостохранилища проводилось методом последовательных вытяжек, методами рентгенофазового, минералогического и микрозондового анализов.
В отдельных пробах пыли и почв для детального сравнения содержаний микроэлементов между аномалиями использовался количественный спектральный анализ (спектральная лаборатория кафедры геохимии, МГУ) и инверсионный вольтамперометрический (химическая лаборатория кафедры геохимии, МГУ).
Макросостав природных вод определялся методом объемного химического анализа по стандартным методикам [Руководство , 1977], измерение pH проводилось в момент отбора проб полевым pH-метром. Макросостав почв определялся методом силикатного анализа в лаборатории ЛОГС (геологический факультет, МГУ), содержания Сорг., N, S определялись методом сухого сжигания в ВНИИ Защиты растений.
Обработка и количественная интерпретация геохимических данных осуществлялась с помощью программного пакета "Gold digger" (разработан на кафедре геохимии МГУ).
При обработке геохимических данных производилось определение параметров фона (СФ – фоновые концентрации и ф – стандартный множитель), минимально-аномальных концентраций (Смин.ан.), средних содержаний в контуре аномалий (Сан. ср.), коэффициентов концентрации (Кс) химических элементов [Справочник , 1990], пылевая нагрузка [Сает и др., 1990]. Доля подвижных форм металлов от их валовых (общих) концентраций определялась по формуле: доля п.ф.% = (СI / СII)*100%, где СI – содержание химического элемента в почвенной вытяжке, СII – валовое содержание химического элемента в почве.
Для характеристики загрязнения в изученных компонентах окружающей среды использовались отношения содержаний химических элементов к ПДК (ОДК) (КПДК) и суммарный показатель загрязнения Zс [Сает и др., 1990]. Количественная оценка степени техногенного загрязнения почв проводилась по методам интерпретации геохимических аномалий, разработанных в прогнозно-поисковой геохимии [Справочник , 1990]. Определение уровней загрязнения по значениям суммарного показателя Zс в почвах, растительности и донных отложениях проводилось в соответствии с существующими нормативами [Методические рекомендации . . ., 2001].
Глава 3. Источники загрязнения и механизмы поступления тяжелых металлов на территорию района.
На территорию района поступление ТМ происходит в составе двух антропогенных потоков: водного (с водами р. Уналдон по системе арыков), наиболее значимого для цинка, и аэрального (за счет дефляции сухой части хвостохранилища), более значимого для свинца.
Река Уналдон, в верховьях которой находится рудник Холст и поисково-разведочные штольни полиметаллических месторождений – Джими, Уарахком, Хороновское, а также поля рассеяния сульфидов рудопроявлений Сухой Лог, Ахшартырахское, Верхнеунальское и Крутое, собирающая стоки с отвалов Холстинского и Джимидонского ущельев, содержитв аллювии и взвеси высокие концентрации ТМ.
Наиболее загрязненные участки р. Уналдон (табл. 1) относятся к зонам непосредственного влияния отвалов и штолен (р. Джимидон – отвалы штолен N 3, 45, руч. Верхнеунальский – штольни N, 8, 47-месторождение Джими-Бозанг; руч. Холстдон – отвалы штольни Нижняя, р. Уналдон после впадения всех притоков – отвалы штольни N 43, штольня N44 -месторождение Холст), а также к участку после впадения всех притоков до устья. Средние значения Ксв районе отвалов составили: для цинка – 44, для кадмия – 95, для свинца – 7. В нижнем течении отмечается падение концентраций Zn и Cd (Кс для Zn – 20, Cd – 52) и увеличение Pb (Кс – 17). Превышение предельно допустимых концентраций для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования отмечается только для кадмия. Он тесно связан с цинком (этот факт подтверждается их тесной корреляционной связью (0,989, r1% = 0,708, n = 12)) что, несомненно, является следствием его изоморфизма цинку.
В пробах, отобранных в районах влияния отвалов, и в штольневых водах характер вод с гидрокарбонатного меняется на сульфатный. Несмотря на большое количество сульфатов и повышенную минерализацию относительно природных уровней, воды остаются нейтральными. В устье р. Уналдон, также увеличивается количество сульфат иона. По даннымпоследних 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. по ущельям р.р. Майрамдон и Уналдон, в результате которого некоторые отвалы, расположенные на склонах речных долин, были смыты в реку.
Таблица 1. Средние содержания ТМ (вмкг/л) в поверхностных водах района (1992—2004г.г.)
Места отбора проб
Pb
Zn
Cd
р. Ардон выше хвостохранилища
5,1
116
0,48
слив хвостохранилища
9,9
71
0.96
р. Ардон ниже хвостохранилища
12,9
136
0,64
р. Джимидон под отвалами Джими
2,3
842
2,85
участок впадения р. Холстдон
0,7
329
1.7
участок впадения руч. Верхнеунальского
1,5
181
1,22
устье р. Уналдон
5,9
371
1,57
верхний арык
8
221
–
нижний арык
1,2
163
–
Штольня 43
443
n*105
161
ФОН
0,35
19
<0.03
Река Уналдон, содержит высокие концентрации ТМ (в основном Pb и Zn, в меньшей степени Cu, Ag и Cd) во взвеси. Концентрации ТМ во взвесях достигают 4100 мг/кг цинка, 400 мг/кг свинца и 300 мг/кг меди. В среднем по р. Уналдон свинец больше переносится во взвешенной форме (>50% после впадения основных притоков), чем цинк (25%).
В результате литохимического опробования р. Уналдон и ее притоков практически на всем ее протяжении выявлены повышенные содержания Zn, Pb, Ag, Cu, Cd, As, Co, Bi, и Li, значительно превышающие фоновые концентрации для данного района (табл. 2). В качестве фоновых были взяты пробы из Среднего ручья, в бассейне которого отсутствуют рудопроявления, штольни и отвалы, являющиеся основными загрязняющими факторами.
Концентрации цинка в донных отложениях р. Уналдон только в единичных пробах не превышают минимально аномального значения. Это же, в несколько меньшей степени, относится к концентрациям свинца и серебра. Для остальных элементов, помимо участков отвалов, аномальные содержания в донных отложениях отмечаются в нижнем течении р. Уналдон.
Загрязнение донных отложений носит комплексный характер. Основные загрязнители: Zn, Pb, Ag, As, Cu, Sn, Bi. Суммарный показатель загрязнения в районе отвалов (руч. Джимидон, Верхнеунальский) по данным 1997 – 1998 годов достигает 128, что является высоко опасным уровнем и характеризует экологическую обстановку, как чрезвычайную. Для участка нижнего течения р. Уналдон после впадения основных притоков значения Zc несколько ниже: среднее – 27, что соответствует умеренно опасному уровню загрязнения (рис. 2).
Таблица 2. Геохимические характеристики аномалий в донных отложениях р. Уналдон, мг/кг.
Cф
Cмин. ан.
Cср. ан.
Кс
Cmax
Кс max
Zn
62
200
750
12,1
3000
48,4
Pb
13
40
140
10,8
600
46,2
Ag
0.054
0,15
0,33
6,1
1,2
22,2
Cu
26.3
50
78
3
200
7.6
As
<10
30
80
>8
300
>30
В 2001 году после катастрофического схода селевого потока, экологическое состояние донных отложений значительно ухудшилось. В 2003 году было опробовано русло р. Уналдон ниже впадения основных притоков. Сравнение концентраций основных загрязняющих веществ по этому участку в 1998 и 2003 г.г. приводится в табл. 3.
Таблица 3. Характеристики аномалий ТМ в донных отложениях р. Уналдон врайоне сел. Унал, мг/кг.
Cа3
Cср.ан.
Кс
Cmax
1998 г.
Zn
15,3
49
7,9
100
Pb
3,6
9,6
7,4
15
2003 г.
Zn
18,7
156
21
300
Pb
6,2
38
16.5
100
Среднее значение суммарного показателя загрязнения на этом интервале русла в 2003 г. составило 70, максимальное – 123 (в 1998 г. – максимальное 64) (рис. 2). Основной вклад в загрязнение вносят: Zn>Pb>Ag>Sn>As>Mo>Cu. Таким образом, уровень загрязнения данной территории после 2001 года стал высоко опасным, что еще раз подтверждает тезис о том, что горные районы являются территориями с высоким риском экологических катастроф.
Загрязнение донных отложений реки Уналдон, сохраняющееся в течение длительного времени, представляет несомненную опасность, поскольку способно стать источником вторичного загрязнения поверхностных вод.
Влияние вод р. Уналдон на загрязнение р. Ардон вследствие большой разницы расходов и высокой степени загрязненности самой р. Ардон незначительно. Более существенную роль играет хвостохранилище, слив которого непосредственно попадает в р. Ардон. Концентрации Pb в р. Ардон ниже хвостохранилища в среднем в 2 раза выше, чем до хвостохранилища и впадения р. Уналдон, а содержания в сливе хвостохранилища, в свою очередь, в 2 раз выше, чем в устье р. Уналдон. Для Zn и Cd в последнем случае наблюдается обратная картина.
Абсолютные цифры выноса тяжелых металлов с водами р. Уналдон при расходе воды 0,95 м3/сек. (сентябрь 2004) 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: Pb – 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 и кадмия р. Уналдон, водосборная площадь которой включает в себя многочисленные рудопроявления, отвалы и штольни, существенно преобладает над поступлением со сливом хвостохранилища.
Рис. 2. Изменение Zc, концентраций Zn и Pb в донных отложениях р. Уналдон (1998, 2003 г.г)
Воды р. Уналдон интенсивно используются для полива садов и огородов. Коэффициенты концентрации в воде арыков достигают по Zn – 22, по Pb – 30. Содержания ТМ в донных отложениях арыков аналогичны содержаниям в донных отложениях устья р. Уналдон. Поступление металлов только с водой одного арыка при расходе 0,02 м3/сек. составляет n г/сут. Pb, nћ100 г/сут. Zn. Поступление вод р. Уналдон с высокими содержаниями ТМ в аллювии и взвеси в арычную сеть способствует формированию контрастных ореолов рассеяния токсичных микроэлементов в почвах сел. Унал. Это определяет высокие содержания токсичных элементов в растительной массе, а именно в овощах и фруктах, что неизбежно наноситвред здоровью человека.
Существенным фактором, определяющим загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (Pb, Zn, Cu, Cd), является дефляция поверхности хвостохранилища. Оно расположено в пойме реки Ардон (на левом берегу) в 500 м севернее сел. Н. Унал (рис. 1). Ложем хвостохранилища являются галечники р. Ардон. Правый борт отделен от русла реки бетонной дамбой, укрепленной с низовой стороны железобетонной подпорной стеной. Левый – достаточно близко подходит к <Транскаму>. По гребню дамбы проложен пульпопровод с ответвлением трубопроводов для слива пульпы в хвостохранилище. В чаше хвостохранилища устроено водосборное сооружение шахтного типа с отводящим трубопроводом, по которомуосуществляется сброс в р. Ардон осветленной части, поступившей в хвостохранилище пульпы. В целях предотвращения дефляции используется принудительное орошение. С низового бьефа дамбы у водосборного колодца установлены насосы, подающие осветленную в хвостохранилище воду на пылеподавление намывного пляжа в верхнем бьефе. При интенсивном орошении значительная часть хвостов находится под зеркалом воды, что затрудняет доступ кислорода в глубокие слои и замедляет процессы окисления сульфидов. Однако, как правило, только около 50% поверхности хвостохранилища покрыто водой. В зимний период полив не производится, и в малоснежные годы ветровая эрозия с поверхности хвостохранилища достаточно интенсивна (район характеризуется сильными долинными ветрами вдоль ущелья, что не было учтено при строительстве хвостохранилища).
По данным комбината на 1.01.1998 года объем хвостов составил 3766 тысяч тонн, в том числе 6448 тонн свинца, 5955 тонн цинка, 19 кг золота, 13551 кг серебра, 18 тонн висмута, 14 тонн кадмия.
Опробование поверхности сухой части хвостохранилища выявило следующие средние концентрации металлов (в %*10-3): 40 – Cu, 235 – Zn, 193 -Pb, 2,1 – Ni, 2,8 – Co, 16 – Cr, 4 – V, 0.5 – Mo, 0.4 – Ag, 190 – Mn, 28 – As, 1,3 – Sn, 2,3 – Bi, 168 – Ti, 14 – Zr, 46 – P, 1,2 – B, 0,6 – Cd. По результатам дисперсионного анализа хвостов МОФ (1988 г.) большая часть свинца приурочена к самой мелкой фракции (<0,006 мм), для цинка также характерно распределение по 4-м мелким фракциям (<0,044 мм).
Средние количества пыли и содержания в ней основных рудных элементов приведены в табл. 4. На нижних террасах р. Ардон среднее количество пыли в 2 раза выше, чем на верхних и в районе Луарского оползня. При этом в пылевых выпадениях на всей территории превалирует Zn: отношение Pb/Zn на верхних террасах – 0,37, в районе Луарского оползня – 0,46 и только на нижних террасах в соотношении основных рудных элементов увеличивается доля Pb (Pb/Zn – 0,80).
Таблица 4. Средние концентрации ТМ в пыли района действия Унальского хвостохранилища, 1998—2000 г.г.
вес пыли, кг/км2/сут
Pb, мг/кг
Zn, мг/кг
интервал
среднее
интервал
среднее
интервал
среднее
нижние террасы
74 – 304
165
75 -520
292
218-540
368
верхние террасы
42 – 110
87
56-197
122
133-544
326
Луарский оползень
71 – 83
77
66-110
97
136-259
208
На нижних террасах р. Ардон и макросостав пыли ближе к составу хвостохранилища (более 90% кварца, полевые шпаты > хлорит > слюды). Пыль на верхнем участке отличается меньшим количеством кварца (70%) и хлоритов и большим количеством глинистых минералов. По микросоставу пыль на нижних террасах также близка к составу шлама хвостохранилища, соотношение основных рудных элементов в котором (Pb/Zn) = 0,95.
В среднем, концентрации свинца в пыли на нижних террасах р. Ардон в 2 раза выше, чем на верхних и в 3 раза выше, чем в районе Луарского оползня; концентрации цинкаотличаются меньшей вариацией: на нижних террасах в 1,3 раза выше чем на верхних и в 2,4 – выше, чем на Луарском оползне; концентрации серебра и меди на нижних террасах в 1,5 раза выше, чем на остальных участках.
Рис. 3. Формы нахождения Pb и Zn в пыли в районе Унальского хвостохранилища, мг/кг (1 – верхние террасы р. Ардон, 2 – нижние, 3 – район Луарского )
При исследовании форм нахождения Pb и Zn в твердой фазе пыли, смытой с листьев, было выявлено, что на нижних террасах р. Ардон 60% Pb находится в форме, извлекаемой ацетатно-аммонийным буфером, в то время как на верхних и в районе Луарского оползня доля этих форм свинца составляет 40% (рис. 3). 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 ПФ свинца также увеличиваются от устья р. Майрамдон к устью р. Уналдон от 30 до 46%). Существенную долю составляют сульфиды и формы, связанные с окислами и гидроокислами железа и марганца (кислотная вытяжка). На двух остальных участках увеличивается доля свинца, связанного с органическим веществом. В шламе хвостохранилища также велика доля сульфидов (35%) и карбонатов (извлекаемых ААБ – 29%). Значительное участие сульфидов в балансе металлов (достаточно аномальное для зоны гипергенеза, поскольку сульфидные минералы неустойчивы в условиях окислительной ландшафтно-геохимической обстановки) связано с их постоянным поступлением в составе пульпы с пустой породой, попадающей в 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, на нижних террасах извлекается меньше (рис. 3). 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). Существенную долю составляет цинк, прочно связанный в нерастворимых силикатах (остаток), вероятно за счет образования цинковых глинок [Яхонтова Л. К и др., 1978]. На двух остальных участках аналогично свинцу увеличивается доля металла связанного с органическим веществом.
Расчеты интенсивности пылевых выпадений (по данным 2003 г.) показывают, что величина этого показателя в различных участках нижних террас р. Ардон меняется от 74 кг/км2/сутки до 304 кг/км2/сутки (табл. 4). Таким образом в среднем, учитывая средние концентрации ТМ в пыли, поступление свинца на нижних террасах в твердой фазе составляет 50 г/км2/сут., цинка – 61 г/км2/сут. Эти данные не учитывают поступление ТМ с жидкой фазой, которая по нашим данным может составлять до 90% общего аэрального поступления. Общее поступление свинца на территории сада в жидкой и твердой фазе составило 460 г/км2/сут., поступления цинка – 550 г/км2/сут.
Глава 4. Техногенные аномалии в почвах района.
По данным литохимических съемок 1989-1993 г.г. и мониторинговых исследований 1997 – 1999 г.г. в районе Унальского хвостохранилища в почвах выявлена комплексная аномалия техногенного происхождения. Пространственная структура аномалии определяется морфологией долин р.р. Ардон и Уналдон и имеет протяженность до 1,5 км при ширине 0,2-0,8 км. Для выявленныхореолов характерна комплексность состава, отсутствие продольно-поперечной зональности, совпадение центров с максимальными содержаниями рудных элементов и пространственная близость к источникам загрязнения, что, в целом, свидетельствует об их техногенном происхождении. Фоновые и минимально аномальные значения содержаний химических элементов при исследовании техногенного загрязнения почв были приняты на основе работ на геохимически чистых территориях в сходных ландшафтах Северо-Осетинского заказника в верховьях р. Майрамдон.
По результатам спектрального анализа почв района Унальского хвостохранилища выявлено наличие высоких концентраций свинца, цинка, меди и серебра, обнаружены единичные пробы с аномальными содержаниями кадмия, олова, висмута, ртути и мышьяка, превышающими минимально аномальные концентрации для почв. Наиболее высокие содержания, как в среднем по ореолам (Сср.), так и максимальные (Смах), характерны для свинца, цинка и серебра. В результате анализа моноэлементных карт масштаба 1:20000 выделены два основных участка загрязнения почв, объединенных в плане по долине р. Уналдон – на террасах р. Ардон (нижняя) и на правобережье р. Уналдон (верхняя). Верхняя аномалия приурочена к сочленению верхних террас р. Ардон и долины р. Уналдон. Нижняя аномалия вытянута на 1 и 2-ой надпойменных террасах р. Ардон. С южного и западного ее краев по селу проходят дороги: к базе МГУ вдоль р. Ардон и вверх по долине р. Уналдон к месторождениям Джими, Холст и др., по которой перевозят руду. Основные характеристики геохимических аномалий приведены в табл. 5.
За период с 1989 по 1999 г.г. средние содержания в контурах обеих аномалий снизились по свинцу, что обусловлено начавшимся в 1989 году принудительным поливом хвостохранилища; выросли по цинку (поскольку помимо хвостохранилища существенным источником поступления Zn являются арыки); и практически не изменились по меди и серебру. Удельная продуктивность (количество металла), рассчитанная через площадную продуктивность (P, м2%) с учетом изменения содержаний на глубину 0.2 м по данным 1993 г. составила 150 т Zn, 32 т Pb, 16 т Cu и 0,07 т Ag. Необходимо учесть, что поскольку в 1989 г. часть участка верхней аномалии не была покрыта съемкой, в 1993 году площадь съемки на этом участке была наращена, что нашло отражение в существенном увеличении удельных продуктивностей на верхнем участке. В этой связи изменения площади загрязнения за период 1989 – 93 г.г. оценивались по нижней аномалии. Они выразились в увеличении площади техногенных аномалий меди с содержаниями, превышающими Смин.ан. (в тыс. м2, с 513 до 750), сохранении площади аномального поля свинца (470) и уменьшении цинка (583 – 428) и серебра (434 – 327).
Таблица 5. Содержания (мг/кг) и удельные продуктивности (т/0,2 м) рудных элементов в почвах района. (1 – верхняя аномалия, 2 – нижняя аномалия)
Год
Сф
Смин. ан.
Cмакс.
Сан.ср.
Кс(ср.)
q, т/0,2 м
1
2
1
2
1
2
1
2
Zn
89
100
252
2000
3000
892
640
8,9
6,4
17
87
93
80
210
5000
2500
1158
725
14,5
9,1
72
84
99
96
202
2500
3000
1250
1025
13
11
–
Pb
89
45
102
1000
1500
425
323
9,4
7,2
7
27
93
37
99
500
500
198
182
5,4
4,9
10
22
99
43
92
400
650
205
233
4,8
5,4
–
Сu
89
27
57
120
120
80
74
3,0
2,9
2
8
93
28
49
120
150
67
68
2,4
2,4
4
12
99
30
53
150
100
91
68
3,0
2,3
–
Ag
89
0,06
0,16
2
2
0,65
0,50
11
8,3
0,01
0,07
93
0,08
0,23
1,5
1,0
0,55
0,49
6,9
6,1
0,02
0,05
99
0,10
0,18
1,2
1,5
0,59
0,56
6
5,6
–
В целом, с 1989 по 1993 г.г. аномалии цинка на обоих участках стали более контрастными: при общем уменьшении площади нижней аномалии площадь с превышением над фоном в 2,5 раза осталась прежней, а площадь аномалии с С>5ћCмин.ан. увеличилась в 2 раза. На верхнем участке при увеличении общей площади почти в 3 раза, площади с 2,5 и 5-тикратным превышением над фоном увеличились почти в 4 раза (3,7 и 3,8 раз соответственно). На обоих участках появились площади с 10-тикратным превышением над минимально аномальным значением: 15 и 13 тыс. м2 на верхней и нижней соответственно. По меди, при почти двукратном увеличении площади и общем снижении среднеаномальных значений, контрастность также возросла: появились участки с превышением над минимально аномальным в 2,5 раза. Для свинца, при общем увеличении площади, контрастность аномалий существенно снизилась: площадь нижней аномалии с С>2,5ћCмин.ан. снизилась почти в 3 раза, а общая площадь с мин.ан. уменьшилась на порядок. Аналогично снизилась и контрастность аномалий серебра. На нижнем участке площадь по уровням снижается в: 1,3 – 2,8 – 7 раз.
Концентрации цинка в нижней аномалии всегда в 1,2-1,5 раза ниже, чем в верхней. По меди существенных отличий между аномалиями нет. Концентрации свинца в 1989 г. были выше на верхней аномалии, но за 10-тилетний период обстановка поменялась на противоположную: к 1997-99 году уже нижний участок характеризуется более высокими концентрациями. Концентрации серебра за этот период также выросли на нижней аномалии, но не превысили концентрации на верхней.
Аномалии в почвах характеризуются комплексностью состава: основной вклад в загрязнение помимо Zn и Pb вносят: Ag>Cu>Cd>Bi>As. Общая площадь аномалий с Zc больше допустимого (>16) с 1989 по 1993 г.г. практически не изменилась, площадь с опасным уровнем загрязнения уменьшилась в 1,5 раза, а с высоко опасным – в 2,6 раза. Тем не менее площадь в 17 тыс. м2 должна быть охарактеризована, как территория с чрезвычайной экологической обстановкой (рис. 4, табл. 6). Максимальные значения Zсв 1989 году достигали 149. К 1993 году это значение снизилось до 139, и по данным 1997-99 г.г. этот уровень загрязнения сохраняется.
Рис. 4. Литохимические аномалии по суммарному показателю загрязнения Zс 1989, 1993.
Таблица 6. Площади загрязнения территории района Унальского хвостохранилища по суммарному показателю загрязнения, тыс. м2.
Год
S с Zс>8
S с Zс>16
S с Zс>32
S с Zс>64
допустимый
умеренно опасный
опасный
высоко опасный
1989
621
373
210
44
1993
665
363
143
17
Изучение распределения валовых содержаний основных рудных элементов района по вертикальному разрезу почвенных профилей показало стабильное, иногда достаточно резкое, падение абсолютных содержаний Pb и Zn с глубиной, что подтверждает техногенную природу выявленных аномалий. Максимальные концентрации тяжелых металлов приурочены к верхним горизонтам почвенного разреза. Отсутствие корреляции между содержаниями ТМ и органического углерода так же позволяет говорить, что высокие содержания ТМ в верхнем горизонте почв связаны не с аккумуляцией гумуса, а с техногенным воздействием. Этот факт распространяется не только на валовые концентрации, но и на подвижные формы. Наибольшее проникновение загрязнения на глубину отмечено для шурфов в районе моста через р. Ардон: 150 мг/кг по свинцу и 575 мг/кг по цинку на глубине 0,75 м. А также в районе моста через р. Уналдон (дорога к базе МГУ) и на участке верхней аномалии. При этом, если в 1990 году, на всей площади аномалии в долине р. Уналдон (при общем падении валовых содержаний Pb и Zn с глубиной) содержания Pb падали до значений ПДК, в 1993 году на всю глубину опробования содержания Pb > ПДК. Содержания Zn в 1990 г. только в двух шурфах, пройденных в максимумах нижней аномалии, не опускались ниже ОДК на всю глубину опробования, а в 1993 г. – в половине всех пройденных шурфов [Нормативные , 1994]. Таким образом, данные по распределению Pb и Zn по почвенным горизонтам в 1993 г. и 1994 г. свидетельствуют об общем росте мощности загрязненного слоя по сравнению с 1989 г., что видно по увеличению аномальных площадей на глубинах >0.25 м.
Изучение содержаний ПФ в вертикальном разрезе почвенного профиля показало не только тенденцию падения абсолютных содержаний с глубиной, но и в целом уменьшение доли ПФ в нижней части профиля.
Полученные данные по формам нахождения металлов отражают отличия в поведении металлов, обусловленные в том числе различными источниками поступления, что выражается большей степенью извлечения цинка: с нерастворимыми силикатами или труднорастворимыми первичными минералами связано 3,9 % цинка и 13,2 % свинца (рис. 5). 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.
Рис. 5. Распределение ТМ по формам нахождения в почвах, 1999
Значительно большая доля цинка (в формам нахождения в почвах, 1999 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 %. Данные рентгенофазового анализа подтвердили наличие в почвах собственной минералогической фазы свинца – гидроцеруссита.
Почвенные аномалии ПФ ТМ существенно более контрастны. Кроме того, в отличие от валовых содержаний, с 1989 по 1997 г.г. они значительно увеличились и качественно, и количественно: по данным 1993 года были выделены аномальные участки с 20-тикратным превышением ПДКп.ф, как для цинка так и для свинца. Сравнение этих данных с данными предыдущих лет позволяет говорить о тенденции увеличения доли ПФ Zn и Pb в обеих аномалиях (табл. 7).
Таблица 7. Средние концентрации валовых и подвижных форм Pb и Zn в почвах (мг/кг).
Год
Аномалии
Кол-во проб
Свинец
Цинк
содержания
%
Кс
содержания
%
Кс
Вал
ПФ
вал
ПФ
1989
нижняя
19
268
48
17,9
6,9
661
127
19,2
7,9
верхняя
275
32
11,6
4,6
875
139
15,9
8,7
1994
нижняя
8
250
50
20,0
7,1
1500
513
34,2
32,1
верхняя
1100
67
6,1
9,5
1500
154
10,3
9,6
1997
нижняя
22
241
88
36,5
12,6
1417
913
64,4
57,1
верхняя
211
51
24,2
7,3
1613
403
25,0
25,2
1999
нижняя
10
234
120
51,3
17,1
1200
800
66,7
50,0
верхняя
200
80
40,0
11,4
1500
825
55,0
51,6
фон
5
28
7
25,0
–
87
16
18,4
–
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 загрязненияна нижних террасах р. Ардон (фруктовые сады). За период 1989 – 1999 г.г. в почвах нижних террас установлено увеличение подвижных форм Pb в 2,5 раза. В твердой фазе пыли на этом участке (1999 г.) подвижные формы свинца составляют 60%, и 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, 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.
Глава 5.
Геохимическая оценка загрязнения растительности.
Фруктовый сад на нижних террасах р. Ардон является естественным барьером на пути аэротехногенных выпадений с хвостохранилища. Пылевая нагрузка в первую очередь определяет повышенные содержания ТМ в листьях яблонь (табл. 8). Корреляция между содержанием свинца в листьях и пыли (0,73, 1% – 0,623, n=16) более значима, чем в листьях и почве (0,592, r5% – 0,497, n=16), для цинка – более значимо почвенное поступление, о чем свидетельствует положительная корреляция между содержаниями в почве и листьях (0,55, r5% -0,497, n=16).
Таблица 8. Концентрации ТМ в листьях яблонь, 1998 г. (мг/кг сух. вещества). (1 – верхняя аномалия, 2 – нижняя аномалия)
Сф
Смин.ан.
% ан. проб
Сср. на Sп. аномалии
Кс
Zc
1
2
1
2
1
2
1
2
Zn
51
106
0
38
84
114
1,6
2,2
2
10
Pb
22
39
0
100
18
96
0,8
4,4
Cu
15
30
0
12,5
11
21
0,7
1,4
Ag
0,085
0,186
0
63
0,07
0,21
0,8
2,5
Суммарный показатель загрязнения листьев яблонь нижних террасах р. Ардон в 1998 г. в среднем составлял 10, в 1999 г. – 20, в 2000 г. – 28 (основные загрязнители: Pb>Ag>Zn>Cu>Co>Bi). На верхних террасах по данным 1998-2000 г.г. Zc в листьях не превышает 8. Эти данные, во-первых, говорят о влиянии хвостохранилища на нижнем участке, а во-вторых, учитывая, что листья -ежегодно обновляемый орган растения, о росте темпов аэротехногенного поступления ТМ, связанном с восстановлением деятельности ССЦК фактически прекращенной в начале -середине 90-х годов.
Оценка влияния пылевого загрязнения по коре и спилам ольхи, ивы, яблони и груши (7-8 лет), растущим на нижних террасах р. Ардон в зоне непосредственного влияния хвостохранилища подтвердила тенденцию увеличения содержаний ТМ после постройки хвостохранилища в сравнении с более ранними промежутками времени. Но особенно высокие концентрации ТМ на порядок выше, чем в спилах, выявлены в пробах коры.
При изучении состояния сельскохозяйственных культур района опробовались плоды яблонь, картофель и кукуруза. Содержания ТМ в биопробах на исследуемой территории, в том числе и на фоновых участках, находятся на уровне и выше ПДК (Zn – 8,5% проб фруктов, 100% проб картофеля и кукурузы; Pb – 87% проб фруктов, 75% проб картофеля, 59% проб кукурузы). Учитывая, что природный почвенный фон исследуемого района обусловливает повышенные содержания ТМ в растениях, а также их различную способность к накоплению химических элементов, основным критерием при определении техногенного воздействия на загрязнение растительности являлся коэффициент концентрации.
По данным 1997 г. в пробах фруктов не обнаружено аномальных концентраций металлов на всем участке опробования (суммарный показатель загрязнения < 8). Тем не менее, на нижних террасах р. Ардон концентрации свинца в среднем в 2,3 раза выше фоновых, отмечены также повышенные концентрации серебра (Кс-1,7).
Похожая картина наблюдается и для кукурузы. В зернах кукурузы аномальные содержания отмечены только для цинка: на верхних террасах р. Ардон средний Кс – 3, на нижних – 2,4. (Zc 8 – на обоих участках). В силосе кукурузы только на нижних террасах, где важную роль играет пылевое воздействие хвостохранилища, отмечены аномальные концентрации свинца и серебра (Кс= 4,7 и 3,15 соответственно) и повышенные содержания цинка (Кс – 2,5) и меди (Кс= 1,5), не являющиеся аномальными. Суммарный показатель загрязнения =13.
Наиболее загрязненным из всех биопроб, употребляемых в пищу, является картофель. На верхних террасах аномальные концентрации отмечены для Ag и Pb, повышенные – для Zn и Cu (Zc-14), на нижних – Zn и Ag (Zc <8).
Сравнение с данными предыдущих лет показало, что с 1990 вырос только уровень загрязнения картофеля на верхней аномалии по Pb и Zn и силоса кукурузы на нижней аномалии по Ag. Для остальных культур по всем остальным элементам уровень загрязнения либо не изменился, либо снизился.
Сравнение данных по накоплению ТМ на нижних и верхних террасах р. Ардон по всем средам за 1997 г., показало, что наибольшие значения Ксдля Zn наблюдаются в донных отложениях (9 и 10), почвах по валовому содержанию (15 и 18) и в подвижной форме (25 и 57) и воде (26 и 33). Для яблок, пыли, листьев, картофеля и кукурузы концентрации цинка практически соответствуют фону (Кс<3). Существенная разница в концентрации цинка между верхними и нижними террасами наблюдается только по подвижным формам металла в почве (в 2,3 раза выше на нижней аномалии), а также в листьях яблони (в 1,72 раза), при том что Ксне превышает 2,5.
Степень накопления Pb на нижних террасах р. Ардон существенно выше, чем на верхних: в 14 раз в силосе кукурузы, в 5,5 раз в листьях, в 2,2 раза в яблоках, в 2 раза в пыли, в 3,3 раза в воде. В почвах, как и для Zn, значимых различий в накоплении по валовому содержанию между участками нет, но концентрация ПФ на нижних террасах в 1,72 раза выше. Преобладание концентрирования на верхних террасах отмечено только для картофеля (2,2) и зерен кукурузы (1,8), т.е. для проб, защищенных от пылевого воздействия хвостохранилища, что подтверждает его решающую роль в загрязнении свинцом нижних террас р. Ардон. В целом, максимальные коэффициенты концентрации отмечены для ПФ (14 и 8 на нижних и верхних террасах соответственно) и валовых концентраций металла в почве (9 и 8), а также в воде (14 и 4,5) и донных отложениях (8 и 6,5).
Похожая картина наблюдается и для серебра. В силосе кукурузы, листьях и плодах яблонь степень концентрации металла на нижних террасах существенно выше, чем на верхних (в 3,4, 3,4 и 2 раза соответственно). Наибольшая разница в пользу верхних террас (3,85 раза) отмечена для картофеля, концентрация серебра в почвах одинакова на обоих участках (5,0 и 5,1). Максимальные коэффициенты концентрации отмечены в картофеле на верхнем участке, почвах в целом и донных отложениях.
Наименьшие различия между террасами наблюдаются по накоплению меди. Только в почвах и водах отмечены коэффициенты концентрации этого элемента больше 2.
Соотношение надфоновых концентраций Pb и Zn (рис. 6) во всех исследуемых объектах, кроме картофеля и зерен кукурузы, существенно выше на нижних террасах. Максимальные отличия отмечены для силоса кукурузы (9 раз), ПФ металлов в почвах (6 раз), листьев яблони (3,5) и пыли (3), минимальные – для вод и донных отложений р. Уналдон (меньше 2).
Рис. 6. Соотношение надфоновых концентраций Pb и Zn в различных компонентах ПГС.
В наиболее подверженных пылевому воздействию объектах – листьях, кожуре яблок и в самой пыли на нижних террасах соотношение этих металлов близко к 1, что соответствует соотношению Pb/Zn в пробах с сухой части хвостохранилища. В почвах это соотношение, при превышении на нижней аномалии почти в 2 раза относительно верхней, невысоко (0,25), но очевидно пылеперенос играет существенную роль в поступлении ПФ свинца на нижних террасах р. Ардон – соотношение ПФPb/ПФZn на этом участке также близко к 1. Таким образом, соотношение основных рудных элементов (Pb/Zn) может служить репером для выделения аэротехногенного воздействия хвостохранилища при разделении источников загрязнения.
Основные выводы
В результате комплексного изучения компонентов ПГС в районе деятельности Садонского СЦК выявлены природные и техногенные аномалии в почвах, донных отложениях, водных системах и основных видах сельскохозяйственных культур района, связанные с вторичными ореолами и потоками рассеяния Pb-Zn месторождений и рудопроявлений, отвалами и рудничными водами месторождений Джими, Бозанг, Холст, переотложенными вторичными ореолами рассеяния рудопроявления Ахшахтырахское, системой арыков, ветровой эрозией Унальского хвостохранилища.
Основными источниками загрязнения водных систем района являются отвалы разведочных штолен месторождений Джими, Бозанг и Холст. К числу основных загрязнителей донных отложений относятся Zn>Pb>Ag>As>Cu>Sn>Bi. Уровень загрязнения донных осадков по суммарному показателю на участке нижнего течения после впадения основных притоков до 2001 г. был умеренно опасным (Zc = 27) и достигал высоко опасного только в районе отвалов (Zc = 128). После схода селевого потока в 2001 г. концентрации основных загрязнителей увеличились в 3 – 6 раз и уровень загрязнения участка нижнего течения стал высоко опасным (средний Zc = 70).
Поверхностные воды в основном загрязнены Zn, Cd и Pb (Ксдостигают 44, 95, 17 соответственно). Сан. меди отмечены в районе отвалов и в устье р. Уналдон. Участки максимального загрязнения совпадают с максимумами в донных отложениях. Абсолютные цифры выноса тяжелых металлов в р. Ардон водами р. Уналдон при расходе воды 0,95 м3/сек (сентябрь) составили: свинец – 0,37 кг/сут., цинк – 32 кг/сут., кадмий – 0,136 кг/сут.
На территорию района сел. Унал поступление ТМ происходит в составе двух антропогенных потоков: водного (с водами р. Уналдон по системе арыков), наиболее значимого для цинка, и аэрального (за счет дефляции сухой части хвостохранилища), более значимого для свинца. Аэротехногенное поступление основных рудных элементов на нижних террасах р. Ардон в районе сел. Н.Унал составляет 460 г/км2/сут. свинца и 550 г/км2/сут. цинка. Поступление с водой одного арыка составляет n г/сут. свинца и nћ100 г/сут. цинка.
Воздействие хвостохранилища обусловливает высокие концентрации ТМ в пыли, почвах и листве яблонь на нижних террасах р. Ардон. Интенсивность пылевых выпадений на территории сада – 74 – 304 кг/км2/сут. В составе твердой фазы 60% свинца и 40% цинка находится в подвижной форме. За период 1989 – 1999 г.г. в почвах сада установлено увеличение доли подвижных форм Pb с 18% до 51%, Zn с 19% до 67% что для свинца в абсолютных цифрах сопоставимо с количеством металла, поступившего за этот период аэротехногенным путем.
Литохимической съемкой масштаба 1:20000 выявлено загрязнение почв выше допустимого уровня на площади 370 тыс. м2 с максимумами на нижней террасе р. Ардон в районе Унальского моста и в районе сопряжения верхних террас р. Ардон и долины р. Уналдон. Наиболее высокие коэффициенты концентрации в почвах имеют Zn>Pb>Ag>Cu>Cd>Bi>As. На глубину 0,2 м в почвах района накоплено 150 т Zn, 32 т Pb, 16 т Cu и 0,07 т Ag. За период с 1989 по 1999 г.г. после организации принудительного полива хвостохранилища средние содержания в контурах аномалий по свинцу снизились в 1,6 раза. Средние содержания цинка выросли в 1,7 раза, поскольку помимо хвостохранилища решающую роль в поступлении металла в почвы играют арыки.
Не смотря на то, что природный почвенный фон района обусловливает повышенные (относительно ПДК) содержания ТМ в растениях, аномальные концентрации металлов в сельскохозяйственных культурах обнаружены только в зернах кукурузы (Zn) и картофеле (Ag и Pb 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 Pb и Zn.
Соотношение надфоновых концентраций Pb и Zn во всех исследуемых объектах, кроме картофеля и зерен кукурузы (защищенных от непосредственного пылевого воздействия), существенно выше на нижнем участке. В наиболее подверженных пылевому воздействию объектах – листьях, кожуре яблок и в самой пыли соотношение этих металлов близко к 1, что соответствует соотношению Pb/Zn в пробах с сухой части хвостохранилища. Таким образом, это отношение может служить критерием для выделения аэротехногенного воздействия хвостохранилища при разделении источников загрязнения.
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
Оценка эколого-геохимического состояния природных сред в районе Унальского хвостохранилища ССЦК. /3-я экологическая конференция студентов и молодых ученых ВУЗов г. Москвы <Охрана окружающей среды на пороге 3-го тысячелетия в интересах устойчивого развития>. -М., 1999. С. 127-130. Пряничникова Е.В.
Биогеохимические исследования в районе Унальского хвостохранилища. /Всероссийская научная конференция <Геология русской плиты и сопредельных территорий на рубеже веков>. -Саратов, 2000. С. 117. Пряничникова Е.В., Семенов Ю.Н., Шестакова Т.В.
Оценка эколого-геохимического состояния природных сред в районе Унальского хвостохранилища. /Материалы Международной конференции <Экологическая геология и рациональное недропользование>.- С.-Пб., 2000. С. 225-226. Пряничникова Е.В., Семенов Ю.Н., Шестакова Т.В.
Загрязнение природных сред тяжелыми металлами (Pb, Cd, Zn) в горнорудном районе. /Межвузовская студенческая конференция <Школа экологической геологии и рационального недропользования>. -С.-Пб., 2000. С. 120-122. Пряничникова Е.В.
Комплексные геохимические, экологические и биогеохимические исследования в горнорудном районе. /III Международное совещание, посвященное 10-летию Научно-исследовательского института геохимии биосферы РГУ. -Новороссийск, 2001 г. С. 217-220. Жариков В.А., Борисов М.В., Матвеев А.А., Ермаков В.В., Шестакова Т.В., Семенов Ю.Н., Пряничникова Е.В.
Влияние хвостохранилища на формирование лито-и биогеохимических аномалий свинца и цинка в горнорудном районе. /V Международная конференция <Новые идеи в науках о Земле>. Том IV. -М., 2001. С. 47. Пряничникова Е.В., Шестакова Т.В., Матвеев А.А.
Роль хвостохранилища в формировании аэротехногенных аномалий Pb в горнорудном районе (Северная Осетия). /Научная конференция <Ломоносовские чтения>. -М., 2002. С. 57 Пряничникова Е.В.
Формы нахождения тяжелых металлов в почвах горнорудного района. /XI Международная научная конференция <Ломоносов – 2004>. -М., 2004. С. 146. Пряничникова Е.В.
Оценка загрязнения поверхностных вод и донных отложений тяжелыми металлами в горнорудном районе. /V межвузовская молодежная научная конференция <Школа экологической геологии и рационального недропользования>. -С.-Пб., 2004, С.273-275. Пряничникова Е.В.
Геохимическая оценка воздействия Унальского хвостохранилища Садонского свинцово-цинкового комбината (Северная Осетия-Алания) на окружающую среду. /Известия секции наук о Земле Российской академии естественных наук. Вып. 12. -М., 2004 г. С. 136-147. Матвеев А.А., Пряничникова Е.В., Шестакова Т.В., Семенов Ю.Н.
Эколого-геохимические исследования в горнорудных районах (на примере Северной Осетии). /Вестник Московского Университета; серия 4. Геология. -М., 2005 г., N 2, С. 48-54. Пряничникова Е.В.