CC BY
45
УДК 550.42:577.4
С.Ю. Артамонова
ИГМ СО РАН, Новосибирск
ОЦЕНКА АЭРОЗОЛЬНОГО ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ РАЙОНА Г. СЕВЕРСКА С ПОМОЩЬЮ ГЕОХИМИЧЕСКИХ И ГИС-МЕТОДОВ
В статье приводятся результаты исследования проб снега с помощью апробированных геохимических методов ICP-MS, ICP-AES и ГИС- методов. Определены особенности аэрозольного загрязнения района г. Северска: 1) низкотемпературная ассоциация элементов, связанная с локальными выбросами печного отопления и котельных местных деревень; 2) вторая низкотемпературная ассоциация элементов, обусловленная протяженным шлейфом «дыхания города», интегральным загрязнением от выбросов многочисленных мелких предприятий и транспорта как г. Томска, так и Северска; 3) высокотемпературная ассоциация элементов, обусловленная выбросами производства ядерно-топливного цикла и ТЭЦ Сибирского химического комбината г. Северска.
ГИС-проект станет основой для дальнейшего экологического мониторинга и по мере пополнения новыми данными превратится в цифровую базу данных.
S.Yu. Artamonova
Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS (IGM SBRAS), pr. Academian Koptuga, 3, Novosibirsk, 630090, Russian Federation
THE ASSESSMENT OF TECHNOGENIC AEROSOL POLLUTION OF SEVERSK AREA USING GEOCHEMICAL AND GIS-METHODS
The results of snow samples researches using tested geochemical ICP-MS, ICP-AES methods and GIS ones are discussed in the article. Features of aerosol pollution in area of Seversk city are defined. Following element associations are revealed: 1) the low temperature one, indicating local aerosol pollution by the low temperature pyrolise emission of ovens and small boiler-houses of local villages; 2)the low temperature one of the “breath of city”- the extent integral emissions of numerous fine enterprises and transport Tomsk, Seversk cities; 3) high temperature one, indicating high temperature pyrolise emission of nuclear-fuel cycle industry and Power Station of Siberian chemical combine in Seversk city.
The GIS- project will be the base for ecological monitoring and in process of updating by new data will turn to a digital database.
Актуальность
Предприятия Минатома, производящие обогащенный уран и плутоний, всегда приковывали внимание общественности и исследователей-экологов. Ряд
работ были посвящены изучению выбросов г. Северска, а именно Сибирского химического комбината (СХК) - местного градообразующего предприятия ядерно-топливного цикла (Язиковым Е.П. и др., 2004, Таловская А.В. и др., 2007), названы их геохимические индикаторы: Lu, F, 7п, и, Cs. Целью настоящей работы было уточнить геохимический состав техногенных аэрозолей Сибирского химического комбината (СХК) путем изучения осадков снега. В условиях Сибири снег является идеальным модельным объектом для изучения состава и динамики выбросов промышленных предприятий, поскольку с начала ноября до конца марта в устойчивом снежном покрове фиксируются твёрдые аэрозольные частицы, а также частично - сорбированные на твердых фазах газообразные продукты. В зимней розе ветров г. Северска у поверхности и на высоте 500 м преобладают ветры южного и юго-западного направлений, как в целом на юге Западной Сибири, что предоопределяет доминирующий ветровой снос аэрозольных частиц от труб предприятий к северу и северо-востоку.
Методика
В марте 2010 г. были отобраны крупнообъемные пробы снежного покрова (50-70 л каждая) по трем маршрутам к северу и северо-востоку от города согласно розе ветров (рис. 1). Для исключения влияния автодорог точки пробоотбора были удалены от автодорог на расстояние на не менее 200 м. Точки привязывались с помощью GPS-навигатора Е^ех GARMIN с погрешностью 7-10 м.
Рис. 1. Содержание взвеси (осадков) в талом снеге или пыльность (мг/л) (А), содержание сажи в осадках снега (вес.%) ф), содержание церия Се (В), циркония Хх (С), цинка Хп (Е), олова Sn (Р) в осадках снега (г/т). Штриховой
линией показаны шлейфы выбросов г. Северска регионального масштаба, линией из длинных штрихов - область максимального выпадения аэрозолей высокотемпературной ассоциации. Линией из точек показаны локальные
низкотемпературные аэрозольные шлейфы у местных деревень и шлей «дыхания города». Точки отбора проб: t-1 - t-10 (F)
Пробы оттаивали в 70-литровых баках, большая часть талой воды после осаждения взвеси подвергались декантации, остаток талой воды со взвесью фильтровалась через бумажный фильтр «синяя лента». Пыльность (содержание взвеси) определялась отношением массы взвесей к объему талого снега. Содержание анионов определены титрованием. Точность определения: НСО3- -не более 12 %, SO42- - 23 %, Cl- - 16 %. , Са2+ - 2%, Mg2+ - 10%, Na++K+ - 25%. Осадки снега переведены в раствор методом сплавления в NaOH и кислотным разложением.
Атомно-эмиссионным методом с индуктивно-связанной плазмой (ICP-AES) на спектрометре IRIS определены концентрации макрокатионов (Са2+, Mg2+, Na+, K+), а также S, Si, B, Ti, Fe, Mn, P. Отн. погрешность - не более 10 %, нижние пределы обнаружения элементов от 0.001 - 0.005 ppm. Масс-спектрометрическим методом с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS) на ELEMENT (Finnigan Mat, Germany) с ультразвуковым распылителем U-5000AT+ определено содержание тяжелых металлов, редкоземельных элементов, естественных радионуклидов U и Th. Для коррекции матричного влияния и контроля приборного дрейфа в качестве внутреннего стандарта использован In. Элементы Cd, Tl, Cu, Zn, Pb были определены при низком разрешении, Sb и Fe - при среднем, а As - при высоком разрешении. Предел обнаружения исследуемых элементов, оцененный по 3 а вариации фонового сигнала, составил от 0.001 до 0.1 ppb. Относительное стандартное отклонение при определении концентраций - до 10%. С помощью ICP-MS определено соотношение изотопов 235U/238U с погрешностью 2 %.
На основе геокодированных снимков Landcat с помощью программных пакетов ArcView 3.3 (США) с модулем Spatial Analyst и ENVI 4.01 (США) подготовлен ГИС-проект района исследований. Элементный и ионный составы талого снега и аэрозольных частиц внесены в ГИС-проект в виде отдельных тематических слоев. ГИС-проект создан в UTM -системе координат (зона 45, геоид - WGS-1984), совместимый с координатами точек по GPS-навигатору ETREX GARMIN.
Результаты и обсуждение
Минерализация талого снега составляет от 8 до 34 мг/л при среднем рН~5.89. Преобладают ионы гидрокарбоната - до 32 мг/л, кальция - до 1.15 мг/л. Наибольшая минерализация талого снега и пыльность характерны в 14.3 км к северу от Северска (т. 8): 34.4 мг/л и 57.6 мг/л (рис.1). По мере удаления от города уменьшается пыльность и минерализация снежного покрова, как и содержание кальция и гидрокарбонатов в талом снеге.
Корреляционный анализ геохимических данных и их визуализация с помощью ГИС-методов позволили выявить ассоциации элементов, связанных с разными источниками выбросов и определить их особенности (рис. 1).
1-ая высокотемпературная ассоциация элементов регионального масштаба связана с выбросами высокотемпературных продуктов горения производства ядерно-топливного цикла (ЯТЦ) и ТЭЦ Сибирского химического комбината г. Северска. В них мало сажи (рис.1 В,С). Шлейф выбросов носит региональный характер и протянут к северу и северо-востоку на десятки км, а пятно максимальных выпадений аэрозолей находится к северу от города (^8 в 14.3 км).
Техногенные аэрозоли содержат алюмосиликатные шлаки, в которых найдены расплавы циркона и монацита (фосфатов редкоземельных элементов и Y, Т^ Sr, Ва) и ферросфероиды из гематита и сплавов оксидов железа, также сульфаты и оксиды Ва, Sr, чаще в виде сфероидов. Геохимическими индикаторами выбросов Северска являются литофильные Sr, Ва, Y, ЫЪ, 7г, редкоземельные элементы (РЗЭ): La, Се, Рг, Ш, Sm, Eu, Gd, ТО, Dy, Ш, Er, Tm, Yb, Lu. Суммарное содержание РЗЭ в аэрозолях достигает 325 г/т, Y - 44.7 г/т, 7г -263 г/т, Ва - 1620 г/т. Наличие алюмосиликатных шлаков в сплаве с цирконами, с монацитами и малое содержание сажи указывают на высокие температуры их образования (температуры плавления цирконов, монацита-ксенотима).
В аэрозолях выбросов Северска выявлено пониженное изотопное
238 235
соотношение Ц/ и до 74.28 при невысоком общем содержании урана в аэрозолях (4.3 - 9.8 г/т). В талом снеге урана слишком мало - 0.016 -0.039 мкг/л, и потому мы не рассмотривали соотношение изотопов урана в них. Природный уран представляет собой смесь трех изотопов урана: урана-238, урана-235 и урана-234 в процентном соотношении 99.28 : 0.714 : 0.006. Нормальное
238 235
соотношение изотопов и к и должно равняться 139.05. Измеренные соотношения изотопов урана в аэрозолях разных маршрутов - разные (рис.2А).
Частицы
сажи
Рис. 2. А. Соотношение 238U/235U в аэрозолях района г. Северска, min, max -
238 235
коридор естественных природных соотношений U/ U.
Б. Длинные закрученные волокнистые частицы сажи в аэрозолях за деревнями Наумовка и Георгиевка (t-1) (электронное фото)
Б /
HiliJIffl
лло 9^^
В пробах северо-северо-западного маршрута Ц/ и равно 139.1, то есть наблюдается самое нормальное природное соотношение, что вполне увязывается с геохимическим данными о минимальном влиянии на этом участке выбросов Северска (рис.1В,1С). В пробах северного маршрута соотношение изотопов и несколько ниже - 137.89. В пробах северо-восточного
238 235
маршрута среднее соотношение Ц/ и снижено из-за резкой обогащенности урана до 74.28 в ^2 (рис. 2). Данный факт можно объяснить только влиянием техногенных выбросов СХК. По-видимому, уран в форме гексафторида урана может привноситься в снежный покров преимущественно в газообразной форме, потому в будущем необходимо изучить и газовую фазу снежных проб. Возможно, при стаивании проб теряется газообразная часть урана. Замечено, пробам снега характерен специфический технический запах в отличие от проб снега других городов Сибири.
II-ая низкотемпературная ассоциация элементов локального масштаба связана с загрязнением продуктами низкотемпературного горения угля и дров при печном отоплении и в котельных местных деревень и формирует геохимические аномалии у пос. Самусь и за деревнями Георгиевка и Наумовка (рис. Ш, 1Е), в аэрозолях которых присуще обилие частиц сажи (%), состоящих, в основном, из углерода. Частицы сажи часто сохраняют волокнистую структуры дерева (рис. 2Б).
Эту ассоциацию элементов в аэрозолях составляют халькофильные элементы РЪ, 7п, Sb, Со, М, Си, Cd, В^ Мо и S, находящиеся в форме оксидов. Состав элементов-индикаторов определяется примесями в топливе.
III-ая низкотемпературная ассоциация элементов протяженного масштаба, обусловленная «дыханием города» - интегральными выбросами многочисленных мелких промышленных предприятий и транспорта как г. Северска, так и Томска. Типоморфными фазами являются также частицы сажи, обломки стали, чугуна, сложных оксидов вольфрама и олова. Геохимическими индикаторами являются халькофильные Mo, ^, Zn, Cd, S и литофильные W, Sn (рис. №).
Итак, работы позволили впервые выявить минерально-геохимические ассоциации аэрозольных частиц, связанных с выбросами г. Северска и отделить их от выбросов других источников. Впервые выявлено, что в аэрозолях г. Северска содержание урана незначительное. Индикатором выбросов ЯТЦ г.
238 235
Северска является снижение изотопного соотношения Ц/ и в аэрозолях по сравнению с природным соотношением. Главными индикаторами выбросов ЯТЦ СХК г. Северска являются большие содержания целого комплекса элементов: Sr, Ва, Y, ЫЪ, 7г, редкоземельных (РЗЭ) La, Се, Рг, Ш, Sm, Еи, Gd, ТО, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu.
Работа выполнена в рамках проекта РФФИ № 09-05-00839 и
междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН №84.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Язиков Е.Г., Голева Р.В., Рихванов Л.П. и др. Минеральный состав пылеаэрозольных выпадений снегового покрова Томской агропромышленной агломерации [текст]/Е.Г. Язиков // Зап. ВМО. - 2004. - №5. - 69 с.
2. Таловская А.В., Язиков Е.Г., Панченко М.В., Козлов В.С. Мониторинг потоков аэрозольных выпадений в фоновых районах Томской области [текст] А.В. Таловская // Оптика атмосф. и океана. - 2007. - Т. 20. - № 6. - С. 517-523.
© С.Ю. Артамонова, 2011
