Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Эколого-геохимические особенности распределения свинца и ртути в донных отложениях

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Эколого-геохимические особенности распределения свинца и ртути в донных отложениях"

РОСТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Б ОД

- с ш

Нин т

КИЗИЦКИИ РОМАН МИХАИЛОВИЧ

ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВИНЦА И РТУТИ В ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЯХ ( НА ПРИМЕРЕ ТАГАНРОГСКОГО ЗАЛИВА И ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ АЗОВСКОГО МОРЯ).

Специальность: 11.00.11 -охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Ростов-на-Дону 2000

Работа выполнена на кафедре геоэкологии и прикладной геохимии Ростовского государственного университета.

Научный руководитель:

доктор географических наук, профессор Ю.А. Федоров

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, А.А. Зенин

Ведущая организация:

кандидат геолого-минералогических наук, доцент С.Я. Черноусов

Северо-Кавказское межрегиональное территориальное управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды

Защита диссертации состоится "4 " июля 2000 г. в ^часов на заседании диссертационного совета К 063.52.17 в Ростовском государственном университете по адресу: 344090, г. Росгов-на-Дону, ул. Зорге, 40, геолого-географический факультет, ауд. 210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГУ по адресу 344006, г, Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.-----------------------------------------

Автореферат разослан " 3 " -у^у-/ 2000 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ( /

к.г.н., доцент Т.А. Смагина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Б настоящее время загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) приобрело глобальный характер. Среди тяжелых металлов свинец и ртуть являются приоритетными. Их негативное воздействие на животные и растительные организмы, а также основные источники и пути поступления в водоемы и водотоки земного шара, общие закономерности накопления и рассеивания хорошо изучены. Тем не менее, в связи с разнообразием климатических, гидрологических, литологических и техногенных условий каждый из водных объектов характеризуется своей динамикой поступления загрязняющих веществ и специфическими чертами аккумуляции и рассеивания ТМ. Большую актуальность имеет изучение геохимических особенностей свинца и ртути в зоне смешения "река-море", которым фактически является Таганрогский залив. Последний может выполнять функции как фильтра, так и барьера, пропускающего или задерживающего тяжелые металлы на пути транзита из р.Дон в Азовское море. В барьерных зонах смешения "река-море" происходит трансформация минерального и органического вещества, которая сопровождается изменением различных форм миграции свинца и ртути в воде. Значительная часть данных элементов адсорбируется на взвеси и затем переходит в донные отложения. В свою очередь, верхний слой последних, вследствие изменения гидродинамических и физико-химических условий среды, что весьма характерно для Таганрогского залива, способен вновь перейти в придонную воду и вызвать вторичное загрязнение. Таким образом, геохимическая роль донных отложений двояка, поскольку они могут как депонировать свинец и ртуть, а, следовательно, способствовать самоочищению воды от этих элементов, так и десорбировать их, тем самым ухудшая качество воды.

ПДК на содержание свинца и ртути в донных отложениях не разработаны, а использование ПДК этих элементов для почв представляется не корректным. Несмотря на выполненные ранее геохимические исследования донных отложений Таганрогского залива и Азовского моря, до настоящего времени

отсутствовали работы, посвященные детальному изучению распределения свинца и ртути в отдельных гранулометрических фракциях и органическом веществе, а также по разрезу донных отложений и акватории залива. Кроме того, последняя информация о загрязнении донных отложений Таганрогского залива и Азовского моря датирована 1991 г, а приведенные результаты касаются в основном акватории моря. В то же время данные по уровню и характеру загрязнения Таганрогского залива весьма ограничены.

Цель и задачи работы. Целью работы является исследование эколого-геохимических особенностей накопления свинца и ртути в донных отложениях Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря по площади и глубине. Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1. Произвести детальные исследования общего содержания свинца и ртути в донных отложениях Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря и закономерности их распределения.

2. Исследовать пространственно-временную динамику загрязнения донных отложений свинцом и ртутью и её связь с природными и антропогенными факторами и процессами.

3. Выявить зоны повышенных концентраций свинца и ртути в донных отложенияхТаганрогского залива.

4. Изучить общее содержание свинца и ртути в различных гранулометрических фракциях и их влияние на распределение содержания этих элементов в донных отложениях.

5. Выявить геохимические особенности распределения свинца и ртути по разрезу донных отложений, изучить взаимосвязи их концентраций с содержанием метана.

6. Определить природный геохимический фон содержания свинца и ртути в донных отложениях Таганрогского залива.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые изучены особенности распределения свинца и ртути по глубине донных отложений Таганрогского залива.

2. Получены данные о пространственно-временной динамике содержания свинца и ртути в донных отложениях.

3. Исследованы зависимости между содержанием свинца и ртути, с одной стороны, и содержанием "физической глины", "физического песка" и "ракушечного материала" в донных отложениях, с другой, а также между концентрациями этих элементов.

4. Установлен факт обеднения ртутью верхнего слоя донных отложений по отношению к слою, расположенному гипсометрически ниже, и предложен механизм, объясняющий это явление.

5. Впервые выявлены закономерности изменения содержания свинца и ртути в "физической глине", "физическом песке" и "ракуше".

Фактический материал. Для достижения цели и поставленных задач были проведены в период с 1995 по 1998 гг. четыре комплексные экспедиции. Камеральная обработка и аналитические определения производились при финансовой поддержке РФФИ (проекты №№ 00-15-98603, 00-05-65128).

Пробы отбирались с борта судна "Гидрофизик" с помощью трубки конструкции Государственного океанографического института, в основном на станциях сети Росгидромета (Донская устьевая станция).

Содержание свинца и ртути определялось в поверхностном (глубина 0-5 см) и приповерхностном (5-10 см) слоях донных отложений. На отдельных реперных станциях (порт Таганрог и центральная часть залива) было изучено содержание ртути по разрезу донных отложений на глубину более 60 см. Из центральной части керна донных отложений каждой цитологической разности производился отбор проб для гранулометрического и атомно-абсорбционного анализов. Всего было произведено 323 анализа на содержание свинца и ртути. Шестьдесят три пробы были разделены на гранулометрические фракции: «физическую глину», «физический песок», «ракушечный материал» и

органическое вещество. В выделенных фракциях сделано 37 анализов для определения концентрации в них свинца и ртути.

В некоторых колонках донных осадков, количество которых составило более 30, выполнены определения содержания метана.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Всероссийской школе-семинаре «Промышленная Экология» (Ростов-на-Дону, Абрау-Дюрсо, 1998 г.), третьей Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Санкт-Петербург, 1998 г.), 15 юбилейном симпозиуме по геохимии изотопов (Москва, 1998 г.), на совместном заседании сотрудников нескольких лабораторий Гидрохимического института и геолого-географического факультета РГУ, кафедре геоэкологии и прикладной геохимии геолого-географического факультета РГУ, кафедре экологии и природопользования биолого-почвенного факультета РГУ.

По теме диссертации опубликовано б работ.

Практическая значимость. Выполненные исследования имеют природоохранное значение, поскольку они направлены на совершенствование системы мониторинга и контроля качества воды Таганрогского залива и Азовского моря, как уникальных природных и хозяйственных объектов. Материалы работы используются в лаборатории изотопного мониторинга качества вод Гидрохимического института при разработке рекомендаций.

Основные защищаемые положения:

1. Зависимость между содержанием "физической глины", с одной стороны, и свинцом и ртутью, с другой, носит сложный характер, на который оказывают влияние как собственно содержание указанных ТМ в ней, так и степень их концентрации в донных отложениях.

2. Между общим содержанием свинца и ртути в донных отложениях корреляционной зависимости не выявлено, что объясняется различием основных

источников их поступления и геохимическими особенностями накопления и рассеивания.

3. Донные отложения Таганрогского залива характеризуются повышенными фоновыми концентрациями ртути по сравнению с другими районами земного шара.

4. В верхнем слое донных отложений содержатся более низкие концентрации ртути, чем в нижележащем слое, в то время как содержание свинца распределено относительно равномерно по изученным слоям. Это объясняется гидрологическими особенностями Таганрогского залива и геохимическими особенностями поведения этих элементов на границе раздела -"вода - донные отложения".

5. Повышенные концентрации свинца и ртути приурочены к зонам постоянного антропогенного воздействия на воду и донные отложения (городские агломерации, порты, свалки).

6. В зонах перманентного загрязнения донных отложений выявлено синхронное увеличение концентраций ртути и метана; для свинца такая закономерность не обнаружена.

Объем работы. Диссертация изложена на 185 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков и 16 таблиц, состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованной литературы.

Автор искренне благодарен своему руководителю - д.г.н., профессору Федорову Ю.А., а также, кг-м.н. Хансиваровой Н.М. - за оказанную методическую помощь в разработке методики и методологии разделения донных осадков на фракции. За полезные советы и конструктивную критику выражаю глубокую признательность д.г-м.н. Хрусталеву Ю.П., д.г-м.н. Закруткину В.Е., д.г-м.н. Коробкину В.И., д.б.н. Валькову В.Ф., д.б.н. Лебедевой Н.В., к.г-м.н. Ищенко A.A. Автор считает также своим долгом поблагодарить академика РАН Матишова Г.Г. за проявленное внимание к представленной работе и научные консультации.

Глава 1. "Физико-географические условия Таганрогского залива".

Азовское море (в древности Сурожское), расположенное на юге Европейской территории России, между 45°17' и 47°17' с. ш. и 34°49' и 39°18' в. д., принадлежит к бассейну Черного моря, соединяясь с ним в южной части неглубоким Керченским проливом.

На северо-востоке, глубоко вдаваясь в сушу, море образует Таганрогский залив. Западная граница его условна и проходит по линии "коса Белосаранская -коса Долгая"; все остальные границы естественные и идут по береговой линии. Площадь залива 5240 км2 или 14% от всей площади Азовского моря, объем воды 24,6 км3 (7,6%). Длина залива 140 км. Ширина его увеличивается с востока на запад от 26 до52 км.

Глубины Таганрогского залива небольшие и увеличиваются от устья р. Дон (2 - 3 м) по направлению к открытой части моря до 8 - 9 м, а по мере удаления от берега достигают в центральной части 5 - 6 м. Примерно 75% площади составляют глубины менее 3 м. По Хрусталеву Ю.П. и Щербакову Ф.А. (1974) для большей части залива характерно активное осадконакопление, а для северо-западной - слабая аккумуляция. На крайнем северо-западе и юге выделяются зоны размыва пород коренного берега.

Акватория Таганрогского залива приурочена к Ростовскому своду Русской платформы, -Сложенному ^кристаллическими породами архея и протерозоя и погруженными под толщу осадков нижнего и верхнего мела.

Мамыкина В.А. и Хрусталев Ю.П. (1980) выделяют два береговых района - северо- и южнотаганрогский, граница между ними проходит по устью р. Дон. В северотаганрогском районе, в связи с относительной приподнятостью берега, в основании обрывов выходят отложения неогена - сарматские, понтические, мэотические песчано-глинистые породы и известняки, хапровские пески и скифские глины. Перекрываются они лессовидными суглинками. Южнотаганрогский район в тектоническом отношении приурочен к ростовскому своду (северо-восточная часть), испытавшему поднятие в N-0, и к Ейскому прогибу Скифской плиты (юго-западная часть). Северо-восточная часть сложена

Таганрогскими пссчано-глинистыми отложениями, скифскими глинами и лессовыми суглинками, юго-западная - лессовидными суглинками и скифскими глинами. Особенности геологического строения и залегания пород определяют широкое развитие абразионно-оползневых процессов.

Климат Таганрогского залива, как и всего Азовского моря, характеризуется как умеренно континентальный. Равнинность окружающей территории способствует свободному проникновению разнообразных воздушных масс: умеренных, тропических и арктических, но все они трансформируются в континентальный умеренный воздух. Среднегодовая температура воздуха - 9°. Минимальные значения приходятся на январь (-5,3 максимальные - на июль (23 В течение года преобладают слабые ветры (< 5 м/с) - 60-70%, сильные ветры (>15 м/с) составляют 16-29 дней. Количество осадков над заливом меньше, чем на побережье. Следует отметить тенденцию к увеличению их количества с ю-з на с-в от 491 до 539 мм/год. (Гидрология и гидрохимия морей СССР, т. 5, Азовское море, 1991).

На особенности гидрологического и гидрохимического режима залива влияет водный сток прежде всего р. Дон. Его сток составляет 22 км3. Средняя многолетняя температура -11,2°, минимальная 4 ° приходится на январь-февраль (0,5°), максимальная - на июль (24,8°). Ледовый режим характеризуется большим непостоянством. Число дней со льдом составляет 75-100.

Средняя многолетняя соленость вод Таганрогского залива составляет 8,б7оо при колебаниях - 5,5-12, И«, (Гидрометеорология, 1991). В пространственном отношении характерно увеличение солености от 0 7.» в устье р. Дон до 10 - 12 "А» в районе косы Долгая.

Основным источником седиментационного материала является волновое разрушение абразионных, обвальных и оползневых берегов (80-88%), речной сток играет заметную роль лишь на участках, непосредственно примыкающих к устьям рек. Среднегодовое поступление терригенного материала с берегов составляет 2,05 млн. т. Из береговых обрывов поступает следующий материал: пелитовая фракция - 68%, песчано-гравийная - 25%, алевритовый материал - 7%. Вынос взвешенных наносов р. Дон составляет 1,2 млн. т. (Симов, 1989).

Среднегодовой привнос эоловой пыли составляет около 0,7 млн. т. (Хрусталев, Щербаков, 1974). Преобладание пелитовой фракции в продуктах разрушения берегов, аллювиальных выносах, эоловой пыли определили широкое распространение в заливе глинистых илов.

Техногенный материал во взвеси представлен рудными тонкодисперсными, углистыми и графитовыми образованиями, частицами цветных металлов, лакокрасочных веществ, нефтепродуктами, обрывками разноцветных синтетических волокон, а также оксидами и гидрооксидами железа и марганца. Суммарное его содержание во взвеси в среднем по Таганрогскому заливу составляет 11,2% при максимальных значениях - 23% в южной части залива - прибрежная полоса г. Мариуполя. Интенсивность накопления техногенного материала в донных отложениях Таганрогского залива составляет 0,332 тыс. т/год. (Хрусталев, Ивлиева, 1999). Основные загрязнители донных отложений антропогенным материалом - предприятия металлургической и металлообрабатывающей промышленности, на долю которых приходится 741 тыс. т/год твердых сбросов, или 61,3% от всей массы поступающих на акваторию Таганрогского залива и Азовского моря антропогенных веществ. На долю коммунальных отходов и теплоэлектростанций приходится 376 тыс. т/год, или 31,4% - соответственно; судоходства и функционирования портов - 87 тыс. т/год, или 7,2%.

Глава 2. "Обзор теоретико-экспериментальных исследований поведения свинца и ртути в окружающей среде".

Согласно геохимической классификации А.И. Перельмана свинец и ртуть относятся к группе халкофильных металлов. Элементы данной группы объединены общими особенностями строения атомов, положением на кривой атомных объемов, концентрацией в гидротермах.

Уровни общего содержания свинца в атмосферных осадках изменяются от 1 до 50 мкг/л, ртути - от 0,01 до 1,0 мкг/л. Большая часть ТМ закрепляется в гумусовых горизонтах почвы, попадает в грунты и подземные воды. С продуктами разрушения берегов, твердым стоком рек, а также в результате

эоловой деятельности ветра они попадают па акваторию водных объектов. Анализ распределения свинца в почвах поймы Нижнего Дона показал, что концентрация данного элемента колеблется от 5 до 200 мкг/г. Фоновые содержания свинца в почвах изменяются от 10 до 20 мкг/г (Черкашина, 1999). Фоновые содержания ртути в почве составляют 200 нг/г (Стахеев, Таций, 1997).

Основные формы миграции ТМ в природных водах обычно разделяются на взвешенные, истинно растворенные и коллоидные (Набиванец и др., 1981). Формы нахождения ртути и их распределение зависят от рН и ЕЬ среды, характера и концентрации анионов, количества и состава органического вещества, которое образует прочные комплексы с ртутью. Кроме того, миграция ртути осуществляется на взвешенных частицах водоемов. Концентрация нерастворенной ртути в незагрязненных пресных водах варьирует от 0,02 до 0,1 мкг/л, а в морских водах - от 0,01 до 0,03 мкг/л. Фоновое содержание ртути в гидросфере составляет 1 нг/л (Стахеев, Таций, 1997). Что касается метилртути, ее содержание в водных системах не превышает 0,2 - 1 нг/л. Основными формами миграции свинца в поверхностых водах являются их свободные ионы, соединения с преобладающими в воде анионами (С02"з, 8024, СГ, НСОз и т.д.), комплексы с РОВ, органическими и неорганическими лигандами, а также транспортировка на взвешенном веществе. Концентрация растворенного свинца в незагрязненных водах суши обычно не превышает 3 мкг/л.

По данным работ ряда авторов среднее содержание свинца в донных отложениях составляет десятки мкг/г сухого вещества, а содержание ртути в различных регионах Земного шара колеблется от 0,08 до 0,13 мкг/г (Му11утаа, 1996, Петрухин и др., 1996). Однако содержание этих элементов в районах постоянного антропогенного воздействия может на порядок и более превышать таковое для фоновых районов.

Интенсивность сорбции свинца и ртути донными отложениями определяется следующими физико-химическими факторами: площадью поверхности частиц, содержанием органического вещества, ионообменной способностью катионов, гранулометрическим составом отложений. Их

связывание с донными отложениями может резко меняться по интенсивности в зависимости от типа химической связи при сорбции, а также при осаждении с железомарганцевыми оксидами и вхождение в кристаллические решетки минералов. Переход сорбированных донными отложениями ТМ в водную массу зависит от коэффициентов распределения, которые, в свою очередь, отражают характеристики донных отложений и такие параметры окружающей среды, как рН, ЕЬ, содержания СГ и природных и синтетических хелатирующих агентов.

Десорбция является медленным процессом, обусловливающим понижение качества воды, даже после того, как источник загрязнения перестает существовать. Рамамурти и Раст (1978) при изучении песка, ила и богатых органических речных донных отложений, установили следующий порядок катионного обмена при различных условиях:

Не>рь>си>с<1

Соединения свинца способны активно аккумулироваться в организме человека, а выделение их с продуктами жизнедеятельности характеризуется недостаточной полнотой и малой скоростью. В процессах отложения и переноса свинец сходен с кальцием, что приводит к накоплению его в скелете. Ртутьорганические соединения могут вызывать болезнь Минамата. У значительной части детей, рожденных женщинами, проживающими в районе залива Минамата, отмечены симптомы церебрального паралича. Поступившая в организм метштртуть переносится потоком крови и осаждается в почках, печени и головном мозге. Период полувыведения метилртути из организма человека составляет 70 дней (Мур, Рамамурти, 1987).

Глава 3. "Методика отбора и подготовки проб в акватории водного объекта".

Отбор, хранение, извлечение проб производились в соответствии с Практическим руководством ГСМОС/Вода.

В связи со спецификой цели исследования и отсутствием нормированных руководств, посвященных изучению свойств осажденных частиц, при

определении их гранулометрического состава были допущены отступления от методик разделения породы на фракции, принятых в океанологии.

При разделеюш донных отложений на фракции за основу были приняты двухчленная и трехчленная классификации, основным классификационным признаком которых явилась размерность частиц осажденного материала. В результате были выделены следующие фракции: > 0,25 мм (ракуша); 0,25 - 0,01 мм («физический песок»); < 0,01 мм («физическая глина»). Такой подход был обусловлен необходимостью последующего определения ртути во фракциях и, следовательно, сведения до минимума химического воздействия на частицы донных отложений.

С целью исключения возможного взаимодействия свинца и ртути с компонентами химических веществ, применяемых при подготовке донных отложений к анализу, нами был выбран агрегатный метод, при котором пробы не подвергают ни тепловой, ни химической обработке. Что касается самого метода разделения донных отложений на фракции, то избежать применения химически активных реагентов и кипячения суспензии позволяют только два: ситовый и ариометрический. Однако последний не дает выхода фракций, поэтому выбор был сделан в пользу ситового.

Параллельно с проведением определения гранулометрического состава выявлялась природная влажность по ГОСТ 5180-75. Полученные данные использовались для пересчета веса пробы, взятой на анализ, на абсолютно сухой вес.

Определение свинца и ртути выполнено в Гидрохимическом институте с помощью метода атомной абсорбции. Разделение донных отложений на фракции и проведение минералогических исследований производилось в лабораториях Ростовского государственного университета.

Статистическая обработка результатов анализов и корреляционных зависимостей выполнена по программе Excel.

Глава 4. "Закономерности распределения гранулометрических фракций в дойных отложениях Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря".

В главе рассмотрены основные особенности пространственного распределения различных гранулометрических фракций в Таганрогском заливе и юго-восточной части Азовского моря в верхнем (0-5 см) и нижнем (5-10 см) слоях донных отложений.

Несмотря та высокую степень изученности распределения гранулометрических фракций в донных отложениях Таганрогского залива (Хрусталев, 1989, Мапшгов, 1998, Федоров, 1999 и др.) осталось еще много белых пятен, которые представляют интерес для научных исследований.

Локализация терригенного материала различной размерности в донных отложениях Азовского моря и Таганрогского залива подчиняется ряду закономерностей. Каждая фракция тяготеет к определенным морфодинамическим областям, для которых характерны наиболее оптимальные условия ее осаждения (Мамыкиш, Хрусталев, 1980).

В исследуемых водоемах основными факторами, определяющими особенности механической дифференциации донных осадков, являются: деятельность рек, климатические условия, геологическое строение водосборных площадей, геодинамические процессы, затрагивающие берега, морфология дна, гидрологический и гидрохимический режимы.

Материал донных отложений изучаемого объекта представлен в основном "физической глиной", содержание которой варьирует в широких пределах: от 0,69 до 99 % в верхнем слое и от 7 до 99 % - в нижнем слое. Ареалы ее распределения в нижнем и верхнем слоях донных отложений Таганрогского залива и юго-восточной часта Азовского моря практически совпадают.

В особенностях накопления глинистой составляющей донных отложений можно выделить следующие черты:

- участки с минимальным содержанием глинистого материала приурочены к площадям, которые характеризуются высокой скоростью волновых движений, что создает неблагоприятные условия для осаждения кластогенных частиц. Это

преддельтовые области р.Дон , береговые линии Таганрогского залива и мелководная зона Азовского моря. Дельта представляет собой область, в которой происходит перераспределение минерального вещества, поступающего с площади водосбора;

- зоны господства глинистого материала, концентрации которого достигают 94 - 99 %, расположены в западной части Таганрогского залива и в глубоководных впадинах Азовского моря, защищенных от активного волнового воздействия аккумулятивными формами. Накопление глинистого вещества в северо-западной и центральной части залива возможно связано с размывом береговых скифских глин, содержащих большое количество минеральных частиц малого размера. Не исключено влияние промышленных сточных вод, которые в значительном объеме поступают с континента. Это - агрессивные среды, способствующие дальнейшей диспергации субстрата донных отложений.

В характере распространения "физического песка" в акватории изучаемых водных объектов прослеживаются следующие тенденции:

- постоянным местом накопления песчаного материала являются устьевое взморье реки Дон (42 %), прибрежные южные зоны Таганрогского залива (52 %) и восточное мелководье Азовского моря. Это зоны наибольшей гидродинамической активности;

- в Таганрогском заливе и Азовском море с увеличением глубин наблюдается постепенное уменьшение масс частиц песчаной размерности. Донные отложения западной части эстуария и абиссальные области акватории содержат минимальное количество песчаного материала, средние значения которого не превышают 3 %;

- нижние и верхние слои донных отложений акватории моря имеют несущественные различия в содержании "физического песка".

Инверсия пространственного распределения "ракушечного материала" имеет следующую специфику:

- максимальное содержание ракушечного материала значительно отличается для залива и акватории моря. В заливе количество ракуши не превышает 58 %, она тяготеет в основном к устьевым областям р.Дон, косам

северного берега и южному прибрежью залива. Минимальные значения зафиксированы в донных отложениях северной части залива (1 - 13 %);

В распределении ракуши в пределах акватории Азовского моря, прослеживается четкая зональность, для которой характерно постепенное возрастание ее доли с запада на восток. Интервал концентраций изменяется от 3 до 80 %. Фрагментами ракуши сложены аккумулятивные формы. Этому способствует высокая продуктивность моллюсков и гидродинамический режим моря. Малое количество ракуши зафиксировано в юго-восточной части моря, где среднее ее содержание составляет 3 %.

В результате выполненных исследований нам удалось подтвердить ранее сделанные выводы о накоплении глинистого материала главным образом в центральной осевой части залива. Существенно детализированы зоны формирования донных отложений с максимальной концентрацией глинистой составляющей. Эти зоны расположены в самых глубоководных участках залива и их распространение практически идеально совпадает с рельефом дна и циркуляцией водных масс. Существенные дополнения внесены и в картину распределения содержания ракуши. Так, в Таганрогском заливе отчетливо регистрируется тренд в накоплении ракуши в направлении от северо-западного берега к юго-восточному.

Глава 5. "Эколого-геошмическне особенности распределения свинца и ртути в донных отложениях Таганрогского залива и Азовского моря".

Полученные современные данные по содержанию свинца и ртути в донных отложениях Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря позволили установить, что содержание свинца здесь изменяется в пределах 2-68 мкг/г сухого вещества, а содержание ртуги варьирует от 0,01 до 5,0 мкг/г сухого вещества. Верхний слой донных отложений в Таганрогском заливе и Азовском море содержит в среднем (на 1 - 5 мкг/г сухого вещества) свинца больше, чем нижний слон. По содержанию ртути отмечено уникальное явление - более низкие её концентрации в верхнем слое по сравнению со слоем, расположенным гипсометрически ниже. Это может быть связано со

взмучиванием верхнего слоя донных отложений и переходом части ртути в виде метилртути в водную толщу.

Наши исследования позволили рассчитать фоновые концентрации свинца и ртути для донных отложений Таганрогского залива. Природный фон определялся несколькими методами:

1) методом математической статистики всего массива данных;

2) отбором проб лессовидных суглинков и глин в их естественном залегании с последующим определением в них свинца и ртути;

3) графическим методом (построения гистограмм).

Фоновое содержание валового свинца составило 12,0 мкг/г сухого веса (с. в.), ртути - 0,13 мкг/г с.в.

На территории Таганрогского залива выделено несколько зон с повышенным содержанием свинца и ртути (табл. 1).

Первая зона расположена в северо-западной части Таганрогского залива и условно обозначена как Мариупольская. В пространственно-временном отношении это наиболее стабильная зона повышенных концентраций с достаточно обозначенными границами.

Вторая зона повышенного содержания элементов в донных отложениях Таганрогского залива приурочена к Ейской косе. Она также имеет относительно стабильный пространственный характер.

Третья проявляется в прибрежной части г.Таганрога. Однако, с течением времени границы этой области изменяются весьма ощутимо и перемещаются по всей восточной части Таганрогского залива.

Четвертая зона выделяется только в связи с повышенными концентрациями ртути. Она берет начало у Кривой косы и удаляется в прибрежную часть г.Новоазовска.

В акватории моря зоны с высоким содержанием свинца имеют значительную протяженность. В основном они расположены в глубоководной и юго-восточной части моря. Что касается ртути, то отдельные пятна повышенной ее концентрации также прослеживаются в абиссальных областях.

Таблица 1.

Превышение содержания свинца и ртути над средними годовыми значениями в донных отложениях Таганрогского залива и юго-восточной части

Азовского моря.

Зоны Свинец Ртуть

повышенных

концентраций,

год

Верхний Нижний Верхний Нижний

слои слой слой слои

Мариупольская

1995 1,5 2 3,5-4 3,5-4

1996 1,5 1,5 среднее 1,5

1997 2 2 среднее среднее

Ейская

1995 2 среднее 1,5 Среднее

1996 1,5 1,5 среднее-1,5 Среднее

1997 среднее 1,5 2 Среднее-1,5

Таганрогская

1995 1,5 1,5 Среднее 3,5-4

1996 1,5 среднее-1,5 1,5 3,5-4

1997 среднее среднее-2 1,5-2 среднее

Новоазовская

1995 1,5-4 1,5-5

1996 - - 1,5-2 среднее

1997---------------- "среднее ........4,5-5

Сопоставление распределения зон высоких концентраций свинца и ртути с наличием источников хозяйственной деятельности выявило определенную связь в локализации мест сброса стоков, содержащих СПАВ (территория г.Таганрог), бурую окалину (сливные воды металлургического комбината г.Мариуполя) и накоплением элементов.

Сравнение содержания свинца и ртути в поверхностном слое донных отложений 1991г (по данным АзНИИРХ) с результатами наших исследований

выявило возрастание содержания ртути, в то время как концентрация свинца имеет тенденцию к некоторой стабилизации.

Отмечена приуроченность повышенных концентраций ртути и метана к местам загрязнения донных отложений антропогенным органическим веществом. Экспериментальные исследования связи метаногенеза с загрязнением донных отложений свшщом и ртутью показали, что содержание свинца и ртути различным образом соотносится с содержанием метана в донных отложениях. В местах с высокой концентрацией свинца и ртути содержание метана, как правило, повышено. Между содержанием ртути и метана в сильно загрязненных донных отложениях получено уравнение корреляции вида:

(СН4) = 1,4(НЙ + 0Д где СН4 - содержание метана в мкг/г вл.ила, Н§ - содержание ртути в мкг/г с.в.

В районах с относительно более низкой антропогенной нагрузкой содержание метана и ртути, как правило, не коррелирует. Данные по содержанию метана в донных отложениях взяты го работы Ю.А. Федорова и др. ( 2000 г ). В разрезе донных отложений пик максимума свинца и ртути приходится на выделенные нами на верхний (0-5 см) и нижний (5-10 см) слои, в то время как повышенные содержания метана приурочены обычно к нижнему слою. В районах интенсивного антропогенного воздействия с увеличением глубины отбора проб донных отложений (до 60 см) имеет место резкое снижение как концентрации свинца и ртути, так и содержания метана. На участках с низкой антропогенной нагрузкой изменение содержания свинца и ртути по разрезу донных отложений проявляется относительно слабо.

Глава 6. "Гранулометрический состав и его геохимическая роль в распределении свинца и ртути в донных отложениях Таганрогского залива".

Помимо определения содержания свинца и ртути в общей пробе донных отложений, производилось также определение этих элементов в отдельных гранулометрических фракциях и органическом веществе.

Согласно полученным данным содержание свинца в глинистом материале донных отложений Таганрогского залива варьирует в достаточно широких пределах (от 5,0 до 41,0 мкг/г сухого веса) и в среднем составило 19,8 мкг/г с.в., ртути - от 0,15 до 1,4 мкг/г сухого вещества (в среднем - 0,53 мкг/г с.в.). Столь значительный разброс концентраций этих элементов указывает на то, что содержание самого глинистого материала не может служить определяющим фактором при оценке загрязненности донных отложений.

Концентрация свинца в береговых лессовидных суглинках и глинах Таганрогского залива варьировала в пределах от 3 до 18 мкг/г с.в. (в среднем 11 мкг/г с.в.), ртути - от 0,05 до 0,17 мкг/г с.в. (в среднем 0,11 мкг/г с.в.).

Области доминирования свинца и ртути в "физической глине" в основном совпадают с зонами значительного накопления глинистых частиц (> 80 %). Это крайняя западная часть залива, прилегающая к Белосарайской косе, и район г.Таганрога. В юго-восточной части Азовского моря средние значения концентраций свинца в глинистом материале составили 14 мкг/г сухого вещества.

Количество свинца в ракуше варьирует от 3 до 41 мкг/г с.в. Среднее значение концентрации составляет 8,3 мкг/г сухого вещества в отложениях Таганрогского залива и 5,0 мкг/г сухого вещества в юго-восточной части Азовского моря. Содержание ртути в ракушечном материале характеризуется крайне низкими значениями (0,02 - 0,10 мкг/г сухого вещества), в среднем составляя 0,053 мкг/г. Такой же порядок цифр наблюдается и для концентрации ртути в верхних слоях морской акватории при среднем значении 0,05 мкг/г сухого вещества.

Изменение концентраций свинца, выявленных в "физическом песке" донных отложений залива, определяется значениями 0,6 - 32 мкг/г сухого вещества. Среднее содержание в верхних слоях донных отложений составляет 16,1 мкг/г сухого вещества, в нижних слоях - 16,3 мкг/г. Количество ртути изменяется от 0,03 до 0,6 мкг/г, а средняя концентрация равна 0,15 мкг/г. В Азовском море варьирование концентраций свинца имеет менее резкий характер - от 5 до 10 мкг/г при средней концентрации - 7,5 мкг/г.

Исследованное органическое вещество донных отложений имело смешанное происхождение - автохтонное и аплохтонное. На отдельных станциях были отобраны донные отложения, содержащие нефтепродукты. Последние представлены в основном окисленными компонентами нефти - смолами и асфальтенами. Органическое вещество, в составе которого имелись наземные растительные остатки и отмерший морской планктон, содержало свинец в количествах от 6,0 до 20,0 мкг/г сухого вещества ( в среднем 12.0 мкг/г ), ртуть -0,14 до 0,24 мкг/г сухого вещества ( в среднем 0,18 мкг/г ). Окисленные компоненты нефти отличались более высоким содержанием этих металлов: свинца - от 21,0 до 29 мкг/г сухого вещества ( в среднем 23 мкг/г ), ртути - от 0,26 до 0,38 мкг/г сухого вещества ( в среднем 0,32 мкг/г ).

Ряды последовательностей, характеризующие накопление изучаемых элементов (свинец, ртуть) отдельными гранулометрическими фракциями донных отложений выглядят следующим образом:

физическая глина > органическое вещество > песчаная фракция > ракуша

Наши исследования позволили выявить существование довольно отчетливой корреляции между концентрацией свинца и ртути и количеством «физической глины» в изучаемых донных отложениях. Ранее в работе С.И. Козловой (1990) была показана прямолинейная зависимость между содержанием глинистой фракции (< 0.01 мм) и концентрацией ртути, которая свидетельствует о том, что в донных отложениях р. Дунай содержание ртути возрастает с увеличением содержания глинистой фракции. Коэффициент корреляции был очень высок - 0,9. Для сравнения этих результатов с полученными нами данными на график зависимости (% содержание "физической глины" -содержание ртути) были нанесены все результаты определений. На этом графике можно выделить три области (рис.1).

В первую область попали точки с содержанием ртути 0,01 - 0,21 мкг/г сухого вещества. Эта область определена нами, как область фоновых значений со средним содержанием ртути 0,13 мкг/г сухого вещества. Расположение точек в этой области свидетельствует о том, что при поступлении в донные отложения глинистого материала с конденсациями ртути, близкими к фоновому значению,

Физическая

Физическая глина, %

РЬ, мкг/г сух. в-ва

10 12 14 16 18 20 22 24 26 20 30

Рис. 1. Графики зависимости между содержанием фракции "физическая глина" и содержанием ртути (А), и свинца (Б) в донных отложениях Таганрогского залива.

собственно содержание глинистой фракции на накопление ртути оказывает слабое влияние.

Во второй области, пересекающейся с первой, располагаются точки, которые описываются прямой линией, проходящей субпараллельно линии, нанесенной по экспериментальным данным С.И. Козловой. Это говорит о том, что при концентрациях ртути до 0,9 мкг/г сухого веса процесс аккумуляции подчиняется прямолинейной зависимости, так как накопление ртути контролируется здесь содержанием глинистого вещества.

В третьей области расположены точки с самыми высокими концентрациями ртути и содержанием "физической глины" в донных отложениях (в пределах 80 - 100%). Линия, описывающая расположение точек, располагается субпараллельно оси абсцисс. Положение этих точек свидетельствует о том, что концентрация ртути здесь определяется главным образом поступлением ее из антропогенных источников.

На графике корреляционной зависимости, построенном в системе координат: содержание "физической глины", % - содержание свинца, мкг/г сухого веса (рис. 1), выделены две области, характеризующие процессы накопления данного элемента донными отложениями в условиях экосистемы Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря. Расположение точек первой области свидетельствует о том, что накопление свинца донными отложениями зависит от содержания в них глинистого материала. Здесь расположение фигуративных точек аппроксимируется прямой линией. Во вторую область попали пробы, в которых значение концентрации свинца в первую очередь определяется степенью загрязнения участков отбора проб донных отложений, в то время как роль "физической глины" при ее содержании 80 - 100%, становится менее существенной.

Заключение

1. Получены современные данные по содержанию свинца и ртути в донных отложениях Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря. Обнаружено, что фоновые значения концентрации ртути в донных отложениях Таганрогского залива повышены относительно других регионов земного шара. Установлено, что повышенные содержания свинца и ртути приурочены к участкам, испытывающим сильное антропогенное воздействие. В донных отложениях наблюдается в период с 1991 по 1997 г возрастание содержания ртути, в то время как концентрация свинца имеет тенденцию к некоторой стабилизации.

2. Отмечена тесная корреляционная зависимость между общим (валовым) содержанием свинца и ртути в донных отложениях и процентным содержанием "физической глины" в них. Исследование распределения концентрации этих элементов в отдельных гранулометрических фракциях показало существенное увеличение их содержания в направлении "физический песок" - ракуша -органическое вещество - "физическая глина".

3. Впервые с помощью метода атомной абсорбции исследованы содержания свинца и ртути по глубине донных отложений Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря. Показано, что в Таганрогском заливе концентрация ртути выше в нижнем слое (5 - 10 см), чем в верхнем (0 - 5 см) слое донных отложений. Обнаруженный феномен является следствием перманентного взмучивания верхнего слоя донных отложений и переходом части ртути в придонный слой воды.

4. На основании современных данных установлена склонность к аккумуляции свинца и ртути в донных отложениях Таганрогского залива, представленных преимущественно "физической глиной".

5. Впервые исследована зависимость между содержанием свинца и ртути, с одной стороны, и концентрацией метана в донных отложениях, с другой. Как правило, на участках антропогенного воздействия максимальное содержание ртути приурочено к повышенной концентрации метана, в то время как для

свинца такая связь в донных отложениях не отмечена. Это объясняется геохимическими особенностями миграции и аккумуляции свинца и ртути.

6. На основании современных и более детальных объектных исследований уточнен гранулометрический состав донных отложений Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Гранулометрический состав как возможный фактор, влияющий на распределение свинца и ртути в донных отложениях (на примере Таганрогского залива и Азовского моря) // В книге "Труды Ш Всероссийской научно-практической конференции с международным участием". Санкт-Петербург. 1998. (соавторы Федоров Ю.А., Хансиварова Н.М.).

2. Новейшие данные по распределению свинца к ртути в донных отложениях системы "река Дон - Таганрогский залив - Азовское море" // Межвузовский сборник научных трудов "Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды". Изд-во РГАСМ. Ростов-на-Дону, 1998. Вып. 2. С. 88 - 90. (соавторы Федоров Ю.А., Хансиварова Н.М., Предеина Л.М.).

3. О динамике ртутного загрязнения донных отложений Таганрогского залива по результатам экспедиционных работ // Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды. Изд-во РГАСМ. Ростов-на-Дону, 1999. Вып. 3. С. 13 - 15. (соавторы Федоров Ю.А., Хансиварова Н.М., Березан O.A.).

4. Свинец и ртуть в донных отложениях Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря // Промышленная экология. Материалы школы - семинара, выпуск 1. Ростов-на-Дону, 1998. С. 61 - 63. (соавторы Федоров Ю.А., Хансиварова Н.М., Коробкин В.И.).

5. Теоретико-экспериментальное исследование поведения свинца, ртути, метана и изотопного состава углерода гидрокарбонатов в донных отложениях нижнего течения р. Дон и Таганрогского залива П Тезисы докладов XV

симпозиума по геохимии изотопов. М.: ГЕОХИ РАН. 1998. 307с. (соавторы Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Хансиварова Н.М., Гарькуша Д.Н.).

6. Теоретические аспекты связи метаногенеза с загрязнением воды и донных отложений веществами неорганической и органической природы // Известия ВУЗ. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. 2000. № 2. С. 61 - 63 (соавторы Федоров Ю.А., Тамбиева Н.С., Гарькуша Д.Н., Хорошевская В.О.).

Содержание диссертации, кандидата географических наук, Кизицкий, Роман Михайлович

Введение.

Глава 1. Физико-географическая характеристика района исследований

1.1. Общие сведения.

1.2. Геолого-геоморфологическое строение.

1.3. Климатические и гидрологические особенности.

1.4. Основные источники поступления осадочного материала и современное осадконакопление.

1.5.Современное экологическое состояние Азовского моря и Таганрогского залива.

Глава 2. Обзор теоретико-экспериментальных исследований поведения свинца и ртути в окружающей среде.

2.1. Поступление свинца и ртути в окружающую среду.

2.2. Содержание свинца и ртути в атмосфере.

2.3. Накопление свинца и ртути в литосфере, почве, гумусовом горизонте.

2.4. Накопление свинца и ртути в биосфере, растительном и животном мире.

2.5. Содержание свинца и ртути в водных организмах.

2.6. Свинец и ртуть в водной толще, взвеси и донных осадках.

Глава 3. Методика отбора и подготовки проб в акватории водного объекта.

3.1. Обоснование частоты и интервала опробования.

3.2. Методика отбора проб донных отложений.

3.3. Обоснование метода определения гранулометрического состава донных отложений.

3.4. Определение гранулометрического состава донных отложений ситовым методом.

3.5. Классификация размеров твердых частиц осадочных пород.

3.6.Теоретико-экспериментальное обоснование подготовки проб донных отложений к определению в них свинца и ртути.

3.7. Оценка фоновых значений.

Глава 4. Закономерности распределения гранулометрических фракций в донных отложениях Таганрогского залива и Юго-Восточной части Азовского моря.

4.1. Распределение фракции "физическая глина".

4.2. Распределение фракции "физический песок".

4.3. Распределение ракушечного материала.

Глава 5. Эколого-геохимические особенности распределения свинца и ртути в донных отложениях Таганрогского залива и Азовского моря.

5.1. Распределение содержания свинца в донных отложениях.

5.2. Распределение содержания ртути в донных отложениях.

5.3. Временная динамика содержания свинца и ртути в верхнем слое донных отложений и причины ее вызывающие.

5.4. Геохимические особенности поведения свинца, ртути и метана в системе "вода - донные отложения".

5.5. Гидрологические особенности Таганрогского залива и их влияние на рассеивание свинца и ртути.

Глава 6. Гранулометрический состав и его геохимическая роль в распределении свинца и ртути в донных отложениях

Таганрогского залива.

6.1. Распределение свинца в основных гранулометрических фракциях и органическом веществе.

6.1.1. Распределение свинца во фракции "физическая глина".

6.1.2. Распределение свинца во фракции "физический песок".

6.1.3. Распределение свинца в ракушечном материале.

6.1 ^.Распределение свинца в органическом веществе и нефтепродуктах.

6.2. Распределение ртути в основных гранулометрических фракциях и органическом веществе.

6.2.1. Распределение ртути во фракции "физическая глина".

6.2.2. Распределение ртути во фракции "физический песок".

6.2.3. Распределение ртути в ракушечном материале.

6.2.4. Распределение ртути в органическом веществе и нефтепродуктах.

Введение Диссертация по географии, на тему "Эколого-геохимические особенности распределения свинца и ртути в донных отложениях"

Работа подводит итог теоретико-экспериментальным исследованиям, выполненным автором во время обучения в аспирантуре Ростовского госуниверситета на кафедре геоэкологии и прикладной геохимии.

Актуальность темы. В настоящее время загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) приобрело глобальный характер. Среди тяжелых металлов свинец и ртуть являются приоритетными. Их негативное воздействие на животные и растительные организмы, а также основные источники и пути поступления в водоемы и водотоки Земного шара, общие закономерности накопления и рассеивания хорошо изучены. Тем не менее, в связи с разнообразием климатических, гидрологических, литологических и антропогенных условий каждый из водных объектов характеризуется своей структурой загрязнения, динамикой поступления загрязняющих веществ и геохимическими особенностями аккумуляции и рассеивания тяжелых металлов (ТМ). Большую актуальность имеет изучение геохимических особенностей свинца и ртути в устьевых участках рек и зоне смешения "река -море". Таганрогский залив может выполнять функции как фильтра, так и барьера, пропускающего или задерживающего тяжелые металлы на пути транзита из р. Дон в Азовское море. В барьерных зонах смешения "река -море" происходит трансформация минерального и органического вещества, которая сопровождается изменением различных форм миграции свинца и ртути в воде. Значительная часть свинца и ртути фиксируется во взвеси и затем переходит в донные отложения. В свою очередь верхний слой последних, вследствие изменения гидродинамических и физико-химических условий среды, что весьма характерно для Таганрогского залива, способен вновь перейти в придонную воду и вызвать вторичное загрязнение. Таким образом, геохимическия роль донных отложений двояка, поскольку они могут как сорбировать свинец и ртуть и, следовательно, способствовать самоочищению воды от этих элементов, так и десорбировать их, тем самым ухудшая качество воды.

Несмотря на выполненные ранее геохимические исследования донных отложений Таганрогского залива и Азовского моря до настоящего времени отсутствовали работы, посвященные изучению распределения свинца и ртути в отдельных гранулометрических фракциях и органическом веществе, а также по разрезу донных отложений и всей акватории залива.

Цель и задачи работы. Целью работы является исследование эколого-геохимических особенностей накопления свинца и ртути в донных отложениях Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря по площади и глубине. Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1. Произвести детальные исследования общего содержания свинца и ртути в донных отложениях Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря и закономерности их распределения.

2. Исследовать пространственно-временную динамику загрязнения донных отложений свинцом и ртутью и её связь с природными и антропогенными факторами и процессами.

3. Выявить зоны повышенных концентраций свинца и ртути в донных отложениях Таганрогского залива.

4. Изучить общее содержание свинца и ртути в различных гранулометрических фракциях и их влияние на распределение содержания этих элементов в донных отложениях.

5. Выявить геохимические особенности распределения свинца и ртути по разрезу донных отложений, изучить взаимосвязи их концентраций с содержанием метана.

6. Определить природный геохимический фон содержания свинца и ртути в донных отложениях Таганрогского залива.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые изучены особенности распределения свинца и ртути по глубине донных отложений Таганрогского залива.

2. Получены данные о пространственно-временной динамике содержания свинца и ртути в донных отложениях.

3. Исследованы зависимости между содержанием свинца и ртути, с одной стороны, и содержанием "физической глины", "физического песка" и "ракушечного материала" в донных отложениях, с другой, а также между концентрациями этих элементов.

4. Установлен факт обеднения ртутью верхнего слоя донных отложений по отношению к слою, расположенному гипсометрически ниже, и предложен механизм, объясняющий это явление.

5. Впервые выявлены закономерности изменения содержания свинца и ртути в "физической глине", "физическом песке" и "ракуше".

Фактический материал. Для достижения цели и поставленных задач были проведены в период с 1995 по 1998 гг. четыре комплексные экспедиции. Камеральная обработка и аналитические определения производились при финансовой поддержке РФФИ (проекты №№ 00-15-98603, 00-05-65128).

Пробы отбирались с борта судна "Гидрофизик" с помощью трубки конструкции Государственного океанографического института, в основном на станциях сети Росгидромета (Донская устьевая станция).

Содержание свинца и ртути определялось в поверхностном (глубина 05 см) и приповерхностном (5-10 см) слоях донных отложений. На отдельных реперных станциях (порт Таганрог и центральная часть залива) было изучено содержание ртути по разрезу донных отложений на глубину более 60 см. Из центральной части керна донных отложений каждой литологической разности производился отбор проб для гранулометрического и атомно-абсорбционного анализов. Всего было произведено 323 анализа на содержание свинца и ртути. Шестьдесят три пробы были разделены на гранулометрические фракции: «физическую глину», «физический песок», «ракушечный материал» и органическое вещество. В выделенных фракциях сделано 37 анализов для определения концентрации в них свинца и ртути. В некоторых колонках донных осадков, количество которых составило более 30, выполнены определения содержания метана.

Определения содержания свинца и ртути были проведены в Гидрохимическом институте методом атомной абсорбции. Все виды экспериментальных исследований, включая отбор и подготовку проб, разделение донных отложений на фракции, математический анализ полученных данных выполнены лично автором или при его непосредственном участии.

При обработке и оформлении фактического материала были использованы программы: "Word 7.0", "Excel 97" и "CorelDRAW 9".

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Всероссийской школе-семинаре «Промышленная Экология» (Ростов-на-Дону, Абрау-Дюрсо, 1998 г.), третьей Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Санкт-Петербург, 1998 г.), 15 юбилейном симпозиуме по геохимии изотопов (Москва, 1998 г.), на совместном заседании сотрудников нескольких лабораторий Гидрохимического института и геолого-географического факультета РГУ, кафедре геоэкологии и прикладной геохимии геолого9 географического факультета РГУ, кафедре экологии и природопользования биолого-почвенного факультета РГУ.

По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Практическая значимость. Выполненные исследования имеют природоохранное значение, поскольку они направлены на совершенствование системы мониторинга и контроля качества воды Таганрогского залива и Азовского моря, как уникальных природных и хозяйственных объектов. Материалы работы используются в лаборатории изотопного мониторинга качества вод Гидрохимического института при разработке рекомендаций.

Заключение Диссертация по теме "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Кизицкий, Роман Михайлович

Заключение

1. Получены современные данные по содержанию свинца и ртути в донных отложениях Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря. Пространственно-временное распределение изучаемых элементов варьирует в широких пределах (2 - 68 мкг/г и 0,01 - 5,0 мкг/г сухого вещества, соответственно). Установлены величины фоновых значений содержания свинца ( 12,0 мкг/г с.в.) и ртути ( 0,13 мкг/г с.в.) в донных отложениях исследуемого объекта. При этом отмечено, что фоновые значения концентрации ртути в донных отложениях Таганрогского залива повышены относительно других регионов земного шара.

Повышенные концентрации изучаемых элементов в осадках Таганрогского залива и Азовского моря приурочены главным образом к районам с сильной антропогенной нагрузкой (городские агломерации, порты, свалки грунтов и сброса сточных вод), что свидетельствует о сохранении здесь напряженной экологической обстановки. По свинцу на акватории Таганрогского залива выделены три зоны его повышенных концентраций: Мариупольская, Таганрогская и Ейская, а по содержанию ртути, кроме вышеперечисленных, выделена также Новоазовская зона. Мариупольская зона повышенных концентраций является наиболее стабильной в пространственно-временном отношении, с достаточно обозначенными границами. Наиболее лабильной является Таганрогская зона. Она не имеет четко обозначенных пространственных границ, с течением времени границы этой области изменяются весьма ощутимо и перемещаются по всей восточной части Таганрогского залива.

Сопоставление полученных нами данных по содержанию свинца и ртути в верхнем слое донных отложений с данными АзНИИРХа выявило, что в период с 1991 по 1997 гг. наблюдается возрастание содержания ртути.

Концентрация свинца в этот же промежуток времени варьирует незначительно и имеет тенденцию к некоторой стабилизации.

2. Исследование распределения концентрации изучаемых элементов в отдельных гранулометрических фракциях показало существенное увеличение их содержания в направлении ракуша - "физический песок" - органическое вещество - "физическая глина". Отмечена тесная корреляционная зависимость между общим (валовым) содержанием свинца и ртути в донных отложениях и процентным содержанием "физической глины" в них. Существования корреляции между концентрацией этих элементов и содержанием в донных отложениях "физического песка" и ракушечного материала не выявлено.

3. Впервые с помощью метода атомной абсорбции исследованы содержания свинца и ртути по глубине донных отложений Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря. Показано, что в Таганрогском заливе концентрация ртути выше в нижнем слое (5-10 см), чем в верхнем (0 -5 см) слое донных отложений. Обнаруженный феномен является следствием перманентного взмучивания верхнего слоя донных отложений и переходом части ртути в придонный слой воды.

4. На основании современных данных установлена склонность к аккумуляции свинца и ртути в донных отложениях Таганрогского залива, представленных преимущественно "физической глиной". Несмотря на ярко выраженную приуроченность зон повышенных концентраций исследуемых элементов к основным источникам поступления антропогенного загрязнения, распределение этих зон по акватории изучаемого объекта находится в тесной взаимосвязи с распределением в донных отложениях глинистого материала.

5. Впервые исследована зависимость между содержанием свинца и ртути, с одной стороны, и концентрацией метана в донных отложениях, с другой. Как правило, на участках антропогенного воздействия максимальное содержание ртути приурочено к повышенной концентрации метана, в то

174 время как для свинца такая связь в донных отложениях не отмечена. Это объясняется геохимическими особенностями миграции и аккумуляции свинца и ртути.

6. На основании современных и более детальных объектных исследований уточнен гранулометрический состав донных отложений Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря.

Материал донных отложений изучаемого региона представлен в основном глинистой фракцией, содержание которой варьирует в широких пределах: от 0,69 до 99 % в верхнем слое и от 7 до 99 % в нижнем слое. Участки с минимальным содержанием глинистого материала приурочены к районам, которые характеризуются высокой скоростью волновых движений. Это преддельтовые области р.Дон и р.Кубань, береговые линии Таганрогского залива и мелководная зона Азовского моря. Зоны господства глинистого материала, концентрации которого достигают 94 - 99 %, расположены в западной части Таганрогского залива и в глубоководных участках Азовского моря, защищенных от активного волнового воздействия аккумулятивными формами.

Библиография Диссертация по географии, кандидата географических наук, Кизицкий, Роман Михайлович, Ростов-на-Дону

1. Александров А.Н. Донные отложения Азовского моря // Океанология. Т. 1.. Вып. 5. 1964. - С. 856 - 865.

2. Александрова Л.Н. Органическое вещество почвы и процессы его трансформации. Л.: Наука. Ленингр. отд-ние, 1989. 288 с.

3. Безруков П.Л., Лисицын А.П. Классификация осадков современных морских водоемов // Тр. ИО АН СССР. Т. 32, 1960. С. 3-15.

4. Бронфман A.M. Формирование и антропогенные изменения стока взвешенных наносов Азовского моря // Географические аспекты изучения гидрологии и гидрохимии Азовского бассейна. Л., 1981. - С. 43 - 57.

5. Бронфман A.M., Хлебников Е.П. Азовское море. Основы реконструкции. Л., 1985. - 270 с.

6. Булавко Г.И., Наплекова H.H. Влияние свинца на микрофлору дерново-подзолистой почвы и чернозема выщелоченного.// Изв. СО АН СССР. Сер. Биол. Наук. 1984. N 18/3. С. 36 - 39.

7. Булавко Г.И. Влияние различных соединений свинца на почвенную микрофлору. Изв. Сиб. Отд. АН СССР, вып 1, Сер. Биол., 1982. N5. С.79-86.

8. Варшал Г.М., Кощеева И.Я и др. Комплексообразование ртути с гумусовыми кислотами как важнейший этап цикла ртути в биосфере // Геохимия, №3, 1999. С. 269 - 275.

9. Варшал Г.М., Велюханова Т.К., Баранова H.H.// Взаимодействие золота с гумусовыми веществами природных вод, почв и пород (геохимический и аналитический аспект) // Геохимия. 1990. N 3. С. 316-327.

10. Варшал Г.М., Велюханова Т.К., Кощеева И.Я. // Гуминовые вещества в биосфере. М.: Наука, 1993. С.97-117.

11. Варшал Г.М., Велкжанова Т.К., Кощеева И.Я. и др. // Изучение химических форм элементов в поверхностных водах // Журн. Аналит. Химии, 1983. Т. 38. N9. С. 1590-1600.

12. Варшал Г.М., Велюханова Т.К., Кощеева И.Я. и др. // Химические формы элементов в объектах окружающей среды и методы их определения // Известия ТСХА, 1992. N 3. С. 157-170.

13. Варшал Г.М. Формы миграции фульвокислот и металлов в природных водах. Автореферат дисс. доктор хим наук. М.: ГЕОХИ РАН, 1994.65 с.

14. Волков И.И. Аэробно-анаэробный диагенез осадков на границе вода-дно // Тезисы доклада VI Всесоюзной школы морской геологии. М., 1984, T.I.

15. Временные методические рекомендации по контролю загрязнения почв (под ред. Малахова С.Г.) // Гос. Комитет СССР гидрометеорологии и контролю природной среды. Институт экспериментальной метеорологии. М. Гидрометеоиздат 1983.

16. Гидрологические условия шельфовой зоны морей СССР. Т.З. Азовское море. J1.: Гидрометеоиздат, 1986. - 196 с.

17. Гидрометеорология и гидрохимия морей СССР. Т. V. Азовское море. Санкт-Петербург: Гидрометеоиздат, 1991. - 236 с.

18. ГОСТ 12536-79. Определение гранулометрического (зернового) и микроагрегатного состава грунтов.

19. Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий. JL: Изд-во Ленинградского университета, 1989. 248 с.

20. Добровольский В. В. Биосферные циклы тяжелых металлов и регуляторная роль почвы // Почвоведение. 1997. N 4. С. 431 - 441.

21. Душаускене-Дуж Р.Ф., Лутаускас А.Ю. Синец-210 в почвах как естественный фактор обитания микроорганизмов // Микробиологическиеапроцессы в почвах и урожайность сельскохозяйственных культур. Вильнюс, 1978.-С.104- 105.

22. Журавлева Л.А., Линник П.Н. Факторы формирования экстремальных ситуаций в гидрохимиечском режиме Днепровско-Бугского лимана // Гидробиол. Журнал. 1989. - 25, N3. - С. 69 - 73.

23. Ивлиева О.В. Техногенная седиментация Таганрогского залива (Азовское море) // Автореф. дисс. . к.г.н. Ростов-на-Дону, 1997. - 23 с.

24. Ильин В.Б. Тяжелые металлы в системе почва растение. Новосибирск: Наука. Сиб. Отд-ние, 1991. - 151 с.

25. Исидоров В.А. Органическая химия атмосферы. Л.: Химия, 1985.246 с.

26. Кизильштейн Л.Я. Геохимия тяжелых металлов в углях: экологический аспект // Геохимия, №8, 1998. С. 848 - 853.

27. Клевенская И.Л. Влияние тяжелых металлов (Cd, Zn, Pb) на биологическую активность почв и процесс азотфиксации // Микробоценозы почв при антропогенном воздействии Новосибирск: Наука, 1985. С. 73-93.

28. Козлова С.И. Трансформация форм ртути и процессы ее миграции в экосистемах килийской дельты р. Дунай и устьевого взморья / Диссертация на соискание звания к.г.н. / Ростов-на-Дону, 1990. 200 с.

29. Колесников С.И. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на биологическую активность черноземов обыкновенных Северного Приазовья и Западного Предкавказья / Диссертация на соискание ученой степени к.г.н. / Ростов-на-Дону, 1998. 208 с.

30. Кононова М.М. Органическое вещество почвы. Его природа, свойства, методы изучения // М.: Изд-во АН СССР, 1963. 314 с.

31. Линник П.Н., Набиванец Б.И. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах // Л.: Гидрометеоиздат, 1986. - 270 с.

32. Линник П.Н. Сосуществующие формы тяжелых металлов в природных водах и сравнительная оценка их токсичности для гидробионтов. Киев, 1986. 40 с. - Рукопись деп. В ВИНИТИ, N 7633-886.

33. Ломтадзе В.Д. методы лабораторных исследований физико-механических свойств песчаных и глинистых грунтов //М. Государственное изд-во геологической литературы, 1952. 233 с.

34. Маловицкий Я.П. Тектоника и история геологического развития Азовского моря // Молодые платформы, их тектоника и перспективы нефтегазоносности. М.: Наука, 1965. - С. 163- 172.

35. Мамыкина В.А., Хрусталев Ю.П. Береговая зона Азовского моря. -Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 1980. 172 с.

36. Мур Дж.В., Рамамурти С. Тяжелые металлы в природных водах // Контроль и оценка влияния. М.: Мир, 1987. - 286 с.

37. Набиванец Ю.Б., Линник П.Н., Калабина Л.В. Кинетические методы анализа природных вод // Киев: Наук. Думка, 1981.-138с.

38. Набиванец Ю.Б Содержание и формы существования свинца и цинка в воде водоемов Северо-Западного Причерноморья. Диссертация на соискание .уч. степ. канд. Географич. Наук // Киев. 1991. 188 с.

39. Орлов Д.С. Химия почв. М.: Изд-во МГУ. 1985. 376 с.

40. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации // М.: Изд-во МГУ. 1990. 325 с.

41. Перельман А.И. Геохимия. М.:Высшая школа, 1989. С. 86.

42. Петрухин В.А., Андрианова Г.А., Бурцева Л.В. и др. Фоновое содержание свинца, ртути, мышьяка и кадмия в природных средах (по мировым данным). Сообщение 3 // Мониторинг фонового загрязнения природных сред. JT.: Гидрометеоиздат, 1986. - С. 3 - 27.

43. Практическое руководство ГСМОС/ ВОДА // Издание третье. (1992) // Центр международных проектов. Москва, 1994. - 299 с.

44. Приклонский В.А. Грунтоведение. Часть 1 // М.: Государственное научно-техническое издательство литературы по геологии и охране недр, 1955,- 430 с.

45. Рабинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник // Изд-во "Химия" Ленинградское отделение. 1978. С. 93-96.

46. Сауков А. А. Геохимия. М.: Наука, 1966. - 336 с.

47. Серебровская К.Б. Возможная роль абиогенной нефти в возникновении жизни на Земле // Журнал всесоюзного химического общества им Д.И. Менделеева, 1986, т. XXXI, №5. С. 512 - 517.

48. Симов В.Г. Гидрология устьев рек Азовского моря. М.: Гидрометеоиздат, 1989. - 328 с.

49. Современное развитие эстуарных экосистем на примере Азовского моря // Коллектив авторов. Аппатиты, 1999. 366 с.

50. Федоров Ю.А., Коробкин В.И., Хансиварова Н.М., Кизицкий P.M. Свинец и ртуть в донных отложениях Таганрогского залива и юго-восточной части Азовского моря // Промышленная экология. Материалы школы -семинара, выпуск 1. Ростов-на-Дону, 1998. С. 61 63.

51. Федоров Ю.А. Стабильные изотопы и эволюция гидросферы // ИСТИНА, 1999. 367 с.

52. Филонов В.А., Батдиев О.С. О формах миграции тяжелых металлов в зоне смешения речных и морских вод // Вестник МГУ, Геол. 1985. - N 3. -С. 41-44.

53. Хансиварова Н.М. Инженерно-геоэкологические особенности воздействия техногенеза на геологическую среду урбанизированных территорий (на примере г. Ростова-на-Дону) / Диссертация на соискание ученой степени к.г.-м.н. / Ростов-на-Дону, 1995. 158 с.

54. Хрусталев Ю.П., Щербаков Д.А. Позднечетвертичные отложения Азовского моря и условия их накопления. Ростов-на-Дону: Изд-во РГУ, 1974. - 148 с.

55. Хрусталев Ю.П., Ганичева J1.3., Клунникова J1.3., Мирзоян И.А. Количественное распределение и основные типы взвеси Азовского моря // Лавинная седиментация в океане. Ростов-на-Дону, 1982. - С. 95 - 118.

56. Хрусталев Ю.П., Ивлиева О.В. Проблемы антропогенной морской седиментологии (на примере Азовского моря). Ростов-на-Дону: Изд-во "Гефест", 1999. 196 с.

57. Хрусталев Ю.П. Закономерности осадконакопления во внутриконтинентальных морях аридной зоны // Л.: "Наука" ленинградское отделение, 1989. 260 с.

58. Цыцарин А.Г., Лобов А.Л. О формировании солевых барьеров в Азовском, Каспийском и Аральском морях // Метеорология и гидрология. №1, 1995.

59. Черкашина И.Ф. Особенности распределения тяжелых металлов в почвах и растениях поймы нижнего течения реки Дон и ее дельты // Диссертация на соискание ученой степени к.г.н. / Ростов-на-Дону, 1999. -128 с

60. Штоков Е.Ф., Орловский Г.Н., Усенко В.П. и др. Геология Азовского моря. Киев, 1974. 246 с.

61. Явлошевский А.Л., Евстифеев М.М., Багдасаров К.Н. Определение миграционных форм токсичных тяжелых металлов в водах региона производственного объединения «Атоммаш» // Изв. Сев-Кавк. Науч центра высш. Шк. Естеств. Наук. 1985. - N 2. - С. 42-44.

62. Akiyama A. Acute toxicity of two organic mercury compounds to the teleost, Oryzias latipes in different stages of development // Bulletin of the Japanese Society of Scientific Fisheries 36: 1970. P. 563 - 570.

63. Bryan G.W. Some aspect of heavy metal tolerance in aquatic organisms. In: A.P.M. Lockwood (Ed ), Effects of pollutants on aquatic organisms // Cambridge University Press, Cambridge, 1976. P. 7 - 34

64. Campbell J.H., Evans R.D. Inorganic and organic ligand binding of lead and cadmimum and resaltant implication for bioavailbility // Sci. Tot. Envir. 1987. -62. - P. 219 -227.

65. Cox, J.A., J. Carnahan, J. DiNunzio, J. McCoy, and J. Meister. 1979. Sourse of mercury in fish in new impoundments. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology 23: 779-783.

66. Crag P.J., Barlett R.D. The role of hydrogen sulphide in environmental transport of mercury // Nature. London, 1978. № 275. P. 635 - 637.

67. Florence T.M., Batley G.E. Chemical speciation in natural waters // CRC Critical Rev. Anal. Chem. 1980. - 2, N 3. - P. 219 - 296.

68. Forstner, U., Wittmann, G.T.W. Metal Pollution in the Aquatic Enviroment, Berlin, Heidelber, New York. Springer Verlag, 1979. 400 p.

69. Horvat M. Mercury analisis and speciation in environmental samples // Regional and Global Mercury Cycles: Fluxes and Mass. Balances. / Eds. Bayens W., Ebinghaus R. & Vasiliev 0. Dordrecht, The Netherlands: Kluwer Academic Publishers. 1996. P. 377 -388.

70. Johnson, D.L., Braman. S.R. Distribution of atmospheric mercury species near ground. Environmental Science and Technology 8: 1974. P. 1003 - 1009.

71. Kralik M., Sager M., Novotny M., Rank D. Heavy metals is sediments of the river Dunube east of Vienna // Ibid. P. 255 - 257.

72. Kudo, A., and J.S. Hart. 1974. Uptake of inorganic mercury by bed sediments. Jornal of Environmental Quality 3: 273-278

73. Lantzy R.J., Mackenzie F.M. Atmospheric trace metals: global cycles and assessment of man's impact // Geochim. Cosmochim. Acta. V. 43., № 4, 1979. -P. 511 - 525.

74. Martin, J.M. and Meybeck, M. Elemental Mass-Balance of Material Carried by Major Word Rivers. Mar. Chem., 7, 1979. P. 173-206.

75. Miller D.K., Buchanan J.M. Atmospheric transport of mercury // Report Series, Monitoring and Assessment Research Centre, Chelsea, University of London, 1979.-42 p.

76. Mudroch Alena, Duncan George A. Distribution of metals in different size fraction of sediments from the Niagara river // J/Great Lakes Res. 1986. - 12, N2. -P. 117-126.

77. Myllymaa U., Murtoniemi S. Metals and nutrients in the sediments of small lakes in Kuusamo, north-eastern Finland // Vesientutkimus-laitok. 1986. -№69. - P. 33 - 48.

78. Nriagu J.O. Global inventory of natural and anthropogenic emission of trace metals to the atmosphere // Nature 279, 1979. P. 409 - 411.

79. Prabhu N.V., Hamdy M.K. Behavior of mercury in biosystems 1. Uptake and concentration in food chain // Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology 18: 1977. P. 409 - 417.

80. Provini A., Gaggino G.F. Depth profiles of Cu, Cr and Zn in Lake Orta sediments (Northern Italy) // Sediments and Water Interact. Proc. 3d Int. Symp. Interact. Between Sediments and Water. Geneva, Aug. 27 31, 1984. - New York e.a., 1986.-P.167-174.

81. Ramamoorthy S., Rust B.R. Heavy metall exchange processes in sediment-water system // Environmental Geology 2, 1978. P. 165 - 172.

82. Ramamoorthy S., Massalski A. Analysis of structure-localized mercury in Ottawa River sediments by scanning electron microscopy/energy-dispersive X-ray microanalysis technique // Environmental Geology 2: 1979. P. 351 - 357.

83. Ramamoorthy S., Rust. B.R. Mercury sorption and desorption characteristics of some Ottawa River sediments // Canadian Journal of Earth Science 13: 1976. -P. 530 536.

84. Reimers R.S., Krenkel P.A. Kinetics of mercury adsorption and desorption in sediment // Journal Water Pollution Control Federation 46: 1974. P. 352-365.

85. Span Daniel, Flaten Gilles, Feraex Francais, Added Ayed. Comportement du Plomb du Cadmium, et du Mercure an large de 1,embouchure du Rhone // 7 Jornees etud. Pollut. Mar. Meterranee, Lucerne, 11-13 oct. 1984. Lucerne, 1985. - s.l - P. 187 -195.

86. Strohal P., Huljev D. Investigation of mercury-pollutant interaction with humic acids by means of radiotracers // Proc. Symp. Nucl. Tech. Environ. Pollut. Publ. IEAE Vienna. 1970. P. 439 446.

87. Turekian K.K., Wedepohl K.H. Distribution of the Elements in some Majior Units of the earths Crust, Bull. Geol. Soc. Amer., 72, 1961. P. 175 - 192.

88. Tyler G., Mornsjob B., Effects of cadmium, lead, and sodium on nitrification in mull soil. Plant and Soil., 1974. V. 40. N1. P. 237-242185

89. Vymazal J/ Occurence and chemistry of zinc in freshwaters its toxicity and bioaccumulation with respect to algae. A Review. Part 1: Occurence chemistry of zinc in freshwaters // Acta Hydrochim. et Hydrobiol. - 1985. -13, N6. - P. 627 -654.

90. Wachs B. Ökologisches Verhalten umweltrelevanter Schwermetalle in Fliessgewassern und nutrungsorientierte Bewertung der Belastungen // Munch. Beitr. Abwass. Fisch - und Flussbiol. - 1986. - 40. - P. 426 - 460.

91. Watson W.D., Jr. Economic cosiderations in controlling mercury pollution // The biogeochemistry of mercury in the environment // Elsevier-North-Holland Biomedical Press, Amsterdam, 1979. P. 41 - 73.