CC BY
22
УДК 628.543
ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ В ЛАНДШАФТАХ ПРИЭЛЬБРУСЬЯ © 2011 г. И.И. Сердюков, А.В. Шевченко, Р.Р. Каширгова
Изучена дифференциация элементов в ландшафтах Приэльбрусья. Получена информация о состоянии природных и природно-антропогенных ландшафтов. Определено содержание экологически вредных элементов в водах с применением аналитических исследований методами масс-спектрометрического, рентгено-флюоресцентного и инструментального нейтронно-активационного анализа.
Ключевые слова: горячие минеральные источники, землетрясения, вулкан, вулканические процессы, снежный покров, подземные воды, атмосферные осадки.
The differentiation of elements in landscapes of Prielbrusie is studied. The information on a condition of natural and natural-anthropogenous landscapes is received. The maintenance of ecologically harmful elements in waters with application of analytical researches by methods mass spectrometer, X-ray-fluorescent and tool neutron-activation analyses are defined.
Кабардино-Балкарский государственный университет, ул. Чернышевского, 173, г. Нальчик, КБР, 360004, bsk@rect.kbsu.ru
Kabardino-Balkar State University, Chernyshevskiy St., 173, Nalchik, KBR, 360004, bsk@rect.kbsu.ru
Keywords: hot mineral sources, earthquake, volcano, volcanic processes, snow cover, underground waters, atmospheric precipitation.
Следы активной вулканической деятельности, образовавшиеся несколько тысяч лет назад в изучаемом регионе, в настоящее время определяют дифференциацию элементов в ландшафтах Приэльбрусья, многочисленные выходы минеральных вод в окрестностях вулканов, в том числе горячих сероводородных Карма-донских источников на северных склонах Казбека.
В Приэльбрусье распространены горячие минеральные источники, фиксирующие разломные зоны и влияющие на состояния поверхностных ландшафтов, как нивальной зоны, так и нижерасположенных ландшафтов вертикальной зональности.
Вулканитам, характеризующим все последовательные этапы развития Эльбрусского центра, присущи высокие содержания Ag, Se, Mo, Щ As, Sb; повышенные концентрации №, Sc, Cs, Со и Сг. Все породы обеднены Lu, №, Ta, Yb, У, Си, Ba, Sm, Eu, Rb. Эти геохимические особенности пород типоморфны для вулканитов Эльбрусского центра [1].
Современные вулканические процессы воздействуют на ландшафты, увеличивая температуру поверхности и поставляя вещество из глубинных слоев (как в газовой, так и в жидкой и твердой фазах) на поверхность. Это находит отражение в изменении химического состава всех компонентов ландшафта. Наиболее показательными в этом отношении в Приэльбрусье выступают снежный покров, подземные (источники), речные и озерные воды.
Важнейшую информацию о состоянии природных и природно-антропогенных ландшафтов можно получить, применяя методы ландшафтно-геохимических исследований. Такие исследования были проведены учеными КБГУ и Института географии РАН в бассейнах ряда рек Северного Кавказа (Кубани, Кумы, Бак-сана и др.), используя каскадный принцип: от истока до устья реки и, соответственно, от естественных до нарушенных ландшафтов в бассейне [2].
Горная система Большого Кавказа задерживает холодные массы воздуха с севера и теплые - с юга. Орография горной страны определяет вертикальную неоднородность температуры воздуха и количества выпадающих осадков, что отражается в вертикальной поясности ландшафтов - от степей и полупустынь в предгорных равнинах Северного Кавказа, лесного пояса в среднегорье и альпийского и нивально-гляциального поясов в высокогорьях.
Количество атмосферных осадков до высоты 1 км увеличивается медленно. Наиболее резко оно возрастает в интервале высот 1,0 - 2,5 тыс. м, а с высоты 3,0 тыс. м количество осадков снижается. Максимум осадков составляет до 3 000 мм. Повышенное количество осадков в сочетании с большими уклонами способствует быстрому стоку талых снеговых и дождевых вод. В высокогорьях берут начало крупнейшие реки Северного и Западного Кавказа, в том числе р. Кубань и ее левые притоки (бассейн Азовского моря), р. Кума и другие (бассейн Каспийского моря), реки бассейна Черного моря.
Максимальный речной сток отмечается у высокогорных рек в центральной части Северного Кавказа,
достигая 2 000 мм, в основном колеблясь в интервале от 1100 до 1700 мм. При этом талый сток может составлять более 40 %. Годовые модули водного стока для высокогорной части рек (средние высоты более 2 тыс. м) составляют 50 - 60 л/с-км2
Вертикальная смена гидротермических условий, подстилающих пород и ландшафтов в целом отражается на изменении с высотой геохимических процессов и соответственно на объеме геохимических потоков. Химический состав водного стока высокогорий, прежде всего, отражает состав атмосферных осадков. Наши данные показали, что минерализация снега, собранного в мае-июле и декабре в высокогорной части - в районе Азау (Приэльбрусье), на леднике Фишт (Западный Кавказ), на г. М. Бермамыт (Скалистый хребет) и в других местах, колеблется от 8 до 60 мг/л (средняя 26,5 при п = 16). Преобладающими ионами повсюду отмечены гидрокарбонаты и кальций; рН талых вод изменяется от 4,3 до 7,2 (средняя 5,7).
Определение содержаний экологически вредных элементов в водах и материале хвостохранилищ осуществлялось с применением аналитических исследований методами масс-спектрометрического (1СР-М5), рентге-но-флюоресцентного (РФА) и инструментального ней-тронно-активационного анализа (ИНАА). Это должно позволить, с одной стороны, оценить реальное экологическое воздействие отходов горно-обогатительного комбината на состояние природной среды Приэльбру-сья, а с другой - дать оценку степени концентрации рудных элементов в Тырныаузских суперхранилище и старом хвостохранилище, представляющих собой уникальное современное месторождение металлического и неметаллического минерального сырья.
Проведено определение химического состава отвальных хвостов и концентраций (содержаний) в них полезных (гп, РЬ, Sb, Мо, Аи, Ag, редкие земли и др.) и экологически вредных Р205, гп, РЬ, As, Sb, Cs, Sr, Rb, и, ТИ, Ва и др.) элементов рентгено-флюоресцентным методом в 700 пробах. Определена мера кислотности природных вод и ГСР-МБ вод р. Баксан и питающих ее водотоков, а также перекрывающих новое хвостохранилище двух озер.
Проанализированы 22 пробы природной воды: в полиэтиленовых флаконах на дне нескольких проб было обнаружено некоторое количество осадка, а в остальных - частицы взвеси. Объем раствора каждого образца составлял ~ 0,5 л. Отбор и консервация проб проводилась в полевых условиях.
Для выполнения 1СР-МС определялась мера кислотности проб; отфильтровывалась от тонкодисперсных и наночастиц часть раствора с предварительным трехкратным промывом фильтров; полученный прозрачный раствор анализировался на масс-спектрометре. Остатки проб сохранены как дубликаты.
Точность определения составляет порядка 30 %, что является достаточным для решения вопросов, связанных с поставленными экологическими задачами.
Содержания Li, Ве, В, Б, №, М^ А1, Si, Р, S, С1, К, Са, Sc, ТС, V, Сг, Бе, Мп, Со, №, Си, гп, ва, ве, As, Se, Вг, Rb, Sr, У, гг, №>, Мо, Ru, Rh, Ра, А^ Са, Sn, Sb,
Te, I, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Th, и U в пробах природной воды определялись с использованием масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (прибор PLASMA QUAD фирмы «VG Instruments», Англия).
Кислотность проб колеблется от 6,0 до 7,0, т.е. все пробы воды представляют собой практически нейтральные растворы.
Анализ химического состава проб выполнен методом РФА на спектрометре последовательного действия PW-2400 фирмы «Philips Analytical B.V.» (Нидерланды, 1997).
В табл. 1 приведены данные о содержании в снеге и граде ряда важнейших микроэлементов.
Таблица 1
Содержание микроэлементов в талом снеге высокогорий (район Азау и ледник Фишт), растворенная форма, мкг/л
Элемент Среднее значение Предел
Fe 1,4 0 - 10
Zn 53,4 0 - 280
Cu 8,1 2,7 - 11
Ni 3,8 0 - 2
Pb 2,0 0 - 13
Cr 0,7 0 - 2
Mn 6,6 1,5 - 15
Co 0,02 0 - 0,08
Sr 9,7 0,8 - 19
Приведенные данные свидетельствуют в целом о сравнительно низком содержании токсичных тяжелых металлов в атмосферных осадках высокогорий. Исключением является очень высокое содержание цинка в снеге на вершине г. M. Бермамыт. Полученные величины оказались для большей части элементов намного ниже модулей техногенного давления, полученных для периода интенсивной хозяйственной деятельности на территории России. Однако для Zn, № и особенно для Sr имеется превышение модулей техногенного давления.
В соответствии с составом атмосферных осадков, оказалось, что многие реки содержат повышенные концентрации Zi и Sr в среднегорной части своих бассейнов. Особенно высоко его содержание (превышение рыбохозяйственных нормативов) в р. Баксан, Подкумок и Кума, что, с одной стороны, отражает геохимические особенности рассматриваемой территории, с другой - является результатом вовлечения указанных химических элементов в круговорот вследствие деятельности человека.
Из данных табл. 2 следует, что от высокогорий к нижним ярусам закономерно повышается минерализация речной воды, хотя преобладающими ионами почти повсюду остаются гидрокарбонаты и кальций.
Исключение представляет р. Кума. Уже в районе Минеральных Вод в составе ее вод преобладают сульфаты и натрий.
Лавовые потоки, сложенные дацитами посткаль-дерного цикла, широко распространены в верховьях р. Малки и Баксана, в междуречье Азау - Терскол, на низких речных террасах Баксана и Чегема.
Для оценки состояния ландшафтов и выявления роли антропогенного воздействия используются объемы геохимических потоков, показатели водной миграции химических элементов и ее ландшафтной дифференциации.
В ландшафтно-геохимической арене Приэльбрусья автономные позиции занимает снежно-ледовая шапка самого Эльбруса. Химический состав ледников Кавказа представляет особый интерес, поскольку в них происходит аккумуляция твердых атмосферных осадков, и они являются одним из основных источников питания рек. В годовом снежном покрове также проявляется современное участие трансграничного переноса вещества.
Минерализация ледников Эльбруса в конце ХХ в. составляла 3-10 мг/л и имела сульфатно-натриевый, хлоридно-кальциевый состав, более характерный для западнокавказских ледников. Увеличение концентрации солей связывают как с переносом морских юго-западных масс, так и с локальными выходами вулканических газов самого Эльбруса, а также с возрастающей антропогенной нагрузкой. По нашим данным в 2007 г. минерализация снежного покрова составляла в среднем на южном склоне 7 мг/л, на восточном - 5,8 мг/л и имела гидрокарбонатно-кальциевый состав. На высоте 4 000-4 500 м н.у.м. наблюдаются повышенные концентрации элементов [3]. Это связано с трансграничным переносом вещества при общей циркуляции атмосферы и частично с проникновением морских воздушных масс. Дифференциация химического состава снежного покрова Приэльбрусья остается дискуссионным вопросом и требует дальнейших исследований.
Минерализация речных вод увеличивается вниз по долине р. Баксан вполне закономерно и при выходе на предгорную равнину достигает максимальных величин (150 мг/л).
В горных системах наибольший интерес представляет в геохимическом отношении дифференциация микроэлементов редких и рассеянных элементов, так
Таблица 2
Содержание микроэлементов в речных водах Приэльбрусья в 2007-2010 гг., растворенная форма, мкг/л
Река CyMMa ионов, мг/л Микроэлемент
Fe Zn Cu Ni Pb Cr Mn Co Sr
Белая -исток 108 0 39 4 1 0 0 7 0 18
Белая -Гузерипль 90 10 330 2,7 0,4 0,1 17,5 1,4 0,05 32,5
Лаба - среднее течение 206 60 0 1,1 1,4 0,1 0,8 0,8 0,1 147
Хасаут - среднее течение 185 20 0 2,6 1,0 0 5,9 0,8 0,08 47,2
Баксан-Азау 41 93 2 5 1,0 0 0 6 0 15
Баксан -Баксан 275 210 18 6 3 0 4 6 0 564
Кума -Минводы 959 30 30 2,4 3,6 0 0,7 0,8 0,6 1613
Подкумок -Кисловодск 374 10 0 3,6 1,6 0 0,5 0,5 0,1 937
как многие могут являться индикаторами различных процессов в ландшафтах. Анализ распределения химических элементов позволяет на основе ландшафтной карты построить геохимическую карту исследуемой территории. Экспедиционные исследования 2007-2010 гг. в Приэльбрусье позволили при проведении высотных восхождений с восточной и южной стороны Эльбруса отобрать пробы снега по всему профилю вершины.
Первичный анализ полученных данных выявил аномальные концентрации некоторых элементов в районе кратера на восточном склоне Эльбруса, на лавовых полях и потоках на восточном и южном макросклонах и в местах выхода термальных вод по раз-ломным зонам. В снежной шапке Эльбруса присутствуют элементы, поступающие с атмосферным трансграничным переносом. Химический состав вод верховьев рек, берущих свое начало с ледников Эльбруса, зависит от состава снега и льда и геологии региона. Обширные материалы, полученные в экспедициях 2007-2010 гг., требуют дальнейшего специального анализа для получения достоверных данных о современном состоянии ландшафтов Северного Кавказа.
В абиогенных ландшафтах нивальной зоны Кавказа доминирующими являются физико-химическая и механическая миграция. Но в них могут находится и продукты биологического круговорота соседних биогенных ландшафтов или сине-зеленые водоросли. Источниками химических элементов служат атмосферный привнес, подстилающие породы и вечные льды. Нижней границей является зона вечных снегов и находится на высоте 3 000-3 200 м. Химический анализ снега определяет класс водной миграции этих ландшафтов как окислительный слабокислый гидро-карбонатно-натриевый. В.В. Дьяченко выделены покровные ледниковые и горные нивальные ландшафты [4]. Химический состав первых зависит от атмосферных осадков и дальноприносных аэрозолей, на химический состав вторых существенное влияние оказывают коренные породы и техногенное давление [4]. Классификация высокогорных нивальных ландшафтов практически не проводилась.
Ландшафтно-геохимические исследования снежной шапки Эльбруса дают характеристику химических элементов, определяющих состояние окружающей среды на всех уровнях - от глобального до локального.
Проведенные расчеты коэффициентов латеральной дифференциации выявили несколько областей с повышенной концентрацией определенных элементов. Элементы разделены на группы по распространенности и экогеохимическому значению.
От западной вершины до подножия восточного склона заложена макрокатена протяженностью 24 км В-СВ направления. Профиль сечет боковой восточный кратер Эльбруса, проходит через Ачкерьяколь-ский лавовый поток к перевалу Ирик-Чат и по водораздельной поверхности хребта Кыртык спускается к перевалу Шаукам.
Температура снега поднимается от -9,3 °С на вершине до +0,1 °С на перевале Ирик-Чат.
В снежном покрове Приэльбрусья как элементы глобального значения определены бор, углерод, алюминий и кремний. Концентрации первых двух элемен-
тов практически стабильны по всей катене. Алюминий появляется в снежном покрове бокового кратера и увеличивается вниз по склону, за исключением воды в лавинном озере. Распределение кремния имеет ту же тенденцию, но увеличивается в воде озера и в подтаявшем снежном покрове за счет аморфных форм.
К микроэлементам глобального значения относятся Li, Ве, №, Mg, К, Са, Rb, Sr, Cs и Ва. На наветренных склонах вершин (при преобладании СЗ ветров) наблюдается увеличение концентраций Mg, Са, Sr и Ва. В кратере происходит накопление практически всех рассматриваемых элементов.
Химический состав снежного покрова лавинного выноса соответствует привершинным показателям. В озерных водах происходит накопление водорастворимых форм таких элементов, как Li, Ве, Mg, Са, Sr, Ва. На перевале Ирик-Чат и Шаукам в снежный покров поступают в близкой пропорции Li, Са и Ва, вероятно, отражая химический состав горных пород.
Особо следует уделить внимание распределению мышьяка в снежном покрове восточной катены Эльбруса. Повышенные концентрации мышьяка в снеге приурочены к местам выхода коренных пород: северная экспозиция западной вершины Эльбруса, склон кратера, озерная вода и снег на лавовом потоке и водораздельная поверхность перевалов.
Тяжелые металлы в снежном покрове обладают малой миграционной способностью, и накопление их происходит в районе кратера (Т^ Мп, гг, Мо), особенно на перевалах (Мп (Клд=18), Со (Клд=16), У (Клд=4), гг (Клд=6)).
Исследования оставшихся микроэлементов показывают три незначительных области накопления: западная вершина Эльбруса, склоны бокового восточного кратера и перевал Ирик-Чат.
Дифференциация лантаноидов, тория и урана в снежном покрове восточной катены имеет такие же участки концентрации.
Концентрация олова происходит на склонах восточной вершины и кратера. Повышенное содержание сурьмы наблюдается в центре кратера и в значительной степени на перевале Шаукам.
Увеличение концентрации мышьяка присутствует в снежном покрове седловины Эльбруса, в верхней части кратера и в воде ледникового озера на лавовом потоке.
Одним из важнейших достижений последних лет в области наук о Земле стало прямое изучение потоков вещества и энергии практически во всех внешних и внутренних геосферах путем количественного извлечения этого вещества и его детального аппаратурного анализа. Эти инситные методы изучения геосфер (атмосферы, криосферы, гидросферы, биосферы, седи-ментосферы, литосферы) дополняются теперь познанием потоков вещества из внутренних геосфер - из областей подводного и надводного вулканизма, гидротермальной деятельности с помощью обитаемых подводных аппаратов, сверхглубоких скважин и анализа изверженного материала.
Во многих случаях удается определять направления потоков и изменения во времени их мощностей, т.е. проводить четырехмерный анализ процессов не только в отдельных геосферах, но и процессов глобального обмена массой и энергией между геосферами.
Прямое изучение состава вещества отдельных потоков и их свойств (растворенного и взвешенного вещества, газовых фаз) позволяет понять процессы взаимодействия между геосферами на уровне трансформации волновых и геологических форм, возникающих при перетекании разных видов вещества (биогенного, терригенного, вулканогенного и др.) и потоков энергии (тепловой, механической, электромагнитной и др.).
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг.
Поступила в редакцию_
Литература
1. Кононкова Н.Н. Состав магматических расплавов вулканов Эльбрус и Казбек (Кавказ) по данным изучения включений в минералах // Геохимия. 2001. № 4. С. 441 - 448.
2. Катастрофическая плейстоценовая и голоценовая па-леоактивность Эльбрусского вулканического центра: события и их хронология по данным 14С, ЭПР и K-Ar датирования / О.А. Богатиков [и др.] // Геодинамика, сейсмотектоника и вулканизм Северного Кавказа. М., 2001. С. 295 - 319.
3. Природные катастрофы в окрестности вулканов Эльбрус и Казбек / О.А. Богатиков [и др.] // Исследования в области геофизики. М., 2004. С. 261 - 271
4. Дьяченко В.В. Аридные ландшафты Северного Кавказа. Новороссийск, 2007. С. 501 - 504.
24 февраля 2011 г.
