📄Работа №200731
Тема: ЭКОГЕОХИМИЯ РАЙОНОВ ПРОМЫШЛЕННОГО ОСВОЕНИЯ БОЛЬШЕЗЕМЕЛЬСКОЙ ТУНДРЫ И ЯМАЛА
Тип работы
Диссертация
Предмет
геология и минералогия
Объем:
362 листов
Год:
2016
Просмотров:
40
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
ВВЕДЕНИЕ 8
Глава 1. ЭКОГЕОХИМИЯ ТУНДРОВЫХ ЛАНДШАФТОВ: НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ
ТЕОРИИ 16
1.1. Особенности миграции химических элементов в криолитозоне 16
1.1.1. Механическая миграция и нивальное преобразование рельефа 17
1.1.2. Криогеохимические процессы в почве при вымораживании растворов 17
1.1.3. Миграция влаги при промерзании почв 19
1.1.4. Капиллярные явления в почвах 20
1.1.5. Сорбционные процессы и природные сорбенты в мерзлотных почвах 22
1.1.5.1. Почвенные коллоиды: гидроксиды железа и марганца 22
1.1.5.2. Глинистые минералы 23
1.1.5.3. Торф 23
1.1.5.4. Органическое вещество почв 24
1.2. Геохимическая активность снежного покрова 26
1.2.1. Образование субохлажденной пленочной влаги в снежной толще 27
1.2.2. Внутриснежное формирование криогидратов 28
1.2.3. Г еохимическая роль атмосферных газов в снежном покрове 29
1.3. Геохимические барьеры в ландшафтах 30
1.3.1. Механические геохимические барьеры 31
1.3.2. Биогеохимические барьеры 32
1.3.2.1, Биотические факторы 32
Биофильность 32
1.3.2.2, Геохимические факторы 33
Геохимическая специализация растений 33
1.3.2.3, Взаимодействие растений с аэрозольным стоком 34
Механизм взаимодействия воздушного потока с листовой поверхностью 34
Нарушение концентрационных функций растений при атмосферном загрязнении 36
1.3.3. Физико-химические барьеры 38
1.3.4. Техногенные геохимические барьеры 38
1.3.5. Природно-техногенные геохимические барьеры 40
1.3.6. Искусственные геохимические барьеры 41
1.3.6.1. Геохимические барьеры в ресурсосберегающих технологиях 41
1.3.6.2. Геохимические барьеры в ресурсовоспроизводящих технологиях 42
1.4. Геохимическая активность атмосферы и закисление поверхности сульфатными
аэрозолями 42
1.4.1. Ключевые процессы геохимической активности атмосферы 42
1.4.2. Г еохимическая роль ионов железа в атмосфере 44
1.4.3. Образование сульфатных металлокомплексов 46
Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 48
2.1. Подготовительный этап 49
2.2. Полевой этап 49
2.2.1. Ландшафтно-геохимические исследования 49
2.2.2. Геокриологические исследования 50
2.2.3. Снеговедческие исследования 51
2.2.3.1. Устройство для отбора проб снега с поверхностным инеем 51
2.2.3.2. Послойный снегоотборник 52
2.2.4. Атмогеохимические исследования аэрозольного стока 54
2.2.4.1. Пассивный пробоотбор аэрозолей 54
2.2.4.2. Пассивный пробоотборник аэрозолей - импульвератор 55
2.3. Камеральный этап 57
2.3.1. Аналитические методы 57
2.3.2. Расчетные методы 58
2.3.2.1. Статистическая обработка геохимических данных 58
2.3.2.2. Геохимические показатели 62
2.3.3. Физические и морфо-анатомические исследования растений 63
2.3.4. Разработка баз данных с ботанической номенклатурой 63
Глава 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ 64
3.1. Районы нефтедобычи в южной части Большеземельской тундры 64
3.1.1. Г еохимическая дифференциация ландшафтов 68
3.1.1.1. Ландшафты долин малых водотоков 68
3.1.1.2. Ландшафты многоозерья с реликтовыми торфяниками 71
3.2. Старопромышленный район угледобычи в Воркутинской тундре 75
3.2.1. Агроландшафты (сеяные луга) 76
3.3. Субарктические тундры Ямала в зоне газодобычи 79
3.3.1. Г еохимическая дифференциация ландшафтов 85
3.3.1.1. Западно-Ямальская низинная северная тундра 85
3.3.1.2. Центрально-Ямальская средняя субарктическая тундра 88
3.3.I.3. Центрально-Ямальская южная субарктическая тундра 90
3.4. Региональная геохимия элементов 92
3.4.1. Оценка геохимического фона 92
3.4.2. Г еохимия отдельных элементов в почвах Большеземельской тундры 93
3.4.3. Г еохимия отдельных элементов в мерзлотных почвах Ямала 102
3.5. Биогеохимические исследования тундровых растений 110
3.5.1. Биогеохимия отдельных элементов в растениях Большеземельской тундры 113
3.5.2. Биогеохимия отдельных элементов в растениях Ямала 120
Глава 4. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНОГЕННОГО
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТУНДР В РАЙОНАХ ПРОМЫШЛЕННОГО ОСВОЕНИЯ 129
4.1. Особенности геохимической трансформации тундр при проведении геологоразведочных работ 129
4.1.1. Характеристика видов и источников загрязнения 129
4.1.1.1. Источники загрязнения приземной атмосферы 129
4.1.1.2. Механическое повреждение напочвенного покрова 130
4.1.1.3. Химическое загрязнение почв 130
4.1.1.4. Химическое загрязнение снега 131
Геохимическая характеристика снежного покрова 131
Проблема кислого снега 132
4.1.1.5. Загрязнение тундр при авариях на буровых скважинах 137
4.1.1.6. Загрязнение тундр при обустройстве и эксплуатации нефтепромыслов 138
4.1.2. Техногенная трансформация ландшафтной структуры целинных тундр 139
4.1.2.1. Харьягинский тип техногенной ландшафтной структуры 139
4.1.2.2. Сеношорский тип техногенной ландшафтной структуры 143
4.1.2.3. Эколого-геохимическое прогнозное районирование при оценке устойчивости
целинных тундр к нефтяному загрязнению 148
4.1.3. Суффозионный вынос битумоидов из почв 151
4.1.3.1, Радиальное распределение техногенных битумоидов в мерзлотных почвах 151
4.1.3.2. Латеральное рассеяние битумоидов при суффозии глинистых минералов .. 153
4.1.4. Образование ореольных вод 155
4.1.5. Ответные реакции тундровых растений на углеводородное загрязнение 157
4.1.5.1. Морфо-анатомические преобразования в растениях 157
Морфологические изменения 158
Анатомические изменения 158
4.1.5.2. Физические эффекты в сфагнуме при углеводородном загрязнении 160
4.2. Агротехногенное воздействие на целинные тундры в старопромышленном угольном
районе Воркутинской тундры 164
4.2.1. Изменчивость биогеохимической активности луговых растений при агротехногенном
воздействии 164
4.2.2. Биогеохимическая активность растений при аэротехногенном подщелачивании 165
4.3. Аэротехногенное воздействие на субарктические тундры Ямала 170
4.3.1. Источники загрязнения приземной атмосферы на Ямале 170
4.3.2. Снижение межвидовой биогеохимической контрастности растений в условиях
аэротехногенного загрязнения 170
4.3.3. Аэротехногенное ожелезнение поверхности почв 171
4.3.4. Региональные геохимические особенности ландшафтов Ямала 176
4.3.4.1. Криогенное выщелачивание и ожелезнение почв 176
4.3.4.3. Ожелезнение природных вод Ямала 178
4.3.4.2. Эрозионная неустойчивость ландшафтов 184
4.4. Биогеохимическая дифференциация тундровых ландшафтов 186
4.4.1. Биогеохимическая контрастность Большеземельской и Воркутинской тундр 186
4.4.1.1. Большеземельская тундра 186
4.4.1.2. Воркутинская тундра 195
4.4.2. Биогеохимическая активность растений Ямала 198
Глава 5. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ БАРЬЕРООБРАЗОВАНИЯ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ В РАВНИННЫХ ТУНДРАХ 213
5.1. Многолетняя мерзлота и криогеохимические барьеры 213
5.1.1. Мерзлотный водоупор как механический геохимический барьер 213
5.1.1.1. Мерзлотный механический барьер и контрастность геохимического
сопряжения элементарных ландшафтов 216
5.1.2. Кольматированные прослои почвы как сорбционно-механический барьер 217
5.1.2.1. Кольматационный хемосорбционный-механический барьер 218
5.1.3. Капиллярный механический барьер в зоне литологического контроля 219
5.1.3.1 Влияние капиллярного механического барьера на развитие поверхностного
(«висячего») оглеения в профиле мерзлотных почв 220
5.2. Сорбционные барьерообразующие факторы и биогеохимические барьеры 223
5.2.1. Сорбционный биогеохимический барьер 223
5.2.1.3. Геохимическая роль растений-торфообразователей при сорбционном
барьерообразовании 224
5.2.2. Хемосорбционный биогеохимический барьер 226
5.2.2.1. Механизм хемосорбционного барьерообразования в мерзлотных почвах 227
5.3. Кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия барьерообразования
и физико-химические геохимические барьеры 228
5.3.1. Кислотно-щелочные условия 228
5.3.1.1. Кислый геохимический барьер 228
5.3.1.2. Щелочной геохимический барьер 231
5.3.2. Окислительно-восстановительные условия 232
5.3.2.1. Кислородные геохимические барьеры 232
Кислородно-сорбционный геохимический барьер в окислительных условиях 232
Кислородно-сорбционный геохимический барьер в зоне разгрузки ореольных вод .... 233 Образование аномалии типа A6-G6 в зоне разгрузки мерзлотной верховодки 235
Образование аномалий A2-G2 в профиле почв 235
5.4. Снежный покров как барьерообразующий фактор 236
5.4.1. Барьерообразование в зоне контакта «снежный покров-атмосфера»: иней как объект
геохимического опробования 236
5.4.1.1. Морозное концентрирование диоксида серы и сульфатное загрязнение
снежного покрова при осаждении инея 237
5.4.2. Барьерообразование в граничной зоне «снег-почва»: глубинная изморозь как объект
геохимического опробования 239
5.4.2.1. Особенности образования геохимической аномалии дочерних продуктов
распада радона - 210Pb и 210Po в слое кристаллов глубинной изморози 240
Глава 6. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОХИМИЧЕСКИХ БАРЬЕРОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ И
МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 242
6.1. Выявление загрязнения почв 242
6.2. Локализация внутрипочвенного распространения загрязнения 245
6.3. Барьерные технологии пассивного аэрозольного мониторинга 248
6.3.1. Пассивный аэрозольный мониторинг загрязнения ландшафтов: обоснование проблемы. 249
6.3.2. Пассивный аэрозольный мониторинг: обзор 249
6.3.3. Пассивный мониторинг аэрозольного загрязнения приземной атмосферы 250
6.3.3.1. Зонтичный пакет изобретений для организации пассивного мониторинга
аэрозольного загрязнения приземного слоя воздуха 251
6.3.4. Примеры апробации зонтичного пакета изобретений для аэрозольного мониторинга 256
6.3.4.1. Оценка влияния погодообразующих процессов и метеорологических
факторов на аэрозольное загрязнение ландшафтов 256
6.3.4.2. Анализ изменчивости удельной активности искусственных и естественных
радионуклидов в стоке аэрозолей в наземные экосистемы 270
6.3.4.3. Наблюдения за региональным переносом глиноземной пыли по динамике
изменчивости удельной активности 40K в стоке аэрозолей 275
6.3.4.4. Способ контроля загрязнения воздуха наноразмерными частицами 276
6.4. Технологии эколого-геохимического мониторинга снежного покрова 282
6.4.1. Группа изобретений для наблюдения за состоянием снежного покрова и выявления
загрязнения его поверхности в районах холодного климата 282
6.4.2. Результаты апробации изобретений для наблюдения за состоянием снежного покрова ...285
6.4.2.1. Наблюдения за динамикой изменчивости плотности снега 285
6.4.2.2. Контроль динамики послойной изменчивости геохимических параметров
снежной толщи в условиях атмосферного загрязнения 288
6.4.3. Барьерообразование в граничной зоне «снег-почва»: глубинная изморозь как объект
геохимического опробования 292
6.4.3.1. Штриховка «Фореля» на поверхности ледяных кристаллов как индикатор
криогенных процессов 292
6.4.3.2. К механизму барьерообразования в зоне контакта «снег-почва» 293
6.4.3.3. Хионогенное барьерное накопление дочерних продуктов распада радона -
210Pb и 210Po кристаллами глубинной изморози 294
6.4.3.4. Механизм концентрирования радионуклидов в снежной толще 296
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 298
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 303
Глава 1. ЭКОГЕОХИМИЯ ТУНДРОВЫХ ЛАНДШАФТОВ: НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ
ТЕОРИИ 16
1.1. Особенности миграции химических элементов в криолитозоне 16
1.1.1. Механическая миграция и нивальное преобразование рельефа 17
1.1.2. Криогеохимические процессы в почве при вымораживании растворов 17
1.1.3. Миграция влаги при промерзании почв 19
1.1.4. Капиллярные явления в почвах 20
1.1.5. Сорбционные процессы и природные сорбенты в мерзлотных почвах 22
1.1.5.1. Почвенные коллоиды: гидроксиды железа и марганца 22
1.1.5.2. Глинистые минералы 23
1.1.5.3. Торф 23
1.1.5.4. Органическое вещество почв 24
1.2. Геохимическая активность снежного покрова 26
1.2.1. Образование субохлажденной пленочной влаги в снежной толще 27
1.2.2. Внутриснежное формирование криогидратов 28
1.2.3. Г еохимическая роль атмосферных газов в снежном покрове 29
1.3. Геохимические барьеры в ландшафтах 30
1.3.1. Механические геохимические барьеры 31
1.3.2. Биогеохимические барьеры 32
1.3.2.1, Биотические факторы 32
Биофильность 32
1.3.2.2, Геохимические факторы 33
Геохимическая специализация растений 33
1.3.2.3, Взаимодействие растений с аэрозольным стоком 34
Механизм взаимодействия воздушного потока с листовой поверхностью 34
Нарушение концентрационных функций растений при атмосферном загрязнении 36
1.3.3. Физико-химические барьеры 38
1.3.4. Техногенные геохимические барьеры 38
1.3.5. Природно-техногенные геохимические барьеры 40
1.3.6. Искусственные геохимические барьеры 41
1.3.6.1. Геохимические барьеры в ресурсосберегающих технологиях 41
1.3.6.2. Геохимические барьеры в ресурсовоспроизводящих технологиях 42
1.4. Геохимическая активность атмосферы и закисление поверхности сульфатными
аэрозолями 42
1.4.1. Ключевые процессы геохимической активности атмосферы 42
1.4.2. Г еохимическая роль ионов железа в атмосфере 44
1.4.3. Образование сульфатных металлокомплексов 46
Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 48
2.1. Подготовительный этап 49
2.2. Полевой этап 49
2.2.1. Ландшафтно-геохимические исследования 49
2.2.2. Геокриологические исследования 50
2.2.3. Снеговедческие исследования 51
2.2.3.1. Устройство для отбора проб снега с поверхностным инеем 51
2.2.3.2. Послойный снегоотборник 52
2.2.4. Атмогеохимические исследования аэрозольного стока 54
2.2.4.1. Пассивный пробоотбор аэрозолей 54
2.2.4.2. Пассивный пробоотборник аэрозолей - импульвератор 55
2.3. Камеральный этап 57
2.3.1. Аналитические методы 57
2.3.2. Расчетные методы 58
2.3.2.1. Статистическая обработка геохимических данных 58
2.3.2.2. Геохимические показатели 62
2.3.3. Физические и морфо-анатомические исследования растений 63
2.3.4. Разработка баз данных с ботанической номенклатурой 63
Глава 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ 64
3.1. Районы нефтедобычи в южной части Большеземельской тундры 64
3.1.1. Г еохимическая дифференциация ландшафтов 68
3.1.1.1. Ландшафты долин малых водотоков 68
3.1.1.2. Ландшафты многоозерья с реликтовыми торфяниками 71
3.2. Старопромышленный район угледобычи в Воркутинской тундре 75
3.2.1. Агроландшафты (сеяные луга) 76
3.3. Субарктические тундры Ямала в зоне газодобычи 79
3.3.1. Г еохимическая дифференциация ландшафтов 85
3.3.1.1. Западно-Ямальская низинная северная тундра 85
3.3.1.2. Центрально-Ямальская средняя субарктическая тундра 88
3.3.I.3. Центрально-Ямальская южная субарктическая тундра 90
3.4. Региональная геохимия элементов 92
3.4.1. Оценка геохимического фона 92
3.4.2. Г еохимия отдельных элементов в почвах Большеземельской тундры 93
3.4.3. Г еохимия отдельных элементов в мерзлотных почвах Ямала 102
3.5. Биогеохимические исследования тундровых растений 110
3.5.1. Биогеохимия отдельных элементов в растениях Большеземельской тундры 113
3.5.2. Биогеохимия отдельных элементов в растениях Ямала 120
Глава 4. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНОГЕННОГО
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТУНДР В РАЙОНАХ ПРОМЫШЛЕННОГО ОСВОЕНИЯ 129
4.1. Особенности геохимической трансформации тундр при проведении геологоразведочных работ 129
4.1.1. Характеристика видов и источников загрязнения 129
4.1.1.1. Источники загрязнения приземной атмосферы 129
4.1.1.2. Механическое повреждение напочвенного покрова 130
4.1.1.3. Химическое загрязнение почв 130
4.1.1.4. Химическое загрязнение снега 131
Геохимическая характеристика снежного покрова 131
Проблема кислого снега 132
4.1.1.5. Загрязнение тундр при авариях на буровых скважинах 137
4.1.1.6. Загрязнение тундр при обустройстве и эксплуатации нефтепромыслов 138
4.1.2. Техногенная трансформация ландшафтной структуры целинных тундр 139
4.1.2.1. Харьягинский тип техногенной ландшафтной структуры 139
4.1.2.2. Сеношорский тип техногенной ландшафтной структуры 143
4.1.2.3. Эколого-геохимическое прогнозное районирование при оценке устойчивости
целинных тундр к нефтяному загрязнению 148
4.1.3. Суффозионный вынос битумоидов из почв 151
4.1.3.1, Радиальное распределение техногенных битумоидов в мерзлотных почвах 151
4.1.3.2. Латеральное рассеяние битумоидов при суффозии глинистых минералов .. 153
4.1.4. Образование ореольных вод 155
4.1.5. Ответные реакции тундровых растений на углеводородное загрязнение 157
4.1.5.1. Морфо-анатомические преобразования в растениях 157
Морфологические изменения 158
Анатомические изменения 158
4.1.5.2. Физические эффекты в сфагнуме при углеводородном загрязнении 160
4.2. Агротехногенное воздействие на целинные тундры в старопромышленном угольном
районе Воркутинской тундры 164
4.2.1. Изменчивость биогеохимической активности луговых растений при агротехногенном
воздействии 164
4.2.2. Биогеохимическая активность растений при аэротехногенном подщелачивании 165
4.3. Аэротехногенное воздействие на субарктические тундры Ямала 170
4.3.1. Источники загрязнения приземной атмосферы на Ямале 170
4.3.2. Снижение межвидовой биогеохимической контрастности растений в условиях
аэротехногенного загрязнения 170
4.3.3. Аэротехногенное ожелезнение поверхности почв 171
4.3.4. Региональные геохимические особенности ландшафтов Ямала 176
4.3.4.1. Криогенное выщелачивание и ожелезнение почв 176
4.3.4.3. Ожелезнение природных вод Ямала 178
4.3.4.2. Эрозионная неустойчивость ландшафтов 184
4.4. Биогеохимическая дифференциация тундровых ландшафтов 186
4.4.1. Биогеохимическая контрастность Большеземельской и Воркутинской тундр 186
4.4.1.1. Большеземельская тундра 186
4.4.1.2. Воркутинская тундра 195
4.4.2. Биогеохимическая активность растений Ямала 198
Глава 5. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ БАРЬЕРООБРАЗОВАНИЯ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ БАРЬЕРЫ В РАВНИННЫХ ТУНДРАХ 213
5.1. Многолетняя мерзлота и криогеохимические барьеры 213
5.1.1. Мерзлотный водоупор как механический геохимический барьер 213
5.1.1.1. Мерзлотный механический барьер и контрастность геохимического
сопряжения элементарных ландшафтов 216
5.1.2. Кольматированные прослои почвы как сорбционно-механический барьер 217
5.1.2.1. Кольматационный хемосорбционный-механический барьер 218
5.1.3. Капиллярный механический барьер в зоне литологического контроля 219
5.1.3.1 Влияние капиллярного механического барьера на развитие поверхностного
(«висячего») оглеения в профиле мерзлотных почв 220
5.2. Сорбционные барьерообразующие факторы и биогеохимические барьеры 223
5.2.1. Сорбционный биогеохимический барьер 223
5.2.1.3. Геохимическая роль растений-торфообразователей при сорбционном
барьерообразовании 224
5.2.2. Хемосорбционный биогеохимический барьер 226
5.2.2.1. Механизм хемосорбционного барьерообразования в мерзлотных почвах 227
5.3. Кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия барьерообразования
и физико-химические геохимические барьеры 228
5.3.1. Кислотно-щелочные условия 228
5.3.1.1. Кислый геохимический барьер 228
5.3.1.2. Щелочной геохимический барьер 231
5.3.2. Окислительно-восстановительные условия 232
5.3.2.1. Кислородные геохимические барьеры 232
Кислородно-сорбционный геохимический барьер в окислительных условиях 232
Кислородно-сорбционный геохимический барьер в зоне разгрузки ореольных вод .... 233 Образование аномалии типа A6-G6 в зоне разгрузки мерзлотной верховодки 235
Образование аномалий A2-G2 в профиле почв 235
5.4. Снежный покров как барьерообразующий фактор 236
5.4.1. Барьерообразование в зоне контакта «снежный покров-атмосфера»: иней как объект
геохимического опробования 236
5.4.1.1. Морозное концентрирование диоксида серы и сульфатное загрязнение
снежного покрова при осаждении инея 237
5.4.2. Барьерообразование в граничной зоне «снег-почва»: глубинная изморозь как объект
геохимического опробования 239
5.4.2.1. Особенности образования геохимической аномалии дочерних продуктов
распада радона - 210Pb и 210Po в слое кристаллов глубинной изморози 240
Глава 6. ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОХИМИЧЕСКИХ БАРЬЕРОВ ДЛЯ ЗАЩИТЫ И
МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ 242
6.1. Выявление загрязнения почв 242
6.2. Локализация внутрипочвенного распространения загрязнения 245
6.3. Барьерные технологии пассивного аэрозольного мониторинга 248
6.3.1. Пассивный аэрозольный мониторинг загрязнения ландшафтов: обоснование проблемы. 249
6.3.2. Пассивный аэрозольный мониторинг: обзор 249
6.3.3. Пассивный мониторинг аэрозольного загрязнения приземной атмосферы 250
6.3.3.1. Зонтичный пакет изобретений для организации пассивного мониторинга
аэрозольного загрязнения приземного слоя воздуха 251
6.3.4. Примеры апробации зонтичного пакета изобретений для аэрозольного мониторинга 256
6.3.4.1. Оценка влияния погодообразующих процессов и метеорологических
факторов на аэрозольное загрязнение ландшафтов 256
6.3.4.2. Анализ изменчивости удельной активности искусственных и естественных
радионуклидов в стоке аэрозолей в наземные экосистемы 270
6.3.4.3. Наблюдения за региональным переносом глиноземной пыли по динамике
изменчивости удельной активности 40K в стоке аэрозолей 275
6.3.4.4. Способ контроля загрязнения воздуха наноразмерными частицами 276
6.4. Технологии эколого-геохимического мониторинга снежного покрова 282
6.4.1. Группа изобретений для наблюдения за состоянием снежного покрова и выявления
загрязнения его поверхности в районах холодного климата 282
6.4.2. Результаты апробации изобретений для наблюдения за состоянием снежного покрова ...285
6.4.2.1. Наблюдения за динамикой изменчивости плотности снега 285
6.4.2.2. Контроль динамики послойной изменчивости геохимических параметров
снежной толщи в условиях атмосферного загрязнения 288
6.4.3. Барьерообразование в граничной зоне «снег-почва»: глубинная изморозь как объект
геохимического опробования 292
6.4.3.1. Штриховка «Фореля» на поверхности ледяных кристаллов как индикатор
криогенных процессов 292
6.4.3.2. К механизму барьерообразования в зоне контакта «снег-почва» 293
6.4.3.3. Хионогенное барьерное накопление дочерних продуктов распада радона -
210Pb и 210Po кристаллами глубинной изморози 294
6.4.3.4. Механизм концентрирования радионуклидов в снежной толще 296
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 298
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 303
📖 Введение
Актуальность. Мерзлотные ландшафты - самые распространенные природные комплексы на территории Российской Федерации. Они занимают около 11 млн. км2, что составляет более половины площади страны. Здесь в недрах сосредоточено свыше 30 % разведанных запасов нефти и около 60 %
- запасов природного газа, что обусловило одностороннюю топливно-энергетическую специализацию субарктических регионов и, в частности, полуострова Ямал и Большеземельской тундры. Строительство и эксплуатация топливодобывающей инфраструктуры в данных районах сопровождается химическим загрязнением.. Отмечается, что химические элементы, в отличие от многих органических и минеральных загрязняющих соединений, не распадаются и не разлагаются, а только меняют уровень содержания и(или) формы нахождения в зависимости от условий внешней среды. Включаясь в миграцию и биологический круговорот, химические элементы неизбежно загрязняют окружающую среду. Однако получение полной информации о техногенных преобразованиях субарктических тундр, связанных с химическим воздействием осложняется слабой изученностью геохимических условий миграции микроэлементов в зимний период . Оставались вне внимания исследователей и криогенные процессы, контролирующие формирование геохимических аномалий в снежном покрове и мерзлых почвах, а также их последующую трансформацию при сходе снега и оттаивании почв в условиях многолетней мерзлоты. Очевидно, что для территорий, где устойчивый снежный покров сохраняется более 200 дней в году, результаты летних исследований техногенных преобразований целинных тундр должны рассматриваться с учетом того, что зимние процессы оказывают влияние на весь процесс в целом. Поэтому эколого-геохимический анализ химического воздействия топливодобывающих комплексов на природную среду Субарктики - весьма актуальная проблема.
Основы геохимических исследований промышленных территорий заложены научными трудами Ю. Е. Саета с сотрудниками, создавшими новое направление прикладной геохимии
- «геохимия окружающей среды»». Эти исследования базировались на концептуальных положениях о техногенезе, выдвинутых А. Е. Ферсманом; о геохимии ландшафтов, разработанных Б. Б. Полыновым, которые в дальнейшем получили значительное развитие в трудах А. И. Перельмана, М. А. Глазовской, Н. С. Касимова.
Геохимия окружающей среды разрабатывалась также в трудах И. А. Авессаломовой, В . А. Алексеенко, В . С . Аржановой, Н. В . Барановской, В . Г. Волковой, А. Я. Гаева, Г. И. Гривы, А. Н. Геннадиева, Н. Ф. Глазовского, Н. Д Давыдовой, В. В. Добровольского, П. В. Елпатьевского, А. Л. Ковалевского, Е. М. Коробовой, В. К. Лукашева, Д В. Московченко, М. Ю. Лычагина, А. М. Межибор, В. И. Осипова, Ю. И. Пиковского, Л. П. Рихванова, А. П. Садова, О. А. Самоновой, Н. П. Солнцевой, Е. П. Сорокиной, В. Д Страховенко, Т. Т. Тайсаева, В. Т. Трофимова Е. Г. Язикова и других ученых .
В настоящее время развитие прикладных аспектов геохимии ландшафтов отражается в новых «дочерних» направлениях: эколого-геохимических исследованиях и эколого-геохимическом картографировании геологических процессов и явлений окружающей среды. Данные направления активно развиваются в научных организациях геологической службы России (ФГУП «ИМГРЭ», г. Москва; ФГУП «ВСЕГИНГЕО», Санкт-Петербург; ФГУП «ВСЕГЕИ», Санкт-Петербург), научных институтах РАН (ФБГУН «Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ РАН)», г. Москва; ФБГУН «Институт геохимии им. А. П. Виноградова (ИГХ СО РАН, г. Иркутск)»; «Объединенный институт нефтегазовой геологии, геофизики и минералогии им. А. А. Трофимука (ОИГГМ СО РАН)», г. Новосибирск), образовательных учреждениях (МГУ им. М. В. Ломоносова, СПбГУ, Санкт-Петербург; Институте природных ресурсов ТПУ, г. Томск; НИИ геохимии биосферы ФГОУВПО «ЮФУ», г. Новороссийск), а также в отдельных научнопроизводственных предприятиях (ФГУНПП «АЭРОГЕОЛОГИЯ», г. Москва).
Объект исследования: природные и техногенные ландшафты Большеземельской тундры и Ямала.
Предмет исследования: процессы миграции и аккумуляции химических элементов- примесей (ЭП) в депонирующих компонентах ландшафтов (растения, почва, донные отложения, снежный покров).
Цель работы: установление эмпирических закономерностей распределения ЭП в равнинных ландшафтах Большеземельской тундры и Ямала, выявление индикационных признаков техногенной трансформации целинных тундр для разработки технологий мониторинга топливодобывающих комплексов и геохимических способов защиты природной среды тундр с учетом промышленной специализации территорий.
В соответствии с целью решали следующие задачи:
1. Установить закономерности распределения ЭП в почве и растениях целинных и освоенных тундр и выявить геохимические особенности миграции и концентрации ЭП в зоне влияния нефте-, угле-, газодобычи;
2. Выявить эколого-геохимические особенности техногенной трансформации тундровых ландшафтов в районах нефтедобычи и установить связанные с ними индикационные признаки ответных реакций природной среды на загрязнение; оценить информативность индикационного комплекса признаков в качестве критерия выделения прогнозных территорий экологического неблагополучия;
3. Проанализировать особенности проявления барьерообразующих факторов и связанных с ними геохимических барьеров в мерзлотных ландшафтах; показать прикладные аспекты применения геохимических барьеров для охраны окружающей среды Субарктики;
4. Исследовать особенности формирования аэрогенных геохимических аномалий при взаимодействии аэрозольного стока с различными типами подстилающей поверхности (почва, растительность, снежный покров);
5. Разработать новые способы мониторинга атмосферного загрязнения промышленных территорий в районах холодного климата.
Научная новизна работы
1. На основе многолетних исследований равнинных ландшафтов Большеземельской тундры и п-ова Ямал выявлены закономерности, отражающие распределение ЭП на кларковом (фоновом) уровне, а также отклонения этих закономерностей в условиях влияния нефте-, угле-, газодобычи.
2. Техногенная трансформация целинных тундр сопровождается образованием особой ландшафтной структуры, в пределах которой фиксируется определенный комплекс ответных реакций компонентов на химическое загрязнение, которые могут выступать геоиндикаторами изменений природной среды и служить основой разработки методических приемов оперативного прогнозного эколого-геохимического районирования территорий нефтегазодобычи для оптимизации природоохранных мероприятий.
3. Охарактеризованы основные барьерообразующие факторы в мерзлотных ландшафтах и связанные с ними геохимические барьеры . Представлен опыт создания искусственных геохимических барьеров для мониторинга и защиты тундр в районе нефтедобычи.
4. Установлено, что одним из механизмов закисления снега является морозное конденсирование кислотообразующих аэрозолей (в частности, диоксида серы) на поверхности ледяных кристаллов инея. Ранее иней, как источник кислотного загрязнения снежного покрова в промышленных районах, не учитывался и не рассматривался.
5. Разработана новая технология пассивного пробоотбора сухих выпадений в приземном слое воздуха. Технология апробирована в тундровой и таежной зонах европейской территории России.
Защищаемые положения
1. Геохимическая дифференциация микроэлементного фона Ямала и Большеземельской тундры определяется криогенезом, торфонакоплением, глеевым выщелачиванием и подзолообразованием. О каждом из этих процессов можно судить по особенностям распределения элементов-примесей индикаторных групп (литофилов, сульфофилов, сидерофилов).
2. При буровых работах и обустройстве скважин техногенная трансформация природной среды тундр проявляется на уровне элементарных ландшафтов и носит локальный характер. В условиях химического воздействия процесс сопровождается образованием особой ландшафтной структуры и формированием определенного комплекса ответных реакций компонентов окружающей среды на загрязнение.
3. В равнинных тундрах выявляется небольшое число классов геохимических барьеров как в природных, так и в техногенных условиях; создание на их основе искусственных геохимических барьеров повышает эффективность геохимических мер защиты и мониторинга окружающей среды в районах промышленного освоения.
4. Вне зависимости от агрегатного состояния аэрозольного стока при его взаимодействии с подстилающей поверхностью (почвой, растительностью, снежным покровом) аэрогенные геохимические аномалии возникают в результате адгезии аэрозольных частиц, которой всегда предшествует адсорбция, а устойчивость сигнала аэрогенной аномалии обеспечивается удержанием частиц на поверхности за счет действия капиллярных сил конденсирующейся жидкости.
Достоверность защищаемых положений определяется большим объемом фактического материала, полученного современными методиками в сертифицированных аналитических лабораториях, а также корректной статистической обработкой геохимических данных, учитывающих метрологические особенности использованных аналитических методик и природную дисперсию концентраций химических элементов.
Теоретическое и практическое значение работы заключается в развитии теоретических представлений о закономерностях геохимических процессов, происходящих в ландшафтах криолитозоны и разработки природоохранных технологий. Полученные результаты имеют значение и для геохимических поисков полезных ископаемых, и для совершенствования экологогеохимического мониторинга состояния природной среды Субарктики в районах нефтегазодобычи. Реализованные методологические принципы комплексной эколого-геохимической оценки состояния тундр в районах пионерного освоения Ямала и Большеземельской тундры позволили разработать практические приемы использования геохимических барьеров в качестве природоохранных мер. Результаты защищены четырьмя авторскими свидетельствами (в соавторстве). С использованием компьютерного моделирования и восстановления природных распределений элементов по неполно-определенным и усеченным выборкам апробированы статистические методы оценки неоднородностей пространственно распределенных данных (Программа «Ecolstat», автор-разработчик, д.г.м.-н., профессор Ю.А.Ткачев, Институт геологии Коми НЦ УрО РАН). Созданы информационно-вычислительные ресурсы для моделирования и экспериментально проверены способы усреднения результатов по неоднородным совокупностям данных с разной представительностью и различной погрешностью анализов, а также опробованы методы обработки аналитических результатов в условиях логнормального распределения с выделением и оценкой природных распределений. На примере специально подготовленных баз данных показаны области и границы применения этих методов в эколого-геохимических исследованиях и подготовлены рекомендации по организации мониторинга тундровых ландшафтов в зоне техногенеза. На основе анализа граничных геохимических эффектов, возникающих при взаимодействии аэрозольного стока с подстилающей поверхностью (почва, растения, снежный покров), выполнены эксперименты по изучению механизма взаимодействия аэрозольного стока с различными типами искусственной поверхности из химически инертных материалов. В итоге был создан оригинальный способ пассивного сбора аэрозолей и сконструировано устройство для его реализации, признанные экспертизой Федерального института промышленной собственности (ФИПС) РФ пионерными. Разработанные на их основе изобретения позволяют по-новому организовать геохимический и радиационный мониторинг промышленных территорий. Инновации защищены 13 патентами Российской Федерации. Материалы диссертации используются автором при проведении учебных занятий со студентами Сыктывкарского государственного университета.
Фактический материал и личный вклад автора. Работа основана на материалах ландшафтно-геохимических исследований (включая стационарные наблюдения на буровой «Харьяга-26»), проводившихся автором в Большеземельской тундре и на п-ове Ямал. С разной степенью детальности изучены субарктические тундровые ландшафты в районах нефтедобычи в южной части Большеземельской тундры, искусственные и естественные фитоценозы в пределах Воркутского угольного месторождения (Большеземельская тундра) и целинные участки субарктических тундр в районе Бованенковского газоконденсатного месторождения и вдоль железной дороги Обская-Бованенково на полуострове Ямал (рис. 1). Кроме того, в диссертации представлены теоретические исследования аэротехногенного загрязнения ландшафтов и результаты полевых наблюдений с использованием оригинального метода пассивного сбора сухих выпадений в пределах деятельного слоя воздуха. Его апробация проводилась на ключевых участках в Малоземельской тундре (северо-восточная оконечность Ненецкой гряды), в таежных ландшафтах Среднего Тимана и на водораздельных участках левобережья р. Сысола. В последних, наряду с летними исследованиями, проводились и зимние, которые включали исследования аэрозольного загрязнения снежной поверхности, связанные с морозным конденсированием кислотообразующих аэрозолей (диоксида серы).
Рисунок. 1. Местоположение объектов исследования. а) нефтяные месторождения в южной части Большеземельской тундры, б) старопромышленный район угледобычи в Воркутинской тундре, в) Бованенковское газоконденсатное месторождение и ключевые участки вдоль железной дороги Обская- Бованенково; г) аэрозольные площадки, участок РБК.
Автору принадлежат постановка задач исследований, сбор и анализ материалов при проведении ландшафтно-геохимических исследований в Большеземельских (в 1983-1988 гг.) и Ямальских тундрах (в 1990-1992 гг.). В ходе исследований (1983-1992 гг.) автором отобраны пробы растительности (2160), почв и почвообразующих пород (927), донных наилков (35), коллоидные образования гидроксидов железа (72), поверхностных вод (44) и снеговой воды (45). При разработке новых технологий пассивного мониторинга аэрозольного загрязнения поверхности (2005-2012 гг.) проанализировано более 200 проб аэрозольного стока, определено содержание сульфат-иона в 1500 пробах снега; проведены наблюдения за динамикой послойной изменчивости интегральных геохимических параметров (водородного показателя, удельной электропроводности) в снежной толще (700 проб снеговой воды), осуществлены количественный химический анализ послойных образцов снега (120 проб) и измерение удельной активности радионуклидов в стоке аэрозолей (100 проб). При этом анализ результатов и их обобщение проводились при участии автора .
Концентрации химических элементов в золе растений и торфа, почвах, сухих остатках вод были определены методом приближенно-количественного атомно-эмиссионного спектрального анализа в Институте геологии Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар), НПО «Севзапгеология» (Санкт- Петербург), Бронницкой ГГЭ (г. Бронницы, Московская обл.), Ухтинской ГРЭ (г. Ухта), ИГЕМ РАН (г. Москва). Рентгеноструктурный анализ глинистых минералов выполнен в Институте геологии Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар). Определение подвижных форм железа в почвах выполнено в лаборатории экологии почв ИЭРЖ УрО РАН (Екатеринбург). Ответные реакции, возникающие в растениях при углеводородном загрязнении, выявлялись с помощью ЭПР- спектроскопии, дифференциально-термографического метода в Институте геологии Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар). Химический анализ проб снеговой воды, мерзлотной верховодки, проб озерной и речной воды проведен в Республиканском центре СЭН (г. Сыктывкар) и гидрохимической лаборатории Экологического научно-исследовательского стационара (г. Лабытнанги). Содержание тяжелых металлов в аэрозольном стоке и снеговой воде устанавливали методом атомноэмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой; удельную активность радионуклидов в сухих выпадениях измеряли на сцинтилляционном гамма-бета спектрометрическом комплексе с программным обеспечением «Прогресс» в лаборатории миграции радионуклидов и радиохимии (Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар). Все анализы проводили в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам, с использованием стандартных образцов сравнения и контролировались параллельными определениями, а также данными внешнего и внутреннего контроля.
Апробация работы. Основные результаты работы по теме диссертации докладывались на Всесоюзном совещании «Взаимодействие организмов в тундровых экосистемах» (5-8 сентября 1989 г., г. Воркута); II Всесоюзном совещании «Геохимия техногенеза» (5-7 октября 1991 г., г. Минск); Международном симпозиуме «Город в Заполярье» (12-18 сентября 1994 г., г. Воркута); II Международном симпозиуме «Урал-атомный» (13-15 мая 1994 г., г. Екатеринбург); II Международном симпозиуме «Информационные и телекоммуникационные ресурсы в зоологии и ботанике» (14-17 мая 2001 г., г. Санкт-Петербург); Международной конференции «ГИС в геологии» (13-15 ноября 2002 г., г. Москва); Российской конференции «Академическая наука и ее роль в развитии производительных сил в северных регионах России» (19-22 июня 2006 г., г. Архангельск); Международной научной конференции «Геохимия биосферы» (посвящена юбилею А.И. Перельмана; 15-18 ноября 2006 г., г. Москва); Российской конференции «Седьмое Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу» (8-10 октября 2007 г., г. Томск); Международном минералогическом семинаре «Минералогическая интервенция в микро- и наномир» (9-11 июня 2009 г., г. Сыктывкар); Международной конференции «The Arctic as a messenger for global processes - climate and pollution» (May 3-6, 2011. Copenhagen); Международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов» (15-17 ноября 2011 г., г. Тюмень); Всероссийской научной конференции «Геохимия ландшафтов и география почв (к 100-летию М.А.Глазовской)» (Москва, 4-6 апреля 2012 г.); Российском совещании с международным участием «Геохимия литогенеза» (Сыктывкар, Республика Коми, 17-19 марта 2014 г.); Международной конференции «Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды» (Сыктывкар, Республика Коми, Россия 17-21 марта 2014 г.).
Инновационные разработки экспонировались на многих конкурсах и выставках. На V
Коми республиканском конкурсе «Золотой Меркурий - 2007» (г. Сыктывкар, 2008 г.) в номинации «Инновация. Изобретение года» первой премией отмечено изобретение «Способ сбора сухих аэрозолей для контроля окружающей среды и устройство для его осуществления» (патент № 2314511); специализированной выставке «Инновация 2010», организованной «КомиЭкспо»
(г. Сыктывкар, 2010 г.); XIII Московском Международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед-2010» золотой медали удостоено изобретение «Способ контроля загрязнения воздуха наноразмерными частицами и устройство для его осуществления» (патент № 2357222); дипломом участника Республиканского конкурса «Инновации в экономике, управлении и образовании Республики Коми» (г. Сыктывкар, 2011 г.) награждена разработка «Мониторинг загрязнения воздуха наноразмерными частицами»; диплом участника Республиканского конкурса «Золотой Меркурий-2011» в номинации «Изобретение года» получила разработка «Группа изобретений, относящихся к области защиты окружающей среды» (г. Сыктывкар, 2011 г.). Участвовал в V Петербургском Международном инновационном форуме (Санкт-
Петербург, 2012 г.); получены диплом участника III Уральской Международной выставки - форума промышленности и инноваций «ИННОПРОМ-2012» (Екатеринбург, 2012 г.), а также свидетельство и медаль лауреата конкурса инноваций в рамках IV Международного форума по интеллектуальной собственности «EXPOPRIORITY-2012» за представленный инновационный проект «Способ и устройство мониторинга аэрозольного загрязнения снежного покрова» в номинации новые приборы и аппаратные комплексы (г. Москва, 2012 г.).
Публикации. Результаты исследований изложены в 107 научных публикациях, в том числе в двух монографиях, 43 статьях, из которых 21 статья опубликованы в рецензируемых журналах из списка ВАК, получено 13 патентов и четыре авторских свидетельства (в соавторстве) на изобретение.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному консультанту доктору геолого-минералогических наук, действительному члену РАЕН, Уральской академии геологических наук и Нью-Йоркской академии наук, заслуженному деятелю науки Российской Федерации, геохимику Я. Э. Юдовичу; А. П. Братцеву за содействие в организации ландшафтногеохимических исследований и участие в сезонных исследованиях на полевом стационаре в Боль- шеземельской тундре, а также доктору биологических наук М. В . Гецен за обеспечение условий продолжения подобных работ в регионе. Завершение геохимических исследований равнинных тундр было бы невозможным без действенной моральной и материальной поддержки А. И. Таскаева. Свою благодарность выражаю академику РАЕН и Международной академии авторов научных открытий и изобретений, профессору, д. г.-м.н. Ю. А. Ткачеву за постоянные консультации по методике статистической обработки геохимических данных с использованием созданного им информационно-вычислительного комплекса «Ecolstat», за многократное, весьма конструктивное обсуждение полученных нами статистических результатов. Автор признателен научному руководителю экспедиционных работ на Ямале В. С. Дедкову за возможность проведения исследований в составе лаборатории экологии почв Института экологии растений и животных УрО РАН, а также сотрудникам этой лаборатории за помощь. Автор благодарен коллегам З. И. Воеводовой, А. В. Коковкину, В. В. Каневу, Г. М. Втюрину, Г. С. Назаровой за разностороннее обсуждение результатов исследований, С. Ю. Кожевникову - за участие в экспедициях в Большеземельской тундре и своему сыну Андрею Тентюкову за помощь в полевых работах на Ямале. Хочется отметить с благодарностью помощь М. С. Подорова и Е. Р. Фрайтера, разработавших программы графического представления результатов и создавших программные оболочки XML-совместимых баз данных; а также В. В. Ситниковой, Т. С. Сытарь, оказавшим помощь в проведении лабораторных исследований: автор благодарен О. П. Сыромолотовой за замечания и предложения, учтенные нами при составления текста. С особой теплотой автор выражает слова благодарности своей дочери Насте Тентюковой за подготовку компьютерной графики. Автор благодарен сотрудникам кафедры геологии СыктГУ и лаборатории миграции радионуклидов и радиохимии ИБ Коми НЦ УрО РАН (А.М.Асхабову, Т.П.Майоровой, И.И.Шуктомовой, Н.Г. Рачковой, Т.Н. Музакке, В.М.Гляд, В.В. Камбалову, С.И. Лютоеву, Н.А. Трофимовой). Соискатель благодарит проф. Л. П. Рихванова за ценные замечания, а также сотрудников кафедры геоэкологии и геохимии ТПУ и ее руководителя проф . Е. Г . Язикова за стимулирующее внимание к диссертации, что во многом способствовало её завершению. С глубокой признательностью автор вспоминает советы и консультации А. И. Перельмана (научного руководителя кандидатской диссертации автора), полученные при обсуждении отдельных результатов ландшафтно-геохимических исследований на Ямале и в Большеземельской тундре.
- запасов природного газа, что обусловило одностороннюю топливно-энергетическую специализацию субарктических регионов и, в частности, полуострова Ямал и Большеземельской тундры. Строительство и эксплуатация топливодобывающей инфраструктуры в данных районах сопровождается химическим загрязнением.. Отмечается, что химические элементы, в отличие от многих органических и минеральных загрязняющих соединений, не распадаются и не разлагаются, а только меняют уровень содержания и(или) формы нахождения в зависимости от условий внешней среды. Включаясь в миграцию и биологический круговорот, химические элементы неизбежно загрязняют окружающую среду. Однако получение полной информации о техногенных преобразованиях субарктических тундр, связанных с химическим воздействием осложняется слабой изученностью геохимических условий миграции микроэлементов в зимний период . Оставались вне внимания исследователей и криогенные процессы, контролирующие формирование геохимических аномалий в снежном покрове и мерзлых почвах, а также их последующую трансформацию при сходе снега и оттаивании почв в условиях многолетней мерзлоты. Очевидно, что для территорий, где устойчивый снежный покров сохраняется более 200 дней в году, результаты летних исследований техногенных преобразований целинных тундр должны рассматриваться с учетом того, что зимние процессы оказывают влияние на весь процесс в целом. Поэтому эколого-геохимический анализ химического воздействия топливодобывающих комплексов на природную среду Субарктики - весьма актуальная проблема.
Основы геохимических исследований промышленных территорий заложены научными трудами Ю. Е. Саета с сотрудниками, создавшими новое направление прикладной геохимии
- «геохимия окружающей среды»». Эти исследования базировались на концептуальных положениях о техногенезе, выдвинутых А. Е. Ферсманом; о геохимии ландшафтов, разработанных Б. Б. Полыновым, которые в дальнейшем получили значительное развитие в трудах А. И. Перельмана, М. А. Глазовской, Н. С. Касимова.
Геохимия окружающей среды разрабатывалась также в трудах И. А. Авессаломовой, В . А. Алексеенко, В . С . Аржановой, Н. В . Барановской, В . Г. Волковой, А. Я. Гаева, Г. И. Гривы, А. Н. Геннадиева, Н. Ф. Глазовского, Н. Д Давыдовой, В. В. Добровольского, П. В. Елпатьевского, А. Л. Ковалевского, Е. М. Коробовой, В. К. Лукашева, Д В. Московченко, М. Ю. Лычагина, А. М. Межибор, В. И. Осипова, Ю. И. Пиковского, Л. П. Рихванова, А. П. Садова, О. А. Самоновой, Н. П. Солнцевой, Е. П. Сорокиной, В. Д Страховенко, Т. Т. Тайсаева, В. Т. Трофимова Е. Г. Язикова и других ученых .
В настоящее время развитие прикладных аспектов геохимии ландшафтов отражается в новых «дочерних» направлениях: эколого-геохимических исследованиях и эколого-геохимическом картографировании геологических процессов и явлений окружающей среды. Данные направления активно развиваются в научных организациях геологической службы России (ФГУП «ИМГРЭ», г. Москва; ФГУП «ВСЕГИНГЕО», Санкт-Петербург; ФГУП «ВСЕГЕИ», Санкт-Петербург), научных институтах РАН (ФБГУН «Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ РАН)», г. Москва; ФБГУН «Институт геохимии им. А. П. Виноградова (ИГХ СО РАН, г. Иркутск)»; «Объединенный институт нефтегазовой геологии, геофизики и минералогии им. А. А. Трофимука (ОИГГМ СО РАН)», г. Новосибирск), образовательных учреждениях (МГУ им. М. В. Ломоносова, СПбГУ, Санкт-Петербург; Институте природных ресурсов ТПУ, г. Томск; НИИ геохимии биосферы ФГОУВПО «ЮФУ», г. Новороссийск), а также в отдельных научнопроизводственных предприятиях (ФГУНПП «АЭРОГЕОЛОГИЯ», г. Москва).
Объект исследования: природные и техногенные ландшафты Большеземельской тундры и Ямала.
Предмет исследования: процессы миграции и аккумуляции химических элементов- примесей (ЭП) в депонирующих компонентах ландшафтов (растения, почва, донные отложения, снежный покров).
Цель работы: установление эмпирических закономерностей распределения ЭП в равнинных ландшафтах Большеземельской тундры и Ямала, выявление индикационных признаков техногенной трансформации целинных тундр для разработки технологий мониторинга топливодобывающих комплексов и геохимических способов защиты природной среды тундр с учетом промышленной специализации территорий.
В соответствии с целью решали следующие задачи:
1. Установить закономерности распределения ЭП в почве и растениях целинных и освоенных тундр и выявить геохимические особенности миграции и концентрации ЭП в зоне влияния нефте-, угле-, газодобычи;
2. Выявить эколого-геохимические особенности техногенной трансформации тундровых ландшафтов в районах нефтедобычи и установить связанные с ними индикационные признаки ответных реакций природной среды на загрязнение; оценить информативность индикационного комплекса признаков в качестве критерия выделения прогнозных территорий экологического неблагополучия;
3. Проанализировать особенности проявления барьерообразующих факторов и связанных с ними геохимических барьеров в мерзлотных ландшафтах; показать прикладные аспекты применения геохимических барьеров для охраны окружающей среды Субарктики;
4. Исследовать особенности формирования аэрогенных геохимических аномалий при взаимодействии аэрозольного стока с различными типами подстилающей поверхности (почва, растительность, снежный покров);
5. Разработать новые способы мониторинга атмосферного загрязнения промышленных территорий в районах холодного климата.
Научная новизна работы
1. На основе многолетних исследований равнинных ландшафтов Большеземельской тундры и п-ова Ямал выявлены закономерности, отражающие распределение ЭП на кларковом (фоновом) уровне, а также отклонения этих закономерностей в условиях влияния нефте-, угле-, газодобычи.
2. Техногенная трансформация целинных тундр сопровождается образованием особой ландшафтной структуры, в пределах которой фиксируется определенный комплекс ответных реакций компонентов на химическое загрязнение, которые могут выступать геоиндикаторами изменений природной среды и служить основой разработки методических приемов оперативного прогнозного эколого-геохимического районирования территорий нефтегазодобычи для оптимизации природоохранных мероприятий.
3. Охарактеризованы основные барьерообразующие факторы в мерзлотных ландшафтах и связанные с ними геохимические барьеры . Представлен опыт создания искусственных геохимических барьеров для мониторинга и защиты тундр в районе нефтедобычи.
4. Установлено, что одним из механизмов закисления снега является морозное конденсирование кислотообразующих аэрозолей (в частности, диоксида серы) на поверхности ледяных кристаллов инея. Ранее иней, как источник кислотного загрязнения снежного покрова в промышленных районах, не учитывался и не рассматривался.
5. Разработана новая технология пассивного пробоотбора сухих выпадений в приземном слое воздуха. Технология апробирована в тундровой и таежной зонах европейской территории России.
Защищаемые положения
1. Геохимическая дифференциация микроэлементного фона Ямала и Большеземельской тундры определяется криогенезом, торфонакоплением, глеевым выщелачиванием и подзолообразованием. О каждом из этих процессов можно судить по особенностям распределения элементов-примесей индикаторных групп (литофилов, сульфофилов, сидерофилов).
2. При буровых работах и обустройстве скважин техногенная трансформация природной среды тундр проявляется на уровне элементарных ландшафтов и носит локальный характер. В условиях химического воздействия процесс сопровождается образованием особой ландшафтной структуры и формированием определенного комплекса ответных реакций компонентов окружающей среды на загрязнение.
3. В равнинных тундрах выявляется небольшое число классов геохимических барьеров как в природных, так и в техногенных условиях; создание на их основе искусственных геохимических барьеров повышает эффективность геохимических мер защиты и мониторинга окружающей среды в районах промышленного освоения.
4. Вне зависимости от агрегатного состояния аэрозольного стока при его взаимодействии с подстилающей поверхностью (почвой, растительностью, снежным покровом) аэрогенные геохимические аномалии возникают в результате адгезии аэрозольных частиц, которой всегда предшествует адсорбция, а устойчивость сигнала аэрогенной аномалии обеспечивается удержанием частиц на поверхности за счет действия капиллярных сил конденсирующейся жидкости.
Достоверность защищаемых положений определяется большим объемом фактического материала, полученного современными методиками в сертифицированных аналитических лабораториях, а также корректной статистической обработкой геохимических данных, учитывающих метрологические особенности использованных аналитических методик и природную дисперсию концентраций химических элементов.
Теоретическое и практическое значение работы заключается в развитии теоретических представлений о закономерностях геохимических процессов, происходящих в ландшафтах криолитозоны и разработки природоохранных технологий. Полученные результаты имеют значение и для геохимических поисков полезных ископаемых, и для совершенствования экологогеохимического мониторинга состояния природной среды Субарктики в районах нефтегазодобычи. Реализованные методологические принципы комплексной эколого-геохимической оценки состояния тундр в районах пионерного освоения Ямала и Большеземельской тундры позволили разработать практические приемы использования геохимических барьеров в качестве природоохранных мер. Результаты защищены четырьмя авторскими свидетельствами (в соавторстве). С использованием компьютерного моделирования и восстановления природных распределений элементов по неполно-определенным и усеченным выборкам апробированы статистические методы оценки неоднородностей пространственно распределенных данных (Программа «Ecolstat», автор-разработчик, д.г.м.-н., профессор Ю.А.Ткачев, Институт геологии Коми НЦ УрО РАН). Созданы информационно-вычислительные ресурсы для моделирования и экспериментально проверены способы усреднения результатов по неоднородным совокупностям данных с разной представительностью и различной погрешностью анализов, а также опробованы методы обработки аналитических результатов в условиях логнормального распределения с выделением и оценкой природных распределений. На примере специально подготовленных баз данных показаны области и границы применения этих методов в эколого-геохимических исследованиях и подготовлены рекомендации по организации мониторинга тундровых ландшафтов в зоне техногенеза. На основе анализа граничных геохимических эффектов, возникающих при взаимодействии аэрозольного стока с подстилающей поверхностью (почва, растения, снежный покров), выполнены эксперименты по изучению механизма взаимодействия аэрозольного стока с различными типами искусственной поверхности из химически инертных материалов. В итоге был создан оригинальный способ пассивного сбора аэрозолей и сконструировано устройство для его реализации, признанные экспертизой Федерального института промышленной собственности (ФИПС) РФ пионерными. Разработанные на их основе изобретения позволяют по-новому организовать геохимический и радиационный мониторинг промышленных территорий. Инновации защищены 13 патентами Российской Федерации. Материалы диссертации используются автором при проведении учебных занятий со студентами Сыктывкарского государственного университета.
Фактический материал и личный вклад автора. Работа основана на материалах ландшафтно-геохимических исследований (включая стационарные наблюдения на буровой «Харьяга-26»), проводившихся автором в Большеземельской тундре и на п-ове Ямал. С разной степенью детальности изучены субарктические тундровые ландшафты в районах нефтедобычи в южной части Большеземельской тундры, искусственные и естественные фитоценозы в пределах Воркутского угольного месторождения (Большеземельская тундра) и целинные участки субарктических тундр в районе Бованенковского газоконденсатного месторождения и вдоль железной дороги Обская-Бованенково на полуострове Ямал (рис. 1). Кроме того, в диссертации представлены теоретические исследования аэротехногенного загрязнения ландшафтов и результаты полевых наблюдений с использованием оригинального метода пассивного сбора сухих выпадений в пределах деятельного слоя воздуха. Его апробация проводилась на ключевых участках в Малоземельской тундре (северо-восточная оконечность Ненецкой гряды), в таежных ландшафтах Среднего Тимана и на водораздельных участках левобережья р. Сысола. В последних, наряду с летними исследованиями, проводились и зимние, которые включали исследования аэрозольного загрязнения снежной поверхности, связанные с морозным конденсированием кислотообразующих аэрозолей (диоксида серы).
Рисунок. 1. Местоположение объектов исследования. а) нефтяные месторождения в южной части Большеземельской тундры, б) старопромышленный район угледобычи в Воркутинской тундре, в) Бованенковское газоконденсатное месторождение и ключевые участки вдоль железной дороги Обская- Бованенково; г) аэрозольные площадки, участок РБК.
Автору принадлежат постановка задач исследований, сбор и анализ материалов при проведении ландшафтно-геохимических исследований в Большеземельских (в 1983-1988 гг.) и Ямальских тундрах (в 1990-1992 гг.). В ходе исследований (1983-1992 гг.) автором отобраны пробы растительности (2160), почв и почвообразующих пород (927), донных наилков (35), коллоидные образования гидроксидов железа (72), поверхностных вод (44) и снеговой воды (45). При разработке новых технологий пассивного мониторинга аэрозольного загрязнения поверхности (2005-2012 гг.) проанализировано более 200 проб аэрозольного стока, определено содержание сульфат-иона в 1500 пробах снега; проведены наблюдения за динамикой послойной изменчивости интегральных геохимических параметров (водородного показателя, удельной электропроводности) в снежной толще (700 проб снеговой воды), осуществлены количественный химический анализ послойных образцов снега (120 проб) и измерение удельной активности радионуклидов в стоке аэрозолей (100 проб). При этом анализ результатов и их обобщение проводились при участии автора .
Концентрации химических элементов в золе растений и торфа, почвах, сухих остатках вод были определены методом приближенно-количественного атомно-эмиссионного спектрального анализа в Институте геологии Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар), НПО «Севзапгеология» (Санкт- Петербург), Бронницкой ГГЭ (г. Бронницы, Московская обл.), Ухтинской ГРЭ (г. Ухта), ИГЕМ РАН (г. Москва). Рентгеноструктурный анализ глинистых минералов выполнен в Институте геологии Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар). Определение подвижных форм железа в почвах выполнено в лаборатории экологии почв ИЭРЖ УрО РАН (Екатеринбург). Ответные реакции, возникающие в растениях при углеводородном загрязнении, выявлялись с помощью ЭПР- спектроскопии, дифференциально-термографического метода в Институте геологии Коми НЦ УрО РАН (г. Сыктывкар). Химический анализ проб снеговой воды, мерзлотной верховодки, проб озерной и речной воды проведен в Республиканском центре СЭН (г. Сыктывкар) и гидрохимической лаборатории Экологического научно-исследовательского стационара (г. Лабытнанги). Содержание тяжелых металлов в аэрозольном стоке и снеговой воде устанавливали методом атомноэмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой; удельную активность радионуклидов в сухих выпадениях измеряли на сцинтилляционном гамма-бета спектрометрическом комплексе с программным обеспечением «Прогресс» в лаборатории миграции радионуклидов и радиохимии (Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар). Все анализы проводили в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам, с использованием стандартных образцов сравнения и контролировались параллельными определениями, а также данными внешнего и внутреннего контроля.
Апробация работы. Основные результаты работы по теме диссертации докладывались на Всесоюзном совещании «Взаимодействие организмов в тундровых экосистемах» (5-8 сентября 1989 г., г. Воркута); II Всесоюзном совещании «Геохимия техногенеза» (5-7 октября 1991 г., г. Минск); Международном симпозиуме «Город в Заполярье» (12-18 сентября 1994 г., г. Воркута); II Международном симпозиуме «Урал-атомный» (13-15 мая 1994 г., г. Екатеринбург); II Международном симпозиуме «Информационные и телекоммуникационные ресурсы в зоологии и ботанике» (14-17 мая 2001 г., г. Санкт-Петербург); Международной конференции «ГИС в геологии» (13-15 ноября 2002 г., г. Москва); Российской конференции «Академическая наука и ее роль в развитии производительных сил в северных регионах России» (19-22 июня 2006 г., г. Архангельск); Международной научной конференции «Геохимия биосферы» (посвящена юбилею А.И. Перельмана; 15-18 ноября 2006 г., г. Москва); Российской конференции «Седьмое Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу» (8-10 октября 2007 г., г. Томск); Международном минералогическом семинаре «Минералогическая интервенция в микро- и наномир» (9-11 июня 2009 г., г. Сыктывкар); Международной конференции «The Arctic as a messenger for global processes - climate and pollution» (May 3-6, 2011. Copenhagen); Международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов» (15-17 ноября 2011 г., г. Тюмень); Всероссийской научной конференции «Геохимия ландшафтов и география почв (к 100-летию М.А.Глазовской)» (Москва, 4-6 апреля 2012 г.); Российском совещании с международным участием «Геохимия литогенеза» (Сыктывкар, Республика Коми, 17-19 марта 2014 г.); Международной конференции «Биологические эффекты малых доз ионизирующей радиации и радиоактивное загрязнение среды» (Сыктывкар, Республика Коми, Россия 17-21 марта 2014 г.).
Инновационные разработки экспонировались на многих конкурсах и выставках. На V
Коми республиканском конкурсе «Золотой Меркурий - 2007» (г. Сыктывкар, 2008 г.) в номинации «Инновация. Изобретение года» первой премией отмечено изобретение «Способ сбора сухих аэрозолей для контроля окружающей среды и устройство для его осуществления» (патент № 2314511); специализированной выставке «Инновация 2010», организованной «КомиЭкспо»
(г. Сыктывкар, 2010 г.); XIII Московском Международном салоне изобретений и инновационных технологий «Архимед-2010» золотой медали удостоено изобретение «Способ контроля загрязнения воздуха наноразмерными частицами и устройство для его осуществления» (патент № 2357222); дипломом участника Республиканского конкурса «Инновации в экономике, управлении и образовании Республики Коми» (г. Сыктывкар, 2011 г.) награждена разработка «Мониторинг загрязнения воздуха наноразмерными частицами»; диплом участника Республиканского конкурса «Золотой Меркурий-2011» в номинации «Изобретение года» получила разработка «Группа изобретений, относящихся к области защиты окружающей среды» (г. Сыктывкар, 2011 г.). Участвовал в V Петербургском Международном инновационном форуме (Санкт-
Петербург, 2012 г.); получены диплом участника III Уральской Международной выставки - форума промышленности и инноваций «ИННОПРОМ-2012» (Екатеринбург, 2012 г.), а также свидетельство и медаль лауреата конкурса инноваций в рамках IV Международного форума по интеллектуальной собственности «EXPOPRIORITY-2012» за представленный инновационный проект «Способ и устройство мониторинга аэрозольного загрязнения снежного покрова» в номинации новые приборы и аппаратные комплексы (г. Москва, 2012 г.).
Публикации. Результаты исследований изложены в 107 научных публикациях, в том числе в двух монографиях, 43 статьях, из которых 21 статья опубликованы в рецензируемых журналах из списка ВАК, получено 13 патентов и четыре авторских свидетельства (в соавторстве) на изобретение.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному консультанту доктору геолого-минералогических наук, действительному члену РАЕН, Уральской академии геологических наук и Нью-Йоркской академии наук, заслуженному деятелю науки Российской Федерации, геохимику Я. Э. Юдовичу; А. П. Братцеву за содействие в организации ландшафтногеохимических исследований и участие в сезонных исследованиях на полевом стационаре в Боль- шеземельской тундре, а также доктору биологических наук М. В . Гецен за обеспечение условий продолжения подобных работ в регионе. Завершение геохимических исследований равнинных тундр было бы невозможным без действенной моральной и материальной поддержки А. И. Таскаева. Свою благодарность выражаю академику РАЕН и Международной академии авторов научных открытий и изобретений, профессору, д. г.-м.н. Ю. А. Ткачеву за постоянные консультации по методике статистической обработки геохимических данных с использованием созданного им информационно-вычислительного комплекса «Ecolstat», за многократное, весьма конструктивное обсуждение полученных нами статистических результатов. Автор признателен научному руководителю экспедиционных работ на Ямале В. С. Дедкову за возможность проведения исследований в составе лаборатории экологии почв Института экологии растений и животных УрО РАН, а также сотрудникам этой лаборатории за помощь. Автор благодарен коллегам З. И. Воеводовой, А. В. Коковкину, В. В. Каневу, Г. М. Втюрину, Г. С. Назаровой за разностороннее обсуждение результатов исследований, С. Ю. Кожевникову - за участие в экспедициях в Большеземельской тундре и своему сыну Андрею Тентюкову за помощь в полевых работах на Ямале. Хочется отметить с благодарностью помощь М. С. Подорова и Е. Р. Фрайтера, разработавших программы графического представления результатов и создавших программные оболочки XML-совместимых баз данных; а также В. В. Ситниковой, Т. С. Сытарь, оказавшим помощь в проведении лабораторных исследований: автор благодарен О. П. Сыромолотовой за замечания и предложения, учтенные нами при составления текста. С особой теплотой автор выражает слова благодарности своей дочери Насте Тентюковой за подготовку компьютерной графики. Автор благодарен сотрудникам кафедры геологии СыктГУ и лаборатории миграции радионуклидов и радиохимии ИБ Коми НЦ УрО РАН (А.М.Асхабову, Т.П.Майоровой, И.И.Шуктомовой, Н.Г. Рачковой, Т.Н. Музакке, В.М.Гляд, В.В. Камбалову, С.И. Лютоеву, Н.А. Трофимовой). Соискатель благодарит проф. Л. П. Рихванова за ценные замечания, а также сотрудников кафедры геоэкологии и геохимии ТПУ и ее руководителя проф . Е. Г . Язикова за стимулирующее внимание к диссертации, что во многом способствовало её завершению. С глубокой признательностью автор вспоминает советы и консультации А. И. Перельмана (научного руководителя кандидатской диссертации автора), полученные при обсуждении отдельных результатов ландшафтно-геохимических исследований на Ямале и в Большеземельской тундре.
✅ Заключение
Основные научные и практические результаты эколого-геохимических исследований Большеземельских и Ямальских тундр следующие.
Установлены эмпирические закономерности, характеризующие особенности фонового распределения элементов-примесей (ЭП) в равнинных ландшафтах Ямала и Большеземельской тундры. Оценка совпадения теоретических и эмпирических частот распределения ЭП, выполненная с использованием критерия %2, показала, что как для целинных, так и освоенных тундр распределение ЭП в почвенно-растительном покрове в большинстве не может быть аппроксимировано логарифмически нормальным законом распределения. Гистограммы часто осложнены сильным эксцессом и имеют значительную дисперсию. Примечательно, что и в Большезе- мельских, и Ямальских тундрах для сульфофильных и литофильных ЭП фиксируется преимущественно полимодальное распределение в выборках, что может свидетельствовать о нескольких источниках их поступления в ландшафты.
При выявлении индикационных и диагностических признаков техногенной трансформации геохимического фона целинных тундр для целей мониторинга необходимо учитывать, что геохимическая дифференциация микроэлементного фона Ямала и Большезе- мельской тундры - процесс многофакторный. Он определяется соотношением, по меньшей мере, четырех почвообразовательных процессов: криогенеза, торфонакопления, глеевого выщелачивания и подзолообразования. О каждом из этих процессов можно судить по особенностям распределения индикаторных групп элементов-примесей в почвенном профиле. Так, в группе типичных катионогенных элементов-литофилов (Sr, Ba) в условиях торфонакопления информативен барий, который может образовывать подвижные органоминеральные комплексы. Контрастность его аномалий в торфе нередко определяется генезисом торфа (моховой, осоковый, травяной). Образование аномалий Sr часто приурочено к надмерзлотному иллювиальному максимуму, что может свидетельствовать о присутствии сезонных криогенных карбонатных форм данного элемента. В группе катионо- и анионообразующих литофилов с постоянной валентностью (Ga, Sc, Y) определенную информативность имеет распределение Ga. В тундрах Ямала накопление галлия в растениях отражает относительно высокую степень запыленности приземной атмосферы на полуострове. Из катионо- и анионогенных элементов с переменной валентностью (Ti, Zr, Sn, V, Mo, Nb) наиболее информативны элементы, способные связываться в прочные соединения с органическим веществом почв (Ti, V, Mo). В группе типичных анионообразующих литофилов (B, P) хорошим показателем бионакопления является фосфор. В группе ме- таллов-сульфофилов (Pb, Cu, Zn) элементами-антагонистами в торфонакоплении являются Zn и Cu. Если для первого распределение в торфяной толще имеет регрессивноаккумулятивный тип, то для меди - прогрессивно-элювиальный. Появление надмерзлотного иллювиального максимума для Pb часто свидетельствует о его сорбции глинистой фракцией почв. В группе элементов-сидерофилов (Fe, Co, Cr, Mn, Ni) помимо железа хорошим индикатором окислительных условий является Mn.
Установлено что особенности распределения элементов-примесей в тундровых почвах и растениях техногенных участков связаны с дополнительным импульсом миграции вещества, что обусловлено: а) увеличением слоя сезонного оттаивания многолетнемерзлых почво-грунтов при механическом повреждении напочвенного покрова; б) приростом объемов транзитного стока мерзлотной верховодки и техногенным заболачиванием ландшафтов; в) активизацией суффозии, солифлюкции и оврагообразованием; г) техногенными выбросами в приземную атмосферу и связанным с ним повышением массы кислотообразующих аэрозолей; д) формированием техногенного микрорельефа и усилением снегонакопления на промышленных площадках. Следует заметить, что для целинных тундр, в которых слой сезонного протаивания смыкается с многолетней мерзлотой, колебания фона больше зависят от типа почв и характера растительности, и меньше - от степени увлажнения. Таким образом, геохимические аномалии, возникающие вследствие сезонных флуктуаций природного геохимического фона, и геохимические аномалии, связанные с техногенной трансформацией мерзлотных ландшафтов, имеют разные механизмы и должны рассматриваться раздельно: как в отношении выбора геохимических показателей природного и техногенного фона, так и геохимических признаков в объектах-индикаторах.
Выполнена оценка аномальных флуктуаций геохимического фона на основе анализа гистограмм распределения элементов, в которых интервалы частот сопряжены с атрибутивной информацией (номер пробы, коды атрибутов, описывающие место отбора проб, механический состав почв, систематику растений). Результаты показали, что в выборках, характеризующих техногенные участки, преобладают пробы с положительными аномалиями (значения концентраций выше среднемедианного), что может свидетельствовать как об относительно высокой геохимической активности почв, так и о низких темпах самоочищения территории. Для целинных тундр однозначной интерпретации не установлено .
Изучение концентрационных функций тундровых растений показало следующее. Для типичных катионогенных литофилов (Ba, Sr) отмечается преимущественное накопление в древесных кустарниках. Отношение Ba/Sr ниже в растениях северных тундр, чем в южных. Группа катионо- и анионогенных химических элементов с постоянной валентностью (Sc, Y, Ga, Ge) в целом отличается низкими содержаниями в тундровой растительности. Ti, Zr, Sn, V, Nb, Mo, относящиеся к группе катионо- и анионогенных химических элементов с переменной валентностью, в растениях накапливаются неодинаково. Для V и Mo характерны относительно высокие значения КБП, что обусловлено их биофильностью. Для Ti, Zr, Nb различные уровни накопления обусловлены разницей геохимического фона. Для Sn отмечается относительное накопление в растениях южных тундр Ямала, в частности, в травах. Для Большеземельской тундры такой избирательности элемента не выявлено. Бор и фосфор (типичные анионогенные литофилы) активно концентрируются в растениях. Для бора характерно накопление в кустарниках и кустарничках, из травянистых растений концентраторами бора являются плауны; фосфора больше в кустарниках. Для ме- таллов-сульфофилов (Cu, Zn, Pb) распределение в тундровой растительности во многом контролируется условиями среды, определяющими активность миграции этих элементов в почве. Сидерофилы группы железа (Cr, Mn, Co, Ni) отличаются неравномерным распределением в растениях тундр. В целом можно отметить, что геохимический фон растений варьирует сильнее, нежели почв.
Сопоставление биогеохимической активности жизненных форм тундровых растений (кустарники, травы, мхи и лишайники) показало систематическую (биоморфную) специализацию трав в преимущественном накоплении анионогенных элементов, тогда как кустарники, мхи и лишайники характеризуются увеличенным содержанием катионогенных элементов . Формирование аномалий катионогенных элементов во мхах и лишайниках идет по безбарьер- ному типу, а их контрастность зависит от степени шероховатости и формы листовых пластинок мхов и вегетативной поверхности (кустистые, накипные) лишайников .
Сопряженные с ЭПР-спектроскопией и термографические исследования сфагновых мхов выявили для загрязненных растений увеличение интенсивности спектра свободных радикалов, смещение температурных отметок термической деструкции органического вещества в область относительно низких значений. Примененное сочетание физических методов может быть достаточно информативным при качественной оценке состояния природной среды в зоне техногенеза.
При промышленном освоении территорий, характеризующихся наличием длительного периода с устойчивым снежным покровом, проблема кислых осадков трансформируется в проблему кислого снега. Наблюдения за динамикой изменчивости содержания сульфат-иона на поверхности снежного покрова показали, что сульфатное загрязнение поверхности снежного покрова в период между снегопадами обусловлено адсорбцией сжиженных капель SO2 на ледяных кристаллах инея при его осаждении (температура сжижения диоксида серы -10°С, зимой в приземном слое воздуха возможно образование дисперсных капель сжиженного газа SO2 как из атмосферы, так и состава техногенных эмиссий). Ранее этот источник подкисления снега не учитывался и не рассматривался. Возможность осаждения сжиженных капель SO2 на поверхности ледяных кристаллов инея с последующим их выпадением на поверхность снега объясняет часто наблюдаемый факт, когда исследователи при изучении снежного покрова фоновых и техногенных территорий получают близкие количественные показатели содержания сульфат-иона в снеговой воде.
На основе сравнения расчетов растворимости подвижных мономеров Fe (II) и Fe (III) с аналитическими результатами по пробам поверхностных вод, взятых с ключевых участков, прилегающих к Бованенковскому газоконденсатному месторождению, отличающихся низкой эрозионной устойчивостью склонов, выявлена связь сульфатного комплексообразования с ожелезнением вод при криогенном крипе. Показано, что ионно-солевое отношение (Fe2++Fe3+/SO42-) может служить индикационным признаком при оценке эрозионной устойчивости склонов.
Эколого-геохимический анализ барьерообразующих факторов выявил небольшой спектр классов геохимических барьеров: кислородный (А2, А6), глеевый (С2, С6), щелочной (D2, D6), кислый (Е6), термодинамический (Н2, Н6) и сорбционный (G2, G6) с соответствующими типами аномалий. Совместное действие барьерообразующих факторов часто инициирует образование комплексных барьеров, в частности, кислородно-сорбционного барьера A-G, приуроченного к капиллярной кайме мерзлотной верховодки; щелочно-сорбционного барьера D-G, сопряженного с капиллярным механическим барьером, в результате такого взаимодействия возникает аномалия D6-G6 (D2-G2). В зоне мерзлотного водоупора появление глеевого барьера с аномалией типа C6 нередко осложняется иллювиированием и сорбцией ЭП с образованием комплексной глеево-сорбционной аномалии C6-G6.
Применение геохимических барьеров в природоохранной практике повышает эффективность мер защиты и мониторинга окружающей среды топливодобывающих комплексов в Субарктике. В частности, в условиях равнин Большеземельской тундры с близким залеганием мерзлотного водоупора (ландшафты харьягинского типа) в качестве основы разработок способов защиты окружающей среды лучше использовать искусственный мерзлотносорбционный геохимический барьер, который эффективен как для локализации распространения внутрипочвенного загрязнения, так и для мониторинга самоочищения территории. Информативно геохимическое опробование коллоидных образований гидроксидов железа, осаждающихся на кислородном барьере. Широкая встречаемость гидроксидов железа делает их чрезвычайно удобным объектом геохимического опробования при создании опорных точек сети геохимического мониторинга .
Анализ послойной изменчивости интегральных геохимических параметров (водородный показатель, окислительно-восстановительный потенциал, кондуктометрия, плотность снега) показал, что в снежном покрове существует окислительно-восстановительная зональность.
Наблюдениями установлено, что в зоне изотермического слоя, формирующегося на границе «снег-почва», возникают условия для существования своеобразного криогеохи- мического барьера. Физико-химические преобразования снежных кристаллов в данной граничной зоне с участием субохлажденной влаги, образовавшейся при конденсации почвенных водяных паров, контролируют процесс накопления ЭП в кристаллах глубинного инея на криогеохимическом барьере.
Установлено, что вне зависимости от агрегатного состояния аэрозольного стока аэрогенные геохимические аномалии возникают при взаимодействии воздушного потока с подстилающей поверхностью в результате адгезии пыле-аэрозольных частиц, которой всегда предшествует адсорбция. При этом удержание частиц осуществляется за счет капиллярных сил конденсирующейся жидкости. Образующиеся при этом геохимические аномалии, по классификации А.И. Перельмана (1975), могут быть отнесены к H2-G2.
Наблюдениями за сезонной динамикой изменчивости микроэлементного состава аэрозольного стока обнаружено, что соотношение содержаний металлов в водо- и кислоторастворимой фракциях сухих выпадений зависят от содержания кислотообразующих аэрозолей и минеральных частиц в воздухе. В условиях подкисления атмосферы техногенными эмиссиями концентрация металлов в водорастворимой фракции сухих выпадений выше, чем в кислоторастворимой, тогда как при запылении воздуха зависимость обратная.
Апробирован новый способ пассивного пробоотбора аэрозоле. Наблюдения проводились в широком диапазоне температур (от - 47 до +32°С), относительной влажности (30-100%) и скорости ветра (от штиля до 20 м-с-1 с порывами до 35) в тундровой и таежной зонах европейской территории России. По итогам исследований получено 13 патентов. Полученные результаты позволяют по-новому организовать пассивный контроль аэрозольного стока при изучении регионального и трансграничного переноса техногенных эмиссий, при исследованиях атмосферной радиоактивности и наблюдениях аэрозольного загрязнения приземного слоя воздуха в малообжитых и труднодоступных районах.
Установлены эмпирические закономерности, характеризующие особенности фонового распределения элементов-примесей (ЭП) в равнинных ландшафтах Ямала и Большеземельской тундры. Оценка совпадения теоретических и эмпирических частот распределения ЭП, выполненная с использованием критерия %2, показала, что как для целинных, так и освоенных тундр распределение ЭП в почвенно-растительном покрове в большинстве не может быть аппроксимировано логарифмически нормальным законом распределения. Гистограммы часто осложнены сильным эксцессом и имеют значительную дисперсию. Примечательно, что и в Большезе- мельских, и Ямальских тундрах для сульфофильных и литофильных ЭП фиксируется преимущественно полимодальное распределение в выборках, что может свидетельствовать о нескольких источниках их поступления в ландшафты.
При выявлении индикационных и диагностических признаков техногенной трансформации геохимического фона целинных тундр для целей мониторинга необходимо учитывать, что геохимическая дифференциация микроэлементного фона Ямала и Большезе- мельской тундры - процесс многофакторный. Он определяется соотношением, по меньшей мере, четырех почвообразовательных процессов: криогенеза, торфонакопления, глеевого выщелачивания и подзолообразования. О каждом из этих процессов можно судить по особенностям распределения индикаторных групп элементов-примесей в почвенном профиле. Так, в группе типичных катионогенных элементов-литофилов (Sr, Ba) в условиях торфонакопления информативен барий, который может образовывать подвижные органоминеральные комплексы. Контрастность его аномалий в торфе нередко определяется генезисом торфа (моховой, осоковый, травяной). Образование аномалий Sr часто приурочено к надмерзлотному иллювиальному максимуму, что может свидетельствовать о присутствии сезонных криогенных карбонатных форм данного элемента. В группе катионо- и анионообразующих литофилов с постоянной валентностью (Ga, Sc, Y) определенную информативность имеет распределение Ga. В тундрах Ямала накопление галлия в растениях отражает относительно высокую степень запыленности приземной атмосферы на полуострове. Из катионо- и анионогенных элементов с переменной валентностью (Ti, Zr, Sn, V, Mo, Nb) наиболее информативны элементы, способные связываться в прочные соединения с органическим веществом почв (Ti, V, Mo). В группе типичных анионообразующих литофилов (B, P) хорошим показателем бионакопления является фосфор. В группе ме- таллов-сульфофилов (Pb, Cu, Zn) элементами-антагонистами в торфонакоплении являются Zn и Cu. Если для первого распределение в торфяной толще имеет регрессивноаккумулятивный тип, то для меди - прогрессивно-элювиальный. Появление надмерзлотного иллювиального максимума для Pb часто свидетельствует о его сорбции глинистой фракцией почв. В группе элементов-сидерофилов (Fe, Co, Cr, Mn, Ni) помимо железа хорошим индикатором окислительных условий является Mn.
Установлено что особенности распределения элементов-примесей в тундровых почвах и растениях техногенных участков связаны с дополнительным импульсом миграции вещества, что обусловлено: а) увеличением слоя сезонного оттаивания многолетнемерзлых почво-грунтов при механическом повреждении напочвенного покрова; б) приростом объемов транзитного стока мерзлотной верховодки и техногенным заболачиванием ландшафтов; в) активизацией суффозии, солифлюкции и оврагообразованием; г) техногенными выбросами в приземную атмосферу и связанным с ним повышением массы кислотообразующих аэрозолей; д) формированием техногенного микрорельефа и усилением снегонакопления на промышленных площадках. Следует заметить, что для целинных тундр, в которых слой сезонного протаивания смыкается с многолетней мерзлотой, колебания фона больше зависят от типа почв и характера растительности, и меньше - от степени увлажнения. Таким образом, геохимические аномалии, возникающие вследствие сезонных флуктуаций природного геохимического фона, и геохимические аномалии, связанные с техногенной трансформацией мерзлотных ландшафтов, имеют разные механизмы и должны рассматриваться раздельно: как в отношении выбора геохимических показателей природного и техногенного фона, так и геохимических признаков в объектах-индикаторах.
Выполнена оценка аномальных флуктуаций геохимического фона на основе анализа гистограмм распределения элементов, в которых интервалы частот сопряжены с атрибутивной информацией (номер пробы, коды атрибутов, описывающие место отбора проб, механический состав почв, систематику растений). Результаты показали, что в выборках, характеризующих техногенные участки, преобладают пробы с положительными аномалиями (значения концентраций выше среднемедианного), что может свидетельствовать как об относительно высокой геохимической активности почв, так и о низких темпах самоочищения территории. Для целинных тундр однозначной интерпретации не установлено .
Изучение концентрационных функций тундровых растений показало следующее. Для типичных катионогенных литофилов (Ba, Sr) отмечается преимущественное накопление в древесных кустарниках. Отношение Ba/Sr ниже в растениях северных тундр, чем в южных. Группа катионо- и анионогенных химических элементов с постоянной валентностью (Sc, Y, Ga, Ge) в целом отличается низкими содержаниями в тундровой растительности. Ti, Zr, Sn, V, Nb, Mo, относящиеся к группе катионо- и анионогенных химических элементов с переменной валентностью, в растениях накапливаются неодинаково. Для V и Mo характерны относительно высокие значения КБП, что обусловлено их биофильностью. Для Ti, Zr, Nb различные уровни накопления обусловлены разницей геохимического фона. Для Sn отмечается относительное накопление в растениях южных тундр Ямала, в частности, в травах. Для Большеземельской тундры такой избирательности элемента не выявлено. Бор и фосфор (типичные анионогенные литофилы) активно концентрируются в растениях. Для бора характерно накопление в кустарниках и кустарничках, из травянистых растений концентраторами бора являются плауны; фосфора больше в кустарниках. Для ме- таллов-сульфофилов (Cu, Zn, Pb) распределение в тундровой растительности во многом контролируется условиями среды, определяющими активность миграции этих элементов в почве. Сидерофилы группы железа (Cr, Mn, Co, Ni) отличаются неравномерным распределением в растениях тундр. В целом можно отметить, что геохимический фон растений варьирует сильнее, нежели почв.
Сопоставление биогеохимической активности жизненных форм тундровых растений (кустарники, травы, мхи и лишайники) показало систематическую (биоморфную) специализацию трав в преимущественном накоплении анионогенных элементов, тогда как кустарники, мхи и лишайники характеризуются увеличенным содержанием катионогенных элементов . Формирование аномалий катионогенных элементов во мхах и лишайниках идет по безбарьер- ному типу, а их контрастность зависит от степени шероховатости и формы листовых пластинок мхов и вегетативной поверхности (кустистые, накипные) лишайников .
Сопряженные с ЭПР-спектроскопией и термографические исследования сфагновых мхов выявили для загрязненных растений увеличение интенсивности спектра свободных радикалов, смещение температурных отметок термической деструкции органического вещества в область относительно низких значений. Примененное сочетание физических методов может быть достаточно информативным при качественной оценке состояния природной среды в зоне техногенеза.
При промышленном освоении территорий, характеризующихся наличием длительного периода с устойчивым снежным покровом, проблема кислых осадков трансформируется в проблему кислого снега. Наблюдения за динамикой изменчивости содержания сульфат-иона на поверхности снежного покрова показали, что сульфатное загрязнение поверхности снежного покрова в период между снегопадами обусловлено адсорбцией сжиженных капель SO2 на ледяных кристаллах инея при его осаждении (температура сжижения диоксида серы -10°С, зимой в приземном слое воздуха возможно образование дисперсных капель сжиженного газа SO2 как из атмосферы, так и состава техногенных эмиссий). Ранее этот источник подкисления снега не учитывался и не рассматривался. Возможность осаждения сжиженных капель SO2 на поверхности ледяных кристаллов инея с последующим их выпадением на поверхность снега объясняет часто наблюдаемый факт, когда исследователи при изучении снежного покрова фоновых и техногенных территорий получают близкие количественные показатели содержания сульфат-иона в снеговой воде.
На основе сравнения расчетов растворимости подвижных мономеров Fe (II) и Fe (III) с аналитическими результатами по пробам поверхностных вод, взятых с ключевых участков, прилегающих к Бованенковскому газоконденсатному месторождению, отличающихся низкой эрозионной устойчивостью склонов, выявлена связь сульфатного комплексообразования с ожелезнением вод при криогенном крипе. Показано, что ионно-солевое отношение (Fe2++Fe3+/SO42-) может служить индикационным признаком при оценке эрозионной устойчивости склонов.
Эколого-геохимический анализ барьерообразующих факторов выявил небольшой спектр классов геохимических барьеров: кислородный (А2, А6), глеевый (С2, С6), щелочной (D2, D6), кислый (Е6), термодинамический (Н2, Н6) и сорбционный (G2, G6) с соответствующими типами аномалий. Совместное действие барьерообразующих факторов часто инициирует образование комплексных барьеров, в частности, кислородно-сорбционного барьера A-G, приуроченного к капиллярной кайме мерзлотной верховодки; щелочно-сорбционного барьера D-G, сопряженного с капиллярным механическим барьером, в результате такого взаимодействия возникает аномалия D6-G6 (D2-G2). В зоне мерзлотного водоупора появление глеевого барьера с аномалией типа C6 нередко осложняется иллювиированием и сорбцией ЭП с образованием комплексной глеево-сорбционной аномалии C6-G6.
Применение геохимических барьеров в природоохранной практике повышает эффективность мер защиты и мониторинга окружающей среды топливодобывающих комплексов в Субарктике. В частности, в условиях равнин Большеземельской тундры с близким залеганием мерзлотного водоупора (ландшафты харьягинского типа) в качестве основы разработок способов защиты окружающей среды лучше использовать искусственный мерзлотносорбционный геохимический барьер, который эффективен как для локализации распространения внутрипочвенного загрязнения, так и для мониторинга самоочищения территории. Информативно геохимическое опробование коллоидных образований гидроксидов железа, осаждающихся на кислородном барьере. Широкая встречаемость гидроксидов железа делает их чрезвычайно удобным объектом геохимического опробования при создании опорных точек сети геохимического мониторинга .
Анализ послойной изменчивости интегральных геохимических параметров (водородный показатель, окислительно-восстановительный потенциал, кондуктометрия, плотность снега) показал, что в снежном покрове существует окислительно-восстановительная зональность.
Наблюдениями установлено, что в зоне изотермического слоя, формирующегося на границе «снег-почва», возникают условия для существования своеобразного криогеохи- мического барьера. Физико-химические преобразования снежных кристаллов в данной граничной зоне с участием субохлажденной влаги, образовавшейся при конденсации почвенных водяных паров, контролируют процесс накопления ЭП в кристаллах глубинного инея на криогеохимическом барьере.
Установлено, что вне зависимости от агрегатного состояния аэрозольного стока аэрогенные геохимические аномалии возникают при взаимодействии воздушного потока с подстилающей поверхностью в результате адгезии пыле-аэрозольных частиц, которой всегда предшествует адсорбция. При этом удержание частиц осуществляется за счет капиллярных сил конденсирующейся жидкости. Образующиеся при этом геохимические аномалии, по классификации А.И. Перельмана (1975), могут быть отнесены к H2-G2.
Наблюдениями за сезонной динамикой изменчивости микроэлементного состава аэрозольного стока обнаружено, что соотношение содержаний металлов в водо- и кислоторастворимой фракциях сухих выпадений зависят от содержания кислотообразующих аэрозолей и минеральных частиц в воздухе. В условиях подкисления атмосферы техногенными эмиссиями концентрация металлов в водорастворимой фракции сухих выпадений выше, чем в кислоторастворимой, тогда как при запылении воздуха зависимость обратная.
Апробирован новый способ пассивного пробоотбора аэрозоле. Наблюдения проводились в широком диапазоне температур (от - 47 до +32°С), относительной влажности (30-100%) и скорости ветра (от штиля до 20 м-с-1 с порывами до 35) в тундровой и таежной зонах европейской территории России. По итогам исследований получено 13 патентов. Полученные результаты позволяют по-новому организовать пассивный контроль аэрозольного стока при изучении регионального и трансграничного переноса техногенных эмиссий, при исследованиях атмосферной радиоактивности и наблюдениях аэрозольного загрязнения приземного слоя воздуха в малообжитых и труднодоступных районах.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.