Геоэкологическая оценка состояния окружающей среды районов меднорудной промышленности

brief description

Введение...4

•* 1. Состояние вопроса и задачи исследований...9

1.1 Анализ состояния вопроса в области геоэкологической оценки состояния компонентов окружающей среды...9

1.2 Геоэкологическая изученность состояния компонентов окружающей среды Кировградского промузла...13

2. Методические основы геоэкологической оценки компонентов окружающей среды...18

2.1 Полевые и лабораторные работы...18

2.2 Методика обработки информации...25

Вы вод ы...30

3. Факторы формирования экологического состояния компонентов окружающей среды...31

3.1 Геолого-структурные условия...31

3.2 Геохимия пород и руд...41

3.3 Геохимия почвообразующего горизонта...49

3.4 Климат...52

3.5 Орогидрография...57

3.6 Техногенный фактор...60

3.7 Геохимия снежного покрова...66

Выводы...75

4. Критерии оценки экологического состояния компонентов окружающей среды...76

4.1 Почвы...76

4.2 Поверхностные воды...82

¦\i 4.3 Растительность...85

4.4 Животные и Человек...91

3

4.5 О возможности использования Drosophila melanogaster в качестве тест- системы экологического состояния окружающей среды...94

4.5.1 Влияние меди на соматические клетки...96

4.5.2 Влияние меди на генеративные клетки...99

Выводы...116

5. Геоэкологическая оценка состояния компонентов окружающей среды...117

5.1 Закономерности миграции загрязняющих веществ в окружающей

среде...119

5.2 Закономерности распределения загрязняющих веществ в

окружающей среде...128

5.5 Оценка взаимосвязи загрязняющих веществ в различных средах...143

Выводы...151

Заключение...153

Список использованной литературы...156
Введение

4 Введение

Актуальность работы. Интенсивное развитие меднорудной т* промышленности в России за последние сто лет при существующем на

сегодняшний день уровне технологий привело к запредельному накоплению загрязняющих веществ в окружающей среде. Особенно это актуально для Среднего Урала, где сосредоточено большое количество колчеданных месторождений. Колчеданная минерализация имеет длительную историю промышленного освоения с необычайно высокой для природных систем концентрацией халькофильных элементов в виде сульфидов, которые имеют высокую миграционную способность и заражают собой окружающую среду. Это относится к состоянию всех элементов ландшафта, включающих снежный покров, почвенный слой, природные воды и живое вещество.

К настоящему времени на Среднем Урале отработано несколько десятков рудников, мобилизовавших халькофилы в виде пылевых выбросов, сбросов сточных вод и отходов производства. Неблагоприятная экологическая ft) ситуация еще более усугубилась в связи со строительством

перерабатывающих комплексов: Карабаш, Ревда, Красноуральск — далеко не полный перечень городов, сформированных на базе медеплавильных комбинатов.

В качестве полигона для проведения исследований выбран Кировградский промышленный узел, характеризующийся широким спектром техногенных загрязнителей и типовым для Среднего Урала набором ландшафтных обстановок. Именно здесь на активно разрабатываемых месторождениях с переработкой минерального сырья взаимодействие техники и природы проявилось наиболее отчетливо, со всеми проблемами, решение которых жизненно важно как для общества, так и для окружающей среды. Реальные горнодобывающие предприятия — рудники Левихинский, 71 ч Карпушихинский, Ломовский, Ежовский и другие функционировали

несколько сотен лет, загрязняя окружающую среду токсичными элементами.

5

Металлургическая переработка минерального сырья производилась и производится по устаревшим технологиям со значительным негативным воздействием на окружающую среду.

Освоение колчеданных руд будет развиваться и в обозримом будущем, особенно теперь, когда основным производимым продуктом для России является сырье, металлы и сплавы. Это определяет необходимость геоэкологической оценки состояния компонентов окружающей среды в районах развития колчеданной минерализации с интенсивной отработкой месторождений и переработкой минерального сырья с целью дальнейшего внедрения эффективных природоохранных мероприятий и недопущения широкомасштабного мутагенного перерождения основного звена этой системы - живого вещества.

Цель работы заключается в комплексной геоэкологической оценке состояния окружающей среды территорий со сложными природными и техногенными условиями. Основные задачи:

1. Установить основные факторы формирования экологического состояния компонентов окружающей среды районов меднорудной промышленности со сложными природными и техногенными условиями на примере Кировградского промузла.

2. Определить критерии оценки экологического состояния компонентов окружающей среды, включающие почвенный слой, природные воды и живое вещество.

3. Разработать критерии оценки экологического состояния тест-объекта.

4. Дать геоэкологическую оценку состояния компонентов окружающей среды района Кировградского промузла с интенсивной отработкой месторождений и переработкой минерального сырья.

"ч 5. Выявить взаимосвязь экологического состояния отдельных компонентов

окружающей среды для прогнозирования этого состояния.

6

Методы исследований. В работе широко применялись полевые и лабораторные методы, включая съемочно-маршрутные работы, опробование, опытные работы, количественные химические и спектральные анализы. При обработке материалов использованы вероятностно-статистические и картографические методы с применением компьютерных технологий.

Защищаемые положения.

1. Экологическое состояние окружающей среды районов меднорудной промышленности Среднего Урала формируется под воздействием природно-техногенных факторов. Индикаторами их проявления может служить геохимия халькофилов почвообразующего горизонта и снежного покрова.

2. Критерии оценки экологического состояния компонентов окружающей среды районов меднорудной промышленности определяются соотношением фоновых и предельно-допустимых концентраций. В качестве биологического тест-объекта возможно использовать биохимические показатели Drosophila melanogaster.

3. Геоэкологическая оценка состояния окружающей среды районов меднорудной промышленности основана на взаимосвязи абиотической и биотической составляющих загрязнения и требуют комплексного учета его проявления в почвах, поверхностных водах, растительности и живых организмах.

Научная новизна.

1. Выявлены факторы формирования экологического состояния окружающей среды в районах меднорудной промышленности Среднего Урала на примере Кировградского промузла.

2. Впервые предложено в качестве тест-объекта использование Drosophila melanogaster.

3. Установлены закономерности сквозного загрязнения окружающей среды в районах меднорудной промышленности Среднего Урала на примере

7

Кировградского промузла, и получены зависимости для прогнозирования экологического состояния отдельных компонентов. У- Практическая значимость.

1. На основе почвенной и снеговой съемок Кировградского промузла установлены концентрации загрязняющих веществ, привносимые в окружающую среду в результате «природного и техногенного воздействия».

2. Разработаны критерии оценки экологического состояния окружающей среды в районах меднорудной промышленности на основе сочетания показателей санитарно-гигиенических и фоновых концентраций.

3. Произведена геоэкологическая оценка состояния компонентов окружающей среды как основа прогнозирования и разработки природоохранных мероприятий в Кировградском промузле.

Апробация и публикации. Основные положения диссертации обсуждены: на научно-практической конференции «Уральская горнопромышленная декада», Екатеринбург, 2003, 2004, 2005; Международной научно-практической

J,. конференции «Геодинамика и геологические изменения в окружающей среде

северных регионов», Архангельск, 2004; Международной научно-практической конференции «Экология фундаментальная и прикладная», Екатеринбург, 2005; заседании кафедры минералогии и петрографии ПГУ, Пермь, 2005.

По теме диссертации подготовлено и опубликовано 6 работ. Фактический материал собирался в полевых маршрутах и камеральным способом. В работе использовано более 400 проб количественного анализа халькофильных элементов различных компонентов окружающей среды (почвообразующего горизонта, почв, снежного покрова, поверхностных вод, растительности и насекомых). С целью установления фоновых концентраций элементов для тест-объекта исследована биохимия 500 проб Drosophila

^ч melanogaster. В лабораторных условиях проанализировано несколько тысяч

особей Drosophila melanogaster на разных этапах развития.

8

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 141 наименование. Работа изложена на 168 страницах текста, содержит 76 рисунков, 52 таблицы.

Автор выражает благодарность и признательность научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии А.И. Семячкову за большую помощь в выполнении работы, заведующему кафедрой гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии, доктору геолого-минералогических наук, профессору О. Н. Грязнову, осуществлявшему научное руководство на начальном этапе и преподавателям кафедры, а также кандидату биологических наук, доценту кафедры зоологии УрГУ A.M. Марвину за научные консультации и поддержку. Автор сотрудничал при выполнении работы с экологической службой муниципального образования города Кировград, Министерством природных ресурсов Свердловской области, где внедрены результаты исследований. В работе использована также информация Уральской комплексной съёмочной экспедиции, Уральского управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, Областного комитета по охране природы. Всем этим организациям и их сотрудникам автор выражает благодарность.

9

1. Состояние вопроса и задачи исследований 1.1 Анализ состояния вопроса в области геоэкологической оценки

i

Т1 состояния компонентов окружающей среды

Геоэкологический смысл преобразования человеком компонентов окружающей среды впервые раскрыл В.И. Вернадский [17,18], тем самым, заложив методологический принцип её изучения. Он показал, что проблема антропогенного воздействия является проблемой геохимической и биогеохимической.

А.Е. Ферсман под термином «техногенез» [120] подразумевал геохимические преобразования окружающей среды в связи с извлечением горных пород и минералов из недр, перераспределением химических элементов недр, их инженерной перегруппировкой на поверхности Земли.

Планомерные комплексные геохимические исследования компонентов окружающей среды и распространения загрязняющих веществ, связанных с отходами, выбросами и стоками различных производств были проведены 4,, А.И. Перельманом, В.В. Добровольским, А.А. Беусом [7,8,38,80,81,119].

Авторами установлено, что в ходе распространения загрязняющих веществ, осуществляемого главным образом, природными миграционными механизмами, образуются ореолы и потоки рассеяния, сходные с ореолами и потоками рассеяния месторождений полезных ископаемых.

М.А. Глазовская рассмотрела геохимию ландшафтов Советского Союза на «процессном уровне» [29]. Представления об элементарных процессах и направлениях почвообразования здесь развиваются до понятия направленных ландшафтно-геохимических процессов, в результате длительного течения которых накапливается геохимическая информация и формируется определенная геохимическая структура ландшафта. Системный подход к анализу ландшафтно-геохимических процессов в данной работе ¦W' требует привлечение данных о современных внешних и внутренних

миграционных потоках вещества в ландшафтах, характере

10

функционирования ландшафтно-геохимических систем, тенденции изменения при техногенных воздействиях.

7^ Исследования А.Л. Ковальского, в связи с разработкой

биогеохимических методов поисков рудных месторождений дали обширный фактический материал для сопоставления уровней содержания микроэлементов в почвах и в золе растений [57,58]. По содержанию микроэлементов в почвах, в золе растений и биопродуктивности последних А.Л. Ковальский разделил изученные биообъекты на «безбарьерные» и «барьерные».

Эколого-геохимический анализ антропогенной миграции химических элементов привели Ю.Е. Сает, Б.А. Ревич, Е.П. Янин [27,55,97,135]. Ими описаны источники загрязнения окружающей среды (выбросы, стоки, твердые отходы, средства химизации), миграционные цепи распространения элементов в природных системах (воздушной, водной, биогенной). Здесь рассмотрены принципы, методы и результаты биогеохимической и

.; 4 геогигиенической оценки отрицательных последствий загрязнения

окружающей среды для здоровья человека.

Анализ большого количества материала различных авторов и собственные исследования по экологической геохимии всех элементов таблицы Д.И. Менделеева сделал В.В. Иванов [47,48,49,50,51,52,53]. Он обобщил материал по воздействию химических элементов на все компоненты окружающей среды: воздух, вода, почвы, растительность, животные, человек, а также поведению химических элементов в техногенезе. Здесь приведены данные по содержанию и предельно допустимым концентрациям элементов во всех природных средах, включая минералы, горные породы, месторождения.

Теоретические положения экологической геологии, критерии оценки

Лг состояния эколого-геологических условий, систематическая характеристика

ресурсной, геодинамической, геохимической и геофизической экологической функции литосферы, рассмотрены В.Т. Трофимовым, Д.Г. Зилингом [89,117].

11

Ими предложены методы получения эколого-геологической информации, методика инженерно-экологических изысканий и составления эколого-

У-' геологических карт, методы управления состоянием эколого-геологических

систем.

А.И. Семячков обобщил материал по природной и техногенной металлоносное™ окружающей среды горно-металлургических комплексов Урала [103,104,107]. Им установлены закономерности природной металлоносности окружающей среды, произведена оценка горно-металлургических комплексов как источников потоков металлов в окружающей среде под воздействием предприятий и техногенно-минеральных образований, изучены атмогенные и гидрогенные потоки металлов в окружающей среде горно-металлургических комплексов.

Анализ эколого-геохимической обстановки Южного Урала, сложившийся под влиянием техногенеза освещены B.C. Самариной, А.Я. Гаевым, Ю.М. Нестеренко, В.Я. Захаровым, Г.Д. Мусихиным, А.П.

у) ; Бутолиным [22,98]. Здесь обобщены результаты многолетних исследований

природных вод, дана объективная оценка эколого-геохимического состояния всех составляющих природной среды. С помощью методик эколого-геологической типизации и эколого-геологического картирования, разработанных А.Я. Гаевым и B.C. Самариной, произведена оценка преобразования геологической среды в связи с эксплуатацией медно-колчеданных залежей и обогащением руд на Гайском месторождении. Рекомендованы мероприятия по уменьшению негативных последствий и преобразований геологической среды под влиянием эксплуатации медно-колчеданных месторождений.

Э.Ф. Емлин исследовал медноколчеданные месторождения Урала в широком геоэкологическом смысле [42,43,44,45]. Автор рассматривает

•^ меднорудное освоения Урала с точки зрения представлений о

взаимодействии технических комплексов - городов, рудников, заводов - с Уральским горноскладчатым сооружением, сложной развивающейся

12

геосистемой. По мнению автора, главные составляющие техногенеза на Урале - это индустриализация (развитие промышленных комплексов) и

7^ урбанизация (зарождение и рост городов).

В работах О.Н. Грязнова и А. И. Семячкова подчёркивается большое значение природной составляющей в формирование экологического состояния компонентов окружающей среды территории Урала, как металлогенической провинции [36].

Исследование геохимии почвенного слоя включает ряд направлений. Первое - агрохимическое, ставящее своей целью изучение содержаний, запасов, подвижности компонентов в почвах как источника сбалансированного минерального питания растений. Это направление развивалось благодаря работам В. Б. Ильина, А. Кабата-Пендиас, Х.Пендиас [54,56]. Второе - поисково-геохимическое, основной целью которого является исследование миграции элементов в процессе формирования вторичных ореолов рассеивания рудных объектов (И. И. Гинзбург)

4., [8,28,111,113]. Третье - экологическое, целью которого является изучение

геохимии почвенного слоя как составной части ландшафта. Наиболее крупные работы третьего направления проведены М. А. Глазовской, П. В. Елпатьевским, Г. А. Вострокнутовым [20,30,41].

Исследования загрязнения поверхностных вод на Урале и в районах промышленных узлов были выполнены A.M. Черняевым, А.Н. Поповым и другими авторами [77,79,85,122,126,127]. Ими сделан вывод о загрязнении поверхностных вод за счет различных источников, в том числе поступления загрязняющих веществ из донных отложений.

Оценку естественного содержания микроэлементов в растениях произвел А. Кабата - Пендиас [56]. Методику исследования растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами разработали Н.Г.

^л Зырина, С.Г. Малахова, где в качестве биологического тест-объекта

предложены их древесные виды [71].

13

В.В. Хвостова, М.Д. Голубовский, Л.И. Корочкин рассмотрели дрозофилу, или плодовую мушку, как основной тест-объект биологии и *jv генетики высших организмов [123]. Здесь систематизированы многолетние

исследования на дрозофиле по ряду проблем: генетическому контролю развития, строению и действию генов, а также конъюгации и поведению хромосом; подробно проанализированы принципы регуляции численности и структуры популяций. В качестве тест - объекта оценки токсичности отходов производства предложили использовать дрозофилу Е. Г. Язиков, С.В.Азарова

[1].

При прогнозировании экологического состояния компонентов окружающей среды используются детерминированные и статистические методы. Так для прогнозирования состояния загрязнения почв по загрязнённости снежного покрова В. Н. Василенко использовал детерминированные зависимости [14]. Ю. Г. Тютюник установил статистические зависимости между загрязнённостью воздуха и почв городов

1.2 Геоэкологическая изученность состояния компонентов окружающей

среды Кировградского промузла

Кировградский район является одним из старейших районов на Среднем Урале, его исследования осуществляются со второй половины XVIII века, когда было открыто Ежовское месторождение, разработка которого началась в 1822 году [40].

В 1913 году Н.К. Высоцкий обобщил материал по Невьянскому, Шуралинскому и Н-Рудянскому районам, и сделал вывод о генетической связи интрузивных и эффузивных магматических пород. Он считал, что принятию на поверхность магматических масс способствовали дислокации и разломы. Е.А. Кузнецов установил региональные тектонические зоны слияния и рассланцевания пород. Среди них основное значение имеет «главный северо-западный сдвиг». Две другие зоны сжатия ограничивают

14

полосу в долине р. Тагил. К той и другой приурочены колчеданные месторождения [25,46,95].

7^' Л.И. Сипливых, Е.М. Снигиревой, А.И. Кузнецовым, Р.С. Мальцевой

[7,110] был выполнен отчет по теме «О результатах полевых работ на медь, проведенных на Ломовском рудном поле в Кировградском районе». Целью данной работы является оценка перспективности глубоких горизонтов рудного поля и выявление новых участков под предварительную разведку. По результатам исследований были сделаны следующие выводы:

1. Зона месторождения Глубокого. Здесь выявлена мощная зона ореолов меди на горизонте 200 - 400 м. Ореол меди содержит 0,3*10'3%.

2. Слоновая рудоносная зона. Геохимические ореолы меди в разрезе редкие, узкие и фиксируют встречающуюся здесь рудную минерализацию. На северном фланге Слоновского месторождения прослеживаются маломощные комплексные аномалии, затухающие по падению.

4. В пределах глубоких горизонтов оруденения г. Крапивной (800 м) 4L , наблюдалось наличие метасоматитов с Cu-Zn оруденением.

5. На севере Белореченско-Калатинской рудной зоны наблюдалось развитие рассланцевания в породах диабаз-альбитофитовой серии, несущей сульфидную минерализацию.

Медицинским научным центром выполнена работа [84], целью которой являлось дать комплексную гигиеническую оценку состояния здоровья населения в условиях техногенного загрязнения атмосферного воздуха, питьевых водоемов Кировградского промышленного узла. Разработать меры по профилактике неблагоприятных воздействий на здоровье человека. В результате исследований был сделан ряд выводов о химическом загрязнении воздушного бассейна и поверхностных вод, а также об уровне заболеваемости населения. Были разработаны гигиенические рекомендации ^ по улучшению санитарной ситуации района и профилактике хронических

заболеваний.

15

Исследования среды обитания Человека в Кировградском промузле показали (ВСЕГЕИ, 1992) [23], что практически вся территория представляет "