CC BY
58
Науки о Земле
УДК 550.846.2 : 550.84.094-1
DOI: 10.21209/2227-9245-2017-23-8-4-18
О ВЛИЯНИИ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ НА ПОЛИМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МЕСТОРОЖДЕНИЯХ НА БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ И ГЕОБОТАНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАСТЕНИЙ
ON THE INFLUENCE OF GEOCHEMICAL ENVIRONMENT
AT THE POLYMETALLIC MINERAL DEPOSITS ON BIOGEOCHEMICAL AND
GEOBOTANICAL PLANT FEATURES
В. А. Алексеенко,
Государственный морской университет, г. Новороссийск vl. al.alekseenko@gmail.com
V. Alekseenko,
State Marine University, Novorossiysk
Г. А. Юргенсон,
Институт природных ресурсов,
экологии и криологии СО РАН, Забайкальский государственный университет, г. Чита yurgga@mail.ru
G. Yurgenson,
Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology SB RAS, Transbaikal State University, Chita
H. В. Швыдкая,
Кубанский государственный аграрный университет, Краснодар nepeta@mail.ru
N. Shvydkaya,
Kuban State Agrarian University, Krasnodar
Рассматривается влияние полиметаллических месторождений (руд и окружающих их ореолов) на биогеохимические и геоботанические особенности растений. Указывается, что влияние оказывают прямые и косвенные элементы-индикаторы. Обращено внимание на отсутствие прямой зависимости содержаний химических элементов в растениях и почвах, развивающихся на рудах определенного минерального состава. Показано, что существенное значение для поглощения химических элементов растениями имеют формы их нахождения в почвах. Наиболее важны подвижные формы, в частности, водорастворимые и элементо-органические, доля которых обычно невелика и составляет лишь первые проценты. Наименее подвижными являются свинец, висмут и мышьяк, относительно широко развитые в месторождениях Забайкалья. Максимально подвижными формами характеризуются цинк и кристаллохимически близкий ему кадмий. Использование установленных особенностей позволит увеличить эффективность поисков месторождений и широко применять биогеохимическую и геоботаническую информацию для прогноза воздействия руд и продуктов горного производства на состояние окружающей среды
Ключевые слова: полиметаллические месторождения; рудные тела; региональные и локальные ореолы; прямые и косвенные элементы-индикаторы; факторы поглощения элементов растениями; биогеохимические и геоботанические аномалии; поиски месторождений; экологические проблемы; геохимическая обстановка; окружающая среда
The influence of polymetallic deposits (ores and surrounding halos) on biogeochemical and geobotanical features of plants is considered. It is indicated that the influence is exerted by direct and indirect elements-indicators. Attention is drawn to the absence of direct dependence of the contents of chemical elements in plants and soils de-
© В. А. Алексеенко, Г. А. Юргенсон, H. В. Швыдкая, 2017
veloping on ores of a certain mineral composition. It is shown that the forms of their presence in soils are of great importance for the absorption of chemical elements by plants. The most important are mobile forms, in particular, water-soluble and element-organic, the proportion of which is usually small and makes up only the first percent. The least mobile are lead, bismuth and arsenic, relatively widely developed in the deposits of Transbaikalia. The most mobile forms are characterized by zinc and cadmium, which is crystal-chemically closed to it. The use of the established features will increase the efficiency of prospecting for deposits and widely use of biogeochemical and geobotanical information to predict the impact of ores and mining products on the state of the environment
Key words: polymetallic mineral deposits; ore body; regional and local dispersion halos; direct and indirect indicator elements; factors of elements absorption by plants; biogeochemical and geobotanical anomalies; mineral deposits explorations; environmental issues; geochemical situation; environment
Специфическая геохимическая обстановка, типичная для полиметаллических месторождений, отдельных рудных тел и окружающих их первичных и вторичных ореолов, оказывает существенное влияние на биогеохимические и геоботанические особенности растений. Используя реакцию растений на эти своеобразные условия, люди давно ищут (и находят) полиметаллические месторождения и выделяют отдельные рудные тела в различных геологических и ландшафтно-геохимических условиях [1; 3; 4; 5; 9; 10]. Однако с развитием ряда геохимических и геофизических методов изучения горных пород роль геоботанических и биогеохимических методов поисков руд резко сократилась, хотя в отдельных случаях эти методы дают хорошие результаты при минимальных затратах.
Работами 1980—2002 гг., связанными с районированием по условиям ведения поисков на Северо-Западном Кавказе, установлена возможность выявления и оконту-ривания по биогеохимической информации полей, соответствующих районам и узлам месторождений полезных ископаемых. Это повышает эффективность геологоразведочных пород при снижении их стоимости. Кроме того, в последние десятилетия биогеохимические и геоботанические методы стали использовать при оценке эколого-ге-охимической обстановки определенных территорий, для выявления отдельных зон техногенного загрязнения и дискомфорта, а также для проведения мониторинга [2]. Появилось даже предположение о возможности использования растений (вернее, обычных процессов их ежегодного отмира-
ния — опада) для очистки почв от тяжелых металлов. Это снова вызвало повышенный интерес к геоботаническим и биогеохимическим реакциям растений на повышенные содержания химических элементов в среде произрастания. При этом определенным эталоном стали реакции растений на природные изменения в среде произрастания, особенно над рудными телами.
В данной работе рассматриваются изменения, происходящие с растениями на полиметаллических месторождениях. Выбор этих месторождений обусловлен широко развитым загрязнением окружающей среды РЬ, Си, Zn, Ag, Мо, Ва, Fe, Мп, V, Ое, Со, Сг и др., в соответствии с законом формирования ассоциаций химических элементов, образующих крупные техногенные геохимические аномалии. Ассоциации этих элементов составляют основу полиметаллических руд, а также находятся в них в форме наиболее распространенных примесей.
Среди полиметаллических месторождений по своей значимости резко преобладают довольно хорошо изученные стратифицированные, часто их называют стратиформ-ными. По различным подсчетам на их долю приходится свыше 60 % всех запасов свинца и цинка. К числу важнейших их отличий от других полиметаллических месторождений относится обогащенность рудовмещаю-щих толщ типичными для них металлами, прежде всего, прямыми индикаторами — РЬ, Zn и Л§. Ее можно рассматривать как своеобразный первичный региональный ореол протяженностью от первых до сотен километров. В региональном ореоле соб-
ственные минералы как косвенных, так и прямых элементов-индикаторов (РЬ, а особенно Zn, Си и Л§), редки. Чаще всего эти металлы находятся в виде примесей в доломите, пирите, гидроксидах железа, флюорите, глинистых минералах. Следовательно, в растения Си, Zn и Л§ из региональных первичных ореолов могут, в основном, попасть при разрушении породообразующих и широко распространенных рудных минералов.
Первичные ореолы, образующиеся около рудных тел, обычно представлены РЬ, Zn, Си, Ва, Мо, Т^ Zг, Л§, V, Сг, №, Со. Их состав несколько меняется на различных месторождениях. Элементы-индикаторы распределены в таких ореолах более равномерно, чем в региональных. Прямые индикаторы обычно находятся в содержаниях п*10-3...п*10-1 % и часто образуют собственные минералы. Мощность ореолов, окружающих рудные тела, как правило, составляет первые десятки метров.
Мощность рудных тел на большинстве полиметаллических месторождений редко превышает 10 м. Основные рудные минералы — галенит, сфалерит, пирит, иногда и халькопирит. В рудах в повышенных содержаниях (кроме РЬ, Zn и Си) наиболее обычны Л§, Cd, Ва, V, Т1, Со, Sг, №, Сг, Мо.
Распространенные растения над рудами в разных районах различны: в Центральном Казахстане, Джунгарском Алатау и Каратау это, в основном, травы и кустарники, а в районе месторождения Сар дана (Якутия) — деревья (лиственница). Изучение биогеохимических и геоботанических особенностей растений, произрастающих над рудными телами и соответствующими им региональными и локальными ореолами, позволяет оценить влияние различных концентраций химических элементов на развитие растений. Это позволит использовать биогеохимические и геоботанические методы для поисков месторождений и решения экологических задач.
Материал и методы исследования. Для решения задачи использовано свыше 2000 проб рудных тел, геохимических ореолов и рудовмещающих пород месторожде-
ний России (Северный Кавказ, Юго-Восточная Якутия, Забайкалье), Казахстана (Джунгарский Алатау, Каратау, Центральный Казахстан), Узбекистана, Азербайджана. Месторождения изучены минерало-го-петрографическими, геохимическими и термобарогеохимическими методами. Особое внимание уделялось анализу содержаний элементов в коренных горных породах. Изучение растительности включало, кроме визуальных наблюдений, анализ свыше 50 000 биогеохимических проб более чем 20 различных видов растений.
Контроль составлял 3.5 % от их общего числа. Биогеохимические пробы озо-лялись; зола и литохимические пробы подвергались приближенно количественному спектральному анализу, исследование проб растений и почв Шерловой Горы проведено с использованием ШР MS. Внешний и внутренний лабораторный контроль (каждый в объеме 3.5 % от общего числа проб) показал удовлетворительную и хорошую сходимость данных. Результаты анализов обработаны стандартными методами мат-статистики.
Результаты и их обсуждение. Первичные ореолы. В региональных ореолах, часто пространственно охватывающих всю рудовмещающую толщу, косвенные элементы-индикаторы Yb, Zг, Оа, V, Мп, реже Со, Сг, Мо) распределены как и основные (РЬ, Zn, Си, Л§), довольно неравномерно даже на отдельных участках одного рудного района (табл. 1).
Собственные минералы в ореолах установлены для Ва, Fe. Положительная значимая корреляция выявлена среди прямых и косвенных индикаторов лишь для РЬ и Zn, а также элементов с аналогичными электростатическими свойствами. Каждый из косвенных индикаторов может оказать незначительное влияние на развитие растений из-за невысоких концентраций. Однако в сумме воздействие этих индикаторов, совместно с влиянием меняющихся содержаний породообразующих элементов оказывает довольно большое влияние на биогеохимические особенности растений. Рассмотрим это на примере полыни (табл. 2). Как видно из
приведенных данных, в определенных ус- ванных полиметаллических месторожде-ловиях (низко-средне-горье рудного райо- ний возможно формирование довольно на Джунгарского Алатау) над первичными контрастных биогеохимических аномалий региональными ореолами стратифициро- Pb, Zn, Cu и Mo.
Таблица 1/Table 1
Местное фоновое содержание (с вероятностью 95 %) ряда химических элементов
(n -10-3 %) на отдельных участках в неизмененных рудовмещающих сланцах (Коксу-Текелийский рудный район Джунгарского Алатау)/ Local background content (with 95% probability) of some chemical elements (n -10-3 %) for selected areas in unaltered ore-bearing shales (Koksu-Tekely ore area of Jungar Alatau)
Фоновое содержание/ Background content Pb Zn Mo Cu V Zr Yb Y
Минимальное/ Minimum Максимальное/ Maximum 3,1 ±0,6 6,9±6,8 7, со 0,17±0,05 0,67±0,38 2,9±0,7 4,9±1,4 4,7±1,2 59±21 9±0,4 32±7 0,1±0,03 0,31±0,03 2,3±0,5 3,2±0,7
Таблица 2/Table 2
Фоновые содержания (n -10-3 %) металлов в золе полыни над различными породами (Джунгарский Алатау)/ The background of the metals content, n -10-3 %, in the ash of wormwood over different species (Djungarian Alatau)
Горные породы/Rocks Число проб/ The number of samples Pb Zn Cu Mo
Сланцы рудовмещающей свиты/ Shale ore-bearing suite 51 8 30 50 3
Диабазовые порфириты/Diabase porphyrites 24 1,4 14 9,6 1,3
Граниты/Granite 97 1,9 13 3,9 1,1
Эффузивно-туффогенные породы/ Effusive-tuffogenic breeds 112 2 19 10 2
Это необходимо учитывать при проведении поисковых работ. Кроме того, растения реагируют повышением содержаний до 13 раз (табл. 2) на возникновение эко-лого-геохимического дискомфорта, вызванного совместным воздействием ряда химических элементов при их фоновых содержаниях, превышающих кларковые до 5 раз (табл. 1). Эта закономерность важна для выявления геохимических полей, соответствующих рудным районам и узлам, а также для выявления неблагоприятных эколого-геохимических зон.
Данных о геоботанических изменениях над региональными ореолами практически нет. Это объясняется тем, что региональные первичные ореолы выявляются только по результатам анализов и не представляют сплошной территории. Кроме того, вся рудо-вмещающая толща во многих случаях представляет собой сравнительно узкую полосу, в пределах которой специальные геоботаниче-
ские исследования обычно не проводились. И все же исследования Н. С. Петруниной и В. В. Ермакова указывают на то, что в условиях Южного Урала в пределах полиметаллической биогеохимической провинции происходит общее обеднение флоры, при котором численность видов уменьшается в 1,5 раза. Однако при этом происходит увеличение доли кальцефилов, петрофитов (растений каменистых обитаний) и сор-но-рудеральных видов [6; 7].
Известны и растения-индикаторы повышенных концентраций элементов [3; 4; 5; 11], являющихся основными элементами и элементами-примесями в полиметаллических рудах и в первичных региональных ореолах (табл. 3), а также есть специфические физиологические и морфологические изменения растений, обусловливаемые повышенным содержанием в среде произрастания этих же элементов (табл. 4).
Таблица 3/Table 3
Растения-индикаторы повышенных концентраций химических элементов, образующих полиметаллические руды и их первичные ореолы/ Plants-indicators of elevated concentrations of chemical elements, forming polymetallic ores and primary halos
Элементы/ Elements Рэстения/Plants MecTOHaxowfleHMe/Location
семейство/family Ha3BaHne/name
Pb Poaceae Erianthus aiaanteus TeHHecH, CWA/Tennessee, USA
Fabaceae Amorpha canescens
Asteraceae Galatella punctata WoTflaHAHfl/Scotland
Bryophyta, Pottiaceae Merceya latifolia MoHTaHa, C0A/Montana, USA
Caryophyllaceae Gypsophila patrinii Polycarpea spirostylus Viscaria alpina PoccHfl/Russia ABCTpaflHfl/Australia HopBerHfl/Norway
Ephedraceae Ephedra distachia Ka3axcTaH/Kazakhstan
Cu Fabaceae Goebelia alopecuroides Ka3axcTaH/Kazakhstan
Lamiaceae Acrocephalus robertii Elsholtzia haichowensis KaTaHra, UeHTpa^bHafl A^pHKa/ Katanga, Central Africa KHTaM/China
Papaveraceae Eschscholzia mexicana ApH30Ha, C0A/AZ, USA
Plumbaginaceae Armeria maritima Ka3axcTaH/Kazakhstan
Poaceae Fesuca sulcata Ka3axcTaH/Kazakhstan
Asteraceae Galatella punctata 0oTflaHAHfl/Scotland
Mo, Cu Fabaceae Astragalus declinatus KaflxapaH, ApMeHHfl/Kajaran, Armenia
Ag Polygonaceae Eriogonum ovalifolium MoHTaHa, C0A/Montana, USA
Pb, Cu Poaceae Agrostis gigantea CeBepo-3anaA Pocchh/ North-West of Russia
Таблица 4/Table 4
Физиологические и морфологические изменения растений, обусловленные повышенным содержанием химических элементов, образующих полиметаллические руды и их первичные ореолы/ Physiological and morphological changes in plants due to the increased content of chemical elements, forming polymetallic ores and primary halos
Элементы/ Elements Признаки/Signs
Pb Некроз листьев и ветвей растений, иногда уменьшение размеров листьев деревьев/Necrosis of the leaves and branches of plants, sometimes reducing the size of the leaves of the trees
Zn Белые хлорозные листья с зелеными прожилками, карликовые формы, некрозные пятна на кончиках листьев, задержка роста корней. Иногда у сельхозкультур проявляются симптомы недостатка Fe и Mn/ White chlorotic leaves with green veins, dwarf forms, necrotic spots on the leaves' tips, stunting of roots. Sometimes crops manifest the deficiency symptoms of Fe and Mn
Cu Некротические пятна на кончиках нижних листьев, багровые стебли, хлорозные листья с зелеными прожилками, задержка роста корней, у некоторых видов ползучие бесплодные формы/ Necrotic spots at the tips of the lower leaves, purple stems, chlorotic leaves with green veins, stunted roots, some species creeping sterile forms
Mo Задержка в росте, желто-оранжевая окраска/ Stunting, yellow-orange color
Ag Значительное снижение урожайности, но симптомы токсикоза отсутствуют/A significant reduction in crop yield, but the symptoms of toxicity do not exist
Таким образом, относительно невысокие (в несколько раз превышающие кларк соответствующих горных пород) [12; 13] содержания металлов в первичных ре-
гиональных ореолах полиметаллических месторождений приводят к формированию биогеохимических, а в отдельных случаях и геоботанических аномалий.
Это необходимо учитывать при проведении региональных и собственно поисковых работ. При проведении эколого-геохимиче-ских исследований следует учитывать, что биогеохимические и геоботанические техногенные аномалии образуются над первичными региональными ореолами часто за счет появления в среде произрастания ассоциации химических элементов представленной незначительно повышенными содержаниями РЬ, Zn, Си, Мо и др., характерных в природных условиях для пер-
вичных ореолов полиметаллических месторождений.
Первичные ореолы, окружающие рудные тела, в подавляющем большинстве случаев представляют собой зоны постепенного перехода рудных тел к вмещающим их горным породам. Это позволяет несколько условно рассматривать такие ореолы, как бедные руды. Над ними, как видно из табл. 5, формируются довольно контрастные биогеохимические аномалии.
Таблица 5/ТаЬ1е 5
Содержание металлов (%) в растениях над породами и рудами с различным содержанием Pb, Zn и Cu/ Metal content (%) in plants over the rocks and ores with
different content of Pb, Zn and Cu
Опробуемое растение/ Tested plant Безрудные породы/ Barren rocks Бедные руды/Poor ore Богатые руды/ Rich ore
Pb Cu Mo Pb Cu Mo Pb Cu Mo
Cerasus fruticosa - - - 4-10-3 810-3 110-4 410-2 7-10-3 1J-10"4
Spiraea hypericifolia 1,310-3 1,410-3 5'104 6,9-10-3 7,4'10-3 110-4 2,5-10-2 6,2-10-3 110-3
Goebelia alopecuroides 1.1-10-3 2,310-3 1,510-3 610-3 6,4-10-3 He опред./ Not objectified 1,310-2 6,4-10-3 He опред./ Not objectified
Полиметаллические руды. Обстановка над полиметаллическими рудными телами является стрессовой для произрастающих растений, что приводит к образованию контрастных биогеохимических и геоботанических аномалий. Это обусловлено на порядки более высокими содержаниями рассматриваемых металлов в рудах, чем в первичных ореолах. При этом контрастность биогеохимических аномалий зависит от вида и опробуемой части растений и фенологической фазы их развития. Но прямой зависимости содержаний металлов в растениях от таковых в рудах не установлено. Исследования, проведенные на Кавказе, показали, что при отборе проб практически на одних и тех же точках, аномальные содержания и даже законы распределения ряда элементов в разных
растениях различны (табл. 6). Это типично для всех изученных районов, независимо от климатических и ландшафтно-геохими-ческих условий (табл. 5, рис. 1 и 2). Для древесной растительности в природных условиях Северного Кавказа в зависимости от вида меняется среднее содержание для Ag в 3,3; Zn в 2,6; Ва - 2,4; РЬ - 2,03 и Си в 1,5 раза.
Рассмотренные закономерности остаются в силе и при разных содержаниях элементов-индикаторов в рудах, ореолах и безрудных породах. При этом над богатыми рудами, как видно из рис. 2, разница в содержаниях может становиться даже более контрастной. Эти закономерности сохраняются и при интенсивном антропогенном загрязнении территорий.
Таблица 6/Table 6
Распределение металлов в золе листьев ряда деревьев, произрастающих в одном месте/The distribution of metals in the ash of the leaves of some trees,
growing in one place
Рэстение/Plant Число проб/The number of samples Элемент/ Element Законы распределения/ Laws of distribution Среднее квадратичное отклонение/ Secondary quadratic deviation Аномальное содержание n -10-3 %/ Abnormal content n -10-3 %
Quercus robur 33 Ni логнорм./ loqnorm. 1,6 23
Carpinus orientalis 40 Ni логнорм./ loqnorm. 2 36
Faqus orientalis 35 Ni логнорм./ loqnorm. 1,9 40
Quercus robur 33 Cu норм./norms. 3 16,8
Carpinus orientalis 40 Cu логнорм./ loqnorm. 1,4 16,3
Faqus orientalis 35 Cu логнорм./ loqnorm. 2,4 19,3
Quercus robur 33 Pb норм./norms. 0,8 4,1
Carpinus orientalis 40 Pb норм./norms. 0,98 5
Carpinus orientalis 40 Zn логнорм./ loqnorm. 2,46 37,6
Faqus orientalis 35 Zn норм./norms. 9,6 43,7
Рис. 1. Содержание Pb в различных частях Сасыра (Каратау):
1 - листья; 2 - черенки; 3 - плодоносящий побег; 4 - семена
Fig. 1. The content of Pb in various parts of Sasira (Tau): 1 - leaves; 2 - cuttings; 3 - fertile shoot; 4 - seeds
Рис. 2. Содержание Pb в васильке в различные фенологические фазы развития (Каратау): I - над рудной зоной, II - над безрудным участком. Фенофазы: А - зацветание, Б - цветение, В - отцветание, Г - образование семян, Д - созревание семян
Fig. 2. The content of Pb in the cornflower in different phenological phases of development (Tau): I - above the ore zone, II - on barren land. Phenophases: a - flowering, B - flowering, C- blossom fading, G - formation of seeds, D - seed ripening
В целом, содержание металлов в растениях над полиметаллическими рудами кроме высоких содержаний в питающей среде зависят еще от ряда факторов, объединяемых в три основные группы: биологиче-
ские (биохимические), ландшафтно-гео-химические и кристаллохимические.
К биологическим факторам относятся, кроме рассматриваемых ранее, закономерности связи между элементами в орга-
низмах. Они существуют всегда, но особо их воздействие на содержание в растениях проявляется при аномальных геохимических условиях в среде произрастания, а следовательно, над месторождениями. Как пример приведем связь между содержаниями РЬ и Мо. Молибден входит в состав многочисленной группы ферментов энергетического обмена клеток, а свинец их инги-бирует. Таким образом, можно считать, что положительная корреляция содержаний этих металлов в растении является свидетельством нормальной жизнеспособности организма, отвечающего на токсичный свинец усиленным образованием ферментов. Избыточное поступление свинца в растение (у разных видов пороговые значения разные) нарушает ранее существовавшие закономерные связи, развитие организма становится угнетенным и количество молибдена, необходимого растению, уменьшается. Начинает отчетливо проявляться отрицательная корреляция между содержаниями этих металлов [9]. В результате такого явления появляются отрицательные биогеохимические аномалии молибдена в растениях над полиметаллическими месторождениями (рис. 3) и над участками с техногенным загрязнением почв свинцом. Такие биогеохимические аномалии над полиметаллическими месторождениями часто даже более контрастны, чем аномалии РЬ и Zn. Эта особенность успешно использовалась при проведении биогеохимических поисков в Джунгарском Алатау, где выявлен ряд полиметаллических месторождений и перспективных рудопроявлений.
К кристаллохимическим факторам относятся размеры атомных и ионных радиусов, валентности, сродство к электрону, электроотрицательность, ионный потенциал, энергетические коэффициенты и т.п. показатели. Для растений одним из основных показателей накопления элементов является коэффициент биологического поглощения (КБП). Он представляет собой отношение между содержаниями химиче-
ского элемента в растении (в данном случае в его золе) и питающей среде (почве). Исследования, проведенные В. А. Алексеенко и В. В. Добровольским, позволили установить связь КБП с энергетическими коэффициентами (рис. 4), т.е. с валентностями и размерами ионов.
га' Ш г EZ3 3 ЕЭ * ЕЗ 5 и 6
НН7| «
Рис. 3. «Отрицательная» биогеохимическая молибденовая аномалия над свинцово-цинковым месторождением Тельманским: 1 - известняки; 2 - рудовмещающие доломиты и руды; 3 - граниты; 4 - диабазовые порфириты;
5 - разрывные нарушения; 6 - контур аномалии; 7-10 - места отбора проб и содержание в пробах
молибдена (в %): 7 - меньше 510-4; 8 - 5-10-4; 9 - n-10-3; 10 - n-10-2; 11 - номер пробы; 12 - элементы залегания пород
Fig. 3. «Negative» molybdenum biogeochemical
anomaly over lead-zinc Deposit Telmansky: 1 - limestones; 2 - ore-bearing dolomite and ores; 3 - granite; 4 - diabase porphyrites; 5 - faults;
6 - contour anomalies; 7-10 - space sampling and the contents in the samples of molybdenum (%):
7 less 5-10-4; 8 - 5-10-4; 9 - n-10-3; 10 - n-10-2; 11 - number of samples; 12 - elements of breeds' bedding
Рис. 4. Связь энергетических коэффициентов и коэффициентов биологического поглощения: • - ионы с постоянной валентностью; □ - ионы с переменной валентностью
Fig. 4. The bond of energy coefficients and coefficients of biological absorption: • - ions with constant valence; □ - ions with variable valence
Как видно из рис. 4, главные элементы руды (РЬ, Zn, Си, Ag) попадают в поле нормального биологического накопления с четко выраженной связью между рассматриваемыми показателями (коэффициент корреляции равен — 0,74). А Мо попадает в поле повышенного биологического накопления, что обычно связывается с его особой биологической ролью. Вероятно, это является одной из причин образования рассмотренных ранее отрицательных биогеохимических аномалий Мо над полиметаллическими рудами. Кристаллохимическими факторами можно объяснить и накопление растениями Cd, Ое, Ag над рудами РЬ, Zn, Си, а следовательно использовать эти индикаторы при поисках. Однако при этом следует учитывать, что прямой связи между содержанием химического элемента в растении и в почве нет, и КБП зависит от форм нахождения его в почвах [8; 14].
Среди ландшафтно-геохимических факторов, влияющих поглощение растениями металлов и на контрастность биогеохимических аномалий, выделяются:
состав горных пород, вмещающих руды; рельеф; растительные ассоциации и комплексы. При этом с изменением состава пород, вмещающих полиметаллические руды, контрастность биогеохимических аномалий может изменяться в несколько раз в зависимости от фонового содержания в них элементов-индикаторов. В отдельных случаях эти содержания могут рассматриваться как региональные первичные ореолы и тогда контрастность биогеохимических аномалий над рудами существенно уменьшится.
В зависимости от рельефа аномальные концентрации металлов в растениях также могут изменяться в несколько раз. Так, аномальное содержание Си в золе баялы-ча в Центральном Казахстане в районах с выровненной поверхностью в 3 раза выше, чем в зонах плоскостного смыва.
Содержание металлов в растениях над полиметаллическими рудами определяется их минеральным составом (табл. 7), а также формами нахождения элемента в почве [8; 14].
Таблица 7/Table 7
Содержание свинца в золе степной вишни над полиметаллическими рудными телами с различным минералогическим составом, %/ The lead content in the ash of wild cherries on polymetallic ore bodies with different mineralogical composition, %
Участок/ Land Содержание свинца в коренных породах/ The lead content in the bedrock Доля свинца от общего содержания в породе, в минералах/The proportion of lead total content in the rock, minerals Среднее содержание свинца в биогеохимической аномалии/ The average content of lead in biogeochemical anomalies
галенит/ galena плюмбоя розит/ plúmbea of ro7Ít англезит/ anglesite церуссит/ cerussite
1 3,9 33 8,8 18 38,0 5,3'10-3
2 3,1 1,8 1,8 9,7 86,1 2,210-2
3 0,14 70 10 20,0 8,6-10-3
В результате изучения поведения химических элементов в растениях в пределах различных геохимических аномалий установлено, что в абсолютном большинстве случаев отсутствует положительная связь концентраций химических элементов в почвах и техноземах и содержанием их в растениях [8; 14]. Отсюда следует, что нельзя судить по содержанию того или иного химического элемента в растении об его концентрации в геохимической аномалии. Оказалось, что решающую роль в способности корневой системы растений поглощать тот или иной элемент играют его формы и, прежде всего, подвижные, такие как водорастворимые. Это показано на примере цинка, меди, мышьяка [8], свинца [8; 14] и других химических элементов.
Многими исследователями отмечается явление «вымывания металлов» из растений при дождях. Анализ этого явления в районах развития стратифицированных месторождений в Каратау и в Якутии показал, что в одних растениях после дождя отмечается вымывание основных элементов-индикаторов (РЬ, Zn, Си, Ag), а в других содержание этих элементов увеличивается. Так, в Каратау в полыни над рудной зоной содержания свинца после дождя увеличилось в 4,5 раза. В ряде растений (полынь, полевая вишня) содержание свинца после дождя увеличивалось только над рудной зоной, а над рудовмещающими породами отмечалось его выщелачивание. В других растениях (зопник, василек, брунец) после дождя повысилось содержание свин-
ца только над рудовмещающими породами (в 1,3—3,0 раза), а над рудными зонами его содержание уменьшилось в 2,5...3,5 раза.
В районе многолетней мерзлоты на месторождении Сардана после дождя продолжительностью свыше 2 суток значительно понизилось содержание свинца, цинка, меди и серебра в хвое, старых ветвях и коре лиственницы, в хвое и коре ели, в бруснике. В отдельных случаях содержание меди и цинка уменьшилось в 5,5 раза, свинца — в 5 раз, а серебра — в 22 раза. В то же время содержание свинца в листьях березы после дождя увеличилось в 2 раза, а в голубике — в 3 раза. Таким образом, содержание металлов после дождя изменяется во всех растениях, но направленность этого процесса и его количественная характеристика меняются у разных видов растений, и различных частей одного вида. Содержания металлов в растениях после дождя обычно восстанавливаются до исходного уровня в течение 2... 4 сут.
Практически во всех ландшафтах происходят изменения, которые мы обычно не фиксируем непосредственно (например, изменения состава почвенных газов, температуры в определенных фазах развития организма, атмосферного давления и т.д.), но на которые чутко реагируют растения. В результате при прочих одинаковых ландшафтно-геохимических условиях изменяются растительные комплексы и ассоциации. И в этих случаях наблюдаются изменения концентрации ряда элементов и степени их разброса (дисперсии) в одном и том же виде растений (табл. 8).
Таблица 8/Table
Распределение ряда металлов в золе ковыля из ландшафтов, отличающихся только растительными ассоциациями и комплексами (Центральный Казахстан)/ Distribution of some metals in the ash of feather grass of landscapes, differing only in plant associations and complexes (Central Kazakhstan)
Ассоциация, комплекс/ Association, complex Элемент/ Element Число проб/ The number of samples Аномальное содержание, %/ Abnormal content, %
Таволго-полынно-злаковая/ Tavolga-sagebrush-cereal Pb Мо Cu Ва 235 0,023 0,0017 0,093 0,379
Кустарниково-злаковый/ Shrub-cereal Pb Мо Cu Ва 675 0,014 0,0027 0,092 0,184
Таким образом, аномальные для растения ситуации над полиметаллическими рудами, связанные с повышенными в сотни и тысячи раз по сравнению с кларками [12] содержаниями химических элементов, вызвали образование биогеохимических аномалий.
Факторы, влияющие на аномальное накопление металлов, легко могут быть
учтены в практике поисковых работ. Проиллюстрируем это примером биогеохимических поисков в Центральном Казахстане при мощности перекрывающих рыхлых образований до 20 м, с проверкой глубинными литохимическими работами (рис. 5).
СЮ1 Ш* Из [ЧВ5 06 [W)7 EZ]6
Рис. 5. Карты аномалий:
а - биогеохимических; б - глубинныхлитохимических; 1 - современные отложения, суглинки, супеси; 2 - эффузивные кислые породы нижнего и среднего девона; 3 - кварцитовидные песчаники, пески и галька палеогена; 4 - красноцветные песчаники, гравелиты нижнего силура; 5 - эффузивы основного состава, вулканогенные и вулканогенно-осадочные породы нижнего и среднего кембрия; 6 - тектонические нарушения; 7 - геохимические аномалии; 8 - контуры аномальных участков
Fig. 5. Maps of anomalies:
a- biogeochemical; b - deep lithochemical; 1 - recent sediments, loam, sandy loam; 2 - effusive acidic rocks of the lower and middle Devonian; 3 - silica sandstones, sands and pebbles of Paleogene sediments; 4 - red sandstones, gravelite of lower Silurian; 5 - volcanites of the basic structure of volcanogenic and volcanogenic-sedimentary rocks of the lower and middle Cambrian; 6 - tectonic faults; 7 - geochemical anomalies; 8 - contours of anomalous sites
Биогеохимические пробы отбирались по сетке 25х200 м, а бурение скважин велось по сетке 40х200 м с вхождением на 2 м в неизмененные коренные породы. Анализ данных показал, что все аномальные участки, обнаруженные при биогеохимической съемке, связаны с повышенными содержаниями металлов (от сотых долей процента до нескольких процентов) в коренных породах. Невыявленных аномалий при биогеохимической съемке на площади работ (40 км2) не было. Таким образом, вместо разбуривания по сетке всей площади можно было бы с тем же поисковым эффектом ограничиться проверкой биогеохимических аномальных зон. Поверхностные (почвенные) литохимические поиски, проведенные на участке даже в более крупном масштабе, положительных результатов не дали.
Существенное повышение содержаний металлов в питающей среде над рудными телами привело, как показано, к формированию биогеохимических аномалий. Но произошло это только для тех растений, у которых есть биологический барьер, препятствующий накоплению металлов в растениях, начиная с какого-то предельного содержания. Растения без такого барьера погибали. Так началось формирование первых геоботанических аномалий — из растительных ассоциаций, характерных для региона, над рудными зонами исчезали определенные виды растений. Часто это довольно трудноуловимое геоботаническое изменение, однако оно наблюдается и при интенсивном техногенном загрязнении участков РЬ и Zn: в районе отстойников в г. Каменск- Шахтинский при содержании в почвах РЬ и Zn около 2 % исчезли пойменные тополевые леса.
Есть и растения, являющиеся геоботаническими индикаторами полиметаллических руд. Они часто различны для разных регионов.
Так, Silene 1аШоНа является индикатором как для полиметаллических руд, так и отдельно для руд цинка и меди [5; 10]. Ка-чим РаЫпи на Рудном Алтае является индикатором полиметаллических руд. В Катанге таким же индикатором медных и полиметаллических руд служит Ascolepis metalloгum.
Весьма интересное изменение облика цветов мака крупнокоробчатого Papa-ver macrostoumum (появление махровых цветков) выявлено Д. П. Малюгой [4] в Армении над полиметаллическим месторождением Аткыз. Махровость объяснялась рассеченностью лепестков, создающей впечатление наличия кроме четырех обычных дополнительных лепестков (рис. 6).
Рис. 6. Изменчивость лепестков цветка мака крупнокоробочного (Papavermacrostomum В. etH.): а - нормальный цветок; б - измененный цветок; в - степень измененности лепестков венчика
Fig. 6. Variability of flower petals large-boxed poppy (Papaver macrostomum et V. H.): a - normal flower; b - flower changed; -degree of variation of the petals of the Corolla
При этом в измененных цветках значительно увеличивалось содержание цинка. У элшольции калифорнийской цветы при повышенном содержании цинка приобретают, в отличие от обычного, голубого необычный лимонно-желтый цвет [4].
Для большинства элементов, особенно токсикантов, выявлена тенденция к снижению концентраций в плодах и, особенно, семенах, относительно корней и стеблей и листьев, что объяснено как функциональными особенностями этих органов, так и защитными свойствами организма, стре-
мящегося к сохранению дееспособности семени и чистоте вида. Наиболее ярко это проявлено на примере свинца и мышьяка в боярышнике кроваво-красном.
При отсутствии растений без биологического барьера над рудными телами иногда образуются «пустоши». В Италии [11] поиски велись по появлению участков, лишенных растительности.
Имеющиеся данные позволяют говорить о формировании над полиметаллическими рудами не только биогеохимических, но и геоботанических аномалий.
Выводы. 1. Прямые и косвенные элементы-индикаторы первичных ореолов и полиметаллических руд во многом подобны ассоциациям химических элементов в крупных техногенных аномалиях. Это позволяет использовать данные о биогеохимических и геоботанических аномалиях над полиметаллическими месторождениями при оценке эколого-геохимического состояния территорий.
2. Повышенные (в несколько раз превышающие кларк) концентрации металлов
Список литературы_
в среде произрастания приводят к образованию биогеохимических и геоботанических аномалий. Это является основой для проведения поисков месторождений, оценки эколого-геохимического состояния и его изменений в биосфере с использованием растений, а также выявления и ограничения рудных районов и узлов и проведения мониторинговых исследований.
3. Прямой зависимости содержаний металлов в растениях от содержаний в среде произрастания нет, но над полиметаллическими рудами биогеохимические аномалии более контрастны, а геоботанические изменения более явно выражены, чем над первичными ореолами.
4. Содержание металлов в растениях также зависит от биологических особенностей растений, ландшафтно-геохимических особенностей территорий и внутренних факторов миграции элементов (ионные радиусы, валентности, строение электронных оболочек и т.д.). На практике все эти факторы легко учитываются и не мешают проведению работ с использованием растений.
1. Гинзбург И. И. Опыт разработки теоретических основ геохимических методов поисков руд цветных и редких металлов. М.: Госгеолтехиздат, 1957. 299 с.
2. Голубева Е. И., Говорова А. Ф. Подходы к мониторингу состояния лесных экосистем в условиях техногенного загрязнения // Докл. Междунар. науч. конф. «Геохимия биосферы». М.; Смоленск, 2006. С. 96-98.
3. Ивашов П. Б. Биогеохимическая индикация оловянной минерализации. М.: Наука, 1987. 222 с.
4. Малюга Д. П. Биогеохимический метод поисков рудных месторождений. М.: АН СССР, 1963. 264 с.
5. Несветайлова Н. Г. Поиски руд по растениям. М.: Недра, 1970. 96 с.
6. Петрунина Н. С., Ермаков В. В. Геохимическая экология растений в условиях полиметаллических аномалий // Докл. Междунар. науч. конф. «Геохимия биосферы». М.: Смоленск, 2006. С. 288-290.
7. Петрунина Н. С., Ермаков В. В., Дегтярева О. В. Геохимическая экология растений в условиях полиметаллических биогеохимических провинций // Тр. Биогеохимической лаб. М.: Наука, 1999. Т. 23. С. 228-256.
8. Смирнова О. К., Сарапулова А. Е., Юргенсон Г. А. О формах химических элементов в отходах обогащения руд золото-молибденового месторождения Давенда (Восточное Забайкалье) // Минералогия техногенеза-2009. Миасс: ИМинУрО РАН, 2009. С. 160-169.
9. Султанов К. М., Алексеенко В. А. [и др. ]. К вопросу о закономерностях связи между элементами в организмах. Баку: Известия АГУ, 1970. С. 17-27.
10. Ткалич С. М. Некоторые общие закономерности содержания химических элементов в золе растений // Биогеохимические поиски рудных месторождений. Улан-Удэ, 1969. С. 83-90.
11. Cannon H. L. Botanical Prospecting for Ore Deposits // Science, 1960. Vol. 132. No. 3427.
12. Turekian K. K., Wedepohl K. H. Distribution of the Elements in some major units of the Earth's crust // Geological Society of America Bulletin, 1961, vol. 72, pp. 175-192.
13. Wedepohl K. H. The composition of the continental crust // Geochimica et Cosmochimica Acta, 1995, vol. 59, no. 7, pp. 1217-1232.
14. Yurgenson G. A. About the form of lead in soil tailing dzhida tungsten-molibdenum plant // Goldschmidt, 2015. P. 35. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.goldschmidt.info/2015/uploads/ abstracts/finalPDFs/A-Z.pdf (дата обращения: 01.07.2017).
References_
1. Ginzburg I. I. Opyt razrabotki teoreticheskih osnov geohimicheskih metodov poiskov rud tsvetnyh i redkih metallov [Experience in the development of theoretical foundations of geochemical methods of searching for ores of non-ferrous and rare metals]. Moscow: State Scientific and Technical Publishing House of Literature on Geology, Geodesy and Conservation of Subsoil, 1957. 299 p.
2. Golubeva E. I., Govorova A. F. Podhody k monitoringu sostoyaniya lesnyh ekosistem v usloviyah tehnogennogo zagryazneniya [Approaches to monitoring the state of forest ecosystems in conditions of technogenic pollution]: Reports of the International Scientific Conference «Geochemistry of the Biosphere». Moscow; Smolensk, 2006, pp. 96-98.
3. Ivashov P. B. Biogeohimicheskaya indikatsiya olovyannoy mineralizatsii [Biogeochemical indication of tin mineralization]. Moscow: Science, 1987. 222 p.
4. Malyuga D. P. Biogeohimicheskiy metod poiskov rudnyh mestorozhdeniy [Biogeochemical method of ore deposits prospecting]. Moscow: Publishing House of the USSR Academy of Sciences, 1963. 264 p.
5. Nesvetaylova N. G. Poiski rudpo rasteniyam [The search of ores due to plants]. Moscow: Nedra, 1970.
96 p.
6. Petrunina N. S., Ermakov V. V. Geohimicheskaya ekologiya rasteniy v usloviyah polimetallicheskih anomaliy [Geochemical ecology of plants in conditions of polymetallic anomalies]: Reports of the International Scientific Conference «Geochemistry of the Biosphere». Moscow; Smolensk, 2006, рр. 288-290.
7. Petrunina N. S., Ermakov V. V., Degtyareva O. V. Geokhimicheskaya ekologiya rasteniy v usloviyah polimetallicheskih biogeohimicheskih provintsiy [Geochemical ecology of plants in the conditions of polymetallic biogeochemical provinces]: Proceedings of the Biogeochemical Laboratory. Moscow: Science, 1999, vol. 23, pp. 228-256.
8. Smirnova O. K., Sarapulova A. E., Yurgenson G. A. Mineralogiya tekhnogeneza-2009 (Mineralogy of technogenesis-2009). Miass: IMin UrO RAN Publ., 2009, pp. 160-169.
9. Sultanov K. M., Alekseenko V. A. [at all]. Kvoprosu o zakonomernostyah svyazi mezhdu elementami v organizmah [On the question of the regularities of the relationship between elements in organisms]. Baku: Publishing house of the Azerbaijan State University, 1970, pp. 17-27.
10. Tkalich S. M. Nekotorye obshhie zakonomernosti soderzhaniya himicheskih elementov v zole rasteniy [Some general patterns of chemical elements content in plant ash]: Biogeochemical prospecting of ore deposits. Ulan-Ude, 1969, pp. 83-90.
11. Cannon H. L. Science (Science), 1960, vol. 132, no. 3427.
12. Turekian K. K., Wedepohl K. H. Geological Society of America Bulletin (Geological Society of America Bulletin), 1961, vol. 72, pp. 175-192.
13. Wedepohl K. H. Geochimica et Cosmochimica Acta (Geochimica et Cosmochimica Acta), 1995, vol. 59, no. 7, pp. 1217-1232.
14. Yurgenson G. A. Goldschmidt (Goldschmidt), 2015, pp. 35. Available at: http://www.goldschmidt. info/2015/uploads/abstracts/finalPDFs/A-Z.pdf (accessed 01.07.2017).
Коротко об авторах_
Алексеенко Владимир Алексеевич, д-р геол.-минерал. наук, профессор кафедры «Безопасность жизнедеятельности», Государственный морской университет им. адмирала Ф. Ф. Ушакова, Заслуженный деятель науки и техники РФ, г. Новороссийск, Россия. Область научных интересов: геохимия, поиски месторождений, биогеохимия, экология vl.al.alekseenko@gmail.com
Юргенсон Георгий Александрович, д-р геол.-минерал. наук, зав. лабораторией геохимии и рудогенеза, Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, профессор кафедры «Химия», Забайкальский государственный университет, заслуженный деятель науки РФ, г. Чита, Россия. Область научных интересов: минералогия, геохимия, рудогенез, геммология yurgga@mail.ru
Швыдкая Наталья Владимировна, канд. биол. наук, доцент кафедры «Ботаника и кормопроизводство», Кубанский государственный аграрный университет им. И. Т. Трубилина, г. Краснодар, Россия. Область научных интересов: экология растений, биогеохимия nepeta@mail.ru
Briefly about the authors_
Vladimir Alekseenko, doctor of geol.-mineralogical sciences, professor, Safety of Life department, State Maritime University named after Admiral F. F. Ushakov, Honored Worker of Science and Technology of the Russian Federation, Novorossiysk, Russia. Sphere of scientific interests: geochemistry, search of deposits, biogeochemistry, ecology
Georgy Yurgenson, honored scientific worker of RF, doctor of geological and mineralogical sciences, professor, head of Geochemistry and Ore Deposits Genesis laboratory, Institute of Nature Resources, Ecology and Criology SB RAS, professor, Chemistry department, Transbaikal State University, Chita, Russia. Sphere of scientific interests: mineralogy, geochemistry, gemology and ore deposits genesis
Natalya Shvydkaya, candidate of biological sciences, associate professor, Botany and Feed Production department, Kuban State Agrarian University named after I. T. Trubilin, Krasnodar, Russia. Sphere of scientific interests: plant ecology, biogeo-chemistry
Образец цитирования_
Алексеенко В. А., Юргенсон Г. А., Швыдкая Н. В. О влиянии геохимической обстановки на полиметаллических месторождениях на биогеохимические и геоботанические особенности растений // Вестн. Забайкал. гос. ун-та. 2017. Т. 23. № 8. С. 4-18. DOI: 10.21209/2227-9245-2017-23-8-4-18.
Alekseenko V., Yurgenson G., Shvydka N. On the influence of geochemical environment at the polymetallic mineral deposits on biogeochemical and geobotanical plant features / / Transbaikal State University Journal, 2017, vol. 23, no. 8, pp. 4-18. DOI: 10.21209/2227-9245-2017-23-8-4-18.
Дата поступления статьи: 08.07.2017 г. Дата опубликования статьи: 31.08.2017 г.
