Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Процессы формирования техногенно-аллювиальных осадков рек Урала

ВАК РФ 04.00.01, Общая и региональная геология

Автореферат диссертации по теме "Процессы формирования техногенно-аллювиальных осадков рек Урала"

Пермский государственный университет Геологический факультет Кафедра минералогии и петрографии

СТЕвНКОЗ

потека

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

У

Пермь-1998

Работа выполнена на кафедре минералогии и петрографии геологического факультета Пермского государственного университета

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук,

профессор Осовецкий Борис Михайлович

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических наук, профессор

Сергеев Валерий Иванович

(Московский государственный университет)

- доктор геолого-минералогических наук, профессор Лунев Борис Степанович (Пермский государственный университет)

Ведущая организация - Горный институт Пермского научного центра УрО РАН,

г.Пермь

Защита диссертации состоится 29 июня 1998 г. в 14— часов на заседании диссертационного совета К 063.59.01 в Пермском государственном университете по адресу: г.Пермь, ул.Букирева, 15, Ш'У, кор. 1, зал заседания ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пермского государственного университета.

Автореферат разослан ".........."....................... 1998 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим отправлять по адресу: 614600 ГСП, г.Пермь, ул.Букирева, 15, ПТУ, ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат географических наук, доцент

Актуальность работы. Реки и речные долины являются составной частью геологической среды. Их воды и отложения несут обширную и разнообразную информацию о строении, составе, условиях и процессах развития не только самих долин, но и водосборных территорий и конечных бассейнов стока. Выполняя разрушительную и созидательную геологическую деятельность, реки оказывают огромное влияние на перемещение и дифференциацию обломочного вещества. Важное место в изучении речных систем принадлежит исследованию аллювия, речных вод и процессов их взаимодействия. В системах "вода«-»речная взвесь" и "вода<->речной осадок" происходят разнообразные процессы, связанные как с особенностями водной среды, так и с особенностями аллювия.

В составе современных аллювиальных осадков, наряду с зернами естественных минералов, заметную роль, особенно на территориях крупных промышленных центров, играют частицы искусственного происхождения. Эти частицы мигрируют в составе взвешенных и донных наносов рек и распространяются на значительные площади. Частичная аккумуляция техногенных компонентов на поймах и в старичных водоемах, прудах и водохранилищах приводит к развитию процессов вторичного загрязнения. В связи с этим возникает необходимость всестороннего изучения процессов распространения техногенных частиц в аллювиальных осадках.

Объект исследования. Исследование техногенно-аллювиальных осадков проведено для осадков рек, протекающих по территории крупных промышленных центров Южного и Среднего Урала: р.Миасс (г.Челябинск), р.Урал (г.Магнитогорск), р.Исеть (г.Екатеринбург), р.Чусовая (г.Первоуральск, г.Ревда), р.Тагил (г.Нижний Тагил), реки Данилиха, Мулянка, Гайва, Ива, Мотовилиха (г.Пермь), р.Косъва (г.Губаха), система рек Кизел-Вильва-Яйва (г.Кизел, пос.Всеволодо-Вильва), р.Лысьва (г.Лысьва).

Цель и задачи работы. Целью работы является исследование условий формирования природно-техногенных аллювиальных осадков на примере речных долин, пр1!уро-ченных к территориям градопромышленных агломераций Уральского региона.

В процессе выполнения работы ставились следующие задачи.

1. Выделение основных видов техногенных компонентов в аллювиальных осадках рек Урала.

2. Оценка миграционной способности техногенных частиц в речных долинах.

3. Анализ роли техногенных продуктов в составе аллювиальных осадков рек данного региона.

Паучная новизна и защищаемые положения. Впервые на примере аллювия Уральского региона исследована новая подсистема осадочных частиц - техногенные компоненты. Введены понятия техногенно-аллювиальных осадков и техногенных ассоциаций, рассмотрены принципы систематики техногенных частиц в аллювии, предложен подход к оценке миграционной способности твердых техногенных продуктов в составе донных наносов, оценена роль техногенных продуктов в аллювиальных осадках.

Основные защищаемые положения.

1. В зонах градопромышленных. агломераций Урала интенсивно формируется новый генетический подтип аллювиальных осадков - техногенно-аллювиальный. В их составе присутствует техногенная ассоциация компонентов, которая определяется характером производственной деятельности в пределах территории речного бассейна.

2. Характерными элементами техногенного происхождения в составе речных взвесей Урала являются 2,а, Сг, Си, Ь'п, №, Ag, Ва, Р. Техногенно-геохимические ассоциации элементов отражают производственную специфику района.

3. Реки способствуют распространению техногенных частиц в современных аллювиальных осадках на территории Урала. Перенос техногенных частиц осуществляется в составе донных и взвешенных наносов рек; их миграционная способность определяется абразивной прочностью и гидравлической крупностью.

4. В речных долинах наблюдается дифференциация техногенных частиц по фациям и литологическим типам осадков, результатом которой является локальная их концентрация в отдельных слоях аллювия.

5. Изучение процессов накопления частиц в современных аллювиальных осадках рек имеет важное теоретическое и практическое значение, поскольку они способствуют все большему засорению природных осадков, заражению геологической среды вредными элементами.

Методика исследования. Использована комплексная методика исследования осадков с учетом поставленных задач. В полевых условиях в каждом пункте проводился отбор проб апеврйто-глинистых осадков низкой поймы, а также донных наносов, представленных песчаными и песчано-гравийными отложениями. Масса отбираемых проб - до 1 кг. Система опробования выбиралась с учетом предполагаемых ореолов распространения техногенных компонентов, а также фациального строения аллювия. Расстояние между пунктами опробования составляло: для малых рек на территории г. Перми 2-5 км, на других объектах - от 2 до 25 км.

Содержание малых элементов в наилках, а также в отдельных видах техногенных компонентов определено на основе спектрального полуколичественного анализа (на 37 элементов). В составе песчаных и песчано-гравийных осадков, после ситового анализа, под бинокуляром выделялись частицы искусственного происхождения, а также описывалась естественная минеральная ассоциация. Процентное содержание частиц определялось методом, применяемым для количественного минералогического анализа (в дорожке из 500 зерен). Оценка естественной ассоциации минералов в аллювии рек проведена на основе минералогического анализа фракции размером 0.25-0.1 мм. Минеральный состав отдельных видов техногенных частиц охарактеризован на основе данных рентгеноструктурного анализа. Всего отобрано и изучено 243 пробы, выполнено 75 минералогических, 141 спектральный, 12 рснтгеноструктурных анализов.

Экспериментально произведен замер гидравлической крупности наиболее распространенных видов техногенных частиц в стеклянном цилиндре, заполненном дистиллированной водой (всего 426 определений).

Личный вклад автора заключается в проведении полевых и экспериментальных работ, выполнении аналитических исследований.

Практическая ценность работы. В результате проведенных исследований рассмотрены производственные и экологические аспекты, связанные с концентрацией техногенных продуктов в речных системах Урала. Дана сравнительная оценка техногенной нагрузки на взвешенные и донные наносы речных систем.

Апробация работы. Основная часть исследований проведена в рамках гранта «Оценка экологического состояния водных систем Уральского региона по вещественному составу взвеси» (1993-1994 гг.), региональной НТП «Экология Западного Урала» и программы «Университеты России» (направление I).

Результаты исследований использованы в отчетах по бюджетной и хоздоговорным темам Естественнонаучного института при ПГУ. Представлялись в виде докладов на ежегодных научных конференциях Пермского университета (1994-1998 гг.), а также зарубежных конгрессах и совещаниях (Бразилия, 1994; Польша, 1995; Нидерланды, 1997; Эстония, 1997; Канада, 1998; Италия, 1998).

Публикация результатов исследования. Результаты исследований опубликованы в 17 работах, из них 4 за рубежом, включены в 3 отчета научно-исследовательских работ Естественнонаучного института при Пермском университете.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, включающего 70 наименований. Объем диссертации 149 страниц машинописного текста, иллюстрируемого 44 рисунками и 37 таблицами.

Автор выражает глубокую признательность научному руководителю профессору Б.М.Осовецкому; с.н.с. Н.Г.Максимовичу и всему коллективу лаборатории геологии техногенных процессов ЕНИ при ПГУ, оказавшему большую поддержку при ее написании, а также коллективу кафедры минералогии и петрографии ПГУ за консультации и замечания к работе.

Глава 1. Общие представления о техногенных компонентах в аллювии

В главе изложена история исследования техногенного материала, которая осуществлялась в ■ рамках геологии уже с 19 века (Д.И. Соколов, АП. Карпинский, В.И.Вернадский). В 40-е годы нашего века трудами отечественных ученых в рамках петрографии было создано новое направление, занимающееся изучением искусственных материалов - техническая петрография, которая рассматривала технические породы как искусственный аналог естественных пород. Наибольший вклад в развитие технической петрографии внесли отечественные ученые - Д.С. Белянкин, Б.В. Иванов, В.В. Лапин и др. В работах этих авторов детально охарактеризованы огнеупоры, керамика, шлаки, неметаллические включения в стали и технических стеклах, вяжущие материалы.

Проблемы распространения техногенных продуктов в аллювиальных и других осадках поставлены сравнительно недавно в связи с загрязнением рек, особенно в зонах крупных промышленных центров. Однако еще в работах 30-40 гг. отдельными авторами приводились разрозненные данные о присутствии последних в составе аллювиальных и морских осадков (Д.С. Белянкин, Н.В. Логвиненко, Л И. Карякин, В. СЬепсЬа! и др.).

Главными зонами поступления техногенных частиц в речные системы являются крупные промышленные объекты агломераций, в пределах которых расположены долины рек. Основными источниками техногенных компонентов в аллювии являются места складирования отходов различных производств (металлургической, машиностроительной, горнодобывающей, перерабатывающей промышленности и др.), строительства, транспортных перевозок и т.д.

Важным моментом в изучении твердых техногенных компонентов в аллювии является разработка их классификации. Решение этой задачи осложняется отсутствием общей научной классификации твердых отходов промышленности. Предлагаемые классификации техногенных продуктов по вещественному составу и источникам приведены в табл. 1, 2.

Аллювиальные осадки, содержащие значительную примесь техногенных частиц, рассматриваются как образования смешанного состава, т.е. техногенно-аллювиальные, в которых представлены обломки разного происхождения. При единстве генетического типа отчетливо проявляется принципиальное различие условий образования слагающих их частиц. Процессы формирования техногенно-аллювиальных осадков относятся к ггри-родно-техногенным процессам.

Определенные сочетания преобладающих техногенных компонентов в речных осадках названы техногенными ассоциациями. По аналогии с минеральными ассоциациями техногенные рекомендуется называть по основным компонентам, содержания которых превышают 10 % общей массы техногенного вещества в осадке.

Сочетание химических элементов техногенной природы, содержание которых значительно превышает их естественные концентрации, предлагается назвать техногенно-геохимической ассоциацией элементов.

Глава 2. Техногенно-аллювиальные осадки градопромышленных агломераций Урала

Исследования техногенно-аллювиальных осадков выполнены на примере рек, протекающих по территории крупных промышленных центров Южного и Среднего Урала. Основными источниками загрязнения исследованных рек являются крупные промышленные предприятия, которые осуществляют сброс сточных вод со значительным содержанием взвешенных веществ и тяжелых металлов, производят большие объемы твердых отходов.

В составе песчаных и алеврито-глинистых осадков рек Урала на территории городов, особенно вблизи промышленных зон, отмечено присутствие техногенных компонентов,

Таблица 1

Классификация техногенных компонентов по вещественному составу

Тип Класс 1 Примеры техногенных видов

Однородные вещества (мономинеральные) Самородные металлы Металлическая стружка, окалина, проволока, ртутные шарики

Самородные неметаллы Алмазная крошка, обломки серы, графита

Оксиды и гидроксиды магнитные шарики (сферулы)

Фосфаты Гранулы удобрений

Сульфаты Гранулы удобрений

Хлориды Гранулы удобрений

Силикаты Осколки стекол, стеклянный шлак, стек-[танные шарики

Органические вещества Битумы, смолы, оргстекло, уголь

Неоднородные вещества (полиминеральные) Обломки горных пород Крупные продукты дробления руд

Сростки минеральныхМелкие продукты дробления руд зерен 1

Искусственные продукты |Кирпич, шлаки, обломки бетона, шифера

Таблица 2

Классификация техногенных компонентов по источникам загрязнения

Тип Класс Примеры

Индустриальный Машиностроительный Металлическая стружка, сварочные шлаки

Металлургический Металлургические шлаки, огнеупорные материалы^флюсы

Химический и нефтегазо-химический Полимерные материалы, битумы, смолы,

Строительный Промышленностроительн ый Кирпич, обломки бетона, кирпича, асфальта

Дорожностроигельный «

Градостроительный «

Энергетический Теплоэнергетический Топливные шлаки и золы

Атомноэнергетический Радиоактивная пыль

Транспортный Железнодорожный Топливные золы

Автомобильный Частицы резины, техногенная пыль

Трубопроводный «

Авиационный «

Горнодобывающ ий Шахтный Обломки пород и руд

Карьерный «

Дражный Шламовые частицы

Гидравлический «

Сельскохозяйственный Растениеводческий Гранулы удобрений

Животноводческий Органические продукты

Коммунальный Сточный (бытовые стоки) Обломки стекла и строительных материалов, полимерные материалы

Свалок (бытовые свалки) «

Геологоразведочный Буровой Сплавы, технические алмазы (отходы буровых коронок)

Обогатительный Шламовые частицы, осколки металлов, ртуть

представленных частицами шлака, стеклянными образованиями в форме волокон и шариков, магнитными сферулами, металлической стружкой, обломками угля, кирпича, стекла, частицами резины, гудрона.

Магнитные сферулы, присутствующие в аллювии всех исследованных рек, представляют собой темно-серые металлические сферические частицы с шероховатой или гладкой поверхностью. Они являются составной частью топливных зол, пеплов и шлаков и по минеральному составу отвечают магнетиту, гематиту и маггемиту. Максимальные содержания до 3 % (р.Косьва).

Широко распространенным видом являются шлаковые частицы, которые представляют собой образования неправильной угловатой формы, часто пористые пемзовид-ные, иногда с включениями магнитных и стеклянных сферических образований. По внешнему облику образующего их вещества выделены два основных вида - стекловидные и металловидные шлаковые частицы. Среди последних распространены магнитные и немагнитные разности. Максимальное содержание стекловидных шлаковых частиц - до 7 % (р.Миасс), металловидных - до 30 % (в песчаных осадках р.Чусовой в районе г.Чусового ниже по течению отвала металлургического завода). Шлаки представляют собой сложные неоднородные образования, состоящие из кристаллического и аморфного вещества. Рентгенометрически в составе кристаллической части металловидных шлаков обнаружен (в %) магнетит (97.6) и кварц (2.4); стекловидного шлака - диопсид (41.1), кварц (43.8), анкерит (14.5) и магнетит (0.6); стекловидных шлаковых частиц со сферическими образованиями -муллит (46), магнетит (28.2), кварц (15.3), андезин (8.5), гипс (2).

Техногенные компоненты в составе речных взвесей и соответственно алеврито-глинистых осадков низкой поймы изученных рек представлены теми же видами, что и в составе песчаных осадков: мельчайшими магнитными сферулами, стеклянными шариками, часто с включениями пузырьков воздуха, переходными разностями между магнитными сферулами и стеклянными шариками, частицами угля, стекла, прозрачного светлоокрашенного стекловидного шлака в форме неправильных угловатых пористых образований, волокон и палочек (рр.Миасс, Исеть, Тагил, Косьва, Лысьва, малые реки г.Перми). Кроме того, присутствуют агрегаты гидроксидов железа в виде хрупкой хлопьевидной массы рыжего цвета (рр.Кизел, Вильва), черные сажистые агрегаты мельчайших магнитных частиц, в центре которых находятся плоские магнитные чешуйки с полуметаллическим блеском, реже глинистые минералы (р.Тагил).

Результаты спектрального анализа наилков рек показывают увеличение на территории городов, особенно вблизи и ниже по течению промышленных зон, содержания Ъп, РЬ, Си, вп, Сг, Мп, Р по сравнению с фоновыми значениями, за которые условно принимались содержания в пробах, отобранных в пригородной зоне выше по течению источников загрязнения (табл.3).

Таблица 3

Содержание микроэлементов в наилках рек Урала (п*10 "3 мас.%)

Место отбора Си РЬ Бп N1 МП Р Сг Ва АВ Число

пробы, река анализов

Мпясс 5 3 2 01 150 50 50 100 0.02 1

53 5 3.3 6.7 153 185 47 220 0.13 3

Исеть 15 9 2 0.3 10 180 - 15 40 - 1

24 11 5 0.9 12 128 64 37 60

Чусовая .30 30 6 0.15 5 700 50 15 90 0.02 1

(г.Первоуральск) 57 56 9 0.4 7.9 198 101 182 80 0.06 7

Тагил 10 5 1.8 0.2 7 100 100 15 70 - 1

266 16 8 0.9 6 276 - 28 35 5

Муляпка 4.5 6,5 0.75 0.25 6 65 _ 15 60 -

13 10 1.7 0.6 7.7 94 54 25 41 11

Егошнха 20. 9 3 М 40 60 100 50 60 0.02 1

22 11 3.2 0.74 46 86 60 52 68 0.03 5

Данллпха 8.5 10 1.8 0.25 8.5 55 50 23 30 0.05 2

25 12 5 1.2 18 126 80 42 50 0.12 9

Примечание: числитель - в пригородной зоне, знаменатель - на территории города и ниже по течению; - содержание элемента ниже чувствительности метода.

Глава 3. Сравнительная характеристика техяогенно-аллювиальиых осадков рек Урала

Данные, полученные в результате проведенных исследований, позволяют сравнить состав техногенно-аллювиальных осадков изученных рек по содержанию и видовому разнообразию техногенных компонентов, содержанию микроэлементов в составе наилков.

В составе аллювиальных осадков Уральского региона выделены два основных типа ассоциаций техногенных компонентов, состав которых определяется спецификой промышленного производства, развитого на территории бассейна рек: 1) угольно-шлаковая с преобладанием частиц угля, металловидных магнитных шлаков и магнитных сферул (типична для района разработки угольных месторождений - рр.Косьва, Кизел, Вильва); 2) шлаковая, в которой доминируют металловидные магнитные и стекловидные шлаки при второстепенной роли стеклянных шариков, стружки и др. (присутствует в составе осадков рек, протекающих по территории с развитием металлургии и машиностроения - рр. Тагил, Исеть, Миасс, Урал, Лысьва, Чусовая). Кроме того, распространены сложные техногенные ассоциации в составе осадков малых рек, протекающих по территории крупных промышленных городов с разнообразным производственным комплексом (на примере малых рек г.Перми - Мулянка, Данилиха, Гайва и др.).

Оценка содержаний микроэлементов в пойменных осадках рек выполнена с применением методов математической статистики. Статистическая обработка результатов спектрального анализа выполнена для 25 элементов (исключены ве, БЬ, Ав, С<3 в связи с недостаточной чувствительностью анализа для данных элементов).

Вариационные кривые содержаний большинства малых элементов в наилках изученных рек характеризуются гиперболовидным распределением. Для определения среднего содержания элементов в наилках рек Урала использовано среднее арифметическое.

Сравнение среднего содержания элементов с кларком для глин по АЛ.Виноградову (1962) показало соответствующие значения кларков концентрации (КК) > 1,0 для В1 (50), Сг (3.8), Ag (3.5), Тп (3.13), Си (2.1), РЬ (1.8), Мп (1.73). Превышение над кларком для содержаний этих элементов обусловлено не только спецификой природных источников питания, но и техногенным воздействием.

Признаками техногенной природы химических элементов являются повышенное относительно условного фона среднее его содержание в наилке, наличие отдельных весьма высоких концентраций и большие значения коэффициента вариации. При этом учитывалась вероятность нахождения в осадках природных минералов-носителей данного элемента. Исследованные реки по минеральному составу аллювия принадлежат к Уральской терри-генно-минералогической макропровинции (Лунев, 1967; Осовецкий, 1986), где в основном составе минералов, распространенных в аллювиальных осадках, практически не содержатся такие элементы, как Си, '¿п, 5п, РЬ, №, Со, Мо.

Наибольшие значения коэффициента вариации (200 и более %) наблюдаются для содержаний В1 и Ац, в пределах 200-100 % - Хп, УЬ, Бп, Сг, Ьа, Си, Ве, №, У, Бг, Р. Значительно варьируют также содержания РЬ, Бс, Мп, Ва, Мо (коэффициент вариации - 100-78 %). Наименьшие значения коэффициента вариации наблюдаются для содержаний V, "П, ва. С учетом конкретных ситуаций для этих элементов прослеживается влияние техногенных факторов на повышение их содержаний и распределение в наилках исследованных рек.

Сравнение содержаний малых элементов в наилках отдельных рек со средним для исследованных рек Урала позволяет выделить техногенно-геохимические ассоциации (табл.4). Высокими содержаниями малых элементов техногенной природы выделяются: р.Миасс (техногенно-геохимическая ассоциация вп-гп-РЬ-Ва); р.Урал (Ba-Sn-Ag-Zn-P); р.Тагил (гп-РЬ-У-5г); верховья р.Чусовой (Сг-Си-РЬ-Р); р.Данилиха (А§-Мо-5п-№).

По данным исследования взвешенных осадков для большинства рек Уральского региона на участках зон градопромышленных агломераций наиболее характерными элементами, связанными с техногенным воздействием, являются Хп, РЬ, Си, Сг, Бп, N1. Реже устанавливается техногенная природа для таких элементов, как Ва, Ag, Р. Присутствие в наилках таких токсичных элементов, как Аб (верховья р.Чусовой), ЭЬ (рр.Миасс, Урал, Гай-ва), Сс1 (рр.Миасс, Урал) также обусловлено техногенным воздействием.

При сравнении средних содержаний характерных техногенных элементов с кларками отмечены наибольшие значения КК для Ъху (наилки р.Тагил - 21.4), Сг,Си и РЬ (верховья р.Чусовой - 14.0, 8.5 и 4.2 соответственно), № (р.Егошиха - 4.7).

Расчеты коэффициентов парной корреляции между содержаниями элементов в наилках рек Урала (по 124 анализам) и малых рек г.Перми (по 40 анализам) показывают наличие как тесных положительных, так и отрицательных связей. На основе анализа матрицы коэффициентов корреляции содержаний элементов в наилках рек Урала выделены две

Средние содержания микроэлементов в наилках пойм рек Урала (п*10"3 мас.%)

Таблица 4

Река № Со Сг Мп V т; Р Си Та РЬ ч Мо Ва Бп Ъг У 1ЧЬ Л

Миасс 5.8 1.9 42 127 4.7 450 87 4 80 5.1 0.07 0.31 143 1.8 23 4.2 0.3 6

Урал 7.7 1.8 29 83 5.0 333 103 3 67 3.6 0.11 0.2 150 1.2 17 3 0.2 3

Исеть 9.9 2.0 32 119 10 367 39 9 16 3.9 0.02 0.07 63 0.7 10 1.6 0.7 9

Тагил 6.0 2.3 25 219 16 488 50 13 171 5.7 0.02 0.16 43 0.7 15 2.4 1.1

Чусовая 89 2.7 140 242 13 422 94 48 51 8.3 0.05 0.37 72 0.4 10 0.4 0.7 9

Косьва 4.8 2.3 16 97 8 422 44 5 10 2.6 0.01 0.17 64 0.2 23 5 0.7 33

Кшел 6.7 1.5 15 130 10 400 37 и 18 2.2 0.01 0.27 40 0.3 15 1.5 1.1 9

Вильва 8.3 2.0 41 63 9 329 49 8 14 2.0 0.09 0.26 29 0,5 10 1.3 0.7 7

Лысьва 8.0 2.4 53 114 10 430 79 13 33 3.0 0.03 0.30 44 0.8 10 1 0.7 10

Данилина 16 2.1 39 85 9 355 75 12 22 4.4 0.11 0.41 46 1.0 15 1.2 0.9 11

Мулянка 8.8 2.7 25 94 10 400 54 10 13 1.7 0.01 0.17 54 0.6 14 0.9 0.9 11

Гайва 7.2 1.6 16 78 9 367 0 7.5 14 2.7 0.02 0.10 63 0.6 16 1.6 0.8 6

Ива 11 1.9 28 100 10 425 50 17 13 3.9 0.02 0.15 58 0.3 18 1.6 1.1 4

Его ш им 45 2.0 52 82 11 417 67 11 22 3.2 0.03 0.32 67 0.7 23 1.7 1.1 6

Средвее 9.9 2.2 38 116 9.6 403 56 12 25 З.б 0.04 0.2 61 0.6 16 2.2 0.8 124

ЧуВСЛШ-ТСЛЫЮСТЬ метода 0.3 0.4 1 1 0.3 1 50 0.1 3 0.1 0.01 0.1 20 0.1 1 1 0.2

Примечание: п — число анализов.

группы элементов с тесными положительными связями: в первой группе преобладают характерные техногенные элементы - ¿п, РЬ, Си, Сг, во второй - природные редкие и рассеянные - У, УЬ, 5с, Тх, Ве. В наилках малых рек г.Перми на основе анализа корреляционных связей также выделены рассмотренные выше группы элементов с некоторым изменением состава: «техногенная» группа представлена Мо, Р, Сг, Тп, Эп, РЬ и др., «естественная» - У, УЪ, Бс, Ьа, Т], йа., 7х и др. Внутри групп наблюдается преобладание значимых положительных связей с коэффициентом корреляции более 0.5, между группами - отрицательных связей с низкими значениями коэффициента корреляции (рисунок).

Глава 4. Миграция и дифференциация техногенных компонентов в речных долинах

Поступив в долину реки, техногенные частицы в дальнейшем транспортируются водными потоками вместе с природными компонентами. Особенности миграции техногенных частиц контролируются теми же факторами, что и миграция естественных минеральных зерен. Исходя из этого, выделяются три группы факторов, определяющих миграцию техногенных компонентов в долинах рек: 1) динамические характеристики водного потока (средняя скорость, турбулентность, бурность, расход, водообильность и др.), 2) физико-химические свойства техногенных частиц (размеры, форма, плотность, характер поверхности, растворимость, хрупкость, твердость, смачиваемость, спайность, трещиноватость и др.), 3) геолого-геоморфологическое строение речной долины, определяющее условия аккумуляции и транзита техногенных компонентов.

Миграция твердых техногенных компонентов осуществляется в составе взвешенных и донных наносов. Соотношение между этими формами миграции для каждого вида техногенного продукта определяется физическими свойствами техногенных частиц (размерами, плотностью, формой и т.д.). Интегральным показателем оценки миграционной способности, учитывающим эти свойства, является гидравлическая крупность частиц (скорость свободного падения в воде при температуре 24° С). Она прямо пропорциональна диаметру частицы и ее плотности, но зависит также от формы, характера поверхности, гидрофобное™. Соотношение гидравлической крупности частицы и средней скорости водного потока определяет поведение ее в водном потоке, а именно перенос в составе взвешенных или донных наносов.

Миграционная способность твердых техногенных компонентов оценена на основе показателя, предложенного Б.М.Осовецким (1992):

(Н)

1М - (1)

\У

где Н - абразивная прочность, в баллах; W - гидравлическая крупность частиц, в см/с.

Величина миграционной способности (Ь), измеряемая в с/см, в физическом отношении представляет собой время, в течение которого частица данного вида осаждается в толще аллювиальных осадков на глубину 1 см. Оценка миграционной способности дана

Рис. Графы корреляционных связей содержаний элементов: 1- в наилках рек Урала; 2- в наилках малых рек г.Перми: а - ассоциация, обусловленная техногенным воздействием, б -обусловленная естественными факторами. Положительные значения коэффициента корреляции: >0.5 - сплошные линии; 0.5-0.25 - пунктирные линии; < 0.25 - штрих-пунктирные линии; отрицательные связи - точечные линии.

для совокупности родственных техногенных частиц, аналогично тому, как миграционная способность минералов оценивается для совокупности конкретных индивидов.

Гидравлическая крупность экспериментально замерялась для представительной группы наиболее широко распространенных техногенных образований - угля (на примере осадков рек Косьвы, Кизела, Вильвы, Исети), металловидного магнитного, немагнитного и стекловидного шлака (рр. Исегь, Косьва, Кизел, Чусовая, Урал, Миасс), стеклянных шариков (рр.Исеть, Урал, Данилиха), «красных» шариков (р. Исеть), магнитных сферул (рр.Косьва, Исеть, Тагил, Данилиха, Чусовая), кирпича (рр.Исеть, Данилиха). Группы включали 30-80 индивидов разного размера и формы.

Для аппроксимации результатов проведенных экспериментов использована формула вида: \У=а*с1ь, (2)

где (1 - средний диаметр зерна, мм; а - коэффициент пропорциональности; Ь - показатель степени

В табл.5 приведены формулы зависимости гидравлической крупности от среднего диаметра частиц и значения коэффициента корреляции. По формуле зависимости определялось значение для условной техногенной частицы диаметром 1 мм.

Таблица 5

Значения показателей, характеризующих миграционную способность техногенных частиц

Вид техногенных частиц Формула Коэффициент Значение гидрав- Средняя

зависимости корреляции меж- лической крупно- твердость,

от а ду значениями сти для частицы баллы шка-

и ё (1=1 мм, см/с лы Мооса

Уголь «легкий» \У=1.35*(Р5 0.92 (>0.39) 1.35 2

Уголь «тяжелый» 0.81(>0.42) 3 2.6

Металловидный маг- ДУ=9.52*<30'715 0.79(>0.35) 9.52 5

нитный шлак

Металловидный немаг- \У=3.35*с1и 0.76 (>0.42) 3.35 4.6

нитный шлак

Стекловидный шлак \У=7.87*с10'78 0.74 (>0.28) 7.87 4.5

Кирпич Ш=8.09*сГ27 0.90 (>0.35) 8.09 4

Стекловидные шарики \У=12.5*с10'844 0.91(>0.49) 12.5 5

«Красные» шарики \У=6.18*с!10а 0.96 (>0.54) 6.18 1

Магнитные сферулы ■\У=17.2*с10'853 0.92 (>0.35) 17.2 4.6

Примечание: в скобках приведено критическое значение коэффициента корреляции для 1-% уровня значимости.

В качестве количественной характеристика абразивной прочности техногенных частиц принята их твердость, определяемая по шкале Мооса.

Таким образом, миграционная способность техногенных частиц определялась по данным экспериментов и рассчитывалась по формуле:

Вер

-, (3)

\¥усл

где И ср - среднее значение твердости, в баллах шкалы Мооса; уел - значение гидравлической крупности условного зерна среднего диаметра 1 мм, см/с.

Значения миграционной способности для техногенных видов колеблются в значительных пределах (табл.б). Полученные данные позволяют выделить три группы техногенных компонентов по их миграционной способности (с/см) в составе донных наносов: 1) с высокой миграционной способностью - 1>1 («легкий» уголь, металловидный немагнитный шлак); 2) средней - Ь=1-0.4 («тяжелый» уголь, стекловидный шлак, кирпич, стекловидные шарики); 3) низкой - Ь<0.4 («красные» шарики, магнитные сферулы).

Таблица 6

Миграционная способность техногенных частиц, с/см

Вид техногенных частиц Значение миграционной

способности

Уголь "легкий" 1.48

Металловидный немагнитный шлак 1.37

Уголь "тяжелый" 0.87

Стекловидный шлак 0.57

Металловидный магнитный шлак 0.53

Кирпич 0.49

Стекловидные шарики 0.40

Магнитные сферулы 0.27

«Красные» шарики 0.16

Распределение частиц каждого техногенного вида между донными и взвешенными наносами зависит от гидравлической крупности. В связи с этим в составе взвешенных наносов переносятся техногенные частицы «легкого» угля размером (мм) менее 0.8, «тяжелого» угля - 0.33, металловидного магнитного и немагнитного шлака - 0.0435 и 0.33 соответственно, стекловидного шлака - 0.07, кирпича - 0.1, стекловидных и красньк шариков - 0.05 и 0.18 соответственно, магнитных сферул - 0.036.

Исследование состава алеврито-глинистых пойменных осадков рек Урала показало, что в них концентрируются не только очень мелкие техногенные частицы (магнитные сферулы, стеклянные шарики, шлаковые частицы, сажа и др.), но и более крупные уплощенной формы (частицы угля, чешуйки сажи) или весьма малой плотности (стеклянные шарики с включениями газа, шлаковые частицы с пористой структурой, полые разновидности магнитных сферул). Ввиду небольших размеров, болей низкой плотности, уплощенной формы

такие частицы отличаются низкими значениями гидравлической крупности и, следовательно, имеют более высокую миграционную способность.

Миграция твердых частиц техногенных компонентов в речном потоке сопровождается процессами их дифференциации, приводящими к концентрации или разубоживанию в осадках. В результате этих процессов даже вблизи источника техногенных продуктов могут встречаться прослои осадков, практически не содержащие техногенных частиц, а на значительном расстоянии от источника появляются линзы и слои, существенно обогащенные техногенными продуктами.

Дифференциация техногенных частиц в аллювиальных осадках проявляется в неравномерном их распределении по фациям. Приуроченность техногенных зерен к определенным литолого-фациальным типам аллювия также определяется соотношением их гидравлической крупности и средней скорости водного потока.

Процессы концентрации и разубоживания техногенных зерен в русловых осадках контролируются эффектами селективным, шероховатости дна и унаследования (Осовецкий, 1986). Скопления крупных и сравнительно тяжелых техногенных обломков обычны в местах концентрации шлиховых минералов - перед выступами прочных коренных пород на дне быстротоков, в головных частях отмелей, островов. Пойменные осадки включают мелкие частички техногенных компонентов или более крупные зерна наиболее легких компонентов. Накопление техногенных частиц в пойменных алевритах и глинах контролируется эффектами сортировки по гидравлической крупности и гетерогенности осадка (Осовецкий, 1986).

5. Прикладные аспекты изучения техногенно-аллювиальных осадков

Проведенные исследования аллювиальных осадков рек Урала показывают, что техногенные компоненты играют заметную роль в их составе. Среднее суммарное содержание техногенных частиц в составе песчаных осадков изученных рек на территории промышленных центров Урала составляет около 10 %. Из исследованных рек наибольший процент техногенных частиц отмечен в песчаных и алеврито-глинистых осадках рек Кизелов-ского угольного бассейна - Косьвы и Кизела (до 90 % в составе песчаных осадков прирусловой отмели р.Косьвы). Наиболее широкое видовое разнообразие техногенных частиц отмечено в песчаных осадках р.Исеть на территории г.Екатеринбурга. При суммарном содержании порядка 10 % здесь встречено 9 техногенных видов.

Реки выступают в качестве транспортных артерий для переноса техногенных образований и способствуют их распространению на значительных площадях. Учитывая масштабы загрязнения аллювиальных осадков исследованных рек техногенными продуктами, можно прогнозировать наличие значительных объемов техногенных частиц в осадках прудов, водохранилищ и озер Урала. Техногенное загрязнение в речных долинах неизбежно сказывается и на составе вод.

Основным направлением практического использования техногенно-аллювиальных осадков является разработка техногенных россыпей и русловых отложений рек в качестве месторождений строительных материалов. Значительные масштабы загрязнения аллювиаль-

ных осадков рек крупных промышленных центров Урала техногенными компонентами требуют учета влияния последних на качественные показатели сырья.

Присутствие в составе аллювиальных осадков рек крупных промышленных центров Урала техногенных частиц может служить причиной искажения результатов геохимической съемки и геохимических поисков месторождений полезных ископаемых. Особой проверки требуют аномалии Pb, Zn, Cu.

На первый взгляд техногенное засорение осадков рек не представляет столь значительной опасности для здоровья населения, как заражение поверхностных вод и атмосферы. Тем не менее, этот процесс не следует недооценивать, особенно при оценке перспектив экологического развития территорий, т.к. отдельные техногенные компоненты в составе речных осадков могут включать токсичные элементы и соединения. Постепенное растворение техногенных продуктов в воде может способствовать повышению ее токсичности. Особую опасность представляет накопление техногенных продуктов, содержащих токсичные элементы, в идах водохранилищ и прудах крупных промышленных центров, а также в осадках озер. В общем, донные отложения выступают как своеобразный «накопитель», который при определенных гидрологических и гидрохимических режимах может вызывать интенсивное повторное загрязнение. Этому способствуют активные геохимические процессы преобразования техногенных продуктов. Учитывая то, что многие промышленные города и районы Уральского региона (Екатеринбург, Магнитогорск, Челябинск, Нижний Тагил и др.) относятся к дефицитным по водообеспеченности, изучение состояния аллювиальных осадков рек в связи с процессами возможного вторичного загрязнения вод является чрезвычайно важным.

Заключение

Данная работа представляет собой первое обобщение по твердым техногенным продуктам в аллювии рек градопромышленных агломераций Уральского региона. Выполненные автором исследования позволяют сделать вывод, что в этих зонах интенсивно формируется новый генетический подтип аллювиальных осадков - техногенно-аллювиальный.

В техногенно-аллювиальных осадках, наряду с природными минеральными частицами, присутствует техногенная ассоциация компонентов, состав которой определяется характером производственной деятельности. Для исследованных рек Уральского региона характерны два основных типа ассоциаций техногенных компонентов: угольно-шлаковая, распространенная в осадках рек, пересекающих территорию разработки угольных месторождений, и шлаковая, характерная для аллювия рек, где основными отраслями промышленности, развитыми в пределах территории речного бассейна, являются металлургия и тяжелое машиностроение. Кроме того, широко распространены более сложные ассоциации техногенных компонентов в осадках малых рек, связанные с разнообразными локальными источниками техногенных продуктов.

Характерными элементами в составе речных взвесей Урала, существенная часть которых имеет техногенное происхождение, являются Zn, Pb, Cu, Сг, Sn, Ni, Ag, Ba, P.

Реки способствуют распространению техногенных частиц в современных аллювиальных осадках на территории Урала. Миграция техногенных частиц осуществляется в со-

15

ставе донных и взвешенных наносов рек. Дальность миграции нерастворимых твердых продуктов определяется, прежде всего, абразивной прочностью частиц и их гидразлической крупностью. Значения миграционной способности для выделенных техногенных видов в составе донных наносов колеблются в значительных пределах.

Миграция твердых частиц техногенных компонентов в речном потоке сопровождается процессами их дифференциации по фациям и литологическим разностям осадка. При этом происходит либо концентрация, либо разубоживание техногенных продуктов. Приуроченность техногенных зерен к определенным фациальным зонам определяется соотношением их гидравлической крупности и средней скорости водного потока. Первый из этих показателей зависит от исходной крупности техногенных компонентов в источнике, из которого они поступают в долину реки.

Техногенные продукты в составе природных аллювиальных осадков изученных рек играют значительную роль в их составе. Из исследованных рек наибольший процент техногенных частиц отмечен в песчаных и алеврито-глинистых осадках рек Кизеловского угольного бассейна (максимальное суммарное содержание техногенных частиц в песчаной фракции аллювия р.Косьвы около 90 %, Кизела - 40 %). Алеврито-глинистые осадки р.Косьвы почти на всем протяжении долины ниже границы разработки вплоть до устьевых участков представлены черной глинисто-угольно-золистой массой, р.Кизела - агрегатами гидроксидов железа и частицами угля. Наиболее широко по видовому разнообразию техногенные частицы представлены в песчаных осадках р.Исеть на территории г.Екатеринбурга, где при суммарном содержании порядка 10 % общее число встреченных техногенных видов составило 9. Наибольшая концентрация и разнообразие токсичных элементов (Ах, ЕИ, 5Ь, РЬ и др.) отмечены в осадках верхнего течения р. Чусовой (Первоуральско-Ревдинский промышленный узел).

Общая закономерность распределения техногенных компонентов в долинах рек выражается в максимальных их концентрациях в аллювии на территории городов (вблизи промышленных зон, участков складирования отходов и т.п.) и снижении содержания с удалением от источников по «волновому» закону. Особенности такого распределения определяются миграционной способностью частиц, динамикой водного потока, строением речного русла и др.

Изучение процессов накопления техногенных частиц в современных аллювиальных осадках рек имеет важное теоретическое и практическое значение, поскольку в них присутствуют многие полезные минералы (золото, платиноиды, алмазы и др. в техногенных рос-сыпепроявлениях). Техногенно-аллювиальные осадки являются широко распространенным строительным сырьем (гравий, песок, глина). В то же время эти процессы способствуют все большему засорению природных осадков, заражению геологической среды вредными для здоровья элементами.

Оценка роли техногенных продуктов в формировании микрокомпонентного состава речных вод и осадков, их трансформации в речном русле с течением времени, зон влияния крупных градопромышленных агломераций на речные экосистемы, представляет собой задачу дальнейших исследований.

Список опубликованных по теме работ

1. Техногенные частицы в аллювии р.Косьвы //Экологическая безопасность городов Урала: Тез.докл.рег.науч.-тех.конф./Перм. ун-т. - Пермь, 1994. - С.87-88.

2. Геохимический состав взвешенных наносов малых рек Кизеловско-Губахинской градо-промышленной агломерации//Экологическая безопасность городов Урала: Тез.докл.рег.науч.-тех.конф./Перм. ун-т. - Пермь, 1994. - С.43-44 (в соавторстве с Р.Г.Ибламиновым и Б.М.Осовецким).

3. Миграция техногенных компонентов в речных системах/ЛХ Межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных русловых и устьевых потоков: Тез.докл. -Брянск, 1994. - С. 109-111 ( в соавторстве с Б.М.Осовецким).

4. The influence of Kizel coal basin on the load sediment composition// 14th Int.Sedimentological Congress.-Brasil, 1994 ( в соавторстве с Н.Г.Максимовичем и Б.М.Осовецким).

5. Влияние Кизеловского угольного бассейна на геохимию р.Косьвы//Современные проблемы геологии Западного Урала: Тез.докл.науч.конф./Перм. ун-т. - Пермь, 1995. - С.121 (в соавторстве с Н.Г.Максимовичем и С М. Блиновым).

6. The influence of Kizel coal basin on the river ecology conditions//Abstracts ХШ International Congress on carboniferous-permian. - Krakov, 1995. - P.99 (в соавторстве с Н.Г.Максимовичем и С.М.Блиновым).

7. Техногенные минералы донных отложений р.Косьвы в зоне влияния Кизеловского угольного бассейна// Уральская летняя минералогическая школа-95: Мат.межвуз.науч.конф. - Екатеринбург, 1995. - С.94-95 (в соавторстве с Н.Г.Максимовичем и С.М.Блиновым).

8. Геоэкологические особенности магистральных рек Кизеловского угольного бассей-на//Регион и география: Тез.докл.межд.науч.-практ.конф./ Перм.ун-т. - Пермь, 1995. -С.150-152 (в соавторстве с Н.Г.Максимовичем, и С.М.Блиновым).

9. Шлихогеохимический контроль техногенного загрязнения донных отложений рек//Эколог.безопасность населения в зонах ГПА Урала: Тез.докл.рег.науч-тех.конф./Перм.ун-т. - Пермь, 1995. - С.121-123 (в соавторстве с Б.М.Осовецким).

10. Шлихогеохимический метод при изучении техногенного загрязнения аллювиальных осадков//Моделирование геологических систем и процессов: Мат.рег.конфУПерм. ун-т. -Пермь, 1996. - С.78-80.

11. Техногенные частицы в аллювиальных отложениях рек Урала//Перспективы развития естественных наук на Западном Урале: Мат.межд.науч.конф. Т.И, - Пермь, 1996. - С.63-64.

12. Миграция техногенных компонентов в речных долинах и ее влияние на состояние экосистем/Вестник Пермского университета. Экология. - Пермь, 1996. - С. 113-128 (в соавторстве с Б.МОсовецким).

13. Аллювиально-техногенные осадки в долинах рек Урала//12 межвузовское координационное совещание по проблемам эрозионных, русловых и устьевых процессов: Краткие сообщ./Перм.ун-т,- Пермь, 1997. - С. 105-106.

14. Technogenic sphaerules in alluvial sediments of the Urals//lmpact and extraterrestrial spherules: new tools for global correlation. -Tallinn, 1997. - P.41 (в соавторстве с Б.М.Осовецким).

15. Bottomset beds influence on formation of water quality in rivers of West Ural// Int.Conference on Contaminated Sediments. Rotterdam, The Netherlands, 1997. - P.325-331 (в соавторстве с А.П.Лепихиным и др.).

16. Воздействие твердых отходов Чусовскош металлургического завода на состояние р.Чусовой/ЛТроблемы геологии Пермского Урала и Приуралья: Мат.рег.научн.конф./Перм.ун-т,- Пермь, 1998. - С. 152-154 (в соавторстве с Н.Г.Максимовичем, и С.М.Блиновым).

17. Техногенные минералы аллювия рек Урала//Минералогия Урала: Мат.Ш регион.совещ. Т.2. - Миасс: Ин-т мин. УрО РАН, 1998. - С.26-28 (в соавторстве с Н.Г.Максимовичем).

/

Подписано в печать 25.05.98. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Усл.печ.л.1,16. Тираж 100 экз. Заказ 231. 614600, г.Пермь, ул.Букирева, 15. Типография Пермского университета.