Научная статья на тему 'Ландшафтно-геохимические исследования на Сахалине'

Ландшафтно-геохимические исследования на Сахалине Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
636
153
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Побережная Татьяна Михайловна

Приведены данные по региональной геохимии ландшафтов. Показаны особенности техногенного загрязнения почв на урбанизированных и сельскохозяйственных территориях, в районах нефтегазодобычи.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Geochemical studies of landscapes on Sakhalin Island

The key data of regional geochemistry of landscapes are given. Peculiarities of technogenic pollution of soils on urbanized and agricultural territories and in the regions of oil & gas production are shown.

Текст научной работы на тему «Ландшафтно-геохимические исследования на Сахалине»

Вестник ДВО РАН. 2006. № 1

Т.М.ПОБЕРЕЖНАЯ

Ландшафтно-геохимические исследования на Сахалине

Приведены данные по региональной геохимии ландшафтов. Показаны особенности техногенного загрязнения почв на урбанизированных и сельскохозяйственных территориях, в районах нефтегазодобычи.

Geochemical studies of landscapes on Sakhalin Island. T.M.POBEREZHNAYA (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

The key data of regional geochemistry of landscapes are given. Peculiarities of technogenic pollution of soils on urbanized and agricultural territories and in the regions of oil & gas production are shown.

Ландшафтно-геохимические исследования проводятся на Сахалине с 1989 г. в рамках экологического направления ИМГиГ ДВО РАН. Ландшафт - неравновесная динамическая многокомпонентная система, центром которой является почва. Геохимия ландшафта изучает ландшафт «с точки зрения судьбы атома в данной системе» [5]. Химические элементы, попадающие в почву, в зависимости от геохимической обстановки включаются в процессы миграции или накопления, поступают в биологический круговорот. Химизм почвы, уровень содержания в ней основных биогенных элементов и микроэлементов оказывают прямое влияние не только на обитателей этой среды жизни, но и на биоту наземных экосистем. Поэтому использование ландшафтно-геохимического подхода органично дополняет биологическую составляющую экологических исследований, проводимых в ИМГиГ.

Приведем основные результаты изучения геохимических ландшафтов Сахалина: составлена ландшафтно-геохимическая карта Сахалина масштаба 1 : 4 000 000; определены основные классы водной миграции химических элементов, определяющие их подвижность в ландшафтах острова, и основные типы геохимических барьеров, на которых они накапливаются;

установлены фоновые содержания микроэлементов и нефтяных углеводородов в основных типах почв Сахалина;

выявлены особенности техногенного загрязнения почв.

Ландшафтно-геохимическая карта Сахалина масштаба 1: 4 000 000 была составлена на первом этапе исследований [7]. В основу ее построения положены принципы геохимической классификации ландшафтов, разработанные А.И.Перельманом [5]. Наиболее крупными таксономическими единицами на карте (рис. 1) являются типы и семейства геохимических ландшафтов, формирование которых определяется биоклиматическими особенностями. Главная закономерность размещения типов и семейств - зональность. В пространстве выделяемым типам и семействам геохимических ландшафтов соответствуют обычно ландшафтные зоны и подзоны. С использованием данного методологического подхода

ПОБЕРЕЖНАЯ Татьяна Михайловна - кандидат геолого-минералогических наук (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск).

Рис. 1. Ландшафтно-геохимическая карта о-ва Сахалин (легенда сокращена). 1 - границы семейств геохимических ландшафтов: С.Т. - северной тайги, Ср.Т. - средней тайги, Ю.Т. - южной тайги; 2-4 - классы геохимических ландшафтов: 2 кислый, кислый теевый, 3 - кислый глеевый, 4 - кислый; 5 - границы геохимических родов ландшафтов (1 - 3 внутри геохимических классов): 1 - медленный водообмен, химическая денудация часто преобладает над механической (плоскоравнинный рельеф), 2 - средний водообмен, соотношение между механической и химической денудацией различное (холмистый рельеф, расчлененные возвышенности), 3 - энергичный водообмен, механическая денудация местами преобладает над химической (горный сильно расчлененный рельеф); 6 - границы природоохранного районирования ландшафтов (римские цифры в кружках): I - районы с большой техногенной нагрузкой, неустойчивыми и малоустойчивыми биогеоценозами; требуются очищение загрязненных компонентов ландшафта, организация системы мониторинга почв, поверхностных и подземных вод, воздуха, флоры и фауны, II - районы со слабой самоочищающейся способностью ландшафтов; необходимо снижение нагрузки техногенного воздействия, организация системы мониторинга почв, поверхностных вод, флоры и фауны; III - районы распространения агроландшафтов; необходимы почвозащитные мероприятия, мониторинговые наблюдения почв, поверхностных и грунтовых вод; IV - районы минимального воздействия техногенных потоков, с высокой способностью ландшафтов к самоочищению; необходим фоновый мониторинг почвенного покрова

ландшафтно-геохимическая карта построена на основе карт растительности и почв Сахалина [1]. В общей сложности на территории острова выделены один тип геохимических ландшафтов - таежный - и три семейства: северной, средней и южной тайги.

Распределение семейств на классы проводили на основе полевых наблюдений и изученных свойств почв острова [3, 4]. В пределах указанных семейств выделено три класса геохимических ландшафтов, различающихся по условиям водной миграции химических элементов: кислый, кислый глеевый; кислый; кислый глеевый. Среда миграции - маломинерализованные, кислые и слабокислые воды, местами с органическим веществом. В таких условиях подвижны большинство химических элементов.

Роды геохимических ландшафтов выделены по интенсивности водообмена, соотношению химической и механической денудации, контрастности между автономными и подчиненными ландшафтами, т.е. они отражают геоморфологические условия. Для этой цели была использована геоморфологическая карта Сахалина [1]. Помимо условных контурных обозначений при составлении карты использованы также внемасштабные знаки, к которым относятся геохимические формулы и контуры техногенных ландшафтов, занимающие малую в этом масштабе площадь, но несущие важную геохимическую информацию. На основе составленной ландшафтно-геохимической карты о-ва Сахалин проведено предварительное районирование территории острова по особенностям проведения природоохранных мероприятий [7].

В настоящее время накоплено достаточно новых данных для построения уточненной ландшафтно-геохимической карты более крупного масштаба. В частности, экологогеохимические работы на северо-востоке Сахалина выявили геохимические ландшафты кислого сульфидного класса, нового не только для Сахалина, но и в целом для таежной зоны. В работе А.И.Перельмана [5] ландшафты близкого, соленосно-сульфидного класса описаны только для влажных тропиков. Ландшафты кислого сульфидного класса были обнаружены нами на низменных заболоченных участках морских берегов. В этих местах, очевидно, происходит подпитка морской водой, и в восстановительной обстановке болотных почв сульфаты морской воды образуют свободный сероводород. В полевых условиях ландшафты данного класса легко картируются по запаху сероводорода при вскрытии почвы шурфом или прикопкой.

Основными факторами перемещения химических элементов в ландшафтах являются режим кислорода и серы, а также щелочно-кислотная обстановка в почвах. Сочетание окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий в почвах определяет класс водной миграции ландшафта. По уточненным данным, на Сахалине имеют распространение 4 класса геохимических ландшафтов, характеризующиеся различной подвижностью микроэлементов (МЭ) и нефтяных углеводородов (НУВ).

1. Кислый класс (Н+) формируется в кислых окислительных условиях среды на бескарбо-натных силикатных породах при наличии хорошего дренажа, исключающего заболачивание автономных ландшафтов. Окислительная обстановка способствует окислению двухвалентного железа, марганца и других элементов, ограничивая их подвижность в ландшафтах.

2. Кислый глеевый класс (Н+-Бе2+) формируется в кислой восстановительной среде без сероводорода на плоских не дренированных водоразделах, на пологих склонах и в понижениях рельефа, где в почвах развивается оглеение, обычны подвижные формы гумуса. Восстановительная обстановка без сероводорода определяет высокую подвижность железа, марганца и многих других металлов в составе органических комплексов.

3. Кислый, кислый глеевый класс (Н+-Бе2+, Н+) характеризуется чередованием окислительной и восстановительной глеевой обстановок в почвах в зависимости от степени их переувлажнения. Он формируется на слабодренированных водоразделах и пологих склонах. По условиям миграции МЭ и НУВ это промежуточный класс между кислым и кислым глеевым классом.

4. Кислый сульфидный класс формируется в кислой восстановительной сероводородной среде на низких заболоченных морских берегах в условиях подтопления морской водой. Появление в водах и почвах Н28 приводит к осаждению металлов, образующих нерастворимые сульфиды, т.е. резко ограничивает их подвижность в ландшафтах.

По нашим данным, почвы с восстановительной сероводородной обстановкой отличаются высокими фоновыми содержаниями нефтяных углеводородов хрома, фосфора, серебра, цинка, никеля, кобальта, свинца (рис. 2). В почвах с условиями сероводородного геохимического барьера накапливаются аномально высокие содержания серебра, цинка, фосфора, свинца, ванадия, кобальта, никеля, хрома, олова, молибдена. Геохимическим барьером А.И.Перельман предложил называть участки земной коры, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрация [5]. Например, в почвах условия геохимического барьера создаются на перегибе склона в заболоченную долину. Здесь формируется глеевый геохимический барьер при резкой смене окислительной обстановки в склоновых почвах на восстановительную глеевую в болотных почвах. Но так как торфянистые болотные почвы отличаются высокой сорбционной способностью, то глеевый барьер совмещается с сорбционным. Этот тип совмещенного геохимического глеево-сорбционного барьера, по нашим данным, является самым распространенным в ландшафтно-геохимических условиях Сахалина [6]. Для него выявлено накопление НУВ и многих МЭ (7п, РЬ, Си, Р, Л£, V, Ва, Сг, N1), которое определяет распространение природных ландшафтных геохимических аномалий на Сахалине.

Установленные данные по естественному высокому содержанию МЭ и НУВ в почвах с восстановительной сероводородной обстановкой и с условиями того или иного геохимического барьера имеют большое прикладное значение. В частности, они необходимы при эколого-геохимических изысканиях по шельфовым проектам Сахалин-1 и Сахалин-2 в связи со строительством нефтегазопроводов, пересекающих остров в меридиональном и широтном направлениях. Знание условий миграции и аккумуляции загрязняющих веществ в ландшафте позволит отбраковать ландшафтные геохимические аномалии и таким образом правильно оценить фоновое состояние почв и воздействие на них, возникающее в процессе строительства и эксплуатации трубопровода.

Кроме способности многих природных ландшафтов Сахалина накапливать НУВ и МЭ, существует другая сторона этой экологической проблемы. Поступление техногенных НУВ в почвы сменит их среду на более восстановительную и щелочную. В результате изменятся геохимические условия для

Рис. 2. Влияние класса водной миграции на содержание микроэлементов и нефтяных углеводородов в почвах. КК, КР - кларки концентрации и рассеяния относительно кислого класса. 1 - сероводородный геохимический барьер (Ы = 1), 2 - кислый сульфидный класс (Ы = 7), 3 - кислый класс (Ы = 16)

выноса и накопления других химических элементов, включая элементы биологического круговорота. Изменение химического состава почвы в местах хронического загрязнения в конечном итоге повлечет за собой сдвиги в видовом составе биоценозов и в структуре экосистемы в целом.

Ландшафтно-геохимическими исследованиями установлены особенности геохимии нефтяных углеводородов в незагрязненных почвах [8]. Полученные нами данные указывают на прямую зависимость естественного углеводородного фона почв от нефтегазоносно-сти территории и от ландшафтно-геохимической ситуации. Север Сахалина, известный своей нефтегазоносностью, характеризуется высоким естественным фоновым содержанием НУВ во всех типах почв. Даже без учета высокоаномальных (до 2500 мг/кг) содержаний НУВ на геохимических барьерах их усредненный геохимический фон для природных почв этого района составляет 50 мг/кг, для почв южной части Сахалина не превышает 15 мг/кг. Независимо от нефтегазоносности территории прослеживается закономерное распределение углеводородов по классам геохимических ландшафтов и по вертикальному профилю почв. В ландшафтах кислого класса (окислительная обстановка) содержание НУВ в почвах на порядок меньше, чем в ландшафтах кислого глеевого и сульфидного класса (восстановительная обстановка). В почвенных профилях гумусовые горизонты являются естественным биогеохимическим барьером для НУВ - они всегда содержат больше углеводородов, чем подстилающие генетические горизонты почв.

Особым объектом наших исследований являются техногенные ландшафты, где под влиянием хозяйственной деятельности происходит изменение геохимических параметров среды, в частности имеет место химическое загрязнение почвенного покрова (см. таблицу). Наиболее детально обследованы почвы, донные осадки, речные воды, растительность городов юга Сахалина - Южно-Сахалинска, Долинска, Корсакова, Анивы, в которых сосредоточены основные промышленные объекты области [7]. В рамках данной статьи ограничимся общими сведениями о характере загрязнения различных объектов.

Загрязнение почв в городах. Основными поллютантами в почвах городских территорий являются тяжелые металлы: свинец, медь, цинк, кобальт (см. таблицу). Именно эти металлы представлены устойчиво высокими фоновыми концентрациями в почвах исследованных городов, а в очагах загрязнения их содержание в десятки раз превышает фоновые и предельно допустимые концентрации. Наиболее показателен в этом отношении Южно-Сахалинск. Интенсивность загрязнения почв этого города в техногенных аномалиях можно выразить формулой: РЬ110 /п20 Мп12 Ва10 Р10 Си4 Со4 8п4 Сг3 №2 5 V2 5, где индекс - максимальное превышение аномального содержания элемента над фоновым.

Особенности химического загрязнения почв о-ва Сахалин

Объект загрязнения Основные загрязняющие компоненты Суммарный показатель загрязнения Zc Уровень загрязнения

Территории городов юга Сахалина Площадки буровых скважин сухопутных месторождений нефти и газа севера Сахалина Агроландшафты Территории брошенных воинских частей Pb, Zn, ^ От 9 до 86 От низкого (Анива) до высокого (Южно-Сахалинск) Нефтепродукты, Ag, Вa, От 10 до 100 п От низкого до чрезвычай-Zn, Pb, Sn, Mo, №, но высокого P. Изменение рН, солевого профиля почв Pb, Zh, №, CY, От 3 до 6 Низкий нефтепродукты Нефтепродукты, Ba, №, От 21 до 100 п От среднего до чрезвы-Zn, Pb чайно высокого (по нефтепродуктам)

Примечание. 2е рассчитывался и оценивался по [2].

Лидирует среди элементов-загрязнителей в почвах всех обследованных городов такой токсичный элемент, как свинец. Очевидно, что это обусловлено влиянием выбросов автотранспорта. В целом же загрязнение в почвах различных городов варьирует по интенсивности и количеству поллютантов. Так, в промышленных городах Южно-Сахалинск и До-линск спектр загрязняющих элементов более широк, представлен свинцом, барием, фосфором, марганцем, кобальтом, никелем, медью, оловом. В портовых городах Корсакове и Аниве он уже не так широк: свинец, олово, фосфор, барий, цинк, медь.

Загрязнение почв в районах нефтегазодобычи. Основные исследования проведены в районах Некрасовского, Эвайского и Катанглинского месторождений, расположенных на севере Сахалина. Загрязнение почв при эксплуатации этих нефтегазовых месторождений проявляется в изменении солевого профиля почв. Солевой профиль почвы - это распределение основных катионов (Ca2+, Mg2+, K+, Na+) и анионов (Cl-, SO42-, HCO3') по вертикальному профилю почвы. Этот показатель является постоянным для почвы и может служить индикатором ее ненарушенности. В загрязненных почвах по сравнению с фоновыми доминируют ионы кальция и гидрокарбоната, появляется катион магния, вообще не характерный для местных почв. Меняется и кислотно-щелочной режим загрязненных почв: они становятся более щелочными.

Техногенные почвы, окружающие скважины, отстойники и другие объекты нефтегазодобычи, содержат аномально высокие концентрации нефтепродуктов и повышенные концентрации многих микроэлементов: серебра, бария, фосфора, свинца, хрома, цинка, меди, никеля. Установлено, что химическое загрязнение в изученных почвах сохраняется десятилетиями. Так, в техногенных почвах старых буровых площадок, где 20-30 лет не функционируют скважины, содержание нефтепродуктов остается аномально высоким и достигает более 7 000 мг/кг у ствола скважины и 2 000 мг/кг в краевой части буровой площадки.

Загрязнение агроландшафтов. Исследованы используемые сельскохозяйственные поля и заброшенные пашни юга Сахалина. По нашим данным, агроландшафты обогащены тяжелыми металлами: свинцом, цинком, медью, кобальтом, никелем, хромом. Известно, что тяжелые металлы могут поступать в почвы сельскохозяйственных угодий с фосфорными минеральными удобрениями и пестицидами. Расположение сельскохозяйственных полей вдоль автотрасс, как показали наши исследования, также влияет на загрязнение почв и произрастающих на них растений. На расстоянии 150-200 м от дороги в растениях установлены большие концентрации свинца и цинка, и лишь на расстоянии более 200 м содержание микроэлементов в растениях снижается до фонового уровня.

В заключение хотелось бы отметить, что, несмотря на определенные результаты, ландшафтно-геохимические исследования на Сахалине не сформировались как отдельное научное направление. Это связано не с отсутствием идей, целей, задач, а с недостатком кадров соответствующих специальностей. Однако это уже тема для отдельного размышления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Атлас Сахалинской области / СахКНИИ СО АН СССР. М.: ГУГК при Сов. министров СССР, 1967. С. 125-129.

2. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.

3. Ивлев А.М. Особенности генезиса и биогеохимии почв Сахалина. М.: Недра, 1977. 143 с.

4. Ивлев А.М. Почвы Сахалина. М.: Наука, 1965. 114 с.

5. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М.: Высш. шк., 1975. 341 с.

6. Побережная Т.М. Геохимия основных типов почв Сахалина // Вестн. Сахалин. музея. Южно-Сахалинск, 2001. № 8. С. 301-306.

7. Побережная Т.М. Геохимия природных ландшафтов Сахалина в условиях техногенеза // Наземные экосистемы Сахалина: сб. науч. тр. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 1999. С. 7-15.

8. Побережная Т.М. Экологические проблемы освоения углеводородов Сахалина // Строение, геодинамика и металлогения охотского региона и прилегающих частей северо-западной тихоокеанской плиты: материалы меж-дунар. симпоз. Южно-Сахалинск, 2002. Ч. 2. С. 103-104.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.