Помощь студентам в учебе
МЕТОДОЛОГИЯ БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ ИНДИКАЦИИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ И ГОРНОПРОМЫШЛЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ДРЕВЕСНОЙ РАСТИТЕЛЬНОСТИ
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ К ЭКОЛОГО
ГЕОХИМИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ ТЕРРИТОРИЙ .... 18
1.1 Концепция экологической безопасности 18
1.2 Концепция биогеохимических провинций и ее развитие 21
1.3 Основные положения поисковой биогеохимии 24
1.4 Положения учения о геохимических барьерах 26
1.5 Формирование геохимических аномалий в городах 28
1.6 Эксперименты TROICA 34
1.7 Концепция биогеохимического мониторинга 35
1.8 Биогеохимические критерии оценки территории 37
1.9 Концепция медико-экологического мониторинга 41
1.10 Концепция критических нагрузок 43
1.11 Концепция экологического риска 44
1.12 Индикаторы антропогенного воздействия городов 46
1.13 Геоэкологическая оценка качества городской среды 49
ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ
ИНДИКАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДРЕВЕСНОЙ
РАСТИТЕЛЬНОСТИ 58
2.1 Опыт использования керна и листьев деревьев в
биогеохимической индикации территорий 58
2.1.1 Биогеохимическая индикация геоактивных зон 58
2.1.2 Биогеохимическая индикация горнорудных территорий 64
2.1.3 Биогеохимическая индикация урбанизированных территорий .. 77
2.2 Методика проведения полевых работ 83
2.2.1 Обоснование выбора объекта исследований 83
2.2.2 Масштабы работ, опробование и пробоподготовка 86
2.3 Аналитические методы исследований 88
2.3.1 Инструментальный нейтронно-активационный анализ 89
2.3.2 Методы плазменной спектрометрии 95
2.3.3 Атомно-абсорбционный анализ ртути 98
2.3.4 Определение фторида потенциометрическим методом 100
2.3.5 Методы сканирующей электронной микроскопии 101
2.3.6 Рентгеновская дифрактометрия 102
2.3.7 Альфа-спектрометрия с радиохимической подготовкой 102
2.3.8 Авторадиография 103
2.4 Обработка результатов биогеохимических исследований 104
2.4.1 Описательная статистика выборочных данных 106
2.4.2 Оценка средних содержаний химических элементов 107
2.4.3 Учет показателей численности и плотности населения 111
2.4.4 Ранжированные ряды химических элементов 116
2.4.5 Корреляционный и кластерный анализы 123
2.4.6 Факторный и дискриминантный анализы 126
2.4.7Использование интегральных показателей 129
2.4.8 Отображение результатов на картосхемах 133
2.5 Опытно-методические работы 135
2.5.1 Сравнение показателя зольности листьев тополя 135
2.5.2 Содержание элементов в немытых и мытых листьях 137
2.5.3 Влияние видов тополей на результаты опробования 139
2.5.4 Изменение содержания элементов в листьях во времени 140
2.5.5 Содержание химических элементов в органах деревьев 142
2.5.6 Содержание химических элементов в листьях, опаде и почве ... 143
2.5.7 Содержание элементов в листьях по высоте кроны тополя .... 145
ГЛАВА 3. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ
ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ 149
3.1 Особенности распределения брома 149
3.1.1 Биогеохимические бромные области 150
3.2 Особенности распределения редкоземельных элементов 157
3.2.1 РЗЭ как индикаторы влияния фактора «петрофонда» 161
3.2.2 Zr/Ce оношение как индикатор пылевого фактора 179
3.3 Биогеохимические исследования в эндемичных районах 183
ГЛАВА 4. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ
ПРОМЫШЛЕННОГО ТЕХНОГЕНЕЗА 192
4.1 Элементы-индикаторы трансграничных атмосферных выпадений .. 192
4.2 Фтор как индикатор воздействия алюминиевых заводов 200
4.3 Бром как индикатор промышленного техногенеза 208
4.4 Редкоземельные элементы (РЗЭ) как индикаторы техногенеза 210
4.4.1 Индикаторные соотношения РЗЭ 210
4.4.2 РЗЭ как индикаторы воздействия НПЗ 212
4.5 Ртуть как индикатор промышленного техногенеза 214
4.5.1 Индикатор воздействия горнодобывающих предприятий (Hg) 215
4.5.2 Индикатор воздействия полигонов ТКО (Hg) 218
4.5.3 Индикатор воздействия литиевого производства (Hg) 219
4.5.4 Численный анализ рассеяния ртути 224
4.6 Радиоактивные элементы (Th, U) как индикаторы техногенеза 231
4.6.1 Индикатор воздействия горнодобывающих предприятий (U) 235
4.6.2 Индикатор воздействия объектовЯТЦ (U) 238
4.6.3 Численный анализ рассеяния урана 242
ГДАВА 5. МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ
ПРОМЫШЛЕННОГО ТЕХНОГЕНЕЗА 249
5.1 Индикаторы воздействия уранодобывающего предприятия 250
5.2 Индикаторы воздействия предприятий ЯТЦ 252
5.3 Индикаторы воздействия алюминиевых заводов 255
5.4 Индикаторы воздействия металлургических заводов 266
5.5 Индикаторы воздействия золошлакоотвалов теплоэлектростанций 269
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 275
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 279
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 283
ГЛАВА 1. КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ ПОДХОДЫ К ЭКОЛОГО
ГЕОХИМИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ СОСТОЯНИЯ ТЕРРИТОРИЙ .... 18
1.1 Концепция экологической безопасности 18
1.2 Концепция биогеохимических провинций и ее развитие 21
1.3 Основные положения поисковой биогеохимии 24
1.4 Положения учения о геохимических барьерах 26
1.5 Формирование геохимических аномалий в городах 28
1.6 Эксперименты TROICA 34
1.7 Концепция биогеохимического мониторинга 35
1.8 Биогеохимические критерии оценки территории 37
1.9 Концепция медико-экологического мониторинга 41
1.10 Концепция критических нагрузок 43
1.11 Концепция экологического риска 44
1.12 Индикаторы антропогенного воздействия городов 46
1.13 Геоэкологическая оценка качества городской среды 49
ГЛАВА 2. МЕТОДОЛОГИЯ БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ
ИНДИКАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДРЕВЕСНОЙ
РАСТИТЕЛЬНОСТИ 58
2.1 Опыт использования керна и листьев деревьев в
биогеохимической индикации территорий 58
2.1.1 Биогеохимическая индикация геоактивных зон 58
2.1.2 Биогеохимическая индикация горнорудных территорий 64
2.1.3 Биогеохимическая индикация урбанизированных территорий .. 77
2.2 Методика проведения полевых работ 83
2.2.1 Обоснование выбора объекта исследований 83
2.2.2 Масштабы работ, опробование и пробоподготовка 86
2.3 Аналитические методы исследований 88
2.3.1 Инструментальный нейтронно-активационный анализ 89
2.3.2 Методы плазменной спектрометрии 95
2.3.3 Атомно-абсорбционный анализ ртути 98
2.3.4 Определение фторида потенциометрическим методом 100
2.3.5 Методы сканирующей электронной микроскопии 101
2.3.6 Рентгеновская дифрактометрия 102
2.3.7 Альфа-спектрометрия с радиохимической подготовкой 102
2.3.8 Авторадиография 103
2.4 Обработка результатов биогеохимических исследований 104
2.4.1 Описательная статистика выборочных данных 106
2.4.2 Оценка средних содержаний химических элементов 107
2.4.3 Учет показателей численности и плотности населения 111
2.4.4 Ранжированные ряды химических элементов 116
2.4.5 Корреляционный и кластерный анализы 123
2.4.6 Факторный и дискриминантный анализы 126
2.4.7Использование интегральных показателей 129
2.4.8 Отображение результатов на картосхемах 133
2.5 Опытно-методические работы 135
2.5.1 Сравнение показателя зольности листьев тополя 135
2.5.2 Содержание элементов в немытых и мытых листьях 137
2.5.3 Влияние видов тополей на результаты опробования 139
2.5.4 Изменение содержания элементов в листьях во времени 140
2.5.5 Содержание химических элементов в органах деревьев 142
2.5.6 Содержание химических элементов в листьях, опаде и почве ... 143
2.5.7 Содержание элементов в листьях по высоте кроны тополя .... 145
ГЛАВА 3. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ
ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ 149
3.1 Особенности распределения брома 149
3.1.1 Биогеохимические бромные области 150
3.2 Особенности распределения редкоземельных элементов 157
3.2.1 РЗЭ как индикаторы влияния фактора «петрофонда» 161
3.2.2 Zr/Ce оношение как индикатор пылевого фактора 179
3.3 Биогеохимические исследования в эндемичных районах 183
ГЛАВА 4. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ
ПРОМЫШЛЕННОГО ТЕХНОГЕНЕЗА 192
4.1 Элементы-индикаторы трансграничных атмосферных выпадений .. 192
4.2 Фтор как индикатор воздействия алюминиевых заводов 200
4.3 Бром как индикатор промышленного техногенеза 208
4.4 Редкоземельные элементы (РЗЭ) как индикаторы техногенеза 210
4.4.1 Индикаторные соотношения РЗЭ 210
4.4.2 РЗЭ как индикаторы воздействия НПЗ 212
4.5 Ртуть как индикатор промышленного техногенеза 214
4.5.1 Индикатор воздействия горнодобывающих предприятий (Hg) 215
4.5.2 Индикатор воздействия полигонов ТКО (Hg) 218
4.5.3 Индикатор воздействия литиевого производства (Hg) 219
4.5.4 Численный анализ рассеяния ртути 224
4.6 Радиоактивные элементы (Th, U) как индикаторы техногенеза 231
4.6.1 Индикатор воздействия горнодобывающих предприятий (U) 235
4.6.2 Индикатор воздействия объектовЯТЦ (U) 238
4.6.3 Численный анализ рассеяния урана 242
ГДАВА 5. МИНЕРАЛОГИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ
ПРОМЫШЛЕННОГО ТЕХНОГЕНЕЗА 249
5.1 Индикаторы воздействия уранодобывающего предприятия 250
5.2 Индикаторы воздействия предприятий ЯТЦ 252
5.3 Индикаторы воздействия алюминиевых заводов 255
5.4 Индикаторы воздействия металлургических заводов 266
5.5 Индикаторы воздействия золошлакоотвалов теплоэлектростанций 269
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 275
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 279
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 283
Актуальность. Обеспечение экологической безопасности населения городов от угроз, связанных с загрязнением окружающей среды - важнейшая проблема общества и государства. Согласно «Стратегии экологической безопасности РФ на период до 2025 г.» к внутренним вызовам экологической безопасности относятся: «наличие густонаселенных территорий,
характеризующихся высокой степенью загрязнения окружающей среды и деградацией природных объектов; загрязнение атмосферного воздуха и водных объектов вследствие трансграничного переноса загрязняющих веществ; наличие значительного количества объектов накопленного вреда окружающей среде, в том числе территорий, подвергшихся радиоактивному и химическому загрязнению» (утверждена Указом Президента РФ от 19 апреля 2017 г. № 176). Для урбанизированных территорий актуальной задачей
является поиск природных индикаторов экологической ситуации в связи с выработкой приоритетов экологической политики, решением экологических и экономических проблем.
Методы биогеохимической индикации (БГХИ) благодаря работам Н.С. Касимова (1982, 2011-2015), Н.П. Солнцевой (1982), В.А. Алексеенко (2000, 2005, 2006, 2013), М.С. Панина (2011, 2012), М.Д. Уфимцевой (2005, 2015, 2017), Н.В. Терехиной (2017, 2020), М.Г. Опекуновой (2016), Н.В. Барановской (2011) и др. широко применяются в геоэкологической оценке состояния окружающей среды на урбанизированных, селитебных территориях. Они предусматривают синтез информации о среде обитания человека, реакциях живых организмов, их популяций, сообществ на геохимические и другие природные и антропогенные факторы воздействия. Биогеохимические подходы могут быть полезными для выявления зон риска, экологического бедствия и кризиса - Н.С. Касимов (2014, 2017), В.Н. Башкин (2004-2006, 2011), В.В. Ермаков (2018), Т.И. Моисеенко (2018), Е.М. Коробова (2017, 2020), С.Ф. Тютиков (2017), Ю.Г. Таций (2017).
Данные подходы базируются, с одной стороны, на научных достижениях и практическом опыте биогеохимических поисков рудных месторождений, отраженных в работах В.В. Поликарпочкина (1964), С.М. Ткалича (1953, 1970), Д.П. Малюги (1963), А.Л. Ковалевского (1983, 1984, 1989, 1991, 2010), П.В. Ивашова (1976), В.А. Алексеенко (2005, 2011), В.А. Загоскина (2003) и других геологов; а с другой - на концепции биогеохимических провинций - А.П. Виноградов (1963), В.В. Ковальский (1974), В.В. Ермаков (1995, 1999, 2003, 2009, 2017, 2018), В.В. Добровольский (1983, 2007, 2009) и др., на концепции биогеохимического мониторинга и экспертизы окружающей среды (Ивашов, 1996, 1998, 2011), на концепции развития эколого-геохимических исследований промышленных, урбанизированных территорий (Сает и др., 1990; Буренков и др., 1993; Янин, 1992, 2020; Фурсов, 2012; Рихванов, 1997, 2002, 2007, 2017, 2021; Язиков, 2006, 2013, 2017; Барановская, 2010, 2011; Тентюков, 2016 и др.), на концепции критических нагрузок, основанной на биогеохимических принципах (Башкин, 1993, 2011, 2021), а также на учениях о геохимии ландшафтов и геохимических барьерах (Полынов, 1953; Перельман, 1975; Алексеенко, 2003; Глазовская, 2012; Касимов, 2012; Кошелева и др., 2015).
Эколого-биогеохимические исследования урбанизированных
территорий проводят ученые российских университетов: МГУ, МИГУ (Москва); СПбГУ, Горного университета (Санкт-Петербург); ЮФУ (Ростов- на-Дону); ТПУ (Томск); ДВФУ (Владивосток); отраслевых институтов ИМГРЭ, ВСЕГЕИ; академических институтов ГЕОХИ РАН (Москва), ИГМ СО РАН, ИПА СО РАН (Новосибирск), ИВЭП СО РАН (Барнаул), ИОА СО РАН, ИМКЭС СО РАН (Томск), ИГХ СО РАН (Иркутск), ИПРЭК СО РАН (Чита), ИГиП ДВО РАН (Благовещенск), ИВЭП ДВО РАН (Хабаровск) и других научно-исследовательских, образовательных и производственных организаций.
Существенными недостатками и проблемами, ограничивающими применение методов БГХИ на современном этапе, являются:
1) ограниченность или отсутствие данных о содержании широкого спектра химических элементов (включая галогены, редкоземельные, радиоактивные, ртуть и др.) в различных депонирующих природных компонентах;
2) недостаточная статистическая достоверность и
представительность выборок геохимических данных для объективной оценки экологического состояния урбанизированных территорий в региональном масштабе;
3) проблема административных границ при трансграничном переносе загрязняющих веществ, анализа (численного восстановления) мегаореолов загрязнения атмосферного воздуха от промышленных источников эмиссии;
4) проблема эталонов сравнения и поиска адекватных экологогеохимических индикаторов состояния отдельных природных компонентов для геоэкологической оценки урбанизированных территорий;
5) проблема существующей системы нормативов, не способной в полной мере обеспечить экологическую безопасность, защитить окружающую среду от негативных воздействий природного и антропогенного характера.
Автор представляемой диссертации с 2013 г. проводил комплексные эколого-геохимические исследования в составе коллектива отделения геологии (кафедры геоэкологии и геохимии) в Томском политехническом университете (ТПУ), где используется уникальная инструментальная база, накоплен значительный опыт и фактический материал, позволивший выработать методологические подходы к проведению биогеохимической оценки состояния урбанизированных территорий со сложным характером техногенного воздействия и организации биогеохимического мониторинга.
Цель работы - на основе системного подхода разработать и обосновать методологию биогеохимической индикации природных и техногенных факторов воздействия, аномалий химических элементов и минеральных образований посредством изучения листьев, керна древесной растительности и сопряженных природных сред для геоэкологической оценки урбанизированных территорий.
Основные задачи:
1. Обосновать методические подходы к проведению биогеохимической индикации (выбор индикатора и индикатов - объектов индикации) для геоэкологической оценки промышленно-урбанизированных территорий.
2. Оценить региональные средние уровни содержания химических элементов в едином биообъекте (листьях тополя) на урбанизированных и горнопрормышленных территориях с учетом градации городов по численности и плотности населения.
3. Выявить особенности распределения и концентрирования химических элементов в листьях тополя на урбанизированных территориях под влиянием природных факторов среды (геологических, климатических и др.).
4. Выявить особенности распределения химических элементов в листьях тополя на урбанизированных территориях, установить биогеохимические индикаторы воздействия разнопрофильных промышленных предприятий на компоненты окружающей среды, главным образом на атмосферный воздух.
5. Изучить особенности элементного состава твердой дисперсной фазы в листьях тополя урбанизированных территорий и установить минералогические индикаторы влияния промышленных предприятий различных отраслей, их комплексов на компоненты окружающей среды.
Объектом научного исследования является древесная растительность (листья тополя), аккумулирующая аэрозоли на урбанизированных территориях Сибири, Дальнего Востока России и Республики Казахстан (Акмолинская, Павлодарская и Восточно-Казахстанская области).
Предметом исследования выступают химический и минеральный состав листьев тополя (сезонного депонирующего аэрозоли компонента окружающей среды), механизмы миграции, источники поступления, устойчивость и изменение концентрации во времени химических элементов в сопряженных природных средах.
Фактический материал и личный вклад автора. В основу диссертационной работы положены материалы полевых, лабораторных и камеральных работ, проведенных автором лично или под его руководством и совместно с работниками отделения геологии (кафедра геоэкологии и геохимии) Томского политехнического университета, в сотрудничестве с коллегами из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Института водных и экологических проблем (ИВЭП) СО РАН, Института мониторинга климатических и экологических систем (ИМКЭС) СО РАН, Института вычислительной математики и математической геофизики (ИВМиМГ) СО РАН, Института геологии и природопользования (ИГиП) ДВО РАН, Института природных ресурсов, экологии и криологии (ИПРЭК) СО РАН, Института легких материалов и технологий ОК РУСАЛ. Результаты научных работ, проведенных в соавторстве, включены в диссертацию только при наличие совместных публикаций.
Исследования охватывают период с 2012 г. по 2019 г., за который было отобрано и проанализировано 1688 проб листьев тополя на территории 65 городов, включая три города-миллионника (Омск, Новосибирск, Красноярск), 17 купных (250-1000 тыс. чел.), 11 больших (100-250 тыс. чел.), 12 средних (50-100 тыс. чел.), 22 малых (<50 тыс. чел.), с населением более 15,5 млн. человек.
Основные результаты получены при выполнении научных проектов, поддержанных РФФИ (№12-05-31523), РНФ (№ 15-17-10011), ТПУ (ВИУ- PARIS VI_132/2014, ВИУ-ИПР-130/2017), в которых автор являлся руководителем или ответственным исполнителем.
Методы исследования и подходы. Проведенное исследование базировалось на комплексном подходе и включало анализ данных геологического строения, климатических условий, площадное опробование в масштабах 1:200000 - 1:100000, максимально полное изучение химического и минерального состава листьев древесных растений с применением методов математической статистики, численного анализа процессов рассеивания поллютантов, термодинамических расчетов образования минералов.
Анализ элементного состава листьев тополя выполнялся в аккредитованной ядерно-геохимической лаборатории на исследовательском ядерном реакторе ИРТ-Т ТПУ инструментальным нейтронно-активационным методом (ИНАА) по аттестованной методике (НСАМ ВИМС № 410-ЯФ) (аналитики А.Ф. Судыко, Л.В. Богутская), методами атомно-эмиссионной и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (аналитик Н.В. Зарубина) в аккредитованном Аналитическом центре ДВГИ ДВО РАН. Исследование минерального и химического состава листьев тополя осуществлялось с помощью сканирующего электронного микроскопа, рентгеноспектрального (аналитики Л.А. Дорохова, к.г-м.н. С.С. Ильенок) и рентгенофазового (аналитик к.г-м.н. Б.Р. Соктоев) методов анализа в международном инновационном научно-образовательном центре «Урановая геология» в ТПУ. Ртуть определялась атомно-абсорбционным методом анализа в лаборатории микроэлементного анализа отделения геологии ТПУ (аналитики Е.М. Турсуналиева, к.г-м.н. Е.Е. Ляпина). Авторадиография проведена на кафедре радиохимии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (аналитик к.г-м.н. А.С. Торопов). Анализ на содержание фтора выполнен потенциометрическим методом в лаборатории биогеохимии почв ИПА СО РАН (аналитик к.б.н. С.А. Худяев).
Научная новизна работы
1. Разработана и обоснована методология биогеохимической индикации геоэкологического состояния урбанизированных территорий с использованием элементного и минерального состава листьев тополя - сезонного депонирующего индикаторного объекта, сочетающего регулярную сеть опробования, комплекс современных аналитических лабораторных методов исследования вещества, методов многомерного статистического анализа данных, мониторинговые исследования на территориях со сложной техногенной нагрузкой, методы геохимического картирования, анализ пространственного распределения химических элементов, интегрального аддитивного показателя.
2. Получены новые достоверные данные о среднем региональном содержании 29 химических элементов (Na, Ca, Sc, Cr, Fe, Co, Zn, As, Br, Rb, Sr, Ag, Sb, Cs, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu, Hf, Та, Au, Hg, Th, U) в одном эталонном объекте - листьях тополя на урбанизированных территориях, позволяющие проводить сравнительную эколого-биогеохимическую оценку состояния окружающей среды городов азиатской части России и Казахстана.
3. Установлена зависимость уровня среднего содержания ряда химических элементов от численности и плотности населения в городах и мегаполисах.
4. Выявлены региональные и локальные особенности распределения и соотношения химических элементов в листьях тополя в зависимости от экзогенных процессов, особенностей геологического строения, геохимической, минерагенической специализаци, природно-климатических условий урбанизированных территорий азиатской части России.
5. Впервые оконтурена и описана Кулунда-Среднеиртышская бромная биогеохимическая субпровинция биосферы, включающая Кулундинскую и Северо-Казахскую бромные биогеохимические области.
6. По химическому составу золы листьев тополя на территории Горного Алтая и Восточно-Казахстанской области выявлен конформный трансграничный техногенный биогеохимический мегаореол рудной ассоциации элементов, источником эмиссии которых в атмосферу являются крупные горнодобывающие и металлургические предприятия городов Усть- Каменогорска и Риддера.
7. Определены специфичные индикаторные элементы и их отношения, формирующие локальные техногенные биогеохимические ореолы в листьях тополя в зонах воздействия предприятий уранодобывающей отрасли, ядерно- топливного цикла, нефтехимической переработки, топливно-энергетического комплекса, цветной металлургии, а также транспортной инфраструктуры.
8. Впервые описан механизм образования минералов флюорита и гипса в устьицах листьев тополя и биогеохимическая барьерообразующая роль кальция в нем в зоне влияния алюминиевого производства.
Практическая значимость
Разработанное методологическое направление может быть включено в программы экологического мониторинга, проводимого на трансграничных территориях соседних государств, с использованием единой сети исследования, методики и технологии.
Полученные данные свидетельствуют о формировании атмогенных природно-техногенных биогеохимические полей и о необходимости разработки ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) химических элементов-поллютантов в растительных объектах для экологического мониторинга.
Проведенная эколого-биогеохимическая оценка урбанизированных территорий получила отклик со стороны органов законодательной и исполнительной власти г. Новосибирска, Роспотребнадзора, позволила определить масштабы воздействия и идентифицировать источники эмиссии.
Фактические данные исследования могут стать методической основой для районирования урбанизированных территорий с опасным производством в других регионах России и за рубежом.
Материалы диссертационной работы используются в образовательном процессе в Национальном исследовательском Томском политехническом университете, в рамках реализации учебных дисциплин «Методы исследования природной среды и экологический мониторинг», «Компьютерные технологии и статистические методы в экологии и природопользовании», «Основы биоминералогии», «Научно
исследовательская работа в семестре» магистратуры по направлению подготовки 05.04.06 «Экология и природопользование».
Защищаемые положения
1. Методология биогеохимической индикации на урбанизированных территориях основывается на системном анализе процесса депонирования химических и минеральных компонентов растительными объектами и включает геохимию отдельных элементов, изучение вещественного состава природных компонентов в сопоставимых пространственно-временных условиях комплексом прецизионных инструментальных методов с использованием методов многомерного статистического анализа, геохимического картирования; учитывает средний региональный уровень содержания химических элементов в едином биообъекте, показатели численности и плотности населения, интегральной оценки.
2. Биогеохимическим индикатором современных областей соленакопления на юге Западной Сибири является Br, аномальные концентрации которого связаны с Кулунда-Среднеиртышской бромной биогеохимической субпровинцией. Биогеохимические индикаторы петрологических и литологических факторов воздействия геологической среды на урбанизированных территориях - высокозарядные, редкоземельные элементы и их индикаторные отношения. Территории, расположенные в экзолитодинамических зонах дефляции, переноса и аккумуляции эолового материала, характеризуются отношением Zr/Ce<0,5.
3. Биогеохимическими индикаторами воздействия предприятий горнодобывающей и металлургической промышленности на Российско- Казахстанской трансграничной территории являются элементы: Zn, As, Sb, Hg, U, образующие региональный конформный биогеохимический ореол атмосферных выпадений. На юге Сибири, в районах размещения предприятий горно-металлургического, литиевого производств, полигонов промышленных отходов, формируются локальные техногенные биогеохимические ореолы и потоки рассеяния Hg; ядерно-топливного цикла - U, с отношением Th/U<1; алюминиевого производства - F; нефтепереработки - La/Ce>1.
4. На промышленно-урбанизированных и горнорудных территориях в районах размещения разнопрофильных производств отмечается поступление в атмосферу специфических газообразных химических соединений и выпадение мелкодисперсных твердых частиц, которые депонируются и трансформируются на поверхности листьев тополя. Минералогическими индикаторами воздействия предприятий уранодобывающей отрасли и ядерно - топливного цикла являются микрочастицы оксида и фторида урана, алюминиевых заводов - фторида и сульфата кальция, заводов по переработке алюминиевых сплавов - сульфида свинца, теплоэнергетики (ТЭС) - РЗЭ.
Достоверность защищаемых положений обеспечивается
использованием современных концептуальных, теоретических, методических подходов и принципов биогеохимии, обширным фактическим материалом, полученным прецизионными методами в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам, с использованием статистических методов обработки аналитических данных, апробацией результатов работы в среде научно-производственной общественности на научных симпозиумах, конференциях, семинарах и публикацией результатов в рецензируемых периодических изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ, индексируемых в международных наукометрических базах данных Scopus и (или) Web of Science.
Апробация. Основные положения и результаты исследований докладывались на Международной конференции «Аэрозоль и оптика атмосферы» в 2014 г. (ИФА РАН, Москва); XX, XXIII, XXIV, XXV конференциях (рабочей группе) «Аэрозоли Сибири» в 2013, 2016, 2017, 2018 гг. (ИОА СО РАН, Томск); IX Международной биогеохимической школе «Биогеохимия техногенеза и современные проблемы геохимической экологии» в 2015 г. (ИВЭП СО РАН, Барнаул); Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды ENVIROMIS в 2016 г. (ИМКЭС СО РАН, Томск); V и VI Международных конференций «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» в 2016 г. и 2021 г. (ТПУ, Томск); V Международной научно-практической конференции «Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы» в 2017 г. (СевГУ, Севастополь); Всероссийской научно-практической конференции «Роль и место мелко- и среднемасштабных геохимических работ в системе геологического изучения недр» в 2018 г. (ИМГРЭ, Москва); VI Международном симпозиуме «Биокосные взаимодействия в природных и антропогенных системах» в 2018 г. (СПбГУ, Санкт-Петербург); научнопрактической конференции с международным участием «Современные проблемы гигиены, токсикологии и медицины труда» в 2020 г. («Новосибирский НИИ гигиены»), XIV и XVII Международных научных конгрессах «Интерэкспо ГЕО-Сибирь» в 2018 г. и 2021 г. (Новосибирск).
Публикации. Основное содержание и защищаемые научные положения диссертации отражены в 54 опубликованных работах (в том числе в одной коллективной монографии), из которых 16 статей в рецензируемых журналах, индексируемых в международных наукометрических базах данных Scopus и (или) Web of Science, а также 11 статей в научных изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ. Монография и статьи написаны в соавторстве с коллегами, которые не имеют возражений против защиты данной работы.
Структура, объем и содержание работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, включающего 532 наименования. Объем текста - 344 страницы, количество таблиц - 50, рисунков - 104.
Во введении обосновывается актуальность проблемы диссертационного исследования, сформулированы цель, задачи, объект и предмет исследования, научная новизна и практическая его значимость, защищаемые положения, приведена апробация результатов работы.
Глава 1 «Концептуальные подходы к эколого-геохимической оценке состояния территорий» посвящена теоретическим и концептуальным аспектам изучения природных и техногенных геохимических аномалий на урбанизированных территориях, проблемам нормирования загрязнения компонентов окружающей среды и поиска индикаторов антропогенного воздействия на окружающую среду в городах, а также современному развитию концепции биогеохимических провинций.
Глава 2 «Методология биогеохимической индикации с использованием древесной растительности» содержит обзор опыта использования керна и листьев деревьев в биогеохимическом мониторинге на природных, урбанизированных и горнорудных территориях; обоснование выбора объекта исследования, методики проведения полевых работ, описание аналитических методов, обработки результатов, анализ опытно-методических работ.
Глава 3 «Биогеохимические индикаторы геологической среды»
характеризует распределение Br, редкоземельных и других элементов в листьях тополя и в сопряженных природных средах на урбанизированных территориях под влиянием природных ландшафтно-климатических, петрологических и литологических факторов среды.
Глава 4 «Биогеохимические индикаторы промышленного техногенеза» представляет элементы-индикаторы атмосферного выпадения загрязняющих веществ на Российско-Казахстанской трансграничной территории, описание техногенных биогеохимических аномалий F, Br, Hg, U, РЗЭ и других на урбанизированных территориях, в зонах влияния разнопрофильных производств.
Глава 5 «Минералогические индикаторы промышленного техногенеза» содержит описание минералогических индикаторов техногенного воздействия на окружающую среду горнодобывающих и обогатительных предприятий, предприятий ядерно-топливного цикла, алюминиевого, металлургического производства, топливно-энергетического комплекса.
Заключение содержит основные выводы и практические рекомендации.
Автор выражает глубокую признательность научному консультанту д.г- м.н., профессору, заслуженному деятелю науки РФ, заслуженному геологу РФ ныне покойному Леониду Петровичу Рихванову за идейное вдохновление автора, за чуткое научное руководство и внимание к подготовке работы. Леонид Петрович с 2013 г. до последних дней своей жизни сопровождал научно-исследовательскую деятельность соискателя. Неоценимую моральную, организационную поддержку и помощь на всех этапах подготовки диссертации автору оказала научный консультант - д.б.н., доцент Наталья Владимировна Барановская, чье внимание во многом способствовало завершению работы.
Автор благодарит за многолетнее плодотворное сотрудничество академика В.Г. Моисеенко, д.г-м.н., профессора В.А. Степанова (научный руководитель кандидатской диссертации автора); за помощь в проведении полевых и лабораторных исследований, оформлении и обсуждении результатов - к.г-м.н. [Ю.В. Робертуса|; к.г-м.н. Е.Е. Ляпину; д.ф-м.н. В.Ф. Рапута; д.г-м.н. В.Н. Удачина; д.х.н. Р.И. Крайденко; к.х.н. Н.А. Осипову; к.х.н В.И. Радомскую; к.б.н. Л.М. Павлову; к.г-м.н. С.С. Ильенка; к.г-м.н. Б.Р. Соктоева; к.г-м.н., PhD А.Р. Ялалтдинову; к.г-м.н. А.С. Торопова; к.г-м.н. Т.С. Большунову; к.г-м.н. А.М. Межибор; к.г-м.н. Т.С. Шахову; к.г-м.н., PhD А.И. Беляновскую; к.г-м.н. М.А. Дериглазову; к.г-м.н. А.Н. Злобину; к.г-м.н., PhD Т.А. Братек; к.г-м.н. Е.С. Эпову; к.г.н. М.А. Солодухину; к.г-м.н. Л.В. Замана; к.м.н. Л.А. Михайлову.
Отдельная благодарность к.г-м.н. И.С. Соболеву за помощь в освоении методов статистического анализа геохимических данных. За проведение аналитических работ автор благодарит А.Ф. Судыко, Л.В. Богутскую, Е.М. Турсуналиеву, Л.А. Дорохову, без труда которых эта работа не могла бы состояться. Консультационную и организационную поддержку автору в выполнении и обсуждении работы оказали д.г-м.н., профессор Е.Г. Язиков; д.г-м.н., профессор С.И. Арбузов; д.г-м.н., доцент Н.В. Гусева. Автор выражает признательность всем сотрудникам, аспирантам и магистрантам отделения геологии ИШПР ТПУ, проявившим интерес к его работе.
Сердечное спасибо моим родным и близким за понимание и поддержку.
характеризующихся высокой степенью загрязнения окружающей среды и деградацией природных объектов; загрязнение атмосферного воздуха и водных объектов вследствие трансграничного переноса загрязняющих веществ; наличие значительного количества объектов накопленного вреда окружающей среде, в том числе территорий, подвергшихся радиоактивному и химическому загрязнению» (утверждена Указом Президента РФ от 19 апреля 2017 г. № 176). Для урбанизированных территорий актуальной задачей
является поиск природных индикаторов экологической ситуации в связи с выработкой приоритетов экологической политики, решением экологических и экономических проблем.
Методы биогеохимической индикации (БГХИ) благодаря работам Н.С. Касимова (1982, 2011-2015), Н.П. Солнцевой (1982), В.А. Алексеенко (2000, 2005, 2006, 2013), М.С. Панина (2011, 2012), М.Д. Уфимцевой (2005, 2015, 2017), Н.В. Терехиной (2017, 2020), М.Г. Опекуновой (2016), Н.В. Барановской (2011) и др. широко применяются в геоэкологической оценке состояния окружающей среды на урбанизированных, селитебных территориях. Они предусматривают синтез информации о среде обитания человека, реакциях живых организмов, их популяций, сообществ на геохимические и другие природные и антропогенные факторы воздействия. Биогеохимические подходы могут быть полезными для выявления зон риска, экологического бедствия и кризиса - Н.С. Касимов (2014, 2017), В.Н. Башкин (2004-2006, 2011), В.В. Ермаков (2018), Т.И. Моисеенко (2018), Е.М. Коробова (2017, 2020), С.Ф. Тютиков (2017), Ю.Г. Таций (2017).
Данные подходы базируются, с одной стороны, на научных достижениях и практическом опыте биогеохимических поисков рудных месторождений, отраженных в работах В.В. Поликарпочкина (1964), С.М. Ткалича (1953, 1970), Д.П. Малюги (1963), А.Л. Ковалевского (1983, 1984, 1989, 1991, 2010), П.В. Ивашова (1976), В.А. Алексеенко (2005, 2011), В.А. Загоскина (2003) и других геологов; а с другой - на концепции биогеохимических провинций - А.П. Виноградов (1963), В.В. Ковальский (1974), В.В. Ермаков (1995, 1999, 2003, 2009, 2017, 2018), В.В. Добровольский (1983, 2007, 2009) и др., на концепции биогеохимического мониторинга и экспертизы окружающей среды (Ивашов, 1996, 1998, 2011), на концепции развития эколого-геохимических исследований промышленных, урбанизированных территорий (Сает и др., 1990; Буренков и др., 1993; Янин, 1992, 2020; Фурсов, 2012; Рихванов, 1997, 2002, 2007, 2017, 2021; Язиков, 2006, 2013, 2017; Барановская, 2010, 2011; Тентюков, 2016 и др.), на концепции критических нагрузок, основанной на биогеохимических принципах (Башкин, 1993, 2011, 2021), а также на учениях о геохимии ландшафтов и геохимических барьерах (Полынов, 1953; Перельман, 1975; Алексеенко, 2003; Глазовская, 2012; Касимов, 2012; Кошелева и др., 2015).
Эколого-биогеохимические исследования урбанизированных
территорий проводят ученые российских университетов: МГУ, МИГУ (Москва); СПбГУ, Горного университета (Санкт-Петербург); ЮФУ (Ростов- на-Дону); ТПУ (Томск); ДВФУ (Владивосток); отраслевых институтов ИМГРЭ, ВСЕГЕИ; академических институтов ГЕОХИ РАН (Москва), ИГМ СО РАН, ИПА СО РАН (Новосибирск), ИВЭП СО РАН (Барнаул), ИОА СО РАН, ИМКЭС СО РАН (Томск), ИГХ СО РАН (Иркутск), ИПРЭК СО РАН (Чита), ИГиП ДВО РАН (Благовещенск), ИВЭП ДВО РАН (Хабаровск) и других научно-исследовательских, образовательных и производственных организаций.
Существенными недостатками и проблемами, ограничивающими применение методов БГХИ на современном этапе, являются:
1) ограниченность или отсутствие данных о содержании широкого спектра химических элементов (включая галогены, редкоземельные, радиоактивные, ртуть и др.) в различных депонирующих природных компонентах;
2) недостаточная статистическая достоверность и
представительность выборок геохимических данных для объективной оценки экологического состояния урбанизированных территорий в региональном масштабе;
3) проблема административных границ при трансграничном переносе загрязняющих веществ, анализа (численного восстановления) мегаореолов загрязнения атмосферного воздуха от промышленных источников эмиссии;
4) проблема эталонов сравнения и поиска адекватных экологогеохимических индикаторов состояния отдельных природных компонентов для геоэкологической оценки урбанизированных территорий;
5) проблема существующей системы нормативов, не способной в полной мере обеспечить экологическую безопасность, защитить окружающую среду от негативных воздействий природного и антропогенного характера.
Автор представляемой диссертации с 2013 г. проводил комплексные эколого-геохимические исследования в составе коллектива отделения геологии (кафедры геоэкологии и геохимии) в Томском политехническом университете (ТПУ), где используется уникальная инструментальная база, накоплен значительный опыт и фактический материал, позволивший выработать методологические подходы к проведению биогеохимической оценки состояния урбанизированных территорий со сложным характером техногенного воздействия и организации биогеохимического мониторинга.
Цель работы - на основе системного подхода разработать и обосновать методологию биогеохимической индикации природных и техногенных факторов воздействия, аномалий химических элементов и минеральных образований посредством изучения листьев, керна древесной растительности и сопряженных природных сред для геоэкологической оценки урбанизированных территорий.
Основные задачи:
1. Обосновать методические подходы к проведению биогеохимической индикации (выбор индикатора и индикатов - объектов индикации) для геоэкологической оценки промышленно-урбанизированных территорий.
2. Оценить региональные средние уровни содержания химических элементов в едином биообъекте (листьях тополя) на урбанизированных и горнопрормышленных территориях с учетом градации городов по численности и плотности населения.
3. Выявить особенности распределения и концентрирования химических элементов в листьях тополя на урбанизированных территориях под влиянием природных факторов среды (геологических, климатических и др.).
4. Выявить особенности распределения химических элементов в листьях тополя на урбанизированных территориях, установить биогеохимические индикаторы воздействия разнопрофильных промышленных предприятий на компоненты окружающей среды, главным образом на атмосферный воздух.
5. Изучить особенности элементного состава твердой дисперсной фазы в листьях тополя урбанизированных территорий и установить минералогические индикаторы влияния промышленных предприятий различных отраслей, их комплексов на компоненты окружающей среды.
Объектом научного исследования является древесная растительность (листья тополя), аккумулирующая аэрозоли на урбанизированных территориях Сибири, Дальнего Востока России и Республики Казахстан (Акмолинская, Павлодарская и Восточно-Казахстанская области).
Предметом исследования выступают химический и минеральный состав листьев тополя (сезонного депонирующего аэрозоли компонента окружающей среды), механизмы миграции, источники поступления, устойчивость и изменение концентрации во времени химических элементов в сопряженных природных средах.
Фактический материал и личный вклад автора. В основу диссертационной работы положены материалы полевых, лабораторных и камеральных работ, проведенных автором лично или под его руководством и совместно с работниками отделения геологии (кафедра геоэкологии и геохимии) Томского политехнического университета, в сотрудничестве с коллегами из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Института водных и экологических проблем (ИВЭП) СО РАН, Института мониторинга климатических и экологических систем (ИМКЭС) СО РАН, Института вычислительной математики и математической геофизики (ИВМиМГ) СО РАН, Института геологии и природопользования (ИГиП) ДВО РАН, Института природных ресурсов, экологии и криологии (ИПРЭК) СО РАН, Института легких материалов и технологий ОК РУСАЛ. Результаты научных работ, проведенных в соавторстве, включены в диссертацию только при наличие совместных публикаций.
Исследования охватывают период с 2012 г. по 2019 г., за который было отобрано и проанализировано 1688 проб листьев тополя на территории 65 городов, включая три города-миллионника (Омск, Новосибирск, Красноярск), 17 купных (250-1000 тыс. чел.), 11 больших (100-250 тыс. чел.), 12 средних (50-100 тыс. чел.), 22 малых (<50 тыс. чел.), с населением более 15,5 млн. человек.
Основные результаты получены при выполнении научных проектов, поддержанных РФФИ (№12-05-31523), РНФ (№ 15-17-10011), ТПУ (ВИУ- PARIS VI_132/2014, ВИУ-ИПР-130/2017), в которых автор являлся руководителем или ответственным исполнителем.
Методы исследования и подходы. Проведенное исследование базировалось на комплексном подходе и включало анализ данных геологического строения, климатических условий, площадное опробование в масштабах 1:200000 - 1:100000, максимально полное изучение химического и минерального состава листьев древесных растений с применением методов математической статистики, численного анализа процессов рассеивания поллютантов, термодинамических расчетов образования минералов.
Анализ элементного состава листьев тополя выполнялся в аккредитованной ядерно-геохимической лаборатории на исследовательском ядерном реакторе ИРТ-Т ТПУ инструментальным нейтронно-активационным методом (ИНАА) по аттестованной методике (НСАМ ВИМС № 410-ЯФ) (аналитики А.Ф. Судыко, Л.В. Богутская), методами атомно-эмиссионной и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (аналитик Н.В. Зарубина) в аккредитованном Аналитическом центре ДВГИ ДВО РАН. Исследование минерального и химического состава листьев тополя осуществлялось с помощью сканирующего электронного микроскопа, рентгеноспектрального (аналитики Л.А. Дорохова, к.г-м.н. С.С. Ильенок) и рентгенофазового (аналитик к.г-м.н. Б.Р. Соктоев) методов анализа в международном инновационном научно-образовательном центре «Урановая геология» в ТПУ. Ртуть определялась атомно-абсорбционным методом анализа в лаборатории микроэлементного анализа отделения геологии ТПУ (аналитики Е.М. Турсуналиева, к.г-м.н. Е.Е. Ляпина). Авторадиография проведена на кафедре радиохимии химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова (аналитик к.г-м.н. А.С. Торопов). Анализ на содержание фтора выполнен потенциометрическим методом в лаборатории биогеохимии почв ИПА СО РАН (аналитик к.б.н. С.А. Худяев).
Научная новизна работы
1. Разработана и обоснована методология биогеохимической индикации геоэкологического состояния урбанизированных территорий с использованием элементного и минерального состава листьев тополя - сезонного депонирующего индикаторного объекта, сочетающего регулярную сеть опробования, комплекс современных аналитических лабораторных методов исследования вещества, методов многомерного статистического анализа данных, мониторинговые исследования на территориях со сложной техногенной нагрузкой, методы геохимического картирования, анализ пространственного распределения химических элементов, интегрального аддитивного показателя.
2. Получены новые достоверные данные о среднем региональном содержании 29 химических элементов (Na, Ca, Sc, Cr, Fe, Co, Zn, As, Br, Rb, Sr, Ag, Sb, Cs, Ba, La, Ce, Nd, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu, Hf, Та, Au, Hg, Th, U) в одном эталонном объекте - листьях тополя на урбанизированных территориях, позволяющие проводить сравнительную эколого-биогеохимическую оценку состояния окружающей среды городов азиатской части России и Казахстана.
3. Установлена зависимость уровня среднего содержания ряда химических элементов от численности и плотности населения в городах и мегаполисах.
4. Выявлены региональные и локальные особенности распределения и соотношения химических элементов в листьях тополя в зависимости от экзогенных процессов, особенностей геологического строения, геохимической, минерагенической специализаци, природно-климатических условий урбанизированных территорий азиатской части России.
5. Впервые оконтурена и описана Кулунда-Среднеиртышская бромная биогеохимическая субпровинция биосферы, включающая Кулундинскую и Северо-Казахскую бромные биогеохимические области.
6. По химическому составу золы листьев тополя на территории Горного Алтая и Восточно-Казахстанской области выявлен конформный трансграничный техногенный биогеохимический мегаореол рудной ассоциации элементов, источником эмиссии которых в атмосферу являются крупные горнодобывающие и металлургические предприятия городов Усть- Каменогорска и Риддера.
7. Определены специфичные индикаторные элементы и их отношения, формирующие локальные техногенные биогеохимические ореолы в листьях тополя в зонах воздействия предприятий уранодобывающей отрасли, ядерно- топливного цикла, нефтехимической переработки, топливно-энергетического комплекса, цветной металлургии, а также транспортной инфраструктуры.
8. Впервые описан механизм образования минералов флюорита и гипса в устьицах листьев тополя и биогеохимическая барьерообразующая роль кальция в нем в зоне влияния алюминиевого производства.
Практическая значимость
Разработанное методологическое направление может быть включено в программы экологического мониторинга, проводимого на трансграничных территориях соседних государств, с использованием единой сети исследования, методики и технологии.
Полученные данные свидетельствуют о формировании атмогенных природно-техногенных биогеохимические полей и о необходимости разработки ориентировочно допустимых концентраций (ОДК) химических элементов-поллютантов в растительных объектах для экологического мониторинга.
Проведенная эколого-биогеохимическая оценка урбанизированных территорий получила отклик со стороны органов законодательной и исполнительной власти г. Новосибирска, Роспотребнадзора, позволила определить масштабы воздействия и идентифицировать источники эмиссии.
Фактические данные исследования могут стать методической основой для районирования урбанизированных территорий с опасным производством в других регионах России и за рубежом.
Материалы диссертационной работы используются в образовательном процессе в Национальном исследовательском Томском политехническом университете, в рамках реализации учебных дисциплин «Методы исследования природной среды и экологический мониторинг», «Компьютерные технологии и статистические методы в экологии и природопользовании», «Основы биоминералогии», «Научно
исследовательская работа в семестре» магистратуры по направлению подготовки 05.04.06 «Экология и природопользование».
Защищаемые положения
1. Методология биогеохимической индикации на урбанизированных территориях основывается на системном анализе процесса депонирования химических и минеральных компонентов растительными объектами и включает геохимию отдельных элементов, изучение вещественного состава природных компонентов в сопоставимых пространственно-временных условиях комплексом прецизионных инструментальных методов с использованием методов многомерного статистического анализа, геохимического картирования; учитывает средний региональный уровень содержания химических элементов в едином биообъекте, показатели численности и плотности населения, интегральной оценки.
2. Биогеохимическим индикатором современных областей соленакопления на юге Западной Сибири является Br, аномальные концентрации которого связаны с Кулунда-Среднеиртышской бромной биогеохимической субпровинцией. Биогеохимические индикаторы петрологических и литологических факторов воздействия геологической среды на урбанизированных территориях - высокозарядные, редкоземельные элементы и их индикаторные отношения. Территории, расположенные в экзолитодинамических зонах дефляции, переноса и аккумуляции эолового материала, характеризуются отношением Zr/Ce<0,5.
3. Биогеохимическими индикаторами воздействия предприятий горнодобывающей и металлургической промышленности на Российско- Казахстанской трансграничной территории являются элементы: Zn, As, Sb, Hg, U, образующие региональный конформный биогеохимический ореол атмосферных выпадений. На юге Сибири, в районах размещения предприятий горно-металлургического, литиевого производств, полигонов промышленных отходов, формируются локальные техногенные биогеохимические ореолы и потоки рассеяния Hg; ядерно-топливного цикла - U, с отношением Th/U<1; алюминиевого производства - F; нефтепереработки - La/Ce>1.
4. На промышленно-урбанизированных и горнорудных территориях в районах размещения разнопрофильных производств отмечается поступление в атмосферу специфических газообразных химических соединений и выпадение мелкодисперсных твердых частиц, которые депонируются и трансформируются на поверхности листьев тополя. Минералогическими индикаторами воздействия предприятий уранодобывающей отрасли и ядерно - топливного цикла являются микрочастицы оксида и фторида урана, алюминиевых заводов - фторида и сульфата кальция, заводов по переработке алюминиевых сплавов - сульфида свинца, теплоэнергетики (ТЭС) - РЗЭ.
Достоверность защищаемых положений обеспечивается
использованием современных концептуальных, теоретических, методических подходов и принципов биогеохимии, обширным фактическим материалом, полученным прецизионными методами в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам, с использованием статистических методов обработки аналитических данных, апробацией результатов работы в среде научно-производственной общественности на научных симпозиумах, конференциях, семинарах и публикацией результатов в рецензируемых периодических изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ, индексируемых в международных наукометрических базах данных Scopus и (или) Web of Science.
Апробация. Основные положения и результаты исследований докладывались на Международной конференции «Аэрозоль и оптика атмосферы» в 2014 г. (ИФА РАН, Москва); XX, XXIII, XXIV, XXV конференциях (рабочей группе) «Аэрозоли Сибири» в 2013, 2016, 2017, 2018 гг. (ИОА СО РАН, Томск); IX Международной биогеохимической школе «Биогеохимия техногенеза и современные проблемы геохимической экологии» в 2015 г. (ИВЭП СО РАН, Барнаул); Международной конференции по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды ENVIROMIS в 2016 г. (ИМКЭС СО РАН, Томск); V и VI Международных конференций «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» в 2016 г. и 2021 г. (ТПУ, Томск); V Международной научно-практической конференции «Экологическая геология: теория, практика и региональные проблемы» в 2017 г. (СевГУ, Севастополь); Всероссийской научно-практической конференции «Роль и место мелко- и среднемасштабных геохимических работ в системе геологического изучения недр» в 2018 г. (ИМГРЭ, Москва); VI Международном симпозиуме «Биокосные взаимодействия в природных и антропогенных системах» в 2018 г. (СПбГУ, Санкт-Петербург); научнопрактической конференции с международным участием «Современные проблемы гигиены, токсикологии и медицины труда» в 2020 г. («Новосибирский НИИ гигиены»), XIV и XVII Международных научных конгрессах «Интерэкспо ГЕО-Сибирь» в 2018 г. и 2021 г. (Новосибирск).
Публикации. Основное содержание и защищаемые научные положения диссертации отражены в 54 опубликованных работах (в том числе в одной коллективной монографии), из которых 16 статей в рецензируемых журналах, индексируемых в международных наукометрических базах данных Scopus и (или) Web of Science, а также 11 статей в научных изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ. Монография и статьи написаны в соавторстве с коллегами, которые не имеют возражений против защиты данной работы.
Структура, объем и содержание работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы, включающего 532 наименования. Объем текста - 344 страницы, количество таблиц - 50, рисунков - 104.
Во введении обосновывается актуальность проблемы диссертационного исследования, сформулированы цель, задачи, объект и предмет исследования, научная новизна и практическая его значимость, защищаемые положения, приведена апробация результатов работы.
Глава 1 «Концептуальные подходы к эколого-геохимической оценке состояния территорий» посвящена теоретическим и концептуальным аспектам изучения природных и техногенных геохимических аномалий на урбанизированных территориях, проблемам нормирования загрязнения компонентов окружающей среды и поиска индикаторов антропогенного воздействия на окружающую среду в городах, а также современному развитию концепции биогеохимических провинций.
Глава 2 «Методология биогеохимической индикации с использованием древесной растительности» содержит обзор опыта использования керна и листьев деревьев в биогеохимическом мониторинге на природных, урбанизированных и горнорудных территориях; обоснование выбора объекта исследования, методики проведения полевых работ, описание аналитических методов, обработки результатов, анализ опытно-методических работ.
Глава 3 «Биогеохимические индикаторы геологической среды»
характеризует распределение Br, редкоземельных и других элементов в листьях тополя и в сопряженных природных средах на урбанизированных территориях под влиянием природных ландшафтно-климатических, петрологических и литологических факторов среды.
Глава 4 «Биогеохимические индикаторы промышленного техногенеза» представляет элементы-индикаторы атмосферного выпадения загрязняющих веществ на Российско-Казахстанской трансграничной территории, описание техногенных биогеохимических аномалий F, Br, Hg, U, РЗЭ и других на урбанизированных территориях, в зонах влияния разнопрофильных производств.
Глава 5 «Минералогические индикаторы промышленного техногенеза» содержит описание минералогических индикаторов техногенного воздействия на окружающую среду горнодобывающих и обогатительных предприятий, предприятий ядерно-топливного цикла, алюминиевого, металлургического производства, топливно-энергетического комплекса.
Заключение содержит основные выводы и практические рекомендации.
Автор выражает глубокую признательность научному консультанту д.г- м.н., профессору, заслуженному деятелю науки РФ, заслуженному геологу РФ ныне покойному Леониду Петровичу Рихванову за идейное вдохновление автора, за чуткое научное руководство и внимание к подготовке работы. Леонид Петрович с 2013 г. до последних дней своей жизни сопровождал научно-исследовательскую деятельность соискателя. Неоценимую моральную, организационную поддержку и помощь на всех этапах подготовки диссертации автору оказала научный консультант - д.б.н., доцент Наталья Владимировна Барановская, чье внимание во многом способствовало завершению работы.
Автор благодарит за многолетнее плодотворное сотрудничество академика В.Г. Моисеенко, д.г-м.н., профессора В.А. Степанова (научный руководитель кандидатской диссертации автора); за помощь в проведении полевых и лабораторных исследований, оформлении и обсуждении результатов - к.г-м.н. [Ю.В. Робертуса|; к.г-м.н. Е.Е. Ляпину; д.ф-м.н. В.Ф. Рапута; д.г-м.н. В.Н. Удачина; д.х.н. Р.И. Крайденко; к.х.н. Н.А. Осипову; к.х.н В.И. Радомскую; к.б.н. Л.М. Павлову; к.г-м.н. С.С. Ильенка; к.г-м.н. Б.Р. Соктоева; к.г-м.н., PhD А.Р. Ялалтдинову; к.г-м.н. А.С. Торопова; к.г-м.н. Т.С. Большунову; к.г-м.н. А.М. Межибор; к.г-м.н. Т.С. Шахову; к.г-м.н., PhD А.И. Беляновскую; к.г-м.н. М.А. Дериглазову; к.г-м.н. А.Н. Злобину; к.г-м.н., PhD Т.А. Братек; к.г-м.н. Е.С. Эпову; к.г.н. М.А. Солодухину; к.г-м.н. Л.В. Замана; к.м.н. Л.А. Михайлову.
Отдельная благодарность к.г-м.н. И.С. Соболеву за помощь в освоении методов статистического анализа геохимических данных. За проведение аналитических работ автор благодарит А.Ф. Судыко, Л.В. Богутскую, Е.М. Турсуналиеву, Л.А. Дорохову, без труда которых эта работа не могла бы состояться. Консультационную и организационную поддержку автору в выполнении и обсуждении работы оказали д.г-м.н., профессор Е.Г. Язиков; д.г-м.н., профессор С.И. Арбузов; д.г-м.н., доцент Н.В. Гусева. Автор выражает признательность всем сотрудникам, аспирантам и магистрантам отделения геологии ИШПР ТПУ, проявившим интерес к его работе.
Сердечное спасибо моим родным и близким за понимание и поддержку.
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.
1. На основе системного подхода разработана и обоснована методология биогеохимической индикации геоэкологического состояния
урбанизированных и горнопромышленных территорий, с использованием элементного и минерального состава листьев древесной растительности.
1.1. Достоверно определены средние региональные концентрации 29 химических элементов, в том числе Br, редкоземельных, радиоактивных элементов в золе, а также Hg - в сухом веществе листьев тополя в представительной выборке проб, отобранных на территории 65 городов Сибири, Дальнего Востока и Казахстана, служащих эталоном сравнения.
1.2. Области аномальных средних содержаний Br находятся на территории Алтайского края и Северо-Востока Казахстана; РЗЭ - на территории Объ-Иртышского междуречья, Южного Кузбасса, Алтая, Прибайкалья, Среднего и Нижнего Приамурья, Южного Приморья; радиоактивных элементов - на территории Южного Прибайкалья и Забайкалья. Техногенная эмиссия Hg в окружающую среду локализована в двух районах - Южно-Западно-Сибирском и Прибайкальском.
1.3. Установлена зависимость увеличения уровня среднего содержания химических элементов Na, Sc, Cr, Fe, As, Sb, Tb, Lu, Hf, Ta, U, Hg от численности и плотности населения в городах. Максимальный уровень концентрации данного спектра элементов наблюдается в городах с численностью населения >1 млн. человек и плотностью >15-20 тыс. чел./км2.
1.4. Информативными биогеохимическими показателями,
позволяющими проводить интегральную эколого-геохимическую оценку урбанизированных территорий, являются: аддитивный геохимический индекс (Agi), учитывающий сумму коэффициентов концентрации химических элементов >1,0; коэффициент биогеохимической трансформации (Zv), учитывающий сумму коэффициентов концентрации и коэффициентов рассеяния химических элементов >1,0; коэффициент R, учитывающий сумму всех коэффициентов концентрации.
2. Выявлены региональные и локальные особенности распределения и соотношения химических элементов в листьях тополя, обусловленные влиянием геологических факторов (минерагении, «петрофонда», дефляции, эоловых процессов) на урбанизированных территориях.
2.1. Биогеохимическим индикатором областей соленакопления на юге Западной Сибири и сопредельной территории Казахстана является Br.
2.2. Установлена Кулунда-Среднеиртышская бромная
биогеохимическая субпровинция биосферы, объединяющая Кулундинскую и Северо-Казахскую бромные биогеохимические области и соответствующая по физико-географическому положению одноименным равнинам.
2.3. Максимальное содержание суммы РЗЭ определено на территории Владивостока и связано гранитами Седанкинского и Островорусского массивов.
2.4. Биогеохимическим индикатором, отражающим ветровое привнесение минеральной пыли, служит соотношение Zr/Ce<0,5 (долина среднего течения Оби, побережье озера Байкал, долина Среднего и Нижнего Амура). Индикаторное отношение Zr/Ce является отражением лучшей сохранности цирконов по сравнению с церийсодержащими минералами вследствие различной их физико-механической (абразивной) устойчивости, определяемой твердостью минералов.
3. Уровни концентрации химических элементов, их индикаторные отношения и геохимические ряды, а также минеральный состав в листьях тополя отражают региональный и локальный масштабы воздействия на окружающую среду предприятий горнодобывающего комплекса, ядерно- топливного цикла, алюминиевой, нефтеперерабатывающей промышленности.
3.1. Оконтурены конформные техногенные биогеохимические мегаореолы рудных элементов: Zn, Sb, Cu, As, Cd, Hg, U, сформировавшиеся в результате трансграничного переноса и выпадения выбросов горнодобывающих и металлургических предприятий ВосточноКазахстанской области (расположены в городах Усть-Каменогорск и Риддер) на территорию Горного Алтая.
3.2. Максимальный средний уровень содержаний Hg выявлен в районе пос. Акташ (Республика Алтай) и в Новосибирске, в северо-восточной части города; U - в районе Краснокаменска, в промышленной зоне ПГХО, и в Новосибирске, на северо-восточной окраине города. Пониженное отношение 238U/235U в листьях тополя указывает на техногенный источник поступления U.
3.3. Отношение La/Ce>1,0 в золе листьев тополя может использоваться в качестве биогеохимического индикатора воздействия предприятий нефтепереработки на компоненты окружающей среды.
3.4. Наибольшее воздействие выбросов F от алюминиевого производства отмечено в 2-километровой зоне. Описан механизм трансформации кислотообразующих компонентов выбросов HF и SO2 с образованием минералов фторида (флюорита) и сульфата кальция (гипса) в устьицах листьев тополя и биогеохимическая барьерообразующая роль кальция в нем.
Из проведенного исследования следуют практические рекомендации: биогеохимические исследования на урбанизированных территориях со сложной техногенной нагрузкой необходимо проводить на первых этапах эколого-геохимического мониторинга;
биогеохимические исследования целесообразно комплексировать с лито-, атмо-, гидрогеохимическими и геофизическими методами, увязывать с данными исследования других природных депонирующих сред;
в биогеохимических исследованиях важно, чтобы каждый химический элемент был рассмотрен, по возможности проинтерпретирован и использован в расчете интегральных геохимических показателей;
для идентификации местоположения источников эмиссии F, Hg, U и других атмогеннных химических элементов целесообразно использовать
методы численного анализа, основанные на моделях атмосферного переноса, выпадения и миграции загрязняющих веществ;
необходимо изучить степень риска для здоровья населения, механизмы воздействия выявленных природных и антропогенных экологических факторов на развитие хронических неинфекционных заболеваний органов дыхания человека в населенных пунктах с максимальными значениями интегральных показателей.
1. На основе системного подхода разработана и обоснована методология биогеохимической индикации геоэкологического состояния
урбанизированных и горнопромышленных территорий, с использованием элементного и минерального состава листьев древесной растительности.
1.1. Достоверно определены средние региональные концентрации 29 химических элементов, в том числе Br, редкоземельных, радиоактивных элементов в золе, а также Hg - в сухом веществе листьев тополя в представительной выборке проб, отобранных на территории 65 городов Сибири, Дальнего Востока и Казахстана, служащих эталоном сравнения.
1.2. Области аномальных средних содержаний Br находятся на территории Алтайского края и Северо-Востока Казахстана; РЗЭ - на территории Объ-Иртышского междуречья, Южного Кузбасса, Алтая, Прибайкалья, Среднего и Нижнего Приамурья, Южного Приморья; радиоактивных элементов - на территории Южного Прибайкалья и Забайкалья. Техногенная эмиссия Hg в окружающую среду локализована в двух районах - Южно-Западно-Сибирском и Прибайкальском.
1.3. Установлена зависимость увеличения уровня среднего содержания химических элементов Na, Sc, Cr, Fe, As, Sb, Tb, Lu, Hf, Ta, U, Hg от численности и плотности населения в городах. Максимальный уровень концентрации данного спектра элементов наблюдается в городах с численностью населения >1 млн. человек и плотностью >15-20 тыс. чел./км2.
1.4. Информативными биогеохимическими показателями,
позволяющими проводить интегральную эколого-геохимическую оценку урбанизированных территорий, являются: аддитивный геохимический индекс (Agi), учитывающий сумму коэффициентов концентрации химических элементов >1,0; коэффициент биогеохимической трансформации (Zv), учитывающий сумму коэффициентов концентрации и коэффициентов рассеяния химических элементов >1,0; коэффициент R, учитывающий сумму всех коэффициентов концентрации.
2. Выявлены региональные и локальные особенности распределения и соотношения химических элементов в листьях тополя, обусловленные влиянием геологических факторов (минерагении, «петрофонда», дефляции, эоловых процессов) на урбанизированных территориях.
2.1. Биогеохимическим индикатором областей соленакопления на юге Западной Сибири и сопредельной территории Казахстана является Br.
2.2. Установлена Кулунда-Среднеиртышская бромная
биогеохимическая субпровинция биосферы, объединяющая Кулундинскую и Северо-Казахскую бромные биогеохимические области и соответствующая по физико-географическому положению одноименным равнинам.
2.3. Максимальное содержание суммы РЗЭ определено на территории Владивостока и связано гранитами Седанкинского и Островорусского массивов.
2.4. Биогеохимическим индикатором, отражающим ветровое привнесение минеральной пыли, служит соотношение Zr/Ce<0,5 (долина среднего течения Оби, побережье озера Байкал, долина Среднего и Нижнего Амура). Индикаторное отношение Zr/Ce является отражением лучшей сохранности цирконов по сравнению с церийсодержащими минералами вследствие различной их физико-механической (абразивной) устойчивости, определяемой твердостью минералов.
3. Уровни концентрации химических элементов, их индикаторные отношения и геохимические ряды, а также минеральный состав в листьях тополя отражают региональный и локальный масштабы воздействия на окружающую среду предприятий горнодобывающего комплекса, ядерно- топливного цикла, алюминиевой, нефтеперерабатывающей промышленности.
3.1. Оконтурены конформные техногенные биогеохимические мегаореолы рудных элементов: Zn, Sb, Cu, As, Cd, Hg, U, сформировавшиеся в результате трансграничного переноса и выпадения выбросов горнодобывающих и металлургических предприятий ВосточноКазахстанской области (расположены в городах Усть-Каменогорск и Риддер) на территорию Горного Алтая.
3.2. Максимальный средний уровень содержаний Hg выявлен в районе пос. Акташ (Республика Алтай) и в Новосибирске, в северо-восточной части города; U - в районе Краснокаменска, в промышленной зоне ПГХО, и в Новосибирске, на северо-восточной окраине города. Пониженное отношение 238U/235U в листьях тополя указывает на техногенный источник поступления U.
3.3. Отношение La/Ce>1,0 в золе листьев тополя может использоваться в качестве биогеохимического индикатора воздействия предприятий нефтепереработки на компоненты окружающей среды.
3.4. Наибольшее воздействие выбросов F от алюминиевого производства отмечено в 2-километровой зоне. Описан механизм трансформации кислотообразующих компонентов выбросов HF и SO2 с образованием минералов фторида (флюорита) и сульфата кальция (гипса) в устьицах листьев тополя и биогеохимическая барьерообразующая роль кальция в нем.
Из проведенного исследования следуют практические рекомендации: биогеохимические исследования на урбанизированных территориях со сложной техногенной нагрузкой необходимо проводить на первых этапах эколого-геохимического мониторинга;
биогеохимические исследования целесообразно комплексировать с лито-, атмо-, гидрогеохимическими и геофизическими методами, увязывать с данными исследования других природных депонирующих сред;
в биогеохимических исследованиях важно, чтобы каждый химический элемент был рассмотрен, по возможности проинтерпретирован и использован в расчете интегральных геохимических показателей;
для идентификации местоположения источников эмиссии F, Hg, U и других атмогеннных химических элементов целесообразно использовать
методы численного анализа, основанные на моделях атмосферного переноса, выпадения и миграции загрязняющих веществ;
необходимо изучить степень риска для здоровья населения, механизмы воздействия выявленных природных и антропогенных экологических факторов на развитие хронических неинфекционных заболеваний органов дыхания человека в населенных пунктах с максимальными значениями интегральных показателей.
