Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геохимия ландшафтов восточного склона Приполярного и Северного Урала

ВАК РФ 25.00.23, Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации по теме "Геохимия ландшафтов восточного склона Приполярного и Северного Урала"

На правах рукописи

.л.

Селиванова Дарья Александровна

ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТОВ ВОСТОЧНОГО СКЛОНА ПРИПОЛЯРНОГО И СЕВЕРНОГО УРАЛА

25.00.23 - Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Томск-2015

(_- ^Ъ <4, УК^^-СИ £лЛ1 от СЛВ^з сХМ-М А.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институт проблем освоения Севера Сибирского отделения Российской академии наук, в лаборатории экологии, математического моделирования и ГИС-технологий

Научный руководитель: доктор географических наук

Московченко Дмитрий Валерьевич

Официальные оппоненты:

Опекунова Марина Германовна, доктор географических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет», кафедра геоэкологии и природопользования, профессор

Язиков Егор Григорьевич, доктор геолого-минералогических наук, профессор, федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», кафедра геоэкологии и геохимии, заведующий кафедрой

Ведущая организация: Федеральное государственное учреждение Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук, г. Барнаул

Защита состоится 27 мая 2015 г. в 14:30 на заседании диссертационного совета Д 212.267.15, созданного на базе федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет», по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина 36 (Главный корпус, ауд. 119).

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке и на сайте федерального автономного образовательного учреждения высшего образования «Национальный исследовательский Томский государственный университет» www.tsu.ru

Материалы по защите диссертации размещены на официальном сайте ТГУ: http://www.tsu.ru/content/news/announcement of the dissertations in the tsu.php

Автореферат разослан « 06 _» апреля 2015 г.

Ученый секретарь ■->, —-

диссертационного совета ?/• ""' КвасниковаЗоя Николаевна

РОССИЙСКАЯ ,'СУДЛ1'<Л ВИННАЯ БИБЛИОТЕКА 2 0 15

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Перспективное экономическое развитие Ханты-Мансийского автономного округа-Югры предусматривает освоение минерально-сырьевой базы Уральского Севера.

Разработка программ рационального природопользования требует комплексного изучения геосистем этого региона, в том числе и определения ландшафтно-геохимических показателей, которые могут быть использованы при организации мониторинга и оценке устойчивости природных комплексов.

Объектом исследования являются геохимические ландшафты восточного макросклона Приполярного и Северного Урала. Предмет исследования - процессы миграции и аккумуляции вещества в геосистемах спонтанного развития на территории предполагаемого промышленного освоения.

Цель исследования - выявление основных закономерностей формирования геохимической структуры ландшафтов Приполярного и Северного Урала.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

1. Выявить биогеохимические особенности почвенного покрова, учитывая распределение доминирующих типов почв и литологическую неоднородность территории.

2. Изучить миграцию вещества на разных уровнях организации геосистем (ландшафтно-геохимических сопряжений, бассейнов стока, ландшафтных провинций), провести оценку радиальной и латеральной дифференциации в ландшафтно-геохимических системах.

3. Разработать классификацию ландшафтно-геохимических систем (ЛГС) Приполярного и Северного Урала, провести ландшафтно-геохимическое картографирование.

4. Исходя из выявленных особенностей ландшафтно-геохимической структуры, выполнить оценку устойчивости геосистем и проанализировать условия проведения эколого-геохимического мониторинга.

Теоретическая и методологическая основа исследований базируется на идеях и трудах в области геохимии ландшафта Б.Б. Полынова, А.И. Перельмана, М.А. Глазовской, Н.С. Касимова, В.А. Снытко, Е.Г. Нечаевой; учении о геосистемах В.Б. Сочавы; работах о биогеохимии почв В.В. Добровольского, В.А. Ковды, В.Б. Ильина, на основных положениях о сущности почвообразовательного процесса в бореальных районах В.О. Таргульяна.

Методы исследования. В качестве основных методов использовались:

• сравнительно-географический (анализ вещественного состава ЛГС в зависимости от широтно-зонального и высотно-поясного расположения, сопоставление с сопредельными территориями),

• химико-аналитический (химический анализ проб в аккредитованных лабораториях),

• картографо-геоинформационный (разработка серии карт - слоев ГИС с последующим анализом закономерностей распределения и структуры различных пространственных объектов),

математический (вычисление статистических показателей и коэффициентов, характеризующих особенности химического состав различных компонентов ландшафтов, закономерности миграции и аккумуляции вещества).

При получении исходных материалов использовались общепринятые методы полевых ландшафтно-геохимических исследований (Глазовская, 1964).

Оценка пространственной ландшафтно-геохимической структуры проведена на трех иерархических уровнях геосистем: катенарном, водосборных бассейнов и ландшафтных провинций. Для комплексного анализа закономерностей миграции и аккумуляции химических элементов был проведен отбор проб на профилях (катенах), исследована радиальная неоднородность состава почв, изучены особенности формирования состава поверхностных вод и донных отложений в различных бассейнах стока.

Научная новизна работы. Впервые проведен комплексный анализ ландшафтно-геохимической структуры восточного макросклона Приполярного

и Северного Урала, включающий последовательную оценку элементного состава почвообраэующих пород, почв, донных отложений и поверхностных вод, выявлены закономерности распределения веществ в основных типах ландшафтно-геохимических сопряжений.

Новым для исследуемой территории является определение закономерностей формирования состава почв в зависимости от литогенной основы ландшафта, биогенной и водной миграции вещества, свойств химических элементов.

По результатам исследования репрезентативных водосборных бассейнов определены особенности химического состава наиболее мобильных компонентов геосистем - поверхностных вод и генетически связанных с ними донных отложений. Выявлены факторы формирования их состава, зависящие от литогенной основы и геохимической структуры ландшафтов.

Впервые для данной территории разработана классификация ЛГС и составлена ландшафтно-геохимическая карта территории, отражающая закономерности дифференциации вещества и имеющая прогнозно-оценочные функции.

Полученная информация и установленные на ее основе закономерности миграции и аккумуляции вещества позволили впервые для региона разработать принципы оценки устойчивости геосистем к загрязнению и организации эколого-геохимического мониторинга на участках предполагаемой разработки рудных месторождений Уральского Севера.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Формирование химического состава почв восточного склона Приполярного и Северного Урала происходит в условиях контрастной литогеохимической основы и регулируется процессами биологического накопления халькофильных элементов и активной водной миграцией элементов группы железа.

2. Состав поверхностных вод и донных отложений в различных природных районах и бассейнах стока определяется соотношением гольцово-

тундровых, таежных и болотных ландшафтов, наличием рудных залежей, геохимических барьеров.

3. Для оптимизации природопользования, разработки программ экологического мониторинга и оценки устойчивости геосистем на участках предполагаемой добычи минерального сырья Уральского Севера необходим анализ ландшафтно-геохимической структуры, учитывающий на топологическом уровне особенности миграции и аккумуляции вещества, наличие геохимических аномалий, связанных с рудопроявлениями.

Фактический материал и личный вклад соискателя. Материалы, положенные в основу диссертации, получены автором в рамках исследований, выполненных АУ «НАЦ РН им. В.И. Шпильмана». Основной объем данных получен в ходе выполнения НИР «Предварительная оценка воздействия на окружающую среду при освоении Приполярного Урала, в том числе разработка требований к размещению производственных и инфраструктурных объектов, обеспечивающих допустимое воздействие на окружающую среду». Дополнительные материалы, характеризующие особенности химического состава почв разной типологической принадлежности, получены в рамках НИР по программе оздоровления экологической обстановки в ХМАО-Югре.

Постановка задач, полевые исследования геосистем проводилось при непосредственном участии автора. Лично автором выполнены обработка, интерпретация данных и обоснование выводов работы.

В работе использованы результаты анализов 220 проб почв и донных отложений. Обследованы 26 катен, отражающих различные ландшафтно-геохимические условия. Для анализа водной миграции веществ были отобраны и проанализированы 69 проб поверхностных вод из 40 водных объектов.

Практическая значимость работы. Результаты исследования нацелены на обеспечение рационального природопользования и могут быть реализованы в проектных работах по освоению месторождений минерального сырья Приполярного и Северного Урала. Полученные данные о составе почв, поверхностных вод и донных отложений характеризуют фоновую эколого-

геохимическую обстановку и могут служить в качестве базиса для оценки последующих изменений, использоваться при разработке нормативно-правовой базы регионального мониторинга. Анализ закономерностей миграции и аккумуляции веществ позволяет прогнозировать стабильность химических показателей и устойчивость геосистем, находящихся под воздействием горнопромышленного производства.

Апробация и публикации результатов исследований. Основные результаты докладывались и обсуждались на XIII, XVII, XVIII научно-практических конференциях «Пути реализации нефтегазового и рудного потенциала ХМАО-Югры» (г. Ханты-Мансийск, 2010 г., 2013 г., 2014 г.), III, IV и V Международных конференциях «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов» (г. Тюмень, 2012 г., 2013 г., 2014 г.), II Международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность горнопромышленных регионов» (Екатеринбург, 2014), Международной школе-семинаре молодых исследователей «Биогеохимия химических элементов и соединений в природных средах», посвященной В.Б. Ильину (г. Тюмень, 2014 г.), XVIII научной конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока «Развитие географических знаний: научный поиск и новые методы исследования» (Иркутск, 2014 г.), III Международной научно-практической конференции с элементами школы-семинара для студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы географии и геологии» (Томск, 2014) и других конференциях регионального и общероссийского уровня.

По теме диссертации опубликовано 20 работ в научных журналах и сборниках конференций (в том числе 3 статьи - в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных Высшей аттестационной комиссией при Минобрнауки России).

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация общим объемом 171 страница машинописного текста состоит из введения, шести глав, заключения, содержит 32 рисунка и 27 таблиц. Библиографический список насчитывает 158 источников, в том числе 5 зарубежных.

Благодарности. Автор глубоко благодарен своему научному руководителю Д.В. Московченко за консультации, содействие в работе, руководству АУ «НАЦ РН им. В.И. Шпильмана» A.B. Шпильману, В.А. Волкову, а также С.А. Алёшину, Ю.В. Казанцеву, В.Н. Гончаровой и коллективу отделения природопользования за всестороннюю поддержку.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 «Природные условия, определяющие формирование ландшафтно-геохимической структуры» приводится характеристика геологического строения, геоморфологических особенностей, климата, почвенного покрова, растительности, рассмотрены основные типы ландшафтных комплексов.

Глава 2 «Материалы и методика исследований». При выборе участков исследований учитывались особенности орографии и геологического строения. Опробование выполнено на катенах, протянувшихся от автономных элювиальных ландшафтов к подчиненным аккумулятивным, вплоть до субаквальных ландшафтов (донные отложения). Одновременно с отбором проб донных отложений выполнен отбор проб поверхностных вод. Перечень определяемых показателей химического состава был составлен в соответствии с требованиями, предъявляемыми к ведению эколого-геохимического мониторинга на распределенном фонде недр ХМАО-Югры. Микроэлементный состав почв и донных отложений (включая валовое содержание и количество подвижных форм) был определен методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии.

При обработке материалов использовались методы математической статистики и геоинформатики. По результатам анализов были вычислены традиционные в ландшафтно-геохимических исследованиях показатели: кларки концентрации (КК), коэффициенты латеральной (Кл) и радиальной (Кр) дифференциации, суммарный коэффициент накопления (Rk). Для выявления закономерностей водной миграции химических элементов в зависимости от

ландшафтных, литологических и геоморфологических факторов в различных бассейнах стока был проведен анализ состава поверхностных вод и выполнено сопоставление с составом почв, особенностями ландшафтной структуры и залегания рудных полезных ископаемых. Схема опробования различных компонентов ландшафта приведена на рисунке 1.

Глава 3 «Геохимические особенности почв» содержит три раздела, в которых рассмотрен состав почвообразующих пород, проанализировано распределение элементов в генетических горизонтах доминирующих типов почв, проведено региональное обобщение показателей химического состава и выполнено сопоставление с сопредельными регионами. Аллювиальные и озерно-аплювиальные отложения подгорных равнин Приполярного Урала характеризуются повышенным содержанием Мп, Сг, Со. Водно-ледниковые отложения песчаного состава отличаются низким содержанием микроэлементов вследствие выщелачивания и удаления из них продуктов выветривания. В ледниковых отложениях Северного Урала отмечено повышенное содержание Мп, РЬ, низкое - Сг, N1. Близки к кларку концентрации Тп и Си. Аллювиальные отложения супесчаного состава характеризуются низким содержанием Си, Сг, близкими к кларку концентрациями РЬ и В целом литогенная основа ландшафтов

Приполярного и Северного Урала отличается высокой геохимической контрастностью при повышенном относительно кларка содержании таких элементов, как РЬ и Мп. Относительно регионального геохимического фона сопредельных участков Западно-Сибирской равнины повышено содержание 2п, РЬ, Мп, Сг, Со, Ре, т.е. практически всех определенных элементов, за исключением N1 и Си.

Статистическая обработка результатов опробования почв показала нормальный характер распределения Си, Zn, Сг и которые, таким образом, находятся в состоянии рассеяния. На содержание Мп и РЬ, распределение которых отличается от нормального, оказывают значительное влияние

литологические факторы (присутствие рудных тел) и внутриландшафтное перераспределение с аккумуляцией на геохимических барьерах.

а)

А*

<1

■ « ¿г

/ г1

« »4

ЛРГ

\ '¿Я.-1

■ ;м-

тЧ Мж

с' Саранпаупь

< л^л, . > ч Д:

•X | Л/

X КГ

Ш {. д _ ® п/Припр*лярны£^

4

¡Л

▼ -2

б)

к ^

/'V

^ угу

I®

(р

> X г*

^ ^ Ч -о;Дт ■

! >Ь -'Шо. Саранлауль

V Ь ■ ■4 £> п»""

£ О

а / д ;

> I Ч р°

2 К {6

О- >. } о. ш ) о ©' »о. п Приполярный

% ' О I

О '

4 <

I з "•%

К У X

ТО"0? О О ^

! \л °

' л >■

Ч'

I ■ $$ №

о -3 О -4

Рисунок 1 - Местоположение пунктов геохимического опробования (а) почв; б) поверхностных вод и донных отложений): 1 - почвенные катсны, 2 - опорные почвенные разрезы, 3 - пункты отбора поверхностных вод и донных отложений, 4 - пункты отбора только донных отложений). Серой заливкой выделены среднегорные и низкогорные ландшафты, без заливки -ландшафты подгорных равнин

Для почв Приполярного Урала характерно повышенное, относительно кларка, содержание РЬ и Хп, пониженное -Мп и Сг. Близко к кларку среднее содержание Ре, Си, N1. По сравнению с почвами сопредельных участков

Западно-Сибирской равнины отмечены повышенные концентрации РЬ, Хп, N1, Сг и Мп, таблица 1.

Таблица 1 - Оценки регионального почвенно-геохимического фона

В мг/кг

Район РЬ Zn Cu Fe Мп Сг Ni

Приполярный и Северный Урал (наши данные) 19,8 68,2 18,0 34006 564 70,2 39,2

Север Западной Сибири (Сорокина и др., 2001) 13,5 41,5 32,3 - 402 56 9,6

Западная Сибирь (Сысо, 2007) 18 73 31 25104 797 84 42

Кларк почв по А.П. Виноградову (Справочник..., 1990) 10 50 20 38000 850 200 40

Обследованные почвы малогумусные, общее содержание органического вещества обычно не превышает 4%. Почвы Приполярного Урала имеют кислую и слабокислую реакцию (рНвод= 4,0 - 5,9), Северного - слабокислую и близкую к нейтральной (рНвод= 5,5 - 6,4).

В главе приведены данные о микроэлементном составе генетических горизонтов почв различной типологической принадлежности: подзолов иллювиально-железистых, подбуров, подзолистых, торфяно-подзолисто-глеевых, литоземов перегнойно-темногумусовых и аллювиальных почв. Отмечена элювиально-иллювиальная дифференциация элементов в подзолах и подбурах, причем халькофильные элементы (РЬ, Zn) аккумулируются в верхней части профиля и связаны с гумусом, а элементы группы железа (Сг, N1) преобладают в иллювиальных горизонтах. Сходным образом проявляется распределение элементов в профиле литоземов перегнойно-темногумусовых, в органогенных горизонтах которых накапливаются Хп, Сс1, РЬ. В подзолистых почвах биогенная аккумуляция свойственна С(1 и Ъъ, в иллювиальных горизонтах выражено накопление Ре, Сг, №. В почвах болот торфяной горизонт выступает в качестве накопителя РЬ, Си, Ъх\. Таким образом, вертикальное распределение микроэлементов в почвах зависит от аккумуляции на биогенном геохимическом барьере Zn, С<1, в меньшей степени - Мп и РЬ. Подзолистый

горизонт обычно характеризуется минимальными концентрациями химических элементов. В иллювиальных горизонтах преобладают элементы группы железа (Ре, N1, Сг).

Результаты расчетов коэффициентов радиальной дифференциации, показанные в таблице 2, свидетельствуют, что в целом для почв характерен вынос элементов и слабое накопление. Это подтверждает мнение В.О. Таргульяна (1971) о доминировании выноса над накоплением в почвах холодных гумидных областей.

Таблица 2 - Показатели радиальной дифференциации почв

Тип ЛГС Почвы Накопление элементов Рассеяние (Кр< 1)

Сильное (К„>4) Среднее (К„ = 2-4) Слабое (К„= 1-2)

Приполярный Урал

Средне горный гольцово-тундровый Литоземы перегнойно-темногумусо-вые - РЬ2,2 С(11,6 гп0,7 Си0,6 N¡0,5 Сг0.5 Мп0,4

Низкогорный редколесно-таежный Подзолы - - 2п\,0 РЫ,0 Сс11,0 N¡1,0 Сг0,9 Мп0,9 Со0,8 Ре0,8 Си0,7

Низкогорный редколесно-таежный Глее-подзолис-тые - саз,з Си 1,7 Мп1,4 гп1,3 Со 1,1 Сг0,8 N>0,8 Ре0,8 РЬ0.7

Низкогорный редколесно-таежный Подзолистые - - Сс11,7 Ре 1,0 Со 1,0 Мп0,9 гп0,8 N10,8 Сг0,7 РЬ0,7 Си0,6

Северный Урал

Среднегорный гольцово-тундровый Петроземы РЬ2,2 Сё 1,6 7.п0,7 Си0,6 Сг0,5 N¡0,5 Мп0,4

Низкогорный рсдколесно-таежный Буроземы гп4.5 РЬ2,1 Сс11.7 Мп0,9 Сг0,9 Си0,8 N¡0,8

Горно-долинный Аллювиальные С(16,9 Мп2,6 РЫ,3 N¡1,0 Сг1,0 Си0,9 гп0,8

Накопление сильнее выражено в почвах Северного Урала, где выше теплообеспеченность, более интенсивен биологический круговорот веществ и, соответственно, активнее происходит накопление элементов на

биогеохимических барьерах. Максимальные значения отмечены для почв с высоким содержанием гумуса - буроземов и аллювиальных.

На Северном Урале для низкогорно-долинных рядов миграции характерно незначительное увеличение концентрации микроэлементов в почвах трансэлювиальных и трансэлювиально-аккумулятивных фаций по сравнению с элювиальными фациями вершин гор. Отчетливо выражено накопление в аллювиальных почвах элементов группы железа и рассеяние халькофильных Zn и Си. Особенностью миграционных рядов Северного Урала, по сравнению с Приполярным, является высокое содержание в почвах Мп, с превышением кларка. Заметно проявляется аккумуляция железа в почве супераквапьных фаций. Коэффициенты латеральной дифференциации изменяются в пределах от 0,5 до 2,4. Довольно слабая латеральная контрастность позволяет предположить наличие интенсивного выноса веществ в составе водных растворов, поэтому для уяснения механизмов миграции вещества необходим анализ вещественного состава объектов гидросферы - поверхностных вод и донных отложений.

В главе 4 «Особенности межгеосистемной миграции вещества» определены основные различия гидрохимии рек горных и предгорных участков в результате проведенного опробования и последующих анализов, выполненных по стандартным методикам (таблица 3). Реки характеризуются малым содержанием Са2+ в водах (как правило, < 10 мг/дм3). Речные воды подгольцового пояса относятся к магниевой группе гидрокарбонатного класса с содержанием Са2+ около 2 мг/дм3 и очень низкой минерализацией (25-40 мг/дм3 в летний период). В нижнем течении этих рек содержание Са2+ увеличивается до 5,9-10,8 мг/дм3, минерализация составляет 50-80 мг/дм3. По содержанию главных ионов они относятся к гидрокарбонатному классу, группе кальция, 2-му типу. Воды олиготрофные, что обусловлено преобладанием атмосферного питания, распространением устойчивых к выветриванию геологических формаций, маломощным почвенным покровом, незначительной фитомассой и замедленным биологическим круговоротом веществ.

Таблица 3 - Гидрохимическая характеристика рек восточного макросклона Приполярного и Северного Урала (среднее и диапазон изменений)

Показатель Горная часть (п= 13) Предгорья и подгорные равнины (п=56) Равнинная территория ХМАО-Югры (Московченко, Бабушкин, 2012)

рН, ед. 6,9 (6,7-7,3) 6,7 (6,0-7,3) 6,3*

НСОэ", мг/дм' 36,2(14,3-44,2) 25,1 (14,6-48,8) 50,1*

СГ, мт/дм' 4,9 (3,5-5,9) 4,3 (3,0-5,8) 5-6,7*

БОД мт/дм' 3,9(2,1-9,7) 3,9 (0,8-16,9) 1,6-2,7*

Саг*, мг/дм'* 7,7 (2,2-10,8) 6,0(1,8-15,2) 23,2*

мг/дм' 1,5 (0,7-3,4) 1,9 (0,5-6,6) 6,0*

N8* + К+, мг/дм3 4,2(2-12) 4,5 (0,5-14,5) 10,3*

N-N01, мг/дм' 0,09 (0,003-0,15) 0,21 (0,001-2,60) 0,3-0,5

N-^4, мг/дм3 0,41 (0,15-1,32) 0,68 (0,01-2,5) 0,8-1,5

ВПК го, мг02/дм' 0,5 (0,4-0,9) 0,7 (0,1-1,8) 2,3/2,3

Р04"', мг/дм' 0,028 (0,01-0,088) 0,050 (0,01-0,48) 0,17-0,2

Ре общ., мг/дм' 0,13 (0,07-0,25) 0,19(0,02-1,46) 1,5-2,9

Мп, мкг/дм' 53(15-116) 71,5 (6-258) 109-400

мкг/дм3 10(5-12) 8(4-12) 2-3,2

Си, мкг/дм' 6(2-15) 6(1-27) 1,8-3,6

мкг/дм' 11 (2-27) 10(1-50) 9-13

РЬ, мкг/дм' 1 (0,5-1) 1 (0,2-3) 2,5-2,9

Сг, мкг/дм' 2(1-6) 2 (0,4-33) 2,5-4,9

мкг/дм' 0,008 (0,002-0,01) 0,01(0,001-0,02) 0,005-0,0098

* - среднегодовые значения медианы

Своеобразием отличается элементный состав поверхностных вод. Концентрации Ре и Мп ниже, чем в водах рек и озер равнинной части ХМАО-Югры. Наблюдается увеличение концентрации Ре и Мп на подгорных участках, что связано с влиянием грунтовых вод, поступивших из поверхностных слоев почв таежных и болотных ландшафтов. Для Си характерно значительное варьирование, связанное с зависимостью от местных литологических и ландшафтных условий. Выявлено существенное обогащение вод N1, что связано с наличием улыраосновных пород.

Дальнейший анализ зависимости формирования состава вод от ландшафтных и литологических факторов проводился с применением бассейнового подхода. Был поведен сопряженный анализ состава почв,

поверхностных вод и донных отложений в различных бассейнах стока, различающихся по геолого-геоморфологическим условиям, составу пород, преобладающим ландшафтным комплексам. Особенности ландшафтной структуры и типоморфные элементы рудных полей обследованных водосборных бассейнов на территории Приполярного и Северного Урала отражены в таблице 4. Интенсивность водной миграции, выраженная через коэффициенты водной миграции Кх, рассчитанные по отношению к кларку земной коры и среднему составу почв водосборного бассейна, представлены в таблице 5.

Таблица 4 - Особенности ландшафтной структуры и рудопроявления в бассейнах стока

Водосборный бассейн Типоморфные элементы рудных залежей 8 общ., км2 Доля горных ландшафтов, % Доля ЛГС от общей площади водосборного бассейна, %

а б в г д е

1. Хулгинский А1, гп, Со, Си, РЬ, Сг 6244 52 21 12 20 25 11 10

2. Маньинский РЬ, гп, Си, Ре, Сг, Мо, Мп 1734 92 20 23 42 4 3 8

3. Щекурьинский РЬ, гп, Си, Ре, Сг, Мо, Мп 1828 91 9 5 63 8 3 13

4. Ятринский Ре, Си, Сг, гп, Мп 3455 74 3 4 56 24 2 и

5. Вольинский Си, гп, "л, Сг, Мп 3985 54 2 3 46 25 10 15

6. Верхнесосьвинский си, гп, рь 2902 83 2 6 59 13 10 10

а-е - тип ЛГС:

а) Экзарационные и эроэионно-денудационные гольцово-тундровые; б) Эроэионно-денудационные тундрово-редколесные; в) Эрозионно-аккумулятивные низкогорных редколесий; г) Трансаккумулятивные предгорных лесов; д) Гидроморфные болотные; е) Супераквальные речных долин.

По сравнению со средними значениями Кх для речных вод по В.В. Добровольскому (2003), воды рек восточного макросклона Урала характеризуются интенсивной миграцией элементов группы железа (Сг, N1, Мп, Ре) и близкой к норме для халькофильных (Си, Zn). Участки горно-тундровых ландшафтов в бассейне реки Щекурья, берущей начало с главного

водораздельного хребта Урала, отличаются самыми низкими значениями Кх, особенно для биогенных Мп и 2п, что связано с распространением устойчивых к выветриванию геологических формаций и слабым вовлечением элементов в геохимический круговорот. Содержание Си выше в воде рек южной части территории (Вольинский и Верхнесосьвинский бассейны), где расположены многочисленные залежи медных руд.

Таблица 5 - Интенсивность миграции химических элементов в поверхностных водах Приполярного и Северного Урала

Водосборный бассейн Значения Кх Минерализация, мг/дм3

Ре Мп N1 Си гп РЬ Сг НЕ

1. Хулгинский 0,16 0,17 м 6,1 м 4,5 10 8.8 2! 3,1 2^4 0,74 10 1,0 м 15,9 35

2. Маньинский 0,06 0,09 14 2,5 и 5,0 11 4,6 2^6 2,5 и. 0,34 0,50 0,89 11 6,2 56

3. Щекурьинский 0,04 0,05 М 2,5 И 5,1 16 3,2 м 2,4 и. 0,22 0,71 0,79 Ц 4,7 57

4 Ятринский 0,18 0,26 11 3,6 12 2,8 12 4,9 м 3,5 11 0,26 13 1,2 М 5,4 55

5. Вольинский 0,09 0,12 12 3,1 2^2 3,6 11 12,6 И 3,8 10 0,27 0.66 0,76 14 5,0 64

6. Верхнесосьвинский 0,06 0,08 10 0,8 1А 2,4 11 7,4 и 4,5 и 0,86 0.15 0,15 М 5,0 61

В среднем 0,10 0,13 12 3,1 11 3,9 2А 6,9 М 3,3 13 0,45 0.73 0,81 1.95 7,0 -

Среднемировое значение Кх (Добровольский, 2003) 0,15 0,12 0,81 2,64 3,27 0,52 0,24 17,6 -

Числитель - по отношению к кларку земной коры по А.П. Виноградову, знаменатель - по отношению к содержанию в почвах водосборного бассейна.

Для оценки влияния ландшафтных условий на процессы осадконакопления, в пределах водосборных бассейнов был проведен корреляционный анализ, в котором учитывались средние концентрации элементов в донных отложениях и показатели ландшафтной структуры. Результаты показали, что при увеличении доли гольцово-тундровых

ландшафтов в ландшафтной структуре водосборного бассейна наблюдается снижение концентрации в донных отложениях всех элементов, особенно Ni, Сг, Mn, Hg и Fe. Причины этого - замедленность процессов химического выветривания, длительное промерзание грунтов, ослабленность миграции элементов в форме органоминеральных и железоорганических комплексов. Наиболее благоприятные условия для обогащения донных осадков складываются при преобладании в ландшафтной структуре эрозионно-аккумулятивных ландшафтов низкогорных редколесий, где отмечено значительное накопление Ni и Hg.

По сравнению с кларком земной коры дефицитными элементами донных отложений Приполярного и Северного Урала являются Zn и Ni, зачастую наблюдаются низкие концентрации Си. На уровне кларка содержание Mn, Fe, Cr, Hg, повышенные концентрации выявлены у РЬ. Сопоставление с сопредельной равниной территорией Западной Сибири показало, что донные отложения обследованной территории обогащены таким элементами, как Мп, Fe, Си, РЬ, Сг. Практически все элементы демонстрируют значительную вариабельность, вплоть до многократного превышения кларка литосферы, что говорит о контрастных литогеохимических условиях и влиянии горных пород, обогащенных микроэлементами.

Для оценки общих закономерностей концентрирования и рассеяния элементов в ландшафтах различных бассейнов стока, были вычислены коэффициенты накопления Rk для почв (по отношению к кларку почв), донных отложений (по отношению к кларку земной коры) и поверхностных вод (по отношению к среднемировому содержанию в речных водах (Martin, Meybeck, 1979), рисунок 2.

Проведенные расчеты показали, что ландшафты Приполярного и Северного Урала отличаются высокой водомиграционной активностью за счет элементов группы железа, в почвах происходит накопление халькофильных РЬ и Zn, для донных отложений характерно рассеяние веществ.

Среди бассейнов стока наибольшие показатели аккумуляции в почвах и донных отложениях

свойственны самому

южному,

Верхнесосьвинскому бассейну, отличающемуся более теплым климатом, активным биологическим круговоротом элементов, широким распространением трансаккумулятивных ландшафтов предгорных лесов.

Активная аккумуляция на биогеохимическом

барьере способствует

закреплению элементов в почвах и донных отложениях. Вместе с тем водом играционн ые показатели здесь ниже, чем в других бассейнах.

Наблюдается деление

элементов на две группы в зависимости от их геохимических свойств -водная миграция

максимальна для

4 3 (Мп, Ре, №. Сг) 0.5 (РЬ) 1.4 (РЬ, гп, N1)

3.2 (Мп. N1, Ре) 0.3 (-) 1.5 (РЬ, гп)

3.2 (Мп. №. Сг, Ре) 0.7 (Сг)

1 9(РЬ. гп, Си)

3.6 (Мп, Ре. N0 0.3 (-) 1.3 (РЬ)

5.0 (Мп, Ре, Сг, №) 0.7 (Сг, Ре) 1.7 (РЬ, гп)

2.7 (Мп, Ре, Сг) 3 0 (РЬ, Мп, Ре, Си)

1.8 (РЬ, гп, Мп, N1)

Рисунок 2 - Значения коэффициентов накопления

элементов Ик в различных бассейнах стока: вверху - в поверхностных водах, посередине - в донных отложениях, внизу - в почвах. В скобках -парагенетические ассоциации элементов с кларком концентрации > 1. Выделенные водосборные бассейны: 1 - Хулгинский, 2- Маньинский, 3- Щекурьинский, 4 -Ятринский, 5 - Вольинский, 6 - Верхнесосьвинский

сидерофильных, в почвах накапливаются халькофильные Ъх\ и РЬ, только в южной части территории к ним присоединяется Мп за счет активизации гумусообразования. В Хулгинском бассейне накопление в почвах N1 связано с наличием геологических структур, вмещающих ультраосновные породы.

В главе 5 «Ландшафтно-геохнмнческое районирование и картографирование» разработана классификация геохимических ландшафтов. На рассматриваемой территории выделено 4 класса в зависимости от водной миграции, 7 родов (от элювиальных до субсупераквальных). Дальнейшее разграничение, выполненное на основе анализа почвенно-растительного покрова и геолого-геоморфологических особенностей, позволило выделить 192 вида геохимических ландшафтов, которые были закартированы в масштабе 1:200 ООО.

На территории как Приполярного, так и Северного Урала доминируют трансэлювиальные и трансэлювиально-аккумулятивные комплексы (рисунок 3). Трансэлювиальные ландшафты относятся преимущественно к кислому классу. Доля элювиальных ландшафтов на Приполярном Урале существенно выше, чем на Северном, где орто- и параэлювиальные ландшафты имеют крайне незначительное распространение, а склоны гор отнесены к трансэлювиальным комплексам.

Глава б «Ландшафтно-геохимические аспекты экологического прогнозирования и мониторинга». Выделены участки геохимических аномалий, в которых элементный состав почв и донных отложений не соответствует принятым экологическим нормативам (ПДК и ОДК). Наиболее часто отмечены аномальные концентрации РЬ, что представляется особо опасным, учитывая высокую токсичность этого элемента. Аномальные концентрации N1 приурочены к зонам залегания ультраосновных пород, на юге описываемой территории выявлен ряд участков с аномальным содержанием Си вследствие залегания здесь медно-цинковых руд. Участки природных геохимических аномалий требуют специальных регламентов для разработки месторождений и проведения эколого-геохимического мониторинга,

основанного на выделении локального геохимического фона различных природных сред, определения направления поверхностного и грунтового стока, участков аккумуляции на геохимических барьерах.

а) Приполярный Урал

6) Северный Урал

Классы водной миграции

Рисунок 3 - Площади, занимаемые ЛГС Приполярного (а) и Северного (б) Урала с подразделением по родам геохимических ландшафтов: роды ландшафтов (Э - элювиальные, ТЭ - трансэлювиальные, ТЭА - трансэлювиально-аккумулятивные, ТА - трансаккумулятивные, СА - супераквальные, ССАа -субсупераквальные автономные (верховых болот), ССАп - субсупераквальные подчиненные

(переходных и низинных болот)

Устойчивость оценивалась по особенностям миграционных потоков вещества и свойствам ландшафтно-геохимической структуры. Сделан вывод, что ландшафты Приполярного Урала, для которых характерна максимальная водомиграционная активность большинства элементов и слабая биопродуктивность, отличаются наименьшей самоорганизацией и, соответственно, минимальной устойчивостью, максимальным уровнем

опасности негативных изменений при техногенном воздействии, особенно на участках подгорных равнин.

ВЫВОДЫ

На основании проделанной работы можно сделать следующие выводы:

1. Почвы Приполярного и Северного Урала, по сравнению с почвами сопредельных участков Западно-Сибирской равнины, вследствие литолого-минералогических факторов, отличаются повышенным содержанием РЬ, Ъъ, N1, Сг, Мп, что подтверждает мнение о снижении содержания элементов в почвах и породах Западной Сибири по мере удаления от областей сноса - горного окаймления. Наблюдается широкое варьирование содержания элементов, особенно РЬ и Мп.

2. Процессы миграции и аккумуляции элементов в значительной степени зависят от их свойств и типологической принадлежности: отчетливо выражена биологическая аккумуляция халькофильных элементов в почвах, повышенная водомиграционная активность элементов группы железа приводит к росту их содержания в почвах нижних ступеней сопряженного миграционного ряда (трансэлювиально-аккумулятивных и аккумулятивных супераквальных ландшафтов) и в поверхностных водах.

3. Ландшафтно-геохимическая структура на топологическом и катенарном уровнях организации в целом отличается невысокой радиальной и латеральной контрастностью вследствие свободного дренажа в почвах, слабого проявления биогеохимического и сорбционного барьеров.

4. На региональном уровне отмечено существенное варьирование состава почв и донных отложений как результат формирования потоков рассеяния, связанных с залеганием рудных полезных ископаемых и геологических структур, породы которых содержат высокие концентрации микроэлементов.

5. Наличие пород, обогащенных микро- и макроэлементами, и невысокое, в целом, накопление элементов на геохимических барьерах в почвах обуславливают интенсивное поступление их в поверхностные воды, которые отличаются высокими водомиграционными показателями для Мп Сг, N1, Ре.

Особенно активна миграция этих элементов в пределах подгорных равнин Приполярного Урала, где активизации миграции способствует поступление вод с заболоченных локальных водосборов, а также более кислая реакция почв в горной части.

6. Наличие участков с аномальным содержанием микроэлементов в почвах и донных отложениях обуславливает необходимость специальных программ мониторинга, основанных на учете особенностей геохимической структуры топогеосистем, а также разработки региональных шкал экологического нормирования.

7. Максимален экологический риск при освоении месторождений Приполярного Урала, где геосистемы отличаются наименьшей устойчивостью вследствие малой емкости биогеохимического круговорота в горных геосистемах, а интенсивная водная миграция может вызвать изменение вещественного состава в нижних звеньях миграционных рядов.

8. С целью оптимизации природопользования необходимо применение методов ландшафтно-экологического планирования территории.

Публикации автора по теме диссертации

Статьи в журналах, включенных в Перечень рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК РФ:

1. Селиванова Д. А. Экологически оптимальное размещение производственных объектов на территории освоения Приполярного и Северного Урала / Д.А. Селиванова, Д.В. Московченко, Ю.В. Казанцев, В.Н. Гончарова, Л.Н. Казанцева // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе - 2013. - № 6. - С. 40-44. - 0,48 / 0,16 п. л.

2. Селиванова Д.А. Эколого-геохимическое состояние почв Приполярного Урала ХМАО-Югры / Д.А. Селиванова, Д.В. Московченко // Недропользование XXI век - 2014. - № 3. - С. 92-97. - 0,47 / 0,24 п. л.

3. Селиванова Д.А. Пространственное распределение тяжелых металлов в донных отложениях Приполярного и Северного Урала (в пределах ХМАО-

Югры) / Д.А. Селиванова // Вестник Тюменского государственного университета. - 2014. - № 4. - С. 49-58. - 0,55 п. л.

Публикации в других научных изданиях:

4. Селиванова Д.А. Потенциальная оценка воздействия на окружающую среду разработки месторождений полезных ископаемых Приполярного и Северного Урала / Ю.В. Казанцев, Д.А. Селиванова, A.B. Темнов, Г.И. Россман // Пути реализации нефтегазового и рудного потенциала ХМАО-Югры: Сборник материалов XIII научно-практической конференции. -Екатеринбург - Ханты-Мансийск : Издательский Дом «ИздатНаукаСервис», 2010.-С. 501-508.-0,39/0,1 п. л.

5. Селиванова Д.А. Современное состояние поверхностных вод Приполярного и Северного Урала ХМАО-Югры / Ю.В. Казанцев, Д.А. Селиванова // Сборник тезисов VIII научно-практической конференции, посвященной памяти A.A. Дунина-Горкавича. - Ханты-Мансийск, 2012. - С. 63. -0,08/0,04 п. л.

6. Селиванова Д.А. Особенности состава речных вод восточного макросклона Приполярного и Северного Урала / Д.А. Селиванова, Д.В. Московченко // Доклады IV Международной научной конференции «Геоэкологические проблемы современности». - Владимир : Владимирский государственный университет, 2012.-С. 113-115.-0,23/0,11 п. л.

7. Селиванова Д.А. Гидрохимия рек Приполярного и Северного Урала / Д.А. Селиванова, Д.В. Московченко // Сборник статей III Международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов». -Тюмень : Тюменский государственный университет, 2012. - С. 204-206. - 0,16 / 0,08 п. л.

8. Селиванова Д.А. Особенности распределения тяжелых металлов в донных отложениях Уральской части ХМАО-Югры / Д.А. Селиванова, Д.В. Московченко, И.В. Завьялова // Сборник тезисов I Региональной молодежной конференции имени В.И. Шпильмана «Проблемы рационального природопользования и история геологического поиска в Западной Сибири» -

Ханты-Мансийск : БУ «Музей геологии, нефти и газа», 2013. - С. 169-173. -0,17/0,09 п. л.

9. Селиванова Д.А. Эколого-геохимическая устойчивость почв к воздействию тяжелых металлов в условиях перспективного недропользования (на примере бассейна реки Северная Сосьва) / Д.А. Селиванова, Д.В. Московченко, E.H. Крюк // Материалы докладов X Сибирского совещания по климато-экологическому мониторингу / под ред. М.В. Кабанова. - Томск : Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, 2013. -С. 346-353.-0,30/0,15 п. л.

10. Селиванова Д.А. Межгеосистемные миграционные потоки веществ бассейна реки Северная Сосьва / Д.А. Селиванова, Д.В. Московченко, В.Н. Гончарова, В.А. Пуртов, И.Н. Гончарова // Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов: Тезисы докладов IV Международной конференции, г. Тюмень, 11-13 сентября 2013 г. / под ред. A.B. Соромотина, A.B. Толстикова. -Тюмень : Издательство Тюменского государственного университета, 2013. - С. 134-136.-0,14/0,07 п. л.

11. Селиванова Д.А. Геохимическая неоднородность почв восточного склона Приполярного Урала / Д.А. Селиванова, Д.В. Московченко, В.Н. Гончарова, И.Н. Гончарова // Сборник материалов XVII научно-практической конференции / под редакцией A.B. Шпильмана, В.А. Волкова - Ханты-Мансийск : ОАО «Тюменский дом печати», 2013 - С. 113-121.-0,46/0,12 п. л.

12. Селиванова Д.А. Радиальная дифференциация микроэлементов в почвах восточного склона Приполярного Урала / Д.А. Селиванова, Д.В. Московченко // Экологическая безопасность горнопромышленных регионов: Труды II Международной научно-практической конференции / Отв. редакторы д.г.-м.н., профессор А.И. Семячков, д.э.н., профессор М.Н. Игнатьева. Екатеринбург : Уральский государственный горный университет, 2014. - С. 178-185.-0,37/0,19 п. л.

13. Селиванова Д.А. Геологические предпосылки формирования состава донных отложений Уральской части бассейна р. Ляпин / Д.А. Селиванова //

Эколого-экономическая эффективность природопользования на современном этапе развития Западно-Сибирского региона : материалы V Международной научно-практической конференции (Омск, 24 апреля 2014 года) : в 2 ч. Ч. 2 / отв. ред. д-р биол. наук, проф. А.И. Григорьев. - Омск : Изд-во ОмГПУ, 2014. С. 234-239.-0,24 п. л.

14. Селиванова Д.А. Микроэлементный состав почв восточного склона Северного Урала и прилегающих равнин / Д.А. Селиванова // Биогеохимия химических элементов и соединений в природных средах» : Материалы Международной школы-семинара молодых исследователей, г. Тюмень, 13-16 мая 2014 г. / под ред. Боева В.А., Сысо А.И., Хорошавина В.Ю. Тюмень : Издательство Тюменского государственного университета, 2014. С. 262-267. -0,33 п. л.

15. Селиванова Д.А. Формирование состава донных отложений в различных ландшафтно-геохимических условиях восточного склона Приполярного и Северного Урала // Развитие географических знаний : научный поиск и новые методы исследования : Материалы XVIII научной конференции молодых географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 27-31 мая 2014 г.) -Иркутск : Издательство Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2014. С. 41-43.-0,18 п. л.

16. Селиванова Д.А. Фоновые геохимические ассоциации в ландшафтах восточного макросклона Северного Урала / Д.А. Селиванова // Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов : Тезисы докладов V Международной конференции, г. Тюмень, 1-3 октября 2014 г. / под ред. A.B. Соромотина, A.B. Толстикова. Тюмень Издательство Тюменского государственного университета, 2014. - С. 204-206. - 0,12 п. л.

17. Селиванова Д.А. Гидрохимические особенности поверхностных вод восточного макросклона Приполярного Урала / Д.А. Селиванова // Геология, геоэкология и ресурсный потенциал Урала и сопредельных территорий : Материалы II Всероссийской молодежной геологической конференции - Уфа : Дизайн-ПолиграфСервис, 2014. -С. 183-189.-0,33 п. л.

18. Селиванова Д.А. Особенности микроэлементного состава почв восточного макросклона Приполярного Урала / Д.А. Селиванова Ч Современные проблемы географии и геологии : Материалы HI Международной научно-практической конференции с элементами школы-семинара для студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Томск, 11-12 ноября 2014 г. -Томск : ООО «Новые печатные технологии», 2014. - С. 63-67. - 0,19 п. л.

19. Селиванова Д.А. Эколого-гидрохимическая характеристика и интенсивность водной миграции элементов восточного макросклона Северного Урала / Д.А. Селиванова // Геоинформационные системы и дистанционное зондирование : Материалы 111 Международной конференции - Цахкадзор: Environmental Research and GIS Center, 2014 - С. 161-166.-0,21 п. л.

20. Селиванова Д.А. Фоновые геохимические характеристики ландшафтов восточного макросклона Приполярного Урала // VII Сибирская научно-практическая конференция молодых ученых по наукам о Земле (с участием иностранных специалистов): Материалы конференции / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск РИЦ НГУ, 2014. - С. 264-265. - 0,12 п. л.

Селиванова Дарья Александровна

ГЕОХИМИЯ ЛАНДШАФТОВ ВОСТОЧНОГО СКЛОНА ПРИПОЛЯРНОГО И СЕВЕРНОГО УРАЛА

25.00.23 - Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Подписано в печать 21.03.2015г. Формат 60x84/16. Печать Duplo. Бумага KymLux. Усл.-печ.л. 1,51. Тираж 130. Заказ 125.

Отпечатано с готового набора ООО «Вектор Бук». 625004, г.Тюмень, ул.Володарского, 45. Тел. (3452) 46-90-03, 55-72-17.

15--284Ö

2014270641

2014270641