Геохимические характеристики техногенных почв горнопромышленных ландшафтов южного урала

Шафигуллина Г.Т.; Удачин В.Н.; Филиппова К.А.; Аминов П.Г.

УДК 550.4: 631.4

геохимические характеристики техногенных почв горнопромышленных ландшафтов южного урала

кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, Институт геологии, Уфимский научный центр РАН, ул. К. Маркса, 16/2,

450000, г. Уфа, Российская Федерация, эл. почта: [email protected]

доктор геолого-минералогических наук,

заведующий лабораторией,

Институт минералогии,

Уральское Отделение РАН,

456317 г. Миасс, Ильменский заповедник,

Российская Федерация,

эл. почта: [email protected]

кандидат геолого-минералогических наук,

старший научный сотрудник,

Институт минералогии,

Уральское Отделение РАН,

456317 г. Миасс, Ильменский заповедник,

Российская Федерация

кандидат геолого-минералогических наук,

старший научный сотрудник,

Институт минералогии,

Уральское Отделение РАН,

456317 г. Миасс, Ильменский заповедник,

Российская Федерация

На примере Сибайской геотехнической системы со сформированными природно-техногенными ландшафтами приведены результаты оценки трансформации состава одного из объектов окружающей среды (почвенного покрова) при горнопромышленном техногенезе. В работе рассмотрены следующие аспекты: вертикальное распределение в почвенном профиле и потенциальные формы нахождения металлов.

При исследовании процессов геохимической трансформации почвенного покрова в условиях техногенеза селективным фазовым анализом определены потенциальные формы нахождения тяжелых металлов в почвах и выполнена оценка соответствия форм фиксации элементов с минеральным составом матрицы. Установлено, что в обменной форме сосредоточено 9% Cd и 12% Zn, являющихся потенциальными источниками загрязнения почвенного покрова из-за высокой активности обменных форм этих элементов.

Ключевые слова: геотехническая система, почвы, формы нахождения металлов, природно-техногенный ландшафт

geochemical characteristics of technogenic soils in the mining landscapes of the south urals

Institute of Geology, Ufa Scientific Centre, Russian Academy of Science, 16/1, ulitsa Karla Marksa, 450000, Ufa, Russian Federation, e-mail: [email protected]

institute of Mineralogy,

Ural Division of the Russian Academy of

Sciences,

456317, Miass, Ilmen Reserve, Russian Federation,

e-mail: [email protected]

Based on the Sibay geotechnical system with its well-developed natural and man-made landscapes, the paper describes the assessment results of compositional transformations in one of the environmental objects (soil cover) affected by mining technogenesis. Consideration is given to such aspects as vertical distribution in the soil profile and potential speciation of metals.

Using selective phase analysis to study the processes of geochemical transformations in the soil cover under technogenesis, we identified potential speciation of heavy metals in soils and assessed the compliance between elements and the mineral composition of the matrix. It has been found that 9% of Cd and 12% of Zn are concentrated in the exchange form and serve as a potential source of soil pollution due to highly active exchange forms of these elements.

Key words: geotechnical system, soil, speciation of metals, natural and man-made landscape

* Исследования выполнены при финансовой поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 14-17-00691).

Введение. Рассеивание твердой фазы пылевых выбросов в направлении господствующих ветров приводит к формированию аномальных почв. Анализ почв Башкирского Зауралья на примере Учалинской геотехнической системы (ГТС), расположенной в северовосточной части Республики Башкортостан, показал, что высокие концентрации металлов в почвах г. Учалы и прилегающей территории объясняются атмосферным поступлением тонкозернистых продуктов пылевой составляющей при технологическом процессе обогащения руд и при массовых взрывах на карьере [ 1; 2].

Похожие условия формирования техногенных аномалий, преимущественно халько-фильных элементов в почвах, связанных с аэ-ральным переносом тонкодисперсной взвеси, наблюдается в сформировавшейся Сибайской ГТС, расположенной в юго-восточной части

Башкортостана. В 1948 г. начал функционировать Башкирский медно-серный комбинат, что стало началом аэрального воздействия на экосистему. В связи с этим Сибайская ГТС является перспективной для изучения степени загрязненности тяжелыми металлами почв в зоне влияния комбината, отвалов вскрышных пород и хвостохранилищ. Наибольшую опасность для окружающей среды представляют собой сульфидные фазы, которые, попадая в почву, при определенных рН-Е^условиях могут окисляться. Окисление ведет к частичному высвобождению металлов из сульфидов и миграции их в составе почвенных растворов вниз по почвенному профилю.

В настоящее время проблема загрязнения почв тяжелыми металлами вследствие аэрального поступления сульфидной пыли является актуальной. Большое количество

Рис. 1. Схема расположения точек опробования почв в зоне Сибайской ГТС

публикаций, посвященных данной проблеме, свидетельствует о ее важности и необходимости изучения.

Объекты и методы исследования. В качестве объектов исследования были выбраны почвы территорий, прилегающих к отвалам и хвостохранилищам Сибайского месторождения, и в зоне влияния обогатительной фабрики комбината (см. рис. 1).

Для изучения распределения элементов (Cu, Zn, Pb и др.) изменения физико-химических показателей по почвенному профилю заложен разрез Sb(Sl)215 на правом берегу р. Карагайлы в 1 км от труб обогатительной фабрики и в 300 м ниже дамбы хвостохра-нилища. Выбор точечного опробования только поверхностных горизонтов почв (0—5 см, top-soil) возле отвалов обусловлен тем, что данный интервал выступает основным депо тяжелых металлов [1]. Разрез R(Sl)230, характеризующий почвы природных ландшафтов, расположен в 15 км к юго-западу от источника эмиссии.

Концентрации элементов определяли методом атомно-абсорбционной спектрофо-тометрии в пламенном варианте атомизации на приборе Perkin-Elmer 3110. Кислотное вскрытие проб почв выполняли в стеклоу-глеродных тиглях при нагревании смесью кислот HF+HCl+HNO3 в соотношении 2:3:1. Деструкцию фторидных комплексов осуществляли выпариванием осадка «сухих» солей раствором концентрированной HNO3. Конечную аликвоту пробы объемом 50 мл приводили к 1н раствору HNO3. При определении потенциальных форм нахождения тяжелых металлов в почвах использован метод селективных химических экстракций [3].

Анализы выполнены в Южно-Уральском центре коллективного пользования по исследованию минерального сырья Ин-

ститута минералогии УрО РАН (аттестат аккредитации № РОСС RU.0001.514536). Оптические исследования аншлифов выполнены на микроскопе ВХ51 (Институт минералогии УрО РАН, г. Миасс). Результаты исследований и их обсуждение

Распределение тяжелых металлов. Мощность почв почвенного разреза Sb(Sl)215 (см. рис. 2) составляет 60 см. По морфологическому строению почвенного профиля выделены: горизонт с сульфатными выцветами (А8, 0—1.5 см), гумусово-аккумулятивный горизонт (А1, 1.5—6 см), бурый оторфованный горизонт (Арй, 6—30 см) и иллювиальный горизонт (В, 30-60 см). Значение рН в верхних, с сульфатными выцветами и гумусово-аккумулятивном горизонтах находится на уровне 3.5, что отвечает сильно закисленным почвам.

В верхней части почвенного профиля наблюдается интенсивное накопление сульфат-иона (концентрации в водной вытяжке 2570 мг/л), что объясняется аэраль-ным техногенным поступлением сульфидной пыли с возможным последующим ее окислением. Количество SO42" в нижележащем гумусово-аккумулятивном горизонте составляет 270 мг/л, что в 9 раз ниже, чем в вышележащем горизонте. Относительно низкое содержание SO42" в данном горизонте связано, скорее всего, с отсутствием или слабой

Рис. 2. Распределение Cl-, SO42-, Ca2+, Mg2+ и Na+ (мг-экв/100 г)

по почвенному профилю разреза Sb(Sl)215

связью с органическим веществом. В нижележащем буром оторфованном горизонте отмечается увеличение концентрации SO42" до 590—900 мг/л, что может свидетельствовать о природных процессах избирательного накопления сульфат-иона торфоподобным материалом. Абсолютный минимум концентрации SO42" (187 мг/л) наблюдается в иллювиальном горизонте В. Таким образом генетические горизонты почв под влиянием техногенеза проявляют различную сорбционную способность по отношению к сере. В количественном выражении распределение SO42", С1-, а также обменных катионов Са2+ и Mg2+ (в мг-экв/100 г) приведено на рис. 2. Распределение концентраций SO42" в генетических горизонтах почвенного профиля совпадает с распределением обменных катионов (Са2+ и Mg2+). Со-

держание обменных катионов изменяется в широких пределах. Они обладают свойством повышать значение рН, т.е. нейтрализовать кислотность. Высокое содержание в верхнем горизонте обменных катионов, оказывающих подщелачивающее действие, не полностью нейтрализует среду почвенного раствора, имеющего кислую реакцию. Это связано, вероятнее всего, с присутствием обменных Н+ и А13+, являющихся основным фактором под-кисления. Содержание А13+ в верхних горизонтах в пределах 69—99 мг-экв/100 г.

Общей закономерностью распределения халькофильных элементов Си, 2п, РЬ, Cd и As (см. рис. 3) по почвенному профилю разреза Sb(S1)215 является их высокая концентрация в верхнем горизонте, являющимся горизонтом-коллектором пылевых аэраль-

Рис. 3. Распределение Zn, Сы, Сс1, РЬ и Ав по почвенному профилю разреза Sb(Sl)215

ных выпадений, и снижение концентраций в нижних частях разреза, что характерно для аэрально загрязненных почв с типичным аккумулятивно-техногенным типом накопления тяжелых металлов [4; 5]. Валовые содержания тяжелых металлов в верхнем горизонте почв составляют (мг/кг): Си 583, 2п 1415, РЬ 145, Cd 12.5, А 226, превышая значения ориентировочно допустимых концентраций (ОДК для кислых почв с рН <5.5 [6]) до 10 раз. Но валовые содержания свидетельствуют лишь о потенциальной опасности накопленных тяжелых металлов.

Содержание № постепенно увеличивается по почвенному профилю от верхнего горизонта к нижнему иллювиальному горизонту В. Основными факторами вариаций количества № являются содержания глинистой фракции и величина рН, обусловливающие процессы сорбции и десорбции № в почвах [6]. Сорбционная способность верхнего с сульфатными выцветами и гумусово-аккумулятивного горизонтов со значениями рН 3,36—3,42 по отношению к № понижена. Подобное увеличение содержаний элементов вниз по профилю наблюдается и для Со, Сг, Мп, 2г, ^ Sc, №Ь, Сб, Ве, П.

Для получения более объективной информации о загрязнении почвенного покрова рассчитан фактор обогащения (EF) для Си, 2п, Cd, нормированный на Sc [7] (см. рис. 4):

Ер = Сг (пРоба) СSc (пРоба)

С{ (кларк)/С ^ (кларк)

Почвы, находящиеся под влиянием тех-ногенеза, обогащены Си, 2п, Cd, Аб и другими элементами в 10 и более раз выше, нежели фоновые региональные почвы. Математическая обработка результатов включала также расчет суммарного показателя загрязнения (2с) и коэффициента концентрации (кк). Значение 2с в районе обогатительной фабрики превышает 32 (2с=57), и почвы по загрязненности относятся к 4-й и 5-й группам загрязненных почв. Накопление техногенных Cd, 2п, Аб, РЬ и Си в верхних горизонтах аэрально загрязненных почв отвечает коэффициентам концентрации 22, 11, 10, 7 и 6 соответственно.

Рис. 4. Распределение EFCu, EFZn, EFAs, EFSe и EFCC по почвенному профилю разреза Sb(Sl)215

Среди потенциальных экотоксикан-тов наибольшую опасность для окружающей среды представляет ртуть. Изучению ртутного загрязнения ландшафтов Башкирского Зауралья посвящены работы А.Н. Кутлиахме-това [8] и Л.Н. Белан [9]. Присутствие ртути в медноколчеданных рудах Южного Урала и в продуктах переработки руд (в сплошных рудах Сибайского месторождения среднее содержание Н — 11.2 г/т [9]) обусловливает в дальнейшем аэральное поступление этого элемента в окружающую среду в значительных концентрациях.

Результаты исследования проб почв по горизонтам показали наличие концентрации ртути в почвах в значениях, не превышающих ПДК (2 100 нг/г). Концентрация ртути в верхнем горизонте с сульфатными выцветами составляет 1 090 нг/г, далее в гумусово-аккумулятивном горизонте незначительно увеличивается до 1 210 нг/г, а нижней части почвенного профиля в интервале 40—60 см характерно низкое ее содержание (279 нг/г), что соответствует фоновым концентрациям.

Иной характер распределения перечисленных элементов наблюдается в фоновых региональных почвах. Для них характерны развитие гумусово-аккумулятивного горизонта (А1) мощностью от 0 до 30 см, значения рН, близкие к нейтральным для водной вытяжки, низкие содержания элементов халькофиль-ной группы (Си, 2п и РЬ) и сульфат-иона.

Поступление тяжелых металлов и их накопление в почвах связано не только с аэраль-ными выпадениями сульфидного материала из труб обогатительной фабрики и эоловым разносом сульфидно-силикатного вещества от отвалов и хвостохранилищ, но и их гидротехногенным поступлением из отвалов и отходов обогащения в результате подтопления участка подотваль-ными техногенными водами [10]. Состав подо-твальных вод зависит от процессов окисления кислотопродуцирующих минералов (сульфидов) и от буферирующих факторов среды [1].

Литологический состав отвалов Сибай-ского месторождения характеризуется породами основного и кислого составов, с буфери-рующими кислотность Ca-Mg-содержащими минеральными фазами (кальцит, доломит, сидерит, хлорит и эпидот), которые могут влиять на изменение количества продуцируе-

мой кислотности и экстракцию металлов из пород, содержащих сульфидную минерализацию. Помимо рН-буферирующих фаз, основными кислотопродуцирующими фазами являются сульфиды (пирит, халькопирит).

Техногенное сульфатное загрязнение верхних горизонтов почв выражено визуально (см. рис. 1). В течение засушливого сезона на поверхности почв вблизи отвалов формируются легкорастворимые сульфатные корочки и выцветы. Анализ полученных данных показал, что в почвах с сульфатными выцветами в зоне подтопления (пробы 3, 7, 8, 9; рис. 1) содержание основных тяжелых металлов в несколько раз выше, чем в почвах, не подвергшихся подтоплению. Данные подтвердили, что приоритетными загрязнителями почв в районе отвалов являются Си и 2п, превышающие фоновые значения и ОДК в десятки раз. Также наблюдаются повышенные содержания никеля, кобальта и мышьяка в почвах, прилегающих к отвалам в зоне подтопления.

Таким образом, почвы с легкорастворимыми сульфатными новообразованными на испарительном барьере минералами, обладающие высокой степенью сорбции тяжелых металлов, представляют потенциальную

Рис. 5. Формы нахождения Си, Zn, РЬ, Cd и As в верхних горизонтах почв Сибайской ГТС: I - обменная; II - карбонатная; III - связанная с оксидами Мп; IV - связанная аморфными оксидами Fe; V - связанная с кристаллическими оксидами Fe; VI - органическая; VII - прочносвязанная

опасность загрязнения водных систем (р. Ка-рагайлы и р. Худолаз) при минимальном изменении физико-климатических условий.

Формы нахождения. На рис. 5 показаны результаты селективных экстракций для Си, 2п, РЬ, Аб и Cd. По сравнению с РЬ и Аб, где в обменных формах они практически не обнаружены, количество Си в этой форме не превышает 3%, а доли Cd и 2п соответственно составляют 9% и 12% валовых содержаний. Большая часть Си (57%), а также Cd (38%), РЬ (27%) и 2п (21%), связана с карбонатной фракцией, что является характерным признаком карбонатных черноземов данного района. Кристаллические оксиды Fe связывают меньшее количество металлов, чем аморфные гидрооксиды Fe. Ряд тяжелых металлов, связанных с аморфными соединениям Fe, выглядит следующим образом: As>Pb>Cu>Cd>Cu. Известно, что (гидр)оксиды железа — основные сорбенты мышьяка. Это определяет его меньшую подвижность и биодоступность, которая увеличивается лишь в кислых условиях [11—13]. В техногенных почвах механизм аккумуляции Си, 2п оксидами Fe и Мп связан, в основном, с сорбционными процессами [14]. С органическими формами связана незначительная часть Си, Cd и Аб (2—7%), а 2п и РЬ в этой форме практически отсутствуют. Доля элементов в труднорастворимых «остаточных» формах выглядит следующем образом: 2п (18 %)> РЬ (17.5 %)>Сё (14 %)>Аб (12 %)>Си (7 %).

Из рис. 5 видно, что основной объем элементов приходится на карбонатную форму и форму, связанную с аморфными гидрооксидами Fe. Наибольшая доля обменных форм отмечается для 2п, Cd, а наименьшая — для Си и располагаются в следующем убывающем порядке: Zn>Cd>Cu.

Соединения элементов, связанные с обменной, а также карбонатной формами, являются мобильными и потенциально биодоступными. Именно эти формы при определенных условиях могут переходить в почвенный раствор и мигрировать в составе внутрипочвен-ного и подземного стока, формируя широкие ареалы загрязнения в ландшафтах.

Рис. 6. Фрагменты зерен пирита (А, Б, В) и халькопирита (Г) в верхних горизонтах аэрально загрязненных почв Сибайской ГТС

Наиболее крупная техногенная пыль аэ-ральных выбросов обогатительного комбината выпадает вблизи источника эмиссии, где тяжелые металлы находятся в малоподвижном состоянии. По мере незначительного удаления от источника загрязнения (более 1 км) на поверхность почвы оседают тонкодисперсные частицы сульфидов, характерные для сульфидных концентратов обогатительной фабрики комбината (разрез 8Ь(81)215), в которых металлы имеют высокую степень подвижности в почве.

Оптические исследования аншлифов показали, что сульфиды в почвах верхнего горизонта разреза Sb(S1)215 представлены пиритом, халькопиритом и сфалеритом разнообразных форм с размером зерен от 15 мкм до 90 мкм (рис. 6).

Выводы. Изучение распределения валовых содержаний тяжелых металлов по вертикальному профилю почвенного разреза показало резкое падение абсолютных концентраций Си, Zn и Сё с глубиной, что подтверждает техногенно-аккумулятивный тип накопления и техногенную природу выявленных аномалий. Ряд с наиболее высокими коэффициентами концентрации в почвах имеют Сё> Zn>As>Pb>Cu.

п.г.

По данным селективного фазового химического анализа установлено, что максималь-

ной долей обменных форм (подвижных, «экологически» опасных, усваиваемых растительностью) в почвах характеризуются 2п и Cd. Отмечена тенденция накопления элементов в карбонатной фракции, что характерно главным образом для карбонатных черноземов данного района. Несмотря на то, что элементы образуют прочные комплексы с аморфными оксидами Fe, даже незначительная доля (1/10 часть от валовых содержаний) обменных, биологически доступных форм 2п и Cd свидетельствует об экологической опасности этих металлов.

НАУК РБ/

/2015 том 20, № 4 (80)

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Шафигуллина Г. Т., Удачин В. Н., Филиппова К. А., Аминов П. Г.

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Шафигуллина Г. Т., Удачин В. Н., Филиппова К. А., Аминов П. Г.

Geochemical characteristics of technogenic soils in the mining landscapes of the South Urals

Текст научной работы на тему «Геохимические характеристики техногенных почв горнопромышленных ландшафтов южного урала»