Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Закономерности распределения Cd, Pb и Hg в почвах Алтайского края

ВАК РФ 04.00.02, Геохимия

Автореферат диссертации по теме "Закономерности распределения Cd, Pb и Hg в почвах Алтайского края"

Г7Б ОД

На правах рукописи

КОВАЛЕВ Сергей Иванович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ С<1, РЬ к Щ В ПОЧВАХ АЛТАЙСКОГО КРАЯ

Специальность 04.00.02 — геохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогнмеских наук

Новосибирск 2000

Работа выполнена в Аналитическом центре Объединенного института геологии,

геофизики и минералогии СО РАН

Научные руководители: кандидат геолого-минералогических наук Сухоруков Федор Васильевич кандидат геолого-минералогических наук Маликова Ирина Николаевна

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук Птицын Алексей Борисович кандидат геолого-минералогических наук Айриянц Аркадий Аполлонович

Оппонирующая организация: Томский политехнический университет, г. Томск

Защита состоится " 6 " А_2000 г. в ^ час. на заседании

диссертационного совета Д 002.50.01 при Объединенном институте геологии,

геофизики и минералогии СО РАН.

Адрес: 630090, Новосибирск, Университетский пр., 3.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ОИГТМ СО РАН.

Автореферат разослан (X пк-а/1Я 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.г.-м.н. Г' '^уО/ОГ^ С.Б.Бортникова

¡ЩгУ/ъ /, V

ПО /эп //./,

Введение

Актуальность проблемы Почва является начальным звеном трофических цепей, пройдя через которые токсичные вещества попадаютв организм человека. Особое внимание в ряду токсикантов привлекают тяжелые металлы (ТМ), среди которых С<1, РЬ и Щ отнесены к I категории опасности [Майстренко В.Н., 1997]. Любое увеличение содержаний этих витафобов в объектах окружающей среды (ОС), должно рассматриваться как неблагоприятный фактор [Щербаков Ю.Г., 1996]. В настоящее время антропогенные выбросы СсЗ, РЬ и Р^ намного превышают их количество, освобождающееся в результате природных процессов, так что практически невозможно определить их естественные уровни содержаний в почвах. Поэтому одной из наиболее актуальных задач экогеохимических исследований является выделение и оценка техногенной составляющей на фоне природных геохимических вариаций [Коваль П.В., Белоголова Г.А., 1998].

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является установление и оценка основных факторов, определяющих формирование пространственного распределения Сё, РЬ и Н§ в верхних горизонтах почв на примере степных и предгорных ландшафтов Алтая.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: 1) опробование представительных участков целинных почв в различных природно-климатических зонах Алтайского края; 2) оценка статистических параметров распределения С<1, РЬ и Р^ в дерновом и гумусовом горизонтах различных типов почв Алтайского края; 3) изучение их вертикального распределения в почвах фоновых районов и в пределах природных аномалий; 4) оценка уровней содержаний СсЗ, РЬ и Щ в растениях и растительных подстилках в местах опробования почв; 5) построение карт-схем пространственного распределения Сс1, РЬ и Щ в верхних почвенных горизонтах и выделение зон с различным их содержанием; 6) оценка статистических параметров распределения Сс1, РЬ и Н§ в каждой из выделенных зон, 7) количественная оценка вклада техногенного загрязнения в содержание Сс1, РЬ и в почвах.

Научная новизна работы. Впервые показана перспективность использования дернового горизонта как самостоятельного источника информации о техногенном загрязнении почв. Выявлена возможность получения приближенной оценки атмосферного поступления ТМ из техногенных источников на основе анализа их коэффициентов накопления в дерновом горизонте по отношению к гумусовому. Этот подход позволяет выявлять техногенную составляющую содержаний ТМ в почвах, в том числе в пределах природных геохимических аномалий. Предложен метод оценки глобального атмосферного поступления токсикантов на поверхность почвы, основанный на применении геохимических трассеров глобальных атмосферных выпадений.

Практическая значимость работы. Создана геохимическая основа для эколого-геохимического мониторинга загрязнения целинных почв Алтайского края наиболее токсичными ТМ. Получены оценки фоновых содержаний Сй, РЬ и в целинных почвах края. Выделены территории с различным вкладом техногенной составляющей в содержание ТМ в почвах. Оценен вклад техногенных источников в содержания Сё, РЬ и ^ в почвах. Полученные результаты служат основой для проведения в будущем работ, которые должны включать в себя детальное изучение форм нахождения, условий и путей миграции этих и других ТМ в экосистемах территорий с различным уровнем техногенной нагрузки.

Защищаемые положения.

1. Распределение Сс1, РЬ и Нц в верхних горизонтах целинных почв Алтайского края определяется сочетанием ряда природных и техногенных факторов, основными из которых являются геохимические особенности почвообразующих пород и атмосферные выбросы промышленных предприятий. Концентрации С<1, РЬ и Р^ в почвообразующих породах определяют уровни содержаний в верхних почвенных горизонтах, а также влияют на их распределение в почвенном профиле. Зависимость содержаний Сс1, РЬ и Р^ в дерновом и гумусовом горизонтах от их концентраций в почвообразующем субстрате проявляется при рассмотрении достаточно широкого интервала содержаний (от околокларковых до аномальных). При низких содержаниях эта зависимость затушевывается почвообразую-щими процессами и техногенным загрязнением.

2. Дерновый горизонт почв, отличающийся от нижележащего гумусового горизонта по ряду свойств, является важным источником информации о техногенном загрязнении целинных почв. Использование коэффициентов накопления ТМ в дерновом горизонте по отношению к гумусовому позволяет получить приближенную оценку техногенной компоненты, в том числе в пределах природных геохимических аномалий.

3. Химические соединения и элементы (или изотопы), поступление которых на земную поверхность заведомо связано с атмосферными выпадениями (например 137Сз), могут служить геохимическими трассерами атмосферного поступления ТМ в почву. Использование соотношений содержаний ТМ и элементов-трассеров в хвойных подстилках позволяет получить количественную оценку атмосферного поступления токсикантов в почву и разделить вклад глобальных и локальных (региональных) источников.

Апробация работы и публикации. По материалам диссертации сделаны доклады на б международных и 2 российских конференциях и симпозиумах. Основные материалы и научные выводы диссертации изложены в 17 публикациях. В целом соискатель является соавтором одной монографии, 13 статей, 19 тезисов и 18 отчетов.

Полевой материал, на котором базируется работа, собран в период 19921998 гг. На территории Алтайского края было заложено и задокументировано 70 полных почвенных разрезов, доходящих до почвообразующих пород и 340 закопушек глубиной до 40 см. Всего в обработку вовлечено 1350 проб почв, 207 -растений, 31 - хвойных подстилок.

Структура и объем работы. Работа изложена на 115 страницах, состоит из 6 глав, введения и заключения, содержит 19 рисунков и 27 таблиц. Библиография включает 116 наименований.

Автор выражает благодарность Л. Д. Ивановой, Ж.О. Бадмаевой, Н.В. Андросовой, В.И. Ильиной выполнившим аналитические работы на ТМ, А.С. Степи-ну, проводившему гамма-спектрометрическое определение 137Сз. За постоянное внимание к работе и ценные советы автор благодарит своих научных руководителей к.г.-м.н. Ф.В. Сухорукова и к.г.-м.н. И.Н. Маликову.

Работа выполнена в Аналитическом центре ОИГТМ СО РАН.

Глава 1. Методы исследования

Опробованием, с разной степенью детальности, охвачена вся территория Алтайского края. Основная часть проб почв отобрана из закопушек глубиной 4050 см. Для изучения вертикального распределения Сё, РЬ и ^ в почвенном профиле закладывались шурфы, достигающие почвообразующих пород. Опробование проводилось по генетическим горизонтам бороздой на всю их мощность. Пробы растений отобраны в непосредственной близости от точек опробования почв. В лесных ландшафтах отбирались пробы лесных подстилок. Для изучения распределения ртуш в хвойных подстилках было проведено выделение гранулометрических фракций перегнившей хвои с последующим определением в них ртути. Пробы весом 100-300 г помещались в хлопчатобумажные мешочки и высушивались до воздушно-сухого состояния.

Во избежание заражения ртутью при транспортировке и подготовке к анализу пробы, отобранные в пределах ртутных аномалий, хранились и обрабатывались отдельно от проб из фоновых районов. Сушка проб производилась при температуре 30°С. Истирание проб осуществлялось в виброистирателе в течение 3 -5 минут до размера 200 меш. Как показали эксперименты, проведенные во время выполнения работ по экологической экспертизе Катунского проекта, при этих условиях не происходит существенных потерь ртути [Росляков Н.А. и др., 1992].

Анализы проб на содержание С<1, РЬ и Ц» выполнены в Аналитическом центре ОИГТМ СО РАН аналитиками Ивановой Л.Д., Бадмаевой Ж. О., Андросовой Н. В., В. И. Ильиной

С<1 и РЬ определялись методом атомно-абсорбционной спектроскопии с атомизацией растворов проб в пламени и в электротермическом атомизаторе.

Использовался спектрофотометр фирмы Перкин-Элмер 3030. Определение со>

держаний ртути выполнено атомно-абсорбционным методом "хшшднши пара" с использованием амальгамации на золотом сорбенте на спектрофотометре Пер-кин-Элмер 3030 с дейтериевым корректором.

Определение степени подвижности Сс1, РЬ и Н§ проводилось путем выщелачивания в растворах с заданным начальным значением рН: водная вытяжка (рН - 6-6,5); Ш раствор ацетата аммония (рН - 4,8); однонормальный раствор соляной кислоты, создающий в почве кислую среду. Соотношение почва-раствор составляло 1:10. Навеска почвы помещалась в раствор и перемешивалась на магнитной мешалке в течение 1 часа. Достижение равновесия контролировалось изменением времени перемешивания. Содержание 137Сз определено гамма-спектрометрическим методом А.С. Степиным. Все используемые аналитические методы аккредитованы Госстандартом России (аттестат № РОСС Яи 0001.510590).

Статистическая обработка включала в себя формирование выборок, оценки однородности выборок, закона распределения, среднего, стандартного отклонения, коэффициентов асимметрии и эксцесса, коэффициента аномальности (доля проб в выборке, в которых содержание элемента превышает верхнюю границу фонового интервала). За фоновое содержание принято среднеарифметическое при нормальном законе распределения и среднегеометрическое - при отклонении закона распределения от нормального. В качестве нижней границы фонового интервала принято значение меньше фонового содержания на величину одного стандартного отклонения, верхней границы - значение больше фонового на ту же величину. В обработку, помимо генерализованной, включены выборки характеризующие породы, развитые на различных по составу субстратах и выборки различных типов почв на покровных лессовидных суглинках.

Глава 2. Химические свойства и распространенность Сс1, РЬ и Н« в окружающей среде.

Все три рассматриваемых элемента, несмотря на разницу в строении электронных оболочек и ионного радиуса, обладают сродством к сере и относятся по классификации В.М. Гольдпшига к группе халькофилов. Согласно классификации А.И. Перельмана Сс1 и РЬ обладают высокой миграционной способностью в кислых средах окислительной и глеевой обстановок и осаждаются на щелочном барьере [Перельман А.И., 1972]. Р^ мигрирует как в кислых, так и щелочных водах окислительной обстановки.

Вследствие относительно большого ионного радиуса Сс1, РЬ и Щ не входят в кристаллическую решетку глинистых минералов [Лебедев В.И., 1957]. Основную роль в их фиксации почвами играют процессы сорбции и десорбции на почвенных коллоидах. Известно, что интенсивность поглощения ионов и прочность их связи с коллоидами увеличивается с уменьшением энергии гидратации. По-

следняя же обратно пропорциональна радиусу иона и увеличивается с ростом его заряда [Лебедев В.И., 1957]. Поэтому можно ожидать что, при прочих равных условиях, наиболее прочно коллоидами будет удерживаться РЬ.

Благодаря широкому изоморфизму Cd с Zn максимальные его содержания характерны для минералов цинка. В породообразующих минералах Cd изоморфно замещает Fe и Мп. В изверженных горных породах содержание Cd довольно равномерное и составляет сотые доли г/т. Среди осадочных пород наибольшим средним содержанием Cd отличаются глины, что обусловлено их высокой сорб-ционной способностью. Песчаники и карбонатные породы имеют на порядок более низкие средние содержания Cd, по сравнению с изверженными. Подавляющая часть кадмия находится в рассеянном состоянии.

Повышенными содержаниями свинца по сравнению с другими изверженными породами отличаются гранитоиды. В группе осадочных пород наиболее высокие содержания РЬ характерны для глин, минимальные - для песчаников и карбонатных пород. Среди породообразующих минералов наиболее обогащены свинцом полевые пшаты, вследствие изоморфного замещения свинцом кальция.

Ртуть не имеет четкой приуроченности ни к кислым, ни к основным магматическим породам, и ее средние содержания в них близки между собой. Как и другие микроэлементы, Hg в повышенных количествах обнаруживается в глинистых породах, в сорбированном состоянии. Около 99,98 % от общего количества ртути в земной коре находится в состоянии рассеяния [Сауков А.А., 1966].

Среднее содержание Cd, РЬ и Hg в почвах имеет тот же порядок, что и в земной коре в целом. Наибольшая близость по уровню концентрации Cd, РЬ и Hg наблюдается между почвами и глинистыми породами, что отражает важную роль глинистых минералов, как одного из компонентов почв.

Основным механизмом поглощения почвой ТМ, в том числе Cd, РЬ и Hg является адсорбция. В закреплении ТМ принимают участие все компоненты, составляющие почвенный поглощающий комплекс: глинистые минералы, гумус и гидроокислы железа, марганца, алюминия.

Значительное влияние на поведение Cd, РЬ и Hg в почвах, оказывает уровень кислотности - щелочности среды. Результаты экспериментов свидетельствуют об увеличении сорбционной емкости глинистых минералов, гумусовых кислот и гидроокислов Fe, Мп и А1 по мере увеличения рН [Gade R., 1974; Riffaldi R., 1976; Farrah H., 1978]. Известно, что соединения ТМ с фульвокисло-тами (фульваты) более подвижны по сравнению с гуматами [Варшал Г.М., 1993; ВарщалГ.М. и др., 1999].

Важным фактором миграции рассматриваемых элементов является растительность. Экспериментально установлена возможность поглощения ТМ растениями не только из почвы но и непосредственно из атмосферы [Bokori J., 1990; Ertel J., 1991; Фомин Б.Н. и др., 1992].

Приводимые в литературе оценки количества ТМ, поступающих в ОС, ряч-личаются между собой, что связано как с трудностью учета всех источников их поступления, так и с различием исходных условий, принятых при расчетах [Nriagu 19В9; Раста .Г. е! а1, 1995]. Тем не менее, признается, что одним из крупнейших природных источников рассматриваемых элементов в ОС является вулканическая деятельность. Значительные количества ТМ поступают в атмосферу в результате лесных пожаров, дефляции с континентов, а также путем транспирации растениями. Важным источником ртути в ОС является дегазация верхней оболочки литосферы (почвы и горные породы).

Кадмий используется в производстве гальванической техники, красящих пигментов, полимеров, серебряно - кадмиевых аккумуляторов. Основным источником загрязнения ОС кадмием является цветная металлургия. Существенный вклад дает сжигание твердого и жидкого топлива. Сельскохозяйственные почвы подвергаются загрязнению кадмием в результате применения фосфатных удобрений и пестицидов, содержащих ТМ [Брукс Р., 1982; ЬояапаШапР., 1997].

Самым крупным источником свинца является автотранспорт. Хотя подавляющая часть РЪ осаждается в нескольких десятках метров от автомагистралей, даже небольшая его доля, включенная в атмосферную миграцию, дает существенную нагрузку на ОС в глобальном масштабе [Свинец..., 1987]. Значительное количество РЬ рассеивается в ОС в процессе выплавки цветных металлов, при сжигании угля и нефти.

Около половины общего загрязнения ОС ртутью дает хлорное производство. Большое ее количество попадает в ОС при производстве ртутных ламп, красок, содержащих ртуть пестицидов [Брукс Р., 1982]. В регионах интенсивной золотодобычи много ртути теряется при использовании метода амальгамирования [Сухенко С.А., 1995; Росляков Н.А., Кириллова О.В., 1995].

Несмотря на то, что в мире, в целом, интенсивность антропогенного загрязнения ОС в последние годы несколько снизилась [Войной С., ,кпке11., 1992; \VolfF Е., БиШе Е., 1994 и др.], антропогенные выбросы многих ТМ по своим масштабам превосходят ее поступление за счет природных процессов. Наибольший вклад техногенной составляющей характерен для РЬ (около 96 % от общего поступления). Для Сс1 эта дохи составляет 85 %, для Щ - около 60 % [Ыпа§и I., 1989].

Глава 3. Факторы, особенности и условия распределения РЬ и Щ в почвах Алтайского края

Пандшафтно-кпиматическиеусловия и изменчивость почвенного покрова

Алтайского края

Основные обстановки миграции микроэлементов в природных ландшафтах определяются физико-географическими условиями региона. Климат Алтайского края резко континентальный. Степная часть характеризуется малым количеством

осадков (230-250 мм в год) в Кулунде и до 400-425 мм в год в Приобской части. В лесостепной зоне выпадает 400-450 мм осадков в год, а в центральной части Са-лаирского кряжа и в предгорьях Алтая - 600-650 мм в год. Преобладающее направление ветров - северо-восточное.

Территория Алтайского края орографически представляет собой ряд высотных ступеней, поднимающихся с северо-запада на юго-восток, от Кулундинской степи, с абсолютными отметками 100-150 м, через Приобское плато (250-280 м) и Бийско-Чумышскую возвышенность (300-350 м) к горам Салаира на востоке и Алтая на юге.

Влияние гор Салаира и Алтая обусловливает своеобразие пространственного расположения природных почвенных зон Алтайского края. Смена зональных почв на большей части территории края происходит с запада на восток. Почвенные зоны предгорий Алтая ориентированы перпендикулярно к простиранию зон равнинной территории края [Почвы ..., 1959].

Каштановые почвы приурочены к засушливой Кулундинской низменности. В почвенном покрове преобладают темно-каштановые и каштановые почвы, суглинистые и легкосуглинистые, а в приборовых участках - супесчаные. Черноземные почвы, имеющие наибольшее распространение на изученной территории, развиты в пределах засушливой, умеренно-засушливой и колочной степи Приобского плато, Бийско-Чумышской возвышенности и в предгорной части Алтая. Они представлены несколькими подтипами: южными, обыкновенными, выщелоченными, оподзоленными и типичными. В пределах Предсалаирья и Салаирского кряжа, развиты лесные серые и дерново-подзолистые почвы. В предгорной части Алтая распространены горные варианты лесных почв.

Наиболее благоприятные условия для накопления микроэлементов складываются в черноземных суглинистых почвах обладающих хорошо развитым дерновым горизонтом, близкой к нейтральной реакцией среды, высокой поглотительной способностью и гуматным составом гумуса. Эти условия способствуют переходу попавших в почву микроэлементов в малоподвижное состояние и препятствуют их выносу из почвенного профиля. В дерново-подзолистых почвах, характеризующихся кислой реакцией среды, преобладанием в составе гумуса фульвокислот и промывным водным режимом, можно ожидать более активную миграцию микроэлементов. В сухостепных почвах, в которых дерновый горизонт развит слабо, складываются условия способствующие выдуванию микроэлементов с частицами почвы.

Природные факторы, определяющие содержание СЛ, РЬ и Щ в почвах Алтайского края

На большей части степного Алтая почвообразующим субстратом служат покровные лессовидные суглинки. По данным реитгено - структурного анализа

минеральный их состав следующий: кварц, полевой шпат (альбит), хлорит, иллит, каолинит. На поверхности надпойменных террас и в пойме р.Оби и ее притоков, в древних ложбинах стока и в Кулундинской степи распространены эоловые отложения, представленные тонко- и мелкозернистыми пылеватыми, реже среднезер-нистыми песками мощностью от 1 до 15 м. В долинах рек и на молодых террасах почвообразующим субстратом служат аллювиальные отложения различного ли-тологического состава [Почвы ..., 1959].

Наиболее близкие к кларку содержания рассматриваемых элементов отмечаются в лессовидных суглинках (табл. 1). Суглинки отличаются также довольно низкой дисперсией содержаний С4 РЬ и что отражает достаточно равномерный литологический состав этих пород. Наиболее низкие концентрации Сс1, РЬ и Н§ отмечаются в песчаных отложениях долин древнего стока, вследствие преимущественно кварцевого состава песков.

На изученной территории выделяется несколько металлогенических зон, геохимическая специфика которых оказывает влияние на уровни содержания ТМ в почвах: Рудно-Алтайская полиметаллическая зона, Горно-Алтайская железо-рудно-редкометальная зона, Белокурихинский редкометальный узел, полиметаллическая зона Салаира, Сарасинская ртутная зона, Салаирская ртутная зона.

Таблица 1. Средние содержания С4 РЬ и Нд в некоторых типах почвообразую-

Сс1 РЬ Не СсЗ РЬ Не

Лессовидные суглинки Песчаные отложения ложбин

древнего стока

0,07±0.01 16.6+0.7 0.041 ±0.008 0,06±0,01 12.8+1.7 0,031 ±0.007

0,02-0,20 11,0-25,0 0,020-0,098 0,03-0,10 8,0-24,0 0,020-0,050

N 23 23 12 9 9 4

Граниты Белокурихинского Граниты Рудно-Алтайской полиме-

рудного узла таллической зоны

X 0.13+0.02 20.3+1.3 0.012+0.001 0.13±0.06 40.1 ±12.3 0.031±0.008

0,01-0,36 12,0-32,0 0,005-0,026 0,04-0,58 15,0-109,0 0,019-0,083

N 20 21 21 8 7 8

Примечание: здесь и в других табл. х-среднее содержание, в знаменателе интервал содержаний (г/т), N - количество проб.

Вследствие того, что коренные породы на Салаире, как правило, перекрыты чехлом покровных суглинков, металлогенические особенности этого района оказывают меньшее влияние на содержание С<1, РЬ и ^ в почве по сравнению с южной частью Алтайского края, где почвы развиты непосредственно на щебнистых элювиальных, делювиальных и пролювиальных отложениях.

Антропогенные факторы накопления С(1, РЬ иЩ в почвах Алтайского края

Валовое поступление вредных веществ в атмосферу от стационарных источников на территории Алтайского края в 1997 году составило около 325 тыс. тон [Материалы ..., 1998]. Я. Н. Шойхет с соавторами (1994) приводят оценку в 3 83 тыс. тон. По этому параметру Алтайский край является одним из наиболее благополучных регионов Западной Сибири.

Главными промышленными центрами, дающими основной вклад в загрязнение ОС являются города Барнаул, Бийск, Рубцовск, Горняк, Заринск, Славго-род. Причем вклад первых трех городов (без учета выбросов автотранспорта) составляет подавляющую часть от общего количества выбросов (табл. 2).

Изучение загрязнения приземного слоя атмосферы Алтайского края позволило выявить наличие значительного загрязнения атмосферы вокруг городов Барнаул, Бийск, Рубцовск, Заринск и ряда других населенных пунктов. [Миронов В.Л. и др., 1993; Каплинский А.Е., Суторихин И.А., 1997]. На основе дешифрирования космических снимков снегового покрова выделена область загрязнения снежного покрова, протягивающаяся от г. Жезкенда в Казахстане на северо-восток до Змеиногорска [Миронов В.Л. и др., 1993].

Таблица 2. Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу в крупнейших городах Алтайского края и сопредельных территорий (тыс. тон) [Ежегодник ..., 1991].

Город I II П1

Барнаул 177,9 85 262

Бийск 71,8 39,2 111

Рубцовск 54,9 19,6 74,5

Новосибирск 218,4 96,3 314,7

Кемерово 112,2 72,3 184,5

Новокузнецк . 802,5 55 858,3

Семипалатинск 66,1 54,9 121

Примечание: I - выбросы промышленных предприятий; II - выбросы автотранспорта; Ш - общие выбросы. Данные на 1989 г.

Моделирование переноса загрязняющих веществ на территории края показало что загрязнение, например от котельных Алтайского ГОК (г. Горняк), может распространяться на сотни километров [Шпак В.А. и др., 1993]. Основным направлением атмосферного распространения загрязнения является северо-восточное.

Глава 4. Общая характеристика распространенности С(1, РЬ, Н<* в почвах Алтайского края.

В настоящей работе распределение Сё, РЬ и Н§ рассматривается отдельно для дернового и гумусового горизонтов. Дерн представляет собой самый верхний горизонт почвенного профиля и имеет, как правило, мощность 3-5 см. Он

состоит, большей частью, из живых и отмерших коржй трап и содержит меньшее количество минерального материала по сравнению с гумусовым горизонтом. На высокую способность дернового горизонта удерживать поступающие из атмосферы загрязняющие вещества указывает тот факт, что в настоящее время в нем сосредоточено около 80% запаса техногенного радионуклида 137Сз.

Для дернового горизонта характерны более высокие содержания микроэлементов по сравнению с гумусовым (табл. 3) По степени накопления в дерне рассматриваемые элементы располагаются в ряд Щ > Сс1 > РЬ.

Таблица 3. Средние содержания Сс1, РЬ и Р^ в почвах Алтайского края и ПДК в

отношении фиготоксичности в поверхностном слое почв (г/т)

са РЬ нй

Ад А Ад А Ад 1 А

Генерализованная выборка

X 0,16+0,01 0,10+0,01 24±1 20±1 0.061 ±0,001 0.037±0.01

0,01-1,87 0,01-3,87 6-125 3-192 0,006-5,63 0,005-30,1

N 443 556 446 555 433 524

Почвы на лессовидных суглинках

X 0,1б±0,01 0Л 1+0,01 21±1 19±1 0,064±0,005 0,045±0.003

0,01-0,53 0,02-0,80 6-64 3-67 0,01-0,24 0,01-0,33

N 154 176 154 175 151 166

Почвы на песчаных отложениях ложбин древнего стока

X 0,09±0.02 0,08±0.02 1б£2 13±2 0,047±0,013 0.032±0.009

0,01-0,6 0,02-0,21 10-30 4-35 0,01-0,13 0,01-0,09

N 20 24 21 24 19 17

Почвы на аллювиальных отложениях

X 0,08±0.04 0*19+0,07 22±4 ; 19±3 0.037±0,008 0.032±0.009

0,08-0,35 0,06-0,75 8-33 \ 7-35 0,02-0,07 0,01-0,09

N 15 17 14 17 14 17

Почвы на осадочных породах

X 0,28+0,11 0а14±0,02 28±3 22±3 0.066Ю.016 0.042±0.007

0,11-1,6 0,07-3,78 14-38 12-39 0,03-0,12 0,02-0,08

N 11 14 14 15 14 15

Почвы на основных и ультраосновных породах

X 0.20±0.05 0.10±0.03 31±5 25+2 0.066Ю.015 0.046±0.006

0,08-0,31 0,03-0,20 20-42 16-36 0,03-0,11 0,03-0,07

N 8 18 8 18 9 19

Почвы на гранитах

X 0.33+0,05 0.14Ю.02 31+4 21+2 0.062±0.006 0,028±0,003

0,05-0,86 0,01-0,58 12-79 4-44 0,02-0,13 0,01-0,08

N 69 78 68 77 69 76

ПДК' 5 20 (над фоном) 2,1

Примечание: здесь и в табл. 4. Ад - дерновый горизонт, А - гумусовый горизмгг. Д.М. Орлов и др., 1991.

Наши оцеики средних содержаний Сс1 несколько выше приводимых В.Б. Ильиным для почв Западной Сибири [Ильин В.Б., 1991]. Средние содержания Сс1 и ^ в дерновом горизонте близки к фоновым для почв природных ландшафтов равнин Западной Сибири [Экогеохимия ..., 1996] и ниже среднемировой оценки, полученной А. Кабата-Пендиас и X. Пендиас (1989). Содержания РЬ в дерновом и гумусовом горизонтах близки к среднемировому и незначительно выше фонового для почв равнин Западной Сибири. Превышение содержаний рассматриваемых элементов в почвах Алтайского края над уровнем ПДК для кадмия не установлено, для ртут отмечается в единичных случаях, а для свинца составляет около 5% от общего количества проб. Во всех случаях превышения над ПДК обусловлены природными причинами. Об этом можно судить по приуроченности таких точек к зонам развития рудной минерализации и по характеру геохимических ассоциаций элементов.

Почвы на лессовидных суглинках имеют наиболее близкие к средним по региону содержания Сё и РЬ. Это отражает преимущественное распространение этого почвообразующего субстрата на исследуемой территории. В песчаных почвах обнаруживаются пониженные средние содержания рассматриваемых элементов. Для этой же выборки характерны низкие величины стандартного отклонения и коэффициента аномальности. Отмеченные особенности отражают преимущественно кварцевый состав почвообразуюнщх песков.

В аллювиальных почвах средние содержания РЬ близки к средним в генерализованной выборке. Содержания Сс1 и Щ в дерновом горизонте ниже аналогичных показателей для Алтайского края. Особенностью рассматриваемых почв является более высокое среднее содержание С(1 в гумусовом горизонте по сравнению с дерновым, что объясняется неоднородностью профиля этих почв.

Содержания Сс1, РЬ и ^ в почвах, развитых на осадочных породах (песчаниках, алевротигах, известняках), а также на магматических породах основного и ультраосновного состава, при имеющихся объемах выборок, значимо не отличаются от оценок, полученных по генерализованной выборке.

Наиболее высокие средние содержания рассматриваемых элементов отмечаются в почвах, развшых на породах гранигоидного состава. Эти породы сосредоточены, главным образом, в пределах Рудно-Алтайской полиметаллической зоны и имеют относительно повышенные содержания РЬ и, часто, Сё.

Анализ соотношений содержаний Сс1, РЬ и Н§ в почвообразуюнщх породах и в верхних почвенных горизонтах показывает, что в большинстве случаев их концентрации в дерновом и гумусовом горизонтах выше чем в субстрате. Прямая зависимость между содержаниями Сс1, РЬ и в верхних горизонтах и в почвообразующих породах отчетливо проявляется только при рассмотрении достаточно широкого интервала содержаний (от фоновых до аномальных). В

случае близкофоновых значений эта зависимость затушевывается, вероятно, почвообразующими процессами и техногенным загрязнением.

Влияние характера почвообразующих процессов на содержание С(1, РЬ и Hg рассмотрено на примере двух подтипов чернозема (южного и обыкновенного) и серых лесных почв (без разделения на подтипы) развитых на лессовидных суглинках (табл. 4).

Таблица 4. Средние содержания Сё, РЬ и в почвах на лессовидных суглинках.

Сй РЬ Нв

Ап 1 А АП | А Ап 1 А

Чернозем южный.

X 0.16±0,04 0.12Ю.02 19+3 19±3 0,057±0.026 0.056Ю.032

0,03-0,34 0,03-0,25 6-30 3-35 0,02-0,24 0,02-0,33

N 16 22 15 21 15 18

Чернозем обыкновенный.

X 0.13Ю.02 0.1010.02 21±2 19±2 0,051 ±0.006 0,04010.007

0,01-0,42 0,02-0,30 12-70 6-67 0,01-0,11 0,009-0,16

N 50 58 50 60 45 52

Серая лесная почва.

X 0.17±0,03 0,11±0.02 2211 21±1 0.076Ю.006 0.055Ю.005

0,05-0,42 0,03-0,26 13-33 12-31 0,03-0,13 0,03-0,09

N 34 33 34 33 34 33

Несмотря на различия в условиях и процессах формирования, названные почвы по уровню содержаний Сс1 и РЬ значимо не отличаются друг от друга. Исключение составляет ртуть, повышенные содержания которой характерны для серых лесных почв. Учитывая более высокое содержание в них фульвокислот и кислую реакцию среды, по сравнению с черноземами, и большее количество осадков в районах их развития, можйо было ожидать даже некоторого уменьшения в них содержаний микроэлементов, в том числе и ртути. Однако, наличие на Салаире ртутных и полиметаллических месторождений и рудопроявлений, из которых ртуть проникает в почву, а также длительное использование ртути в золотодобыче привело к увеличению ее содержания в этих почвах.

Для оценки роли отдельных компонентов почвы в распределении микроэлементов в почвенном профиле рассмотрено влияние материала исходных пород и изменение количества подвижных форм в различных горизонтах почвы.

На рисунке 1 представлено распределение гранулометрической фракции размером менее 0,1 мм, потерь при прокаливании, породообразующих минералов, магнетита и микроэлементов в профиле горно-лесной серой почвы на элювии биотитовых гранитов Белокурихинского массива. Известно, что Сё изоморфно входит в состав Ее-Ь^ минералов, РЬ изоморфно замещает Са в полевых шпатах. Однако несмотря на увеличение количества этих минералов вниз то

А

Б

Рис. 1. Вертикальное распределение гранулометрической фракции мене 0,1 мм, потерь при прокаливании, породообразующих минералов, магнетит (А), тяжелых металлов и марганца (Б) в профиле, горно-лесной серой почв на элювии гранитов.

разрезу почвы, наибольшие содержания Си, ГЪ, других макроэлементов отмечаются в дерновом горизонте, что соответствует увеличению в нем доли фракции <0,1 мм и величины потерь при прокаливании, отражающей в первую очередь количество органического вещества. Поскольку почвенный поглощающий комплекс приурочен именно к мелкой фракции почвы и органическому веществу, можно заключить, что именно он обусловливает накопление рассматриваемых элементов в верхних почвенных горизонтах.

Различие в формах нахождения С<1, РЬ и Щ в верхних почвенных горизонтах и в почвообразующих породах отчетливо проявляется при анализе данных по растворимым формам элементов. Минимальный выход в раствор характерен для водной вытяжки. Очень низок выход в ацетатно-аммонийную вытяжку РЬ и Щ, а для Сс1 он составляет 10-20% от общего содержания. Низкая степень перехода в водную и ацетатно-аммонийную вытяжку не позволяет говорить о закономерностях вертикального распределения легкоподвижных форм С<1, РЬ и Щ в почвенном профиле.

Более контрастное распределение характерно для кислоторастворимых форм Сс1 и Щ. Из дернового горизонта извлекается весьма незначительное количество Щ и более 20% Сс1. В нижних горизонтах почвенного профиля в кислый раствор переходит около 60% ртути и почти 50% кадмия. Приведенные данные показывают, что из рассматриваемых элементов в почвах наиболее подвижен С(1, что вполне согласуется с литературными данными [А. Кабата-Пендиас, X. Пен-диас, 1989].

Известно, что в водную вытяжку переходят наиболее легкорастворимые соли (хлориды, сульфаты, бикарбонаты), комплексы с фульвокислотами и ионные формы тяжелых металлов. Ацетатно-аммонийный раствор извлекает микроэлементы, находящиеся в обменном состоянии, в результате их вытеснения ионом ИН\ Эти формы микроэлементов являются наиболее доступными для растений. В сильно кислой среде значительно уменьшается сорбционная емкость глинистых минералов и гидроокислов Ре, Мп и А1 [КшшЬш^Ь О.О. е1 а1, 1976; РаггаЬ Н. сХ а1, 1978; Добровольский В.В., 1998 и др.]. Поэтому в солянокислую вытяжку переходят не только обменные, но и более прочно сорбированные ионы. Кроме того, в кислой среде происходит разрушение некоторых неорганических соединений тяжелых металлов. Устойчивые в нейтральной и слабокислой кислой среде Н§(ОН)2 и ЩОН* в кислой среде разрушаются и переходят в раствор. Ион С«!2* в кислой среде легко мигрирует в виде комплексных ионов с С1~, ОН" и НСОз-. Гуминовые кислоты и гумины даже в условиях низких значений рН сохраняют способность эффективно удерживать тяжелые металлы. Именно этим следует объяснил, низкий выход рассматриваемых элементов в солянокислый раствор в дерновом и гумусовом горизонтах и его увеличение в почвообра-

зующих породах. Полученные нами результаты хорошо согласуются с данными для почв Западной Сибири [Экогеохимия ..., 1996].

Глава 5. Латеральное распределение С(1, РЬ и Щ в почвах Алтайского края.

Характерной особенностью латерального распределения Сё и РЬ в верхних почвенных горизонтах является наличие трех зон отличающихся уровнями их содержаний (рис. 2, 3). Максимальные концентрации обоих элементов как в дерновом, так и в гумусовом горизонтах приурочены к южной и юго-западной части Алтайского края (зона Ш) и пространственно совпадают с Рудно-Алтайской и Горно-Алтайской рудными зонами. Это позволяет предположить, что высокие содержания Сё и РЬ в немалой степени обусловлены влиянием почвообразующе-го субстрата. Содержания от фонового до верхней границы фонового интервала преобладают в полосе имеющей северо-восточное простирание (зона П). Для остальной территории края характерны концентрации Сс1 и РЬ ниже фонового (зона I).

Отсутствие в пределах зоны Б рудных проявлений, ее секущее положение относительно ландшафно-климатических и почвенных зон, совпадение ее простирания с направлением преобладающих ветров и ее более обширная площадь в дерновом горизонте чем в гумусовом позволяют связать формирование этой зоны с влиянием атмосферных промышленных выбросов предприятий Рубцовска, Змеиногорска, Горняка и северо-восточного Казахстана. Об этом же свидетельствует и более резкое увеличение содержаний Сё и РЬ в дерне по сравнению с гумусовым горизонтом при переходе от зоны I к зонам П и Ш.

Пространственное распределение ртуга существенно отличается от рассмотренных выше случаев (рис. 4). Общей тенденцией, как в дерновом так и гумусовом горизонтах является увеличение ее содержаний с запада на восток. Для большей части левобережья Оби характерны концентрации менее 0,06 г/т в дерновом горизонте и менее 0,04 г/т - в гумусовом. Более высокие концентрации отмечаются в почвах Обь-Чумышского междуречья и Салаира (в дерне - более 0,06 г/т, в гумусовом слое - 0,04-0,06 г/т). Область относительно повышенных содержаний ртуга в почвах хорошо согласуется с картой загрязнения атмосферного воздуха на которой в восточной части края выделяется область повышенного загрязнения [Шойхет Я.Н. и др., 1994]. Существенный вклад в ртутное загрязнение почв Салаира внесло широкое использование метода амальгамирования в золотодобыче [Яголышцер М.А. и др., 1995].

О 50 100км

Содержание

«.V В более 0,30 г/т

\ от 0,15 до 0,30 г/т менее 0,15 г/т

Рис. 2. Карта-схема распределения кадмия в дерновом (А) и гумусовом (Б) горизонтах почв Алтайского края.

О 50 _100 км

• У''

f Содержание

более 30 г/т

от 20 доЗОг/т менее 20 г/т

Рис. 3. Карта-схема распределения свинца в дерновом (А) и гумусовом (Б) горизонтах почв Алтайского края.

Содержание

более 0,06 г/т от 0,04 до 0,06 г/т менее 0,04 г/т

Рис. 4. Карта-схема распределения ртути в дерновом (А) и гумусовом (Б) горизонтах почв Алтайского края

Приведенные выше данные свидетельствуют о наличии двух основных факторов, формирующих наблюдаемую картину латерального распределения Cd, Pb и Hg в почвах Алтайского края. Природный фактор выражается в унаследовании почвами геохимических особенностей почвообразующего субстрата. В районах рудных аномалий почвы наследуют не только высокие содержания Cd, Pb, Hg и ассоциирующих с ними элементов но и крайне неравномерное их распределение по площади и по профилю.

Техногенное загрязнение привело к образованию зон относительно повышенных содержаний Cd и Pb в верхних почвенных горизонтах. Кроме того, техногенный фактор, наряду с природным, играет существенную роль в формировании повышенных содержаний Hg в почвах Салаира и Присалаирья. Основным механизмом образования техногенной составляющей концентраций рассматриваемых элементов в почвах края является атмосферный перенос и осаждение выбросов промышленных центров, расположенных как на территории Алтайского края, так и сопредельных регионов.

Необходимо отметить, что определенную роль в увеличении атмосферного поступления Cd, Pb и Hg в пределах Салаирского кряжа и предгорий Алтая играют ландшафтао-геоморфологичесхие особенности этих территорий. Горные хребты являются механическими барьерами на которых происходит разгрузка переносимых воздушными массами аэрозолей [Glavac V. et al, 1988; Krai R. et al, 1989; Miller E., FriedlaxidA., 1994]. Увеличение осаждения аэрозолей происходит и в лесных массивах [Norden U., 1991]. Количественно определить влияние каждого из этих факторов на основе имеющихся материалов не представляется возможным, поэтому построенные карты-схемы и полученные в настоящей работе оценки отражают суммарное поступление Cd, Pb и Hg на поверхность почвы из атмосферы.

Глава 6. Оценка атмосферного поступления Cd, Pb и Hg в верхние горизонты почв Алтайского края.

В настоящее время установлено, что распределение поступающих из атмосферы в почву загрязняющих веществ характеризуется локализацией в самой верхней части профиля (0-5 см) [Елпатьевский П.В., Аржанова B.C., 1985]. В целинных почвах этот интервал соответствует, как правило, дерновому горизонту. Для приближенной оценки атмосферного поступления рассматриваемых элементов в почвы будем использовать сравнение величин коэффициентов накопления соответствующих элементов в дерновом горизонте по отношению к гумусовому для каждой из выделенных зон.

Учитывая, что в зоне с наименьшей степенью накопления (зона I) увеличение содержаний Cd, Pb и Hg в дерне обусловлена, главным образом, биологическим поглощением и глобальными атмосферными выпадениями, мы принимаем

величину коэффициента накопления в этой зоне за I. Предполагая, в первом приближении, что интенсивность этих процессов д ля всей территории Алтайского края одинакова, можно приблизительно оценить вклад региональных атмосферных выпадений в накопление рассматриваемых элементов в дерновом слое в зонах ПиШ. В зоне И среднее накопление С<3 составляет 1,23, РЬ - 1,09,-1,45 по сравнению с зоной I. В зоне Ш накопление Сс1 равно 2,07, РЬ - 1,45. Часть поступивших в дерн из атмосферы ТМ мигрируют вниз по разрезу, что приводит к занижению величины коэффициентов накопления. Поэтому полученные оценки являются минимальными.

Как показывают литературные и наши данные, одним из наиболее информативных индикаторов атмосферного загрязнения ОС являются подстилки хвойных лесов [Бпес11апс1 А., 1985, Аношин Г.Н. и др., 1995]. Сопоставление уровней содержаний ТМ в подстилках различных территорий позволяет на качественном уровне оценить интенсивность их атмосферного поступления. Количественную оценку можно получить, если рассматривать соотношение содержаний ТМ и элемента, изотопа или химического соединения, поступление которого на земную поверхность связано только с атмосферными выпадениями. Этим требованиям отвечает техногенный радиоизотоп 137Сд. Для оценки атмосферных выпадений был использован верхний слой подстилок мощностью 1-2 см, опробованных на территории Алтайского края и Республики Алтай.

Из рассматриваемых элементов только ртуть имеет значимую корреляционную связь с 137Сз. Это свидетельствует о том, что глобальное атмосферное поступление играет меньшую роль в накоплении подстилками Сё и РЬ, по сравнению с их поступлением вместе с опадающей хвоей.

По эмпирическим данным проведен регрессионный анализ, в котором содержание 137Св было принято в качестве независимой переменной (рис. б). Вычисленные коэффициенты уравнения регрессии (У=аХ+Ь) имеют следующие значения: а=0,0007±0,0001, Ь=0,08±0,01. Используя полученную регрессионную зависимость, можно оценить ежегодное атмосферное поступление ртути в Алтайском регионе. Основная часть приводимых в литературе данных по количеству ежегодного опада в сосновых лесах лежат в интервале 200-300 т/км2 [Стаканов В.Д., 1983]. Запас подстилки в верхнем сантиметровом слое в ленточных борах Алтайского края равно 270-350 т/км2. Поэтому период накопления этого слоя нами принят за 1 -2 года.

Среднее содержание 137Сз в верхнем слое подстилки (воздушно сухое вещество) составляет 20±1 Бк/кг (N=69). В соответствии с регрессионной зависимостью этому содержанию соответствует концентрация ртути 0,094 г/т (доверительный интервал от 0,08 до 0,11 г/т). Эта величина хорошо совпадает с реально наблюдаемым средним содержанием ртути в рассматриваемом слое хвойных подстилок (0,10±0,01 г/т, N=30), что свидетельствует о достоверности получен-

ной оценки. В пересчете на площадь, при плотности верхнего сантиметрового слоя подстилки 0,057 г/см3, это составит 53 г/км2 (интервал 45-63 г/км2). С учетом полученной выше оценки времени, необходимого для накопления слоя опа-да мощностью I см (1-2 года), среднее годовое поступление ртути с атмосферными выпадениями и опадом составит 26-53 г/км2.

Для определения количества ртути, поступающего в подстилку вместе с опадающей хвоей, были определены ее содержания в свежей хвое до и после промывки в проточной воде. Концентрация ртути в обработанной хвое на 1022% ниже, чем в контрольных пробах. Согласно экспериментальным данным Б.Н. Фомина и др. (1992), ртуть, осевшая на хвою в газовой фазе, не смывается с ее поверхности водой, Поэтому приведенные выше величины потерь при обработке хвои водой отражают, видимо, количество ртути, связанной с пылевыми частицами. Если принял, приведенные выше величины ежегодного опада (200300 т/км3), то поступление ртути в подстилку вместе с опадающей хвоей составит 7,4-11,1 г/км2 в год. Исключая полученную величину из общего количества ртути, поступившей в подстилку, получим оценку атмосферной нагрузки ртуги на изученной территории - 19-42 г/км2.

Наша оценка глобального поступления ртути достаточно хорошо согласуется с литературными данными. Среднегодовая атмосферная нагрузка ртути в районе Великих озер (США), по данным [Glass А. et al, 1991], составляет в 15 mktW (15 г/км2). Для юго-западной части Скандинавии эта оценка лежит в интервале 10-30 мкг/м2 (10-30 т/км2) [Jensen А., Jensen А., 1991]. Для урбанизированных территорий оценки ежегодных выпадений ртути значительно выше. По расчетам, выполненным по пылевой фракции снега, в зоне влияния крупного промышленного города оседает около 0,4 г/км2 в сутки (146 г/км2 в год) ртути [Методические ..., 1982]. Таким образом, по количеству атмосферных выпадений ртути Алтай близок к другим фоновым регионам мира. Эта оценка может рассматриваться как фоновый уровень ее атмосферного поступления на территории Алтая.

Заключение

Полученные в ходе выполнения работы результаты выявляют основные закономерности формирования наблюдаемого распределения наиболее токсичных ТМ в почвах Алтайского края и позволяют сформулировать следующие выводы:

• Содержания Cd, Pb и Hg в наиболее распространенных типах целинных почв Алтайского края не превышают современных среднемировых оценок и близки к фоновым концентрациям в почвах равнин Западной Сибири. Превышения содержаний Cd, Pb и Hg в изученных почвах над уровнем ПДК отмечаются в единичных случаях и обусловлены действием природных факторов;

• Основной закономерностью вертикального распределения Сй, РЪ и Щ в фоновых условиях является их накопление в верхних горизонтах почв. Максимальная степень накопления характерна для дернового горизонта. По степени накопления в дерне рассматриваемые элементы располагаются в ряд > Сс1 > РЬ. В районах природных аномалий почвы наследуют не только высокие содержания микроэлементов но и крайне неравномерное их распределение как по площади, так и по разрезу,

• Отчетливое наследование почвами состава почвообразующего субстрата наблюдается только при рассмотрении широкого интервала содержаний (от фоновых до аномальных). При содержаниях, близких к фоновым, эта закономерность затушевывается другими процессами, в первую очередь биологическим поглощением и техногенным загрязнением;

• Наблюдаемое латеральное распределение Сё, РЬ и Щ в почвах Алтайского края обусловлено совместным действием двух основных факторов. Природный фактор выражается в унаследовании почвами геохимических особенностей почвообразующего субстрата. Действие природного фактора приводит к формированию аномальных содержаний рассматриваемых элементов в почвах металло-генических зон. Действие техногенного фактора привело к образованию зоны относительно повышенных содержаний Сс1 и РЬ в верхних почвенных горизонтах, имеющей северо-восточное простирание. Кроме того, техногенный фактор, наряду с природным, играет существенную роль в формировании повышенных содержаний Щ в почвах Салаира и Предсалаирья. Основным механизмом образования техногенной составляющей концентраций рассматриваемых элементов в почвах края является атмосферный перенос и осаждение выбросов предприятий промышленных центров, как на территории Алтайского края, так сопредельных регионов;

• Дерновый горизонт почв, отличающийся от нижележащего гумусового горизонта по ряду свойств, является важным источником информации а техногенном загрязнении целинных почв. Использование коэффициентов накопления ТМ в дерновом горизонте по отношению к гумусовому позволяет получить приближенную оценку техногенной компоненты, в том числе в пределах природных рудных аномалий;

• Химические соединения и элементы (или изотопы), поступление которых на земную поверхность заведомо связано с атмосферными выпадениями, могут служить геохимическими трассерами атмосферного поступления ТМ в почву. Использование соотношений содержаний ТМ и элементов-трассеров в хвойных подстилках позволяет получить количественную оценку атмосферного поступления токсикантов в почву и разделить вклад глобальных и локальных (региональных) источников.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Закономерности распределения свинца в почвах Алтайского края И Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде: Мат-лы междунар. науч,-практич. конф. Семипалатинск, 2000, С. 123-124. Соавторы- И. Н. Маликова, Ю. И. Маликов.

2. Закономерности распределения ртути в почвах Алтайского края // Оценка риска загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами: интегрированные подходы, теоретические разработки и конкретные примеры: Тез. докл. - Московская обл., Планерное, 2000, С. 62-63. Соавторы - И. Н. Маликова, Ж. О. Бадмае-ва.

3. Technogenic heavy metals and the soil regional background // Geochemistry of the Earth's Surface: Proc. of the 5th Int. Symp. on Geochem. of the Earth's Surface / Reykjavik / Iceland / 1999. P. 191-193. Соавторы - И. H. Маликова, В. М. Цибуль-чик, Б, Л. Щербов, В. Д. Страховенко.

4. Глобальная и локальная составляющие атмосферных выпадений ртути на территории Алтая//Доклады Академии наук, 1998. Т.363. С. 104-106. Соавторы-И. Н. Маликова, Г. Н. Аношин, Ж. О. Бадмаева, А. С. Сгепин.

5. О распределении тяжелых металлов в почвах Алтайского региона // Актуальные вопросы геологии и географии Сибири: Мат-лы конф. посвящ. 120-летию основания Томского гос. университета. Томск, 1998. Том 3, С. 276-278. Соавторы - И. Н. Маликова, Ф. В. Сухоруков, Ю. И. Маликов.

6. Подвижные формы ртутя в почвах // Междунар. симп. по пробл. прикладной геохимии стран СНГ: Тез. докл., - Москва 1997. С. 223-224. Соавторы - И. Н. Маликова, Г. Н. Аношин, Ж. О. Бадмаева.

7. Экогеохимия Западной Сибири. - Новосибирск, Изд-во СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1996. - 248 с. Соавторы - Н. А. Росляков, В. П. Ковалев, Ф. В. Сухоруков, Ю. Г. Щербаков, Г. Н. Аношин, Н. М. Рассказов, С. Л. Шварцев, Ю. А. Калинин, И. Н. Маликова, С. В. Мельгунов, С. Р. Осинцев, Н. В. Рослякова, Б.Л. Щербов.

8. Mercury in soils of the Southern West Siberia. // Regional and Global Mercury Cycles: Sources, Fluxes and Mass Balances / Ed. By W.Bayens and R. Ebinghaus. -Kluwer Academic Publishers, The Netherlands, 1996. P. 475-486. Соавторы -Г. H. Аношин, И. Н. Маликова.

9. Cs-137 как индикатор выпадений атмосферных загрязнителей (на примере Алтая) // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: Мат-лы междунар. конф. - Томск 1996, С. 238-241. Соавторы - И. Н. Маликова, Ж. О. Бадмаева, А. С. Степин.

10. Mercury and Cadmium in Soil-Forming Kock - Soii - Fianl System 11 Геодинамика и эволюция Земли: Материалы к научной конференции РФФИ. - Новосибирск, Издательство СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1996, С. 228. Соавторы -И. Н. Маликова, Г. Н. Аношин, Ж. О. Бадмаева.

11. Microelements Distribution in Soils on Contrast in Composition Rocks // Геодинамика и эволюция Земли: Мат-лы к науч. конф. РФФИ. - Новосибирск, Издательство СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1996, С. 227. Соавторы - И. Н. Маликова, Ю. И. Маликов.

12. Heavy Metals in Soil - Rock System (with an Example of Belokurikha Granite Massif Region, (Altai) // Геодинамика и эволюция Земли: Мат-лы к науч. конф. РФФИ: - Новосибирск, Издательство СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1996, С. 228. Соавторы - И. Н. Маликова, Ю. И. Маликов, Л. Д. Иванова.

13. Mercury in Soils and Sediments of the Southern West Siberia // Regional and Global Mercury Cycles: Sources, Fluxes and Mass Balances. NATO Advanced Research Workshop. - Novosibirsk, 1995, P. 33. Соавторы - Г. H. Аношин, И. Н. Маликова, Ф. В. Сухоруков, Б. Л. Щербов.

14. Ртуть в окружающей среде юга Западной Сибири // Химия в интересах устойчивого развития. - 1995. - Т.З, №1-2. - С. 69-112. Соавторы - Г. Н. Аношин, И. Н. Маликова, Н. В. Андросова, Ф. В. Сухоруков, В. М. Цибульчик, Б. Л. Щербов.

15. Связь содержаний микроэлементов в почвах и почвообразутощих породах (на примере Алтайского края) // IV Объед. междунар. симп. по пробл. прикл. геохимии: Тез. докл. - Иркутск, 1994. Т.2. С. 97-98. Соавторы - И. Н. Маликова, Ф. В. Сухоруков, С. В. Орлова, Ю. И. Маликов.

16. Тяжелые металлы в целинных почвах и донных отложениях озер сибирских территорий с различной экологической напряженностью // IV Объед. междунар. симп. по пробл. прикл. геохимии: Тез. докл. - Иркутск, 1994. Т.2. С. 53-54. Соавторы - Ф. В. Сухоруков, И. Н. Маликова, В. М. Гавшин, Б. Л. Щербов.

17. Тяжелые металлы в почвах Алтайского края. // Ядерные испытания, окружающая среда и здоровье населения Алтайского края. - Барнаул, 1993. Т.2, кн. I, - С. 64-95. Соавторы - М. А. Мальгин, Ф. В. Сухоруков, И. Н. Маликова, С. В. Мельгунов.

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Ковалев, Сергей Иванович

Введение.

Глава 1. Методы исследования.

1. Методика отбора проб и пробоподготовки.

2. Аналитические методы.

3. Стащистическая обработка данных.

4. Методика построения карт-схем.

Глава 2. Химические свойства и распространенность Сё, РЬ и Н« в окружающей среде.

1. Основные физико-химические свойства Сё, РЬ и Hg.

2. Распространенность Сё, РЪ и ^ в горных породах.

3. Содержание, формы нахождения и условия миграции

Сё, РЬ и Щ в почвах.

4. Природные источники поступления Сё, РЬ и Щ в окружающую среду.!. .'. . . ;.

5. Антропогенные источники поступления Сё, РЬ и в окружающую среду.

Глава 3. Факторы, особенности и условия распределения Сё, РЬ и в почвах Алтайского края.

1. Ландгиафтно - климатические условия и изменчивость почвенного покрова Алтайского края.

2. Природные факторы, определяющие содержание Сё, РЬ и в почвах Алтайского края.

3. Антропогенные факторы накопления Сё, РЬ и Щ в почвах Алтайского края.

Глава 4. Общая характеристика распространенности Сё, РЬ,

§ в почвах Алтайского края.

Глава 5. Латеральное распределение Сё, РЬ и в почвах

Алтайского края.

Глава 6. Оценка атмосферного поступления Сё, РЬ и ¥lg в верхние горизонты почв Алтайского края.

Введение Диссертация по геологии, на тему "Закономерности распределения Cd, Pb и Hg в почвах Алтайского края"

Актуальность проблемы. Почва, формируясь в результате действия ряда процессов, как абиогенных, так и биологических, представляет собой связующее звено между живой и косной материей. Она является одним из основных источников микроэлементов (в том числе и токсичных) во всех компонентах окружающей среды (ОС). Будучи начальным звеном трофических цепей, почва поставляет токсичные вещества в организм человека.

Особое внимание в ряду токсикантов привлекают тяжелые металлы (ТМ), среди которых Сё, РЬ и Н^ отнесены к I категории опасности [1]. Любое увеличение содержаний этих витафобов в объектах окружающей среды, должно рассматриваться как неблагоприятный фактор [2]. В настоящее время антропогенные выбросы Сс1, РЬ и намного превышают их количество, освобождающееся в результате природных процессов, так что практически невозможно определить их естественные уровни содержаний в компонентах ОС. Поэтому одной из наиболее актуальных задач экогеохимических исследований является выделение и оценка техногенной составляющей на фоне природных геохимических вариаций [3].

Накопление в трофических цепях, а также усиление токсичности в результате совместного действия, приводит к тому, что даже изначально небольшое повышение их содержаний в почвах может дать негативный эффект на здоровье человека.

Катастрофические последствия, к которым в некоторых районах мира привело неконтролируемое загрязнение окружающей среды, например бухта Минамато в Японии, бассейн р. Амазонки, активизировали научные исследования источников поступления, форм нахождения и путей миграции тяжелых металлов (в первую очередь Сс1, РЬ и Н§) в различных природных системах [4; 5; 6].

На прошедшем в 1995 в году в Новосибирске международном симпозиуме «Региональный и глобальный круговорот ртути: источники, потоки и балансы» обсуждались проблемы ртутного загрязнения окружающей среды и, в том числе, роль Сибири в глобальном геохимическом цикле ртути. Решениями симпозиума предусматривалось расширение работ по геохимии ртути.

В период 1992-1995 гг в рамках Государственной программы "Семипалатинский полигон - Алтай" осуществлялось изучение экологического состояния Алтайского края. Хотя основной задачей программы было изучение и ретроспективный анализ влияния ядерных взрывов на Семипалатинском полигоне на здоровье населения края, в ходе ее выполнения большое внимание уделялось проблеме тяжелых металлов. Было показано, что на территории Алтайского края имеется ряд крупных природных и техногенных источников поступления тяжелых металлов в почвы. Кроме того, в результате выполнения этих работ установлено, что загрязняющие вещества на территорию Алтайского края поступают также в результате трансграничного переноса от индустриальных центров на сопредельных территориях (Казахстан, Кузбасс) [7; 8]. Поэтому оценка техногенного загрязнения почв и других компонентов ОС тяжелыми металлами является актуальной задачей для понимания современного экологического состояния изученной территории.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является выявление особенностей регионального распространения Сё, РЬ и Н§ в компонентах ОС, прежде всего в целинных почвах, в условиях возрастающих техногенных нагрузок, характерных для второй половины XX столетия, а также установление и оценка основных факторов, определяющих формирование геохимического фона перечисленных элементов в верхних горизонтах почв на примере степных и предгорных ландшафтов Западной Сибири.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Проведение работ по опробованию представительных участков целинных почв в различных природно-климатических зонах Алтайского края.

2. Оценка статистических параметров распределения Сё, РЬ и Н^ в дерновом и гумусовом горизонтах различных типов почв Алтайского края. Изучение их вертикального распределения в почвах фоновых районов и в пределах рудных аномалий.

3. Изучение вертикального распределения изучаемых элементов в почвах фоновых районов и в пределах природных аномалий

4. Оценка уровней содержаний Сс1, РЬ и в растениях и растительных подстилках в местах опробования почв.

5. Построение карт-схем пространственного распределения Сё, РЬ и Щ в верхних почвенных горизонтах и выделение зон с различным их содержанием.

6. Оценка статистических параметров распределения Сё, РЬ и Н^ в каждой из выделенных зон.

7. Количественная оценка вклада региональных источников техногенного загрязнения в содержания Сё, РЬ и Щ в почвах.

Научная новизна работы. Впервые показана перспективность использования дернового горизонта как самостоятельного источника информации о техногенном загрязнении почв. Выявлена возможность получения приближенной оценки атмосферного поступления тяжелых металлов из техногенных источников на основе анализа коэффициентов накопления тяжелых металлов в дерновом горизонте по отношению к гумусовому. Этот подход позволяет определить техногенную составляющую содержаний тяжелых металлов в почвах, в том числе в пределах природных геохимических аномалий. Предложен метод оценки глобального атмосферного поступления тяжелых металлов на поверхность почвы, основанный на применении геохимических трассеров глобальных атмосферных выпадений.

Практическая значимость работы. Создана геохимическая основа для эколого-геохимического мониторинга загрязнения почв Алтайского края наиболее токсичными тяжелыми металлами. Получены оценки фоновых содержаний Сс1, РЬ и Н^ в целинных почвах края. Выделены территории испытывающие наибольшую техногенную нагрузку в отношении рассматриваемых элементов. Оценен вклад техногенных источников в содержания Сё, РЬ и Н§ в почвах. Полученные результаты служат основой для проведения в будущем работ, которые должны включать в себя детальное изучение форм нахождения, условий и путей миграции этих и других тяжелых металлов в экосистемах территорий с различным уровнем техногенной нагрузки.

Полевой материал, на котором базируется работа, собран в период 1992-1998 гг. На территории края в главных типах почв, развитых на различных по составу субстратах, было заложено и задокументировано 70 полных почвенных разрезов, доходящих до почвообразующих пород и 340 закопушек глубиной до 40 см. Пробы почв отбирались бороздой из каждого генетического горизонта. Пробы растений отобраны в непосредственной близости от точек опробования почв. В лесных ландшафтах отбирались пробы лесных подстилок. Для изучения распределения ртути в хвойных подстилках было проведено выделение гранулометрической фракции разложившейся хвои размером менее 0,1 мм с последующим определением в ней ртути. Всего в обработку вовлечено 1350 проб почв, 207 - растений, 31 - хвойных подстилок.

Защищаемые положения.

1. Распределение Сё, РЬ и Н§ в верхних горизонтах целинных почв Алтайского края определяется сочетанием ряда природных и техногенных факторов, основными из которых являются геохимические особенности почвообразующих пород и атмосферные выбросы промышленных предприятий. Концентрации Сё, РЬ и Н§ в почвообразующих породах определяют уровни содержаний в верхних почвенных горизонтах, а также влияют на их распределение в почвенном профиле. Зависимость содержаний Сё, РЬ и Щ в дерновом и гумусовом горизонтах от их концентраций в почвообразующем субстрате четко проявляется при сопоставлении достаточно широкого интервала содержаний (от околокларковых до аномальных). При низких содержаниях эта зависимость затушевывается почвообразующими процессами и техногенным загрязнением 2. Дерновый горизонт почв, отличающийся от нижележащего гумусового горизонта по ряду свойств (удельный вес, количество и состав органики, поглотительная способность), является важным источником информации о техногенном загрязнении целинных почв. Использование коэффициентов накопления тяжелых металлов в дерновом горизонте по отношению к гумусовому позволяет получить приближенную оценку техногенной компоненты, в том числе в пределах природных геохимических аномалий.

3. Химические соединения и элементы (или изотопы), поступление которых на земную поверхность заведомо связано с атмосферными выпадениями, могут служить геохимическими трассерами атмосферного поступления тяжелых металлов в почву. Использование соотношений содержаний тяжелых металлов и элементов-трассеров в хвойных подстилках позволяет получить количественную оценку атмосферного поступления токсикантов в почву и разделить вклад глобальных и локальных (региональных) источников.

Апробация работы и публикации. По материалам диссертации сделаны доклады на научных конференциях и симпозиумах:

• Международная научно-практическая конференция "Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде". 2000 г, Семипалатинск.

• Российская конференция "Оценка риска загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами: интегрированные подходы, теоретические разработки и конкретные примеры". 2000 г, Московская обл., Планерное, th

• 5 International Symposium on Geochemistry of the Earth's Surface "Geochemistry of the Earth's Surface". 1999, Reykjavik.

• Научная конференция «Актуальные вопросы геологии и географии Сибири». 1998 г, Томск.

• Международный симпозиум по прикладной геохимии стран СНГ. 1997 г, Москва.

• Международная конференция «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека». 1996 г, Томск.

• Научная конференция РФФИ. «Геодинамика и эволюция Земли». 1996 г, Новосибирск.

• NATO Advanced Research Workshop "Regional and Global Mercury Cycles: Sources,

Fluxes and Mass Balances". 1995, Novosibirsk.

• IV объединенный международный симпозиум по проблемам прикладной геохимии посвященный памяти академика Л.В.Таусона. 1994 г, Иркутск.

Основные материалы и научные выводы диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Закономерности распределения свинца в почвах Алтайского края // Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде: Мат-лы междунар. науч.-практич. конф. Семипалатинск, 2000, С. 123-124. Соавторы- И. Н. Маликова, Ю. И. Маликов.

2. Закономерности распределения ртути в почвах Алтайского края // Оценка риска загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами: интегрированные подходы, теоретические разработки и конкретные примеры: Тез. докл. - Московская обл., Планерное, 2000, С. 62-63. Соавторы - И. Н. Маликова, Ж. О. Бадмаева.

3. Technogenic heavy metals and the soil regional background // Geochemistry of the Earth's Surface: Proc. of the 5th Int. Symp. on Geochem. of the Earth's Surface / Reykjavik / Iceland / 1999. P. 191-193. Соавторы - И. H. Маликова, В. М. Цибульчик, Б. JI. Щербов, В. Д. Страховенко.

4. Глобальная и локальная составляющие атмосферных выпадений ртути на территории Алтая // Доклады Академии наук, 1998. Т.363. С. 104-106. Соавторы-И. Н. Маликова, Г. Н. Аношин, Ж. О. Бадмаева, А. С. Степин.

5. О распределении тяжелых металлов в почвах Алтайского региона // Актуальные вопросы геологии и географии Сибири: Мат-лы конф. посвящ. 120-летию основания Томского гос. университета. Томск, 1998. Том 3, С. 276-278. Соавторы - И. Н. Маликова, Ф. В. Сухоруков, Ю. И. Маликов.

6. Подвижные формы ртути в почвах // Междунар. симп. по пробл. прикладной геохимии стран СНГ: Тез. докл., - Москва 1997. С. 223-224. Соавторы - И. Н. Маликова, Г. Н. Аношин, Ж. О. Бадмаева.

7. Экогеохимия Западной Сибири. - Новосибирск, Изд-во СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1996. - 248 с. Соавторы - Н. А. Росляков, В. П. Ковалев, Ф. В. Сухоруков, Ю. Г. Щербаков, Г. Н. Аношин, Н. М. Рассказов, С. JI. Шварцев, Ю. А. Калинин, И. Н. Маликова, С. В. Мельгунов, С. Р. Осинцев, Н. В. Рослякова, Б.Л. Щербов.

8. Mercury in Soils of the Southern West Siberia. // Regional and Global Mercury Cycles: Sources, Fluxes and Mass Balances / Ed. By W.Bayens and R. Ebinghaus. - Kluwer Academic Publishers, The Netherlands, 1996. P. 475-486. Соавторы - Г. H. Аношин, И. Н. Маликова.

9. Cs-137 как индикатор выпадений атмосферных загрязнителей (на примере Алтая) // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: Мат-лы междунар. конф. - Томск 1996, С. 238-241. Соавторы - И. Н. Маликова, Ж. О. Бадмаева, А. С. Степин. ю. Mercury and Cadmium in Soil-Forming Rock - Soil - Plant System // Геодинамика и эволюция Земли: Материалы к научной конференции РФФИ. - Новосибирск, Издательство СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1996, С. 228. Соавторы -И. Н. Маликова, Г. Н. Аношин, Ж. О. Бадмаева.

11. Microelements Distribution in Soils on Contrast in Composition Rocks // Геодинамика и эволюция Земли: Мат-лы к науч. конф. РФФИ. - Новосибирск, Издательство СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1996, С. 227. Соавторы - И. Н. Маликова, Ю. И. Маликов.

12. Heavy Metals in Soil - Rock System (with an Example of Belokurikha Granite Massif Region, (Altai) // Геодинамика и эволюция Земли: Мат-лы к науч. конф. РФФИ: -Новосибирск, Издательство СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1996, С. 228. Соавторы -И. Н. Маликова, Ю. И. Маликов, JI. Д. Иванова.

13. Mercury in Soils and Sediments of the Southern West Siberia // Regional and Global Mercury Cycles: Sources, Fluxes and Mass Balances. NATO Advanced Research Workshop. - Novosibirsk, 1995, P. 33. Соавторы - Г. H. Аношин, И. Н. Маликова, Ф. В. Сухоруков, Б. JI. Щербов.

14. Ртуть в окружающей среде юга Западной Сибири // Химия в интересах устойчивого развития. - 1995. - Т.З, №1-2. - С. 69-112. Соавторы - Г. Н. Аношин, И. Н. Маликова, Н. В. Андросова, Ф. В. Сухоруков, В. М. Цибульчик, Б. JI. Щербов.

15. Связь содержаний микроэлементов в почвах и почвообразующих породах (на примере Алтайского края) // IV Объед. междунар. симп. по пробл. прикл. геохимии: Тез. докл. - Иркутск, 1994. Т.2. С. 97-98. Соавторы - И. Н. Маликова, Ф. В. Сухоруков, С. В. Орлова, Ю. И. Маликов.

16. Тяжелые металлы в целинных почвах и донных отложениях озер сибирских территорий с различной экологической напряженностью // IV Объед. междунар. симп. по пробл. прикл. геохимии: Тез. докл. - Иркутск, 1994. Т.2. С. 53-54. Соавторы - Ф. В. Сухоруков, И. Н. Маликова, В. М. Гавшин, Б. Л. Щербов.

17. Тяжелые металлы в почвах Алтайского края. // Ядерные испытания, окружающая среда и здоровье населения Алтайского края. - Барнаул, 1993. Т.2, кн. I, - С. 64-95. Соавторы - М. А. Мальгин, Ф. В. Сухоруков, И. Н. Маликова, С. В. Мельгунов.

10

В целом соискатель является соавтором одной монографии, 11 статей, 19 тезисов и 18 отчетов.

Структура и объем работы.

Работа изложена на 115 страницах, состоит из 6 глав, введения и заключения и содержит 16 рисунков и 27 таблиц. Библиография включает 116 наименований.

Автор выражает благодарность Л.Д.Ивановой, Ж.О.Бадмаевой, Н.В.Андросовой, В.И.Ильиной, выполнившим аналитические работы на тяжелые металлы, А.С.Степину, проводившему гамма-спектрометрическое определение I37Cs. За постоянное внимание к работе и ценные советы автор благодарит своих научных руководителей к.г.-м.н. Ф.В.Сухорукова и к.г.-м.н. И.Н.Маликову.

Работа выполнена в Аналитическом центре ОИГТМ СО РАН.

Заключение Диссертация по теме "Геохимия", Ковалев, Сергей Иванович

Эти выводы подтверждаются результатами изучения распределения техногенного радиоцезия в почвах Алтайского края. В соответствии с нашими данными наибольшей информативностью на радиоцезий обладают черноземные и лесные почвы. Причем в дерново-подзолистых почвах радиоцезий проникает на большую глубину по сравнению со степными почвами [58; 59]. Почвы сухих степей в наименьшей степени сохраняют выпавшие на их поверхность радионуклиды [60].

2. Природные факторы, определяющие содержание С(1, РЪ и ^ в почвах Алтайского края

Главными природными факторами, определяющими геохимический фон тяжелых металлов в почвах, являются уровни их содержаний и формы нахождения в почвообразующих породах. Важное значение имеют также природные условия территории, которые могут способствовать накоплению элементов в почвенном покрове либо их выносу за пределы почвенного профиля. В почвах с промывным характером водного режима, в районах с большим количеством осадков создаются условия для нисходящей миграции элементов по почвенному профилю, тогда как в засушливых районах, при неглубоком залегании грунтовых вод, возможно накопление элементов в верхних горизонтах почвы на испарительном барьере в результате восходящей миграции.

На большей части степной части Алтайского края почвообразующим субстратом служат покровные лессовидные суглинки (рис. 4). Для них характерно изменение мощности в зависимости от древности рельефа на котором они залегают [61]. На поверхностях I, II и Ш надпойменных террас р.Оби покровные суглинки имеют мощность до 4-5 м, на IV и V террасах до 10 м, а на древних междуречьях Обь-Чумышского и Приобского плато - до 15 м. По данным рентгено-структурного анализа качественный минеральный состав лессовидных суглинков следующий: кварц, полевой шпат (альбит), хлорит, иллит, каолинит.

По большей части признаков (условия распространения, сравнительно малая мощность, плащеобразное залегание на разновозрастных геоморфологических уровнях и самых разных абсолютных высотах, почти повсеместное отсутствие слоистости, характерный лессовидный тип и наземный облик захороненных в покровных суглинках моллюсков) эти отложения имеют, видимо, эоловое происхождение [62]. Возраст этих отложений верхний плейстоцен - голоцен. На поверхности надпойменных террас и, реже, в пойме р.Оби и ее притоков, в древних ложбинах стока и в пределах Кулундинской равнины очень широко распространены эоловые отложения, представленные тонко- мелкозернистыми пылеватыми, реже среднезернистыми песками мощностью от 1-2 до 10-15 м. Пески залегают в виде гряд, бугров, дюн и почти повсеместно закреплены сосновыми борами. В долинах рек и на молодых террасах почвообразующим субстратом служат аллювиальные отложения различного литологического состава.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Покровные лессовидные суглинки

А А А Л А А

Супесчаные отложения ложбин древнего стока и речных терасс

Элювиальные и делювиальные отложения

Границы металлогенических ♦ » зон, рудных районов, - » узлов (а) и подзон (б)

50 1

100 км 1

Рис. 4. Карта-схема почвообразующих пород (составлена по материалам геологической карты СССР. Листы N-(44)45, М-(44)45.). Металлогенические зоны

- Рудно-Алтайская полиметаллическая

II - Горно-Алтайская железорудно-редкометальная

НА - Талицкая редкометальная подзона ИБ - Чарышско-Коргонская железорудно-полиметаллическая подзона

III - Сарасинская ртутная

IV - Салаирская колчеданно-полиметаллическая золоторудная

V - Салаирская (Сорокино-Орлиногорская) ртутная

Рудные районы и узлы

1 - Белокурихинский редкометальный

2 - Ширгайтинский полиметаллическо-редкометальный

3 - Аламбайский район с хромито-никелевой минерализацией и россыпями осмистого ирридия

Литературные данные о содержании и формах нахождения Сё, РЬ и Н§ в почвообразующих породах Алтайского края немногочисленны. Основная их часть касается Рудного Алтая, где проводились исследования вторичных ореолов рассеяния и зон окисления сульфидных месторождений [63].

В таблице 11 приведены наши данные об уровнях содержаний кадмия, свинца и ртути в некоторых, наиболее распространенных почвообразующих породах. Для лессовидных суглинков характерны содержания рассматриваемых элементов, близкие к кларку в глинистых породах. Суглинки отличаются также довольно низкой дисперсией содержаний Сё, РЬ и Н§, что отражает однородный литологический состав этих пород. Наиболее низкие концентрации Сё, РЬ и Н§ отмечаются в песчаных отложениях долин древнего стока, что обусловлено преимущественно кварцевым составом песков.

Заключение

Содержания Сё, РЬ и Н§ в наиболее распространенных типах целинных почв Алтайского края близки к современным среднемировым оценкам и к фоновым концентрациям по Западной Сибири. Сравнение с почвами Кузбасса свидетельствует о более низкой в отношении рассматриваемых элементов техногенной нагрузке на территории Алтайского края. Превышения содержаний Сё, РЬ и Н§ в изученных почвах над уровнем ПДК отмечаются в единичных случаях и обусловлены действием природных факторов.

Отчетливое наследование почвами состава почвообразующего субстрата наблюдается только при рассмотрении широкого интервала содержаний (от фоновых до аномальных). При содержаниях, близких к фоновым, эта закономерность затушевывается другими процессами, в первую очередь биологическим поглощением и техногенным загрязнением.

Основной закономерностью вертикального распределения Сё, РЬ и в фоновых условиях является их накопление в верхних горизонтах почв. Максимальная степень накопления характерна для дернового горизонта. По степени накопления в дерне рассматриваемые элементы располагаются в ряд Н§ > Сё > РЬ. В районах природных аномалий почвы наследуют не только высокие содержания микроэлементов но и крайне неравномерное их распределение как по площади, так и по разрезу.

Наблюдаемое латеральное распределение Сё, РЬ и Щ в почвах Алтайского края обусловлено совместным действием двух основных факторов. Природный фактор выражается в унаследовании почвами геохимических особенностей почвообразующего субстрата. Действие природного фактора приводит к формированию аномальных содержаний рассматриваемых элементов в почвах металлогенических зон. Действие техногенного фактора привело к образованию полосы повышенных содержаний Cd и РЬ в верхних почвенных горизонтах, имеющей северо-восточное простирание. Кроме того техногенный фактор, наряду с природным, играет существенную роль в формировании повышенных содержаний Hg в почвах Салаира и Предсалаирья. Основным механизмом возникновения техногенной составляющей концентраций рассматриваемых элементов в почвах края является атмосферный перенос и осаждение выбросов предприятий промышленных центров, как на территории Алтайского края, так сопредельных регионов.

Дерновый горизонт почв, отличающийся от нижележащего гумусового горизонта по ряду свойств, является важным источником информации о техногенном загрязнении целинных почв. Использование коэффициентов накопления тяжелых металлов в дерновом горизонте по отношению к гумусовому позволяет получить приближенную оценку техногенной компоненты, в том числе на фоне природных рудных аномалий.

Химические соединения и элементы, поступление которых на земную поверхность заведомо связано с атмосферными выпадениями, могут служить геохимическими трассерами атмосферного поступления тяжелых металлов в почву. Использование соотношений содержаний тяжелых металлов и элементов-трассеров в хвойных подстилках позволяет получить количественную оценку атмосферного поступления токсикантов в почву и разделить вклад глобальных и локальных (региональных) источников.

Библиография Диссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Ковалев, Сергей Иванович, Новосибирск

1.H. Суперэкотоксиканты - проблема XX1.века // Диоксины -суперэкотоксиканты XXI в.: пробл. № 1. -М.: 1997. - С. 3 - 16.

2. Щербаков Ю.Г. Биогеохимическая классификация элементов // Вестник Новосибирского отделения Петровской Академии Наук и Искусств. 1996. -№2.-С. 108-115.

3. Коваль П.В, Белоголова Г. А., Антропогенная трансформация природных геохимических распределений Прибайкалья // Глобальные изменения природной среды. Новосибирск, Изд-во СО РАН, НИЦ ОИГГМ. - 1998. - С. 248 - 258.

4. Grandjean Р., Weihe P. A new era of mercury hazards // Environ. Res. 1998.- Vol. 77, № 2 P. 67.

5. Сухенко С. А. Экологические проблемы использования ртути при добыче золота: обзор мировой литературы // Химия в интересах устойчивого развития. 1995.- Т. 3, № 1-2. С. 37 - 42.

6. Винокуров Ю.И.,.Атавин А.А,.Красноярова Б. А. и др. Экологические проблемы Алтайского края и пути их решения // Сибирский экологический журнал. 1997. -Т. 4,№2.-С. 117-126.

7. Шойхет Я.Н., Герасименко Н.Ф., Киселев В.И., Попов В.П., Миронов В.Л., Винокуров Ю.И., Ястребов Г.Г. Медико-экологическая ситуация в Алтайском крае // Вестник научной программы «Семипалатинский полигон Алтай». - 1994.- № 2. С. 5 - 20.

8. Катунь: экогеохимия ртути / Н.А.Росляков, В.С.Кусковский, Г.В.Нестеренко, и др.; Под ред. Н.А.Рослякова и А Н. Дмитриева. Новосибирск: ОИГТМ СО РАН, 1992. - 180 с.

9. Экогеохимия Западной Сибири / Росляков H.A., Ковалев В.П., Сухоруков Ф.В. и др. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1996. - 248 с.

10. Инструкция по геохимическим методам поисков рудных месторождений. М.: Недра, 1983. - 191 с.

11. Дэвис Дж.С. Статистический анализ данных в геологии: В 2 т. М.: Недра, 1990. Т. 2. - 427 с.

12. Глинка Н.Л. Общая химия. 24-е изд. испр. Л.: Химия, 1985. - 704 с.

13. Перельман А.И. Геохимия микроэлементов зоне гипергенеза. М.: Недра, 1972. -288 с.

14. Лебедев В.И. Основы энергетического анализа геохимических процессов. Л.: Изд-во ЛГУ, 1957. - 344 с.

15. Справочник по геохимии. М.: Недра, 1990. - 480 с.

16. Cadmium in the Environment: Part I / Ed. J.O. Nriagu. New-York, Chichester, Brisbane, Toronto: John Wiley & Sons, 1980. - 682 p.

17. Сауков А. А. Геохимия. M.: Недра, 1966. - 488 с.

18. Оболенский А.А.; Озерова H. А.; Васильев В.И. Природные источники ртути в Сибири // Химия в интересах устойчивого развития. 1995. - Т. 3, № 1-2. -С. 11-22.

19. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеяных элементов в почвах. М.: Наука, 1957.-238 с.

20. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. Пер. с англ. -М.: Мир, 1989. 440 с.

21. Щербов Б.Л., Солотчина Э.П., Сухорукое Ф.В. Бор в продуктах ближнего переотложения каолиновых кор выветривания. Новосибирск: Изд-во ИГиГ СО РАН, 1985. - 138 с.

22. Почвоведение с основами геоботаники / Ред. Груздева Л.П., Ясин А.А. М.: Агропромиздат, 1991. -448 с.

23. Варшал Г.М., Велюханова Т.К., Кощеева И.Я. Геохимическая роль гумусовых кислот в миграции элементов // Гуминовые вещества в биосфере. М.: Наука, 1993.-С. 97-117.

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

25. Kinniburgh D.G., Jackson M L., Syers J.K. Absorption of alkaline earth, transition, and heavy metal cations by hydrous oxide gels of iron and aluminum // Soil Science Society of America Journal. 1976. - Vol. 40. - P. 796 - 799.27