Закономерности распределения и формы нахождения тяжелых металлов в донных осадках Ладожского озера

Петрова, Елена Александровна

Автореферат диссертации по теме "Закономерности распределения и формы нахождения тяжелых металлов в донных осадках Ладожского озера"

Санкт-Петербургский государственный университет

На правах рукописи

ПЕТРОВА Елена Александровна

ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И ФОРМЫ НАХОЖДЕНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ДОННЫХ ОСАДКАХ ЛАДОЖСКОГО ОЗЕРА

Специальность 25.00.09 - Геохимия, геохимические методы поисков

полезных ископаемых

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 2005

Работа выполнена на кафедре геохимии геологического факультета Санкт-Петербургского государственного университета.

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических

наук, профессор

Владимир Васильевич Гавриленко

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических

наук, профессор

Вячеслав Александрович Рудник

кандидат геолого-минералогических наук

Ирина Александровна Андреева

Ведущая организация: Санкт-Петербургский

государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)

Защита состоится 22 декабря 2005 г. в Q на заседании диссертационного совета Д 212.232.25 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург Университетская набережная, д. 7/9, геологический факультет, аудитория .

E-mail: charykova@cpk.spbu.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. Горького при Санкт-Петербургском государственном университете.

Автореферат разослан ноября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук с ^¡f" М.В. Чарыкова

Общая характеристика работы

Ладожское озеро - крупнейший природный пресноводный водоем в Европе, источник водоснабжения г. Санкт-Петербурга, поэтому важность качества вод этого уникального озерного бассейна трудно переоценить. Состояние экосистемы озера является результатом сложного взаимодействия процессов, происходящих на водосборе и в водоеме под воздействием природных и антропогенных факторов.

В качестве предмета исследования были выбраны донные осадки, поскольку их химический состав часто более полно, по сравнению с водой, отражает реальное загрязнение водного объекта. Донные осадки — депонирующая среда, отражающая, в отличие от воды, не текущее, а накопленное за длительный период загрязнение. Изучение состояния донных отложений способствует решению ряда эколого-геологических задач, выходящих за рамки обычной констатации наличия загрязнения водной системы.

Основная цель настоящей работы заключается в выявлении закономерностей распределения и форм нахождения химических элементов в донных осадках акватории Ладожского озера, главным образом его западной части, и впадающих в него водотоков. Это определило следующие задачи проводимого исследования:

• определение уровня содержания, характера распределения и зон устойчивого накопления химических элементов в донных осадках западной части акватории озера и его водотоков, а также выявление наиболее важных микроэлементов при анализе эколого-геохимической ситуации в акватории;

• определение миграционно способных форм нахождения наиболее важных, с точки зрения решения экологических проблем региона, тяжёлых металлов, выделенных в ходе геохимического картирования западной части акватории Ладожского озера и приустьевых зон его притоков;

• изучение макро- и микрокомпонентного состава труднорастворимого остатка, т.е. прочно закрепленных форм нахождения элементов, после серии экспериментов с целью выявления концентраторов микроэлементов, важных при анализе эколого-геохимической обстановки в районе исследований;

• разработка рекомендаций по мониторингу геохимической изменчивости донных осадков Ладожского озера в зависимости от природных и техногенных факторов.

Актуальность работы. Определение закономерностей распределения металлов в донных отложениях, исследование изменения геохимических условий на путях их миграции в результате воздействия природных и техногенных факторов - задача, важнейшая для охраны водных ресурсов и оценки качества вод. Экологический риск водных систем во многом

определяется формами нахождения в них металлов, способностью последних к миграции, осаждению и биоаккумуляции.

При исследовании геохимической ситуации в Ладожском озере ранее различными организациями были проведены исследования процессов эвтрофикации вод, а также гранулометрическое изучение донных осадков и определение их валового химического состава. Однако формы нахождения элементов, которые определяют их миграционную способность и значительно глубже отражают сущность геохимических процессов, до сих пор остаются практически неизученными.

Актуальность проведенного исследования обусловлена, и тем, что отсутствие информации о формах нахождения микроэлементов не позволяет разработать корректные рекомендации по организации мониторинга и улучшению экологического состояния акватории Ладожского озера.

Фактический материал и методы исследования. Материалом для экспериментальной части работы послужили пробы донных осадков, отобранные сотрудниками отдела региональной геоэкологии и морской геологии ВСЕГЕИ (409 образцов) в полевой сезон 2000 г. из западной части акватории Ладожского озера, а также непосредственно автором работы (95 проб) в 2003 и 2004 гг. из приустьевых зон водотоков, которые служат поставщиками тяжелых металлов в Ладожское озеро.

Микроэлементный состав донных осадков (504 пробы) изучался методами эмиссионного спектрального (лаборатории спектрального анализа ВСЕГЕИ и каф. геохимии СПбГУ, аналитик Л.А. Тимохина), атомно-эмиссионного и масс-спектрометрического анализов с индуктивно связанной плазмой (40 проб, лаборатория ГУП "Водоканал Санкт-Петербурга", аналитик ЕЛ. Пролетарская). Эксперименты по выделению форм нахождения исследуемых элементов выполнены автором в лаборатории химического анализа кафедры геохимии СПбГУ, количественное определение всех изучаемых элементов в выделенных формах (132 вытяжки) было выполнено методом атомно-абсорбционной спектрометрии (лаборатория анализа вещества СПГТИ (ТУ), аналитик О.Л. Галанкина). Потенциальные концентраторы тяжелых металлов в труднорастворимой форме после проведения экспериментов по выделению подвижных форм существования металлов исследованы с применением электронно-зондового полуколичественного (36 измерений) и количественного (26 измерений) микроанализа и растровой электронной микроскопии (лаборатория ИГГД РАН, аналитик М.Д. Толкачев). Радио ну кл идный состав (49 проб) определен методом гамма-спектрометрического анализа (ВСЕГЕИ, аналитик А.Г. Григорьев). Гранулометрический анализ (20 проб) выполнен автором в лаборатории пробоподготовки ВСЕГЕИ. Содержание органического вещества (20 проб) определено по величине потери при прокаливании автором в лаборатории химического анализа кафедры геохимии СПбГУ. Для изучения минерального состава и количественного определения органической

составляющей осадков применен термический анализ (6 проб) (ЦИИ ВСЕГЕИ, аналитик М.А. Ситникова). Минеральный состав осадков (10 проб) определялся во фракции 0,25-0,16 мм под бинокулярной лупой методом шлихового анализа проб автором работы; количественное соотношение минеральных фаз определено методом ИК-спектроскопии (20 проб) (лаборатория кафедры геохимии СГГбГУ, аналитик М.Л. Зорина). Для диагностики глинистых минералов автором работы была исследована тонкодисперсная фракция осадков методом рентгенофазового анализа (рентгеновская лаборатория геологического факультета СПбГУ). Автором проведена компьютерная обработка аналитических данных с использованием методов многомерной статистики, определены параметры геохимического фона, коэффициенты концентрации, проведен расчет суммарного показателя загрязнения.

Научная новизна. Несмотря на то, что Ладожское озеро является хорошо изученным геологическим объектом, впервые были проведены исследования, результаты которых отразили ряд особенностей геохимии тяжелых металлов в донных осадках:

• Построены детальные геохимические карты, отражающие распределение химических элементов в западной части акватории Ладожского озера и проведён их анализ;

• На основе данных ГСР-МБ анализа получена информация о содержании широкого спектра химических элементов, ранее не определявшихся, что существенно уточнило и дополнило имеющиеся в настоящее время данные по геохимии микроэлементов в донных осадках Ладожского озера;

• Впервые выявлены формы нахождения тяжелых металлов, важных при анализе эколого-геохимической ситуации в акватории Ладожского озера (РЬ, СсЦ Сг, V);

• Впервые проведено изучение подвижных форм нахождения РЬ, СА, Сг, V, привносимых в озеро водотоками.

Практическая значимость работы. Данные по содержанию тяжелых металлов в донных осадках западной части акватории Ладожского озера и его водотоков рекомендуется использовать комитетам по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности для выявления источников поступления тяжелых металлов в водные объекты и разработки природоохранных мероприятий. Полученная информация о формах нахождения тяжелых металлов в донных осадках необходима для разработки корректных рекомендаций по организации мониторинга и улучшению экологического состояния акватории Ладожского озера.

Результаты экспериментальных работ были внедрены в учебный процесс в курсовых работах студентов специальности "Геохимия", "Экологическая геохимия", "Аналитическая геохимия" в СПбГУ, СПбПУ им. А.И. Герцена, а также используются во время проведения

эколого-геохимических студенческих практик в районе Северо-Западного Приладожья.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций определяется детальностью опробования большой части акватории озера и его притоков, минералого-геохимическими исследованиями с применением современных методов изучения вещества и с использованием новейших компьютерных технологий обработки аналитических данных, а также подробным анализом литературных источников по исследуемой тематике.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований и материалы диссертации обсуждались и докладывались на IV и V межвузовских молодежных научных конференциях "Школа экологической геологии и рационального недропользования" (г. Санкт-Петербург, 2003, 2004 гг.), на XIV молодежной конференции, посвященной памяти К.О. Кратца "Геология и геоэкология Северо-Запада России" (г. Петрозаводск, 2003 г.), школе молодых ученых "Сбалансированное природопользование на примере освоения минеральных ресурсов" (г. Апатиты, 2004 г.), XV молодежной конференции, посвященной памяти К.О. Кратца 'Теология и геоэкология европейской России и сопредельных территорий" (г. Санкт-Петербург, 2004 г.), международных семинарах "Геология и эволюционная география" (г. Санкт-Петербург, 2003, 2004 гг.), IV международной конференции "Геология и цивилизация" (г. Санкт-Петербург, 2005 г.), VII международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" (г. Москва, 2005 г.), I международной конференции "Геология, геохимия и экология Северо-Запада России" (г. Санкт-Петербург, 2005 г.). По теме диссертации опубликовано 18 научных работ.

Структура, объем и содержание работы. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 170 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц, 95 рисунков и список литературы из 126 наименований.

В первой главе на основе анализа литературных источников дана оценка степени изученности Ладожского озера, приведены краткая геолого-геоморфологическая и гидрографическая характеристики озера, данные по истории геологического развития акватории. В этой главе рассмотрены потенциальные источники загрязнения Ладожского озера.

Во второй главе охарактеризованы используемые в работе методы полевых и аналитических исследований, а также методики обработки данных, полученных в результате проведенных исследований.

В третьей главе приведены данные по литолого-минералогическому составу осадков, полученные в ходе гранулометрического, рентгенофазового, ИКС - анализов с привлечением результатов по изучению органической составляющей осадков.

В четвертой главе представлены результаты аналитических исследований донных осадков, проведена их обработка с использованием

методов многомерной статистики для выявления характерных ассоциаций химических элементов. Построены геохимические карты распределения микроэлементов в западной части акватории Ладожского озера, на основании анализа которых выделены металлы, наиболее важные при анализе эколого-геохимической ситуации в акватории.

Пятая глава посвящена исследованию форм нахождения приоритетных загрязнителей (РЬ, С<1, Сг, V) в западной части акватории и водотоках Ладожского озера. Представлены оригинальные данные по изучению труднорастворимых остатков после последовательного экстрагирования проб донных отложений.

В заключении представлены основные результаты проделанной работы и даны рекомендации по организации мониторинговых исследований и улучшению экологического состояния акватории Ладожского озера.

Благодарности. Автор сердечно благодарит научного руководителя В.В. Гавриленко за внимание, ценные советы и помощь при выполнении работы; В.В. Семенову и О.Л. Галанкину за неоценимую помощь при выполнении анализов; В.А. Шахвердова и Г.А. Суслова за предоставленные для работы пробы, отобранные в западной части акватории Ладожского озера; А.В. Сергеева за помощь при проведении полевых работ и полезные консультации; Л.А. Тимохину, МЛ. Зорину, М.А. Ситникову и А.Г. Григорьева за помощь при выполнении аналитических исследований; П.В. Васильченко и Д.Д. Новикова за содействие при оформлении работы; О.С. Павлову за дружескую поддержку.

Работа выполнена при поддержке стипендии Правительства РФ, грантов для научно-исследовательской работы аспирантов Федерального агентства по образованию РФ (проекты АОЗ-2.13-326, А04-2.13-424), программы "Университеты России" (проект УР.09.01.343).

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

1. Донные осадки северного сектора западной части акватории Ладожского озера обогащены комплексом тяжёлых металлов, основной причиной чего следует считать природные факторы миграции и накопления химических элементов. Участки техногенного накопления тяжёлых металлов и радионуклидов имеют локальный характер.

Ладожское озеро - уникальный в геологическом отношении водоём. Оно находится в зоне сочленения осадочных пород Восточно-Европейской платформы и кристаллических пород Балтийского щита. Его северная часть подпитываете я водотоками, протекающими по кристаллическим породам щита, а южная - реками, дренирующими неметаморфизованные осадочные породы чехла платформы. На берегах озера расположены многочисленные промышленные предприятия, что также накладывает отпечаток на геохимические особенности его осадков.

Донные осадки представлены различными гранулометрическими типами, распределение которых в Ладожском озере исследовано С.М. Усенковым (1999), а для опорных участков исследования - автором. Преимущественным распространением на изученной части акватории пользуются смешанные типы осадков.

Тонкая фракция, выделенная в результате отмучивания, проанализирована методами рентгенофазового и термического анализов, которые показали, что в ней доминируют гидрослюды.

Количество органической составляющей в осадках акватории и его притоков варьирует от 0,п до 28,п %. В акватории органическое вещество характерно преимущественно для участка дна с алеврито-глинисто-песчанистым составом осадков к югу от о. Коневец. Наибольшие концентрации органического вещества в осадках установлены в приустьевой зоне реки Вуокса.

На основе полученных аналитических данных автором построено 29 геохимических карт распределения химических элементов в донных осадках западной части акватории Ладожского озера (рис. 1). Их анализ показал, что на изучаемом участке акватории имеются зоны с повышенными, по отношению к величине регионального фона и кларку в земной коре, концентрациями РЬ (до 60 ррт), Сг (до 120 ррт), V (до 120 ррт) и некоторых других тяжелых металлов. Эти зоны локализуются преимущественно в осадках северной части изучаемой акватории. В ряде случаев относительно высокие концентрации тяжелых металлов установлены и в песчаных осадках зоны выноса р.Авлоги (РЬ - до 40 ррт, Хп - до 180 ррт, N1 - до 50 ррт, Со -до 35 ррт, Мп - до 800 ррт, Мо - до 9 ррт, Си - до 300 ррт) и в грунтах глубоководных участков опробования (И - до 4000 ррт, Мп - до 600-800 ррт, РЬ - до 40 ррт, Хп - до 160 ррт). В глинисто-песчаных алевритах бухты Черемухино выявлены аномально высокие содержания Бт (до 300 ррт), а также, по данным гамма-спектрометрии, в ее осадках зафиксированы максимально высокие на изучаемом участке акватории концентрации шСз (до 370 Бк/кг). Изучение содержаний микроэлементов в донных осадках методом ГСР-МБ анализа, выполненное для опорных проб, подтвердило и дополнило информацию об уровне концентраций токсичных элементов. Так, во всех опорных пробах установлено повышенное содержание С<! (до 1 ррт); в большинстве проанализированных образцов зафиксированы и значительные концентрации Аб (до 13 ррт), и (до 4 ррт), ТЬ(до 19 ррт).

Сшинец Храм Ванадий

Рис.1. Распределение тяжелых металлов в доииых осадках западной части акватории Ладожского озера

1 -X, + \,5а<х,<х, + за; 2-X, + 0,5а <Х1 < X, + 1,5О; 3-X,-0,5о<Х, <Х, + 0,5а; 4-X, -1,5а<Х,<Х,-0,5а.

Отмечено, что в целом для северного сектора рассматриваемого участка акватории характерны более высокие концентрации тяжелых металлов, чем для южного сектора. То же можно отметить и для осадков приустьевых частей водотоков. В приустьевых участках водотоков, протекающих по древним кристаллическим породам Балтийского щита, отмечены относительно высокие содержания С<* (до 1,6 ррш), Ав (до 2 ррш), 8Ь (до 13 ррт), РЬ (до 290 ррт), Тхх (до 110 ррт), Си (до 160 ррт), 133Сб (до 9 ррт), вг (до 370 ррт). Среди пород кристаллического щита Северного Приладожья известны месторождения и рудопроявления различных металлов, которые и могли определять их повышенный фон в донных осадках. Кроме того, на накопление тяжелых металлов в северной части акватории Ладожского озера влияют глубина озера и особенности гранулометрического состава осадков.

В приустьевых зонах водотоков содержание большинства микроэлементов в осадках существенно ниже, чем на изучаемом участке акватории. Однако в ряде случаев установлены локальные, резко повышенные, по отношению к фону и кларку, концентрации некоторых токсичных компонентов. В осадках рек, дренирующих осадочные породы Русской платформы, фиксируются концентрации С<1 (до 0,6 ррт), Аэ (до 3 ррт), БЬ (до 1 ррт), N1 (до 102 ррт), Хп (до 104 ррт).

Для оценки уровня загрязнения на изучаемом участке акватории определен суммарный показатель геохимического загрязнения, на основе которого построена интегральная геохимическая карта распределения тяжелых металлов в донных грунтах западной части акватории Ладожского озера. Её анализ показывает, что в южном секторе изучаемого участка акватории уровень загрязнения токсичными компонентами низкий, но в примерно в 30 км к востоку от устья р.Авлоги он увеличивается. В северной части акватории озера уровень накопления химических элементов в донных осадках существенно выше. Локальное накопление Бг и шСб в бухте Черёмухино связано, по-видимому, с техногенными процессами.

2. Наиболее важными для мониторинга состояния Ладожского озера являются тяжёлые металлы РЬ, Сг, V и С<1. При этом РЬ, Сг, V присутствуют в донных осадках преимущественно в формах, связанных с оксидами и гидроксидами железа и марганца. Одной из ведущих форм Сё является карбонатная, а на участках с повышенным содержанием этого металла значительное его количество присутствует в сорбированном виде. Важную роль в фиксации тяжелых металлов играет гумусовое вещество, а также труднорастворимая фаза осадков.

Из тяжелых металлов наиболее контрастным распределением в донных осадках Ладожского озера отличаются РЬ, Сг, V и С& В связи с этим они и послужили объектом экспериментального исследования форм существования микроэлементов в осадках. В основе экспериментов лежат химические методы фазового анализа, заключающиеся в применении сводной схемы,

использующей экстрагенты на группу тяжелых металлов. Последовательная обработка проб проведена по схеме, предусматривающей выделение следующих форм нахождения тяжелых металлов из твердого скелета донных осадков:

1-я фаза: водорастворимые соединения (водно-спиртовая вытяжка);

2-я фаза: сорбированные металлы (метод обменной сорбции с помощью раствора ВаС12);

3-я фаза: формы, связанные с битумными органическими веществами (спирто-бензольная вытяжка);

4-я фаза: металлы, связанные с гумусовыми органическими веществами (пирофосфатная вытяжка);

5-я фаза: формы, связанные с карбонатными соединениями (ацетатно-буферная вытяжка);

6-я фаза: металлы, связанные с гидроксидами и оксидами железа и марганца (извлечение раствором 6К НС1);

7-я фаза: металлы в труднорастворимом остатке.

В отношении форм нахождения свинца (рис. 2а) на изученном участке акватории выявлено, что максимальное его извлечение (70-76%) производится кислотной вытяжкой; с гумусовой составляющей осадка также связано значительное количество свинца (19-24%). В ацетатно-буферном элюате относительное содержание свинца варьирует от 3% до 5%, в спирто-бензольной вытяжке - до 1,4%. В составе сорбированных соединений этот элемент не установлен. Отметим, что при экстракции водно-спиртовым и спирто-бензольными растворами извлекается незначительное количество свинца, слабо превышающее аналитическую ошибку, но в фоновых пробах его относительное содержание на порядок выше (0,3% и 1,4% соответственно), чем в аномальных (0,1% и 0% соответственно).

Наибольшее количество (84-88%) хрома (рис. 26) извлекается раствором соляной кислоты. При обработке проб донных осадков остальными выше описанными экстрагентами извлечение этого элемента существенно ниже, в спирто-бензольной вытяжке он не установлен. Концентрация хрома в пробах с повышенным содержанием этого элемента - 2%, что существенно превышает содержание хрома (0,2%) в "фоновых" образцах. Отмечается, что количество хрома, перешедшего в раствор пирофосфата натрия, в "фоновых" пробах (15%) выше, чем в аномальных (6%).

Поведение кадмия (рис. 2в) в изученных пробах осадков отличается от поведения других элементов. Максимальное извлечение производится пирофосфатной (27-48%), кислотной (20-35%) и ацетатно-буферной (28-29%) вытяжками. В водно-спиртовой (0,3-0,5%) и спирто-бензольной (0,2-0,4%) вытяжках выход кадмия незначителен. Существенным является тот факт, что довольно высокий процент кадмия (10%) в пробах с повышенным его содержанием по отношению к фону присутствует в сорбированном виде, и при определенных физико-химических условиях может произойти десорбция этого

элемента с образованием растворимых соединений. Для кадмия, так же как и для хрома, степень извлечения для фоновых проб (48%) раствором пирофосфата натрия выше, чем для аномальных (27%). Таким образом, в аномальных пробах доминирует форма, связанная с оксидами и гидроксидами железа и марганца. Кадмий на "фоновых" участках преимущественно присутствует в формах, обусловленных гумусовой составляющей осадка.

Самое высокое содержание (54-76%) ванадия (рис. 2г) также выявлено в формах, связанных с комплексами оксидов и гидроксидов железа и марганца. В то же время довольно высокий процент (20-42%) общего содержания ванадия переходит в раствор пирофосфата натрия, когда выщелачиваются комплексообразующие вещества собственно гумусовой природы. Несмотря на то, что водно-спиртовой вытяжкой извлекается незначительное количество исследуемого элемента, в пробах из аномальных зон (2%) переход в раствор ванадия в четыре раза выше, чем в фоновых (0,5%). В спирто-бензольной вытяжке концентрация ванадия весьма незначительна (0,1-0,2%). С карбонатными соединениями связано 2-4 % изучаемого элемента, причем в пробах с участков фоновых концентраций по этому элементу в ацетатно-буферном элюате степень извлечения в два раза превосходит переход ванадия в раствор в образцах с его повышенными содержаниями. В вытяжке хлористого бария ванадий не установлен.

В результате электронно-зондового микроанализа труднорастворимого остатка после экспериментов не установлены потенциальные концентраторы РЬ, Сё, Сг, V. Выделенные зерна из труднорастворимой фазы в большинстве представлены достаточно типичными комковато-угловатыми агрегатами. В осадках зон, характеризующихся наиболее высоким уровнем накопления химических элементов на изучаемом участке акватории Ладожского озера, наблюдаются необычные сфероидальные частицы, в которых соотношение содержания элементов (Ре, Мп, Б!, А1, Т1, М§, К, Са) не соответствует стехиометрии известных минералов. Образование таких частиц может быть следствием как техногенных, так и природных процессов. Однако механизм их возникновения требует дальнейшего исследования.

100 -

100

80

60

40

20

1 2 3 4 5 6

3 4 5 6

60

40

20

80

60 -

40

20

1

-■л

□Ф

Рис. 2. Результаты экспериментов по извлечению тяжелых металлов (отн.%) из

донных осадков западной части акватории Ладожского озера. Примечание: А - районы повышенных концентраций; Ф - районы "фоновых" концентраций.

Экстрагенты: I - водноепиртовая смесь; 2 - ВаС12; 3 - С2Н5ОН+С6Н6; 4 - Na 4 Р2О7 • 10Н20; 5 - ацетатный буфер; 6 - HCl.

3. В донных осадках приустьевых участков водотоков, впадающих в Ладожское озеро, тяжёлые металлы присутствуют преимущественно в формах, связанных с оксидами и гидроксидами железа и марганца, в гумусовой составляющей осадка, а также в труднорастворимом остатке. В водотоках, впадающих е юга и дренирующих осадочные породы, значительная часть С(1 связана с сорбированными формами и карбонатными соединениями.

Как известно, главная роль в формировании химического состава озерной воды принадлежит речному стоку, который дает около 95%

приходной части химического баланса озера. В связи с этим по описанной схеме проведена серия экспериментов по выявлению форм нахождения свинца, кадмия, хрома и ванадия в осадках приустьевых зон крупных и средних притоков Ладожского озера.

Так, в отношении форм нахождения свинца (рис. За) установлено следующее: максимальное его извлечение (73-83%) производится солянокислой вытяжкой, в заметно меньших количествах он переходит в растворы пирофосфата натрия (8-23%) и хлористого бария (4-5%). В остальных исследуемых формах этот металл не зафиксирован. Установлено, что в реках, протекающих по осадочным породам Русской платформы, в 3,5 раза выше содержание свинца в форме, связанной с гумусовой органической составляющей осадка. То есть свинец присутствует в основном в составе гидроксидных, органоминеральных и сорбционных комплексов, что в целом весьма похоже на распределение форм нахождения на изучаемом участке акватории озера.

Наибольшие количества хрома (рис. 36) переходят в растворы соляной кислоты (85-88%) и пирофосфата натрия (12-14%). При водно-спиртовой экстракции, извлекающей водорастворимые соединения тяжелых металлов, в раствор перешел лишь 1% хрома, и только в пробах из рек, протекающих по кристаллическим породам Балтийского щита. В сорбционно-карбонатном комплексе и в формах, связанных с битумными органическими составляющими, хром не установлен.

Поведение кадмия (рис. Зв) несколько отличается от поведения выше рассмотренных элементов. Для рек, дренирующих осадочные породы Русской платформы, максимальное его извлечение (74%) производится вытяжкой хлорида бария, т. е. в осадках с приустьевых зон южной части озера он присутствует преимущественно в сорбированной форме. А для рек, протекающих по кристаллическим породам Балтийского щита, превалирует форма, связанная с оксидами и гидроксидами железа и марганца (59%). В водно-спиртовой, спирто-бензольной и пирофосфатной вытяжках извлечение этого элемента не происходит. В ацетатно-буферной вытяжке содержание кадмия весьма низкое (13-15%) и практически одинаково для обеих рассматриваемых групп водотоков. Таким образом, экспериментально установлено, что для осадков из рек, дренирующих палеозойские породы чехла, ведущей является легко подвижная сорбированная форма. А для осадков из водотоков, протекающих по древним породам щита, доминирует форма, связанная с оксидами и гидроксидами железа и марганца.

Экспериментально установлено, что максимальная степень извлечения (75-86%) ванадия (рис. Зг) проявляется при использовании ацетатно-буферной смеси. В этом случае в донных осадках преобладают формы, связанные с карбонатными соединениями, причем для рек, протекающих по кристаллическим породам Балтийского щита, процент его извлечения (86%) выше, чем в пробах из рек, дренирующих осадочные породы платформы

(75%). При обработке образцов донных осадков другими экстрагентами степень извлечения ванадия существенно ниже, в водно-спиртовой вытяжке он не установлен. В водотоках, протекающих по кристаллическим породам, в 1,5 раза больше содержание в солянокислой вытяжке, а в реках, размывающих осадочные породы, в 2-3 раза выше процент извлечения в растворах хлорида бария и пирофосфата натрия, соответственно.

В целом намечается различие характера форм нахождения химических элементов в северных и южных водотоках, особенно по С<1.

80

60

40

20

ш

100 80 60 40

20 -/

I

о о.

Ли—

■ ю

ос

. л

1 2 3 4 5 6

Рис. 3. Результаты экспериментов по извлечению тяжелых металлов (отн.%) из

донных осадков приустьевых зон водотоков Ладожского озера. Примечание: Ю - реки, дренирующие осадочные породы Русской платформы; С -реки, протекающие по кристаллическим породам Балтийского шит Экстрагенты: 1 - водноспиртовая смесь; 2 - ВаС12; 3 - С2Н5ОН+СаНб; 4 - ТМа 4 Р2О7 • 10Н2С>; 5 - ацетатный буфер; 6 - НС1.

По данным электронно-зондового микроанализа труднорастворимого остатка не выявлены потенциальные концентраторы РЬ, Сс1, Сг, V. В составе донных осадков северных притоков озера важную роль играют разнообразные шлаковидные частицы, по-видимому, техногенной природы. В осадках рек Сясь, Янисъйоки и Вуокса установлены необычные сфероидальные частицы, в составе которых ведущую роль играют: р.Сясь - Ре, Мп, 81; р.Янисъйоки — 81, А1, Ре, К, М§; р.Вуокса- Ре, А1, Бк

Заключение

В результате исследований было установлено, что содержание всех микроэлементов в осадках изучаемого участка акватории существенно выше, чем в приустьевых зонах водотоков. Поэтому можно предположить, что химические элементы поступают в акваторию с речным стоком преимущественно в составе взвеси и накапливаются на дне озера. Однако при определенных физико-химических условиях может произойти процесс вторичного загрязнения воды за счет десорбции и растворения соединений тяжелых металлов.

В геохимии донных осадков северной части акватории озера в целом природный фактор (различие в геологическом строении обрамляющей озеро территории) доминирует. Однако отмечены и локальные участки, характеризующиеся высокими концентрациями химических элементов, имеющие техногенную природу. Они расположены в акватории, прилегающей к г. Приозерску, в 30 км к востоку от устья р.Авлоги и в бухте Черемухино.

На основе геохимического картирования в качестве наиболее важных микроэлементов для оценки эколого-геохимической ситуации в акватории Ладожского озера выделены свинец, кадмий, хром и ванадий. В донных осадках изучаемой аквальной системы эти металлы связаны главным образом с гидроксидами железа и марганца, труднорастворимой фазой, в ряде случаев-с карбонатами. Весьма важную роль в фиксации тяжелых металлов играет и гумусовое вещество.

Поведение кадмия отличается от поведения других рассмотренных элементов: для осадков с западной части акватории Ладоги одной из ведущих форм является карбонатная. На "фоновых" участках акватории он находится преимущественно в формах, связанных с гумусовой составляющей осадка. Весьма существенно, что значительное количество кадмия (74%) в пробах с повышенным содержанием этого элемента в реках, дренирующих осадочные породы Русской платформы, присутствует в сорбированных формах, так как при определенных физико-химических условиях может произойти его десорбция.

Полученные материалы позволили выделить отдельные участки в Ладожском озере (в первую очередь это приустьевые зоны рек Вуокса и Авлога, бухта Черемухино), где донные осадки как индикаторы состояния

озера требуют регулярного мониторинга, выявления и устранения причин

загрязнения тяжёлыми металлами и радионуклидами.

Список опубликованных работ по теме диссертации.

1) Петрова Е.А. О проблеме выявления форм нахождения токсичных элементов в донных отложениях Ладожского озера. // Материалы IV межвузовской молодежной научной конференции "Школа экологической геологии и рационального недропользования". Санкт-Петербург, 2003, с. 237-238.

2) Петрова Е.А. Тяжелые металлы в донных отложениях северо-запада Ладожского озера. // Материалы XIV молодежной конференции, посвященной памяти К.О. Кратца "Геология и геоэкология Северо-Запада России". Петрозаводск, 2003, с. 128-130.

3) Петрова Е.А. Исследование закономерностей распределения металлов в донных отложениях северо-запада Ладожского озера. // Материалы 12-ой научной конференции института геологии Коми НЦ УрО РАН "Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского сегмента". Сыктывкар, 2003, с. 203-205.

4) Петрова Е.А., Гавриленко В.В. Тяжелые металлы в донных ландшафтах западной части Ладожского озера. // Геология и эволюционная география. Санкт-Петербург: Эпиграф, 2003, с. 88-92.

5) Петрова Е.А. Индикация загрязнений Ладожского озера на основе анализа донных отложений. // Сбалансированное природопользование на примере освоения минеральных ресурсов. Апатиты, 2004, с. 75-79.

6) Петрова Е.А. Распределение микрокомпонентов в донных осадках западной части Ладожского озера. // Материалы XI международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов-2004", т.1, Москва: МГУ, 2004, с. 143-144.

7) Петрова Е.А. Формы нахождения тяжелых металлов в донных осадках западной части Ладожского озера. // Материалы пятой межвузовской молодежной научной конференции "Школа экологической геологии и рационального недропользования". Санкт-Петербург, 2004, с. 270-271.

8) Петрова Е.А. Ладожское озеро: проблемы накопления тяжелых металлов в донных осадках. // Материалы XV российской молодежной конференции, посвященной памяти К.О. Кратца "Геология и геоэкология европейской России и сопредельных территорий". Санкт-Петербург, 2004, с. 134-135.

9) Гавриленко В.В., Петрова Е.А. Минералого-геохимические методы в аспекте исследования мониторинга состояния окружающей среды (на примере Ладожского озера). // Материалы X съезда Российского минералогического общества "Минералогия во всем пространстве сего слова". Санкт-Петербург, 2004, с. 15-16.

10) Петрова Е.А., Семенова В.В. Выявление форм нахождения токсичных элементов в донных отложениях западной части Ладожского озера. // Материалы 13-ой научной конференции института геологии Коми НЦ УрО РАН "Структура, вещество, история литосферы Тимано-Североуральского сегмента". Сыктывкар, 2004, с. 155-157.

11) Петрова Е.А., Гавриленко В.В., Таланкина О.Л., Семенова В.В. Исследование форм нахождения тяжелых металлов в донных осадках Ладожского озера. // Геология и эволюционная география. Санкт-Петербург: Эпиграф, 2004, с. 31-35.

12) Петрова Е.А. Формы нахождения свинца, хрома, ванадия и кадмия в донных осадках западной части Ладожского озера. // Материалы VII международной конференции "Новые идеи в науках о Земле". Москва, 2005, Т. 4, с. 35.

13) Петрова Е.А. Донные осадки как объект мониторинга внутриконтинентальных водоемов (на примере Ладожского озера). // Проблемы землеустройства и кадастров. Москва: ГУЗ, 2005, с. 249-254.

14) Петрова Е.А. Тяжелые металлы в процессе осадконакопления в Ладожском озере. //. Материалы XXI всероссийской молодежной конференции "Строение литосферы и геодинамика". Иркутск, 2005, с. 226-227.

15) Петрова Е.А. Эколого-геохимическое исследование поведения тяжелых металлов в донных ландшафтах Ладожского озера. // Геология и цивилизация. Санкт-Петербург: Эпиграф, 2005, с. 311-317.

16) Петрова Е.А., Гавриленко В.В. Тяжелые металлы в донных осадках бассейна Ладожского озера. // Материалы I международной научной конференции "Геология, геохимия и экология Северо-Запада России". Санкт-Петербург, 2005, с. 126-128.

17) Петрова Е.А. О формах нахождения тяжелых металлов (свинца, кадмия, хрома и ванадия) в донных осадках западной части акватории Ладожского озера. // Материалы XVI конференции молодых ученых, посвященной памяти К.О. Кратца "Геология и геоэкология: исследования молодых". Апатиты, 2005, с. 389-393.

18) Петрова Е.А., Чербунин Д.В. Анализ тонкой фракции донных осадков западной части акватории Ладожского озера. // Материалы XVI конференции молодых ученых, посвященной памяти К.О. Кратца "Геология и геоэкология: исследования молодых". Апатиты, 2005, с. 394-397.

Подписано в печать 14.11.2005.Г. Формат 60x84 1/16.Бумага офсетная. Печать офсетная. Тираж 150 экз. Заказ №224

Отпечатано в ООО «Издательство "ЛЕМА"»

199004, Россия, Санкт-Петербург, В.О., Средний пр., д.24, тел./факс: 323-67-74 e-mail: izd_lema@mail.ru

»24 72 С

РНБ Русский фонд

2006-4 26085

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Петрова, Елена Александровна

Введение

1. Общая характеристика Ладожского озера

1.1. Изученность региона

1.2. Геологическое строение

1.3. Геоморфологическое строение

1.4. История геологического развития

1.5. Течения и волнения

1.6. Гидрографическая характеристика

1.7. Основные виды и источники загрязнения экосистемы озера

2. Методика исследований

2.1. Полевые работы

2.2. Аналитические исследования

2.3. Методика обработки данных

3. Фазовый состав донных осадков

3.1. Гранулометрический состав

3.2. Минеральный состав

3.3. Изучение органической составляющей осадка

4. Геохимическая характеристика донных осадков западной части акватории Ладожского озера

4.1. Изученность закономерностей распределения химических элементов в Ладожском озере

4.2. Западная часть акватории Ладожского озера

4.2.1. Распределение микроэлементов в донных осадках

4.2.2. Радиологическая обстановка

4.2.3. Оценка загрязненности донных осадков западной части акватории Ладожского озера

4.2.4. Изучение тонкой фракции донных осадков

4.3. Притоки Ладожского озера 109 4.3.1. Изучение тонкой фракции донных осадков

5. Изучение форм нахождения химических элементов в донных осадках 118 5.1. Сопоставление содержаний микроэлементов с макросоставом донных отложений

5.2. Определение форм нахождения тяжелых металлов методом фазового химического анализа

5.3. Изучение труднорастворимой фазы Заключение

Список используемой литературы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Закономерности распределения и формы нахождения тяжелых металлов в донных осадках Ладожского озера"

Ладожское озеро - крупнейший природный пресноводный водоем в Европе, источник водоснабжения г. Санкт-Петербурга, поэтому ваёжность качества вод этого ^ уникального озерного бассейна трудно переоценить. Состояние экосистемы озера является результатом сложного взаимодействия процессов, происходящих на водосборе и в водоеме под воздействием природных и антропогенных факторов.

В качестве предмета исследования были выбраны донные осадки, поскольку их химический состав часто более полно, по сравнению с водой, отражает реальное загрязнение водного объекта. Донные осадки — депонирующая среда, отражающая, в отличие от воды, не текущее, а накопленное за длительный период загрязнение. Изучение состояния донных отложений способствует решению ряда эко л о го-геологических задач, ^ выходящих за рамки обычной констатации наличия загрязнения водной системы.

Основная цель настоящей работы заключается в выявлении закономерностей распределения и форм нахождения химических элементов в донных осадках акватории Ладожского озера, главным образом его западной части, и впадающих в него водотоков. Это определило следующие задачи проводимого исследования:

• определение уровня содержания, характера распределения и зон устойчивого ^ накопления химических элементов в донных осадках западной части акватории озера и его водотоков, а также выявление наиболее важных микроэлементов при анализе эколога-геохимической ситуации в акватории;

• определение миграционно способных форм нахождения наиболее важных, с точки зрения решения экологических проблем региона, тяжёлых металлов, выделенных в ходе геохимического картирования западной части акватории Ладожского озера и ф приустьевых зон его притоков;

• изучение макро- и микрокомпонентного состава труднорастворимого остатка, т.е. прочно закрепленных форм нахождения элементов, после серии экспериментов с целью выявления концентраторов микроэлементов, важных при анализе эколого-геохимической обстановки в районе исследований;

• разработка рекомендаций по мониторингу геохимической изменчивости донных ^ осадков Ладожского озера в зависимости от природных и техногенных факторов.

Актуальность работы. Определение закономерностей распределения металлов в донных отложениях, исследование изменения геохимических условий на путях их миграции в результате воздействия природных и техногенных факторов - задача, важнейшая для охраны водных ресурсов и оценки качества вод. Экологический риск водных систем во многом определяется формами нахождения в них металлов, способностью последних к миграции, осаждению и биоаккумуляции.

При исследовании геохимической ситуации в Ладожском озере ранее различными ^ организациями были проведены исследования процессов эвтрофикации вод, а также гранулометрическое изучение донных осадков и определение их валового химического состава. Однако формы нахождения элементов, которые определяют их миграционную способность и значительно глубже отражают сущность геохимических процессов, до сих пор остаются практически неизученными.

Актуальность проведенного исследования обусловлена, и тем, что отсутствие информации о формах нахождения микроэлементов не позволяет разработать корректные рекомендации по организации мониторинга и улучшению экологического состояния ф акватории Ладожского озера.

Фактический материал и методы исследования. Материалом для экспериментальной части работы послужили пробы донных осадков, отобранные сотрудниками отдела региональной геоэкологии и морской геологии ВСЕГЕИ (409 образцов) в полевой сезон 2000 г. из западной части акватории Ладожского озера, а также непосредственно автором работы (95 проб) в 2003 и 2004 гг. из приустьевых зон водотоков, которые служат поставщиками тяжелых металлов в Ладожское озеро. На протяжении нескольких полевых сезонов автор работала в составе партий ГГУП СФ "Минерал" по геологическому доизучению Северного Приладожья.

Микроэлементный состав донных осадков (504 пробы) изучался методами эмиссионного спектрального (лаборатории спектрального анализа ВСЕГЕИ и каф. геохимии СПбГУ, аналитик Л.А. Тимохина), атомно-эмиссионного и масс-спектрометрического анализов с индуктивно связанной плазмой (40 проб, лаборатория

ГУЛ "Водоканал Санкт-Петербурга", аналитик Е.Л. Пролетарская). Эксперименты по выделению форм нахождения исследуемых элементов выполнены автором в лаборатории химического анализа кафедры геохимии СПбГУ, количественное определение всех изучаемых элементов в выделенных формах (132 вытяжки) было выполнено методом атомно-абсорбционной спектрометрии (лаборатория анализа вещества СПГГИ (ТУ), аналитик О.Л. Галанкина). Потенциальные концентраторы тяжелых металлов в * труднорастворимой форме после проведения экспериментов по выделению подвижных форм существования металлов исследованы с применением электронно-зондового полуколичественного (36 измерений) и количественного (26 измерений) микроанализа и растровой электронной микроскопии (лаборатория ИГГД РАН, аналитик М.Д. Толкачев). Радионуклидный состав (49 проб) определен методом гамма-спектрометрического анализа (ВСЕГЕИ, аналитик А.Г. Григорьев). Гранулометрический анализ (20 проб) выполнен автором в лаборатории пробоподготовки ВСЕГЕИ. Содержание органического вещества (20 проб) определено по величине потери при прокаливании автором в ^ лаборатории химического анализа кафедры геохимии СПбГУ. Для изучения минерального состава и количественного определения органической составляющей осадков применен термический анализ (6 проб) (ЦИИ ВСЕГЕИ, аналитик М.А. Ситникова). Минеральный состав осадков (10 проб) определялся во фракции 0,25-0,16 мм под бинокулярной лупой методом шлихового анализа проб автором работы; количественное соотношение минеральных фаз определено методом ИК-спектроскопии (20 проб) (лаборатория кафедры геохимии СПбГУ, аналитик М.Л. Зорина). Для диагностики глинистых минералов автором работы была исследована тонкодисперсная фракция осадков методом # рентгенофазового анализа (рентгеновская лаборатория геологического факультета

СПбГУ). Автором проведена компьютерная обработка аналитических данных с использованием методов многомерной статистики, определены параметры геохимического фона, коэффициенты концентрации, проведен расчет суммарного показателя загрязнения.

Научная новизна. Несмотря на то, что Ладожское озеро является хорошо изученным геологическим объектом, впервые были проведены исследования, результаты которых отразили ряд особенностей геохимии тяжелых металлов в донных осадках:

• Построены детальные геохимические карты, отражающие распределение химических элементов в западной части акватории Ладожского озера и проведён их анализ;

• На основе данных ГСР-МБ анализа получена информация о содержании широкого спектра химических элементов, ранее не определявшихся, что существенно уточнило и дополнило имеющиеся в настоящее время данные по геохимии микроэлементов в донных осадках Ладожского озера;

• Впервые выявлены формы нахождения тяжелых металлов, важных при анализе эколого-геохимической ситуации в акватории Ладожского озера (РЬ, Сё, Сг, V);

• Впервые проведено изучение подвижных форм нахождения РЬ, Сё, Сг, V, привносимых в озеро водотоками.

Практическая значимость работы. Данные по содержанию тяжелых металлов в донных осадках западной части акватории Ладожского озера и его водотоков рекомендуется использовать комитетам по природопользованию, охране окружающей среды и обеспечению экологической безопасности для выявления источников поступления тяжелых металлов в водные объекты и разработки природоохранных мероприятий. Полученная информация о формах нахождения тяжелых металлов в донных осадках необходима для разработки корректных рекомендаций по организации мониторинга и улучшению экологического состояния акватории Ладожского озера.

Результаты экспериментальных работ были внедрены в учебный процесс в курсовых ^ работах студентов специальности "Геохимия", "Экологическая геохимия",

Аналитическая геохимия" в СПбГУ, СПбПУ им. А.И. Герцена, а также используются во время проведения эколого-геохимических студенческих практик в районе СевероЗападного Приладожья.

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и рекомендаций определяется детальностью опробования большой части акватории озера и его притоков, минералого-геохимическими исследованиями с применением современных методов изучения вещества и с использованием новейших компьютерных технологий обработки # аналитических данных, а также подробным анализом литературных источников по исследуемой тематике.

Положения, выносимые на защиту:

1. Донные осадки северного сектора западной части акватории Ладожского озера обогащены комплексом тяжёлых металлов, основной причиной чего следует считать природные факторы миграции и накопления химических элементов. Участки техногенного накопления тяжёлых металлов и радионуклидов имеют локальный характер.

2. Наиболее важными для мониторинга состояния Ладожского озера являются тяжёлые металлы РЬ, Сг, V и Сс1. При этом РЬ, Сг, V присутствуют в донных осадках преимущественно в формах, связанных с оксидами и гидроксидами железа и марганца. Одной из ведущих форм С(1 является карбонатная, а на участках с повышенным содержанием этого металла значительное его количество присутствует в сорбированном виде. Важную роль в фиксации тяжелых металлов играет гумусовое вещество, а также труднорастворимая фаза осадков.

3. В донных осадках приустьевых участков водотоков, впадающих в Ладожское озеро, тяжёлые металлы присутствуют преимущественно в формах, связанных с оксидами и гидроксидами железа и марганца, в гумусовой составляющей осадка, а также в труднорастворимом остатке. В водотоках, впадающих с юга и дренирующих осадочные породы, значительная часть Сс1 связана с сорбированными формами и карбонатными соединениями.

Апробация работы и публикации. Результаты исследований и материалы диссертации обсуждались и докладывались на IV и V межвузовских молодежных научных конференциях "Школа экологической геологии и рационального недропользования" (г. Санкт-Петербург, 2003, 2004 гг.), на XIV молодежной конференции, посвященной памяти

К.О. Кратца "Геология и геоэкология Северо-Запада России" (г. Петрозаводск, 2003 г.), школе молодых ученых "Сбалансированное природопользование на примере освоения минеральных ресурсов" (г. Апатиты, 2004 г.), XV молодежной конференции, посвященной памяти К.О. Кратца "Геология и геоэкология европейской России и сопредельных территорий" (г. Санкт-Петербург, 2004 г.), международных семинарах "Геология и эволюционная география" (г. Санкт-Петербург, 2003, 2004 гг.), ГУ международной конференции "Геология и цивилизация" (г. Санкт-Петербург, 2005 г.), УП международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" (г. Москва, 2005 г.), I международной конференции "Геология, геохимия и экология Северо-Запада России" (г. Санкт-Петербург, 2005 г.). По теме диссертации опубликовано 18 научных работ.

Структура, объем и содержание работы. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 170 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц, 95 рисунков и список литературы из 126 наименований.

В первой главе на основе анализа литературных источников дана оценка степени изученности Ладожского озера, приведены краткая геолого-геоморфологическая и гидрографическая характеристики озера, данные по истории геологического развития акватории. В этой главе рассмотрены потенциальные источники загрязнения Ладожского озера.

Во второй главе охарактеризованы используемые в работе методы полевых и аналитических исследований, а также методики обработки данных, полученных в результате проведенных исследований.

В третьей главе приведены данные по литолого-минералогическому составу осадков, полученные в ходе гранулометрического, рентгенофазового, ИКС - анализов с привлечением результатов по изучению органической составляющей осадков.

В четвертой главе представлены результаты аналитических исследований донных осадков, проведена их обработка с использованием методов многомерной статистики для выявления характерных ассоциаций химических элементов. Построены геохимические карты распределения микроэлементов в западной части акватории Ладожского озера, на основании анализа которых выделены металлы, наиболее важные при анализе эколого-геохимической ситуации в акватории.

Пятая глава посвящена исследованию форм нахождения приоритетных загрязнителей (РЬ, Сс1, Сг, V) в западной части акватории и водотоках Ладожского озера. Представлены оригинальные данные по изучению труднорастворимых остатков после последовательного экстрагирования проб донных отложений.

В заключении представлены основные результаты проделанной работы и даны рекомендации по организации мониторинговых исследований и улучшению экологического состояния акватории Ладожского озера.

Благодарности. Автор сердечно благодарит научного руководителя В.В. Гавриленко за внимание, ценные советы и помощь при выполнении работы; В.В. Семенову и О.Л. Галанкину за неоценимую помощь при выполнении анализов; В.А. Шахвердова и Г.А. Суслова за предоставленные для работы пробы, отобранные в западной части акватории Ладожского озера; A.B. Сергеева за помощь при проведении полевых работ и полезные консультации; Л.А. Тимохину, М.Л. Зорину, М.А. Ситникову и А.Г. Григорьева за помощь при выполнении аналитических исследований; П.В. Васильченко и Д.Д. Новикова за содействие при оформлении работы; О.С. Павлову за дружескую поддержку.

Работа выполнена при поддержке стипендии Правительства РФ, грантов для научно-исследовательской работы аспирантов Федерального агентства по образованию РФ (проекты АОЗ-2.13-326, А04-2.13-424), программы "Университеты России" (проект УР.09.01.343).

Заключение Диссертация по теме "Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых", Петрова, Елена Александровна

Заключение

В результате исследований было установлено, что содержание всех микроэлементов в осадках изучаемого участка акватории существенно выше, чем в приустьевых зонах водотоков. Поэтому можно предположить, что химические элементы поступают в акваторию с речным стоком преимущественно в составе взвеси и накапливаются на дне озера. Однако при определенных физико-химических условиях может произойти процесс вторичного загрязнения воды за счет десорбции и растворения соединений тяжелых металлов.

В геохимии донных осадков северной части акватории озера в целом природный фактор (различие в геологическом строении обрамляющей озеро территории) доминирует. Однако отмечены и локальные участки, характеризующиеся высокими концентрациями химических элементов, имеющие техногенную природу. Они расположены в акватории, прилегающей к г. Приозерску, в 30 км к востоку от устья р.Авлоги и в бухте Черемухино.

На основе геохимического картирования в качестве наиболее важных микроэлементов для оценки эколого-геохимической ситуации в акватории Ладожского озера выделены свинец, кадмий, хром и ванадий.

В результате проведенных экспериментов установлено, что в донных осадках изучаемой аквальной системы РЬ, Сё, Сг, V связаны главным образом с гидроксидами железа и марганца, труднорастворимой фазой, а в ряде случаев, с карбонатами. Весьма важную роль в фиксации тяжелых металлов играет и гумусовое вещество.

Поведение кадмия отлетается от поведения других рассмотренных элементов: для осадков с западной части акватории Ладоги одной из ведущих форм является карбонатная, на "фоновых" участках акватории он находится преимущественно в формах, связанных с гумусовой составляющей осадка. Весьма существенно, что значительное количество кадмия (74%) в пробах с повышенным содержанием этого элемента в реках, дренирующих осадочные породы Русской платформы, связано с сорбированными формами, так как при определенных физико-химических условиях может произойти его десорбция.

Полученные материалы позволили выделить отдельные участки в Ладожском озере (в первую очередь это приустьевые зоны рек Вуокса и Авлога, бухта Черёмухино), где донные осадки как индикаторы состояния озера требуют регулярного мониторинга, выявления и устранения причин загрязнения тяжёлыми металлами и радионуклидами.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Петрова, Елена Александровна, Санкт-Петербург

1. Айбулатов H.A. Динамика твердого вещества в шельфовой зоне. JL: Гидрометеоиздат, 1990,272 с.ф 2. Айнемер А.И., Иванов Г.И., Лукошин В.И. Концентрационные ряды химическихэлементов в донных осадках // Доклады АНСССР, 1989, т. 309, № 6, с. 1450 1452.

2. Алесковский В.Б., Бардин В.В., Бойчинова Е.С. и др. Физико-химические методы анализа. Л.: Химия, 1988,376 с.

3. Антропова Л.В., Недригайлова М.В. Определение форм нахождения свинца и молибдена в пробах из ореолов рассеяния. Л.: ОНТИ ВИТР, 1968,28 с.

4. Антропова Л.В. Формы нахождения элементов в ореолах рассеянных рудных месторождений. Л.: Недра, 1975,144 с.

5. Амантов A.B., Спиридонов М.А. Геология Ладожского озера // Советская геология. 1989, №4, с.81-86.

6. Амантов A.B. Геологическое строение осадочного чехла бассейнов Северо Запада России // Осадочный покров гляциального шельфа северо-западных морей России. СПб., 1992, с. 25-47.

7. Афанасьев Ю.А., Фомин С.А. Мониторинг и методы контроля окружающей среды. « М.: Изд-во МНЭПУ, 1998,137 с.

8. Бояджиева Р., Узунов И. Форми на присъствие на елементи-примеси в черни шисти // Геохимия, минералогия и петрология, 1988,24, с. 3-7.

9. Ваганов В.И., Иванкин П.Ф., Кропоткин П.Н. и др. Взрывные кольцевые структуры щитов и платформ. М.: Недра, 1985,200 с.1.. Вартанян Г.С. Экология России. Европейская часть. T.l. М.: Геоинформарк, 2000, • 300 с.

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

11. Варшал Г.М., Велюханова Т.К., Кощеева И.М. Определение сосуществующих форм загрязняющих компонентов в почвах методами химического фазового анализа // Почвоведение, №9,1991, с. 148-154.

12. Варшал Г.М. и др. Комлексообразование Pb (II) с гумусовыми кислотами и влияние этих процессов на подвижность РЬ в водах и почвах // Прикладная геохимия, вып. 2. Экологическая геохимия. М.: ИМГРЭ, 2001.

13. Веселова М.Ф., Кириллова В.А. Климатические особенности Ладожского озера // Гидрологический режим и водный баланс Ладожского озера. Труды лаборатории озероведения ЛГУ, т.ХХ. Л.: ЛГУ, 1966, с. 81-104.

14. Воронцов Ф.Ф. Волнения на Ладожском озере// Гидрологический режим и водный баланс Ладожского озера. Труды лаборатории озероведения ЛГУ, т.ХХ. Л.: ЛГУ, 1966, с. 247-265.

15. Гавриленко В.В., Сорокина Н.А. Геохимические циклы токсичных элементов. Л.: ЛГУ, 1988, 85 с.

16. Геология СССР. Том XXXVII. Карельская АССР, часть I. Геологическое описание. М: ГНТИЛпоГиОН, 1960,740 с.

17. Геология СССР. Том I, Ленинградская, Псковская и Новгородская области. Геологическое описание. Северо-Западное территориальное ГУ. М.: Недра, 1971, 504 с.

18. Геоэкология Ладожского озера. СПб, ВНИИ Океангеология, 1995,209 с.

19. Гранулометрический анализ донных осадков Мирового океана. Методические рекомендации № 144. НСОММИ, М., 2001,270 с.

20. Гуревич В.И. Прикладная седиментология и экология. Л: ЛГИ, 1990,63 с.

21. Давыдова С.Л., Тагасов В.И. Тяжелые металлы как супертоксиканты XXI века. М.: РУДН, 2002,140 с.

22. Добровольский В.В. Глобальные циклы миграции тяжелых металлов в биосфере. // Тяжелые металлы в окружающей среде и охрана природы. М., 1988, с. 4-13.

23. Доклад о свинцовом загрязнении окружающей среды Российской Федерации и его влиянии на здоровье населения. Документ Государственного комитета РФ по охране окружающей среды. // Спец. выпуск газеты "Зеленый мир", 1997. №5, с. 4-16.

24. Егиазаров Б.Х., Айнемер А.И. Геологический мониторинг и некоторые проблемы геоэкологии // Проблемы геоэкологии акваторий и побережий. СПб, 1991, с. 9-14.

25. Зарицкий П.В. К методике определения форм нахождения малых элементов в диагенетических карбонатных образованиях и вмещающих породах // Литология и полезные ископаемые, 1970, № 6, с. 119-125.

26. Зорина M.JI., Заикина Л.И., Кузнецова Н.К. Распределение тяжелых металлов в донных грунтах. // Вопросы экологии и охраны природы. Л: ЛГУ, вып. 3, 1989, с. 6469.

27. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов. М.: Экология, 1996, кн. 3,4, 5.

28. Иванов Г.И. Методология и результаты экогеохимических исследований Баренцева моря. СПб., 2002, 153 с.

29. Иванова В.П., Касатов Б.К., Красавина Т.Н., Розинова Е.Л. Термический анализ минералов и горных пород. Л.: Недра, 1974, 399 с.

30. Исаев Л.К. Контроль химических и биологических параметров окружающей среды. СПб.: Союз, 1998, 896 с.

31. Кольцов А.Б. Современные осадки малых озер Прибалтики и Карелии, ф Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геологоминералогических наук. Л.: ЛГУ, 1978,18 с.

32. Кондратьев С.А., Тройская Т.П. и др. Индикаторы состояния водоемов Санкт-Петербурга.// Экологическая химия. 2000. N9 (4). С. 230-245.

33. Кузнецов В.А., Шимко Г.А. Метод постадийных вытяжек при геохимических исследованиях. Методические рекомендации. Минск: Наука и техника, 1990, 86 с.

34. Куликов И.В., Яковлева Т.В., Михалюк Т.Ю. Площадное распространение основных техногенных компонентов в Ладожском озере // Эволюция природныхобстановок и современное состояние геосистемы Ладожского озера, под редакцией

35. H.H. Давыдова и Б.И. Кошечкина. СПб.: РГО, 1993, с. 36-41.

36. Ладожское озеро. // Атлас. Отв. ред. В.А. Румянцев. СПб., 2002 г. 128 с.

37. Ладожское озеро. Критерии состояния экосистемы. // Отв. Ред. H.A. Петрова, А.Ю. Тержевик. СПб.: Наука, 1992,325 с.

38. Ладожское озеро. Мониторинг, исследование современного состояния и проблемы управления Ладожским озером и другими большими озерами. // Под ред. H.H. Филатова. Петрозаводск: КарНЦ РАН, 2000 г., 490 с.

39. Ладожское озеро. Прошлое, настоящее, будущее. // Под редакцией В.А. Румянцева, В.Г. Драбковой. СПб.: Наука, 2002, 327 с.

40. Лапина H.H. Методика изучения вещественного состава донных осадков (на примере Северного Ледовитого океана). Л., 1977, 56 с.

41. Лозановская И.Н., Орлов Д.С., Садовникова Л.К. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении. М.: Высшая школа, 1998,287 с.

42. Малинина Т.И. О сгонно-нагонных колебаниях уровня на Ладожском озере// Гидрологический режим и водный баланс Ладожского озера. Труды лаборатории озероведения ЛГУ, т.ХХ. Л.: ЛГУ, 1966, с. 215-229.

43. Мизандронцев И.Б. Химические процессы в донных отложениях водоемов. Новосибирск: Наука, 1990,176 с.

44. Никаноров А.М., Посохов Е.В. Гидрохимия. Л., Гидрометиздат, 1985.

45. Невская губа (экологическая геология). // Под ред. М.А. Спиридонова, Ю.С. Великанова. СПб.: Литера, 2004,182 с.

46. Новгородова М.И. Самородные металлы в гидротермальных рудах. М.: Наука, 1983,286 с.

47. Нормативные данные по предельно допустимым уровням загрязнения вредными веществами объектов окружающей среды. Справочный материал. СПб, 1994.

48. Овчаренко М.М. Тяжелые металлы в системе почва-растение-удобрение // Химия в сельском хозяйстве. 1995, №4, с.8-16.

49. Опекунов А.Ю., Холмянский М.А., Куриленко В.В. Введение в экогеологию шельфа. СПб.: СПбГУ, 2000. 176с.

50. Основы экогеологии, биоиндикации и биотестирования водных экосистем. // Под ред. В.В. Куриленко. СПб.: СПбГУ, 2004. 446с.540 состоянии окружающей природной среды Российской Федерации а 1998. Государственный доклад. М., 1999. 573 с.

51. Остромогильский А.Х., Петрухин В.А., Кокорин А.О. и др. Свинец, кадмий, мышьяк и ртуть в окружающей среде: моделирование глобального круговорота // Мониторинг фонового загрязнения природных сред. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. Вып.4, с. 122-147.

52. Охлопкова А.Н. Течения Ладожского озера // Гидрологический режим и водный баланс Ладожского озера. Труды лаборатории озероведения ЛГУ, т.ХХ. Л.: ЛГУ, 1966, с. 383-392.

53. Папина Т.С. Транспорт и особенности распределения тяжелых металлов в ряду: вода взвешенное вещество — донные отложения речных экосистем // Аналитический обзор ГПНТБ СО РАН; ИВЭП СО РАН, серия "Экология", вып.62. Новосибирск, 2001 г., 58с.

54. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М.: Высшая школа, 1975, 339 с.

55. Перельман А.И. Геохимия. М.: Высшая школа, 1989, 527 с.

56. Разенкова Н.И. Экспериментальные исследования форм нахождения редких элементов в зоне окисления. М.: Наука, 112 с.

57. Разенкова Н.И., Филиппова Т.В. Использование фазового химического анализа при изучении антропогенных потоков рассеяния. ДАН СССР. 1984. Т.78. №2. С. 465-468.

58. Рентгенография основных типов породообразующих минералов (слоистые и каркасные силикаты). Под ред. В.А. Франк-Каменецкого. Л.: Недра, 1983, 359 с.

59. Роготова Т.В., Филатов Т.Н. Динамический метод и его применение для исследования течений во внутренних водоемах // Труды ГГидрИ, вып.203, 1973, с. 80124.

60. Романова Г.И. Сравнительная оценка методов извлечения микроэлементов из донных отложений // Гидрохимические материалы, т. 103, 1988, с. 124-134.

61. Руководство по рентгеновскому исследованию минералов. Под ред. В.А. Франк-Каменецкого. Л.: Недра, 1975,399 с.

62. Рязанова Н.Е. Многокритериальная оценка загрязненности крупного водоема (на примере Ладожского озера). Автореферат диссертации на соискание степени кандидата географических наук. М., 2004г., 20 с.

63. Савенко B.C. Природные и антропогенные источники загрязнения атмосферы. М.: ВИНТИ. 1991,212 с.

64. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990, 335 с.

65. Сафронова Н.С., Веницианов Е.В., Ершова Е.Ю. и др. Комплекс аналитических методов для определения содержания и форм существования тяжелых металлов в природных водных объектах // Водные ресурсы, т.24, №4,1997, с. 477-485.

66. Семенович Н.И. Донные отложения Ладожского озера. М. Л.: Наука 1966 г., 124 с.

67. Синяков С. А. Атмосферное загрязнение Ладожского и Онежского озер соединениями тяжелых металлов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук. Л.: ЛГУ, 1989,24 с.

68. Систематика и классификации осадочных пород и их аналогов". Под редакцией В.Н. Шванова. СПб.: Недра, 1998,352 с.

69. Скублов Г.Т. Методические рекомендации. Принципы составления полиэлементных геохимических карт. Л.: ВСЕГЕИ, 1983,58 с.

70. Скурталатов Ю.И., Дука Г.Г., Мизити А. Введение в экологическую химию. М.: Наука, 1994,400 с.

71. Современное состояние экосистемы Ладожского озера. // Отв. ред. Н.А. Петрова, Г.Ф. Расплетина. Л.: Наука, 1987,213 с.

72. Соколов О.А., Черников В.А. Экологическая безопасность и устойчивое развитие. Книга 1. Атлас распределения тяжелых металлов в объектах окружающей среды. Пущино: ОНТИ ПНЦ РАН, 1999,164 с.

73. Состояние окружающей среды северо-западного и северного регионов России. СПб.: Недра, 1995,370 с.

74. Суворов А.В., Тимохина Л.А., Ершова С.С. Поведение свинца, меди и цинка в донных отложениях Невской губы. // Вопросы экологии и охраны природы. Л.: ЛГУ, вып.3, 1989, с. 61-64.

75. Стурман В.И. Экологическое картографирование. М.: Аспект Пресс, 2003,251 с.

76. Тарновский А.А. Геохимия донных отложений современных озер. Л., 1980.

77. Тян В.Д., Ермолов П.В., Попов Н.В., Рафиков Т.К. О магматической природе самородного железа в гранитоидах и продуктах его окисления. // Геология и геофизика. Сибирское отделение, из-во "Наука", 1976, №5, с. 48-55.

78. Узунов И., Захариева В., Бояджиева Р. Форми на присъствие на елементи-примеси в черни шисти от Западна Стара планина. // Геохимия, минералогия и петрология, 27, 3-13. София, 1991.

79. Усенков С.М. Гранулометрия поверхностных донных осадков Ладожского озера // Вестник ЛГУ, сер.7, вып. 3 (№ 21), 1993, с. 48-57.

80. Усенков С.М., Свешников А.Г. Динамические типы дна и загрязнение донных отложений Ладожского озера // Программа "Университеты России". Геология, ч.2. М.: МГУ, 1995, с.153-158.

81. Усенков С.М., Свешников А.Г., Щербаков В.А. Природный и техногенный седиментогенез в Ладожском озере. СПб.: СПбГУ, 1999 г., 138 с.

82. Усенков С.М., Ситников Т.А. Геоэкологические аспекты изучения донных осадков Ладожского озера// Литология и полезные ископаемые. 1997, № 6. с. 649-660.

83. Физическая химия. / Учебное пособие под ред. Проф. А.Г.Стромберга. М.: Высшая школа. 1973.480с.

84. Христофоров Б.С. Избирательные растворители в вещественном анализе. Новосибирск, из-во СО АНСССР. 1964,95 с.

85. Черных Н.А., Сидоренко С.Н. Экологический мониторинг токсикантов в биосфере. М.: из-во РУДН, 2003,430 с.

86. Шабалина М.А., Вивенцова Е.А., Воронов А.Н. Характеристика подземного стока в Ладожское озеро. // Вестник Санкт-Петербургского университета, сер.7, вып.З, 2004, с.82-83.

87. Шахвердов В. А., Кулаков С.В. Некоторые особенности регионального распределения тяжелых металлов в донных отложениях озера Пясино, реки Пясина и Пясинского залива. // Материалы конференции "Акватерра". СПб, 2002, с.171-172.

88. Ширкин Л.А. Миграция и трансформация тяжелых металлов из гальваношламов в ф почвах. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химическихнаук. Владимир, 2002,24 с.

89. Шлыков В.Г. Рентгеновские исследования грунтов. М: МГУ, 1991,184 с.

90. Эволюция природных обегановок и современное состояние геосистемы Ладожского озера. Сборник научных трудов. СПб: РГО, 1993,118 с.

91. Экологическая обстановка северо западной части акватории Ладожского озера. Л.: ЛГИ, 1990, 38 с.

92. Янин Е.П. Техногенные геохимические ассоциации в донных отложениях малыхрек. М.: ИМГРЭ, 2002.

93. Buckley D.E., Cranston R.E. Atomic Absorption Analises of 18 Elements from a Single Decomposition of Alumniosilicates, Chemical Geology, 1971, v. 7, p. 273-284.

94. Calmano W., Ahfl W., Forsther U. Exchange of heavy metals between sediment ^ components and water // Metal Speciation in the Environment / Eds. J.A.C. Broecart,

95. S.Gucer and F.Adams. Berlin: Springer-Verglad, 1990, p.503-522.

96. Chao T.T. Selectiv dissolution of Manganese oxides from Soils and Sediments with Acidified Hydroxylamine Hydrocholide Soil Sci.Soc.Amer.Proc. Vol.36. 1972, N5. P.764-768.

97. Chao T.T. Use of partial dissolution techniques in geochemical exploration // Geochemical Exploration, 1984, № 2, p. 101-135.

98. Ghiara E.M., Mester Z., Cremisini C. and Morabito R. Comparison of two segantial extraction procedures for fractionation in sediment samples // Analitica Chimica Acta, 1998, 359,1-2, p. 133-142.

99. Gibbs R.J. Mechanisms of trace metal transport in rivers // Science, 1973, v. 180, p. 7173.

100. Gibbs R.J. Transport phases of transition metals in the Amason and Yukon rivers // Geol. Soc. Amer. Bull., 1977, v.88, p. 829-843.

101. Hakanson L. Determination of characteristic values for physical and chemical lake sediment parameters // Water Resours. 1981 .V.6.

102. Keizer P. & Bruggenwert M. Adsorption of heavy metals by clay-aluminium hudroxide complex. Interaction at the soil colloid solution interface (ed. G.H. Bolt et al.) // Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 1991, p. 177-203.

103. Newland L.W. & Daum K.A. Lead. Handbook of Environmental Chemistry (editor O.Hutzinger), V3, part C, anthropogenic compounds. Berlin N.Y.: Springer Verlag, 1980, p. 14.

104. Newland L.W. Arsenic, Beryllium, Selenium, Vanadium. Handbook of Environmental Chemistry (editor O.Hutzinger), V3, part C, anthropogenic compounds. Berlin N.Y.: Springer Verlag, 1980.

105. Parker J.G. Toxic effects of heavy metals upon cultures of uronema marinum // Marine Biology, 1979, v. 54, № 1, p. 17-24.

106. Presley B., Kolodny V., Nissenbaum A., Kaplan J. Early diagenesis in a reducing fjord, Saanich Julet, British Colambia. II. Trace element distribution in interstitial water and sediment Geochim. et Cosmochim. Acta, 1972,36, №10, p. 1073-1090.

107. Proceed. of First International Lake Ladoga Symposium: Ecological Problems of Lake Ladoga. St.Petersburg, Russia, November 1993. Ed. by T.Slepukhina & R.Murthy. Hydrobiologia, vol.322.1996. 328 p.

108. Proceed. of Second International Lake Ladoga Symposium 1996. H.Simola, M.Viljanen & T.Slepukhina (eds). Joensuu. 1997. 445 p.

109. Proceed. of Third International Lake Ladoga Symposium 1999. A.Peltonen, E.Gronlund and M. Viljanen (eds). University of Joensuu, Publication of Karelian Institute N:o 129. Joensuu. 2000. 507 p.

110. Salomons W., Forsther U. Metal in the hudrocycle. Berlin, Heidelberg, N.Y.: Springer Verlag, 1984. 349 p.

111. Scancar J., Milacie R., and Horvat M. Comparison of Various Digestion and Extraction Procedures in Analysis of Heavy Metals // Sediments, Water, Air and Soil Pollution. 2000, 118, 1 /2, p. 1141-1146.

112. Sediments and Water Interactions / Ed. Sly P.G. Berlin: Springer-Verglad, 1986,480 p.

113. Tessier, A., F. Rapin, R. Garignan. Trace metals in oxic lake sediments: possible adsorption onto iron oxyhydroxides. Geochim. et Cosmochim. Acta, 49. 1985, № 1, p. 183194.

114. Tsai Li-Jyur, Yu Kuang-Chung, Huang Ju-Sheng, Ho Shien-Tsong. Distriution of heavy metals in contaminated river sediment // J.Environ. Sci. and Health. A. 2002, 37, № 8, p. 1421-1439.

115. Wakeham S., Schafiher C., Giger W. PAH in recent lake sediments. Ceochim. Cosmochim. Acta., 1980, v. 44, p. 403-413.