Geum.ru

1. минералого-геохимические процессы в техногенных и геотехногенных ландшафтах

Вид материалаДокументы
Роль физико-химических барьеров в формировании состава
The role of physic-chemical barriers in forming composition of
Of ore concentration of dzida deposits
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7


Рис. 2. Материалы используемые для создания искусственных геохимических барьеров.

Природные материалы широко используются для создания сорбционных (глины, суглинки, торф и т.д.), щелочных (карбонаты) и других барьеров. Преимуществом использования природных веществ является их широкое распространение, снижающее транспортные расходы и относительно низкая стоимость добычи.

Перспективным направлением является использование отходов производства. При этом наряду с их низкой стоимостью решается другая экологическая задача – утилизация отходов. Такой опыт был использован для нейтрализации кислых шахтных вод на территории Кизеловского бассейна [8]. В качестве реагента использовались отходы содового производства. Проведенные работы показали, что рН шахтной воды повышается с 2,6-2,9 до нейтральных значений. В ходе испытаний суммарное содержание железа с 30-40 снизилось до 0,2-0,3 мг/л, что не превышает ПДК. После нейтрализации алюминия в шахтной воде не обнаружено, тогда как до нейтрализации его содержание составляло 10-14 мг/л. Содержание бериллия, лития, никеля, кадмия, кобальта и титана, которые в шахтных водах превышали нормативные концентрации, снижается до значений не превышающих ПДК. Нейтрализованная вода после отстаивания удовлетворяет требованиям ПДК.

В том случае, когда природные вещества и отходы малоэффективны для создания барьера, подбираются специальные химические реагенты. Они, как правило, дают возможность обеспечить необходимую эффективность работы барьера, но имеют большую стоимость. В некоторых случаях, чаще всего для создания механических барьеров, используются специальные строительные конструкции. Известны случаи создания барьеров на основе биологических объектов: растительность, микроорганизмы и т.д. В докладе рассматривается опыт создания искусственных барьеров для охраны окружающей среды в угольной и нефтяной промышленности, строительстве, металлургии, разработке россыпных месторождений [8, 9, 10, 11, 12].


Литература


1. Алексеенко В.А. Эколого-геохимические изменения в биосфере. Развитие, оценка. – М.: Логос, 2006. – 518 с.

2. Касимов Н.С., Борисенко Е.Н. Становление и развитие учения о геохимических барьерах // Геохимические барьеры в зоне гипергенеза/ Под ред. чл.-корр. РАН Н.С. Касимова и проф. А.Е.Воробьева. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002. – С. 6-37

3. Леонова Г.А., Бычинский В.А. Физико-химическая модель очистки сточных вод на искусственных щелочных геохимических барьерах. // Геохимические барьеры в зоне гипергенеза: Тез. докл. междунар. симпоз. – М.: МГУ, 1999. – С. 311-314.

4. Лесин Ю.В. Фильтры для очистки воды из крупнокусковых отходов угледобычи. // Уголь. – 1986. – N 2.– С. 43-44.

5. Лукашев В. К. Геологические аспекты охраны окружающей среды / АН БССР, Ин-т геохимии и геофизики – Минск: Наука и техника, 1987. – 335 с.

6. Максимович Н. Г. Новые возможности защиты подземных конструкций от агрессивных сред // Промышленное и гражданское строительство, 2007.- N10. – С. 45-46.

7. Максимович Н. Г. Очистка сточных вод россыпных месторождений с помощью механических геохимических барьеров // Горный журнал, 2007.- N4. – С. 77-78.

8. Максимович Н.Г. Использование сорбентов на основе активного угля для борьбы с разливами нефти // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе – 2006. – № 10. – С. 19-21.

9. Максимович Н.Г., Сергеев В.И., Шимко Т.Г. Комплексный экран для защиты подземных вод в районе размещения шламов газоочистки // Экология и промышленность России. – 2006. – декабрь. – С. 4-7.

10. Патент на изобретение № 2293063. Способ нейтрализации кислых шахтных вод и установка для его осуществления / Максимович Н.Г., Басов В.Н., Холостов С.Б.; опубл. 10.02.07 №4, Бюл. №4. Изобретения Полезные модели.– с. 350:ил.

11. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафтов: Учебное пособие. Изд. 3-е, перераб. и доп. – М.: Астрея-2000, 1999 – 786 с.

12. Сергеев В.И., Шимко Т.Г., Кулешова М.А. и др. Количественная оценка грунтовой толщи как геохимического барьера // Геохимические барьеры в зоне гипергенеза – М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002. – С. 334-346.

13. Ферсман А.Е. Геохимия. Т.2. – Л.: Химтеорет. 1934. – 354 с.

РОЛЬ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ БАРЬЕРОВ В ФОРМИРОВАНИИ СОСТАВА
СТОЧНЫХ ВОД ТЭЦ

С.Х. Павлов1, К.В. Чудненко2

1 Институт земной коры СО РАН, Иркутск, Россия, spavlov@crust.irk.ru,

2 Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, Иркутск, Россия, chud@igc.irk.ru


THE ROLE OF PHYSIC-CHEMICAL BARRIERS IN FORMING COMPOSITION OF
THERMAL POWER STATION SEWAGE

S. Kh.Pavlov1, K.V.Chudnenko2

1 Institute of the Earth's Crust of the SB RAS, Irkutsk, Russia, spavlov@crust.irk.ru

2 Vinogradov Institute of Geochemistry of the SB RAS, Irkutsk, Russia, chud@igc.irk.ru


The different water solutions composition and mineral paragenesises can be generated within the framework of the same system having identical managing factors (chemical composition, temperature and pressure) depending on a degree of hydrogeochemical process passing. Redistribution of substance in a solution, between a solution and a solid phase, and also in a solid phase is monitored by different physic-chemical barriers. Chemical composition of the technogenic waters stream shaped during filtration leakage from the holding ash-slag lagoon grows out metamorphisation the clarified water interreacting with technogenic and natural formations, executing a foundation of an ash dump.


Техногенные потоки химических элементов, формирующиеся в различных ландшафтах районов горнодобывающих предприятий, особенно выражены там, где в их формировании участвует водная составляющая геологической среды. Формирование химического состава природных вод с учетом природных и антропогенных факторов является фундаментальной проблемой современной гидрогеохимии [3]. Многочисленные исследования в этой области позволили определить ведущие факторы, процессы и геохимические обстановки миграции химических элементов в земной коре [4]. Значительного прогресса достигли исследования гидрогеохимических аспектов техногенеза [5, 7]. Процессы формирования состава подземных вод в различных природных обстановках и геоэкологических ситуациях все активнее начинают рассматриваться на количественном уровне [2].

Среди многочисленных проблем геохимии техногенеза своей масштабностью выделяется проблема захоронения и утилизации золошлаковых отходов теплоэнергетики [8]. Анализ видов и интенсивности воздействия золошлакоотвалов на окружающую среду выявил, что из всех объектов природной среды наибольшему загрязнению, в основном химическому, подвергается самая динамичная часть геологической среды – подземные воды [6]. Исследованию воздействия на подземные воды высоко водоемкой части теплоэнергетического производства – гидрозолоудаления, посвящена настоящая работа.

На ряде золоотвалов ТЭЦ «Иркутскэнерго» реально был исследован химический состав золошлаковых отходов, почв, водовмещающих пород и природно-техногенных вод, формирующихся в результате фильтрационных утечек из прудов-отстойников золоотвалов.

Изучение гидрогеохимической обстановки районов размещения золоотвалов показало следующее. В естественных условиях подземные воды в рыхлых отложениях четвертичного возраста имели состав типичный для вод, формирующихся в песчано-гравийных отложениях на начальном этапе инфильтрационного цикла. Это низкоминерализованные (менее 0.5 г/л) воды гидрокарбонатного магниево-кальциевого состава. Вне зоны влияния золоотвалов или других технических систем, эта обстановка в целом сохраняется и в настоящее время.

Однако на площади золоотвала картина резко меняется: состав техногенных подземных вод полностью соответствует составу осветленной воды в пруде-отстойнике. Осветленная вода, которая формируется в результате отстаивания золошлаковой пульпы, поступающей на золошлакоотвал с минерализацией от 0.5 до 1.0 г/л и величиной рН от 8 до 11.5, имеет стабильный сульфатный кальциевый состав, минерализацию чуть больше 0.7 г/л и величину рН ≤ 9.5.

Поток техногенных сульфатных кальциевых вод, растекаясь из пруда-отстойника, уже на площади золоотвала претерпевает заметные изменения минерализации и химического состава. Внешней границей распространения техногенных подземных вод являются дренажные канавы, проложенные в основании ограждающих дамб по периметру золоотвалов. На этой границе разгружается основная часть фильтрационного потока техногенных вод. Здесь происходит не только перераспределение его объемов, но и изменение химического состава. Величина минерализации незначительно колеблется вблизи исходного значения, одновременно направленно понижается величина рН на 1–2 единицы, уменьшается концентрация сульфатных ионов и увеличиваются гидрокарбонатные ионы. В катионной части состава воды содержание кальция уменьшается, а магния увеличивается. Указанный процесс является направленным и устойчивым. Он полностью реализуется на расстоянии до 400-450 м. За пределами этой границы сульфатный тип воды меняется на гидрокарбонатный. Катионная часть состава остается неизменной, а величина минерализации приближается к значению минерализации осветленной воды. На некоторых участках сера присутствует не только в виде сульфатов, но и в виде гидросульфидных ионов и сероводорода. Процесс метаморфизации химического состава техногенных вод хорошо прослеживается не только в верхней части потока, но охватывает значительную часть гидрогеохимического разреза.

Проведенные исследования позволили определить границы распространения природных и техногенных вод различной минерализации и химического состава и дают возможность проследить направление и степень их преобразования, но не раскрывают механизмы протекающих при этом физико-химических процессов.

Для того чтобы приблизиться к пониманию сути процессов, приводящих к коренному преобразованию состава техногенных подземных вод, условия их формирования изучены нами с помощью физико-химического моделирования. Данное исследование проведено методом минимизации термодинамических потенциалов в формулировке математического аппарата выпуклого программирования. На основе программного комплекса «Селектор» [1] в его последней модификации [9] была сформирована базовая модель системы «вода – порода – газ - органическое вещество».

Взаимодействие постоянного количества осветленной воды с породой проводилось по схеме постепенного увеличения вступающих во взаимодействие количеств золы, песчано-гравийных отложений, песчаника и почвы. Соотношение «твердое вещество – вода» в весовых единицах изменялось последовательно от 10-3г до 102г твердого вещества на 1000 г Н2О с шагом показателя степени равным 0.1. Во всех моделях закрытых к атмосфере температура и давление были постоянными (Т = 5 0С, Р = 1 бар).

Изменение кислотно-щелочного равновесия среды по мере увеличения степени взаимодействия близко у песчано-гравийных отложений, песчаника и золы: по мере увеличения степени их взаимодействия с осветленной водой происходит устойчивое повышение щелочности растворов. У почв этот процесс идет в обратном направлении. Выраженный характер уменьшения щелочности растворов начинается с первых этапов взаимодействия. При величинах соотношения «почва–вода», равных 10-4.5 и 10-3, величина рН растворов приближается к нейтральной. При дальнейшем увеличении степени взаимодействия в почвенных растворах, начинает повышаться щелочность, тем резче, чем выше степень взаимодействия.

Во всех растворах ярко проявился восстановительный барьер. Понижение величины Eh происходит резко, более чем на 1000 мв, на границе исчезновения кислорода. В почвенных растворах этот барьер проявляется значительно раньше, при величине соотношения твердая фаза/вода равной 10-4.5, а у песчаника и золы только при достижении 10-2.3. По-особому ведут себя растворы почв и в отношении минерализации. Наиболее устойчивой она в значительном интервале взаимодействий сохраняется в растворах золы, песчано-гравийных отложений и песчаника. В почвенных растворах, почти с первых этапов взаимодействия, минерализация хотя и незначительно, но устойчиво повышается. При достижении величины соотношения твердая фаза/вода равной 10-2.5 минерализация растворов песчано-гравийных отложений и песчаника начинает увеличиваться, а у золы и почвы уменьшаться. В растворах золы это уменьшение медленное, а в растворах почвы резкое и значительное по величине.

В растворах золы у K+, Mg2+ и Сa2+ в твердой фазе формируются геохимические барьеры в виде гидрослюд, клинохлора и цеолитов, в результате чего содержание этих элементов в растворе на границе барьеров или после них снижается, и они выводятся из растворов. Для натрия в этой системе барьеров нет и он, постоянно увеличивая свою концентрацию, становится главным компонентом состава водных растворов.

Кислотно-щелочное состояние растворов золы достаточно точно отражает поведение гидрокарбонатных и повторяет ход изменения гидросиликатных ионов. Содержание гидрокарбонатных ионов в свою очередь определяется поведением кальцита в твердой фазе. Все эти превращения при малых объемах золы, взаимодействующей с осветленной водой, не изменяют исходного состава воды. Однако при повышении массы золы, понижается минерализация растворов, и они метаморфизуются – сульфатный состав превращается в гидрокарбонатно-сульфатный.

При взаимодействии осветленной воды с песчаником на конечных этапах взаимодействия формируются наиболее высокоминерализованные растворы из всех исследованных систем. В широком интервале взаимодействий минерализация растворов сохраняется постоянной, но при этом идет непрерывное перераспределение концентраций кальция и натрия, которое на границе формирования в твердой фазе ломонтита завершается выведением из раствора кальция. Барьеры, представленные в твердой фазе мусковитом и анальцимом, натрий легко преодолевает. Из-за появления барьеров интенсивность его роста в растворе несколько понижается, но не прекращается, и он переходит в ведущие компоненты. Наметившаяся тенденция увеличения концентраций калия и магния прекращается на ранних этапах взаимодействия на границе формирования мусковита и клинохлора. Эти барьеры являются для них высокими, и они выводятся из раствора.

Также как и в растворах золы, кислотно-щелочное равновесие растворов песчаника в окислительных условиях отражает ход кривой изменения гидрокарбонатных ионов, а во всем диапазоне взаимодействий копирует поведение гидросиликатных ионов. В растворах песчаника сера ведет себя очень устойчиво, и только рост карбонатных и гидрокарбонатных ионов при высокой степени взаимодействия приводит к метаморфизации анионного состава.

Взаимодействие осветленной воды с почвой представляет особый интерес для понимания процессов метаморфизации состава фильтрационного потока техногенных вод. Так же как и в предыдущих моделях происходит перераспределение роли ведущих компонентов между кальцием и натрием, но здесь у кальция наряду с кальцитом и ломонтитом появляется дополнительный барьер в виде доломита. Содержание калия и магния хотя и поднимается до более высоких значений, чем в предыдущих системах, но барьеры твердых минеральных фаз остаются для них непреодолимы, и они выводятся из растворов.

В почвенных растворах физико-химические процессы взаимодействий более разнообразны и протекают значительно интенсивнее. Кислород здесь расходуется на ранних этапах взаимодействий при показателе степени взаимодействия на два порядка более низком, чем у золы и песчаника. Окислительно-восстановительный барьер сопровождается резким переходом в твердой фазе гидроокисной формы железа в сульфидную. Кривая рН, как и в ранее рассмотренных системах, отражает ход кривой гидрокарбонатных ионов и понижается до отметок близких к нейтральным. Но это понижение происходит дважды. Одно согласуется с поведением гидрокарбонатных ионов, другое происходит на фоне равномерного их изменения, но углерод при этом перераспределяется между карбонатными ионами и диоксидом углерода. Этот интервал взаимодействий характерен тем, что перераспределение углерода происходит только в водном растворе, а в твердой фазе карбонаты исчезают. Уменьшение щелочности растворов сопровождается ростом углекислоты, и это происходит до момента начала формирования в твердой фазе графита. После чего щелочность растворов повышается, и перераспределение углерода в растворе идет между углекислотой, гидрокарбонатными и карбонатными ионами в пользу последних. В этом же интервале взаимодействий наряду с окисленными формами углерода появляется и его восстановленная форма, представленная метаном, концентрация которого растет с увеличением степени взаимодействия.

Смена окислительной обстановки на восстановительную, и появление геохимического барьера в виде сульфидного железа приводит к дестабилизации устойчивых до этого времени сульфатных ионов. Вначале такая дестабилизация количественно не ощутима и выражается в появлении в знаковых концентрациях восстановленных форм серы в виде гидросульфитного иона и сероводорода. В дальнейшем процесс этот достаточно интенсивен, и на последующих этапах формируются сероводородно-гидросульфидно-гидрокарбонатные воды. В почвенных растворах ярко выражен процесс диспропорционирования анионогенных элементов с различными степенями окисления – углерода со степенями окисления +4 и -4 и серы со степенями окисления +6 и –2.

В рамках одной и той же системы, имеющей одинаковые управляющие факторы (состав, температуру и давление), в зависимости от степени протекания гидрогеохимического процесса могут сформироваться различные по составу водные растворы и минеральные парагенезисы. Перераспределение вещества в растворе, между раствором и твердой фазой, а также в твердой фазе контролируется различными физико-химическими барьерами. Химический состав потока техногенных вод, формирующегося в процессе фильтрационных утечек из золошлаконакопителя, является результатом метаморфизации осветленной воды, взаимодействующей с техногенными и природными образованиями, выполняющими основание золоотвала.


Литература


1. Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. – Новосибирск: Наука, 1981. – 247 с.

2. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты. – М: Наука, 2004. – 677 с.

3. Никаноров А.М. Гидрохимия: достижения и перспективы // Геохимия природных вод. – Л.: Гидрометеоиздат, 1985. – С. 9-18.

4. Основы гидрогеологии. Гидрогеохимия / Шварцев С.Л., Пиннекер Е.В., Перельман А.И. и др. – Новосибирск: Наука, 1982.–- 286 с.

5. Питьева К.Е. Гидрогеохимические аспекты охраны геологической среды. – М.: Наука, 1984. – 221 с.

6. Рекомендации по контролю за состоянием грунтовых вод в районе размещения золоотвалов ТЭС. – С-Пб.: ОАО «ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева», 2000. – 28 с.

7. Тютюнова Ф.И. Гидрогеохимия техногенеза. – М.: Наука, 1987. – 335 с.

8. Таусон Л.В. Современные проблемы геохимии техногенеза // Геохимия техногенных процессов. – М.: Наука, 1990. – С. 3-13.

9. Чудненко К.В. Теория и программное обеспечение метода минимизации термодинамических потенциалов для решения геохимических задач. Автореф. дисс. докт. геол.-мин. наук.– Иркутск: ИрГТУ. 2007. – 54 с.


формы нахождения свинца, цинка, меди и молибдена в почвогрунтах и отходах обогащения руд Джидинских месторождений

О.К. Смирнова, А.Е. Сарапулова

Геологический институт СО РАН, Улан-Удэ, Россия, meta@gin.bscnet.ru


THE FORMS OF LEAD, ZINC, COPPER AND MOLYBDENUM IN SOILS and WASTES
OF ORE CONCENTRATION OF DZIDA DEPOSITS

O.K. Smirnova, A.E. Sarapulova

Geological Institute SB RAS, Ulan-Ude, Russia, meta@gin.bscnet.ru


The forms of the heavy metal (Cu, Zn, Pb, Mo) in technogenic sands and soils of waste depositories of the Dzhida sulfide-bearing ores concentration are considered. The chemical analysis of the substances is carried out by method of selective extraction (Tessier A., et al., 1979). It is installed that content of the element in one or another forms, including mobility form, depends on pH of substance, size of its particles and bedding depth. In accordance with oxidation degree of ore mineral in substance heavy metals form the row: Pb>Zn>Cu>Mo. The contents of these metals in plants correspond to contents of their mobility forms in substance.


Проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами в наше время стоит особенно остро. Причиной загрязнения в первую очередь являются промышленные объекты. В данной работе рассмотрен район Джидинского вольфрамо-молибденового комбината, расположенного в окрестностях г. Закаменск Республики Бурятия, функционировавшего более 60-ти лет и в настоящее время законсервированного. Здесь на территории, непосредственно прилегающей к бывшим обогатительным фабрикам и городу, сосредоточены отходы обогащения молибденитовых и сульфидно-гюбнеритовых руд, общая масса которых составляет около 40 млн. тонн. Предварительные исследования [5] показали, что под влиянием просачивающихся атмосферных осадков в хвостохранилищах происходит окисление сульфидных минералов с образованием серной кислоты и выносом тяжелых металлов. При этом загрязняются поверхностные и подземные воды, повышается содержание тяжелых металлов и других потенциально токсичных микроэлементов в почвах прилегающей к хвостохранилищам территории, изменяется состояние растительности, нарушается микроэлементный баланс в пищевых цепях экосистем [10]. Эколого-геохимическими исследованиями 2003-2006 гг. уровень загрязнения рыхлого покрова территории свинцом, цинком, кадмием, молибденом, медью по шкале экологического нормирования для почв со слабокислой и кислой реакцией оценен как высокий и очень высокий.

Для корректной оценки уровня загрязнения ландшафта в природоохранных и санитарно-гигиенических целях важна информация не о валовом содержании металлов в воде, почве, а о доле подвижных, легкорастворимых соединений, доступных для растений. Чтобы оценить опасность загрязнения территории тяжелыми металлами, нужно знать формы их нахождения и условия перехода в подвижное состояние. Для диагностики форм нахождения металлов широкое распространение в практике геохимических и геоэкологических исследований получили методы последовательных селективных экстракций.

Нами использовался метод селективной экстракции, разработанный Tessier A. и др. [11], который позволяет определять следовые количества тяжелых металлов в пяти геохимических фракциях: 1 - ионнообменной, 2 - карбонатной, 3 - оксидов Fe и Mn, 4 - органических веществ, 5 – силикатном остатке. Методика включает разделение этих фракций методом последовательных вытяжек и определение в них следовых количеств металлов. Определение валового содержания Cu, Zn, Pb в вытяжках произведено методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии [8]. Валовое содержание Мо в вытяжках и содержание подвижных форм Мо определены фотометрическим методом [1]. рН водной суспензии образцов определялся по методике [9]. Подвижные формы Cu и Zn определены по ГОСТам [2, 3].

Для исследования форм нахождения тяжелых металлов были взяты пробы техногенных песков (отходы обогащения молибденовых и сульфидно-вольфрамовых руд Джидинского вольфрамо-молибденового комбината) и почвогрунтов в окрестностях Закаменска. Для определения подвижных форм использовались пробы, высушенные и просеянные через сито 1 мм. Образцы для селективной экстракции были высушены при 105ºС в воздушно-проточной печи и перетерты в агатовой ступке для гомогенизации.

При определении подвижных форм применяются растворители, которые извлекают доступную для растений часть тяжелых металлов. Для определения подвижных форм Cu и Zn в данной работе использовали ацетатно-аммонийный буфер с рН 4,8 [2, 3], который действует в основном на карбонатную фракцию. Полученные данные свидетельствуют, что содержание подвижных форм Сu и Zn в исследуемых техногенных песках на порядок превышает ПДК для почв, приведенных в Перечне [4]. Содержание Сu и Zn в подвижных формах примерно соответствует содержанию их в ионообменной и карбонатной фракциях. Вероятно, этот буфер может частично извлекать тяжелые металлы, адсорбированные на оксидах железа и марганца, а также связанные с органикой.

В почвогрунтах содержание подвижных форм Сu меньше предела обнаружения для всех образцов, кроме отобранного в районе молибденового месторождения, а содержание подвижных форм Zn не превышает ПДК только в двух образцах.

Содержание подвижных форм Мо в почвогрунтах низкое, соответствует содержанию этого элемента в ионообменной фракции, в то время как в техногенных песках – превышает сумму ионообменной и карбонатной фракций. Некоторая часть подвижных форм Мо может находиться во фракции оксидов железа и марганца, а также в органическом веществе.

Свинец во всех исследованных образцах техногенных песков и в пробе почвы концентрируется в ионообменной, карбонатной фракциях и фракции оксидов железа и марганца. Поскольку для других элементов содержание их в подвижных формах примерно соответствует содержанию в трех упомянутых фракциях, можно заключить, что доля подвижных форм Pb и в почвах и в техногенных песках высока. Здесь можно уже говорить о зоне окисления рудных месторождений, где свинец присутствует главным образом в виде англезита и церуссита.

Главное отличие почвогрунтов от техногенных песков заключается в присутствии в них гумусовых веществ. Взаимодействие ионов тяжелых металлов с гумусом может быть описано как ионообменные реакции, адсорбция на поверхности, хелатирование, реакции коагуляции и пептизации. Устойчивость комплексных соединений зависит от свойств взаимодействующих компонентов и реакции среды. Общий порядок стабильности комплексных соединений с тяжелыми металлами выглядит следующим образом [7]:


Pb2+>Cu2+>Ni2+>Co2+>Zn2+>Cd2+>Fe2+>Mn2+


Помимо этого существует сильная конкуренция за ионы металлов между органическими соединениями и другими комплексующими агентами, такими, как сульфиды или гидроксиды [6]. В присутствии кислорода сульфиды будут окисляться прежде, чем кислород начнет окислять гумус. Но даже когда сульфиды окислятся, гумусовые вещества и гидроксиды железа способны обеспечить связывание тяжелых металлов. Содержание металлов в виде подвижных форм в этом случае на два порядка ниже, чем количество металлов, выделяемых в анаэробной кислой фазе. Возможно, благодаря этим процессам, содержание подвижных форм металлов в изученных нами почвогрунтах сравнительно мало. По этой же причине медь в большинстве почвенных образцов содержится только в органической и силикатной фракциях.

На миграционные возможности тяжелых металлов в почве большое влияние оказывают кислотно-щелочные условия и окислительно-восстановительная обстановка. По классификации А.И. Перельмана Cd, Pb, Zn, Cu, Ni относятся к элементам, хорошо мигрирующим в кислых водах окислительной и глеевой обстановок и осаждающимся на щелочном барьере. Молибден подвижен в окислительной обстановке и инертен в восстановительных (глеевой и сероводородной) обстановках [7]. Результаты наших исследований показывают, что увеличение содержания Zn и Pb в ионообменной фракции соответствует понижению рН суспензии образцов (рисунок). При подкислении среды эти элементы переходят в подвижные формы. В загрязненных почвах цинк накапливается во фракции оксидов железа и марганца и в силикатной фракции. В техногенных песках концентрация цинка в силикатной фракции существенно выше, чем во фракции оксидов. Можно предположить, что в техногенных песках сульфиды цинка окислены в меньшей степени, чем в почвогрунтах. График рН водной суспензии образцов повторяет контур графика подвижных форм (рисунок, Б). Это можно объяснить тем, что и рН, и содержание подвижных форм в техногенных песках определяется в основном карбонатной фракцией.





Рисунок. Распределение цинка по геохимическим фракциям в почвогрунтах (А)
и техногенных песках (Б). По оси абсцисс указаны номера проб.

Изучено содержание тяжелых металлов в различных горизонтах почвогрунтов и техногенных песков. В почвогрунтах металлы накапливаются преимущественно в поверхностном корневом слое, а в техногенных песках их содержание растет при переходе к более глубоким горизонтам. В почвогрунтах значительная часть тяжелых металлов депонируется в гумусе, сохраняя при этом мобильность, а в техногенных песках наиболее развиты иллювиальные процессы, накапливающие мигрирующие из вышележащего слоя почвы тонкодисперсные частицы, насыщенность которых тяжелыми металлами более высокая.

Таким образом, проведенные исследования позволили выявить содержание ряда тяжелых металлов в различных геохимических фракциях, оценить долю элементов, находящуюся в доступной для растений форме. Определение полного комплекса форм позволяет составить баланс форм, из которого складывается общая валовая концентрация исследуемого элемента. Несмотря на то, что содержание подвижных форм в данных образцах достигло значительной величины, процессы окисления отходов обогащения молибденовых и сульфидно-вольфрамовых руд еще не закончились. По результатам исследования элементы можно расположить по степени окисленности их рудных минералов в изученных пробах в таком порядке:


Pb>Zn>Cu>Mo


Одновременно эти исследования показали, что техногенные массивы продуктов обогащения подвергаются существенным минералого-геохимическим изменениям с изменением соотношений подвижных форм рассмотренных химических элементов и они должны рассматриваться уже как преобразованные, геотехногенные [12]. Вопрос об условиях и факторах, регулирующих количество подвижных форм тяжелых металлов в техногенных песках, почвогрунтах, почвах и их влиянии на растительность близлежащих территорий является важным аспектом процесса геотехногенеза и требует дальнейших исследований.

Работа выполнена при поддержке комплексного интеграционного проекта СО РАН № 6.14 и проекта РФФИ 08-05-98042-р_сибирь_а.


Литература


1. ГОСТ Р 50689-94

2. ГОСТ Р 50683-94.

3. ГОСТ Р 50686-94.

4. Перечень предельно допустимых концентраций (ПДК) и ориентировочно допустимых количеств (ОДК) химических веществ в почве № 6229-91.

5. Плюснин А.М., Гунин В.И. Природные гидрогеологические системы, формирование химического состава и реакция на техногенное воздействие (на примере Забайкалья). – Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2001. – 137 с.

6. Путилина В.С. Галицкая И.В. Юганова Т.И. Влияние органического вещества на миграцию тяжелых металлов на участках складирования твердых бытовых отходов: Аналит. обзор / ГПНТБ СО РАН; ИГЭ РАН. – Новосибирск, 2005. – 100 с.

7. Тяжелые металлы в системе почва – растение / Ильин В.Б. – Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1991. – 151 с.

8. Химико-спектральные методы. Инструкция №155-ХС. Министерство геологии СССР. Научный Совет по аналитическим методам при ВИМСе. Москва, 1978

9. Химический анализ почв: Учеб. пособие / Растворова О.Г., Андреев Д.П., Гагарина Э.И., Касаткина Г.А. Федорова Н.Н. – С-Пб.: Издательство С.-Петербургского университета, 1995 – 264 с.

10. Ходанович П.Ю., Смирнова О.К., Яценко Р.И. Загрязнение геологической среды в районе промплощадок Джидинского вольфрамо-молибденового комбината и его влияние на экосистемы // Сергеевские Чтения (материалы Годичной сессии Научного Совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии). Вып.4. – М.: ГЕОС, 2002. – С. 352-356.

11. Tessier A., Campbell P. G., Bisson M. // Anal. Chem. 1979. 51. №7. – Р. 844.

12. Yurgenson G.A. Geotecnogenesis problems.//J. Geosci. Res. N.E. Asia, 2004, N7 (1). – P. 92-96.