Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Геохимические барьеры краевой зоны болота Белорусского Полесья и концентрация на них 137 Cs

ВАК РФ 11.00.01, Физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Страх, Людмила Ивановна, Москва

ц ц

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. М.В.Ломоносова

ГЕОГРАФИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Страх Людмила Ивановна

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ КРАЕВОЙ ЗОНЫ БОЛОТА БЕЛОРУССКОГО ПОЛЕСЬЯ И КОНЦЕНТРАЦИЯ НА НИХЦЕЗИЯ-137

11.00.01 - физическая география, геофизика и геохимия ландшафтов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научные руководители

доктор геолого-минералогических наук, профессор, академик РАЕН

А.И.Перельман

канд. физико-математических наук В.А.Кнатько

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение.................................................................................................................3

Глава 1. Физико - географическая характеристика Мозырского Полесья

и его ландшафтно - геохимические особенности..................................8

Глава 2. Методика исследований.........................................................................16

2.1. Полевые исследования..................................................................................16

2.2. Лабораторные исследования.........................................................................18

2.3. Геохимическая обработка данных................................................................20

Глава 3. Элементарные ландшафты катены

и ее ландшафтно-геохимическая структура..........................................24

3.1. Характеристика элементарных ландшафтов катены...................................24

3.2. Анализ ландшафтно-геохимической структуры катены.............................28

Глава 4. Геохимические барьеры ландшафтно-геохимического

профиля «Белое Болото».....................................................................................39

4.1. Распределение химических элементов в верхних почвенных горизонтах катены. Почвенно-геохимические барьеры....................................39

4.2. Особенности распределения элементов в наземном покрове катены. Биогеохимический фитоценотический барьер поглощения..............................49

4.3. Барьерная геосистема. Барьерная геохимическая инверсия.......................61

Глава 5. Геохимия 137Сз и его миграция в ландшафтах

(литературный обзор)..........................................................................................90

5.1. Некоторые геохимические особенности 133С$55 и 137Сз..............................90

5.2. Распределение в ландшафтах радиоцезия из глобальных

и чернобыльских выпадений...............................................................91

Глава 6. Распределение 137Сз по катене и его концентрация

на геохимических барьерах.................................................................110

Выводы...............................................................................................................130

Литература..........................................................................................................133

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Изучение миграции радионуклидов приобрело исключительную актуальность в связи с проблемой радиоактивного загрязнения биосферы. Даже незначительные концентрации техногенных радионуклидов создают огромную радиационную нагрузку на все живое. Это то, что В.И. Вернадский охарактеризовал как огромные эффекты ничтожных масс.

После Чернобыльской аварии были сформированы ореолы, различающиеся по концентрации и физико-химическим формам радиоактивных выпадений. "Геоэкологическая ситуация на земной поверхности зависит не только от особенностей источника загрязнения..., но и от ландшафтно-геохимических условий территории - особенностей миграции элементов загрязнителей и их концентрирования на геохимических барьерах" (Перельман и др., 1997, с. 137). По мере вовлечения в миграционные процессы, радионуклиды перераспределяются в соответствии с пространственной дифференциацией ландшафтов. Формируются области выноса, транзита и аккумуляции. Особый интерес представляют области аккумуляции радионуклидов, локализующие радиоактивное загрязнение.

Работа выполнена в 1993-1997 гг. в рамках Государственной программы по преодолению в Республике Беларусь последствий катастрофы на Чернобыльской АЭС в Институте радиобиологии Национальной Академии Наук Беларуси во время обучения в заочной аспирантуре на кафедре геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ. Исследования проводились в Мозырском Полесье. Выбор данного региона обусловлен загрязненностью Полесской ландшафтной провинции техногенными радионуклидами, выпавшими после аварии на ЧАЭС. Структурной особенностью полесского типа ландшафтов является высокая доля болотных комплексов и широкое распространение в Полесье краевых зон болот, обнаруживающих свойства геохимических барьеров. Относительно невысокая плотность поверхностных выпадений (5-10 Ки 137Сз на км2) позволяет широко экстраполировать полученные результаты, т.к. сходные природно-антропогенные комплексы занимают значительную часть Полесья.

Цель и задачи исследования. Целью работы является выделение геохимических барьеров в краевой зоне болота и изучение особенностей

концентрации 137С8 на геохимических барьерах. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1) детальная ландшафтно-геохимическая характеристика катены и анализ ее структуры;

2 ) сопряженный анализ распределения химических элементов по катене; 3) выделение геохимических барьеров в соответствии с классификацией А.И.Перельмана (1989);

4 ) изучение распределения 137Сз между компонентами ландшафта;

5 ) исследование концентрации шСэ на геохимических барьерах.

Объект, предмет и методы исследования. В работе исследуются ландшафтно - геохимические особенности геосистемы, типичной для Мозырского Полесья, и поведение в ее пределах 137Сз. С использованием метода ландшафтно-геохимического профилирования, позволяющего изучать сопряженные ландшафтные комплексы и их границы - области наиболее вероятного распространения геохимических барьеров - заложена катена, структурно-функциональные части которой охарактеризованы 10 точками комплексного описания (далее - точками). С помощью метода сопряженного анализа рассматривается распределение химических элементов (в том числе -137С§) в компонентах ландшафта (почва, наземный покров, воды), наиболее детально - в краевой зоне болота, выполняется выделение геохимических барьеров.

Катена протяженностью около 30 м, заложенная в краевой зоне переходного болота, проходит от местного водораздела - вершины песчаного холма - к днищу замкнутого заболоченного понижения и охарактеризована десятью точками комплексного описания (далее - точками). Они характеризуют 5 элементарных ландшафтов по классификации Б.Б.Полынова (1953), М.А.Глазовской (1964), А.И. Перельмана (1975): три - в пределах песчаного холма, один - в краевой зоне болота, один - в болотном комплексе. Элювиальный комплекс песчаного холма Н -класса (т.445) с сосняком лишайниково - моховым на дерново-подзоле песчаном иллювиально-железистом, трансэлювиальный комплекс Н - класса (т.446) с сосново-березовым зеленомошным лесом на дерново-подзоле песчаном иллювиально - железистом, трансаккумулятивный комплекс Н - класса (т.447) с березовым кустарничковым зеленомошным лесом на дерново-подзолисто-глеевой иллювиально - гумусовой песчаной почве. Краевая зона болота (т.т. 448-449)

шириной около 4 м представляет собой транссупераквальный комплекс Н - Н-Бе -класса с сосново - березовым кустарничковым орляковым плауновым зеленомошно-долгомошным лесом на торфяно - перегнойно - подзолисто - глеевой иллювиально - гумусовой почве. В болоте выделен супераквальный комплекс Н-Бе - класса ситниково - осоково - мохового болота на торфянисто (перегнойно) - подзолисто -глеевой иллювиально - гумусовой почве (охарактеризован т.т. 450-454).

В ходе исследований (в 1993 и 95 гг. - в октябре, в 1994 и 97 гг. - в июне) на точках профиля отбирались образцы почвы, наземного покрова, пробы воды (грунтовых (в т.т. 447,448) и поверхностных). Всего было отобрано 573 образца, из них почв - 448, наземного покрова (он делился на фитомассу, мох, опад) - 77, воды -8. Образцы почвы и наземного покрова подвергались гамма - спектрометрическому (содержание ШС5), рентгенофлуоресцентному спектральному (валовое содержание 20 химических элементов) и общему химическому (рН, содержание Сорг.) анализам; в пробах воды определялся количественный и качественный состав катионов и анионов, минерализация и др.

Научная новизна. В работе рассматривается малоисследованный аспект

137

геохимии Се - миграция радионуклида на границе природных комплексов. Предпринята попытка проанализировать особенности пространственного распределения 137Сз с учетом ландшафтно - геохимических особенностей геосистемы, установить способность шСз концентрироваться в ландшафтах, выявить черты сходства или различия в распределении радионуклида и ряда химических элементов. При этом впервые установлено влияние горизонтальной ландшафтной структуры на особенности концентрации радионуклида, в частности -на биогеохимическом фитоценотическом барьере, а также сходство в распределении Ь7С* и валовых форм К, а также 81, М§, Ка. Кроме этого, новым результатом является выделение краевой зоны болота в барьерную геосистему, где установлен эффект барьерной геохимической инверсии.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученные автором результаты являются важными для оценки роли ландшафтно-геохимической структуры полесских ландшафтов и, особенно, барьерных геосистем, как элемента их структуры, в биологическом круговороте химических элементов. Выявленные особенности в распределении ШС$ на геохимических барьерах важны для понимания геохимии данного радионуклида в ландшафтах.

Установление аккумуляции 137Сз на геохимических барьерах позволяет решать следующие практические задачи по научному обоснованию локализации радиоактивного загрязнения: 1) рассматривать краевые зоны болот как естественные фильтры, где концентрируется часть радионуклидов; 2) выполнять инвентаризацию барьерных комплексов с учетом ландшафтной структуры загрязненной территории; 3) исследовать аккумуляционный потенциал ландшафтных граничных комплексов; 4) давать количественную оценку выведенному из миграционных потоков и сконцентрированному на геохимических барьерах запасу радионуклидов. Выполнение этих задач позволит приблизиться к оценке баланса 137Сз в ландшафтах.

На защиту выносятся следующие положения:

1) Элементарный ландшафт краевой зоны болота, демонстрирующий свойства комплексного барьера, охватывающего несколько компонентов ландшафта, выделен в барьерную геосистему. Барьерная геосистема является самостоятельным элементом ландшафтно-геохимической структуры катены и играет важную роль в биологическом круговороте элементов.

2) Установлено явление аккумуляции ассоциации элементов на геохимических барьерах одного типа и рассеивания на пространственно совмещенных с ними барьерах другого типа, которое предлагается назвать барьерной геохимической инверсией.

3) 137Сэ концентрируется на биогеохимическом фитоценотическом барьере, где сосредоточено около 30 % от содержащегося в наземном покрове катены радионуклида. Коэффициент биологического поглощения увеличивается при этом в 4 и более раз.

4) Для 137Сз и его элемента - аналога К (валовая форма), а также М§, На выявлены одинаковые особенности распределения: концентрация на фитоценотическом барьере поглощения и рассеяние в почве барьерной геосистемы.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Международной научной конференции "Десять лет после Чернобыльской катастрофы (научные аспекты проблемы)" (г.Минск, февраль 1996 г), на Третьем съезде по радиационным исследованиям (г.Москва, октябрь 1997 г.), на Международной научной конференции "Фундаментальные и прикладные аспекты радиобиологии:

биологические эффекты малых доз и радиоактивное загрязнение среды" (г.Минск, апрель 1998 г.).

По результатам исследований опубликовано 9 работ.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 6 глав, выводов и списка литературы; изложена на 148 страницах, включает 12 таблиц, 59 рисунков. Список использованной литературы содержит 169 наименований.

За неоценимую помощь и содействие автор благодарна всем, причастным к созданию данной работы, и прежде всего - Учителю и научному руководителю А.И.Перельману, по поводу смерти которого я глубоко скорблю; научному руководителю В.А.Кнатько; Е.М.Никифоровой, И.П.Гавриловой и всему коллективу кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета МГУ; всем сотрудникам лаборатории мониторинга ИРБ HAH Беларуси, отдельно-И.И.Ивашкевичу; а также моим родным и близким.

Г Л А В А 1. Физико-географическая характеристика Мозырского Полесья и его ландшафтно-геохимические особенности

Исследованный полигон находится в пределах Мозырского Полесья, в бассейне р.Припять (рис.1). В геоструктурном отношении эта территория приурочена к центральной части Припятского прогиба, который относится к Припятско-Донецкому авлакогену. На севере и юге прогиб граничит, соответственно, со Жлобинской седловиной и Украинским кристаллическим щитом, от которых он отделен Северо- и Южно-Припятскими краевыми разломами. К западу от него находится Полесская седловина, к востоку - Брагинско-Лоевская седловина. Среди структур П порядка в юго-восточной части прогиба выделяются Шестовичская и Мозырская тектонические ступени и Наровлянский горст (Тектоника..., 1979).

Припятский прогиб - один из крупнейших артезианских бассейнов Полесья, имеющий несколько водоносных горизонтов. Подземные воды в основном являются напорными и постоянно подпитывают грунтовые. Этим определяется высокое положение уровня грунтовых вод (УГВ), который на возвышенностях находится на глубине ~10 м, в пределах низменности - 1-3 м. Выклинивание грунтовых вод на склонах долин способствует заболачиванию территории. Минерализация подземных преимущественно гидрокарбонатно-калыдиевых вод не превышает 1 г/л (Геохимические..., 1969).

Средняя мощность осадочных пород в Полесье составляет 2.6 км; они представлены палеогеновыми (кварцево-глауконитовые и кварцевые пески, песчаники, реже - алевриты, мергели и глины), неогеновыми (кварцевые пески, алевриты и глины) и четвертичными отложениями. В разрезе последних (их мощность составляет 30-50 м) заметно преобладают (до 90% объема) генетические типы ледниковой формации, в верхней части встречаются лессовидные отложения (Рельеф..., 1982) (рис.2). Средний химический состав некоторых видов четвертичных отложений Полесья представлен в таблице 1. Покровные отложения четвертичных пород Беларуси характеризуются по отношению к кларкам литосферы (по Виноградову (1962)) пониженным содержанием элементов; исключение составляют кремнезем, количество которого во флювиогляциальных и, особенно,

А - подтаежные; Б - полесские; I - холмисто-моренда-озерные; II — холмисто-моренно-эрозионные; III - камово-моренно-озерные; IV - камово-моренно-эрозионные; V - лессовые; VI - моренно-озерные; VII - вторичноморенные; VITI -моренно-зандровые; IX - водио-ледниковые с озерами; X - вторичные водноледниковые; XI - озер но-ледниковые; XII - аллювиальные террасрованные; XIII - пойменные; XIV - нерасчлененные комплексы с преобладанием болот; XV -нерасчлененные речные долины.

Рис. 1. Ландшафты Беларуси (Ландшафты..... 1989).

эоловых отложениях может повышаться до 97% (Геохимические...,1969). По особенностям литогеохимического состава (пониженное содержание А120з, Ге203, СаО, М§0, №20, К20, Мп, Сг, V, № и максимальная концентрация кремнезема по сравнению со средним химическим составом покровных пород Беларуси) выделена Южная литогеохимическая провинция покровных отложений (Геохимические..., 1969), к которой относится район наших исследований.

Таблица 1.

Средний химический состав четвертичных отложений Полесья (Геохимические..., 1969, Лукашев, 1961)

Химический состав А1 Бе Т1 Са м§ Б Иа К Мп Сг V Си Со № Ъх РЬ

% х 10"3 %

кларк 29.5 8.05 4.65 0.45 2.96 1.87 0.047 2.5 2.5 100 8.3 9 4.7 1.8 5.8 17 1.6

флювиогляциал. 91.8 3.33 1.01 0.22 0.41 0.59 0.23 0.35 0.82 12 3 4 2 1 1 15.7 4

эоловые 97 1.5 0.5 0.18 0.45 0.15 - 0.5 0.25 не определено

торф верховой 0.7 0.29 0.14 0.018 0.74 0.09 0.16 не опр. 0.6 0.34 - 0.45 - 0.2 - 0.28

* - флювиогляциальные и эоловые - в золе; торф - в сухом веществе, зольность - 2.31 %.

Уникальный для Полесья характер Мозырской возвышенности с амплитудами высот 20-30 метров объясняется наибольшей подвижностью территории в этой части зоны Шестовичского разлома и активизацией локального соляного поднятия. Развитию цепей эоловых гряд, широко распространенных в этой части Полесья, благоприятствуют зоны активных разрывных нарушений (Северо-Припятский и Южно-Припятский краевые разломы) (Лукашев, 1961, Швецов, 1992). На схемах геоморфологического районирования Мозырское Полесье относится к геоморфологической области Белорусского Полесья, геоморфологическому району Мозырская краевая ледниковая возвышенность с прилегающей к ней водно-ледниковой равниной (Матвеев и др., 1982, Матвеев, 1990). Большая часть района занята напорными формами реликтового краевого моренного рельефа днепровского оледенения. Наряду с краевыми образованиями в районе распространен пологонаклонный зандр. Поверхность его ровная, местами волнистая. Средние абсолютные высоты составляют 130-160 м, в пределах Моз�