Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Вещественный состав и геохимическая характеристика пылевых атмосферных выпадений на территории Обского бассейна

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Шатилов, Алексей Юрьевич

Введение.

1. Использование снегового покрова в качестве естественного планшета-накопителя пылеаэрозольных выпадений из атмосферы для оценки состояния окружающей среды.

2. Характеристика региона исследований и экологические проблеммы.

2.1. Краткая общая характеристика Западно-Сибирского региона.

2.2. Экологические проблемы.

3. Методика исследований и лабораторные методы изучения проб.

4. Вещественный состав пылевых атмосферных выпадений

4.1. Характеристика частиц атмосферной пыли

4.2. Вещественный состав пылевых атмосферных выпадений на территориях с различной техногенной нагрузкой

5. Геохимическая характеристика пылевых атмосферных выпадений по данным изучения загрязнения снегового покрова

5.1. Микроэлементы в магнитных фракциях пылеаэрозольных выпадений.

5.2. Геохимическая характеристика пылеаэрозольных выпадений на территориях с различной техногенной нагрузкой

5.2.1. Геохимическая характеристика пылеаэрозольных выпадений в фоновых районах Западно-Сибирского региона.

5.2.2. Геохимическая характеристика пылеаэрозольных выпадений на слабо урбанизированных территориях.

5.2.3. Геохимическая характеристика пылеаэрозольных выпадений на высоко урбанизированных территориях и промышленных площадках.

5.3. Геохимические особенности пылеаэрозольных выпадений в зоне влияния Сибирского химического комбината

5.3.1. Краткая характеристика производства

5.3.2. Геохимическая характеристика пылеаэрозольных выпадений.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Вещественный состав и геохимическая характеристика пылевых атмосферных выпадений на территории Обского бассейна"

В настоящее время промышленные центры являются мощными источниками выбросов загрязняющих веществ, которые оказывают воздействие на окружающую среду, меняя ее химические и физические характеристики. Масштаб этого процесса достаточно велик, так что можно говорить об интенсивном формировании биогеохимических провинций в окрестностях больших городов, с одной стороны, и изменении глобального уровня загрязнения - с другой. В атмосферу в мире ежегодно выбрасывается 200 млн. т. окиси углерода, 150 млн. т. двуокиси серы и другие загрязняющие вещества. Только в глобальном масштабе 6-10% массы аэрозоля образуется за счет деятельности человека, в ближайшем будущем эта величина может возрасти до 15% (Бат-чер, Чарлсон, 1977).

Иногда месячного срока работы предприятия достаточно для того, чтобы угнетение жизнедеятельности растений в его окрестностях проявилось вполне отчетливо (Вавельский, Чебан, 1990 и др.).

Одной из особенностей загрязнения атмосферного воздуха является полиэле-ментность состава аэрозольных выпадений. Это связано с тем, что выбросы предприятий основных отраслей промышленности и ТЭЦ содержат широкий спектр химических элементов («Геохимия.», 1990; Титаева и др., 1993 и др.). Многочисленные исследования атмосферного воздуха в зоне воздействия предприятий черной и цветной металлургии, машиностроения и приборостроения показывают накопление в воздухе широкой ассоциации не только химических элементов, характерных для основного цикла производства, но и элементов-спутников, присутствующих в сырье или использующихся при вспомогательных технологических процессах. Это в свою очередь приводит к увеличению поступления ингаляционным путем в организм человека химических элементов, что оказывает неблагоприятное воздействие на здоровье населения (Воробьева и др., 1992; Байковский, 1994 и др.).

Существующие атмохимические аномалии способствуют формированию очагов загрязнения в депонирующих средах, при этом снеговой покров является кратковременной депонирующей средой. Определение пространственной структуры загрязнения снегового покрова, установление типоморфных ассоциаций элементов в различных фракциях пылеаэрозольных выпадений позволяет выявить источник загрязнения и определить степень его воздействия на окружающую среду и здоровье человека.

Актуальность проблемы определяется общей задачей оздоровления окружающей среды. Изучение максимально возможного круга элементов в депонирующих средах позволяет определить пространственную структуру их распределения и идентифицировать источник загрязнения. В условиях увеличения техногенной нагрузки на окружающую среду все это представляется весьма актуальным.

Основная цель работы - изучение вещественного состава пылевых атмосферных выпадений и установление уровня накопления в них химических элементов для разработки и внедрения приемов и методов эколого-геохимических исследований при оценке состояния природной среды. Для ее решения поставлены следующие задачи:

1. Изучение вещественного состава пылеаэрозольных выпадений на территориях с разной техногенной нагрузкой;

2. Установление взаимосвязи уровня накопления химических элементов в твердом осадке снегового покрова, по данным нейтронно-активационного анализа, с различными по физическим свойствам фракциями пылеаэрозольных выпадений (магнитными, электромагнитными и немагнитными);

3. Установление уровня загрязнения снегового покрова редкими, редкоземельными и радиоактивными элементами при наличии различных антропогенных источников выбросов;

4. Установление ассоциаций редких, редкоземельных и радиоактивных элементов, характерных для пылеаэрозольных выбросов промышленных предприятий различных отраслей промышленности.

Защищаемые положения

1. Вещественный состав нерастворимой фазы твердого осадка снегового покрова в районах с разной степенью техногенной нагрузки отличается по соотношению частиц природного и техногенного происхождения и зависит от специфики функционирующих промышленных производств.

2. Степень техногенной нагрузки определяется уровнем запыленности, притока микроэлементов с атмосферной пылью и их концентрации в фиксируемых снеговым покровом выпадениях. Качественный состав нерастворимой фазы твердого осадка снегового покрова отражает геохимическую специфику функционирующих комплексов: угледобывающих и углеперерабатывающих; горнодобывающих и перерабатывающих; нефтехимической промышленности; машиностроения; теплоэнергетической промышленности; сельского хозяйства, с интенсивным использованием удобрений; производства ядерно-топливного цикла.

3. Особенностью вещественного состава нерастворимой фазы твердого осадка снегового покрова в районах расположения предприятий ядерно-топливного цикла (на примере Сибирского химического комбината) является присутствие "горячих" частиц и сложного геохимического спектра редкоземельных и радиоактивных элементов, уровень накопления которых в 10-100 раз превышает фоновые значения. Зоны влияния Сибирского химического комбината выделяются по величине отношений микроэлементов: ТЪ/и<2,5; Ьа/УЬ> 12; (Ьа+Се)/(УЪ+Ьи)<26 и (Ьа+Се)/(УЬ+Ьи)>34. Поля концентрации индикаторных компонентов образуют единую структуру, характеризующуюся вытянутостью оси ореолов преимущественно по преобладающей «розе ветров».

Научная новизна работы. Впервые оценен уровень накопления редких, редкоземельных и радиоактивных элементов в пылеаэрозольных выпадениях на территории Обского бассейна. Выявлена возможность получения приближенной оценки техногенной нагрузки на основе изучения вещественного состава твердого осадка снегового покрова. Предложен метод выделения зон влияния предприятий ядерно-топливного цикла, основанный на использовании величины отношений между изученными элементами и их группами.

Практическая ценность работы. Изучен вещественный состав пылевых атмосферных выпадений в различных районах Обского бассейна. Установлена структура полей распределения притока микроэлементов из атмосферы и их накопления в нерастворимом осадке снегового покрова. Выявлены типоморфные ассоциации химических элементов (в пределах рассмотренного спектра) в зоне влияния выбросов предприятий различных отраслей промышленности. Откартированы ореолы загрязнения снегового покрова на территории ряда городов, пригородных зон и сельских населенных пунктов, а также промышленных предприятий. Даны рекомендации по расширению спектра микроэлементов, предусматриваемых ГОСТом 17.4.1.02-83, при расчете суммарного показателя загрязнения снегового покрова для оценки опасности загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами.

Апробация и публикации. Основные положения и отдельные результаты исследований докладывались и обсуждались на I Международном симпозиуме в рамках Международного научного конгресса студентов, аспирантов и молодых ученых "Молодежь и наука - третье тысячелетие" (ТПУ, г.Томск, 1997 г.), Первом всероссийском научном молодежном симпозиуме "Безопасность биосферы - 97" (УГТУ, г.Екатеринбург, 1997 г.), Международной конференции "Экологическая геофизика и геохимия" (Москва-Дубна, 1998 г.), Международной научной конференции "Геоэкологические проблемы урбанизированных территорий" (ТГАСУ, г.Томск, 1999 г.), Межрегиональной научно-практической конференции «Природа и природопользование на рубеже XXI века» (г.Омск, 1999 г.), Международной научно-практической конференции "Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде" (Республика Казахстан, г.Семипалатинск, 2000 г.), Региональной конференции геологов Сибири, Дальнего Востока и Северо-востока России, посвященной 300-летию горно-геологической службе России (г.Томск, 2000), Международной научно-практической конференции «Горногеологическое образование в Сибири. 100 лет на службе науки и производства» (г.Томск, 2001). Основное содержание работы изложено в четырнадцати публикациях и в материалах пяти научно-производственных отчетов.

Фактическим материалом для написания диссертации послужили результаты исследований, полученные сотрудниками кафедры Полезных ископаемых и геохимии редких элементов Томского политехнического университета при личном участии автора в течение 1989 -1998 годов в 38 населенных пунктах Западно-Сибирского региона и Восточного Казахстана, расположенных в бассейне реки Обь. Работы выполнялись по заданиям Государственных областных и городских комитетов экологии Томской и Кемеровской областей, городов Северска, Междуреченска, Стрежевого, Новокузнецка, а также конкретных предприятий и организаций. Для изучения вещественного и элементного состава пылевых атмосферных выпадений отобрано 538 проб. Из них методом нейтронно-активационного анализа проанализировано 309 образцов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 205 страницах машинописного текста, иллюстрированных 141 рисунком и 31 таблицей. Список литературы содержит 150 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Шатилов, Алексей Юрьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Снеговой покров, являясь естественным планшетом-накопителем, отражает загрязнение окружающей среды, обусловленное поступлением химических элементов от различных источников. При этом, в условиях развития сплошного снегового покрова, загрязнение, фиксируемое в нем, является функцией выпадения микроэлементов из атмосферы, в том числе в составе твердых частиц.

Величина общей запыленности изученных территорий в зимнее время изменяется от 2 до 1594 мг/м2в сутки, уменьшаясь в целом по мере удаления от городов и промышленных площадок. Последнее обусловлено, главным образом, не рассеиванием городских выбросов, а уменьшением масштабов производственно-хозяйственной деятельности. В контрастных аномалиях пыль имеет преимущественно местное происхождение.

При отсутствии мощного локального источника загрязнения состав пылеаэро-зольных выпадений обусловлен глобальными и региональными факторами. Так, по составу пылеаэрозольных выпадений фоновых районов Западно-Сибирского региона четко прослеживается влияние многочисленных действующих факелов нефтяных месторождений Обского бассейна.

Вещественный состав твердого осадка снегового покрова территорий с разной техногенной нагрузкой отражает специфику и степень воздействия производств, развитых на этих территориях, что проявляется в различном соотношении частиц природного и антропогенного происхождения. При этом, величину антропогенного воздействия наиболее объективно отражает содержание магнитной фракции в твердом осадке снегового покрова.

Сравнительный анализ химического состава фракций твердого осадка снегового покрова, выделенных по магнитным свойствам частиц, показал, что для магнитной фракции характерен более высокий уровень концентрации Ре и Со, для электромагнитной - Ьа, Се, ТЬ, УЬ и ТЬ, для немагнитной - Ва и II. Повышенные концентрации Сг, 8г, Бс и определены в магнитной и электромагнитной фракциях.

Уровень концентрации микроэлементов в пылевых атмосферных выпадениях территорий с высокой техногенной нагрузкой многократно (иногда в сотни раз) превышает фоновые значения, а преобладающий спектр накапливающихся элементов отражает специфику разнопрофильных производств: угледобывающая и углеперера-батывающая промышленность - Ав, Бг, Аи, Ьа, Бш, УЬ; горнодобывающая и перерабатывающая промышленность - Ре,Со, Бс, БЬ, Се, Ей, Та, и; нефтехимическая промышленность - БЬ, Вг; машиностроение - Ре, Со, Сг; теплоэнергетическая - Ва, Бг, Ьа, Се, Бт, УЬ, ТИ, Ы; производства ядерно-топливного цикла - ЬГ, Ьа,Се, Бт, Ей, УЬ, Ьи, Вг; сельскохозяйственные районы с интенсивным использованием удобрений - Ав, Бг.

Это позволяет идентифицировать источник загрязнения по устойчивым во времени количественным связям между уровнями содержания отдельных элементов и их групп. Так, например, зоны влияния Сибирского химического комбината отчетливо проявляются по Th/U, La/Yb и (La+Ce)/(Yb+Lu).

Определяющим фактором границ зоны загрязнения от промышленных предприятий является преобладающее направление воздушных потоков. При этом максимальную нагрузку испытывают не сами объекты-загрязнители, а сопредельные (подветренные) территории. Это обусловлено прямолинейной зависимостью интенсивных пылеаэрозольных загрязнений от объемов выбросов и высот расположения источников выбросов. Площади зон загрязнения, в пределах которых фиксируется воздействие предприятий на окружающую среду, варьирует в зависимости от производственных характеристик объекта и используемых ингредиентов.

Для оценки опасности загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, группой исследователей под руководством Ю.Е. Саета («Геохимия.», 1992) на основании эксперементальных данных была разработана классификация геохимических обстановок по уровню суммарного показателя загрязнения (СПЗ) почв и снега, общей запыленности. Однако, СПЗ, рассчитываемый только для элементов I, II и III классов опасности (по ГОСТу 17.4.1.02-83), на наш взгляд, не позволяет реально оценить опасность загрязнения окружающей среды всем комплексом тяжелых металлов, в том числе редкими, редкоземельными и радиоактивными, т.к. помимо прямого токсичного воздействия для многих элементов характерны отдаленные эффекты, которые затрагивают основополагающие функции живых организмов. По этой причине расчет СПЗ нами проводился с учетом всего спектра изученных химических элементов.

Полученные данные показали, что большинство исследованных территорий характеризуются высоким и чрезвычайно высоким уровнем загрязнения снегового покрова относительно фонового участка, что позволило, в свою очередь, спрогнозировать увеличение частоты хронических заболеваний, функциональных отклонений и т.д. Полученные прогнозные показатели удовлетворительно корреспондируют с результатами изучения здоровья населения («Экология Северного .», 1994).

Таким образом, принимая во внимание тот факт, что на живой организм воздействует вся совокупность имеющихся тяжелых металлов, тем более,что санитарно-гигиеническая роль отдельных из них уже достаточно хорошо изучена (Андреева и др., 1990 и др.), расчет СПЗ для оценки опасности загрязнения окружающей среды следует проводить по максимально возможному количеству химических компонентов.

Первоочередными задачами по дальнейшему изучению пылеаэрозольных выпадений в Обском бассейне следует считать:

1. Изучение геохимического состава фракций аэрозолей различных производств;

2. Исследование аэрозолей на содержание альфа-излучающих элементов (235U, 239Pu и др.) и легколетучих фторидных соединений урана, в том числе в режиме многократных прямых наблюдений в районах действия предприятий ядерно-топливного цикла;

3. Создание и адаптация математических моделей распространения редких, редкоземельных и радиоактивных элементов в пылеаэрозоляхв зонах со сложной техногенной нагрузкой;

4. Создание мониторинговой сети наблюдения за природными средами, в том числе и за составом пылеаэрозольных выпадений.

5. Изучение влияния редких, редкоземельных и радиоактивных элементов на развитие биологических объектов, в том числе и на здоровье человека.