CC BY
141
------------------------------------------ © М.Б. Бубнова, 2009
УДК 504.574:622 (571.6)
М.Б. Бубнова
ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В РАЙОНАХ ДОБЫЧИ ЦВЕТНЫХ И РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ НА ДАЛЬНЕМ ВОСТОКЕ
Дальневосточный регион является крупным минеральносырьевым районом России, на территории которого разрабатывались и разрабатываются месторождения нефти, газа, бурого и каменного угля, коренные и россыпные месторождения полиметаллических, редких и благородных металлов. В настоящий момент объективная оценка влияния на окружающую среду объектов добычи, переработки и транспортировки полезных ископаемых на территории региона отсутствует.
В зоне действия горнодобывающих предприятий, эксплуатирующих месторождения цветных и редких металлов, наблюдается неблагополучная экологическая обстановка, связанная как с выбросами токсичных тяжелых металлов и сернистого газа в атмосферу, так и с загрязнениями водных объектов стоками из хвосто-хранилищ.
Особенностью антропогенного преобразования природной среды районов горнорудной промышленности является то, что здесь происходит наложение техногенного загрязнения на природные геохимические аномалии - вторичные ореолы и потоки рассеяния в почвах, донных отложениях, растениях, подземных и поверхностных водах. При этом происходит их сложение и значительное усиление негативного воздействия на окружающую природную среду. Формируются техногенные геохимические аномалии, т.е. участки с повышенным или пониженным содержанием химических элементов по сравнению с местным геохимическим фоном [1]. Техногенные геохимические аномалии в определенных условиях могут являться причиной кризисных экологических обстановок [2].
Характер и интенсивность проявления последствий техногенеза в горнорудных районах зависят от большого числа геолого-
геохимических и ландшафтных факторов: геологического строения района месторождения, минерального и химического состава руд, гидрогеологических условий района, типа элементарных геохимических ландшафтов, наличия геохимических барьеров, условий естественной и техногенной миграции компонентов руд, технологий их добычи и обогащения и т.д. [3].
Система эколого-геохимического изучения антропогенных горнорудных ландшафтов разработана геохимиками ИМГРЭ [4]. Эколого-геохимические исследования горнорудных территорий ими рассматриваются в двух аспектах. Во-первых, с позиции оценки состояния окружающей среды горнопромышленных районов и, во-вторых, создания геохимических основ изучения таких территорий для прогнозирования отрицательного воздействия новых, раз-ведуемых месторождений полезных ископаемых. С этих позиций выявилась следующая логика исследования загрязнения окружающей среды [3]:
- изучение концентраций и форм нахождения химических элементов в почвах, природных водах, донных отложениях, твердых отходах, выбросах, стоках;
- прослеживание путей и способов миграции химических элементов в окружающей среде, выявление природных компонентов, взаимодействующих с миграционным потоком; исследование интенсивности и результатов этого взаимодействия - техногенных геохимических аномалий;
- биохимическая оценка воздействия выявленной ассоциации химических элементов на биоту.
Основными источниками загрязнения природной среды, связанными с деятельностью предприятий горнорудной промышленности, являются:
• пылевые выбросы при открытых горных разработках, загрязняющие атмосферный воздух и образующие, контрастные и значительные по площади геохимические аномалии в почвах, особенно при продолжительной работе предприятий;
• дефляция и размывание хвостохранилищ обогатительных фабрик, способствующих образованию интенсивных и протяженных потоков рассеяния в водных системах и сравнительно локальные ореолы рассеяния в почвах;
• стоки водоотлива из подземных горных выработок, карьеров, образующие интенсивные и протяженные потоки рассеяния в водных системах;
• рассеяние рудного материала при транспортировке, загрязняющее почвы;
• организованные и неорганизованные выбросы в атмосферу при процессе обогащения;
• природные геохимические аномалии - вторичные ореолы рассеяния в почвах, потоки рассеяния в поверхностных водотоках, гидрогеохимические аномалии в подземных водах.
Наряду с выше перечисленными источниками загрязнения природной среды в районах развития горнодобывающей промышленности характерны процессы механических нарушений природной среды, связанные с развитием инфраструктуры горнодобывающих предприятий.
Для горнорудной промышленности Дальневосточного региона характерны все выше перечисленные источники загрязнения. Она традиционно развивалась на базе освоения эндогенных месторождений благородных, цветных и редких металлов. Большинство горно-обогатительных комбинатов отрасли было построено для освоения металлогенических объектов ранга рудный узел и рудный район. Данные объекты представляют собой совокупность географически сближенных месторождений, которые и являются сырьевой базой комбината. В результате многолетней работы подобных горных предприятий на территории формируется региональная природно-горнотехническая система, которая продолжает развиваться и после консервации или закрытия добычных работ.
Главными металлами, на добыче которых специализируется отрасль, кроме золота, серебра и платины, являются олово, вольфрам, свинец и цинк. Их месторождения, выявленные в разных частях территории и сосредоточенные в пределах 16 рудных районов. Приоритетными загрязнителями воздушной и водной среды для месторождений цветных металлов являются свинец, кадмий, ртуть, мышьяк, взвешенные частицы, оксиды серы, азота, углерода.
В природные воды Дальневосточного региона описываемых горнодобывающих районов вносятся следующие элементы: Си, РЬ,
2п, Sn, Fe, Мп, Ag, As, Со, Ni, Bi, Сг, Sb, Cd, W, В, Li, Sr, А1, Са, Mg, К, №, S, Р, Si, Ga и Ge.
Загрязнение окружающей среды происходит в результате миграции загрязняющих веществ, генерируемых источниками загрязнения. В процессе миграции происходит перераспределение химических элементов в природных средах.
Депонирующими являются те из них, которые накапливают загрязняющие вещества (почвы и илы донных отложений) до предельных (пороговых) значений и сохраняют их в течение длительного времени. Они, в свою очередь, могут выступать в дальнейшем в качестве самостоятельных источников загрязнения для других компонентов природной среды (растительности, поверхностных и грунтовых вод, приземной атмосферы и т.д.). Воздух, вода - транспортирующие среды [3].
Почвы являются основным объектом окружающей среды, депонирующим различные виды загрязнения и выполняющим при этом роль как буфера, так и детоксиканта. Находясь на пересечении транспортных путей миграции загрязняющих веществ, почвы препятствуют их дальнейшему распространению, интенсивно их аккумулируют, сорбируют. Аккумуляция токсикантов и продуктов их превращения в почве приводит к изменению её химического, физического и биологического состояния, деградации и, в конечном итоге, разрушению [6]. Эти негативные изменения могут сопровождаться токсичным воздействием почв на другие компоненты экосистем - биоту (в первую очередь, видовое разнообразие, продуктивность и устойчивость фитоценозов), поверхностные и грунтовые воды. Основными целями почвенного мониторинга являются своевременное обнаружение неблагоприятных изменений свойств почв и почвенного покрова при различных видах его использования, а также при развитии естественного почвообразовательного процесса; контроля за состоянием почв по сезонам года под сельскохозяйственными культурами для выдачи своевременных рекомендаций по применению регулирующих мероприятий [7]. Важным свойством почв является их способность накапливать информацию по прошлым и современным процессам загрязнения.
Донные отложения местных водотоков, формирующихся в условиях активного водообмена также обладают высокой способностью к накоплению многих химических элементов. Переход последних в осадок осуществляется механическим осаждением взве-
сей, отложением на дне водоемов обогащенных металлами органических осадков, соосаждением при выпадении солей и непосредственно сорбцией. Одна из главных особенностей воздействия ГОКов на характер миграции элементов в водных системах - резкое увеличение доли взвешенных форм [8]. Высокие содержания и огромные массы взвешенных форм химических элементов приводят к формированию очень контрастных и протяженных аномалий в донных отложениях водотоков, которые определяют качество воды и служат вторичными источниками загрязнения, то есть донные отложения фиксируют результат достаточно длительного антропогенного воздействия на водную систему, а степень их загрязнения указывает на загрязнение всей среды в целом и отражает многие черты геохимии природных вод. В механизме формирования техногенных потоков рассеяния в донных отложения четко прослеживается сезонность. Степень накопления многих элементов в донных отложения возрастает в зимнюю межень и снижается в период весеннего половодья.
В поверхностных водотоках, испытывающих антропогенное воздействие, идет активный процесс формирования особых донных отложений - техногенных илов, образование которых связано с увеличением поступления техногенной взвеси и её последующим перераспределении в руслах. В техногенных илах происходит развитие техногенных потоков рассеяния химических элементов и они, в свою очередь, часто становятся источниками вторичного загрязнения водоемов [3].
Переходу химических элементов в водные потоки способствуют природно-климатические особенности Дальнего Востока с характерными для этого региона влажным муссонным климатом. Важное значение при этом имеют температурные контрасты, предопределяющие усиление процессов окисления сульфидных руд в зоне гипергенеза и формирование ионных растворов металлов [9]. Основная масса (> 50%) солей тяжелых металлов (РЬ, 2п, As, Си, Fe, Мп и др.) в воде находится во взвешенном состоянии (взвесь). Однако по ряду химических элементов, доля растворенных форм существенно повышается, это характерно для водотоков, дренирующих рудные месторождения с большим содержанием сульфидов, в которых формируются кислые воды (PH < 5) с высокой концентрацией сульфат-иона. Поэтому более объективной оценкой загрязнения водных потоков является определение интегрального со-
держания (концентрации) химических элементов в растворенной и взвешенной формах.
Для количественной оценки состояния окружающей нас природной среды и в особенности для принятия определенных мер, в том числе административных, по недопущению ее загрязнения конкретными поллютантами или ее улучшению, необходимо знать контрольные значения содержания загрязняющих веществ в различных частях геохимических ландшафтов. Начиная с этих значений, дальнейшая концентрация поллютантов должна считаться неприемлемой. Такие контрольные значения содержаний должны устанавливаться для почв, воздуха, подземных и поверхностных вод, растений (в первую очередь для сельскохозяйственных культур, употребляемых в пищу). Конечно же, для каждого загрязняющего вещества они должны устанавливаться отдельно [10].
Для оценки экологической обстановки в регионе, а также комплексного экологического районирования автор предложила следующие параметры:
• нагрузка на поверхностные водные ресурсы в результате сбросов недостаточно очищенных сточных вод;
• нагрузка на почвы в результате техногенного загрязнения тяжелыми металлами;
• нагрузка на донные отложения, которые в результате накопления химических веществ становятся источниками вторичного химического загрязнения.
В соответствии с этими параметрами определены виды контроля, цели и задачи (рис. 1).
Оптимальная программа наблюдений за состоянием природной среды в районе предполагаемого техногенного воздействия, разработанная в соответствии со значениями ПДК показана на рис. 2 (с изменениями автора) [11].
Для выявления природы загрязнения почв предлагается коэффициент техногенного загрязнения почв (Кт), вычисляемый по величине отношений концентраций химического элемента или комплекса элементов-загрязнителей, зафиксированных в горизонте «А1» к горизонту «В». Практически это можно рассчитать по формуле [12]:
ал1
КТ =------, (1)
ав
КТ = ЕКТ. (2)
Первая формула рекомендуется для вычисления Кт для какого-то элемента по единичной точке опробования, вторая - по всему комплексу элементов загрязнителей. В виду значительного разброса величин Кт (от 1 до нескольких десятков) предложена его 3-х членная градация. При значениях Кт, значительно превышающих 1, природа загрязнения трактуется как техногенная (техногенногеохимическая); при Кт меньше 1 - техногенное загрязнение отсутствует (т.е. аномалия природная), а при Кт равном 1 - природа смешанная (природно-техногенная). Для примера приведена таблица.
На уровне горизонта «В» средние содержания элементов по району в целом и вне аномальных полей по величине практически сопоставимы или отличаются не значительно (исключая свинец и сурьму) от таковых в горизонте «А1». В тоже время величины отношений средних содержаний элементов в приведенных выборках существенно различаются, особенно для свинца, цинка, висмута. Отношения средних содержаний этих же элементов горизонта «А» к горизонту «В» в пределах аномальных ареалов района, а тем более в отдельных точках опробования, достигают десятков и сотен единиц.
Приведенные способы эколого-геохимической оценки состояния ПГТС представляют собой качественную меру оценки техногенного привноса или загрязнения компонента среды и вполне приемлемы для сопоставительного анализа в пределах одного района. Однако, учитывая разобщенность площадей оценки и разнообразие элементов-загрязнителей, относящихся к тому же к различным классам опасности, требуется разработка более универсальных критериев эколого-геохимической оценки отдельных компонентов или среды в целом. В качестве такого показателя оценки геохимического загрязнения почв в горнодобывающих районах предлагается [12] индекс техногеохимического загрязнения Уз), отражающий соотношение показателя суммарного загрязнения с элементами различного класса опасности, приведенных посредством выравнивающих коэффициентов к одному уровню. Формула для вычисления индекса техногеохимического загрязнения (Уз) принимает следующий вид:
J3 =
6Zc 2пІ + Зп2 + бпЗ
(З)
Рис. 1. Рекомендуемая последовательность горно-экологического мониторинга региональных природно-горнотехнических систем (ПГТС)
Рис. 2. Оптимальная программа режимных наблюдений за состоянием природной среды в зоне предполагаемого техногенного воздействия [11]
313
Фоновые содержания химических элементов и их соотношения для Дальнегорского района (мг/кг) [12]
Элемент
Фоновые содержания химических элементов и их соотношения
Вне аномальных полей По району в целом
Число проб Гориз. А Гориз. В М и 'Р 3* Число проб Гориз. А Гориз. В М и Р 3*
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Олово 100 3,1 3/2 1 137 5,2 4,8 1,08
Медь 98 26 23 1,2 130 39 25 1,56
Свинец 78 41 59 < 1 130 480 118 4,06
Цинк 60 92 118 < 1 130 265 132 2,0
Кадмий 104 4,0 3/1 1,3 130 6,4 4,5 1,42
Мышьяк 104 36 24 1,5 130 41 24 1,7
Сурьма 101 9 7 1,3 130 21 20 1,05
Висмут 99 2,6 1,5 1,7 130 3,7 1,9 1,95
Кобальт 105 6,2 7,0 < 1 130 6,2 6,7 < 1
Серебро 88 0,26 0,25 1 130 1,7 0,5 3,4
Марганец 105 1050 1000 1 130 1295 978 1,3
Бор 50 53 51 1 50 61 51 1,2
где 2с - суммарный показатель загрязнения, п1, п2, п3 - число элементов соответственно 1-го, 2-го и 3-го классов опасности с выравнивающими коэффициентами. В виду того, что при экологогеохимических исследованиях выявляется в аномальных концентрациях дополнительный комплекс элементов-загрязнителей (Ag, Sn и др.), не учтенных в перечне опасных загрязнителей, предлагается их использовать в формуле 3 в качестве элементов 3-го класса опасности.
Приоритетными элементами загрязнителями почв в Комсомольском горнорудном районе выступают преимущественно As, Sb, Ag, Bi и 2п, которые накапливаются до уровня десятков фонов. Рудогенные элементы ^п, W, РЬ, Си) образуют более локальные ареалы загрязнения, хотя и с высокими значениями Кт.
Дальнегорский горнорудный район представлен ассоциацией из 12 химических элементов ^п, Си, РЬ, 2п, Cd, Аб, В^ Со, Ag, Мп, В), из которых наибольшей аномальностью обладает узкая группа элементов (РЬ, 2п, Аб, Cd и некоторые другие).
Особого внимания заслуживает опробование снега, с помощью которого определяется интегральное загрязнение поверхности за счет пылевых и аэрозольных выбросов за зимний период года. Опробование снега позволяет провести раздельный анализ снеговой воды, полученной при оттаивании, и твердого осадка на фильтре. Как показывает опыт, наиболее информативной оказывается твердая фаза снеговой воды (осадок на фильтре), которая фиксирует высокие концентрации широкого спектра элементов (в %): свинца
- 1-2, мышьяка - 0,6, цинка - 1-3, серебра 0,16, меди - 0,02, бора -0,04, марганца - 0,4 и т.д.
Для правильной оценки степени загрязнения поверхностных вод и почв тяжелыми металлами необходимо иметь точку отсчета, т.е. знать их фоновое содержание.
Обобщая всё выше сказанное и учитывая, что действующими нормативно-техническими документами Госкомгидромета предусматривается анализ только растворенных фаз элементов, остающихся после фильтрации воды через мембранные фильтры с диаметром пор 0,45-0,50 мкм [7], а в горнорудных районах во взвешенном состоянии переносится 85% объема элементов-загрязнителей. Автор считает необходимым изучение в этих районах, прежде всего, взвешенных форм переноса элементов. Для более объективной оценкой загрязнения водных потоков важно проводить анализ сухого остатка, а также твердого осадка снеговой воды. Почвы в соответствии с 17.4.1.02-83 и ГОСТ 17.4.03-85 подлежат контролю на тяжелые металлы, основные из которых: РЬ, 2п, Си, Cd, ^.
Кроме выбранных контролируемых параметров, необходимо определить число и расположение мест пробоотбора (наблюдения) и временной режим отбора проб (периодичность наблюдений).
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Перельман А.И. Геохимия природных вод / А.И. Перельман. - М.: Наука, 1982. - 154 с.
2. Скублова Н.В. Особенности миграции техногенного загрязненияв аридной зоне / Н.В. Скублова, Д.Г. Скублов // Геоэкологические исследования и охрана недр: Научно-технический информационный сборник /ЗАО «Геоинформмарк». -М., 1999. - Вып. 1. - 43 с.
3. Шурова М.В. Эколого-геохимическая оценка состояния природной среды в районе рудника «Весёлый» (Республика Алтай): дисс. ... канд. геол.-минер. наук. - Томск, 2006. - 166 с.
4. Геохимия окружающей среды / Ю.Е. Сает, Б.А. Равич, Е.П. Янин [и др.] -М.: Наука, 1990. - 176 с.
5. Михайлютина С.И. Комплексная эколого-геохимическая оценка загрязнения тяжелыми металлами компонентов природной среды горнорудных поселений Восточного Забайкалья: дисс. ... канд. техн. наук. - Иркутск, 2007.
6. Маликов В.С. Экологические основы формирования и функционирования региональной системы мониторинга окружающей среды на примере Воронежской области: дисс. ... канд. биол. наук. - Воронеж, 2004.
7. Грехнев Н.И. Тяжелые металлы в геосистемах районов добычи и переработки оловянно-полиметаллических руд юга Дальнего Востока / Н.И. Грехнев, В.И. Остапчук, Л.Ф. Кислицин // Влияние процессов горного производства на объекты природной среды. - Владивосток: Дальнаука, 1998. - С. 12-31.
8. Летувнинкас А.И. О количественной характеристике типоморфности химических элементов и комплексности техногенных геохимических потоков в донных отложениях / А.И. Летувнинкас // Геология и геофизика. - 1996. - Т. 37. - № 3. - С. 55-61.
9. Мамаев Ю.А. Динамика формирования техногенных потоков рассеяния тяжелых металлов в гидросети Комсомольского горнопромышленного района / Ю.А. Мамаев, Н.И. Грехнев, Л.Т. Крупская // Горный информационноаналитический бюллетень. Отдельный выпуск: «Дальний Восток». - 2007. - № ОВ 9. - С. 435-442.
10. Алексеенко В.А. Экологическая геохимия: учебник / В.А. Алексеенко. -М.: Логос, 2000. - 627 с.
11. Природопользование: учебное пособие / Ю.В. Шувалов, А.Л. Губенко, Е.Д. Домпальм А.Н. Маковский, М.А. Пашкевич и др. - СПб.: Санкт-Петербургский горный институт, 2000. - 118 с.
12. Остапчук В.И. Методика эколого-геологических исследований рудных районов масштаба 1: 50000 / В.И. Остапчук, Н.И. Грехнев. - Хабаровск: ДВИМС, 1995. ЕШ
— Коротко об авторе --------------------------------------------
Бубнова М.Б. - кандидат технических наук, научный сотрудник, Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск.
E-mail: [email protected]
