CC BY
31
УДК 662(571.56)
Б.Г. Саксин
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧЕНИЯ ПЛОЩАДНЫХ ЗОНАЛЬНЫХ ЯВЛЕНИЙ ВОКРУГ ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
~П работе [1] нами показано, что вокруг действующих горных
-^-^предприятий специалистами разных научных направлений объективно фиксируются три зоны с разной, закономерно убывающей по направлению от источника загрязнения, степенью поражения различных компонентов окружающей среды. Явления зональности обнаружены во всех природно-климатических зонах России, однако их выраженность широко варьирует и тесно увязывается с типом ландшафтных условий, характерных места размещения конкретного горного предприятия.
Ниже подробнее остановимся на горно-таежных ландшафтах, которые занимают большую часть площади Дальнего Востока России. Полевое изучение зональных явлений здесь дополнительно, и весьма существенно, усложняется плохой доступностью удаленных зон загрязнения (второй и третьей), что вынуждает для решения поставленных задач целенаправленно минимизировать количество точек наблюдений. Безусловно, лучшим вариантом изучения площадных зональных явлений является крупномасштабное многоцелевое геохимическое картирование [2], сопровождаемое системными биологическими исследованиями.
Однако, с одной стороны, в составе горной экологии картографическое направление отсутствует, а с другой - этот вид исследований является очень затратным и требует привлечения специалистов соответствующего профиля. Реализация его в горно-таежных условиях невозможна без предварительной прорубки наблюдательной сети (магистральных линий и профилей). В качестве упрощенного варианта некоторые исследователи
применяют системное опробование по точкам (или площадкам) наблюдения, расположенным в профилях, которые пересекают
Рис. 1. Схема, иллюстрирующая характер вариаций того или иного параметра в пределах различных зон загрязнения
всю возможную область загрязнения и ориентированы вдоль и поперек направления преобладающих ветров.
Обобщенные сведения о характере и изменчивости величины того или иного параметра изучаемого по опорному профилю, представлены нами на рис. 1. Как видно, между зонами нет резких границ, а флюктуации параметра внутри их (кроме разве 1-й зоны) значительны и имеют тенденцию нарастания по мере удаления от источника загрязнения. Наиболее устойчивой сопоставительной характеристикой по зоне является среднее значение параметра в ее пределах. Описанные закономерности объясняются совместным действием очень многих факторов технологического, природно-климатического, миграционного, химического и т.п. характера. Эти факторы управляют воздушным переносом и осаждением пылегазовых выбросов, пылевых ореолов и аэрозолей.
Как показала Пашкевич М.А. [3, 4], большинство микроэлементов существует в атмосфере в виде частиц и представлено оксидами металлов, а некоторые могут находиться в газообразном состоянии. И те, и другие входят в состав пылегазовоздушного аэрозоля.
Аэрозоли гигроскопичны, их размер и плотность широко варьируют с изменением влажности. Поэтому их конечная скорость также не постоянна, что влияет на их способность к выпадению. Обычно аэрозоли состоят не из одного элемента или соединения, а представляют собой гетерогенную смесь компонентов. Они выводятся из атмосферы путем мокрого (дождями) или сухого (седиментация) осаждения, диффузией или при налипании на твердые предметы. Согласно исследованиям Емлина Э.Ф. [5], формирование аэрозолей на горном предприятии начинается при механическом разрушении горной массы. Появляется новая тонкодисперсная фаза механического рассеяния -минеральная пыль, обогащенная тяжелыми металлами в метастабиль-ной сульфидной форме. Она состоит из мелких частиц, способных образовывать устойчивые воздушные и водные суспензии (частицы размером менее 5 мкм), которые не осаждаются гравитационным путём (так называемая “витающая пыль”). Это во многом определяет характер геохимических процессов на всех стадиях развития природно-горнотехнической системы, особенно на последней (бесконтрольной) стадии, когда активно формируется эоловый ореол рассеяния от карьеров, отвалов, хвостохранилищ, дорог.
Таблица 1
Вид ореола Площадь Длительность
Механические Гидрохимические
Не больше горного отвода Десятки лет
Десятки и сотни квадратных Сотни лет километров
Тысячи квадратных километ- Многие века ров
В почвах
Объем пелитовой фракции, образуемой при механическом разрушении во время работы горного предприятия (взрывы, бурение, выемочные и планировочные работы) обычно оценивается в 1-2 %, реже
- 10 %. Фракция проходит многократные циклы мобилизации-осаждения, что приводит к загрязнению приземной атмосферы витающей пылью, которое в течение времени нарастает. В условиях Южного Урала формируются техногенные ореолы рассеяния со следующими параметрами [5] (табл. 1):
Растительность, образуя слой шероховатых поверхностей, перехватывает аэрозоли. Даже низкие концентрации микроэлементов оказывают сильное действие на физиологическом и биохимическом уровне на процессы, происходящие в растении. Атмосферные выпадения от совокупности антропогенных источников могут охватывать огромные территории.
Установлено [3, 4, 6, 7, 8], что удельное пыленакопление на поверхности ландшафта прежде всего зависит от расстояния до техногенного массива, образованного единичным источником загрязнения (рис. 2). Масштабы пылевой дефляции резко возрастают после ликвидации горного предприятия, если необходимые рекуль-тивационные работы остались не выполненными.
Наиболее полно закономерности формирования зональности техногенного загрязнения были исследованы Саетом Ю.Е. с соавторами. Результаты опубликованы в известной монографии [8]. Авторы пришли к выводу, что геохимическое изучение зависимости распределения химических элементов в выбросах горных предприятий и в выпадениях из воздушных потоков может быть проведено только на уровне приближенных оценок.
Установлено, что спектры химических элементов в выбросах и пылях, а также осаждениях на снег, хорошо совпадают между собой и с геохимическим спектром эксплуатируемого
о
кг/ га
Рис. 2. Характер изменения удельного пыленакопления Q за год на поверхности ландшафтов в зависимости от расстояния X от техногенного массива (по М.А. Пашкевич, 2000г.) [3]
месторождения. Этим доказывается корреляционная геохимическая связь в цепочке «источник загрязнения - техногенный поток - геохимическая аномалия, создаваемая при выпадениях веществ». Эту особенность возможно использовать и при прогнозировании вариантов развития экологической ситуации в рудном районе. Центр значительных и контрастных выпадений (техногенная пустошь, I зона) всегда приурочен к промышленной зоне. Его морфология определяется преимущественно геометрией промзоны и в меньшей степени - розой ветров. Пространственная структура распределения выпадений, которые представлены полем невысоких концентраций (II и III зоны), хорошо корреспондирует с метеорологическими параметрами. В горных районах особенности местного рельефа играют существенную роль в формировании морфологии зон от единичных источников загрязнения. И в том и в другом случае трассы (траектории) распространения грубой твердой взвеси, а также тонкой взвеси, аэрозольной и газовой фазы, существенно отличаются друг от друга. Это является главным фактором, определяющим (наряду с другими) зональность формируемых техногенных геохимических ореолов, изменение концентраций и химического состава в различных зонах. Другими важными факторами являются мощность выбросов, их высота, высота слоя вымывания из атмосферы, скорость и направление воздушных потоков, гравитационные характеристики примесей, интенсивность осадков. Реальные рудные районы характеризуются множественностью источников загрязнения с относительно низкими (< 100 м) выбросами. На этой
высоте перечисленные факторы наиболее не устойчивы и не поддаются полному учету. В этой связи для оценок чаще всего используют лишь выявленные тенденции и аналогию с хорошо изученными (геохимическое картирование зон выпадений) объектами. Здесь уместно отметить, что зоны воздействия по тяжелым металлам и по выпадению осадков N S, F практически совпадают. В отличие от водных и воздушных потоков рассеяния, аномальные концентрации загрязняющих веществ в почвах отражают интегральное воздействие источника загрязнения или их группы на данную конкретную территорию за весь период их существования. Практически для всех исследованных химических элементов, на относительно удаленных от источника территориях, в выпадениях из атмосферы преобладают растворенные формы. Близ источника, наряду с увеличением общей массы выпадений, доля растворенных форм в них резко уменьшается.
Ответная реакция экосистем на формирование природногорнотехнической системы того или иного ранга в общем виде сводится к следующему (по Ю.А. Израэлю, 1996):
а) Нарушению процессов роста и воспроизводства растений;
б) Изменению продукционно-деструктивного цикла;
в) Изменению потоков вещества и энергии в системе: атмо-
сфера - почва - растительность;
г) Сукцессионным изменениям;
д) Сдвигу границ растительных зон;
е) Изменению биоразнообразия.
В связи с изложенным, переход от одной зоны загрязнения к другой - плавный, а в пределах зон наблюдаются пятна разной конфигурации и размеров, где значения измеряемого параметра могут отличаться от среднего по зоне как в ту, так и в другую сторону (рис. 1). Например, первая зона в свой состав включает техногенную пустошь - территорию экологического кризиса с высоким уровнем загрязнения, примыкающую непосредственно к горному предприятию, где естественные ландшафты уничтожены полностью на 60 % площади и более. Она окаймляется территорией со сложной структурой за счёт включения небольших площадей с очень сильным повреждением природных ландшафтов, чередующиеся с участками, где такое воздействие выражено слабее.
Преобладающее направление ветров
Рис. 3. Пример возникновения «пятнистости» в пределах Iой зоны загрязнения Комсомольского оловорудного района
В горно-таежных ландшафтах могут наблюдаться случаи резко выраженной «пятнистости» описываемого типа, что определяется сложным (по сравнению с равнинными территориями) характером циркуляции воздушных масс в приземном слое атмосферы. Это является следствием значительного перепада отметок рельефа вдоль трассы преобладающего потока приземного воздуха, а также общей залесенно-сти местности. В качестве иллюстрации опишем пример участка озера Амут, который входит в состав эксплуатирующегося Комсомольского оловорудного узла (рис. 3).
По нашим прогнозно-экологическим оценкам участок располагается в пределах Ьй зоны загрязнения. Он приурочен к узкой «V» образной долине, ориентированной параллельно хребту Мяо-Чан и поперек преобладающего направления ветров в районе. Действующий рудник Солнечный находится в 2-3 км южнее, а рудник Перевальный - в 4 км восточнее. На рисунке схематично показан механизм выпадения техногенной пыли от промзоны месторождения Перевальное. Как видно, описанная специфичность долины, а также особенности ее географической позиции, определили то, что техногенный воздушный поток от рудника Перевальный как бы «перескакивает» ее и выпадение пылевой нагрузки на дно узкой долины не происходит. Такой изолированный микроклимат долины обеспечил практически полную сохранность природного ландшафта, что и позволило использовать этот участок как экологически чистое место отдыха для местного населения. Геохимическую характеристику почв Iой зоны в описанных условиях можно изучить
только путем опробования этого компонент природной среды на водораздельной части, и лучше всего - в профильном варианте.
Необходимо учитывать и то обстоятельство, что как границы зон, так и их площадные размеры, находятся в постоянном динамическом развитии. В литературе описан пример повторного проведения наблюдений в районе Норильского горно-метал-лургического комбината (первичное наблюдение - 1978 г., повторное - 1985 г.). Мощность производства за этот период возросла в 1,5 раза. Площадь поражения лесов (I и II зоны) увеличилась в 2 раза. При этом границы погибших лесонасаждений сдвинулись на 60-120 км. Конечно, на горных предприятиях, которые не имеют металлургического передела, темпы поражения будут более скромными, но общая тенденция останется такой же.
Для определения географического положения границ зон экологических изменений, как считает большинство исследователей (Иванов, 1989), необходимо применение натурных методов изучения (геохимических, биогеохимических съёмок, либо биологических и геохимических исследований по опорным профилям), или методов математического моделирования водного и воздушного переноса с учётом рельефа, гидрографии и метеоданных. По мнению других (Головко и др. [9]; Калмыков и др. [10]), наметить положение зон возможно по данным интерпретации дистанционных (аэрокосмических) методов изучения, которые заверяются наземными работами. Главным индикатором при этом служат состояние растительного покрова и общая запыленность атмосферы, выявляемая различными видами съёмок. В любом случае ведущими критериями для определения положения границ являются признаки экологического содержания, установленные прямыми наблюдениями или опосредовано. Как уже отмечалось ранее, серьезным препятствием для широкого использования периодических натурных съемок, а также аэрокосмических методов (с наземной заверкой результатов их дешифрирования), служит их высокая стоимость. В этой связи более приемлема методика заложения системы опорных профилей с последующим их изучением (опробование, наблюдения за состоянием биоты). Во избежание постороннего влияния подобные профиля не следует размещать вблизи трасс и активно используемых дорог. Расстояние между точками наблюдений по профилю должны выбираться с таким расчетом, чтобы обеспечить получение хотя бы малой статистики (10-30 точек на-
блюдения по каждой зоне). Это позволит объективно определить среднее значение изученного параметра по зоне. Положение секущих профилей и их протяженность удобно определять по предварительно построенной обзорной прогнозно-экологической карте района [1].
------------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Саксин Б.Г., Бубнова М.Б. Зональность техногенного загрязнения и её использование при составлении обзорных прогнозно-экологических карт горнопромышленных территорий // Тихоокеанская геология. - 2006. - № 6. - С. 67-76.
2. Буренков Э.К., Головин А.А., Морозова И.А. и др. Оценка относительной стоимости эколого-ресурсного потенциала территорий по данным многоцелевого геохимического картирования // Отечественная геология. - 1997. - № 2 - С. 9-17.
3. Пашкевич М.А. Оценка воздействия техногенных массивов на природную среду в горнопромышленных регионах: Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. д.т.н. - Спб.: Санкт-Петербургский горный институт, 2001. - 41 с.
4. Пашкевич М.А. Техногенные массивы и их воздействия на окружающую среду. - СПб.: Санкт-Петербургский горный институт, 2000. - 230 с.
5. Емлин Э.Ф. Техногенез колчеданных месторождений Урала. - Свердловск: Изд-во Уральского ун-та, 1991. - 256 с.
6. Экологические функции литосферы /В.Т. Трофимов, В.Г. Зилинг, Т.А. Бара-бошкина и др.; под ред. В.Т. Трофимова. - М.: Изд-во МГУ, 2000. - 432 с.
7. Бугаева Г.Г., Завалишин В.С. и др. К оценке влияния открытых горных работ на состояние земельных ресурсов // Научно-техническое обеспечение горного производства: 68 сб. трудов ИГД им. Д.А. Кунаева. Ч. II. Т. 68. - Алматы: ДГП «ИГД им. Кунаева», 2004. - С. 143-148.
8. Геохимия окружающей среды /Сает Ю.Е., Равич Б.А., Янин Е.П. и др. - М.: Недра, 1990. - 355 с.
9. Головко В.А., Козодеров В.В., Кондранин Т.В. Модель комплексной оценки устойчивого развития региональных экосистем по данным спутниковых и наземных наблюдений // Научные исследования высшей школы по экологии и рациональному природопользованию. - СПб.: Санкт-Петер-бурский горный институт, 2000. - С. 155158.
10. Калмыков А.А., Коберниченко В.Г., Елфимов В.И. Разработка радиоэлектронных систем дистанционного зондирования и оптимизация их применения для решения задач экологического мониторинга // Научные исследования высшей школы по экологии и рациональному природопользованию. - СПб.: Санкт-Петербурский горный институт, 2000. - С. 155-158.
— Коротко об авторах -------------------------------------------
Саксин Б.Г. - доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник, Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск.
