CC BY
27СЕРЕБРО В ПОЧВАХ И ГОРНЫХ ПОРОДАХ ЯКУТСКА
Владимир Николаевич Макаров,
доктор геолого-минералогических наук, профессор, главный научный сотрудник лаборатории подземных вод
и геохимии криолитозоны Института мерзлотоведения им. П. И. Мельникова СО РАН, г. Якутск
В. Н. Макаров
Один из благородных металлов -серебро - известно человечеству несколько тысячелетий. Об этом свидетельствуют многочисленные изделия, найденные в древних захоронениях, и примитивные горные выработки, сохранившиеся до наших дней.
Серебро (Ад) - мягкий металл светло-серого цвета, редкий (табл. 1) благородный токсичный, сильно токсичен для низших организмов; возможно жизненно необходимый металл.
Серебро образует в поверхностных процессах подвижные Ад+, Ад2+, АдО+, АдО-, Ад^О4)23-, но слабо мобилизуется, особенно при рН>4 [3]. Мигрирует в виде комплексного иона в кислых и щелочных водах окисли-
тельной обстановки. Гуминовые кислоты хорошо связывают большинство комплексов Ад, в связи с чем серебро может накапливаться в поверхностном слое почвы. Основные медико-биологические и миграционные свойства этого элемента приведены в табл. 2.
Отличительной малоизвестной, но определяющей геохимию особенностью является высокая степень подвижности Ад в водных растворах [7]. Отмечается сходство Ад+ и Аи+ по степени подвижности [8].
В настоящее время большая часть серебра (70-80 % мировой добычи) представляет собой побочный продукт переработки комплексных
Распространённость Ag в окружающей природной среде
Таблица 1
Компоненты природной среды Единицы измерения Ад Источники
Кларк земной коры мг/т 73 [1]
Кларк осадочных пород -«- 100
Почвы -«- 50 [2, 3]
Медико-биологические и миграционные свойства Ад [4-6]
Таблица 2
Параметры Основные свойства
Геохимический барьер Физико-химические: сульфидный и глеевый, восстановительно-сероводородный
Миграция В виде органических комплексов и комплексного иона в кислых и щелочных водах окислительной обстановки
Растения-концентраторы Огурцы, капуста, грибы, зелёные водоросли, полынь, тысячелистник, шалфей
Токсичность Сильно токсичен для низших организмов, возможно жизненно необходимый металл. Заболевания, вызванные избытком Ад: аргирия. Токсичная доза Ад в организме 60 мг, летальная -1,3-6,2 г
Медико-биологические свойства Серебро - природный антибиотик, обладает широким спектром действия, активен в отношении 700 видов бактерий вирусов и грибков. Оно не только уничтожает микроорганизмы, но и очищает организм, выводит токсины. Ионы серебра препятствуют росту и размножению микробной клетки. Недостаток Ад в организме приводит к нарушению работы иммунной системы и возникновению простудных, вирусных и инфекционных заболеваний. В малых концентрациях широко применяется для обеззараживания воды. Малые дозы Ад способствуют повышению общей сопротивляемости организма, а большие дозировки угнетают иммунитет. В медицине существуют различные лекарственные препараты, основанные на Ад. Ежедневный приём с пищей 0,0014-0,08 мг
серебросодержащих руд цветных металлов и золотых
руд.
Серебро отличается высоким показателем техно-фильности, т. е. степенью его использования по отношению к его содержанию в литосфере, так как масса ежегодной добычи Ад значительно превышает его кларк1 в литосфере. Благодаря очень низкому кларку в литосфере значение показателя технофильности (отношение массы ежегодной добычи элемента к его кларку в литосфере) Ад очень высоко - около 109, примерно на уровне Аи, Bi и Cd, и уступает только углероду [5]. По этой же причине - из-за малого кларка в литосфере - модуль техногенного давления, т. е. количество Ад, поступающего из техногенных потоков в природную среду на единицу площади, один из самых низких - 0,001-0,01 кг/км2 год.
Современные (голоценовые) аллювиальные отложения в долине р. Лены (Туймаада), представляющие собой почвообразующий субстрат, являются исходным поставщиком продуктов гипергенного выветривания и имеют исключительное значение для формирования современного элювия и почв.
Геологические (природные) аллювиальные отложения четвертичного возраста во многом определили минералогический и химический состав культурного слоя. С археологической точки зрения «культурный слой» (неприродного происхождения) - термин для обозначения слоя земли, содержащего следы деятельности человека.
Оценить много или мало Ад в аллювии р. Лены можно, если сравнить содержание этого элемента в аллювиальных отложениях (среднее в интервале глубин 1020 м) в районе г Якутска с кларком земной коры (КЗК). Результаты сравнительного анализа показывают, что аллювиальные четвертичные отложения в районе города геохимически специализированы на Ад, содержание которого превышает кларк на 16 % (табл. 3).
С увеличением дисперсности пород содержание Ад возрастает: в супесях и суглинках до 0,30 мг/кг, примерно в 3-4 раза выше, чем в среднем в четвертичных
аллювиальных отложениях и в подстилающих их алевролитах юрского возраста (табл. 4).
Накопление Ад в техногенных городских отложениях (культурном слое) связано не только с деятельностью человека, но и с высоким содержанием в естественных горных породах, на которых сформировался этот слой. Серебро является одним из унаследованных компонентов, которые были в местных аллювиальных отложениях до их преобразования в культурный слой. Величина контрастности техногенных геохимических аномалий, отношение среднего содержания микроэлементов в грунтах культурного слоя и в аллювиальных отложениях показаны в табл. 5.
По величине контрастности техногенных геохимических аномалий Ад попадает в группу среднеконтраст-ных компонентов в грунтах культурного слоя, наряду с Аи, макрокомпонентами (Мд, С, Са).
Культурный слой, сформировавшийся в Якутске, неоднороден. Образование литологических и геохимических параметров культурного слоя происходило в два исторических этапа: первый - «деревенский» - на протяжении более 350 лет, со дня начала застройки территории (1642 г.) до середины 50-х годов ХХ в.; второй - «городской», когда в последние 60-70 лет сформировалась собственно урбанизированная территория. Многолетнее промерзание пород определило специфические условия толщи техногенных отложений, с различным химическим и минеральным составом, разным строением, физико-механическими свойствами и особенностью миграции химических элементов.
Таблица 3
Сравнение концентрации Ад в аллювиальных отложениях р. Лены (район г. Якутска) с кларком земной коры, мг/кг
Элементы о- 191 КЗК [1] оа| / КЗК
Ад 0,085 0,073 1,16
Среднее содержание Ад в четвертичных ^а1) и юрских (из) отложениях в районе г. Якутска, мг/кг
Таблица 4
0а| -3 КЗК [1]
Суглинок, тяжелый Суглинок, средний Супесь Песок пылеватый Песок мелкозернистый Песок среднезернистый Среднее Алевролит
0,30 0,30 0,30 0,10 0,16 0,10 0,085 0,10 0,073
Таблица 5
Контрастность техногенных геохимических аномалий в грунтах культурного слоя по отношению к аллювиальным отложениям - Q.,
Высококонтрастные Среднеконтрастные Слабоконтрастные Инертные
>10 5-10 3-5 2-3 1,5-2 ~1
С1, N0^ К, Na, NO2 Нд, Б Мд, Ад, Аи, С, Са □, V, Со, Zn, W, РЬ Р, Сг, N1, Си, Ge, МН4, Sn Т1, Мп, Ga, X Мо, В1, Nb, В
1 Кларк - среднее содержание химических элементов в земной коре, гидросфере и других системах, по отношению к общей массе этой системы.
Геохимическая характеристика аллювиальных отложений и культурного слоя получена в основном при изучении керна буровых скважин в ходе комплексного геокриологического и геохимического мониторинга, проведённого в 2010-2012 гг. ИМЗ СО РАН. Рассматривалось распределение Ад в грунтах скважин, пройденных в районах города с различным временем освоения, от самых «древних» (300-350-летних) до современных, возраст которых менее 50 лет. Их сопоставление позволяет судить об изменении содержания Ад в культурном слое каждой из областей урбанизации, различающихся возрастом освоения - городской застройки, а следовательно, и техногенного воздействия.
Распределение Ад в «древних» грунтах культурного слоя с возрастом более 300 лет изучено по керну буровой скважины, пройденной на территории городского района «Старый город». На карте «Планъ города Якутска 1770 года» [10] место расположения скважины находится в районе гостиных дворов. К концу XVIII в. эта территория была уже хорошо освоена. Здесь располагалась церковь Преображение господне, гостиные дворы, многочисленные дворовые постройки.
Разрез отложений, вскрытых скважиной, представлен почвенно-растительным слоем мощностью около 0,5 м; ниже - в интервале 0,5-1,5 м - сезонно-талыми грунтами культурного слоя (суглинок чёрного цвета с органикой и древесной щепой); 1,5-4,0 м - мёрзлыми грунтами культурного слоя (песок, глина и суглинок); далее с 4 м и до забоя скважины (12 м) залегают аллювиальные отложения четвертичного возраста (песок серый, среднезернистый, твёрдомёрзлый, льдистый) (рис. 1). Мощность грунтов культурного слоя по литоло-гическому описанию оценивается в 4,0 м, что соответст-
вует усреднённым данным о его мощности в районах города с продолжительностью техногенного воздействия около 300 лет [11, 12].
По химическим свойствам грунты культурного слоя отличаются: 1) преимущественно щелочной реакцией среды (в среднем рН = 7,26); 2) повышенной заселённостью (в среднем 0,075-0,35 %) за счет присутствия хлоридов; 3) аномальной концентрацией Ад, которая в 50 раз выше, чем в незатронутых техногенезом аллювиальных отложениях.
Аномальные концентрации Ад полностью насыщают грунты культурного слоя, как промерзающие, так и мёрзлые, и прослеживаются почти до кровли аллювиальных отложений. Глубже, в многолетнемёрзлых аллювиальных отложениях, концентрации Ад не превышают фоновых значений. В то же время в мёрзлых грунтах культурного слоя и кровле аллювиальных отложений наблюдается чёткая аномалия щёлочности и засолён-ности, прослеживаемая до глубины 8-9 м, формирование которой в аллювии не связано с непосредственным техногенным воздействием, а обусловлено миграцией из очага загрязнения (см. рис. 1).
Грунты культурного слоя с возрастом техногенеза около 200-250 лет были вскрыты скважиной, расположенной к востоку от территории бывшего Спасского монастыря. Подошва сезонно-талого слоя находится на глубине 1,85 м, мощность культурного слоя оценивается в 4,3 м. Верхняя часть разреза до глубины 2,5 м сложена современными техногенными грунтами: суглинки с включениями органики, щебня, обломков кирпичей, древесиной. Для них характерно слабое засоление, фоновые концентрации Нд и Ад и слабая аномалия Ад (150 мг/т) в почвенно-растительном слое (рис. 2).
0,001 0,01 0,1 1 10%
Т--|--Г 5 - 6 - 7 8
Рис. 1. Распределение Ад и засолённость отложений аллювия и 300-летних грунтов культурного слоя:
1 - почвенно-растительный слой; 2 - песок;
3 - суглинок; 4 - глина; 5 - кровля ММП; 6 - солёность, %; 7 - содержание Ад, мг/т
Рис. 2. Распределение микроэлементов и засолённость 200-летних грунтов культурного слоя и аллювиальных отложений:
1 -6 - см. рис. 1; 7-8 - содержание микроэлементов, мг/т: 7 - Ад; 8 - Нд
В отличие от распределения Ад в древних отложениях (см. рис. 1) контрастная аномалия серебра установлена в нижней части культурного слоя в интервале глубин 2,5-4,3 м, она совпадает со слабой аномалией Нд и повышенной солёностью грунтов. Граница культурного слоя и аллювия чётко фиксируется по резкому снижению до фоновой концентрации всех компонентов.
Распределение Ад в самых молодых грунтах было изучено по керну скважины, пройденной в намывных песках, слагающих плоскую поверхность искусственно созданной террасы (микрорайон № 202). Разрез скважины свидетельствует о значительной мощности (8 м) промороженной сверху толщи намывных песков и большой глубине (4,1 м) сезонного протаивания. Вскрытые скважиной породы на глубине более 8,0 м принадлежат к отложениям гидрогенного талика.
Для формирующихся техногенных почв до глубины 0,2-0,5 м характерна слабая засолённость (гидрокарбонатами и хлоридами) и слабоаномальные концентрации Ад и Мп (рис. 3).
Типичные геохимические показатели техногенного воздействия РЬ, Нд, а также Ад не фиксируют техногенного загрязнения грунтов. Антропогенное давление в течение последних 35-40 лет практически не оказало воздействия и на солевой состав грунтов: величина солёности, содержание хлоридов и гидрокарбонатов в намытых песках и аллювиальных отложениях не превышают фоновых значений. Аномальные концентрации Ад
Рис. 3. Содержание Ад и засолённость намывных грунтов 202 микрорайона г. Якутска:
1 - песок мелкозернистый и среднезернистый, кварц-полевошпатовый; 2 - песок мелкозернистый и среднезернистый, кварц-полевошпатовый, с включением мелкой гальки; 3 - песок среднезернистый, с тонкими прослоями тёмно-серой супеси; 4 - супесь; 5 - суглинок; 6 - кровля ММП; 7 - содержание Ад, мг/т; 8 - солёность, %
и геохимические показатели техногенного загрязнения намывных песков не распространяются глубже 0,5 м.
Установлена функциональная зависимость концентрации (среднее геометрическое и максимальное) Ад в грунтах культурного слоя от возраста техногенного воздействия (рис. 4). В самых старых (250-350-летних) грунтах культурного слоя средняя концентрация Ад в 2-3 раза выше, чем в более молодых, а максимальные значения достигают величины 2-5 г/т.
О 50 100 150 200 250 300 350
Рис. 4. Зависимость концентрации Ад в грунтах культурного слоя от возраста техногенного воздействия
Полученные геохимические данные позволяют проследить особенности формирования геохимических полей Ад в сезонно-талых и мёрзлых отложениях культурного слоя.
Анализируя изменение среднего содержания Ад в грунтах культурного слоя с разной продолжительностью техногенного воздействия, можно прийти к следующим выводам.
1. Среднее содержание Ад в «древних» грунтах культурного слоя мало различается: в двухсотлетних -300 мг/т, в трехсотлетних - 330 мг/т (максимальное до 2000-5000 мг/т), но значительно выше, чем в более молодых, и примерно в 3,5 раза, чем в Qa|. Если проанализировать постепенное повышение концентрации Ад в этот период времени по сравнению с первоначальным ^а|), то техногенное поступление металла в «древние» грунты культурного слоя можно оценить в 0,82-1,08 мг/тгод.
2. Среднее содержание Ад в грунтах культурного слоя с возрастом <100 лет колеблется в пределах 110-130 мг/т (максимальное до 200-500 мг/т), что на 30-50 % выше присутствия металла в аллювиальных отложениях. Техногенное поступление Ад в грунты культурного слоя в этот период относительно равномерно, около 0,50 мг/тгод, т. е. в 1,5-2 раза ниже, чем в более древних отложениях, что можно объяснить уменьшением использования серебра в быту.
Для культурного слоя, возраст которого превышает 200-250 лет, характерны высокие концентрации Ад. Геохимические аномалии Ад в ряде случаев могут быть вызваны существованием зон бытового или промышленного загрязнения в прошлом, определённой
0 0,02 0,04 0,0« 0,03%
хозяйственно-бытовой и производственной деятельностью, возможно, ювелирным делом (Ад, Аи и Нд) или скоплениями этого металла, связанными с наличием серебряных изделий (монеты и др.). Пункты с аномальными концентрациями Ад в отложениях культурного слоя находятся в старой части Якутска с возрастом застройки более 200 лет (рис. 5).
Рис. 5. Геохимические аномалии Ад в грунтах культурного слоя
Содержание Ад в городских почвах изучалось ИМЗ СО РАН с 1984 г. при мониторинговых литохимических съёмках. Среднее содержание Ад в почвах 0,14 (геометрическое) - 0,17 (арифметическое), максимальное 10 мг/кг. Концентрация водорастворимых форм Ад в среднем 0,03-0,04 мг/кг, примерно 0,06 % от общего количества металла.
Накопление Ад в техногенных городских почвах связано не только с деятельностью человека, но и с высоким содержанием в естественных горных породах -
аллювиальных отложениях (см. табл. 3), на которых сформировался почвенный покров. В процессе антропогенного воздействия в верхнем слое городских почв (0-0,5 м) в два раза по сравнению с содержанием в аллювиальных отложениях возросла концентрация Ад и ряда других халькофильных элементов (Нд, 7п, РЬ).
Аномалии Ад в почвах города образуют обширное поле в центре города, преимущественно в его старой части, и три небольших по размеру аномалий к северу и западу от основного поля (рис. 6).
Рис. 6. Распределение Ад в почвах, мг/кг:
1 - < 0,2; 2 - 0,2-0,3; 3 - 0,3-0,4; 4 - 0,5-0,8; 5 - 0,9-1,0
Три наиболее контрастных аномалии Ад (500900 мг/т) протягиваются линейно примерно на 2,5 км в северо-западном направлении, располагаясь в пределах кварталов «В» на юге, «48» на севере и «128» в средней части линеамента. Максимальные концентрации Ад (1-10 г/т) встречаются отдельными точками как в старой части города (квартал «В»), так и в относительно молодых районах.
Среднее содержание Ад в литогенной среде Якутска (коренные породы кембрийского и юрского возраста, аллювиальные четвертичные отложения, техногенные отложения - культурный слой грунтов и почвы) приведено в табл. 6.
Таблица 6
Распространение Ag в литогенной среде Якутска
Литогенная среда Ед. изм. Ag
Карбонатные отложения, G1 мг/кг 0,088
Терригенные отложения, J1 -«- 0,102
Аллювиальные отложения, Q , ' al -«- 0,085
Техногенные отложения - культурный слой
С сред. геом мг/кг 0,180
Почвы
С ф сред. арифм мг/кг 0,17
С сред. геом -«- 0,14
Выводы
• Исторические, техногенные и геокриологические условия формирования культурного слоя в г Якутске определили особенности химического и минерального состава, строения, физико-механических свойств толщи сезонно-талых и мёрзлых техногенных отложений, миграции химических элементов, в том числе и Ад.
• Концентрирование Ад в грунтах культурного слоя обусловлено геохимическими свойствами аллювиальных четвертичных отложений, обогащённых Ад, и поступлением металла при техногенном воздействии.
• Максимальное содержание Ад наблюдается в «древних» грунтах культурного слоя в интервале глубин 1-4 м. Скорость техногенного поступления Ад в грунты в это время составляла примерно 0,8-1,0 мг/тгод, а в более молодые отложения в 1,5-2 раза ниже.
• Контрастные аномалии Ад в старых районах города охватывают полностью культурный слой (до глубины 5-6 м), до верхних горизонтов аллювиальных отложений. В молодых районах, с возрастом техногенного воздействия 100 и менее лет, Ад фиксируется в сезон-но-талых грунтах и кровле мёрзлых грунтов культурного слоя (до глубины 2-4 м) или концентрируется только в почвенно-растительном слое.
• Аномальные концентрации Ад в отложениях культурного слоя отмечаются в старой части Якутска с возрастом застройки более 200 лет.
Список литературы
1. Виноградов, А. П. Средние содержания химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры / А. П. Виноградов // Геохимия. -1962. - № 7. - С. 555-571.
2. Bowen, H. J. M. Environmental Chemistry of the Elements /H. J. M. Bowen. - London - New York: Academic Press, 1979. - 333 p.
3. Кабата-Пендиас, А. Микроэлементы в почвах и растениях /А. Кабата-Пендиас, Х. Пендиас. - М.: Мир, 1989. - 425 с.
4. Авцын, А. П. Патология человека на Севере / А. П. Авцын, А. А. Жаворонков, А. Г. Марачев [и др.]. -М. : Медицина, 1985. - 416 с.
5. Перельман, А. И. Геохимия элементов в зоне ги-пергенеза /А. И. Перельман. - М.: Недра, 1972. - 288 с.
6. Эмсли, Дж. Элементы / Дж. Эмсли. - М. : Мир, 1993. - 256 с.
7. Макаров, В. Н. Геохимические поля в криолито-зоне / В. Н. Макаров. - Якутск: Издательство Института мерзлотоведения СО РАН, 1998. - 116 с.
8. Минералы благородных металлов / О. Е. Юшко-Захарова, В. В. Иванов, Д. К. Щербачев [и др.]. - М. : Недра, 1986. - 272 с.
9. Подъячев, Б. П. Геохимические аномалии благородных металлов в осадочных отложениях Якутского поднятия / Б. П. Подъячев // Система коренной источник - россыпь. - Якутск : Изд-во ЯНЦ СО РАН, 2009. -С. 166-173.
10. Попов, Г. А. История города Якутска. 16321917 гг. : краткие очерки / Г. А. Попов. - Якутск, 2007. - Т. III.
11. Дорофеев, И. В. Вековые изменения температуры многолетнемёрзлых грунтов в Якутске / И. В. Дорофеев, И. И. Сыромятников // Вопросы географии Якутии. Вып. 11. Влияние изменений климата на природные процессы криолитиозоны. - Якутск, 2013. - С. 103-108.
12. Макаров, В. Н. Геохимическая характеристика техногенных отложений (культурного слоя) в криоли-тозоне / В. Н. Макаров, Н. В. Торговкин // Наука и образование. - 2017. - № 3 (87). - С. 38-45.
лфхш М<У®ШХШ101(ЕК
Деление науки на различные дисциплины - не более чем административная условность. Каждый творчески работающий учёный волен ломать любые барьеры, если это нужно для успеха его работы.
Н. Винер
Наука существует не ради себя самой, не для утоления жажды знания ограниченного числа своих жрецов. Её задача - увеличить сумму знаний всего рода человеческого и тем поднять его на более высокую ступень развития.
В. Сименс
