Геохимические изменения окружающей среды в зоне влияния горнопромышленного комплекса ОАО «карельский окатыш»



Скачать 253.61 Kb.
Дата29.04.2016
Размер253.61 Kb.
ТипАвтореферат


На правах рукописи

ПАНТЕЛЕЕВА Яна Геннадьевна

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА ОАО «КАРЕЛЬСКИЙ ОКАТЫШ»

(г. КОСТОМУКША, РЕСПУБЛИКА КАРЕЛИЯ)



Специальность 25.00.09 -

Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых



АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете)
Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук,

член-корреспондент РАН
Юрий Борисович Марин
Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук профессор

Вячеслав Александрович Рудник
кандидат геолого-минералогических наук

Вадим Азимович Шахвердов
Ведущая организация: ОАО «Карельский окатыш»

Защита диссертации состоится 16 октября 2009 г. в 16 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.224.04 в Санкт-Петербургском государственном горном институте им. Г.В. Плеханова (техническом университете) по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 4312.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного горного института.
Автореферат разослан 16 сентября 2009 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

диссертационного совета

к.г.-м.н., доцент Ю.Л. Гульбин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Костомукшское месторождение железистых кварцитов располагается в Калевальском районе Республики Карелия, является крупнейшим по запасам на Северо-Западе России и разрабатывается с 1982 г. предприятием ОАО «Карельский окатыш». В год оно перерабатывает около 24 миллионов тонн железных руд, выпускает 8,84 миллионов тонн железных окатышей. В настоящее время аэротехногенные выбросы SO2 предприятия составляют приблизительно 30 тыс. т/год, пыли 7-8 тыс. т/год (Михайлов, 2002).

С момента разработки месторождения сотрудниками Институтов леса и водных проблем Севера Карельского НЦ РАН проводятся регулярные эколого-геохимические исследования в зоне действия предприятия. В 1990-1993 гг. ГНПП «Аэрогеология» выполнило аэрокосмический мониторинг геологической среды в районе Костомукшского месторождения. В 1994 г. региональный геоэкологический центр «Невскгеология» осуществлял геоэкологическое картирование в районе г. Костомукша. В 2000 г. кафедра геоэкологии СПбГУ провела оценку экологического состояния окружающей среды в районе г. Костомукша и в Костомукшском заповеднике. В 1999-2002 гг. работниками цеха по производству геологических работ ОАО «Карельский окатыш» выполнены работы по теме «Мониторинг геологической среды». Важный вклад в анализ и оценку эколого-геохимических параметров геологической среды внесли Р.Р. Атласов, Г.С. Бискэ, В.В. Дьяконов, И.П. Лазарева, П.Ю. Литинский, П.А. Лозовик, Н.Г. Федорец, Г.В. Шильцова, G. Várkonyi, J. Heikkilä, J. Lehto и др.



Длительное влияние железорудного производства ОАО «Карельский окатыш» обусловило геохимические изменения окружающей среды в зоне его воздействия, а увеличение производственных мощностей, происходящее в настоящее время в связи с разработкой Корпангского месторождения железистых кварцитов, определяет актуальность контроля дальнейших геохимических изменений. Это важно, так как в непосредственной близости от комбината находится г. Костомукша (население 30,2 тыс. чел.) и природный заповедник «Костомукшский», созданный в 1983 г. для сохранения типичных природных ландшафтов северотаежной подзоны.

Цель работы заключается в оценке современного состояния и динамики изменений химического загрязнения различных компонентов окружающей среды, как основы для прогноза развития эколого-геохимической ситуации.

Основные задачи исследования: 1) анализ и обобщение результатов ранее выполненных работ по изучению изменения химического состава компонентов природной среды (почв, донных осадков водотоков и водоемов, снегового покрова, поверхностных вод) с начала разработки Костомукшского железорудного месторождения и по настоящее время; 2) выявление ассоциаций рудных, в том числе экологически опасных концентраций химических элементов, характерных для горных пород и руд Костомукшского района; 3) изучение поведения химических элементов в природных и техногенных процессах в зоне влияния железорудного производства; 4) установление причинно-следственных связей между повышенными концентрациями элементов и их источниками.

Научная новизна работы. 1) Установлены закономерные ассоциации рудных, в том числе экологически опасных концентраций химических элементов в почвах, донных осадках, мхах, лишайниках и их роль в формировании геохимических аномалий в зоне влияния железорудных горнопромышленных предприятий северо-запада России на примере Костомукшского железорудного района. 2) Выявлена динамика накопления химических элементов в компонентах окружающей среды Костомукшского района.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

  1. Закономерности распределения и накопления ассоциаций химических элементов в различных компонентах окружающей среды Костомукшского района определяются сложным взаимодействием факторов влияния коренных пород, характером растительности и техногенной нагрузкой.

  2. Под влиянием природных процессов и хозяйственной деятельности человека в Костомукшском районе сформировались природные, природно-техногенные и техногенные (горнопромышленный, селитебный и транспортный) геохимические ландшафты.

  3. Динамика геохимических изменений в компонентах окружающей среды Костомукшского района в период с 1992 по 2008 гг. незначительна (фиксируется по Fe, Ni, Cr, Mn, Co, Pb, V), определяется характером и интенсивностью техногенного воздействия и ландшафтно-геохимическими условиями (поглотительной способностью почв, геохимическими барьерами), влияющими на миграцию и накопление элементов.

Фактический материал и методика исследований. В июле-августе 2006 года автор проводила эколого-геохимические работы на территории, подвергающейся воздействию предприятия. Было отобрано 35 проб почв и 23 пробы мха, лишайника, а также пробы сырья, продуктов и отходов производства на дробильно-обогатительной фабрике и в цехе производства окатышей (51 проба). В 2007 году участвовала в подготовке проектной документации по организации геоэкологического мониторинга для ОАО «Карельский окатыш». В июле-августе 2008 г. самостоятельно провела эколого-геохимический мониторинг в зоне воздействия предприятия. Площадь работ включала территорию, в центре которой расположена промплощадка предприятия, к востоку от нее хвостохранилище, к западу и северо-западу - Костомукшское месторождение, участок Северный-2, Корпангское месторождение, на юго-западе изучаемой территории – г. Костомукша. Краевые части территории находились на расстоянии до 10-15 км от вышеуказанных объектов. Размер площади съемки составил 660 км2. Опробование производилось в масштабе 1:200 000 со средней плотностью сети 2х2 км на 114 станциях мониторинга. Для того чтобы исключить влияние авто и ж/д транспорта выдерживалось расстояние более 0,5-1 км от дорог. Основное внимание уделялось гумусовому горизонту почв (114 проб). На 67 точках наблюдения для оценки распространения содержаний химических элементов на глубину опробовался полный почвенный разрез. Для характеристики аккумулятивных ландшафтов отобрано 20 проб торфа. Проведено биогеохимическое опробование 59 проб мха Sphagnum sp., Pleurozium schreberi, 37 проб эпигейного лишайника рода Cladonia rangiferina и 32 пробы эпифитного лишайника Alectoria sarmentosa с ветвей ели обыкновенной Picea abies (L.) Karst. На точках ежегодных гидрохимических наблюдений Института водных проблем Севера было отобрано 11 проб донных осадков.

Подготовка навесок и аналитические работы выполнялись в ЦЛ ВСЕГЕИ. Выполнен полуколичественный спектральный эмиссионный анализ 518 проб (CТЭ-1, метод «испарения из канала электрода», аналитики Н.П. Баландина, Г.В. Кобарева). В половине проб гумусового горизонта почв, биоматериалов определены содержания Te, Tl, Cd, Bi, As масс-спектрометрическим методом с индуктивной плазмой (ELAN-6100-DRC, аналитики В.А.Шишлов, В.Л. Кудряшов) с экстрагированием неозоленных проб царской водкой и содержания Ga, Ge, Sc, Zr, Sb, Ni, Co, Cr, V с полным кислотным разложением озоленных проб. Атомно-абсорбционный метод (Юлия-5М, способ «холодного пара», аналитик И.В. Реутова) с определением влажности использован для определения содержаний Hg в 5 пробах гумусового горизонта почв и 13 пробах донных осадков. Химические методы использовались для определения pH солевой вытяжки 92 проб почв и 13 донных осадков (аналитик Л.Д. Цыбра) и содержания подвижных соединений калия по методу Б.П. Мачигина (Optima 2000DV, аналитик В.Л. Кудряшов).

В диссертационной работе использованы данные других исследователей по опубликованным и фондовым материалам. Автором созданы база эколого-геохимических данных, проведена их математическая обработка с применением корреляционного, факторного, кластерного и других методов статистического анализа (Statistica 7.0) и построением геохимических карт (Surfer 8.0, ArcView 3.3, AutoCAD 2008, Google Планета Земля 5.0.1).

Достоверность результатов диссертационного исследования определяется использованием аналитических данных, полученных по сертифицированным методикам в аккредитованной ЦЛ ВСЕГЕИ, проведением неоднократного внутреннего контроля лаборатории с использованием государственного стандартного образца состава СДПС-3 и внешнего контроля в лаборатории ВНИИОкеангеология, статистической представительностью геохимических выборок, корректным применением методов математической обработки и графического представления информации, а также подробным анализом литературных источников по исследуемой тематике.

Практическая значимость работы состоит в разработке системы методов геохимического мониторинга на основе геохимической оценки состояния окружающей среды Костомукшского района и создании единой базы цифровых и картографических данных эколого-геохимического мониторинга. Результаты исследования найдут применение на предприятии ОАО «Карельский окатыш», они будут полезны и для других организаций, занимающихся экологическими исследованиями и мониторингом окружающей среды на северо-западе России, и могут быть использованы в учебном процессе в курсе «Экологическая минералогия и геохимия».

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на конференциях: «Полезные ископаемые России и их освоение» (Санкт-Петербург, 2005 и 2006, доклады отмечены дипломами первой степени) «Геология, полезные ископаемые и геоэкология Северо-Запада России» (Петрозаводск, 2006), «New developments in Geoscience, Geoengineering, Metallurgy and Mining Economics. Freiberger Forschungsforum 58. Berg-und Hűttenmännischer Tag 2007» (Фрайберг, Германия, 2007), «2008 Mikhail Lomonosov / Immanuel Kant Seminar» (Бонн, Германия, 2008), «Школа экологической геологии и рационального недропользования» (Санкт-Петербург, 2009, доклад отмечен дипломом первой степени и медалью).

По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 2 в журналах, реферируемых ВАК.



Структура и объем работы. Диссертация имеет объем 242 страницы, состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (148 наименований) и 5 приложений. Содержит 119 страниц текста, 31 рисунок и 49 таблиц. Во введении обоснована актуальность работы, определены цель, задачи и практическая значимость исследований, сформулированы защищаемые положения. В первой главе дана оценка современного состояния геологической и окружающей среды Костомукшского района на основе ранее выполненных исследований. Во второй главе приводится методика выполненных полевых и аналитических работ. В третьей главе рассматриваются ассоциации рудных, в том числе экологически опасных концентраций химических элементов, характерных для горных пород и руд Костомукшского района. Четвертая глава посвящена исследованию поведения химических элементов в природных и техногенных процессах. Рассматриваются причинно-следственные связи между повышенными концентрациями химических элементов и их источниками. Пятая глава содержит геохимические рекомендации по защите биосферы. Материалы второй, третьей и четвертой глав обосновывают соответственно 1-ое, 2-ое и 3-е защищаемые положения. В заключении приведены главные выводы.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность заведующему кафедрой МКП члену-корреспонденту РАН профессору Ю.Б. Марину, главному геологу ОАО «Карельский окатыш» Н.Н. Голикову, профессору Фрайбергской Горной Академии Й. Матчуллату (J. Matschullat), К.-Х. Лёбелю (K.-H. Löbel), доктору геолого-минералогических наук профессору А.Г. Марченко, главному метрологу ВСЕГЕИ Ю.Н. Борину, геологам ОАО «Карельский окатыш» Н.Н Голубеву и В.А. Криворучко. Особая благодарность доценту кафедры МКП В.И. Алексееву, с которого началась моя Костомукша.

Тема исследований соискателя поддержана двумя персональными грантами Научно-образовательного центра (НОЦ) СПГГИ (ТУ) в 2006 г., персональным грантом правительства г. С-Петербурга и грантом правительства Российской Федерации в 2008 г., грантом Министерства образования и науки РФ и Германской службы академических обменов (DAAD) по программе «Михаил Ломоносов-II» 2008-2009 гг.



КРАТКАЯ ГЕОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Костомукшский железорудный район находится в пределах Западно-Карельской структурно-фациальной зоны Карельского мегаблока, при сочленении ее с Восточно-Финляндским антиклинорным поднятием. В его геологическом строении принимают участие раннеархейские (саамский комплекс) и позднеархейские кристаллические образования (лопийский комплекс). Костомукшское месторождение находится в центральной части Костомукшского синклинория и приурочено к западному и южному крыльям асимметричной Костомукшской синформы IV порядка, дугообразно изогнутой относительно Костомукшской куполовидной структуры. По простиранию на север месторождение естественно переходит в Корпангское месторождение с условной границей по разлому СЗ направления.

Породы, слагающие месторождения, относятся к гимольской серии лопия и представлены, в основном, магнетитовыми кварцитами, переслаивающимися с ритмичнослоистыми кварц-биотитовыми, биотит-кварцевыми и углеродсодержащими филлитовидными сланцами. Повсеместно развиты апогипербазитовые сланцы. Среди магматических пород распространены плагиориодациты (геллефлинты), гипербазиты, лампроиты, лампрофиры, граниты, габброиды. Руды и вмещающие породы в той или иной степени изменены в результате метаморфических и гидротермально-метасоматических преобразований.

На Костомукшском месторождении выделены четыре разновидности руд: щелочноамфиболовые (рибекитовые, актинолитовые, кросситовые с эгирином, биотитом, карбонатом); биотитовые (грюнерит-биотитовые, карбонат-биотитовые, рибекит-биотитовые); грюнеритовые (биотит-грюнеритовые, карбонат-биотит-грюнеритовые); двуамфиболовые (роговообманково-грюнеритовые с биотитом и карбонатом). Руды Корпангского месторождения имеют амфибол-магнетитовый состав с разновидностями: кроссит-магнетитовой, арфведсонит (рибекит)-магнетитовой, эгирин-магнетитовой и роговообманково-магнетитовой и биотит-магнетитовой. Содержание (Fe3O4+SiO2) в магнетитовых кварцитах составляет 87-92%. Оксиды Al2O3, MgO, CaO, K2O+Na2O содержатся в количестве n·(0,1-1)%. Незначительную примесь составляют P2O5 (n·0,1%) и SrO (n·0,01%). Содержание S возрастает от богатых (0,03%) к бедным (0,9%) рудам и достигает 7% в силикатных кварцитах. Из всех элементов-примесей в рудах только содержания Mn (n·0,01%) и Ge (n·0,0001%) достигают кларковых значений. Руды содержат низкие концентрации экологически опасных элементов (в %): Zn, Ti – n·0,01; Cr, V, Pb, Ni, Y - n·0,001; Ga, Sc - n·(0,001-0,0001); Co, Cu, Ge - n·0,0001; Ag - n·(0,00001-0,000001). Содержание Au в рудах - n·(1-0,001) г/т.

Добыча руд приводит к выбросу химических элементов, скрытых в земной коре, в биосферу с их последующей миграцией. На уровни содержаний химических элементов в компонентах окружающей среды (почвах, донных осадках, растительности) оказывает влияние геохимический фон подстилающих пород. Из анализа результатов опробования коренных пород Костомукшской зеленокаменной структуры следует, что медианные содержания Mo, W, Bi, As, Au и Ge незначительно превышают кларки земной коры или находятся на их уровне. Содержания остальных элементов находятся ниже их кларковых значений.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ


1. Закономерности распределения и накопления ассоциаций химических элементов в различных компонентах окружающей среды Костомукшского района определяются сложным взаимодействием факторов влияния коренных пород, характером растительности и техногенной нагрузкой.

Объектами исследований являются широко распространенные на территории Карелии подзолистые, подзолисто-глеевые и торфяно-болотные почвы. Подзолистые почвы представлены: иллювиально-гумусово-железистыми, иллювиально-железистыми, болотно-подзолистыми разновидностями. Почвообразующими породами являются ледниковые отложения с высоким содержанием обломков кристаллических пород, что определяет малую мощность и неравномерность почвенного покрова. С одной стороны, почвы, как депонирующая среда, отражают долговременно развивающееся загрязнение территории, мхи и лишайники, как кратковременно депонирующая среда, отражают текущее (за период до 1-2 лет) загрязнение территории. С другой стороны состав коренных горных пород во многом определяет геохимические особенности почв и видовой состав произрастающих на них растений.

По результатам факторного анализа (метода главных компонент) гумусовый горизонт почв изучаемой территории геохимически независим от разновидностей почвоподстилающих пород. Влияние коренных пород наблюдается с глубиной, по почвенному профилю возрастают содержания Cr, V, Co, Fe, Mg, Y и Sc. В гумусовом горизонте почв наиболее значимым фактором (вес в суммарной дисперсии - 41,25%), влияющим на распределение химических элементов, является особенность их водной миграции в кислой среде (рН=5-6), обусловленная высоким содержанием фульвокислот. В результате была выявлена ассоциация слабо подвижных и инертных элементов в кислой среде Sc, Y, Ba, Ga, Zr, TiO2, Be, Co. Другую ассоциацию образуют подвижные катионы Са и Sr, их накопление связано с биогенной аккумуляцией, источниками поступления являются почвообразующие породы и аэротехногенные выбросы предприятия, содержащие щелочноземельные элементы. Вторым по значимости (19,24) является биогеохимический фактор, ставший причиной формирования ассоциации Mn, P, Zn и Cu. Почва – современная кора выветривания, в ней высока роль органических кислот, которые разрушают кристаллические решетки минералов, способствуя переходу элементов из минеральной формы в растворы. Затем растения выборочно аккумулируют элементы, которые при опаде могут накапливаться в гумусовом горизонте. Элементы поступают в растения в основном из почвенных растворов, в последних находится менее 0,2% питательных веществ почвы. Органические остатки, гумус, различные минералы содержат около 98% биоэлементов. Их можно рассматривать как своеобразный, постепенно используемый резерв. В слабокислых почвенных растворах Zn легко соединяется с Cl-, [NO3]-, [SO4]2-, образуя легкорастворимые соли, которые усваиваются растениями. Cu имеет большое химическое сродство к гумусу и прочно фиксируется в виде органического комплекса. На изучаемой территории 80% проб гумусового горизонта почв имеют содержания Cu ниже фонового (20 мг/кг), кислые подзолы (особенно торфянистые) обеднены Cu по сравнению с другими типами почв. Mn относится к слабо подвижным элементам в кислой среде, в отличие от Zn и Cu. Mn и P входят в молекулу хлорофилла растений, являются сильными биофильными и биогенными элементами. Zn и Cu также участвуют в процессах ферментативного переноса, окисления и гидролиза. Процесс почвообразования на содержания Zn и Cu влияет слабо. С третьим фактором (12,82%) связана ассоциация Cr, Mo и Ni, обусловленная одновременно влиянием техногенной деятельности предприятия и фоном коренных пород. Ni имеет бимодальное распределение, т.е. на распределение случайной величины оказали влияние сразу два процесса - выветривание коренных пород и аэротехногенные выбросы предприятия. Закрепление Mo в почвах района возможно связано с его литохимическими аномалиями в коренных породах (до 50 г/т).

Четвертый фактор (9,21%) стал причиной появления ассоциации Ag, Sn и Pb. Для Sn и Pb биологическое накопление не характерно в отличие от Ag. Влияние состава почвообразующих пород на изменение содержаний Pb в почвах, несомненно. Только в 25% проб коэффициенты концентрации Pb превышают фоновые значения в 2-3 раза. В 5% проб имеет место превышение ПДК по Pb (32 мг/кг). Содержание Pb в коренных породах колеблется от 5 до 15·10-3%. Ag преимущественно накапливается в гумусовом горизонте, где медиана Ag составляет 0,15 мг/кг, по почвенному профилю содержания ниже и изменяются от 0,03 до 0,06 мг/кг. Следует отметить, что в комплексных геохимических аномалиях коренных пород района встречается ассоциация Sn, Pb и Ag.

От барьерных свойств почв зависит способ формирования и состав элементных ассоциаций. Миграция химических элементов в элювиальной почве обусловлена, главным образом, выщелачиванием, в результате накапливаются Zr, Ca, К, Sr, источниками которых являются полевые шпаты и циркон. В иллювиальном горизонте почв на окислительном барьере накапливаются Cr, V, Co, Fe, Mg, Y, Sc. Характерно, что их содержания выше, чем в гумусовом горизонте почв. При встрече кислородных вод с глеевой средой возникает глеевый барьер, распространенный в краевой части болот. Для этого барьера характерна концентрация Fe, Mn, Cr, Мо, Сu.

В распределении химических элементам по фитоценозам отмечаются самые низкие концентрации для эпифитных лишайников, увеличение концентраций в ягеле, мхах и максимальные в гумусовом горизонте почв. Как правило, избыток или дефицит определенных элементов в почве сказывается на их содержаниях в растениях. Почва является долговременнодепонирующей средой, в отличие от биоматериалов. Наибольшие отклонения содержаний во мхах по сравнению с почвами обнаружены для Ni, Cr, Mo, Ag и Zn. Моховой покров представляет собой биогеохимический абсорбционный барьер. Первый фактор (вес фактора – 53,59%) влияет во мхах на ассоциацию Sr, Ba, TiO2, V, Cr, Co, Ni, Zr, Sc, Y, Be, Mo, Ga. К подобной ассоциации, наблюдаемой в почвах, добавились Cr Ni, источниками которых являются одновременно фон основных и ультраосновных вулканитов и техногенная деятельность. Второй фактор (16,15%) влияет на накопление халькофильной ассоциации Zn, Pb и Ag. При этом медианы Zn и Pb находятся на уровне средних содержаний для мхов Костомукшского заповедника. Медианы Ag для мхов Костомукшского района и Кольского полуострова равны и составляют 0,03 мг/кг (Environmental geochemical atlas, 1997). Третий фактор (7,08%) интерпретируется как накопление Mn растениями.

На территории исследования выражена биохимическая дифференциация элементов - эпифитные лишайники и мхи накапливают больше Fe, Zn и Cd, чем ягель, мхи содержат существенно больше Mg и Mn по сравнению с лишайниками. Cодержания Mn выше во мхах, чем в гумусовом горизонте и ягеле.

По результатам геохимического мониторинга 2008 г. и анализа геологического плана района построена геохимическая карта, отражающая состояние окружающей среды под воздействием природных и антропогенных факторов.



2. Под влиянием природных процессов и хозяйственной деятельности человека в Костомукшском районе сформировались природные, природно-техногенные и техногенные (горнопромышленный, селитебный и транспортный) геохимические ландшафты.

Важной частью эколого-геохимических исследований является установление природных условий формирования зон загрязнения и особенностей распределения фоновых параметров. Один и тот же объем техногенной нагрузки в разных ландшафтах вызовет неодинаковые геохимические изменения окружающей среды. Они тем больше, чем выше природный фон отдельных элементов. Тип функционального землепользования достаточно точно указывает на интенсивность нарушений, что позволяет провести разделение геохимических ландшафтов на существенно природные, природно-техногенные и существенно техногенные. В таблице приведена ландшафтно-геохимическая характеристика Костомукшского района. В природных ландшафтах ведущим видом миграции химических элементов является биогенный; механический и физико-химический играют второстепенную роль. Однако в связи с аэротехногенной нагрузкой предприятия происходит привнос определенного набора элементов. Одновременно с вырубками леса происходит вынос части элементов из-за вывоза леса и увеличения поверхностного стока. В результате природные ландшафты становятся природно-техногенными. При этом смена одного ландшафта другим сказывается на соседних ландшафтах. Из сравнения автономных ландшафтов с аккумулятивными следует, что содержания Mn и Fe приблизительно одинаковы. Повышенные значения Mn могут наблюдаться в верховых слоях торфов, что говорит о высокой биофильности элемента. Торф Костомукшского района обладает более высокими содержаниями Cu, Mo, Zn, Co по сравнению со средними показателями Кольско-Карельской области.

Для каждого типа хозяйственного использования характерен определенный геохимический спектр поллютантов. В состав ассоциаций входят Pb, Zn и Сu, связанные с транспортными техногенными ландшафтами. Наиболее широким спектром характеризуется горнопромышленный тип. Области загрязнения почв вокруг карьеров Костомукшского и Корпангского месторождений представляют собой вторичные ореолы и потоки рассеяния Fe, Mn и Ni, вокруг хвостохранилища - Fe, Mn, Pb, Cr и Co. В донных отложениях хвостохранилища выявлены повышенные концентрации Zn, Ni, Cr As, Co. По результатам исследований 1993 (Атласов и др., 1993ф) и 2008 гг. отмечено накопление As в донных отложениях, в области спуска вод из хвостохранилища в оз. Окуневое. Его накопление возможно за счет техногенного преобразования (процессов обогащения на фабрике) силикатных кварцитов и сланцев, а затем гипергенеза в хвостохранилище.

На территории, находящейся в зоне аэротехногенного влияния предприятия, выражен нейтрализующий эффект щелочноземельных элементов, поступающих с пылевыми выпадениями. В радиусе 2 км от промплощадки снижена почвенная кислотность. Другие лесорастительные характеристики остаются стабильными (содержание обменных оснований, подвижных форм P и K). Поступление с аэротехногенными выбросами предприятия N в количестве не более 200 мг/м2 не изменяет азотный режим почв, а количество тяжелых металлов не вызывает явного угнетения микробиологической деятельности и не отражается на процессах трансформации органических азотсодержащих соединений (Федорец, Бахмет, 2003). По мере приближения к предприятию, начиная с 5 (ЮЗ) и 9 (СВ) км, в лесных подстилках возрастает общее содержание S до 0,25-0,30% (Федорец, 2001а). Ряд приоритетных загрязнителей имеет следующий вид: Fe>Ni>Cr>Mn>Pb>Co. Наиболее высокая степень концентрирования в лесных подстилках характерна для Fe. В радиусе 0,5 км вокруг предприятия его количество превысило фон в 10 раз, затем в юго-западном направлении интенсивность его накопления плавно падает, в то время как на северо-востоке остается очень высокой – вокруг хвостохранилища. Количество Ni превышает региональное фоновое значение для Калевальского района (15 мг/кг) на расстоянии 5 км вокруг карьеров, промплощадки, хвостохранилища, медианное значение на изучаемой территории составляет 80 мг/кг. Повышенное накопление Co отмечается на расстоянии 2 км на юго-запад и до 0,5 км на северо-восток, а Cr – до 2 км на юго-запад и до 0,5 км на северо-восток. По содержанию элементов первого класса опасности изучаемая территория имеет минимальный уровень загрязнения.

Особенности селитебного ландшафта зависят от промышленной специализации населенного пункта. На территории исследования выделены три селитебных ландшафта – г. Костомукша, пос. Контокки и пос. Заречный. В г. Костомукша отсутствуют крупные промышленные предприятия. ТЭЦ города и предприятия ОАО «Карельский окатыш» расположена на промплощадке. Состав золы углей ТЭЦ представлен широкой ассоциацией элементов (более 30) – Pb, Mo, Sb, Ge, Zn, As, Cd, Se и др. Пылевые выбросы, образующиеся при сжигании угля, также характеризуются широким набором элементов с высоким уровнем концентрации. Район г. Костомукша и прилегающие к нему территории относятся к районам со слабой степенью загрязнения почв (Опекунова, 2000ф). В селитебной зоне г. Костомукша в донных отложениях выявлены следующие элементы с высокими коэффициентами концентрации: Ag, Mn, Cu, Sn, P, Ba, Pb.

3. Динамика геохимических изменений в компонентах окружающей среды Костомукшского района в период с 1992-2008 гг. незначительна (фиксируется по Fe, Ni, Cr, Mn, Co, Pb, V), определяется характером и интенсивностью техногенного воздействия и ландшафтно-геохимическими условиями (поглотительной способностью почв, геохимическими барьерами), влияющими на миграцию и накопление элементов.

Территория Костомукшского заповедника и г. Костомукша созданы с учетом розы ветров, и удалены от промышленных объектов на 13-15 км и 30 км соответственно. На первом этапе исследований (Лазарева и др., 1992), проводимом в районе Костомукшского ГОКа, было выявлено, что через 5 лет работы комбината вокруг него сформировалась зона запыления почвы до 10 км и зона загрязнения газовыми и аэрозольными составляющими выбросов до 20-50 км (Литинский, 1996а). Исследование накопления S в лесных подстилках показало превышение ее фоновых показателей в 2 раза. Через 6 лет установлено снижение ее содержания до уровня фоновых (0,11%). (Интегрированный…, 1998), что объясняется падением производства, имевшим место в середине 90-х гг. В 2001 г. предприятие сократило выбросы SO2 с 68 тыс.т в год до 30 тыс.т. Это связано с выполнением резолюции международных совещаний в Женеве (1979 г.) и Осло (1994 г.), результатом чего стало приобретение установки для экономичного сжигания мазута канадской фирмы «Металл 7», смонтированной на обжиговых машинах.

На рисунке представлена карта суммарных коэффициентов (Zc) концентрации в 2008 гг. и формулы ассоциаций элементов загрязнителей. В 1990 г. исследователи выделили следующий ряд приоритетных загрязнителей изучаемой территории: Fe>Ni>Cr>Co>Zn>Cd>Pb>Cu>Sr>Mn (Лазарева и др., 1992). В 2001 г. - Fe>Cr>Co>Ni>Cu>Cd>Mn>Pb>Zn (Федорец, 2001а). В результате нашего исследования элементы располагаются в следующем порядке: Fe>Ni>Cr>Mn>Pb>Co. С 1990 г. по настоящее время остаются главными загрязнителями территории Fe>Ni>Cr. С 1993 в гумусовом горизонте почвы увеличились содержания Fe, Cr, Ni, Mn, Cu и Zn. Характер формирования и состав загрязнения определяются барьерными свойствами почв. Исходя из почвенной характеристики территории, следует ожидать транзитную миграцию тяжелых металлов, сульфатов и других поллютантов на аккумулятивных ландшафтах, поскольку иллювиально-железистые подзолы характеризуются низким содержанием сорбентов - пылеватых и илистых частиц, от которых зависит накопление влаги и подвижных форм элементов (Zn, Сu, V, Со, Sr, Pb, Cr, Hg, As, Ag). Миграция химических элементов в элювиальной почве состоит из двух противоположных процессов - биогенной аккумуляции и выщелачивания. На биогеохимическом барьере осаждаются: Zn, Cu, Pb, V, Mo, Co и Mn. В иллювиальном горизонте формируется окислительный геохимический барьер, для которого характерна концентрация Fe, Mn и Со. Песчаные почвы обладают хорошей водопроницаемостью и низкой водоудерживающей способностью. Каменистость почв и расчлененный рельеф местности обеспечивает хороший дренаж почвенно-грунтовой толщи. Преобладание лесов на территории исследования определяет их противодефляционную роль и повышенный речной подземный сток.

В пылевых эмиссиях предприятия среди тяжелых металлов преобладает Fe. Вокруг промплощадки, хвостохранилища регистрируется зона радиусом 5 км с повышенными содержаниями в гумусовом горизонте и мхах, вытянутая на ЮВ от промплощадки. В настоящее время медиана содержаний Fe в эпифитных лишайниках на изучаемой территории составляет 700 мг/кг, что соответствует уровню среднего содержания в Костомукшском заповеднике (664 мг/кг), но превышает фоновые концентрации по Карелии (500 мг/кг). Медиана содержаний Fe во мхах (4196 мг/кг) значительно превышает фоновых значения по Карелии (200 мг/кг). Медиана содержаний Fe в гумусовом горизонте почв (5 595 мг/кг) значительно превышает среднее содержание в почвах Костомукшского заповедника (150,77 мг/кг). Содержание Fe в подзолистых почвах Карелии изменяется в широких пределах до 1,5–2%. С глубиной накопление Fe в профиле возрастает в иллювиальном горизонте.

Медианы содержаний Ni в эпифитах Костомукши равно 5,26, в ягеле – 14,50, во мхах – 35,25 мг/кг. Для сравнения: медиана содержаний Ni во мхах Кольского полуострова составляет 5,39 мг/кг. Содержание Ni в почвах Карелии варьирует в широких пределах (5-500), в среднем составляя 40 мг/кг. Региональный фон Калевальского района равен 15 мг/кг. Согласно данным мониторинга 2000 года медиана содержаний Ni в почвах равна 22 мг/кг, по данным 2008 г. - 80 мг/кг. При этом медиана содержаний Ni убывает от 80 в гумусовом горизонте до 8 – в элювиальном и составляет 15 мг/кг – в иллювиальном. Важно, что проявления и пункты минерализации Ni на изучаемой территории не выделяются. Область повышенных содержаний Ni в гумусовой почве располагается южнее промплощадки.

В 2000 году медиана содержаний Cr в гумусовом горизонте на исследуемой территории равнялась 29,2 мг/кг, в настоящее время она составляет 65,8, что превышает среднее содержание Cr в почвах заповедника 15,39 мг/кг. Во мхах медиана содержаний Cr равна 15 мг/кг. Медиана содержаний Cu в эпифитах составляет – 2, в ягеле – 5, во мхах – 8 мг/кг. В пробах, отобранных рядом с предприятием, отмечаются концентрации Cu во мхах равные 20-25 мг/кг. Для сравнения: содержание Cu в лишайниках Финляндии варьирует от 2,7 до 10,1 мг/кг в зависимости от вида и местообитания, во мхах - до 14 мг/кг. Фоновое содержание Cu для биоматериалов Карелии достигает 5 мг/кг. Среднее содержание Cu в почвах заповедника равно 4,12 мг/кг. На исследуемой территории медиана Cu в почвах составляет 10 мг/кг.

В обследованной почве содержание Mn колеблется в подстилках в пределах 248-353 мг/кг, наибольшее количество накапливается на ближайших к комбинату площадках. Медианное значение Mn равно 194 мг/кг, что ниже регионального фона для почв Калевальского района (200-550 мг/кг). Мхи сильнее аккумулируют Mn, медиана содержаний этого элемента составляет 387 мг/кг.

Медиана содержаний Pb в эпифитах Костомукши - 1,5, в ягеле – 2,5, во мхах – 4 мг/кг. Вокруг промплощадки фиксируется положительная аномалия Pb во мхах с концентрациями до 20 мг/кг. Содержание Pb в лишайниках Финляндии варьирует в пределах 2,7-22, во мхах – до 24 мг/кг. В исследуемых почвах медиана содержаний Pb равна 15 мг/кг, что ниже регионального фона Калевальского района (17 мг/кг). Медиана содержаний Zn равна в эпифитах и ягеле Костомукши 12, во мхах – 30 мг/кг. Вокруг промплощадки фиксируется во мхах положительная аномалия Zn до 55 мг/кг. Для сопредельных территорий Финляндии содержание Zn в лишайниках изменяется в пределах 16-92, во мхах – до 78 мг/кг. Медиана содержаний Zn в почвах равна 25 мг/кг, в пределах колебания фоновых содержаний в почвах Карелии – 10-200 мг/кг.



Изучаемая территория имеет минимальное загрязнение элементами первого класса опасности. Максимальные обнаруженные содержания Cd в лишайниках Костомукши для эпифитов равны 0,082, ягеля – 0,12, мха – 0,27 мг/кг. В Финляндии соответственно содержание Cd в лишайниках равно 0,21-0,7, во мхах до 0,88 мг/кг. В подстилках медианное содержание Cd равно 0,28, As – 1,28 мг/кг. Максимальная концентрация Tl в почвах низкая (0,3 мг/кг). Содержания Hg в почвах и донных осадках низкие, не превышают ПДК. Территория, подвергающаяся наибольшему загрязнению тяжелыми металлами, располагается в пределах радиуса 10 км вокруг горнопромышленных объектов. Данный радиус наибольшего воздействия на окружающую среду вокруг промплощадки с течением времени не изменился. Используя карту суммарного загрязнения и станции нашего мониторинга, можно создать регулярную сеть долгосрочного локального мониторинга.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ


В результате проведенного исследования проведена оценка современного состояния и динамики геохимических изменений в различных компонентах окружающей среды: почвах, донных осадках, мхах, лишайниках. Предприятие ОАО «Карельский окатыш» планирует вести добычу железных руд до 2050 г. Результаты исследования могут быть использованы в качестве базы для создания станций единого постоянно действующего детального эколого-геохимического мониторинга с решением прогностических задач на будущее. Полученная информация необходима и при проведении регионального мониторинга в Карелии. Предприятие ОАО «Карельский окатыш» необходимо г. Костомукше, стране. Нужен поиск оптимизаций производственных процессов и совершенствование существующих технологий. Следует сформулировать такую стратегию организации производства, чтобы в комплексном портфеле с методикой приемов была тактика развития в части ее экологического «беспокойства».

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

  1. Пантелеева Я.Г. Оценка состояния окружающей среды Костомукшского района Республики Карелии на основе эколого-геохимических исследований. // Записки Горного института. Т.167, Ч.1, 2006. С. 26-28.

  2. Пантелеева Я.Г. Экологически опасные элементы и минералы в сырье, продуктах и отходах ОАО «Карельский окатыш» и уровни накопления загрязняющих веществ в окружающей среде. // Геология, полезные ископаемые и геоэкология Северо-Запада России. Материалы XVII молодежной научной конференции, посвященной памяти К.О. Кратца. Петрозаводск, 2006. С. 236-238.

  3. Пантелеева Я.Г. Экологически опасные элементы и минералы в исходном сырье, продуктах и отходах производства ОАО «Карельский окатыш» (г. Костомукша). // Записки Горного института. Т.170, Ч.1, 2007. С. 37-39.

  4. Panteleeva Y. Geochemical research of influence of the iron-ore mining company “Karelsky Okatysh” on the environment. // New developments in Geoscience, Geoengineering, Metallurgy and Mining Economics. Freiberger Forschungsforum 58. 2007. P. 68-72.

  5. Пантелеева Я.Г. Эколого-геохимический мониторинг в зоне действия железорудного предприятия ОАО «Карельский окатыш». // Материалы X межвузовской молодежной научной конференции. СПБГУ. 2009. C. 233-236.

  6. Пантелеева Я.Г. Геохимические изменения окружающей среды в связи с разработкой Корпангского месторождения (г. Костомукша, Республика Карелия). // Материалы научного семинара стипендиатов программы «Михаил Ломоносов» 2008/09 года. М. 2009. С. 163-166.





База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал