ОСОБЕННОСТИ МИГРАЦИИ И АККУМУЛЯЦИИ ТМ В ГЕОСИСТЕМЕ ОЗ. КУЛТУБАН (ЮЖНЫЙ УРАЛ)

Опекунов А.Ю.¹, Опекунова М.Г.², Сомов В.В.³

¹ORCID: 0000-0002-8885-9068, Доктор геолого-минералогических наук, ²ORCID: 0000-0002-4592-0623, Доктор географических наук, ³ORCID: 0000-0003-2575-571X, Аспирант, Санкт-Петербургский государственный университет

ОСОБЕННОСТИ МИГРАЦИИ И АККУМУЛЯЦИИ ТМ В ГЕОСИСТЕМЕ ОЗ. КУЛТУБАН (ЮЖНЫЙ УРАЛ)

Аннотация

Приведен сопряженный анализ содержания Cu, Zn, Fe, Ni, Pb, Mn, Co, Ba, Sc, Ti и Cd в почвах водосбора, в воде и донных осадках оз. Култубан (Южный Урал). Выявлены основные факторы латерально-миграционной дифференциации металлов в ландшафтно-геохимической катене. Установлено, что распределение литофилов  и сидерофилов (Fe, Ni, Mn, Co, Ba, Sc, Ti) обусловлено природными факторами, связанными с составом геологических пород элювиальных и трансэлювиальных ландшафтов. Накопление Cu, Zn и Cd отмечается в подчиненных ландшафтах и  обусловлено их аэротехногенным поступления в составе аэрозолей от горнодобывающих объектов г. Сибай, находящихся в 6-10 км от озера.

Ключевые слова: тяжелыe металлы, загрязнение окружающей среды, природные воды, донные осадки, почвы, горнорудное производство.

Opekunov A.Y.¹, Opekunova M.G.², Somov V.V.³

¹ORCID: 0000-0002-8885-9068, PhD in Geology and Mineralogy, ²ORCID: 0000-0002-4592-0623, PhD in Geography, ³ORCID: 0000-0003-2575-571X , Postgraduate student, Saint Petersburg State University

PECULIARITIES OF HEAVY METALS MIGRATION AND ACCUMULATION IN THE ENVIRONMENT OF THE LAKE KULTUBAN (THE SOUTHERN URAL)

Abstract

Coupled analysis of Cu, Zn, Fe, Ni, Pb, Mn, Co, Ba, Sc, Ti , Cd in water, bottom sediments and soils on the watershed of the Kultuban lake (Southern Urals) was performed. Main factors of metals lateral differentiation in catena were identified. Differentiation of litophile and siderophile (Fe, Ni, Mn, Co, Ba, Sc, Ti) elements are caused by natural factors related to bedrock chemical composition in autonomous and transeluvial facies. Accumulation of Cu, Zn and Cd noted in accumulative landscapes is caused by aerial input of aerosol produced by mining facilities located in the city of Sibai 6-10 km from the lake.

Keywords: heavy metals, pollution, natural waters, bottom sediments, soil, mining industry.

Исследование миграции и аккумуляции химических элементов в природной среде имеет важное значение для решения теоретических и прикладных вопросов геоэкологии и природопользования. Особый интерес этот вопрос приобретает в районах развития естественных геохимических аномалий. К таким территориям относится Южный Урал. Многочисленные рудопроявления создают повышенный геохимический фон содержания Cu, Zn, Cd, Со, Mn, Fe и других тяжелых металлов (ТМ) в компонентах ландшафтов. Объектом изучения являлись сопряженные геосистемы хребта Ирендык на водосборе озера Култубан. Подробная физико-географическая характеристика района и методика исследований приведены в  опубликованных ранее работах [1, С. 3-8], [2, С. 45-48].

Территория исследований расположена в степной зоне Южного Урала с континентальным климатом. Почвенный покров характеризуется неоднородностью: преобладают черноземы обыкновенные и их горные разновидности, а также черноземы типичные, южные и выщелоченные. На склонах хребта Ирендык на месте вырубленных лесов встречаются темно-серые лесные почвы, развивающиеся по черноземному типу.

Озеро Култубан расположено в лесостепи Башкирского Зауралья в 10 км к югу от г. Сибай и Сибайского горнорудного комплекса, имеет неправильную округлую форму. Образование его связано с карстовыми явлениями. В озеро впадает ручей Юмаш, стока из озера нет. Отметка уреза воды над уровнем моря составляет 371,3 м. Площадь водосбора — 60,6 км², площадь зеркала 7,2 км², длина береговой линии около 11 км. Объем сосредоточенной воды достигает 30,2 млн. м³, средняя глубина – 4,2 м.

На берегах озера расположены сельскохозяйственные угодья, деревня и рыбная ферма. Однако основным источником антропогенного воздействия на экосистему озера Култубан служат промышленные объекты Башкирского медно-серного комбината (БМСК – Сибайский и Камаганский карьеры, отвалы, хвостохранилища). На БМСК осуществляется добыча и обогащение медно-цинковых руд, что обусловливает загрязнение окружающей среды этими металлами, а также Cd, Hg, As и др. [3, С. 197]. Большая часть металлов, попадающих в атмосферу в результате выбросов и запыления, оседает и затем аккумулируется в верхних горизонтах почв. Другая часть переносится в водные объекты, где концентрируется в донных осадках.

Как показали проведенные исследования, вода озера характеризуется слабощелочной реакцией (8,7), что обусловлено климатическими условиями, которые характеризуются преобладанием испаряемости над увлажнением, почвами и подстилающими горными породами водосборных площадей, обогащенными карбонатами, а также процессами эвтрофикации. В воде озера наблюдается относительно невысокое содержание металлов, включая Cu (3-4 мкг/л), Zn (20-47), Cd (0,5), Pb (3-4), Fe (200-230), Mn (50-70 мкг/л). Эти величины находятся на уровне 1-7 ПДК для воды рыбохозяйственного назначения и типичны для водных объектов урбанизированных территорий.

Формирование химического состава донных осадков является следствием миграции химических элементов в ландшафтно-геохимической катене. В прибрежной зоне осадки озера сложены гравийными песками, которые по мере удаления от берега сменяются песчаным алевритом и ближе к центральной части – алевритовым пелитом. Содержание органического углерода в донных осадках в среднем составляет 8,0% к сухому веществу.

Для определения уровня загрязнения современных отложений были изучены колонки донных отложений, отражающие историю осадконакопления в озере. Мощность отложений составила от 0,7 до 1,0 м.  Химический анализ разреза отложений показал, что на глубине 20-25 см и выше наблюдается рост содержания халькофилов (Cu, Zn, Cd, Hg, Pb). Имеющиеся данные по оценке скорости осадконакопления в озерах горно-лесной зоны Южного Урала - 1,5-2,4 мм/год и в районах влияния техногенеза до 4,8 мм/год [4, С. 6], позволяют утверждать, что рост содержания ТМ в разрезе осадков обусловлен началом активной техногенной деятельности в регионе. Следовательно, нижележащие осадки, сформировавшиеся до начала индустриальной деятельности, можно рассматривать как фоновые (табл. 1).

Таблица 1 – Статистические характеристики содержания ТМ в донных осадках оз. Култубан

В целом техногенный период развития озера в последние 75 лет привел к росту концентрации в осадках металлов-халькофилов (Cu, Zn, Cd, Hg, Pb). В то же время содержание сидерофилов (Mn, Fe, Co, Ni) и литофилов (Cr, Ba) практически не изменилось. Ряд концентрации металлов в индустриальный период по отношению к фону можно представить в следующим виде: Cd (3,5) > Cu (3,5) > Zn (3,0) > Pb (2,5) > Hg (1,7) > Ni (1,2) > Cr (1,1) ≈ Fe (1,1) > Mn (1,0) ≈ Co (1,0) ≈ Ba (1,0). К этому следует добавить, что низкий фоновый уровень содержания халькофилов в доиндустриальных осадках озера свидетельствует об отсутствии в пределах геосистемы оз. Култубан зон медно-цинковой минерализации.

Одним из индикаторов антропогенного загрязнения является доля подвижных форм ТМ в их валовом содержании. Изучение подвижных форм металлов, извлекаемых ацетатно-аммонийным буфером с pH 4.8, показало очень низкое содержание их сорбционно-карбонатных форм, особенно Cu и Zn (1,5 и 5,9%). Это отличает осадки озера от техногенных илов водных объектов вблизи БСМК [5, С. 91], в которых доля подвижных форм Cu в среднем составила 25%, Zn – более 50%, Cd – около 40%.

Результаты исследований химического состава почв в районе оз. Култубан свидетельствуют об увеличении средних валовых содержаний ТМ по сравнению с фоновыми под влиянием БМСК: Cd и Cu – в 4,5 и 2,5 раза, Co и Pb – в 1,6 раза. Содержания Zn, Fe, Ni близки к РГФ (табл. 2).

 

Таблица 2 - Валовое содержание ТМ в верхнем слое почвы (0-10 см), водосбор оз. Култубан (2014-2016 гг.), мг/кг

 

Характерно накопление Cu, Zn, Cd и Pb в поверхностной части гумусового горизонта (0-10 см), на что указывают значения коэффициента радиальной дифференциации (1,8-3,6) и уточненного коэффициента обогащения [6, С. 242] (1,9-6,8). В средней части горизонта AU слабо накапливается Cd, Cu и Zn. Для прочих металлов характерно равномерное распределение по профилю, либо слабое накопление в слое 0-10 см. Это связано с низкой подвижностью ТМ при высоком содержании гумуса и нейтральной реакции среды, а также аэральным поступлением Cu, Zn, Cd и Pb. Содержание подвижных форм ТМ несколько выше, чем в аналогичных фациях фоновой провинции, но существенно ниже, чем в почвенном покрове вблизи БМСК [7, C. 146]. Наиболее высокая подвижность характерна для Cd (как и в донных осадках), что обусловлено его активной водной миграцией во вторичных ореолах рассеяния колчеданных медно-цинковых руд [8, C. 33].

Для оценки особенностей миграции ТМ в пределах элементарного геохимического ландшафта рассмотрено их распределение по профилю, проходящему через основные элементы рельефа: вершина – склон – подножье – дно озера (табл. 3).

Таблица 3 – Валовое содержание ТМ в элементарных геохимических ландшафтах на водосборе оз. Култубан

 

По типу латерально-миграционной дифференциации в ландшафтно-геохимической катене [9, C. 29] выделяется три группы металлов. К первой относятся литофильные элементы – Sc и Ti – с верхнеаккумулятивным распределением, т.е. их максимальное содержание отмечается в элювиальной позиции. Вторая наиболее обширная группа представлена сидерофилами (Ni, Cr, Fe, Mn, Co) и Ba. Их тип концентрации – срединно-аккумулятивный, т.е. максимальное содержание приурочено к склоновым трансэлювиальным фациям. В третью группу входят халькофилы - Cu, Zn, Cd и Pb. Они имеют два максимума (элювиальная и аквальная позиции) с преобладанием нижнеаккумулятивного (Cu, Zn, Cd) и верхнеаккумулятивного (Pb) подтипов. Коэффициент латеральной дифференциации для ТМ первого подтипа составляет: Cu 0,8-1,2,  Zn 1,0-1,4, Cd 1,0-1,7.

Характер распределения литофилов (Sc и Ti) обусловлен их низкой подвижностью в зоне гипергенеза и накоплением в минеральной фазе почв в элювиальной позиции без заметного переноса от источника. Концентрация Mn в трасэлювиальных условиях вызвана выходом в верхней части склона кремнистых пород карамалыташской свиты, с которыми связаны зоны минерализации марганца. С Mn ассоциируются и другие сидерофилы, а также Ba, типоморфный вулканогенно-осадочным породам.

Концентрация халькофилов (Cu, Zn, Cd) с двумя максимумами и преобладанием нижнеаккумулятивного типа характеризуется в почвах и донных осадках подчиненных ландшафтов максимальным превышением над фоном. В отсутствие зон сульфидной минерализации, что было показано выше, такая ситуация обусловлена наличием внешнего источника поступления халькофилов. Таким источником является аэротехногенный перенос с территории разработки медно-цинковых руд в г. Сибай. При этом низкая доля в почвах и донных осадках подвижных форм Cu и Zn указывает на то, что перенос происходит в составе аэрозолей в форме оксидов и сульфидов этих металлов. Они в одинаковой степени осаждаются в пределах автономных, трансэлювиальных и подчиненных ландшафтов. Однако со склонов минеральные частицы выносятся талыми и дождевыми водами плоскостным смывом. Возникают условия формирования максимальных концентраций в аквальных ландшафтах.

Кроме того, следует отметить, что почвы водосбора озера неоднородны по содержанию ТМ в поверхностном слое: отмечается более высокая концентрация Cu и Zn в трансаккумулятивных фациях северного склона по сравнению с южным. Это может свидетельствовать о том, что в поступлении этих металлов определенную роль играет латеральная миграция по северному макросклону со стороны БМСК.

Основным источником Pb служат выбросы автотранспорта, движение которого осуществляется в основном в пределах плакора. Это обусловливает относительно высокую подвижность металла и верхнеаккумулятивный подтип распределения. Доля сорбционно-карбонатных форм в донных осадках озера составляет 19,5%. В то же время в техногенных илах р. Карагайлы (г. Сибай) эта величина около 8%.

Таким образом, на основе сопряженного анализа химического состава почв водосбора, природных вод и донных осадков оз. Култубан установлено, что объекты БМСК оказывают заметное влияние на уровень загрязнения компонентов рассматриваемой геосистемы.

Список литературы / References

1. Ковальский В.В. Южно-Уральский субрегион биосферы / В. В. Ковальский, В. А. Кривицкий, С. А. Алексеева, С. В. Летунова, М. Г. Опекунова, М. Д. Скарлыгина-Уфимцева, Ш. Берман, А. Илзинь, Н. Петерсон, Е. П. Жогова, Р. Я. Рублик // Труды биогеохимической лаборатории. – 1981. – Т. 19. – С. 3-64.
2. Опекунова М. Г. Тяжелые металлы в почвах и растениях  Южного Урала. I. Экологическое состояние фоновых территорий / М. Г. Опекунова, Н. В. Алексеева-Попова, И. Ю. Арестова, С. В. Грибалев, Д. А. Краснов, Д. Г. Бобров, О. А. Осипенко, Н. И. Соловьева // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 7, Геология, География. – 2001. – Вып. 4 (№ 31). – С. 45-53
3. Опекунов А.Ю. Геохимия техногенеза в районе разработки Сибайского медно-колчеданного месторождения / А. Ю. Опекунов, М. Г. Опекунова // Записки Горного института. – 2013. – т. 203. – С. 196-204.
4. Удачин В. Н. Экогеохимия горнопромышленного техногенеза Южного Урала. Автореф. дисс. д-ра геол.-мин. наук: 25.00.09: защищена 29.05.12. / Удачин Валерий Николаевич. – Томск, 2012. –  44 с.
5. Опекунов А. Ю. Геохимические особенности современного осадкообразования в районе разработки Сибайского медноколчеданного месторождения (Южный Урал) / А. Ю. Опекунов, Л. В. Леонтьева, М. С. Куприна // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 7. Геология. География. – 2010. – Вып. 2 (№ 15). – С. 84-98.
6. Водяницкий Ю.Н. Загрязнение почв выбросами предприятий цветной металлургии / Ю. Н. Водяницкий, И. О. Плеханова, Е. В. Прокопович, А. Т. Савичев // Почвоведение. – 2011. – №2. – С. 240-249.
7. Опекунова М. Г. Диагностика техногенной трансформации ландшафтов на основе био­индикации.: дис. … док. геогр. наук : 25.00.23 : защищена 05.03.13 : утв. 10.02.14 / Опекунова Марина Германовна. – СПб: СПбГУ, 2013. – 402 с.
8. Емлин Э.Ф. Прикладная геохимия. Миграция цинка и кадмия в геотехногенных системах сульфофильного ряда [учебное пособие] / Э. Ф. Емлин. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2005. – 97 с.
9. Геннадиев А. Н. Типизация склоновых сопряжений почв по количественным проявлениям смыва-намыва вещества / А. Н. Геннадиев, А. П. Жидкин // Почвоведение. – 2012. – №. 1. – С. 12-21.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Kovalskiy V.V. Yuzhnouralskij subregion biosfery [The South Ural subregion of the biosphere] / V. V. Kovalskiy, V. A. Krivitskiy, S. A. Alekseyeva, S. V. Letunova, M. G. Opekunova, M. D. Skarlygina-Ufimtseva, Sh. Berman, A. Ilzin, N. Peterson, Ye. P. Zhogova, R. Ya. Rublik // Trudy biogeokhimicheskoy laboratorii [Collection of scientific works of the biogeochemistry laboratory] – 1981. – V. 19. – P. 3-64. [in Russian]
2. Opekunova M. G. Tyazhelye metally v pochvah I rasteniyah Yuzhnogo Urala. I. Ekologicheskoe sostoyanie fonovyh territorij [Heavy metals in soils and plants of the South Urals. I. Ecology of background territories] / M. G. Opekunova, N. V. Alekseeva-Popova, I. Yu. Arestova, S. V. Gribalev, D. A. Krasnov, D. G. Bobrov, O. A. Osipenko, N. I. Solovieva // Vestnik of Saint-Petersburg University [Saint-Petersburg University Bulletin]. – 2001. – Series 7. № 31. – P. 45-53 [in Russian]
3. Opekunov А.Yu. Geohimicheskie osobennosti sovremennogo osadkoobrazovanija v rajone razrabotki Sibajskogo mednokolchedannogo mestorozhdenija (Yuzhnyj Ural) [Technogenic geochemistry in the development of Sibai chalcopyrite field] / А.Yu. Opekunov, M. G. Opekunova // Journal of Mining Institute. – 2013. – V. 203. – P. 196-204. [in Russian]
4. Udachin V. N. Ekogeohimiya gornopromyshlennogo tehnogeneza Yuzhnogo Urala [Ecogeochemistry of mining technogenesis] : autoref. of dis. of PhD in geology : 00.09 : defense of the thesis 29.05.12 / Udachin Valeriy Nikolaevich. – Tomsk., 2012. – 44 p. [in Russian]
5. Opekunov А. Yu. Geohimicheskie osobennosti sovremennogo osadkoobrazovanija v rajone razrabotki Sibajskogo mednokolchedannogo mestorozhdenija [Geochemical features of modern sedimentation around exploitation of Sibai copper ore deposits (Southern Ural)] / А. Yu. Opekunov, L. V. Leontieva, M. S. Kuprina // Vestnik of Saint-Petersburg University [Saint-Petersburg University Bulletin]. – 2010. – Series 7. № 2. – P. 84-98. [in Russian]
6. Vodyanitskii Y. N. Zagryaznenie pochv vybrosami predprijatij tsvetnoj metallurgii [Soil contamination with emissions of non-ferrous metallurgical plants] / Y. N. Vodyanitskii, I. O. Plekhanova, E. V. Prokopovich, A. T. Savichev // Eurasian Soil Science. – 2011. – V. 44. № 2. – P. 217-226. [in Russian]
7. Opekunova M. G. Diagnostika tehnogennoy transformatsii landshaftov na osnove bioindikatsii. [Diagnostics of technogenic landscape transformation on the basis of bioindication] ; of Doctoral degree in Geography : 25.00.23. : defense of the thesis 05.03.13 : approved 10.02.14 / Opekunova Marina Germanovna. – Saint-Petersburg, 2013. – 402 p. [in Russian]
8. Emlin E. F. Prikladnaya geohimiya. Migratsiya zinka I kadmiya v geotehnogennyh sistemah sulfofilnogo ryada: ucheb. posobie [Applied geochemistry. Migration of zinc and cadmium in sulfofilic technogenic systems. Manual]  / E. F. Emlin. – Ekaterinburg: Publishing house of UGGU, 2005. – 97 p. [in Russian]
9. Gennadiev A. N., Zhidkin A. P. Tipizatsija sklonovyh sopryazhenij pochv po kolichestvennym proyavlenijam smyva-namyva veschestva [Typification of soil catenas on slopes from the quantitative manifestations of the accumulation and loss of soil material] // Eurasian Soil Science. – 2012.  – V. 1.  – P. 1–11. [in Russian]