CC BY
69
Геохимия
УДК 550.4:553.96/97
CРЕДНЕЕ СОДЕРЖАНИЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ-ПРИМЕСЕЙ В ТОРФАХ ЮГО-ВОСТОЧНОЙ
ЧАСТИ ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ ПЛИТЫ
С.И. Арбузов, В.С. Архипов, В.К. Бернатонис, В.А. Бобров*, С.Г. Маслов, А.М. Межибор,
Ю.И. Прейс**, Л.П. Рихванов, А.Ф. Судыко, А.И. Сысо***
Томский политехнический университет *Институт геологии и минералогии СО РАН, г. Новосибирск **Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, г. Томск ***Институт почвоведения и агрохимии СО РАН, г. Новосибирск E-mail: [email protected]
Выполнен расчет среднего содержания 26 элементов-примесей в торфах юго-восточной части Западно-Сибирской плиты, основанный на обработке данных нейтронно-активационного анализа 1927 проб из 32 торфяных месторождений и отдельных участков Большого Васюганского болота. Показано, что торф Западно-Сибирской плиты отличается повышенным содержанием золота, брома и хрома. Отмечено возрастающее влияние антропогенного фактора на содержание элементов-примесей в торфах региона.
Ключевые слова:
Торф, Западно-Сибирская плита, геохимия, элементы-примеси, среднее содержание.
Введение
Торф издавна рассматривается как комплексное сырье для получения различных видов продукции. Помимо использования всей массы торфа (органические удобрения, торфяные брикеты, горшочки и др.), методом экстракции из него получают гуминовые кислоты, битумы, различные биологически активные вещества, нашедшие широкое применение в животноводстве и растениеводстве. Нередко торф используется для производства протеинового корма, кормовых дрожжей, сахаров и гидролизного спирта.
Вместе с тем, торф хорошо известен как один из наиболее активных сорбентов, способных накапливать в себе в определенных условиях значительные количества различных металлов, в том числе токсичных и радиоактивных. В ряде случаев их содержания достигают промышленно значимых величин. Известны, например, месторождения урана в торфах [1]. На Камчатке в районе источника Котел содержание германия в органической массе торфа достигает 220 г/т [2]. В Филиппи, самом мощном из известных в настоящее время торфяников (Греция), содержание в золе торфа достигает 200 г/т и, 300 г/т Мо, 150 г/т РЬ, 450 г/т Аз [3]. В зо-
нах воздействия промышленных предприятий за счет техногенных выбросов могут накапливаться в значительных количествах РЬ, 2п, Со, Си, Сё и других экологически опасные элементы. Известны аномалии плутония и 137Сз в зоне влияния ядерного производства [4, 5].
Очевидно, что использование такого торфа должно предваряться его комплексным геохимическим исследованием. Комплексные исследования должны проводиться на каждом вводимом в эксплуатацию торфяном месторождении. Для корректной интерпретации полученных результатов необходимы сведения о среднем содержании элементов-примесей в торфах региона и о глобальном торфяном кларке. Попытки сделать такие оценки предпринимались неоднократно, но из-за ограниченных аналитических возможностей и недостатка фактического материала эта задача не решена до настоящего времени. Наиболее достоверные данные, основанные на большом количестве аналитического материала, получены в 60-80 гг. прошлого столетия [6, 7]. Основной недостаток этих оценок - это использование приближенно-количественного эмиссионного спектрального анализа, не позволяющего достоверно оценить содер-
жание значительного количества элементов-примесей.
С целью частично восполнить этот пробел нами выполнен расчет среднего содержания элементов-примесей в торфах юго-восточной части ЗападноСибирской плиты, главным образом для территории Томской области. Ранее предпринимались попытки сделать такую оценку, но они основывались на изучении небольшого числа месторождений.
Методика исследований
В данной работе для расчетов привлечены данные по 32 участкам, выделяемым как самостоятельные торфяные месторождения или как части Большого Васюганского болота (рисунок).
Отбор проб производился с помощью торфяного бура по сечениям с интервалом опробования от 2 до 50 см. На каждом исследуемом месторождении или участке торфяной залежи было опробовано от 2 до 25 сечений. Всего для расчетов использовано более 1927 проб торфа, исследованных авторами в разные годы.
Все пробы изучены методом инструментального нейтронно-активационного анализа (ИНАА) (аналитики А.Ф. Судыко, В.И. Резчиков, В.А. Бобров). Этот метод обладает рядом преимуществ по сравнению с другими методами при анализе проб, содержащих значительное количество органического вещества (уголь, торф). Отсутствие химической и термической обработки проб в процессе пробоподготовки исключает погрешность определения содержания за счет привноса или удаления элемента вместе с реактивами или с продуктами горения. Облучение проб выполнено в канале исследовательского ядерного реактора ИРТ-Т НИИ ядерной физики при ТПУ (г. Томск). Плотность потока тепловых нейтронов в канале облучения составляла 2-1013 нейтр./(см2-с), продолжительность облучения - 20 ч. Измерение проводилось на многоканальных анализаторах импульсов с полупроводниковыми Ge-Li детекторами. Изучено содержание 26 элементов-примесей в сухой массе торфа и одновременно для части проб выполнено определение их содержания в золе торфа. Пересчеты содержания в золе на торф и обратно показали хорошую сходимость результатов при общей тенденции потерь отдельных элементов в процессе озоления. Достоверность полученного аналитического материала подтверждается результатами интеркалибровок метода ИНАА по многочисленным стандартным образцам сравнения (ZUK - зола угля, SD -морские осадки, БИЛ - донные отложения оз. Байкал, BCR - базальты и др.).
За редким исключением, расчет среднего производился по результатам прямого измерения содержания химического элемента в торфе. В тех случаях, когда содержание элемента в торфе ниже пре-
дела определения анализа, использовался расчетный метод. Сначала определялось содержание элемента в золе, а затем данные пересчитывались на торф. В этом случае возможно занижение результатов для отдельных химических элементов в связи с потерей их с газовой фазой в процессе озоления торфа.
При оценке среднего содержания элементов-примесей в торфах в основу положены рекомендации, изложенные в монографии Ю.А. Ткачева и Я.Э. Юдовича [8] и в более поздних работах этих авторов. Расчеты выполнены по методу последовательного усреднения данных от частных проб через среднее для участков опробования, торфяных месторождений к среднему для региона в целом.
Таблица. Среднее содержание элементов-примесей в торфах и золах торфов юго-восточной части Западно-Сибирской плиты
Элементы Низинный торф Верховой торф Среднее для региона
Сухое веще- ство Зола тор- фа* Сухое веще- ство Зола тор- фа* Сухое вещество Зола тор- фа*
Na 0,066 0,49 0,037 1,2 0,049±0,011 0,67
Ca 2,7 20,5 0,57 17,9 1,4+0,18 19,8
Sc 1,4 10,3 0,56 17,6 0,88±0,17 12,2
Cr 13,6 102 11,6 366 12,4+2,8 171
Fe 1,7 12,6 0,43 13,4 0,93+0,13 12,8
Co 3,5 26,4 1,5 45,7 2,3±0,2 31
Br 61,0 457 17,7 558 35,0+2,6 483
As <0,3 - <0,3 - <0,3 -
Rb 7,8 58 1,7 54,9 4,1±1,4 57
Sr 120 895 42 1318 73,0+7,2 1006
Ag 0,10 0,78 0,028 0,89 0,058±0,02 0,8
Sb 0,14 1,1 0,11 3,5 0,12+0,03 1,7
Cs 0,44 3,3 0,14 4,4 0,26+0,06 3,6
Ba 106 796 37,7 1188 65,2+11,0 899
La 5,0 37,3 1,6 52 3,0±0,6 41,2
Ce 8,8 66 3,8 120 5,8±0,9 79,8
Sm 0,96 7,20 0,40 12,5 0,62+0,1 8,6
Eu 0,19 1,39 0,08 2,7 0,12+0,02 1,7
Tb 0,15 1,14 0,040 1,3 0,085+0,01 1,2
Yb 0,33 2,44 0,12 3,8 0,20+0,03 2,8
Lu 0,05 0,39 0,019 0,60 0,032+0,005 0,45
Hf 0,40 3,02 0,17 5,4 0,26+0,07 3,6
Ta 0,094 0,70 0,015 0,46 0,046+0,01 0,64
Au 0,017 0,13 0,019 0,61 0,018+0,003 0,25
Th 0,87 6,5 0,45 14,0 0,62+0,1 8,5
U 0,46 3,4 0,31 9,7 0,37+0,08 5,1
Ad 13,4 100 3,2 100 7,3±0,9 100
Количество проб 702 702 1225 1225 1927 1927
Примечание: - нет данных; * - пересчитано на золу. Содержание элементов дано в г/т, А и содержание N8, Fe и Са даны в мас. %
Рисунок. Схема размещения участков опробования торфяных месторождений: 1) Песочкинское; 2) Петропавловский Рям; 3) За-падно-Моисеевское; 4) Пуховское; 5) Малая Мча; 6) Васюганское, участок 6; 7) Семиозерье; 8) Суховское; 9) Саим; 10) долина р. Егольях, 11) долина р. Ягыльях; 12) Васюганское, участок 7, р. Демьянка; 13) Залесное, р. Кельват-Лонты-нъях; 14) Васюганское, участок 1; 15) оз. Круглое; 16) Васюганское, участок 3; 17) Жарково; 18) Вилкинское; 19) Полуде-новское; 20) Клюквенное; 21) Березовая грива; 22) Гусевское; 23) Чистое; 24) Колпашевское; 25) Айгарово; 26) Ар-кадьево; 27) Бакчарское; 28) Иксинское; 29) Сосново-Махнинское; 30) Водораздельное; 31) Кирсановское; 32) Иш-коль
Расчет среднего содержания элементов-примесей в пределах отдельных месторождений или их участков производился как расчет средневзвешенной величины по мощности интервалов опробования торфяной залежи. В качестве контроля результат сопоставлялся с медианой и модой. Среднее по типам залежей (верховые, низинные) оценивалось с учетом закона распределения как среднее арифметическое. Среднее для региона рассчитывалось исходя из распространенности верховых, переходных и низинных торфов на территории Томской области [9].
При расчетах средневзвешенного содержания принято следующее соотношение генетических типов торфяных залежей: низинные и переходные -40 %; верховые и смешанные - 60 %.
Результаты исследований и их обсуждение
Результаты оценки среднего содержания представлены в таблице. Анализ полученных результатов позволяет отметить, что по основному спектру изученных химических элементов торф юго-вос-
точной части Западно-Сибирской плиты близок к торфам других регионов России.
Не нашел подтверждения полученный ранее вывод об обогащении верховых торфов Западной Сибири по сравнению с другими регионами кобальтом [10]. Его средние содержания ниже средних оценок для территории СССР [6, 7].
Получил подтверждение установленный ранее факт повышенного содержания хрома [11]. При этом высокие уровни накопления хрома установлены как в низинных, так и в верховых торфах. Природа его накопления требует специального исследования. Ранее было высказано предположение, что обогащение торфа хромом обусловлено заимствованием его из подстилающих грунтов [12]. В качестве обоснования этого вывода приведены данные, свидетельствующие о низком содержании хрома в месторождении Айгарово, залегающем на карбонатных грунтах, и существенно более высокие его концентрации в месторождениях Гусевское, Клюквенное, Семиозерье и Колпашевское,
залегающих на обогащенных хромом терригенных осадках.
Выявлено высокое среднее содержание золота в торфах региона, в 3 раза превышающее кларк для осадочных пород [13]. В пересчете на золу среднее содержание золота приближается к возможно промышленно значимым концентрациям. Эти данные подтверждаются находками в регионе аномалий золота в торфах и углях [14]. Наряду с золотом отмечено и несколько повышенное среднее содержание серебра. Исследования новосибирских специалистов [15] показали, что торфяные месторождения в предгорной части Западно-Сибирской плиты почти повсеместно обогащены золотом. Эти факты согласуются с общей геохимической спецификой обрамления [16]. По-видимому, повышенная золотоносность - характерная черта ЗападноСибирских торфов и углей. Она свидетельствует о высоком благороднометалльном потенциале структур обрамления этого бассейна осадконако-пления.
Установлено высокое содержание брома в торфах. В пересчете на золу оно превосходит кларк для осадочных пород на порядок. Вероятно, это связано со спецификой подстилающих отложений, большой долей в их составе захороненных морских осадков. При этом следует учитывать, что реальные золы существенно обеднены бромом по сравнению с расчетными данными в связи с потерей его при озолении. На влияние морских нефтегазоносных отложений, возможно, указывают и повышенные уровни накопления стронция.
При общем низком содержании природных радиоактивных элементов (и, ТИ) в торфах, установлено избыточное накопление урана по отношению к торию. Торий-урановое отношение понижено и изменяется от 1,5 для верхового торфа до 1,9 для низинного, в среднем 1,7. Отмечены высокие уровни накопления урана в пересчете на золу
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кочкин Г.Б. Радиоэкологические особенности ураноносных торфяников // Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека: Матер. Междунар. конф. -24-26 мая 1996 г. - Томск: Изд-во ТПУ, 1996. - С. 101-104.
2. Костин Ю.П., Витовтова В.М., Шарова И.Г. Современное германиевое оруденение торфяников, образующихся в районах развития термальных вод // Металлогения осадочных и осадочно-метаморфических пород. Вып. 8. - М.: Наука, 1973. -С. 196-200.
3. Kalaitzidis S., Christanis K., Georgakopoulos A., Fernandes-Turi-el J.L., Papazisimou S. Influence of Geological conditions during peat accumulation on trase element affinities and their behavior during peat Combustion // Energe & Fuels. - 2002. - V. 16. -P. 1476-1482.
4. Минеева Н.Я., Маркелов А.В., Дмитриев С.А. и др. Болота как биогеоценотические барьеры радионуклидов // Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде. Матер. IV Междунар. научно-практ. конф. - 19-21 октября 2006 г. - Семипалатинск, 2006. - С. 393-396.
для верхового торфа. Эти данные подтверждаются результатами прямого определения содержания урана и тория в золах, полученных при лабораторном озолении торфа.
Следует отметить неравномерный характер распределения элементов - примесей в пределах месторождений не только по латерали, связанный с удаленностью от источника питания болотного массива терригенным материалом, но и в вертикальном профиле торфяных залежей, обусловленный природно-климатическими, гидрогеохимическими, антропогенными и другими факторами. В том числе наблюдается отчетливое обогащение большинством изученных элементов-примесей верхних интервалов залежей, характеризующих вторую половину XX в. - начало XXI вв. с выделение четких временных критериев накопления редких и радиоактивных элементов. Наиболее ярко эта особенность проявлена в верховых залежах, расположенных вблизи населенных пунктов в зоне влияния промышленных производств [17, 18], но имеет место и на участках, удаленных от них. Данное обстоятельство свидетельствует о ярко выраженном участии как локального, так и глобального антропогенного фактора в накоплении ряда элементов-примесей в торфах. Доля антропогенного накопления неорганических компонентов в торфах в течение последнего столетия постоянно возрастает и это уже сейчас сказывается на оценке среднего содержания элементов-примесей, а в конечном итоге может существенно изменить эти оценки. Примеры подобных изменений в настоящее время уже можно наблюдать на ряде европейских месторождений торфа [19]. Нами при детальном исследовании верховых болот достоверно установлено, что верхние 50 см вертикального разреза торфяника, соответствующие последнему столетию, обогащены всеми изученными элементами-примесями [18].
5. Gauthier-Lafaye F., Pourcelot L., Eikenberg J., Beer H., Le Roux G., Rikhvanov L.P., Stille P., Renaud Ph., Mezhibor A. Radioisotope contaminations from releases of the Tomsk-Seversk nuclear facility (Siberia, Russia) // Journal of Environmental Radioactivity. - 2007. - V. 98. - P 301-314.
6. Сапрыкин Ф.Я., Свентиховская А.Н. Закономерности редко-металльного оруденения современных торфяников // Матер. к 9-му совещанию работников лабор. геол. организаций. Вып. 7. Углехимическая секция. - Л.: Недра, 1965. -С. 95-102.
7. Клер В.Р, Ненахова В.Ф., Сапрыкин Ф.Я. и др. Металлогения и геохимия угленосных и сланценосных толщ СССР. Закономерности концентрации элементов и методы их изучения. -М.: Наука, 1988. - 256 с.
8. Ткачев Ю.А., Юдович Я.Э. Статистическая обработка геохимических данных. Методы и проблемы. - Л.: Наука, 1975. -233 с.
9. Инишева Л.И., Архипов В.С., Маслов С.Г., Михантьева Л.С. Торфяные ресурсы Томской области и их использование. -Новосибирск: Изд-во СО РАСХН, 1995. - 88 с.
10. Московченко Д.В. Биогеохимические особенности верховых болот Западной Сибири // География и природные ресурсы. -2006. - № 1. - С. 63-70.
11. Инишева Л.И., Бернатонис В.К., Цыбукова Т.Н. Содержание микроэлементов в торфе Западно-Сибирского региона // Торфяная промышленность. - 1991. - № 1. - С. 19-25.
12. Архипов В.С., Бернатонис В.К., Резчиков В.И. Распределение железа, кобальта и хрома в торфяных залежах центральной части Западной Сибири // Почвоведение. - 2000. - № 12. -С. 1439-1447.
13. Григорьев Н.А. Среднее содержание химических элементов в горных породах, слагающих верхнюю часть континентальной коры // Геохимия. - 2003. - № 7. - С. 785-792.
14. Arbuzov S.I., Rikhvanov L.P., Maslov S.G., Arhipov V.S., Belyaeva A.M. Anomalous gold contents in brown coals and peat in the south-eastern region of the Western-Siberian platform // Int. J. Coal Geol. - 2006. - V. 68. - № 3-4. - P. 127-134.
15. Матухина В.Г., Попова М.В., Малюшенко Л.Д. Процессы вторичного минералообразования в торфяных залежах на территориях, сопредельных с горным обрамлением // Отечественная геология. - 1996. - № 5. - С. 65.
16. Арбузов С.И., Ершов В.В. Геохимия редких элементов в углях Сибири. - Томск: Изд. дом «Д-Принт», 2008. - 468 с.
17. Гавшин В.М., Сухоруков Ф.В., Будашкина В.В. и др. Свидетельства фракционирования химических элементов в атмосфере Западной Сибири по данным исследования верхового торфяника // Геохимия. - 2003. - № 12. - С. 1337-1344.
18. Беляева А.М., Рихванов Л.П., Арбузов С.И. Исследования геохимического состава верхового торфа как метод мониторинга окружающей среды // Фундаментальные проблемы новых технологий в 3-м тысячелетии: Матер. III Всеросс. конф. молодых ученых. - Томск, 2006. - С. 631-634.
19. Shotyk W., Cheburkin A.K., Appleby P.G. et al. Two thousand years of atmosphericarsenic, antimony, and lead deposition recorded in an ombotrophic peat bog profile, Jura Mountains, Switzerland // Earth and Planetary Science Letters. - 1996. - V. 145. - P. E1-E7.
Поступила 18.02.2009 г.
