авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Биогеохимия тяжелых металлов при горнопромышленном техногенезе (на примере карабашской геотехнической системы, южный урал)

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

АМИНОВ Павел Гаязович

Биогеохимия тяжелых металлов

при горнопромышленном техногенезе

(на примере карабашской геотехнической системы, Южный урал)

Специальность 25.00.09 – геохимия, геохимические методы

поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

Новосибирск – 2010

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте минералогии Уральского отделения РАН, г. Миасс.

Научный руководитель: кандидат геолого-минералогических наук,

доцент Удачин Валерий Николаевич

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Аношин Геннадий Никитович

доктор геолого-минералогических наук,

профессор Язиков Егор Григорьевич

Ведущая организация: Учреждение Российской академии наук Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения РАН, 630090, г. Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3.

Защита диссертации состоится « 2 » ноября 2010 г. в 12 час. на заседании диссертационного совета Д 003.067.02 при Учреждении РАН Институте геологии и минералогии им. В.С. Соболева СО РАН, в конференц-зале по адресу: 630090, г. Новосибирск, пр. ак. В.А. Коптюга, 3.

Факс: 8-383-333-35-05, 8-383-333-27-92

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИГМ СО РАН.

Автореферат разослан « 30 » сентября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор геолого-минералогических наук О.Л. Гаськова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Открытие многочисленных колчеданных месторождений на Южном Урале привело к интенсивному развитию цветной металлургии региона. Участки разрабатываемых месторождений, где совмещены добыча, обогащение и металлургический передел руд, представляют собой узлы нарушенных экосистем, а, зачастую, и техногенные пустоши. Ярким примером необратимой деградации окружающей среды является крупный горнопромышленный узел – Карабашская геотехническая система (ГТС). Освоение территории связано с открытием в 1747 г. месторождений окисленных железных руд. В 1910 г. здесь начал работать медеплавильный завод, использовавший метод прямой плавки богатых колчеданных руд с содержанием меди более 5 % в отражательных печах.
В 1934 г. запущена обогатительная фабрика, использовавшая схему флотации. За последние сто лет сформировалась техногенная аномалия площадью более 1500 км2 (Белогуб и др., 2003).

Изучение геохимии тяжелых металлов (ТМ) в биоблоке геосистемы с особым спектром металлов-загрязнителей позволяет установить особенности поглощения и трансформации соединений металлов высшей растительностью в градиентном поле рассеяния техногенных веществ. Подобные процессы всесторонне изучены как отечественными, так и зарубежными исследователями на примере лесов Кольского полуострова, Дальнего Востока и Среднего Урала (Елпатьевский, Аржанова, 1990; Елпатьевский, 1993; Воробейчик, Хантемирова, 1994; Воздействие…, 1995; Лукина, Никонов, 1998; Безель и др., 1998; Копцик и др., 1999; Ладонин, 2002; Сухарева, 2003; Воробейчик и др., 2003; Михайлова и др., 2006; Мельчаков, 2009; Reimann et al., 2001; Rautio, Huttunen, 2003). В настоящей работе предпринята попытка комплексной характеристики биогеохимических процессов в лесных системах подзоны южной тайги и водотоках, находящихся под техногенным воздействием горнопромышленного комплекса. Биогеохимия ТМ в данном районе изучена недостаточно, опубликованные данные только затрагивают эту проблему без детального ее рассмотрения (Черненькова, 1989, 2001; Степанов, 1992; Макунина 2002; Williamson et al., 2004; Нестеренко, 2006).

Цель работы: характеристика биогеохимических процессов в наземном биоблоке и аквальных системах Карабашской ГТС.

Основные задачи:

  • Исследование химического и минерального состава техногенных атмосферных пылей как основного источника поступления ТМ в наземные экосистемы и различных типов техногенных вод;
  • Сопоставление химического состава атмосферных осадков межкроновых и подкроновых пространств для оценки первичной трансформации техногенного потока;
  • Исследование качественного и количественного химического состава вегетативных органов сосны (Pinus Sylvestris) для установления зон воздействия пылегазовых эмиссий на окружающую среду;
  • Изучение химического состава почв как основной депонирующей и транзитной среды в системе: атмосферные осадки – лизиметрические воды – растения;
  • Исследование химического и минерального состава донных отложений и эпифитовзвеси рек для установления особенностей осадконакопления в водотоках с различным уровнем техногенной нагрузки.

Фактический материал и методы исследований. Основой для исследования послужили материалы, собранные автором и сотрудниками лаборатории минералогии техногенеза и геоэкологии ИМин УрО РАН во время полевых работ (2004–09 гг.) в районе  Карабашской ГТС (см. вкл. рис. 7). Было отобрано проб твердого вещества: поверхностных почв (17), приповерхностных почв горизонта А (17), почвенных разрезов (15 разрезов – 90 проб), сосновой коры (50), разновозрастной хвои сосны (Pinus sylvestris L.) (300), кернов сосны (40), донных отложений рек (18), эпифитовзвеси (27), и вод различного генезиса – речных вод (34), лизиметрических вод (15), дождевых вод (10) и смывов с хвои сосны (15).

Использованы современные аналитические методы исследования вещества: электронная микроскопия с энергодисперсионным анализом (JEOL6440 LV, Link, ЮУрГУ, г. Челябинск), титриметрия, турбидиметрия, гравиметрия, фотоколориметрия (фотоколориметр КФК-2), определение pH, Eh и вод (pH-метр Yokogawa 8221-E, кондуктометр HI-933000), порошковая дифрактометрия (ДРОН-2.0 и Shimadzu XRD-6000), атомно-абсорбционная спектрофотометрия в пламенном (Perkin-Elmer 3110) и электротермическом (Aanalyst 300) вариантах (ИМин УрО РАН, г. Миасс) и масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ELAN 9000) (ИГиГ УрО РАН, г. Екатеринбург). Под руководством к.б.н. Л.В. Снитько проведено изучение видового состава микроводорослей в составе эпифитовзвеси с документацией объектов.

Подавляющее большинство аналитических работ выполнено в Южно-Уральском центре коллективного пользования по анализу минерального сырья (аттестат аккредитации № РОСС RU.001.514536).

Основным методом полевых работ являлось геохимическое опробование и анализ блоков ГТС (почвенного, растительного, водного). С применением ландшафтно-геохимического подхода была составлена схема потоков вещества в Карабашской ГТС, в соответствии с которой проводилось опробование и интерпретация полученных результатов.

Личный вклад автора заключается в участии во всех этапах исследований: от сбора фактического материала и проведения аналитических работ до обобщения и интерпретации полученных данных.

Научная новизна и практическая значимость. Выделены и охарактеризованы зоны воздействия медеплавильного завода на экосистему. Определены потенциальные формы нахождения ТМ в почве, воде, донных отложениях и эпифитовзвеси. Впервые для Карабашской ГТС получены данные по концентрациям ТМ в различных органах сосны, установлены закономерности в динамике их накопления в связи с возрастом хвои, уровнями техногенной нагрузки и количеством доступных форм элементов в почве.

Обнаруженные особенности накопления ТМ хвоей и корой сосны могут служить индикатором атмосферного загрязнения лесных экосистем в условиях подзоны южной тайги. Элементный состав органов сосны может использоваться при моделировании поведения элементов-загрязнителей и оценке их критических нагрузок в лесных экосистемах. Выявленные взаимосвязи в системах: почва – растение, растение – расстояние до источника эмиссии, концентрации ТМ – возраст хвои, могут быть использованы для отслеживания динамики геохимических процессов при увеличении или уменьшении уровня техногенной нагрузки, а также могут служить основой для анализа экологических рисков на территориях других ГТС. Комплексное изучение состава эпифитовзвеси позволяет рекомендовать ее в качестве более чувствительного субстрата, нежели вода и донные отложения, при индикации загрязнения водных систем.

Апробация работы. Основные положения, рассматриваемые в работе, докладывались на: II и III Сибирских международных конференциях молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2004, 2006), II всероссийской научно-практической конференции «Проблемы геоэкологии Южного Урала» (Оренбург, 2005), XVI конференции молодых ученых, посвященной памяти К.О. Кратца «Геология и геоэкология: исследования молодых» (Апатиты, 2005), VII международной научной конференции «Топорковские чтения», (Рудный, Казахстан, 2006), международном научном семинаре «От экологических исследований – к экологическим технологиям» (Миасс, 2006), V международной научно-практической конференции «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде» (Семипалатинск, Казахстан, 2008), Х научном семинаре «Минералогия техногенеза – 2009» (Миасс, 2009).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 17 работ, включая 4 работы в периодических изданиях перечня ВАК.

Автор выражает благодарность научному руководителю, к.г.-м.н. В.Н. Удачину за помощь в организации и выполнении работ, ценные советы и обсуждения. Огромная благодарность аналитикам Южно-Уральского центра коллективного пользования по анализу минерального сырья Г.Ф. Лонщаковой, М.Н. Маляренок, Н.И. Вализер, Л.Г. Удачиной, Ю.Ф. Мельновой за помощь в проведении анализов. Автор благодарит сотрудников ИМин УрО РАН, П.В. Хворова, Т.М. Рябухину за выполнение работ по рентгенофазовому анализу. Благодарность А.С. Кайгородову, Г.А. Аминову за помощь при проведении полевых работ. Также автор выражает благодарность работникам ИГЗ УрО РАН: к.б.н. Л.В. Снитько, оказавшей неоценимую помощь в работе с перифитоном эпифитовзвеси, к.б.н. П.П. Трескину за консультации, Л.Б. Лапшиной – за аналитические работы.

Финансовая поддержка оказана Уральским отделением РАН (2006 г.), правительством Челябинской области (№ 009.05.06-04.АМ, № 007.05.06-06.БХ) (2004, 2006 гг.), интеграционным проектом СО–УрО РАН «Геохимия окружающей среды горнопромышленных ландшафтов Сибири и Урала», проектом Министерства образования и науки РФ (РНП.2.1.1.1840) и программой поддержки научных исследований ЮУрГУ (2007–08 гг.).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ И ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и приложений. Объем работы 176 стр., включая 48 иллюстраций, 18 таблиц, 12 приложений. Список литературы включает 170 наименований.

В первой главе кратко излагаются основные направления в исследовании геотехнических систем. Вторая глава посвящена описанию методики полевых работ, методов аналитических исследований, их аппаратурному обеспечению и метрологическим характеристикам выполнения анализов. В третьей главе дается характеристика объекта исследований – Карабашской ГТС (общие сведения, данные о геологическом строении территории и экологической обстановке). В четвертой главе рассматриваются особенности геохимии ТМ при взаимодействии пылегазовых выбросов с наземными экосистемами.
В пятой главе рассматривается геохимия аквальных систем. К защите выдвинуты четыре положения, формулировка и обоснование которых приводится ниже.

Положение 1. Для наземных экосистем Карабашской ГТС последовательная трансформация аэрального техногенного потока путем формирования атмосферных осадков, преобразования их пологом леса и гумусово-аккумулятивным горизонтом почв приводит к образованию аномалий с типоморфным спектром тяжелых металлов Cu, Zn, Pb, Cd. Основными источниками металлов в аквальных экосистемах являются техногенные кислые воды, образованные в результате процессов окисления сульфидов в отходах добычи и обогащения колчеданных руд.

Изучение техногенных пылей, поступающих в экосистему в составе аэрального потока, показало различие в размерах и составе частиц, отвечающих разным технологическим стадиям плавки черновой меди (Williamson et al., 2004). Пыль шахтных печей представлена частицами размером, в среднем, 45 мкм с высокими содержаниями Fe, Cu, Cd, Zn, Pb, S, тогда как пыль конвертеров представлена частицами размером 0.5 мкм, состоящими, в основном, из Pb и Zn. Минеральный состав пылей существенно различен: пыль шахтных печей состоит преимущественно из Cu-Zn шпинели и сульфидов Fe, Cu, Pb, тогда как пыль конвертеров представлена сульфатами Pb и оксидами Zn. Минеральный состав пыли определяет количество выхода элемента в раствор при ее взаимодействии с водой (табл. 1).

Таблица 1

Результаты химических экстракций проб пылей шахтных печей и конвертеров

As Cd Cu Fe Ni Pb S Zn
Пыль шахтных печей, мг/кг
I 0.004 0.03 0.09 0.005 0.005 0.05 4 2
II 0.8 0.04 14 30 0.03 3 13 9
% водн. 0.5 43 0.6 0.02 14 1.6 24 18
Пыль конвертеров, мг/кг
I 0.4 0.01 0.04 0.005 0.01 0.04 6 11
II 5 0.04 4 3 0.04 16 3 23
% водн. 7.4 20 1 0.2 20 0.3 67 33

Примечание: приведены результаты водных (I) и кислотных (II) (HNO3+HCl) экстракций. Количество водноизвлекаемой фракции (% водн.) рассчитано как I/(I+II).

Так, при прохождении дождей непосредственно через шлейф газо-дымовых выбросов формируются осадки, содержащие повышенные количества сульфат-иона (до 170 мг/л) и типичных для данного типа техногенеза ТМ: Cu (11 мг/л), Zn (68 мг/л), Pb (0.6 мг/л) и Cd (1.1 мг/л). Эти воды относятся к сульфатно-хлоридному кальциевому типу с преобладанием в катионной части ТМ и повышенной минерализацией (1).

(1)*

На фоновой территории в 50 км от  Карабашской ГТС наблюдаются низкоминерализованные осадки (см. вкл. рис. 7), гидрокарбонатно-сульфатно-хлоридного кальциево-натриево-аммонийного типа (2).

(2)

Максимальные значения концентраций Zn, Co, Ni, Cd в растворимой фазе осадков обнаружены на площадках, наиболее приближенных к источнику эмиссии. Значение коэффициента концентрации для Pb – 40, для Tl, Cu и Со – более 20, для Ba, Mn, Sb, Cd, As и Zn – более 10.

Установлено закисление вод кронами сосны – величина рН исходных осадков понижается на 0.7–1 ед. Наблюдается повышение общей минерализации подкроновых вод по сравнению с межкроновыми на фоновых территориях в 3–4 раза (0.03–0.04 г/л), на территории Карабашской ГТС – от 5 до 9 раз. Обнаружено обогащение осадков при прохождении через кроны сосны анионами: SO42- до 37 раз, Cl- и NO3- – 21 и металлами: Co, Tl, Mn, V – более 20 раз, Rb, Pb, Ba, Sr, Cu, As, Ni, U – более 10 раз. Ввиду резкого обогащения металлами подкроновых вод, для установления техногенного вклада металлов в состав подкроновых вод Карабашской ГТС рассчитан фактор обогащения (рис. 1).

* запись в виде псевдодроби на основе формулы Курлова с включением всех ионов, имеющих весомую долю в составе воды (в т.ч. ионов азотной группы и ТМ) и рН.

 Распределение фактора обогащения (F) элементов дождевых подкроновых вод., где-3 Рис. 1. Распределение фактора обогащения (F) элементов дождевых подкроновых вод. , где Сi – концентрация элемента в точке опробования, Сф – концентрация элемента в фоновом участке.


Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.