CC BY
175
УДК 502.51(285) (470.21)
В.А.Даувальтер, Н.А.Кашулин, С.С.Сандимиров
ТЕНДЕНЦИИ ИЗМЕНЕНИЙ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ПРЕСНОВОДНЫХ СУБАРКТИЧЕСКИХ И АРКТИЧЕСКИХ ВОДОЕМОВ ПОД ВЛИЯНИЕМ ПРИРОДНЫХ И АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ
Аннотация
Приведены результаты более чем 20-летних исследований содержания элементов (главным образом, тяжелых металлов Ni, Cu, Co, Zn, Cd, Pb, As, Hg) в донных отложениях водоемов северо-западной части Мурманской области и приграничной территории между Россией, Норвегией и Финляндией. При изучении химического состава донных отложений рассматривались четыре аспекта: 1) фоновые концентрации; 2) вертикальное распределение; 3) концентрации в поверхностных донных отложениях; 4) определение интенсивности антропогенного влияния по показателям коэффициента и степени загрязнения, создаваемого тяжелыми металлами, накопленными в донных отложениях. Пылевые выбросы в атмосферу плавильных цехов комбината «Печенганикель» являются главным источником повышенных концентраций Ni, ^ и Со (в 10-180 раз больше фоновых значений) в поверхностных слоях донных отложений на расстоянии до 30-40 км. В целом по результатам исследований 2010 г. отмечено увеличение концентраций практически всех загрязняющих тяжелых металлов в поверхностных слоях донных отложений озер по сравнению с исследованиями 2002-2004 и 1989-1993 гг., что говорит об усилении антропогенной нагрузки на водосборы озер.
Ключевые слова:
донные отложения, озера, тяжелые металлы, загрязнение.
V.A.Dauvalter, N.A.Kashulin, S.S.Sandimirov
THE TENDENCIES OF CHANGES OF CHEMICAL COMPOSITION OF FRESH WATER SUBARCTIC AND ARCTIC RESERVOIRS SEDIMENTS UNDER THE INFLUENCE OF NATURAL AND ANTHROPOGENIC FACTORS
Abstract
The results of more than 20-years researches of the contents of elements (mainly heavy metals Ni, Cu, Co, Zn, Cd, Pb, As, Hg) in sediments of reservoirs of the Northwest part of the Murmansk Region and frontier territory between Russia, Norway and Finland are presented. Four aspects were considered at studying of sediments chemical compositions:
1) background concentrations; 2) vertical distribution; 3) concentration in surficial sediment layer; 4) definition of intensity of anthropogenic influence according to factors and degree of contamination created by heavy metals, accumulated in sedinments. Dust emissions into the atmosphere by the "Pechenganickel" Company smelters are the main source of increased Ni, ^ and Co concentrations (10-180 times more than background values) in surficial layers of sediments at distance up to 30-40 km. The results of the researches of 2010 record the concentration growth of practically all heavy metals in the surficial layers of lakes, sediments as against the results of the researches of 2002-2004 and 1989-1993. This shows the more intense anthropogenic influence on the lake catchment areas.
Key words:
sediments, lakes, heavy metals, pollution.
Введение
Проблема изменения природных геохимических циклов элементов под влиянием антропогенного воздействия является одной из важнейших в современных вопросах экологии и охраны окружающей среды. Преобразования химического состава поверхностных слоев земной коры в последние столетия происходят в масштабах, сравнимых с геологическими процессами (Вернадский, 1954). Уже в 1934 г. А.Е.Ферсман отмечал стремительный рост использования элементов (примерно в 100 раз за 15-30 лет до обозначенного года), который в последующие годы только нарастал (Ферсман, 1953). Отвалы горных пород и хвостохранилищ, шахтные и карьерные воды, стоки, отходы и атмосферные выбросы предприятий энергетики,
горноперерабатывающих и металлургических отраслей являются источниками поступления в окружающую среду ряда элементов, токсичных в повышенных концентрациях для живых организмов. Ежегодно миллионы тонн горных пород извлекаются на поверхность, дезинтегрируются, подвергаются воздействию активных растворов, высоких температур. При этом используется лишь малая доля «полезных» компонентов, а большая - поступает в среду, как правило, в химически более активном виде, увеличивая скорости и объемы миграции элементов.
Как известно, водоемы служат коллекторами всех видов загрязнения, большая часть которых аккумулируется в донных отложениях (ДО), которые накапливают сведения о потоках элементов в биосфере в историческом срезе (Forstner, Wittmann, 1981; Melnikov, 1991). Они являются важным источником информации о прошлых климатических, геохимических, экологических условиях, существующих на водосборе и в самом водоеме, позволяют оценить современное экологическое состояние воздушной и водной сред. Значительный вклад в раскрытие закономерностей формирования химического состава и изучение форм миграции элементов в воде и ДО внесли работы У.Ферстнера и Г.Уиттманна (Forstner, Wittmann, 1979, 1981), П.Н.Линника и Б.И.Набиванца (1986), П.Н.Линника с соавторами (1997), Дж.Мура и С.Рамамурти (1987), АИДенисовой и др. (1987), А.М.Никанорова и А.ВЖулидова (1991), В.Ф.Бреховских (1988, 1998а, б), Е.В.Веницианова и Р.Н.Рубинштейна (1983), Е.В.Веницианова (1998), А.В.Евсеева и Т.М.Красовской (1996). Экологическая опасность элементов в водных экосистемах, их токсичные свойства для организмов во многом определяются формами нахождения, способностью к комплексообразованию и биодоступностью в конкретных условиях природных водоемов.
Процессы седиментогенеза исследованы Н.М.Страховым с соавторами (1954), А.П.Лисицыным (1978), Ю.А.Богдановым (1980), Ю.П.Хрусталевым (1986), но эти исследования проводились главным образом в океанах и морях. Работы в этом направлении проводились также и в крупнейших озерах России: Байкале
(Лимнологический институт СО РАН), Ладожском и Онежском (Семенович, 1966, 1973). Значительный вклад в исследования поверхностных вод и ДО российской части Европейской Субарктики внесен сотрудниками Института географии РАН (Федорова, 1964), МГУ (Евсеев, Красовская, 1996), Института озероведения РАН (Сергеева, 1968, 1974; Большие озера ..., 1976; Озера различных ландшафтов Кольского полуострова, 1974), Института биологии Коми НЦ РАН (Зверева, 1969; Власова, 1988), ИППЭС КНЦ РАН (Моисеенко и др., 1996, 1997, 1998, 2002; Даувальтер, 1995, 1997, 1998, 2000, 2002; Лукин и др., 2000; Кашулин и др., 2005, 2007, 2008, 2009, 2010; Kashulin et al., 2008 и др.).
Донные отложения послойно депонируют многие загрязняющие вещества (микроэлементы, биогенные элементы, органические загрязнители и др.), поэтому могут рассматриваться и в качестве информативного показателя качества вод, и источника вторичного загрязнения по следующим причинам: 1) ненарушенные ДО содержат «исторические записи» прошлых химических условий и позволяют установить фоновые уровни, с которыми могут сравниваться и сопоставляться существующие условия; 2) под влиянием изменения физико-химических условий (например, pH, Eh, растворенный кислород, бактериальная активность) связанные с ДО соединения могут растворяться и поступать в водную толщу, далее в пищевую цепь и иметь вторичные эффекты для водных обитателей; 3) некоторые относительно инертные или безвредные для окружающей среды неорганические вещества могут разрушаться или реагировать с другими, образуя растворимые и потенциально токсичные формы (например, переход элементарной ртути в метилртуть). Низкая биодоступность металлов, ассоциированных с неорганическими частицами, определяет высокие
концентрации этих веществ в ДО. И если физическая или биологическая мобилизация не произошла сразу после их отложения (снижение рН среды, поглощение бентосными организмами и/или бентофагами, восстановление микроорганизмами и т.д.), эти частицы будут покрыты новыми, и такое захоронение может надолго вывести вещества-загрязнители из циркулирования их в экосистеме.
Определение содержания загрязняющих веществ в ДО имеет то преимущество, что этот показатель является интегрирующим во времени и, в какой-то степени, в пространстве. Анализируя тот или иной слой отложений, можно определить суммарную нагрузку за период формирования этого слоя. Зная скорость осадконакопления, можно реконструировать хронологию загрязнения водоема.
Регионы Европейской Арктики и Субарктики имеют специфические особенности формирования химического состава ДО поверхностных вод. Поведение техногенно-внесенных веществ в высоких широтах отличается в силу климатических и ландшафтно-географических особенностей, а их токсичные свойства проявляются более активно в низкоминерализованных и низкотемпературных водах вследствие низкой скорости массо-энергообмена, специфических физико-химических условий и более низкой биомассы водных экосистем Субарктики по сравнению с таковыми умеренных широт (Моисеенко, 1997).
Почти вековая эксплуатация богатых и уникальных месторождений полезных ископаемых (медно-никелевых, железных, апатитонефелиновых, редкоземельных руд, угольных и нефтегазовых месторождений и т.д.) на территории Европейской Арктики и Субарктики привела к созданию здесь сложной экологической обстановки.
Целью данной работы является выявление тенденций изменения химического состава ДО пресноводных субарктических и арктических водоемов в современных условиях под влиянием природных и антропогенных факторов.
Материалы и методы
Исследования химического состава ДО водоемов северо-западной части Мурманской области и приграничной территории между Россией, Норвегией и Финляндией сотрудниками ИППЭС КНЦ РАН проводятся в течение 20 лет, начиная со времени организации Института (1989). Наибольшее количество результатов было получено во время проведения совместных российско-норвежских и российско-финляндских исследований по изучению состояния окружающей среды приграничной территории. Эти исследования можно разделить на три периода с разницей примерно в 10 лет:
1) в 1989-1993 гг. проводились междисциплинарные исследования в рамках совместного проекта, в котором участвовали ИППЭС и NIVA (Норвежский институт водных исследований) (Rognerud, 1990; Traaen et al., 1991; Dauvalter, 1992, 1994, 1997, 2003; Norton et al., 1992, 1996; Moiseenko et al., 1993, 1995; Даувальтер, 1995, 1997, 1998, 2002; Лукин и др., 1998; Моисеенко и др., 1998; Rognerud et al., 1999; Dauvalter, Rognerud, 2001; Kashulin et al., 2001; Lukin et al., 2003);
2) в 2002-2004 гг. содержание и поведение металлов в ДО водоемов исследовалось в рамках проекта Интеррег IIIA Коларктик «Развитие и реализация мониторинга окружающей среды и программа оценки в приграничном районе между Финляндией, Норвегией и Россией» (State of the environment ..., 2007; Dauvalter, Sandimirov, 2007; Dauvalter et al., 2011);
3) в 2010 г. исследования химического состава воды и ДО проводились в рамках совместного проекта «Закисление и тяжелые металлы в озерах приграничной территории между Россией и Норвегией: состояние и тренды», в котором участвовали ИППЭС и NIVA (рис.1).
Рис.1. Расположение исследуемых российских озер (2010 г.):
I - Куэтсъярви; 2 - Великямпянъярви; 3 - ЬЫ-2; 4 - ЬЫ-3; 5 - Степановинъярви;
6 - Палоярви; 7 - Хаукилампи; 8 - Песчаное; 9 - Хоисуярви; 10 - Куорпукасъярви;
II - Иля-Соукеръярви; 12 - Ала-Соукеръярви; 13 - Сарияърви;
14 - Пику-Хейнияярви; 15 - Кирикованъярви; 16 - Сантаярви; 17 - Трифонаярви;
18 - Пороярви; 19 - Нилиярви; 20 - Шуонияур; 21 - Кеудшеръяур;
22 - Алла-Аккаярви; 23 - Маунъявр; 24 - Виртуовощъяур; 25 - Кочеяур
Приграничная территория между Россией, Норвегией и Финляндией испытывает серьезное антропогенное влияние, в том числе со стороны комбината «Печенганикель». Озеро Куэтсъярви и нижнее течение р.Пасвик принимают сточные воды металлургических и сопутствующих производств, расположенных в п.Никель. Вся система р.Пасвик, а также озёра и реки данного района, в нее не входящие, подвергаются загрязнению посредством атмосферных выпадений. К основным загрязняющим веществам относятся соединения серы и тяжелых металлов (ТМ) - М, Си, Cd, Сг, 2п, As, Н и др., полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) и стойкие органические загрязнители (СОЗ). Выбросы диоксида серы с комбината приводят к закислению поверхностных вод и их загрязнению вследствие интенсификации процессов выщелачивания элементов из горных пород.
Разработка Печенгских медно-никелевых месторождений началась в 1932 г. совместной канадско-финской компанией (после Октябрьской революции территория нынешнего Печенгского района отошла к Финляндии, а после советско-финской войны 1939-1940 гг. вошла в состав СССР). Комбинат «Печенганикель» функционирует с 1946 г., когда в пос. Никель возобновилась переработка местных сульфидно-никелевых руд. В 1959 г. развернулась добыча руд Ждановского месторождения и их переработка на заводе в г. Заполярный. В состав выбросов комбината входят сернистый газ, Чі, Си и другие ТМ, пыль, а также окислы азота и окись углерода от котельных.
Колонки ДО на исследуемых водоемах взяты в наиболее глубоких местах отборником колонок ДО открытого гравитационного типа (внутренний диаметр 44 мм) с автоматически закрывающейся диафрагмой. Отборник изготовлен из плексигласа по образцу, разработанному Скогхеймом (Skogheim, 1979), он позволяет транспортировать колонки ненарушенными для дальнейшего использования. Длина колонок ДО составляла от 25 до 45 см, в зависимости от условий их формирования. Колонки ДО были разделены на слои по 1 см (в отдельных случаях - 0.5 см), помещены в полиэтиленовые контейнеры и отправлены в лабораторию для анализа, где они хранились при температуре 4°С до анализа.
Первичная обработка проб ДО (высушивание, определение влажности, прокаливание и определение потерь при прокаливании) и определение содержания элементов (№, Си, Со, 2п, Cd, РЬ, ^, Мп, Fe, Са, Mg, Ча, К, А1, Сг, Р, Sr) проводились в лабораториях Института проблем промышленной экологии Севера (ИППЭС) Кольского научного центра РАН, Апатиты, Россия и Норвежского института водных исследований (ЧГУЛ), Осло, Норвегия.
Образцы (примерно 5 г) были высушены в сушильном шкафу при температуре 105 С в течение 6 ч, и определялась влажность образца (Накапэоп, 1984). Затем образцы прокаливались в муфельной печи при температуре 450-500 С в течение
4 ч для определения потерь при прокаливании (далее в тексте - ППП) как косвенного показателя содержания органического вещества. Образцы затем растирались в яшмовой ступе и сохранялись при температуре 4 С до химического анализа.
Для определения валовых концентраций металлов навеска 0.3 г образца обрабатывалась 3 мл концентрированной азотной кислоты (HNO3) класса ОСЧ в автоклаве с тефлоновым вкладышем при температуре 140 С в течение
5 ч. Содержимое автоклава потом охлаждалось до комнатной температуры, и аликвота 2.5 мл перемещалась в пластиковую бутылочку 60 мл и разбавлялась деионизированной водой до объема 25 мл.
Растворы, полученные в результате пробоподготовки ДО, анализировали с помощью атомно-абсорбционной спектрофотометрии на приборах AAS-30 в пламени ацетилен - воздух (Сг, Со, Fe, Мп), в пламени ацетилен - закись азота ^г, Al); Peгkm-Elmeг-360 в пламени ацетилен - воздух (№, Си, 2п), в пламени пропан - бутан - закись азота (Са, Mg), в пламени пропан - воздух (Ча К). С помощью прибора ЛЛЧ-800 (электротермическая атомизация) определяли концентрации Cd, РЬ, Лэ. Концентрации ^ определяли с использованием атомной абсорбции холодного пара с помощью прибора Регкіп-ЕІтег FIMS 100. Контроль качества осуществлялся путем анализа стандартных образцов PACS-2 (Канада) и L6M (Финляндия). Отклонение от стандартизованных значений не превышало значений допустимой ошибки для анализируемых элементов (20-25%). Все концентрации металлов выражены в микрограммах на грамм (мкг/г) сухого веса.
Уровень техногенной нагрузки на экосистемы озер определяли по расчетному коэффициенту загрязнения (Cf каждого приоритетного загрязняющего ТМ (Ni, Cu, Co, Zn, Pb, Cd, Hg, As), рассчитываемому путем деления концентраций ТМ в поверхностном (современном) слое (0-1 см) на его фоновое содержание в самом глубоком слое, сформированном в «доиндустиальный» период (Hakanson, 1980). Степень загрязнения ДО (Cd) определяли суммированием значений Cf всех восьми ТМ для данного озера.
Фоновые концентрации элементов в донных отложениях
Изучение фоновых концентраций ТМ в ДО является одним из центральных вопросов при исследовании загрязнения озер. Образцы ДО, отобранные из самых глубоких слоев колонок (обычно более 20 см), позволяют получить фоновые концентрации ТМ при исследовании загрязнения озер. Эти слои, согласно ранее проведенным исследованиям (Norton et al., 1992, 1996; Rognerud et al., 1993), образовались более двух столетий назад, т.е. до индустриального развития Северной Фенноскандии. Фоновые концентрации ТМ отражают геохимические особенности территории водосбора, позволяют получить количественные значения степени загрязнения водных объектов и определить аномалии с целью поисков месторождений полезных ископаемых (Tenhola, Lummaa, 1979).
Фоновые концентрации ТМ в ДО исследуемых озер довольно непостоянны, что отражает значительные вариации в геохимии водосборной территории (коренных и четвертичных пород, покрывающих их почв), скорости эрозионных процессов, модуля стока (водного, ионного и твердых веществ), т.е. всех условий формирования химического состава ДО озер.
Максимальные фоновые концентрации большей части ТМ (Ni, Zn, Co, Cd, Hg, As) отмечены в южной части оз.Куэтсъярви, что обусловлено геохимическими и морфометрическими особенностями водосборной территории и самого озера, на водосборе которого находятся медно-никелевые сульфидные залежи, представленные такими минералами, как пентландит (Fe,Ni)9S8, халькопирит CuFeS2, кобальтин (Co,Ni)AsS, никелин NiAs и др. (Gregurek et al., 1999). Установлено, что фоновые концентрации вышеперечисленных элементов в ДО оз.Куэтсъярви в 2-10 раз выше, чем в других исследуемых озерах. Вместе с тем, было отмечено, что фоновые концентрации ТМ (за исключением Hg) минимальные (или одни из наименьших) в ДО северо-восточной и самой глубокой акватории оз.Куэтсъярви - залива Питкялоукко, что связано с геохимическими особенностями водосбора озера. В этот залив впадает р.Кувернеринйоки, на водосборе которой не выявлено залежей медно-никелевых руд.
В озерах, расположенных в непосредственной близости к г.Заполярный и пос.Приречный, также зафиксировано значительное увеличение фоновых концентраций Cu, Ni, и Zn, что связано с разнообразием геологического строения коренных и четвертичных пород, слагающих водосборы озер.
В основном средние фоновые концентрации изучаемых металлов в водоемах северо-запада Мурманской области (табл.1) подобны средним фоновым концентрациям для озер Мурманской области, рассчитанным ранее (Даувальтер, 2000). Исключение составляют халькофильные элементы Cd и Pb, фоновые содержания которых, по результатам исследований последних лет, в 2-4 раза меньше по сравнению с установленными ранее (Даувальтер, 2000).
Таблица 1
Фоновые средние (X), минимальные (min) максимальные (max) концентрации элементов (мкг/г сух. веса) и стандартные отклонения (sn) в ДО исследованных озер северо-запада Мурманской области, определенные по результатам исследований в различные годы
Элемент 1989-1993 гг. 2002-2004 гг. 2010 г.
X min max sn X min max sn X min max sn
Ni 33 10 83 20 32 12 72 19 36 8 85 20
Cu 36 6 81 23 33 9 68 18 36 8 66 15
Co 14 5 42 11 16 4 40 11 18 5 36 10
Zn 91 33 185 49 101 47 173 35 100 48 181 37
Cd 0.80 0.25 2.51 0.78 0.17 0.06 0.40 0.09 0.17 0.06 0.50 0.09
Pb 3.8 0.5 15.0 4.1 3.2 0.7 9.2 2.3 3.8 0.8 9.4 2.3
As - - - - 4.6 0.7 13.7 4.2 5.0 0.8 22.1 5.8
Hg 0.040 0.016 0.110 0.032 0.037 0.003 0.111 0.025 0.050 0.008 0.146 0.033
Фоновые концентрации ТМ в ДО водоемов северо-запада Мурманской области по результатам исследований в различные годы подобны, хотя отмечаются некоторые расхождения, но они, как правило, не более 10%, что совпадает со значением аналитической ошибки, а также могут быть объяснены пространственной вариабельностью состава фоновых слоев ДО. Исключением является Cd, концентрации которого в исследованиях 1989-1993 гг. более чем в 4 раза больше, чем в последующих (табл. 1). Несовпадения в рассчитанных величинах средних фоновых концентраций ТМ могут быть связаны с тем, что перечень озер, из которых производился отбор ДО в различные годы, полностью не совпадал, хотя большая часть озер исследовалась в течение 20 лет, особенно озера вблизи источников загрязнения.
Концентрации Н в фоновых ДО исследуемых озер находятся в диапазоне от 0.008 до 0.146 мкг/г, а средние значения изменяются от 37 до 50 нг/г. Для сравнения в табл.2 приведены фоновые содержания Н в ДО озер Фенноскандии и Северной Америки. Сравнивая результаты, можно сделать вывод, что фоновые значения Н по результатам исследований других авторов находятся в хорошем соответствии с нашими данными (табл.2). Особенно хорошее совпадение наблюдается с исследованиями бореальных озер Финляндии и Швеции.
Таблица 2
Фоновые значения Н (мкг/г сух. в.) в ДО озер Фенноскандии и Северной Америки
Страна Озеро/Т ерритория Hg Источник
Норвегия оз.Тирифьорден 0.050 Abry et al., 1982
Норвегия оз.Мьесса 0.070-0.090 Rognerud, 1985
Швеция Бореальные озера 0.030-0.095 Hakanson, Jansson, 1983
Швеция Бореальные озера 0.050-0.120 Johansson, 1988
Финляндия Бореальные озера 0.020-0.050 Rekolainen et al., 1986
США Висконсин 0.040-0.070 Rada et al., 1989
США Сев.Миннесота 0.030-0.060 Megar, 1986
Канада Онтарио 0.100 Douglas, 1986
США/Канада Великие американские озера 0.030-0.080 Mudroch et al., 1988
Содержание элементов в ДО зависит от морфометрических характеристик озер (Страхов и др., 1954) и ряда геологических, геохимических, физических, химических и биологических факторов. Для определения действующей силы, имеющей наибольшее влияние на формирование химического состава фоновых ДО озер, проведен факторный анализ (табл.3), который четко выявил первый фактор, имеющий больший вес (43%) и объединяющий элементы, содержащиеся в повышенных количествах в коренных и четвертичных породах северо-западного района Мурманской области - М, Си, Со, 2п. Во втором и третьем факторе наибольшие коэффициенты имеют Н и Cd соответственно, что может быть связано с наличием геохимических аномалий этих элементов на других территориях. Таким образом, установлено, что фоновые концентрации ТМ в различных озерах довольно непостоянны по всей исследуемой территории, что отражает значительные вариации в геохимии коренных и четвертичных пород и покрывающих их почв и всех условий формирования химического состава ДО озер.
Таблица 3
Факторная модель химического состава фоновых ДО озер северо-запада Мурманской области
Элемент Фактор 1 Фактор 2 Фактор 3
№ 0.746 0.220 0.091
0.820 0.175 0.202
0.766 -0.404 -0.184
Zn 0.717 -0.456 -0.010
Cd 0.413 -0.106 -0.873
Pb 0.635 -0.455 0.465
As 0.654 0.615 -0.034
0.352 0.737 0.008
Вес фактора, % 43.2 19.9 13.3
Было также установлено, что средние фоновые содержания элементов в ДО исследуемых озер подобны средним содержаниям химических элементов в земной коре (кларкам) и в горных породах и почвах по оценкам разных исследователей (табл.4 и 5). Наибольшее совпадение отмечено с кларками в горных породах и почвах по расчетам А.П.Виноградова (1962).
Таблица 4
Среднее содержание химических элементов в земной коре (в мкг/г) по оценкам разных исследователей (Алексеенко, 2000)
Исследователи № Єй ЄЬ Zn Cd Pb As
Ф.Кларк и Г.Вашингтон 180 100 100 40 0.10 20 1.0 0.100
А.П.Виноградов 58 47 18 83 0.13 16 1.7 0.083
С.Р.Тейлор 75 55 25 70 0.20 12.5 1.8 0.080
А.А.Беус 95 65 34 87 0.19 9 1.9 0.046
Среднее содержание химических элементов (в мкг/г) в горных породах и почвах (Алексеенко, 2000)
Тип горной породы и почвы Ni Cu Co Zn Cd Pb As Hg
Ультраосновные породы 20 10 150 50 0.10 1 1.0 0.010
Основные породы 130 87 48 105 0.22 6 2.0 0.090
Средние породы 4 5 1 130 0.13 12 1.4 0.010
Кислые почвы, богатые Са 15 30 7 60 0.13 15 1.9 0.080
Кислые почвы, бедные Са 4.5 10 1 39 0.13 19 1.5 0.080
Сланцы 68 45 19 95 0.30 20 13.0 0.400
Сланцы+глины 95 57 20 80 0.30 20 6.6 0.400
Песчаник 2 1 0.3 15 0.10 7 1.0 0.030
Карбонаты 20 4 0.1 20 0.035 9 1.0 0.040
Почвы (по А.П.Виноградову) 40 20 8 50 0.50 10 5.0 0.010
Изменение концентраций элементов в донных отложениях во временном интервале
Исследование химического состава толщи ДО позволяет восстановить историю условий их формирования для отдельных озер, базируясь на определении фоновых значений содержания различных элементов в ДО и изменений их поступления в течение длительного периода времени. Особую научную значимость они приобретают, когда известна скорость осадконакопления, что позволяет реконструировать хронологию процессов трансформации экосистемы.
Для оценки истории регионального загрязнения водосборных бассейнов северо-запада Мурманской области в рамках международных проектов использовались палеолимнологическая методика (Norton et al., 1992, 1996; Rognerud et al., 1993) и радиометрическое (определение возраста по хронологии 210Pb, с использованием модели датирования CRS и CIC) датирование образцов колонок ДО 8 озер приграничной территории между Россией, Норвегией и Финляндией (рис.2) (Appleby, Oldfield, 1978). По результатам датирования ДО были определены скорости осадконакопления, поток осажденного материала и аккумуляция отдельных элементов в ДО.
Хронология по 210Pb с уверенностью может быть использована только до 150 лет, так как период полураспада этого изотопа 22.3 года. Возраст ДО экстраполирован далее по времени, основываясь на скорости аккумуляции в период 1850-1900 гг., и таким образом был определен качественно.
Средние скорости осадконакопления за последние полтора столетия в озерах довольно постоянны и находятся в пределах 0.3-0.6 мм/год, за исключением двух финляндских озер Нитсиярви и Пахтаярви, где эти значения в среднем составляют 1.0 и 1.25 мм/год соответственно.
В оз.Пахтаярви большая скорость осадконакопления связана с малыми размерами озера - площадь 0.05 км2. Согласно исследованиям Н.М.Страхова (Страхов и др., 1954), интенсивность поступления материала в озеро зависит от отношения площади озера и его водосбора, и так была выявлена закономерность, что с уменьшением размера водоема это отношение растет и увеличивается количество материала, поступающего на единицу площади озера, а следовательно, и должна увеличиваться скорость осадконакопления, что и было подтверждено нашими исследованиями (рис.3). Повышенная скорость осадконакопления в оз.Нитсиярви связана с тем, что оно находится близко к оз.Инари и принимает значительную часть материала, поступающего с большой части водосбора крупнейшего озера Северной Фенноскандии. На рис.3 не учтены данные по оз.Нитсиярви, потому что они не характеризуют водосбор самого озера.
Рис. 2. Схема расположения озер, в которых отбирались колонки ДО для оценки истории загрязнения приграничной территории между Россией, Норвегией и Финляндией:
1 - Шуониярви; 2 - Хундватн; 3 - Дурватн; 4 - Дальватн; 5 - № 222; 6 - Нитсиярви; 7 - Сиеррамъярви; 8 - Пахтаярви
Площадь озера, км2 Г лубина озера, м
Рис.3. Зависимость скорости осадконакопления от площади и глубины озера
Отмечена также обратно пропорциональная зависимость: с уменьшением глубины озера скорость осадконакопления возрастает (рис.3). Это связано опять же с морфометрическими особенностями озер: как правило, малые озера имеют меньшую глубину, а следовательно, увеличивается и отношение площадей озера и водосбора.
Повышенные содержания и скорости аккумуляции №, Си и Со в ДО, датированных последним столетием, наблюдались в российских и норвежских озерах ^огіоп еі аі., 1992, 1996; Rognerud еі аі., 1993). Более высокие концентрации РЬ в ДО в основном не связаны с выбросами плавилен «Печенганикель». Увеличение содержания РЬ датируется временем, слишком ранним, чтобы быть связанным с любой индустриальной деятельностью в этом регионе.
Имеются данные об атмосферном загрязнении Pb озер южной части Швеции в результате его интенсивного производства и использования в Европе со времен цивилизаций древних Греции и Рима (Renberg et al., 1994). Отмечено, что атмосферные выпадения Pb увеличились по сравнению с фоновыми значениями более чем 2600 лет назад (на глубине ДО от 1.5 до 4 м). Существует незначительное, но заметное увеличение осаждения Pb около 2000 лет назад, более значимое увеличение началось примерно 1000 лет назад, ускоренная аккумуляция началась в XIX и особенно в XX вв. Максимальная аккумуляция приходится на 1970-е годы. До индустриализации XIX в. концентрации Pb в ДО озер южной части Швеции уже увеличились в результате атмосферных выпадений в 10-30 раз по сравнению с фоновым уровнем. Фоновые концентрации Pb (на глубине ДО более 1 м) в 19 шведских озерах находились в пределах от 2 до 15 мкг/г (сух. веса), но обычно были менее 10 мкг/г (Renberg et al., 1994). Эти значения совпадают с нашими исследованиями фоновых значений.
В Северной Америке скорость аккумуляции Pb в ДО озер увеличивается последовательно с 1850-1875 гг. до 1975 г. и затем уменьшается до настоящего времени (Norton et al., 1990). В Европе увеличение подобно вышеописанному, но резкий рост начинается на 50-75 лет раньше. Свинец антропогенного происхождения имеет много источников, включая металлургию, стекольные заводы и использование тетраэтилсвинца как бензиновой добавки. Прекращение использования последнего вызвало снижение объема выпадений Pb в Северной Америке. Увеличение концентраций Pb может быть связано с его трансграничным переносом из источников в Северной Америки и южных регионов Европы. Абсолютные значения скоростей аккумуляции Pb меньше в северных регионах, чем на юге Норвегии (Norton, Hess, 1980) или Северной Америки (Norton et al., 1990). Незначительное увеличение концентраций Pb в ДО в восточной части области Финнмарк (Норвегия) обнаруживается вследствие относительно низкой скорости аккумуляции ДО в обоих озерах и в связи с очень низкими фоновыми концентрациями Pb.
Другие ТМ, включая Ni, Cu, Co, поступают в атмосферу с выбросами комбината «Печенганикель». Это ясно из исследований водных и наземных экосистем региона (Rognerud, 1990; Traaen et al., 1990; Dauvalter, 1992, 1994, 1998; 2003; Rognerud, Fjeld, 1993; Rognerud et al., 1993, 1998; Ajras et al., 1995, 1997; Moiseenko et al., 1995; Cariat et al., 1996a, b; Gregurek et al., 1999; Reimann et al., 1999; Dauvalter, Rognerud, 2001; Lukin et al., 2003). Рост концентраций и скоростей аккумуляции датируется за десятилетие до начала индустриальной деятельности комбината «Печенганикель» (рис.4). Увеличение обычно обнаруживалось в ДО, датируемых 1920-ми и 1930-ми годами. Этому явлению существует три объяснения. Во-первых, региональное загрязнение Co, Cu и Ni, возможно, существовало как результат деятельности металлургических предприятий в промышленных районах России. До 1940 г. Печенгский район был территорией Финляндии, где уже начала осваиваться рудничная база. Во-вторых, ТМ из водной толщи озер могут осаждаться и перераспределяться в ДО, которые датируются временем до начала антропогенных нагрузок. Такие диагенетические процессы уже описывались для Zn (Carignan, Tessier, 1985) и других ТМ. И в-третьих, в ДО, датируемых 1920-1930 гг., возрастает содержание органического вещества (в оз.Дальватн значения ППП увеличиваются с 29 до 38%, в оз.Дурватн - с 27 до 30%), что является существенной причиной увеличения адсорбции ТМ осадками. Наши данные не дают нам возможности оценить вклад каждого из этих факторов, и, вероятно, все факторы имеют место.
оз. Шуониярви (Россия, ЮЗ 25 км) 0 100 200
оз. Хундваттен (Норвегия, СВ 25км) 0 1000 2000
2000 1950 1900 1850 1800 ^ 1750 ^
100
200
300
400
500
н
N1
100
200
300
400
500
2000
1------1 'а I---------------'------1______I» I ^---------------1
«--Си д- - - РЬ
1950 ■£ 1900 1850 1800 1750
N1 ■--Си д- - - РЬ
оз. 222 (Финляндия, З 45 км)
0 20 40 60 80
2000 1950 + 1900 -I 1850 1800 41750 ■£
н---------------1------------1------------1------------1-
—♦—N1 ---д... РЬ
2000 1950 41900 1850 1800 ^ 1750 3-
оз. Нитсиярви (Финляндия, ЮЗ 90 км) 0 20 40 60
■--Си д- - - РЬ
N1 ^ Ч
оз.Сиеррамъярви (Финляндия, ЮЗ 160 км ) 0 20 40
оз. Пахтаярви (Финляндия, ЮЗ 330 км) 0 10 20
0
0
Рис.4. Концентрации (мкг/г) №, Си, РЬ в датируемых ДО озер на различном удалении от комбината «Печенганикель»
Синхронность повышения к поверхности концентраций ТМ в ДО изолированных озер, имеющих сходную геохимическую природу, вероятно, указывает на то, что атмосферные выпадения, а не специфические процессы водосбора являются причиной повышенной аккумуляции ТМ.
В исследуемых озерах отмечено увеличение концентраций № и Си, датируемое 1930-1940-ми годами (рис.4), связанное с началом горно-металлургической деятельности на территории Северной Норвегии и Печенгского района. Явно эта тенденция выражена в российских и норвежских озерах, а также финляндских, расположенных ближе к российской границе (оз. № 222 и Нитсиярви). С увеличением расстояния от комбината «Печенганикель» уменьшаются концентрации № и Си в поверхностных слоях ДО и снижается разброс содержаний в целом по колонке. Значительное увеличение концентраций РЬ датируется концом XIX - началом XX в. С увеличением расстояния от комбината «Печенганикель» РЬ становится одним из основных загрязнителей. Особенно это характерно для финляндских озер.
Маркерами загрязнения водосборных бассейнов служат также As и Cd (рис.5). Начало загрязнения As и Сё датируется серединой XIX в. Это загрязнение связано с развитием промышленности в Европе и России и с воздушным трансграничным переносом загрязняющих веществ в высокие широты. Освоение северных территорий и дальнейшее развитие промышленности в Европе выразилось в следующем увеличении концентраций As и Сё в начале текущего столетия. Резкое повышение концентраций As и Сё в середине XX в. связано с развитием промышленности в послевоенные годы. Концентрации As в поверхностных слоях ДО озер Нитсиярви и Сиерамъярви увеличились на порядок по сравнению с фоновыми слоями (рис.5).
оз. 222 (Финляндия, З 45 км) оз. Нитсиярви (Финляндия, ЮЗ 90 км)
0 2 4 0 2 4 6
оз.Сиеррамъярви (Финляндия, ЮЗ 160 км) оз. Пахтаярви (Финляндия, ЮЗ 330 км)
0 5 10 0 1 2
Рис.5. Концентрации (мкг/г) As и Сй в датируемых ДО озер на различном удалении от комбината «Печенганикель»
Для изучения нагрузки выбросов комбинатов «Печенганикель» и «Североникель» на водосборы озер в различные периоды их деятельности были проведены исследования по вертикальному распределению концентраций металлов в ДО ряда озер, находящихся на различном расстоянии от плавильных цехов.
Повышение концентраций основных загрязняющих элементов, сбрасываемых в оз.Куэтсъярви через р.Колос-йоки комбинатом «Печенганикель», отмечается на разной глубине на различных станциях озера (рис.6 и 7). На станции 2, ближе всех расположенной к устью р.Колос-йоки, фоновых значений ТМ так и не достигли, поэтому данные по этой станции не учитывались при подсчете средних фоновых содержаний. Это связано с большим поступлением взвешенных минеральных веществ в составе стоков комбината и их отложением в ближайшей акватории озера. Данное предположение подтверждает также небольшое содержание органического материала в ДО станции 2 - не более 2% до глубины 3 см, затем к поверхности ДО величина ППП увеличивается до 12%. Поэтому на этой акватории довольно высокая скорость осадконакопления.
Рис. 6. Станции отбора колонок ДО на оз.Куэтсъярви: 1 - Гольфстрим, 2 - Колос-йоки, 3 - Салмиярви, 4 - Белый Камень
На станциях 1 (Гольфстрим) и 3 (Салмиярви) повышение содержания №, Си, Со и 2п фиксируется начиная с глубины 12 см, а на станции 4 (Белый Камень) - 8 см. Следовательно, учитывая 70-летнюю историю загрязнения озера стоками комбината «Печенганикель», можно приближенно подсчитать скорость осадконакопления - 1.7 и 1.1 мм/год для вышеназванных станций соответственно. Скорость седиментации в оз.Куэтсъярви, по косвенным расчетам, ранее определялась равной 1.5-3 мм/год (БаиуаИег, 1994, 2003; Даувальтер, 1995, 1998, 2002; Баиуакег, К^пегиё, 2001), что, учитывая колонку со станции 2, где не удалось отобрать слои ДО, соответствующие фоновым значениям, совпадает с нашими расчетами. Это сравнимо со скоростями осадконакопления в других водных системах северных широт: 2-3 мм/год в оз.Венерн и 4-10 мм/год в оз.Экольн, Швеция (Накашоп, 1977).
Ранее было подсчитано, что за период деятельности комбината «Печенганикель» в ДО оз.Куэтсъярви было накоплено 310 т никеля, 120 т меди, 14 т кобальта, 19 т цинка, 0.087 т кадмия, 0.78 т свинца и 0.053 т ртути (Даувальтер, 2002; Dauvalter, 2003)
Такие элементы, как Си, Cd, РЬ, имеют поверхностные максимумы в ДО всех станций оз.Куэтсъярви (рис.7). Остальные исследуемые ТМ (№, Со, 2п, Н и As) характеризуются максимальными концентрациями на глубине 2-6 см ДО практически всех станций озера (за исключением ст.2). Подобное распределение было отмечено в ДО оз.Рюссянъярви, расположенного в 17 км северо-восточнее плавильных цехов комбината «Печенганикель» (Rognerud е! а1., 1993). Уменьшение концентраций этих элементов в верхних 1-2 см ДО оз.Куэтсъярви может быть объяснено изменениями физико-химических условий в самом озере и на территории его водосбора, а также уменьшениями сбросов ТМ комбинатом «Печенганикель». Например, сброс N с 1990 по 2007 гг. сократился с 12.9 до 4.4 т/год, а выбросы этого ТМ в атмосферу в этот период остаются примерно одинаковыми и находятся в пределах 300-350 т/год (официальные данные Кольской горно-металлургической компании - http://www.kolagmk.ru/). На этой же глубине отмечены и максимальные концентрации А1, Са и Mg, которые поступают в озеро со сточными водами и атмосферными выбросами.
Рис. 7. Вертикальное распределение концентраций ТМ (мкг/г сух. веса) в колонках ДО оз.Куэтсъярви (номера станций - см. рис. 6)
Наиболее загрязненными озерами, испытывающими интенсивное атмосферное загрязнение выбросами плавильных цехов комбината (№, Си, Со), а также глобальными загрязняющими халькофильными элементами (РЬ, As, Сё и Н), являются Хаукилампи, Сариярви, LN-2, которые находятся на расстоянии 3, 7 и 8 км от комбината «Печенганикель» соответственно. Наиболее загрязненными являются
верхние 3-8 см ДО озер (рис.8). Вертикальное распределение ТМ в ДО этих трех озер говорит о главенствующей роли атмосферных выбросов комбината «Печенганикель» в их загрязнении. Выбросы комбината «Печенганикель» не оказывают значительного влияния на содержание 2п в толще ДО исследуемых озер, за исключением оз.Хаукилампи, где наблюдается 17-кратное увеличение в верхних слоях колонки ДО.
500
1000 1500
Си
6000 N1
10
15
20
Ь^2
Сариярви
Хаукилампи
Песчаное
1000
10 -
15
20 -1
Хаукилампи
Трифонаярви
Кянтеярви
Кирикованъярви
0.5
1.5
5 -
10 -
15
20 -1
Ь^2
Сариярви
Хаукилампи
Песчаное
2000 гп
5 -
10 -
15
20 -1
са
10
15
й 20
о
4 25
5 -
10 -
2 15
и
и
Я 20
100
200
300 Со
Ь^2
Сариярви
Хаукилампи
Кянтеярви
10
20
30 РЬ
Виртуовощъяур
Алла-Аккаярви
Шуониярви
Кирикованъярви
И8
О
Пороярви
Ь^3
Хаукилампи
Песчаное
0
0
5
0
0
0
0
5
0
1
0
0
0
5
0
Рис. 8. Вертикальное распределение концентраций ТМ (мкг/г сух. веса) в ДО озер северо-запада Мурманской области
Выявлено уменьшение содержания ТМ в колонках ДО озер, расположенных на различном расстоянии от источников загрязнения, с увеличением глубины слоев ДО в озерах на расстоянии до 50 км от источников загрязнения. По мере удаления от главного источника загрязнения, концентрации ТМ (№, Си, Со), основным источником которых являются выбросы комбината «Печенганикель», в верхних слоях ДО уменьшаются и разница между содержаниями в верхних и нижних слоях становится меньше.
В качестве примера приведены результаты исследований вертикального распределения элементов в ДО озер Кочеяур и Виртуовощъяур, расположенных на расстоянии 110 и 90 км от комбината соответственно (рис.9 и 10). Концентрации халькофильных элементов (Cd, РЬ, As, ^) увеличиваются по направлению к поверхности ДО практически во всех исследованных озерах (в том числе и озер Кочеяур и Виртуовощъяур), что подтверждает вывод многих экологов
о глобальном загрязнении окружающей среды этими чрезвычайно токсичными халькофильными элементами, особенно арктической и субарктической зон Северного полушария (например, Расупа, Расупа, 2001).
0 10 20 N1
0 0.2 0.4 0.6 Cd
0 10 20 Си
0 - . . . .
о
§ 5 -я и § 10 - н о ю § 15 -я о %
Север Ж?
□ Центр
20 - -Д-Юг д
Рис.9. Вертикальное распределение концентраций ТМ (мкг/г сух. веса) в ДО северной, центральной и южной акваторий оз.Кочеяур
Рис.10. Вертикальное распределение концентраций ТМ (мкг/г сух. веса) в ДО оз.Виртуовощъяур
Территориальное распределение элементов в поверхностных донных отложениях
Долговременная антропогенная нагрузка на водосборы озер привела к изменению природных условий формирования химического состава ДО и к увеличению концентраций ТМ в поверхностных слоях ДО по сравнению с фоновыми содержаниями (табл.6 и 7).
Таблица 6
Средние (X), минимальные (min) и максимальные (max) концентрации элементов (мкг/г) и стандартные отклонения (sn) в поверхностном слое ДО (0-1 см) озер северо-запада Мурманской области, определенные по результатам исследований в различные годы
Элемент 1989-1993 гг. 2002-2004 гг. 2010 г.
X min max sn X min max sn X min max sn
Ni 1411 28 7206 2239 1071 19 6139 1629 1576 20 8821 2315
Cu 987 9 6495 1616 494 16 1949 591 947 16 6450 1438
Co 60 3 165 59 75 8 365 90 90 7 335 90
Zn 129 45 439 100 201 50 2004 389 167 34 1305 243
Cd 1.62 0.25 3.84 1.04 0.84 0.09 3.14 0.85 0.96 0.13 3.27 0.80
Pb 26 5 59 17 18 3 46 12 28 9 85 18
As - - - - 19 2 87 20 27 1 117 29
Hg 0.219 0.040 0.510 0.174 0.259 0.016 2.890 0.583 0.316 0.028 1.000 0.253
Содержание элементов в ДО зависит от многих факторов: гранулометрического состава осадков, глубины озера, геохимической обстановки в толще воды и ДО (главным образом pH и Eh), скорости осаждения взвешенных веществ, содержания органического материала, мелкодисперсных органических и минеральных частиц в воде водоема, концентрации окислов и гидроокислов Fe и Mn в ДО и т.д. (Hakanson, Jansson, 1983; Horowitz, 1991; Rognernd et al., 1993; Даувальтер, 2000). Средняя глубина обследованных нами водоемов составляет 10 м. Наиболее глубокие озера - Куэтсъярви, Иля-Соукеръярви, Сантаярви, Пороярви и др., глубина которых в месте отбора проб ДО колеблется от 16 до 24 м. Исследованные озера характеризуются нейтральными значениями pH от 6.4 до 7.3, довольно низкой щелочностью (в среднем 150 мкг-экв/л). Все эти факторы являются благоприятствующими для аккумуляции ТМ в ДО (Hakanson, Jansson, 1983). Но главной причиной высоких концентраций загрязняющих ТМ (прежде всего Ni, Cu, Co) в поверхностных слоях ДО являются атмосферные выбросы плавильных цехов комбината «Печенганикель», особенно вблизи комбината.
Таблица 7
Концентрации ТМ (в мкг/г сух. веса) в поверхностном слое (0-1 см) ДО, фоновые значения и величины коэффициента (С) и степени (С) загрязнения исследуемых озер северо-запада Мурманской области в 2010 г.
№№ стан- ции Озеро Слой, см Си N1 2п Со са РЬ Аб не Са
шш
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
1. Куэтсъярви 0-0.5 15.56 1151 2860 310 184.5 2.17 32.5 54.3 0.380
Фон 9.93 66 74 136 26.8 0.08 9.3 10.1 0.054
Сг 17.6 38.5 2.3 6.9 25.7 3.5 5.4 7.1 106.9
2. Великямянъярви 0-0.5 30.12 6450 8821 158 315.4 3.27 52.5 117.2 0.780
(ЬМ-1) Фон 25.99 45 68 61 8.6 0.18 0.8 7.4 0.057
Сг 141.9 130.1 2.6 36.5 18.4 68.2 15.8 13.8 427.4
3. 0-0.5 18.38 2012 2488 215 143.6 1.09 23.2 82.9 1.000
Ь№2 Фон 19.23 49 244 133 29.2 0.50 1.7 3.7 0.138
Сг 41.3 10.2 1.6 4.9 2.2 13.4 22.2 7.3 103.1
4. 0-0.5 39.62 3049 3620 101 149.4 1.81 84.8 14.6 0.190
Ь№3 Фон 38.27 28 20 60 5.0 0.11 1.4 0.8 0.020
Сг 107.3 184.7 1.7 29.8 15.7 61.5 17.9 9.7 428.5
5. Степановинъярви 0-0.5 27.60 1043 1407 89 87 1.02 22.8 38.2 0.470
Фон 27.43 37 17 74 8 0.22 1.7 18.4 0.051
Сг 28.5 83.1 1.2 10.3 4.7 13.4 2.1 9.3 152.6
6. Палоярви 0-0.5 62.56 1995 3608 98 155.4 1.41 31.2 42.3 0.600
Фон 25.91 25 28 62 8.0 0.12 2.8 3.7 0.024
Сг 80.9 127.4 1.6 19.5 11.5 11.0 11.3 25.5 288.6
7. Хаукилампи 0-0.5 27.59 2727 7806 1305 335 2.04 12.4 29.7 0.250
Фон 23.26 45 156 128 21 0.27 2.6 6.1 0.024
Сг 60.2 50.0 10.2 16.3 7.6 4.9 4.9 10.4 164.6
8. Песчаное 0-0.5 21.69 534 646 81 42 0.89 21.2 52.1 0.540
Фон 16.01 45 85 60 10 0.12 3.7 22.1 0.146
Сг 12.0 7.6 1.4 4.2 7.7 5.8 2.4 3.7 44.6
9. Хоисуярви 0-0.5 22.20 243 388 70 31 0.60 20.3 38.1 0.530
Фон 22.13 25 22 52 8 0.12 2.5 2.1 0.032
Сг 9.6 17.6 1.3 3.9 5.0 8.1 18.4 16.8 80.8
10. Куорпукасъярви 0-0.5 15.19 439 952 110 74 0.99 24.7 10.8 0.080
Фон 9.96 35 26 110 28 0.21 2.6 3.9 0.056
Сг 12.4 36.2 1.0 2.6 4.7 9.7 2.8 1.4 70.8
11. Иля-Соукеръярви 0-0.5 16.93 1283 2159 185 179 2.41 72.1 65.8 0.670
Фон 13.95 39 39 120 36 0.24 5.5 4.2 0.054
Сг 32.8 55.7 1.5 5.0 10.0 13.1 15.7 12.5 146.3
12. Ала-Соукеръярви 0-0.5 19.15 509 715 89 48 0.74 25.8 19.0 0.330
Фон 11.27 41 42 51 8 0.12 2.8 1.8 0.024
Сг 12.4 17.2 1.7 5.8 6.3 9.2 10.8 14.0 77.5
13. Сариярви 0-0.5 21.16 751 1380 108 60 0.88 33.4 7.7 0.250
Фон 20.66 15 36 63 9 0.15 2.0 1.1 0.014
Сг 49.8 38.7 1.7 6.4 6.0 16.5 7.3 18.5 144.9
14. Пику-Хейнъярви 0-0.5 29.77 311 669 99 67 0.33 16.8 14.1 0.150
Фон 14.41 29 27 104 26 0.11 3.8 3.5 0.064
Сг 10.9 24.7 0.9 2.6 2.9 4.4 4.0 2.4 52.8
15. Кирикованъярви 0-0.5 20.29 248 476 165 143 0.38 35.8 12.3 0.390
Фон 24.19 54 48 158 23 0.20 4.4 1.4 0.041
СГ 4.6 9.9 1.0 6.3 1.9 8.2 8.9 9.6 50.4
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
16. Сантаярви 0-0.5 21.91 140 223 104 61 0.34 36.4 23.9 0.330
Фон 18.11 52 38 181 24 0.17 6.2 3.2 0.034
Сг 2.7 5.8 0.6 2.6 2.0 5.9 7.4 9.9 36.8
17. Трифоноярви 0-0.5 7.19 184 183 150 42 0.13 15.7 5.2 0.140
Фон 6.55 52 67 151 35 0.10 9.4 4.7 0.008
Сг 3.5 2.7 1.0 1.2 1.2 1.7 1.1 18.3 30.7
18. Пороярви 0-0.5 10.80 111 72 108 25 0.21 19.2 20.9 0.130
Фон 8.13 66 28 117 27 0.13 5.8 17.0 0.084
Сг 1.7 2.6 0.9 0.9 1.5 3.3 1.2 1.6 13.8
19. Нилиярви 0-0.5 36.51 74 44 104 12 0.45 14.4 2.2 0.079
Фон 30.64 36 8 106 6 0.19 3.5 1.7 0.077
Сг 2.1 5.7 1.0 1.8 2.4 4.2 1.3 1.0 19.4
20. Шуонияур 0-0.5 16.14 122 263 113 32 0.88 20.3 18.7 0.140
Фон 12.67 28 26 106 14 0.12 4.1 1.2 0.038
Сг 4.4 10.0 1.1 2.2 7.1 4.9 15.8 3.7 49.3
21. Кеудшеръяур 0-0.5 31.85 104 162 34 9 0.30 10.3 3.0 0.110
Фон 28.91 8 15 48 8 0.06 1.5 1.7 0.036
Сг 13.2 10.8 0.7 1.1 4.6 6.7 1.7 3.1 41.9
22. Алла-Аккаярви 0-0.5 23.49 69 283 109 25 0.44 24.3 5.8 0.110
Фон 17.40 17 23 110 17 0.14 4.5 1.1 0.051
Сг 4.1 12.1 1.0 1.5 3.2 5.4 5.5 2.2 34.8
23. Маунъявр 0-0.5 27.97 92 124 103 15 0.47 22.0 4.6 0.110
Фон 23.92 39 32 105 17 0.17 3.3 1.6 0.041
Сг 2.4 3.9 1.0 0.9 2.7 6.7 2.9 2.7 23.1
24. р яур ъ шъ о в о туо ирт т 0-0.5 40.62 26 38 112 17 0.47 23.4 2.2 0.110
Фон 33.56 17 25 110 35 0.16 6.8 1.4 0.048
Сг 1.5 1.5 1.0 0.5 2.9 3.5 1.6 2.3 14.9
25. Кочеяур 0-0.5 55.87 16 20 58 7 0.27 9.3 1.0 0.028
Фон 41.69 18 26 88 13 0.19 1.9 1.2 0.048
Сг 0.9 0.8 0.7 0.5 1.4 4.8 0.8 0.6 10.5
Поверхностные слои ДО отражают аккумулирующий эффект аэротехногенной нагрузки металлов на водосборы, которые зачастую могут не регистрироваться гидрохимическими методами. Пылевые выбросы в атмосферу плавильных цехов комбината «Печенганикель» являются главным источником повышенных концентраций №і, Си и Со (в 10-180 раз больше фоновых значений) в поверхностных слоях ДО на расстоянии до 30-40 км (табл.6 и 7, рис.11). Данные элементы имеют тесную положительную корреляцию между собой, что свидетельствует о едином антропогенном источнике их поступления и сходных путях миграции.
Большая часть ТМ, входящих в состав выбросов и стоков промышленных предприятий, связывается и остается в ДО. Предыдущими исследованиями фаиуаЙег, 1992, 1994, 1997; Даувальтер, 1995, 1997, 1998, 2000, 2002; Moiseenko et а1., 1995; Моисеенко и др., 1996 и др.) было установлено, что пылевые выбросы в атмосферу комбината «Печенганикель» и стоки плавильных цехов, шламоотвалов, хвостохранилищ и рудников являются главными источниками повышенных концентраций №, Си, Со, Cd, 2п, As и ^ в поверхностных слоях ДО озер Печенгского района.
Наибольшие концентрации № и Си, превышающие фоновые значения, в 10-25 раз отмечены в озерах на расстоянии до 10 км от комбината (рис. 11). Значительное уменьшение концентраций до 3-7 фоновых значений наблюдается на расстоянии до 20-30 км от источника загрязнения.
N1
8000 - о
► О 2010
6000 - ♦ ° 2002-2004
♦ 1989-1993
— 2010
4000 - □ 2002-2004
1989-1993
2000 - м *
о
0 50 100
Расстояние от источника, км
300
200 -
100
Со
о 2010 о 2002-2004 ♦ 1989-1993 — 2010
---2002-2004
--- 1989-1993
50 100
Расстояние от источника, км
6000
4000
2000
Си
о 2010 □ 2002-2004 ♦ 1989-1993 — 2010
---2002-2004
--- 1989-1993
0 50 100
Расстояние от источника, км
Расстояние от источника, км
о 2010 □ 2002-2004 ♦ 1989-1993 — 2010
— 2002-2004
— 1989-1993
0 50 100
Расстояние от источника, км
0
0
0
Рис.11. Распределение концентраций основных загрязняющих элементов (мкг/г сух. веса) в поверхностном слое (0-1 см) ДО исследуемых озер по мере удаления от комбината «Печенганикель» в разные годы
В распределении Co и Cd наблюдается аналогичная закономерность. Наиболее интенсивно загрязняется зона до 10 км (рис.11). Здесь отмечено превышение концентраций металлов над фоновыми значениями от 2 до 5 раз. По мере удаления от комбината на 20-30 км наблюдается уменьшение концентраций металлов до 2-3 фоновых значений. Подобная закономерность наблюдается в распределении As и Hg.
В распределении Pb по результатам исследований 2010 г. впервые отмечена тенденция увеличения содержания в поверхностных слоях ДО по мере приближения к комбинату (рис.11), что свидетельствует о том, что комбинат «Печенганикель» также является источником загрязнения Pb, т.е. наблюдается картина, подобная для всех приоритетных загрязняющих TM. Ранее (Даувальтер, 1997, 2000; Dauvalter, 1997; Dauvalter, Rognerud, 2001) в региональном распределении Pb была отмечена отличная от всех TM картина - увеличение концентраций с востока на запад. Наибольшие значения концентраций Pb были зафиксированы на норвежской территории, где средние концентрации равны 40 мкг/г, что составляет около 10 фоновых значений. В промышленном районе было зафиксировано уменьшение концентраций (средние концентрации 28 мкг/г, или 4 фоновых значения).
В целом по результатам исследований 2010 г. отмечено увеличение концентраций практически всех загрязняющих TM в поверхностных слоях ДО озер северо-запада Mурмaнской области по сравнению с исследованиями 2GG2-2004 и 1989-1993 гг. (рис.11).
Наиболее загрязненными являются озера, расположенные непосредственно вблизи комбината «Печенганикель». Это озера Куэтсъярви, Великямянъярви, LN-2, Сариярви, расположенные в 10-километровой зоне, получающие основную часть стоков и выбросов комбината и характеризующиеся максимальными концентрациями Ni, Cu, Co, Cd и Hg в поверхностных слоях ДО. Далее по мере удаления от комбината на 20-25 км отмечается уменьшение концентраций Ni, Cu, Co и других металлов. Озера Пороярви, Кеудшеръяур, Tрифоноярви и Maуньярви характеризуются умеренным и значительным загрязнением.
Подобная картина распределения концентраций Ni и Cu в поверхностных ДО озер отмечена также вокруг крупнейших в мире медно-никелевых комбинатов - Норильского в Сибири и Садбери в Канаде (рис. 12). Концентрации Ni и Cu в поверхностных ДО озер вокруг Норильского комбината находятся в диапазоне от 37 до 2142 и от 63 до 5400 мкг/г соответственно (Blais et al., 1998), снижаясь по мере удаления от плавилен. Превышение над фоновыми содержаниями доходит до 28. Наибольшие превышения отмечены на расстоянии до 20 км от комбината. Taкое же снижение наблюдается и вокруг Садбери, где влияние выбросов медно-никелевого комбината на концентрации Ni и Cu в поверхностных ДО озер ограничивается 30-40 км (Semkin, Kramer, 1976; Nriagu et al., 19S2; Bradley, Morris, 19S6; Palmer et al., 19S9), в то время как импактная зона вокруг Норильского комбината распространяется до 60 км (Blais et al., 1998). Пространственное распределение Ni и Cu имеет северо-восточный - юго-западный элептический характер с центром в Садбери (Controy et al., 1975; Semkin, Kramer, 1976). Аналогичный тренд для Ni и Cu отмечен для атмосферных осадков и для гидрохимии озер, включая pH воды (Controy et al., 1975; Reimann et al., 1999). Следовательно, распределение Ni и Cu в поверхностных ДО озер Mурмaнской области, вокруг Норильска и Садбери полностью совпадает, так же как и распределение этих элементов в атмосферных осадках (Крючков, Maкaровa, 1989) и воде озер (Moiseenko et al., 1995; Mоисеенко и др., 1996).
Расстояние от комбинатов, км
Расстояние от комбинатов, км
Рис. 12. Концентрации Ni (а) и Си (б) в поверхностных ДО озер (мкг/г сух. веса) по мере удаления от плавильных цехов Кольской ГМК (точки - наши данные), Норильского комбината (Blais et al, 1998) и Садбери, Канада (Bradley, Morris, 198б)
Для определения факторов, имеющих наибольшее влияние на формирование химического состава ДО озер в условиях антропогенной нагрузки разной интенсивности, проведен факторный анализ (табл.8), который четко выявил первый фактор, имеющий больший вес (57%) и объединяющий практически все TM (особенно Ni, Cu, Co, Cd, As), основным источником поступления которых в окружающую среду северо-западного района Mурмaнской области являются выбросы и стоки комбината «Печенганикель». Эти элементы проявляют четкую зависимость снижения содержания в поверхностных слоях ДО по мере удаления от источника загрязнения. Во втором и третьем факторе четко выделяются Zn и Hg соответственно. Это может быть связано с особенностями геохимического поведения цинка, который, несмотря на выбросы его комбинатом, характеризуется довольно хорошим растворением и интенсивным его использованием гидробионтами, поэтому в его распределении не прослеживается четких зависимостей от расстояния от источника загрязнения. Ртуть также выбрасывается комбинатом, но существуют другие источники поступления ее в водоемы - это глобальное загрязнение атмосферы Северного полушария, использование Hg в бытовых приборах (лампы и т.д.).
Таблица 8
Факторная модель химического состава поверхностных ДО озер северо-запада Мурманской области
Элемент Фактор 1 Фактор 2 Фактор 3
№ -0.946 0.217 0.044
Си -0.911 -0.129 0.067
Со -0.840 0.288 -0.048
2п -0.474 0.824 -0.057
са -0.898 -0.087 -0.236
РЬ -0.537 -0.578 -0.484
Л8 -0.797 -0.288 0.120
И8 -0.412 -0.248 0.829
Вес фактора, % 56.9 16.3 12.5
Свинец не попал ни в одну из групп, вероятно, вследствие того, что основным источником его поступления в окружающую среду является сжигание топлива (жидкого и твердого) в энергетических установках, поступление этого металла происходит практически повсеместно, в том числе с выхлопами автомобилей и других двигателей внутреннего сгорания, котельных и т.д. К тому же свинец также является глобальным загрязнителем атмосферы Северного полушария.
Таким образом, установлено, что пылевые выбросы в атмосферу комбината «Печенганикель» и стоки плавильных цехов, шламоотвалов, хвостохранилищ и рудников являются главными источниками повышенных концентраций №, Си, Со, а также халькофильных СИ, As и Н в поверхностных слоях ДО оз.Куэтсъярви (рис.7) и других озер, расположенных до 10 км от комбината (рис. 8). Значительная аккумуляция М, Си, Со, С<і, связанная главным образом с поступлением стоков комбината «Печенганикель» через оз.Куэтсъярви, отмечена в среднем течении р.Пасвик фаиуакег еі а1., 2011). Высокие концентрации С<і, РЬ, Н и As в поверхностных слоях отмечаются также в озерах, удаленных от комбината «Печенганикель» (рис.9 и 10), например, в российских озерах Кочеяур, Виртуовощъяур, Алла-Аккаярви, Шуонияур, как и в норвежских озерах - Исаломбола, Гьекватн, Гардсьон (Баиуаііег, 8ап<іітігоу, 2007). В то же время, установлены достоверные зависимости снижения концентраций в поверхностных слоях ДО озер северо-запада Мурманской области исследуемых халькофильных элементов (С<і, As и Н) по мере удаления от основного источника загрязнения, говорящие о том, что выбросы плавильных цехов являются источником загрязнения этими высокотоксичными в повышенных концентрациях элементами, помимо приоритетных загрязнителей - №, Си, Со и 2п. Максимальные средние концентрации С<і, As и Н в поверхностных слоях ДО отмечены в российских озерах, а РЬ - в финляндских и норвежских озерах водосбора р.Пасвик (Баиуакег, 8ап^тігоу, 2007). Этот факт говорит о том, что главные источники загрязнения РЬ располагаются на севере Финляндии и северо-востоке Норвегии.
Коэффициент и степень загрязнения
Для оценки геоэкологического состояния поверхностных вод нами была выбрана методика определения коэффициента и степени загрязнения, предложенная шведским ученым Л.Хокансоном (Накашоп, 1980), и адаптирована для условий Европейской Субарктики с учетом выявленных закономерностей формирования химического состава ДО, фоновых содержаний элементов в ДО. Коэффициент загрязнения Cf подсчитывался как частное от деления концентрации элемента (или соединения) в поверхностном сантиметровом слое к фоновому значению, установленному в самой глубокой части колонки ДО. Степень загрязнения Cd
определялась как сумма коэффициентов загрязнения для всех загрязняющих веществ.
В этом подходе придерживались следующей классификации: С/<1 - низкий;
1<С<3 - умеренный; 3<С<6 - значительный; С/>6 - высокий коэффициент загрязнения. Аналогично, при характеристике степени загрязнения, слагаемой коэффициентами загрязнения отдельных элементов, придерживались классификации из расчета, что суммируем значения коэффициентов загрязнения по 8 элементам (№, Си, Со, 2п, Cd, РЬ, Лб, И8): Сд<8 - низкая; 8<Сд<16 - умеренная; 16<С<32 - значительная; С>32 - высокая степень загрязнения, свидетельствующая о серьезном загрязнении.
По результатам 2010 г. очень высокие значения Сд отмечены в исследуемых озерах на расстоянии до 30 км от источников загрязнения, а значительные значения - до 60 км (табл.7, рис. 13), причем озера, расположенные по превалирующему направлению господствующих ветров (к северо-западу от комбинатов), имеют большие значения Сд В озерах, расположенных до 30 км, основной вклад в величину Сд вносят металлы, выбрасываемые в атмосферу комбинатом «Печенганикель» в больших количествах (№, Си, Со), а в более удаленных озерах основными загрязняющими элементами становятся РЬ, Cd, Н и Лэ, которые в последние десятилетия приобрели статус глобальных загрязняющих элементов.
Рис.13. Распределение значений степени загрязнения Сд в озерах на различном расстоянии от комбината «Печенганикель» в разные годы. Прямая линия соответствует высокой степени загрязнения (Сд>32)
Наибольшие значения коэффициента загрязнения С/ отмечены для N и Си (185 и 142 соответственно) в озерах, расположенных на расстоянии до 10 км от комбинатов. Подобная закономерность отмечена для Со, наибольшее значение коэффициента загрязнения меньше (37), но оно также относится к высокому. Наибольшие значения С/ для Cd отмечены в озерах Куэтсъярви, Великямянъярви и LN-3 (26, 18 и 16 соответственно), принимающих основную часть сточных вод комбината. Высокие значения С/ для Cd отмечены на расстоянии более 20 км от комбината. Наибольшие значения С/ для РЬ отмечены вблизи комбината в озерах Великямянъярви и LN-3 (68 и 62 соответственно), но значительные и высокие
величины Cf этого металла зафиксированы на большом расстоянии от комбината, например в озерах Виртуовощъяур и Кочеяур (3.5 и 4.8), расположенных в 90 и 110 км соответственно. Mаксимальные значения Cf для As и Hg зафиксированы в озерах LN-2 и Палоярви (22 и 25 соответственно). Два наиболее загрязненных озера Великямянъярви и LN-3 имеют максимальные величины степени загрязнения - около 430 (табл.7).
Согласно исследованиям 2010 г. (Dauvalter, Sandimirov, 2GG7), получены результаты, подобные 2002-2GG4 гг., хотя в последние годы выявлено усиление загрязнения, особенно в ближайшей 30-километровой зоне от комбината. По результатам исследований 1989-1993 гг. в озерах, находящихся в зоне влияния комбината «Печенганикель», очень высокие значения Cd отмечены на расстоянии до 10 км от источников загрязнения, значительные - до 15 км, а умеренные - до 40 км (Даувальтер, 2000).
Заключение
В течение более 20 лет сотрудниками ИППЭС КНЦ РАН проводятся исследования химического состава ДО водоемов северо-западной части Myрманской области и приграничной территории между Россией, Норвегией и Финляндией, начиная со времени организации Института (1989). Эти исследования велись в три этапа с разницей примерно в 10 лет: в конце 1980-х - начале 1990-х гг., в начале 2000-х гг. и в 2010 г. В каждый период исследования ДО проводились на 20-30 озерах, находящихся в зоне влияния стоков и выбросов комбината «Печенганикель» и подвергающихся антропогенной нагрузке различной интенсивности.
Исследования проводились с целью оценки аккумуляции и распределения TM в ДО водоемов. При изучении ДО рассматривались четыре аспекта: 1) фоновые концентрации; 2) вертикальное распределение; 3) концентрации в поверхностных ДО; 4) определение интенсивности антропогенного влияния по показателям коэффициента и степени загрязнения, создаваемого TM, накопленными в ДО.
Было установлено, что наибольшие фоновые концентрации большей части TM (Ni, Zn, Co, Cd, Hg, As) характерны для южной части оз.Куэтсъярви, принимающего сточные воды комбината «Печенганикель», а также для озер, расположенных в непосредственной близости к г.Заполярный и пос.Приречный. Это обусловлено геохимическими особенностями водосборных территорий озер, на которых находятся медно-никелевые сульфидные залежи. Фоновые концентрации TM в ДО исследуемых озер довольно непостоянны, что отражает значительные вариации в литологии и геохимии коренных и четвертичных пород и покрывающих их почв, в соотношении площади озера и его водосбора, т.е. основных условий формирования химического состава ДО озер. Средние фоновые концентрации TM в ДО водоемов северо-запада Myрманской области по результатам исследований в различные годы подобны, хотя отмечаются некоторые расхождения, но они, как правило, не более 10%, что совпадает со значением аналитической ошибки. Несовпадения в рассчитанных величинах средних фоновых концентраций TM могут быть связаны с тем, что перечень озер, из которых производился отбор ДО в различные годы, полностью не совпадал, хотя большая часть озер исследовалась в течение 20 лет, особенно вблизи источников загрязнения.
Средние скорости осадконакопления в озерах северо-запада Myрманской области и северных районов Норвегии и Финляндии за последние полтора столетия довольно постоянны и находятся в пределах 0.3-0.6 мм/год. Скорость
осадконакопления в оз.Куэтсъярви оценивается равной 1-2 мм/год. Увеличение содержания №і, Си и Со в ДО озер, в которых проведено датирование, обычно обнаруживалось в слоях, возраст которых оценивается 20-ми и 30-ми годами XX столетия - результат начала металлургической деятельности в этом регионе. С увеличением расстояния от комбината «Печенганикель» уменьшаются концентрации № и Си в поверхностных слоях ДО и снижается разброс содержаний в целом по колонке. Значительное увеличение концентраций РЬ датируется концом XIX - началом XX в. С увеличением расстояния от комбината «Печенганикель» свинец становится одним из основных загрязнителей. Особенно это характерно для финляндских озер. Маркерами загрязнения водосборных бассейнов служат также As и Cd, начало загрязнения которыми датируется серединой XIX в.
Пылевые выбросы в атмосферу плавильных цехов комбината «Печенганикель» являются главным источником повышенных концентраций №і, Си и Со (в 10-180 раз больше фоновых значений) в поверхностных слоях ДО на расстоянии до 30-40 км. Наибольшие концентрации № и Си, превышающие фоновые значения в 10-25 раз, отмечены в озерах на расстоянии до 10 км от комбината (рис.11). Значительное уменьшение концентраций (до 3-7 фоновых значений) наблюдается на расстоянии до 20-30 км от источника загрязнения. В распределении Со и Cd наблюдается аналогичная закономерность. Наиболее интенсивно загрязняется зона до 10 км. Здесь отмечено превышение концентраций металлов над фоновыми значениями от 2 до 5 раз. По мере удаления от комбината на 20-30 км наблюдается уменьшение концентраций металлов до 2-3 фоновых значений. Подобная закономерность наблюдается в распределении As и ^. В распределении РЬ по результатам исследований 2010 г. впервые отмечена тенденция увеличения содержания в поверхностных слоях ДО по мере приближения к комбинату. Ранее в региональном распределении РЬ была отмечена отличная от всех ТМ картина - увеличение концентраций с востока на запад. В целом по результатам исследований 2010 г. отмечено увеличение концентраций практически всех загрязняющих ТМ в поверхностных слоях ДО озер северо-запада Мурманской области по сравнению с исследованиями 1989-1993 и 2002-2004 гг., что говорит об усилении антропогенной нагрузки на водосборы озер.
По результатам исследований ДО озер в 2010 г. очень высокие значения степени загрязнения Са отмечены на расстоянии до 30 км от источников загрязнения, а значительные значения - до 60 км. В озерах, расположенных до 30 км, основной вклад в величину Са вносят металлы, выбрасываемые в атмосферу комбинатом «Печенганикель» в больших количествах (№і, Си, Со), а в более удаленных озерах основными загрязняющими элементами становятся РЬ, Cd, ^ и As, которые в последние десятилетия приобрели статус глобальных загрязняющих элементов. Согласно исследованиям 2010 г., получены результаты, подобные 2002-2004 гг., хотя в последние годы выявлено усиление загрязнения, особенно в ближайшей 30-километровой зоне от комбината. По результатам исследований 1989-1993 гг. в озерах, находящихся в зоне влияния комбината «Печенганикель», очень высокие значения Са отмечены на расстоянии до 10 км от источников загрязнения, значительные значения - до 15 км, а умеренные - до 40 км.
Атмосферные выпадения аэрозолей являются главной причиной загрязнения, в том числе и ТМ, наземных и водных экосистем, поверхностных и подземных вод (Яхнин и др., 1997). В фоновых территориях, где в балансе атмосферных выпадений значительная роль принадлежит растворимым формам металлов, с поверхностным стоком выносится до 5% поступлений свинца и около 30% поступлений цинка
и кадмия (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Елпатьевский, 1993). В условиях техногенного загрязнения, когда существенно увеличивается роль твердофазных выпадений, поверхностный вынос сокращается до 1-3% поступлений свинца и до 10% цинка и меди (Елпатьевский, 1993). Остальная часть металлов накапливается в почве. Mиграция металлов по почвенному профилю происходит со скоростью 0.1-0.4 см/год и характеризуется быстрым падением концентраций с увеличением глубины (Сает и др., 1990; Елпатьевский, 1993; Cernic et al., 1994). Возможности самоочищения почв от антропогенных накоплений металлов признаются весьма ограниченными (Fridland et al., 1992; Miller, Fridland, 1994; De Vries, Banker, 1996). Согласно вышеуказанным исследованиям, совокупный вынос металлов (поверхностный сток, почвенные растворы, биологические процессы и др.) при условии прекращения новых поступлений из антропогенных источников обеспечит в зоне умеренного климата самоочищение загрязненных почв от свинца за период от 150-200 до 400-500 лет, от цинка, кадмия за 100-200 лет. Tаким образом, период естественного самоочищения почв и наземных экосистем от загрязняющих металлов можно оценить величиной порядка n-102 лет (т.е. сотни лет).
Tаким образом, в результате исследований химического состава ДО озер северо-запада Myрманской области и приграничных районов Норвегии и Финляндии выявлена тенденция усиления антропогенной нагрузки на водосборы озер и на сами озера, несмотря на снижение выбросов и стоков загрязняющих веществ комбинатом «Печенганикель» в последние 20 лет. Средние выбросы Ni и Cu комбинатом составляли 300 и 200 т/год соответственно, а стоки - 5 и 0.2 т/год. За 70-летний период деятельности в компонентах окружающей среды (главным образом в наземных экосистемах - в почвах и растениях) накопилось огромное количество TM, которое после отмирания растений и разложения органических остатков со склоновым стоком, почвенными и подземными водами в виде органических и неорганических соединений постепенно поступает в водотоки и водоемы. С учетом накопленных TM в наземных экосистемах и многолетнего периода их самоочищения, интенсивное поступление TM в водоемы будет продолжаться еще не один десяток лет, даже если комбинат резко снизит их выбросы в окружающую среду.
Литература
Алексеенко В.А. Экологическая геохимия. M.: Логос, 2000. 627 с.
Богданов Ю.А. Пелагический осадочный процесс в Tихом океане: автореф. дис. ... докт. геол.-минер. наук. M., 1980. 44 с.
Большие озера Кольского полуострова / К.Г.Купецкая, И.И.Великорецкая, Б.Г.Венус и др. Л.: Наука, 1976. 349 с.
Бреховских В.Ф. Гидрофизические факторы формирования кислородного режима водоемов. M.: Наука, 1988. 168 с.
Бреховских В.Ф. О роли донных отложений в балансе растворенного кислорода в Mожайском водохранилище / В.Ф.Бреховских и др. // Водные ресурсы. 1998а. T.25, № 1. С. 43-45.
Бреховских В.Ф. Изменение элементов экосистем в подводных карьерах для добычи нерудных строительных материалов / В.Ф.Бреховских и др. // Водные ресурсы. 1998б. T.25, № 4. С. 448-454.
Веницианов Е.В. Некоторые особенности сорбции тяжелых металлов слоем донных отложений и почвогрунтов // Водные ресурсы. 1998. T.25, № 4. С. 462-466.
Веницианов Е.В. Динамика сорбции из жидких сред / Е.В.Веницианов, Р.Н.Рубинштейн. М.: Наука, 1983. 238 с.
Вернадский В.И. Избр. соч. М.: Изд-во АН СССР, 1954.
Виноградов А.П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры // Геохимия. 1962. N° 7. С. 555-571.
Власова Т.А. Гидрохимия главных рек. Сыктывкар: Изд. Коми НЦ УрО РАН, 1988. 150 с.
Даувальтер В.А. Концентрации тяжелых металлов в донных отложениях озер Кольского полуострова как индикатор загрязнения водных экосистем // Проблемы химического и биологического мониторинга экологического состояния водных объектов Кольского Севера. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1995. С. 24-35.
Даувальтер В.А. Загрязнение донных отложений водосбора реки Пасвик тяжелыми металлами // Геоэкология. 1997. № 6. С. 43-53.
Даувальтер В.А. Тяжелые металлы в донных отложениях озерно-речной системы озеро Инари - река Пасвик // Водные ресурсы. 1998. Т.25, № 4. С. 494-500.
Даувальтер В.А. Закономерности осадконакопления в водных объектах Европейской Субарктики (природоохранные аспекты проблемы): автореф. дис. ... докт. геогр. наук. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2000. 52 с.
Даувальтер В.А. Химический состав донных отложений субарктического озера под влиянием горной металлургии // Изв. РАН. Серия географическая. 2002. № 4. С. 65-73.
Денисова А.И. Донные отложения водохранилищ и их влияние на качество воды / А.И. Денисова и др. Киев: Наук. думка, 1987. 162 с.
Евсеев А.В. Эколого-географические особенности природной среды районов Крайнего Севера России / А.В.Евсеев, Т.М.Красовская. Смоленск: Изд-во СГУ, 1996. 232 с.
Елпатьевский П.В. Геохимия миграционных потоков в природных и природно-техногенных системах. М.: Наука, 1993. 253 с.
Зверева О.С. Особенности биологии главных рек Коми АССР. Л.: Наука, 1969. 275 с.
Кабата-Пендиас А. Микроэлементы в почвах и растениях / А.Кабата-Пендиас, Х.Пендиас. М.: Мир, 1989. 439 с.
Кашулин Н.А. Антропогенные изменения лотических экосистем Мурманской области. Ч.1: Ковдорский район / Н.А.Кашулин и др. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2005. 234 с.
Кашулин Н.А. Антропогенные изменения лотических экосистем Мурманской области. Ч.2: Озерно-речная система реки Чуна в условиях аэротехногенного загрязнения / Н.А.Кашулин и др. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2007. 238 с.
Кашулин Н.А. Антропогенные изменения водных систем Хибинского горного массива (Мурманская область) / Н.А.Кашулин и др. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2008. Т.1. 250 с.; Т.2. 282 с.
Кашулин Н.А. Экологический каталог озер Мурманской области. Северо-западная часть Мурманской области и приграничной территории сопредельных стран / Н.А.Кашулин и др. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2009. Ч.1. 226 с.; Ч.П. 262 с.
Кашулин Н.А. Аннотированный экологический каталог озер Мурманской области (Восточная часть. Бассейн Баренцева моря). В 2 ч. / Н.А.Кашулин и др. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2010. Ч.1. 249 с.; Ч.2. 128 с.
Крючков В.В., Макарова Т.Д. Аэротехногенное воздействие на экосистемы Кольского Севера. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1989. 96 с.
Линник П.Н. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах / П.Н.Линник, Б.И.Набиванец. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 270 с.
Линник П.Н. Обмен органическими веществами и соединениями металлов в системе «донные отложения - вода» в условиях модельного эксперимента / П.Н.Линник и др. // Экол. химия. 1997. T.6, № 4. С. 217-225.
Лисицын А.П. Процессы океанской седиментации. M., 1978. 392 с.
Лукин А.А. Влияние аэротехногенного загрязнения на водосборный бассейн озер Субарктики и рыб / А.А.Лукин // Экология. 1998. № 2. С. 109-115.
Лукин А.А. Экосистема реки Печоры в современных условиях / А.А.Лукин и др. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2000. 192 с.
Mоисеенко ТИ. Формирование качества вод и донных отложений в условиях антропогенных нагрузок на водоемы арктического бассейна (на примере Кольского Севера) / ТИЖоисеенко и др. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1996. 263 с.
Mоисеенко TM. Геохимическая миграция элементов в субарктическом водоеме (на примере озера Имандра) / ТИЖоисеенко и др. Апатиты: Изд. КНЦ, 1997. 127 с.
Mоисеенко ^И. Tеоретические основы нормирования антропогенных нагрузок на водоемы Субарктики. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1997. 261 с.
Mоисеенко ^И. Mеханизмы круговорота природных и антропогенных металлов в поверхностных водах Субарктики / T.И.Mоисеенко и др. // Водные ресурсы. 1998. T.25, № 2. С. 231-243.
Mоисеенко ^И. Антропогенные модификации экосистемы озера Имандра / T.И.Mоисеенко и др.; под ред. ^ИЖоисеенко. M.: Наука, 2002. 487 с.
Myр Дж.В. Tяжелые металлы в природных водах / Дж^Жур,
С.Рамамурти. M.: M^, 1987. 285 с.
Никаноров А.M. Биомониторинг металлов в пресноводных экосистемах / А.M.Hиканоров, А.В.Жулидов. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 312 с.
Озера различных ландшафтов Кольского полуострова. В 2 ч. Л.: Наука, 1974.
Сает Ю.Е. Геохимия окружающей среды / Ю.Е. Сает и др. M.: Недра, 1990. 335 с.
Семенович Н.И. Донные отложения Ладожского озера. M-Л.: Наука, 1966. 124 с.
Семенович Н.И. Донные отложения Онежского озера. Л.: Наука, 1973. 104 с.
Сергеева Л.В. Геохимическая характеристика некоторых озерных ландшафтов северо-запада // Озера различных ландшафтов северо-запада СССР. Л.: Наука, 1968. Ч.І. С. 34-58.
Сергеева Л.В. Mиграция группы микроэлементов в двух различных ландшафтах Кольского полуострова // Озера различных ландшафтов Кольского полуострова. Л.: Наука, 1974. Ч.І. С. 50-77.
Страхов frM. Образование осадков в современных водоемах / НМ.Страхов и др. M.: Изд-во АН СССР, 1954. 792 с.
Федорова Е.И. Характеристика железорудных озер Кольского полуострова // Накопление вещества в озерах. M.: Наука, 1964. С. 59-77.
Ферсман А.Е. Избранные труды. M.: Изд-во АН СССР, 1953-1959. T.1-5.
Хрусталев Ю.П. Седиментогенез во внутриконтинентальных морях аридной зоны: автореф. дис. ... докт. геол-мин. наук. M., 1986. 51 с.
Яхнин Э.Я. Атмосферные выпадения тяжелых металлов и их влияние на экологическое состояние почв / Э.Я.Яхнин и др. // Экол. химия. 1997. № 6 (4). С. 253-259.
Abry T. Sedimentene i Tyrifjorden. Tungmetaller og dateringer. Tyrifjordundersokelsen / T.Abry et al. // Fagrapport. 1982. Nr. 19. 19 p.
Ajras M. Ecological investigation, Kola Peninsula: sulfur and trace element contents in snow / M.Ajras et al. // Water, Air, Soil Pollut. 1995. Vol.85. P. 749-754.
Ajras M. Comparison of sulfur and heavy metal contents and their regional distribution in humus and moss samples from vicinity of Nikel and Zapoljarnij, Kola Peninsula, Russia / M.Ajras et al. // Water, Air, Soil Pollut. 1997. Vol.98. P. 361-380.
Appleby P.G. The calculation of the 210Pb dates assuming a constant rate of supply of unsupported 10Pb to sediments / P.G.Appleby, F.Oldfield // Catena. 1978. Vol.5. P. 1-8.
Blais J.M. Regional contamination in lakes from the Noril'sk region in Siberia, Russia / J.M. Blais et al. // Water, Air, Soil Pollut. 1998. Vol.95. P. 1-16.
Bradley R.W. Heavy metals in fish from a series of metal-contaminated lakes near Sudbery, Ontario / RW.Bradley, J.R.Morris // Water, Air, Soil Pollut. 1986. Vol.27. P. 341-357.
Cariat P. de. Stream water geochemistry form selected catchments on the Western Kola Peninsula (NW Russia) and neighbouring areas of Finland and Norway: 1. Element levels and sources / de P.Cariat et al. // Appl. Geochem. 1996a. Vol.2. P. 149-168.
Cariat P. de. Stream water geochemistry form selected catchments on the western Kola Peninsula (NW Russia) and neighbouring areas of Finland and Norway: 2.Time-series / de P.Cariat et al. // Appl. Geochem. 1996b. Vol.2. P. 169-184.
Carignan R. Zinc deposition in acid lakes: the role of diffusion / R.Carignan, A.Tessier // Sci. 1985. Vol.228. P. 1524-1526.
Cernic M. Modeling of heavy metal transport in a contaminated soil / M.Cernic et al. // J. Environ. Qual. 1994. Vol.23. P. 1239-1248.
Controy N. Influence of the atmosphere on lakes in the Sudbury area / N.Controy et al. // Intern. Association of Great Lakes Res.: Proc. Symp. Atmospheric Contribution to the Chemistry of Lake Waters, Sept. 28 - Oct. 1, 1975.
Dauvalter V. Concentrations of heavy metals in superficial lake sediments of Pechenga district, Murmansk region, Russia // Vatten. 1992. Vol.48, № 2. P. 141-145.
Dauvalter V. Heavy metals in lake sediments of the Kola Peninsula, Russia // Sci. Tot. Environ. 1994. Vol.158. P. 51-61.
Dauvalter V. Heavy metal concentrations in lake sediments as an index of freshwater ecosystem pollution / R.M.M.Crawford (ed.) // Disturbance and recovery in Arctic lands; an ecological perspective. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, the Netherlands, 1997. P. 333-351.
Dauvalter V.A. Heavy metals in the bottom sediments of the Inari-Pasvik lake-river system // Water Resources. 1998. Vol.25, № 4. P. 451-457.
Dauvalter V. Impact of mining and refining on the distribution and accumulation of nickel and other heavy metals in sediments of subarctic lake Kuetsjarvi, Murmansk region, Russia // J. Environ. Monitor. 2003. Vol.5 (2). P.210-215.
Dauvalter V. Heavy metals pollution in sediment of the Pasvik River drainage / V.Dauvalter, S.Rognerud // Chemosphere. 2001. Vol.42, № 1. P. 9-18.
Dauvalter V. Pollution of the Sediments of the Paz River basin / V.Dauvalter, S.Sandimirov // State of the environment in the Norwegian, Finnish and Russian border area. The Finnish Environment / Eds. K.Stebel, G.Chritinsen, J.Derome, I.Crekela. 2007. № 6. 55 p.
Dauvalter V. Chemical composition of lake sediments along a pollution gradient in a Subarctic watercourse / V.Dauvalter et al. // J. Environ. Sci. Health. A. 2011 (in press).
De Vries W. Manual for calculating critical load of heavy metals for soils and surface water / W.De Vries, D.J.Banker; DLO Winland Staring Centre, Wageningen (The Neterlands) // Report № 114. 1996. 133 p.
Douglas E.R. Sources of mercury contamination in the sediments of small headwater lakes in south-central Ontario, Canada // Arch. Environ. Contam. Toxicol. 1986. Vol.15. P. 505-512.
Forstner U. Metal Pollution in the Aquatic Environment / U.Forstner, GT.W.Wittmann. Berlin: Springer-Verlag, 1979. 210 p.
Forstner U. Metal Pollution in the Aquatic Environment / U.Forstner, GT.W.Wittmann. 2nd revised ed. N.Y.: Springer-Verlag, 1981. 486 p.
Fridland A.J. Decreasing lead levels in the forest floor of the northeastern USA / A.J.Fridland et al. // AMBIO. 1992. Vol.21. P. 400-430.
Gregurek D. Mineralogy and mineral chemistry of snow filter residues in the vicinity of the nickel-copper processing industry, Kola Peninsula, NW Russia /
D.Gregurek et al. // Miner. Petrol. 1999. Vol.65. P. 87-111.
Horowitz A.J. A primer on trace metal-sediment chemistry. 2nd rew. ed. Chelsea, Michigan: Lewis Publishers, 1991. 136 p.
Hakanson L. Sediments as indicator of contamination Investigation in the four largest Swedish lakes. Uppsala: SNN RM 835/NLU Rapport 92, 1977. 27 p.
Hakanson L. An ecological risk index for aquatic pollution control - a sedimentological approach // Water Res. 1980. Vol.14. P. 975-1001.
Hakanson L. Sediment sampling in different aquatic environments: Statistical aspects // Water Resour. Resear. 1984. Vol.20, № 1. P. 41-46.
Hakanson L. Principles of lake sedimentology / L.Hakanson, M.Jansson. Berlin: Springer-Verlag, 1983. 316 p.
Johansson K. Heavy metals in Swedish forest lakes-factors influencing the distribution in sediments: Doct. diss. Uppsala University, Sweden, 1988.
Kashulin N.A. Impact of airborne pollution on the drainage area of subarctic lakes and fish / N.A.Kashulin et al. // Chemosphere. 2001. Vol.42, № 1. P. 51-59.
Kashulin N.A. Catalogue of lakes in the Russian, Finnish and Norwegian Border Area / N.A.Kashulin et al. Jyvaskyla, Finland: Kopijyva Oy, 2008. 313 p.
Lukin A. Assessment of copper-nickel industry impact on a subarctic lake ecosystem / A.Lukin et al. // Sci. Tot. Environ. 2003. Vol.306. P. 73-83.
Melnikov S.A. Report on heavy metals // State of the Arctic Environment. Rovaniemi: Arctic Centre Publications, 1991. P. 82-153.
Megar S.A. Polluted precipitation and the geochronology of mercury deposition in lake sediments of Norther Minnesota // Water, Air, Soil Pollut. 1986. Vol.30. P. 411-419.
Miller E.K., Fridland A.J. Lead migration in forest soil. Response to changing atmospheric inputs // Environ. Sci. Technol. 1994. Vol.28. P. 662-672.
Moiseenko T. Pasvik River Watercourse, Barents Region: Pollution Impacts and Ecological Responses: [Investigations in 1993] / T.Moiseenko et al. Oslo: NIVA-report OR-3118. 1994. 87 p.
Moiseenko T.I. Airborne contaminants by heavy metals and aluminium in the freshwater ecosystems of the Kola subarctic region (Russia) / T.I.Moiseenko et al. // Sci. Tot. Environ. 1995. Vol.160/161. P. 715-727.
Mudroch A. Summary of surface and background concentrations of selected elements in the Great Lakes sediments / A.Mudroch et al. // Great Lakes Res.
1988. Vol.14, № 2. P. 241-251.
Norton S.A. Atmospheric deposition in Norway during the last 300 years as recorded in SNSF lake sediments: I. Sediment dating and chemical stratigraphy / S.A.Norton, C.T.Hess // Proc. Intern. Ecol. Impact of Acidic Precipitation, SNSF-project, Sandefjorden, Norway, 1980. P. 274-275.
Norton S.A. The history of atmospheric deposition of Cd, Hg and Pb in North America: Evidence from lake and peat bog sediments / S.A.Norton et al. // Sources, Deposition and Capony Interactions. V. III, Acidic Precipitation / S.E.Lindberg et al. (Eds.). New York: Springer-Verlag, 1990. P. 73-101.
Norton S.A. Trace metal pollution in eastern Finnmark, Norway, as evidenced by studies of lake sediments / S.A.Norton et al. Oslo: SFT-report 487/92, 1992. 42 p.
Norton S.A. Trace metal pollution in eastern Finnmark, Norway and Kola Peninsula, Northeastern Russia as evidences by studies of lake sediment / S.A.Norton et al. // NIVA-Report 41/1996, Oslo. 1996. 18 p.
Nriagu J.O. Deposition and chemistry of pollutant metals in lakes around the smelter at Sudbary, Ontario / J.O.Nriagu et al. // Environ. Sci. Technol. 1982. Vol. 16. P. 551-560.
Pacyna J.M., Pacyna E.G. An assessment of global and regional emissions of trace elements to the atmosphere from anthropogenic sources worldwide / J.M.Pacyna,
E.G.Pacyna // Environ. Rev. 2001. Vol.4. P. 269-298.
Rada R.G. Recent increases in atmospheric deposition of mercury to North Central Wisconsin lakes inferred from sediment analyses / R.G.Rada et al. // Arch. Environ. Contam. Toxicol. 1989. Vol.18. P. 175-181.
Palmer G.R. Elemental analysis of lake sediment from Sudbery, Canada, using particle-induced X-ray emisssion / G.R.Palmer et al. // Sci. Tot. Environ.
1989. Vol.87/88. P. 141-156.
Reimann C. Lake water geochemistry on the western Kola Peninsula, North-West Russia / C.Reimann et al. // Appl. Geochem. 1999. Vol.14. P. 787-805.
Rekolainen S. The effect of airborne mercury and peatland drainage on sediment mercury content in some Finnish forest lakes / S.Rekolainen et al. // Helsinki: National Board of Water. 1986. Vol.65. P. 11-21.
Renberg I. Pre-industrial atmospheric lead contamination detected in Swedish lake sediments / I.Renberg et al. // Nature. 1994. Vol.368. P. 323-326.
Rognerud S. Kvikksolv i Mjosa's sedimenter. Oslo: NIVA-rapport 0-82105. 1985. 47 p. Rognerud S. Sedimentunders0kelser i Pasvikela h0sten 1989. Oslo: NIVA-Rapport 401/90. 1990. 10 p.
Rognerud S. Heavy metal pollution in lake sediments in the border areas between Russia and Norway / S.Rognerud et al. Oslo: NIVA-Report 522/ 93. 1993. 18 p.
Rognerud S. Regional survey of heavy metals in lake sediments in Norway / S.Rognerud et al. // AMBIO. 1993. Vol.22, № 4. P. 206-212.
Rognerud S. Concentrations of trace elements in recent and preindustrial sediments from Norwegian and Russian Arctic lakes / S.Rognerud et al. // Can. J. Fish. Aquat. Sci. 1998. Vol.55. P. 1512-1523.
Semkin R.G., Kramer J.R. Sediment geochemistry of Sudbury area lakes // Can. Mineral. 1976. Vol.14. P. 73-90.
Skogheim O.K. Rapport fra Arungenprosjektet. Oslo: As-NLH, Nr. 2. 1979. 7 p. State of the environment in the Norwegian, Finnish and Russian border area / Eds. K.Stebel, G.Chritinsen, J.Derome, I.Crekela // The Finnish Environment. 2007. № 6. 98 p.
Traaen T.S. Acidification of surface waters, nickel and copper in water and lake sediments in the Russian-Norwegian border areas / T.S.Traaen et al.; Working Group for Water and Environmental Problems under the Norwegian-Soviet Environmental Protection Commission. Oslo; Apatity, 1991. 20 p.
Tenhola M. Regional distribution of zinc in lake sediments from eastern Finland / M.Tenhola, M.Lummaa // Symposium on Economic Geology, Dublin, Ireland, 26-29 August, 1979. P. 67-73.
Сведения об авторах
Даувальтер Владимир Андреевич,
доктор географических наук, главный научный сотрудник Института проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра РАН
