ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СНЕГОВОГО ПОКРОВА ПРИРОДНЫХ И ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННЫХ СТЕПНЫХ ЛАНДШАФТОВ В КУВАНДЫКСКОМ РАЙОНЕ ОРЕНБУРГСКОЙ ОБЛАСТИ

THE CHEMICAL COMPOSITION OF SNOW COVER NATURAL AND TECHNOGENIC STEPPE LANDSCAPES IN KUVANDYK DISTRICT, ORENBURG REGION

К.Г. Аминова¹, К.А. Филиппова², Г.Ф. Лонщакова²

K.G. Aminova¹, K.A. Filippova², G.F. Lonshchakova² 

¹Южно-Уральский государственный университет

(456304, г. Миасс Челябинской обл., ул. 8 июля, 10)

²Институт минералогии УрО РАН

(456317, г. Миасс Челябинской области, Ильменский заповедник) 

¹South Ural State University

 (456304, Chelyabinskaya dstr., Miass, 8 July, 10)

²Institute of Mineralogy UB RAS

 (456317, Chelyabinskaya dstr., Miass, Ilmenskiy reserve)

e-mail: ¹aminova-k@mail.ru

В работе рассмотрена атмосферная миграция элементов в районе со значительной техногенной нагрузкой. Изучен объем пылевых поступлений и химический состав снегового инфильтрата и пыли. Установлены закономерности распределения элементов в условиях необычного для степной зоны ландшафта.

In the paper considered atmospheric migration of elements in an area with significant technogenic pressures. Studied the amount of dust revenues and chemical composition of snowmelt and dust. The regularities of distribution of elements in unusual terrain of the steppe landscape. 

В настоящее время, когда научно-технические разработки принесли свои плоды, остро стоит проблема загрязнения окружающей среды. Современные исследования доказали, что любой промышленный центр – это сложный механизм со специфической урбанизированной составляющей, который изменяет все компоненты экосистемы (воздух, воду, почву), в конечном итоге отражаясь на функционировании всех живых организмов. Для изучения геохимических особенностей атмосферного переноса в зимний период используют снеговую съемку [3-9]. Снеговое опробование позволяет оценить пылевую нагрузку на данной территории, дает возможность установить количество пыли, ее химический и минеральный состав, зафиксировать миграционные потоки техногенной компоненты и эрозионного природного материала [3-9].

Одним из таких промышленных центров в степной зоне на Южном Урале является крупный горнопромышленный узел – Медногорская геотехническая система. Город Медногорск расположен в Кувандыкском административном районе Оренбургской области. В результате необычайно сложно расчлененной второстепенной гидрографической сети создается впечатление типичного мелкосопочника с удлиненными грядами и округлыми холмами с ложбинами между ними. Склоны гряд и холмов крутые или пологие, обнаженные или задернованные. Вся сложность рельефа создана эрозионной деятельностью существующей гидрографической сети на древнем равнинном пространстве. Эта особенность рельефа отличает исследуемый район от других типичных степных областей Южного Урала. На данной территории, и за ее пределами, определенный вклад в загрязнение окружающей среды вносит Медногорский медно-серный комбинат [3-5].

При отборе проб (1-2 марта 2011 г.) фиксировали площадь отбора и глубину снежного покрова. Снеговой пробоотборник представляет собой поливиниловый цилиндр диаметром 104 мм и высотой 1600 мм. Отобранные колонки, количество которых варьировало от 5 до 9, помещали в чистые полиэтиленовые пакеты. Объем снегового инфильтрата находился в диапазоне от 4 до 5 л, что было достаточным для получения необходимого количества снеговой пыли для выполнения химических анализов. Отбор проб выполнен в конце зимнего сезона за несколько дней до первых проявлений снеготаяния на территории мониторинга, что позволило учесть загрязнение за максимальный отрезок времени. От момента установления устойчивого снегового покрова на данной территории (18 декабря 2010 г.) до момента отбора проб, период накопления пылевой компоненты оценивается в 72-73 суток.

Отобранные пробы таяли в стационарной аналитической лаборатории при комнатной температуре в пластиковых контейнерах, после чего выполняли измерение рН, Eh и других физико-химических показателей талой воды. Затем талая вода была отфильтрована через мембранные фильтры из ацетата целлюлозы с размером пор 0.45 мкм, а после высушивания фильтров с взвесью при комнатной температуре определена масса снеговой пыли в каждой пробе. Далее исследовали микроэлементный состав, как полученной пыли, так и снегового инфильтрата в соответствии с методическими указаниями [2]. Для определения Ca, Mg, K, Na использовали метод атомной абсорбции (Perkin Elmer 3110); для определения 45 микроэлементов – метод масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS, ELAN 9000). Фильтры с навесками проб от 3 до 50 мг разложены смесью HF+HCl+HNO₃ в автоклавах с однокамерной реакционной емкостью и после двукратного выпаривания и сведения аликвоты к 1н. HNO₃ проанализированы методом ICP-MS. Все аналитические исследования выполнены в Южно-Уральском центре коллективного пользования по исследованию минерального сырья, г. Миасс (аттестат аккредитации № РОСС RU.0001.514536) и лаборатории физико-химических методов исследований Института геологии и геохимии им. А.Н. Заварицкого УрО РАН (аттестат аккредитации № 001544).

При изучении аэральных выпадений путем исследования снегового покрова оценивается величина пылевой нагрузки. Величина пылевой нагрузки Р_п  рассчитывается исходя из формулы:

Р_п = Р_о / (S·t),     [1, 2]

где Р_п – пылевая нагрузка на снеговой покров кг/(км²·сут) или мг/(м² ·сут);

Р_о – масса пыли в снеговом пробе, мг; S – площадь сечения пробоотборника, которым отбиралась проба, м²; t – время от начала снегостава до дня отбора пробы, сутки.

Зная химический состав снеговой пыли, можно оценить величину общей нагрузки на снеговой покров входящих в ее состав химических элементов или их соединений:

P_i = C_i·P_п  / 1000,     [1]

где P_i – общая нагрузка (приток) химического элемента i на снеговой покров, мкг/(м²·сут); C_i – концентрация элемента i в снеговом пыли, мг/кг;

P_п – пылевая нагрузка, мг/(м²·сут).

Полевые работы по отбору проб в зоне влияния Медногорского комбината были проведены по заранее размеченной сети точек (рис. 1). Всего было опробовано 18 площадок.

Рисунок 1. Схема расположения точек отбора проб снега.

Индикаторными показателями для снегового инфильтрата в районах разработки и передела колчеданных руд являются величина водородного показателя (рН), содержания сульфат-иона, Cu, Zn, и, в меньшей степени, Se, Cd, Tl, Pb [4-6].

В пробах, изученной территории, рН снегового инфильтрата находится в интервале 4,85-6,65. Стоит отметить, что в восточной части наблюдается повышение рН, значения которого равны 6,25-7,25, что примерно на 1 ед. рН выше, нежели снегового инфильтрата фоновых территорий Южного Урала. Содержания сульфат-иона в пробах колеблются от 0,05 до 13,58 мг/л, при этом максимальное значение зафиксировано в ближней к комбинату точке Md 352. В восточных точках Md 362, Md 364 и Md 365 содержания сульфат-иона повышены и находятся в интервале 6,7-9,0 мг/л, при этом достоверного увеличения концентраций металлов в снеговом инфильтрате здесь не обнаружено. Влияние разноса сульфидсодержащей пыли от комбината в каком-либо направлении не зафиксировано. Содержания Cu в снеговом инфильтрате в среднем на уровне 3.5 мкг/л, содержания Zn составляют 7,1-43,1 мкг/л. При этом для Cu, Zn и Pb отмечается значительное повышение концентраций непосредственно около комбината в радиусе 4 км в точках Md 352, Md 353 и Md 359.

Концентрации металлов в снеговой пыли проб Md 352, Md 353 и Md 359 для Cu и Zn составляют 11536-109919 мг/кг и 2662-22887 мг/кг соответственно. При этом содержания Cd и Pb являются также аномальными. Максимальные содержания Cu, Zn и других элементов в снеговой пыли зафиксированы в ближней к комбинату точке опробования Md 352, и по мере удаления их концентрации снижаются.

Величина пылевой нагрузки различна во всех направлениях. По результатам анализа можно выделить 5 точек, где зафиксированы показатели пылевой нагрузки выше 120 мг/(м² ·сут). В точке Md 352, наиболее приближенной к комбинату, отмечено максимальное значение пылевой нагрузки – 379,3 мг/(м² ·сут). В остальных точках северного и южного сектора опробования величина пылевой нагрузки снижается и составляет 4,5-70,3 мг/(м²·сут). Для наиболее наглядного представления о полученных цифрах была построена сравнительная диаграмма, на которую внесены значения пылевой нагрузки на других территориях степной зоны Южного Урала (рис. 2).

Рисунок 2. Пылевая нагрузка в степной зоне, в районе г. Медногорск, Оренбургской обл. в сравнении с другими территориями: 1 – Кизильский район Челябинской обл., 2 – Брединский район Челябинской обл., 3 – Учалинский район Республики Башкортостан.

При изучении поэлементной пылевой нагрузки выявилось, что основная масса техногенной пыли, транспортирующей типоморфные тяжелые металлы, оседает в радиусе 4 км от источника загрязнения, что подтверждают анализы снеговой пыли (табл. 1).

Таблица 1

Расчет поэлементной пылевой нагрузки в районе г. Медногорск в сравнении с другими территориями степной зоны Южного Урала

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Летувнинкас А.И. Антропогенные геохимические аномалии и природная среда: учеб. пособие. 2-е изд., Томск: Изд-во НТЛ, 2005. 290 с.
2. Методические рекомендации по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами. М.: Гидрометеоиздат, 1981. 109 с.
3. Удачин В.Н. и др. Тяжелые металлы в горнопромышленных ландшафтах степной зоны Южного Урала / В.Н. Удачин, П.Г. Аминов, В.В. Дерягин, А.Ю. Кисин, Г.Ф. Лонщакова, Л.Г. Удачина // Степи Северной Евразии: сб. материалов VIмеждунар. симпоз. Оренбург, 2012. С. 745-747.
4. Удачин В.Н. и др. Формы нахождения тяжелых металлов в воздухе и депонирующих средах при горнопромышленном техногенезе на Южном Урале / В.Н. Удачин, П.Г. Аминов, К.А. Филиппова, С.Ю. Кайгородова, Г.Ф. Лонщакова, Л.Г. Удачина // Естеств. и техн. науки. 2012. № 6. С. 215-222.
5. Удачин В.Н., Вильямсон Б., Аминов П.Г. Геохимия геотехнических систем Южного Урала // Естеств. и техн. науки. 2009. № 6. С. 298-306.
6. Удачин В.Н. и др. Химический состав атмосферных осадков Южного Урала / В.Н. Удачин, М. Джейджи, П.Г. Аминов, Г.Ф. Лонщакова, К.А. Филиппова, В.В. Дерягин, Л.Г. Удачина // Естеств. и техн. науки. 2010. № 6.
7. Gregurek D., Reimann C., Stumpfl E. Trace elements and precious metals in snow samples from the immediate vicinity of nickel processing plants, Kola Peninsula, northwest Russia // Environmental Pollution, 1998. № 102. P. 221-
8. Guofeng Zhu, Tao Pu, Yuanqing He, Peiji Shi, Tao Zhang, Wei Wei, Hewen Niu. Characteristics of inorganic ions in precipitation at different altitudes in the Yulong Snow Mountain, China // Environmental Earth Science. 2013. № 70. P. 2807-2816.
9. Telmer K., Bonham-Carter G., Kliza D., Hall G. The atmospheric transport and deposition of smelter emissions: Evidence from the multi-element geochemistry of snow, Quebec, Canada // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2004. V. № 14. P. 2961-2980.