Помощь студентам в учебе
ЭКОГЕОХИМИЯ АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ ЮГА СИБИРИ (ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ СОСТАВА НЕРАСТВОРИМОГО ОСАДКА СНЕГОВОГО ПОКРОВА)
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1. КРАТКИЙ ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СНЕГОВОГО
ПОКРОВА 17
1.1. Основные представления об аэрозолях и их влиянии на здоровье
человека 14
1.2. Использование снегового покрова как планшета-накопителя атмосферных
аэрозолей для эколого-геохимической оценки территорий 24
2. ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКАЯ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРРИТОРИИ ЮГА СИБИРИ 32
2.1. Основные черты природно-климатических условий 32
2.2. Геоэкологическая характеристика атмосферного воздуха и снегового
покрова 39
3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 58
3.1. Методика отбора и подготовки проб снегового покрова 58
3.2. Аналитические методы исследования состава проб 66
3.3. Методика обработки данных лабораторно-аналитических исследований 79
3.4. Эксперименты по биотестированию нерастворимого осадка снегового
покрова 89
4. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕНЕЗА НА ФОРМИРОВАНИЕ ПЫЛЕВОЙ НАГРУЗКИ И
СОСТАВА АЭРОЗОЛЕЙ, ОСЕВШИХ В СНЕГОВОМ ПОКРОВЕ, НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ ЮГА СИБИРИ 92
4.1. Оценка уровня пылевой нагрузки на урбанизированные территории в
зимний период 92
4.2. Геохимическая характеристика нерастворимого осадка снегового покрова.. 97
4.3. Минерально-вещественная характеристика нерастворимого осадка
снегового покрова 124
4.4. Динамика пылевой нагрузки и геохимических особенностей состава
нерастворимого осадка снегового покрова на территории г. Томска 146
5. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ И МИНЕРАЛЬНО-ВЕЩЕСТВЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ
СОСТАВА НЕРАСТВОРИМОГО ОСАДКА СНЕГОВОГО ПОКРОВА В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ ЮГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ 165
5.1. Краткая характеристика предприятий теплоэнергетики 165
5.2. Уровень пылевой нагрузки 166
5.3. Геохимические характеристики нерастворимого осадка снегового покрова.. 169
5.4. Характеристика минерально-вещественного состава нерастворимого
осадка снега 185
5.5. Многолетняя динамика пылевой нагрузки и гранулометрический состав нерастворимого осадка снегового покрова в зоне воздействия
ГРЭС-2 г. Томска 201
5.6. Многолетняя динамика формирования геохимических особенностей состава нерастворимого осадка снегового покрова в зоне воздействия ГРЭС-2
г. Томска 206
5.7. Гидрохимическая характеристика снеговой воды и распределение
химических элементов в системе «твердый осадок снегового покрова-снеговая вода» в зоне воздействия ГРЭС-2 г. Томска 213
6. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ
ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НЕРАСТВОРИМОГО ОСАДКА СНЕГОВОГО ПОКРОВА 220
6.1. Краткая природно-климатическая и геоэкологическая характеристика
области 220
6.2. Пространственный анализ распределения пылевой нагрузки и минерально
вещественный состав нерастворимого осадка снегового покрова на территории области 225
6.3. Геохимические особенности нерастворимого осадка снегового покрова на
территории области 230
6.4. Пространственное распределение химических элементов в нерастворимом
осадке снегового покрова на территории области 238
6.5. Факторная модель распределения уровней концентрации химических элементов в нерастворимом осадке снегового покрова на территории области... 259
6.6. Геохимическая специализация нерастворимого осадка снегового покрова в
зоне воздействия локальных объектов теплоэнергетики в области 264
7. ТИПИЗАЦИЯ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ЮГА СИБИРИ ПО
АТМОТЕХНОГЕННОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ НА СРЕДУ ОБИТАНИЯ 273
7.1. Краткий обзор типизаций эколого-геохимического состояния
урбанизированных территорий 273
7.2. Разработанные подходы к типизации урбанизированных территорий юга
Сибири по атмотехногенному воздействию на среду обитания на основе изучения состава нерастворимого осадка снегового покрова 275
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 314
ЛИТЕРАТУРА 319
1. КРАТКИЙ ОБЗОР ИССЛЕДОВАНИЙ АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СНЕГОВОГО
ПОКРОВА 17
1.1. Основные представления об аэрозолях и их влиянии на здоровье
человека 14
1.2. Использование снегового покрова как планшета-накопителя атмосферных
аэрозолей для эколого-геохимической оценки территорий 24
2. ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКАЯ И ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРРИТОРИИ ЮГА СИБИРИ 32
2.1. Основные черты природно-климатических условий 32
2.2. Геоэкологическая характеристика атмосферного воздуха и снегового
покрова 39
3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 58
3.1. Методика отбора и подготовки проб снегового покрова 58
3.2. Аналитические методы исследования состава проб 66
3.3. Методика обработки данных лабораторно-аналитических исследований 79
3.4. Эксперименты по биотестированию нерастворимого осадка снегового
покрова 89
4. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕНЕЗА НА ФОРМИРОВАНИЕ ПЫЛЕВОЙ НАГРУЗКИ И
СОСТАВА АЭРОЗОЛЕЙ, ОСЕВШИХ В СНЕГОВОМ ПОКРОВЕ, НА УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ ЮГА СИБИРИ 92
4.1. Оценка уровня пылевой нагрузки на урбанизированные территории в
зимний период 92
4.2. Геохимическая характеристика нерастворимого осадка снегового покрова.. 97
4.3. Минерально-вещественная характеристика нерастворимого осадка
снегового покрова 124
4.4. Динамика пылевой нагрузки и геохимических особенностей состава
нерастворимого осадка снегового покрова на территории г. Томска 146
5. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ И МИНЕРАЛЬНО-ВЕЩЕСТВЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ
СОСТАВА НЕРАСТВОРИМОГО ОСАДКА СНЕГОВОГО ПОКРОВА В ЗОНЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ ЮГА ЗАПАДНОЙ СИБИРИ 165
5.1. Краткая характеристика предприятий теплоэнергетики 165
5.2. Уровень пылевой нагрузки 166
5.3. Геохимические характеристики нерастворимого осадка снегового покрова.. 169
5.4. Характеристика минерально-вещественного состава нерастворимого
осадка снега 185
5.5. Многолетняя динамика пылевой нагрузки и гранулометрический состав нерастворимого осадка снегового покрова в зоне воздействия
ГРЭС-2 г. Томска 201
5.6. Многолетняя динамика формирования геохимических особенностей состава нерастворимого осадка снегового покрова в зоне воздействия ГРЭС-2
г. Томска 206
5.7. Гидрохимическая характеристика снеговой воды и распределение
химических элементов в системе «твердый осадок снегового покрова-снеговая вода» в зоне воздействия ГРЭС-2 г. Томска 213
6. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ
ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НЕРАСТВОРИМОГО ОСАДКА СНЕГОВОГО ПОКРОВА 220
6.1. Краткая природно-климатическая и геоэкологическая характеристика
области 220
6.2. Пространственный анализ распределения пылевой нагрузки и минерально
вещественный состав нерастворимого осадка снегового покрова на территории области 225
6.3. Геохимические особенности нерастворимого осадка снегового покрова на
территории области 230
6.4. Пространственное распределение химических элементов в нерастворимом
осадке снегового покрова на территории области 238
6.5. Факторная модель распределения уровней концентрации химических элементов в нерастворимом осадке снегового покрова на территории области... 259
6.6. Геохимическая специализация нерастворимого осадка снегового покрова в
зоне воздействия локальных объектов теплоэнергетики в области 264
7. ТИПИЗАЦИЯ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ ЮГА СИБИРИ ПО
АТМОТЕХНОГЕННОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ НА СРЕДУ ОБИТАНИЯ 273
7.1. Краткий обзор типизаций эколого-геохимического состояния
урбанизированных территорий 273
7.2. Разработанные подходы к типизации урбанизированных территорий юга
Сибири по атмотехногенному воздействию на среду обитания на основе изучения состава нерастворимого осадка снегового покрова 275
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 314
ЛИТЕРАТУРА 319
Актуальность исследований. Одной из важнейших геоэкологических проблем урбанизированных территорий является влияние атмосферных аэрозолей на качество атмосферного воздуха (Ивлев, 1982; Seinfeld et al., 1998; 2006; Аэрозоли..., 2006; Jyethi, 2016). Основным фактором в загрязнении атмосферы считаются аэрозоли твердых частиц (Янин, 2003; Касимов и др., 2014; Обзор., 2019). В разных странах, по современным оценкам, поступление твердых частиц за счет сжигания топлива расценивается на уровне 5-45%, а от промышленных источников - 10-35% (Янин, 2003; Karagulian et al., 2015; Hopke et al., 2020). Твердые частицы при этом оказывают негативное воздействие на здоровье населения (Величковский, 2002; Pope и Dockery, 2006; WHO, 2015; Veremchuk et al., 2018; Jaafari et al., 2021).
На урбанизированных территориях юга Сибири, крупного промышленно-сырьевого региона страны, техногенными источниками воздействия на среду обитания являются предприятия различных отраслей производства (топливная, металлургическая, машиностроительная, химическая, нефтехимическая, атомная, горнопромышленная, теплоэнергетика и др.) (Адам, 2003; Касимов и др., 2014; Госдоклад., 2018). Эти предприятия представляют собой мощные источники загрязняющих веществ, в т.ч. и твердых частиц, эмиссии которых вносят свой вклад в формирование повышенного и высокого уровня загрязнения атмосферного воздуха (Госдоклад., 2018), а также определяют потенциальный экологический риск для населения (Битюкова и др., 2011; Касимов и др., 2014). Существенна роль твердых частиц в концентрировании химических элементов, которые включаются в глобальные, региональные и локальные геохимические миграционные потоки. Для юга Сибири актуальны фундаментальные исследования влияния техногенных факторов на пространственно-временные закономерности образования, трансформации, переноса аэрозолей для выявления их основных источников и стоков (Аэрозоли..., 2006).
Существенный вклад в развитие научных знаний о микрофизических, химических и биологических характеристиках атмосферных аэрозолей Сибири внесли ученые институтов РАН и других научно-исследовательских организаций, что отражено в коллективной монографии (Аэрозоли Сибири, 2006 г., под ред. К.П. Куценогого) и многочисленных публикациях авторских коллективов (Б.Д. Белан, М.В. Панченко, Д.В. Симоненков, В.С. Козлов, Е.П. Яушева, С.А. Терпугова, М.Ю. Аршинов, В.Ф. Рапута, В.В. Пененко, А.А. Виноградова, В.П. Шевченко, Т.В. Ходжер, Л.П. Голобокова, Г.С. Жамсуева, А.С. Сафатов и др.).
Использование снегового покрова как планшета-накопителя аэрозольных выпадений из атмосферы является весьма актуальным для определения их состава, источников и дальности переноса, а также для оценки эколого-геохимического состояния урбанизированных территорий на региональном и локальном уровнях (Методические рекомендации ИМГРЭ, 1982; Глазовский и др., 1983; Василенко и др., 1985; Линник, 1985; Геохимия..., 1990; Касимов и др., 1990; 1995; 2014; 2016; Бояркина и др., 1993; Davidson и др., 1996; Ажаев, 2007; Белан, 2007; Шевченко и др., 2006; 2015; 2020; Zhang et al., 2013; Кошелева и др., 2012; Котова, 2013; Сорокина, 2013; Воронцова, 2013; Голохваст, 2014; Baltrenaite et al., 2014; Siudek et al., 2014; Удачин, 2014; Власов и др., 2015; 2020; Тентюков, 2016; Taras'kevic'ius et al., 2017; Кудерина и др., 2018; Gustaytis et al., 2018; Gabersek и Gosar, 2020).
В Сибири, с резко-континентальным климатом, продолжительность периода с устойчивым снеговым покровом достигает 5-6 месяцев, что исключает поступление местной литогенной составляющей. Этот период является наиболее благоприятным для накопления в снежной толще (до 80-90 см) продуктов техногенеза. Таким образом, Сибирь это крайне удобный регион для изучения механизмов формирования состава аэрозолей под влиянием техногенных источников и оценки масштабов антропогенного воздействия на урбанизированных территориях с использованием снегового покрова в качестве депонирующей среды.
В Сибири исследования аэрозолей с помощью снегового покрова в разные периоды проводились научными группами, например, из Новосибирска (В.Ф. Рапута, В.В. Коковкин, С.Б. Бортникова, А.Ю. Девятова, С.Ю. Артамонова, Ю.В. Ермолов), Тюмени (Д.В. Московченко, Р.Ю. Пожитников, В.А. Боев, Н.С. Ларина), Горно-Алтайска (Ю.В. Робертус, В.А. Ситникова), Барнаула (А.В. Пузанов, И.В. Хвостов, И.П. Чефранов, Т.С. Папина, Т.В. Носкова), Кемерово (Н.В. Журавлева, В.А. Некипелый, С.А. Некипелова), Москвы (В.П. Шевченко), Томска (А.П. Бояркина, Н.В. Ильченко, А.Ю. Иванов, А.И. Летувнинкас, Л.П. Рихванов, А.Ю. Шатилов, Е.Г. Язиков), Иркутска (Н.И. Янченко, А.Н. Баранов, В.И. Гребенщикова, Б.А. Бычинский, М.С. Холодова, Л.М. Филимонова, Н.А. Онищук, Н.Д. Давыдова, Т.И. Знаменская, Г.П. Королева, В.П. Рогова, В.А. Скворцов, И.А. Белозерцева, Н.В. Федорова), Кызыла (И.Д. Кара-Сал, Л.Х. Тас-Оол) и Улан-Удэ (А.В. Украинцев, Д.И. Жамбалова).
Несмотря на повышенный интерес к исследованию аэрозолей Сибири с использованием снегового покрова, их геохимические и минерально-вещественные характеристики, а также факторы, определяющие их формирование в городах не в полной мере изучены. Существует недостаток знаний о экогеохимии широкого спектра химических элементов, включая слабоизученные в геохимическом плане редкоземельные элементы, а также мало сведений о техногенных образованиях в составе аэрозолей, осевших в снеговом покрове на урбанизированных территориях. В последние два десятилетия (2001-2019 гг.) проведены систематические эколого-геохимические исследования аэрозолей с использованием снегового покрова на многих промышленно-урбанизированных территориях юга Сибири при личном участии автора. За многолетний период исследований накоплен обширный фактический материал, позволяющий на современной лабораторно-аналитической базе выполнить комплексное изучение минералого-геохимических характеристик состава атмосферных аэрозолей, формирующихся под влиянием урбанизации и хозяйственной деятельности в регионе.
Объектом исследований является нерастворимый осадок снегового покрова, который формируется аэрозольными частицами, осевшими в снеговой покров в результате процессов сухого и влажного осаждения, на урбанизированных территориях юга Сибири.
Предметом исследований выступает пылевая нагрузка, химический и минеральновещественный состав нерастворимого (твердого) осадка снегового покрова.
Цель исследований - выявить закономерности формирования химического и минеральновещественного состава атмосферных аэрозолей на урбанизированных территориях юга Сибири с разными условиями техногенеза по данным изучения нерастворимого осадка снегового покрова; разработать подходы к типизации территорий в регионе по атмотехногенному воздействию на среду обитания для оценки экологического состояния.
Задачи исследований:
1. Определить уровни пылевой нагрузки, концентрации широкого спектра химических элементов, формы их нахождения, соотношение видов техногенных и природных образований в составе нерастворимого осадка снегового покрова на урбанизированных территориях юга Сибири, подвергаемых воздействию разнопрофильных промышленных предприятий (теплоэнергетические, нефтеперерабатывающие, металлургические, машиностроительные и металлообрабатывающие, нефтегазовые, горнопромышленные, стройиндустрии).
2. Изучить закономерности распределения пылевой нагрузки и минералого-геохимические особенности состава нерастворимого осадка снегового покрова в зоне воздействия предприятий теплоэнергетики юга Западной Сибири для определения специфики их влияния на урбанизированных территориях в зимний период.
3. Изучить пространственно-временную динамику пылевой нагрузки и химического состава нерастворимого осадка снегового покрова на промышленно-урбанизированной территории юга Западной Сибири по данным многолетнего мониторинга (2007-2018 гг.).
4. Оценить пространственную изменчивость уровней накопления макро- и микроэлементов в нерастворимом осадке снегового покрова на территории Томской области на основе экологогеохимического районирования.
5. Обосновать комплекс критериев и признаков атмотехногенного воздействия, отражающие промышленное освоение городов, особенности формирования уровня пылевой нагрузки, геохимических и минерально-вещественных характеристик нерастворимого осадка снегового покрова в различных условиях техногенеза, в качестве основы проведения типизации урбанизированных территорий юга Сибири.
Фактический материал и методы исследования.
В основу диссертационной работы положены материалы, полученные при личном участии автора в процессе проведения научно-исследовательских работ на территории юга Сибири в период 2001-2019 годы. Исследования выполнялись автором во время обучения и работы на кафедре геоэкологии и геохимии (в н.в. отделение геологии) Томского политехнического университета в рамках грантов, хоздоговоров и инициативных работ.
Исследования осуществлялись при поддержке 12 грантов, включая шесть грантов под руководством автора - гранты Президента РФ для молодых кандидатов наук (МК 951.2013.5, 2013-2014 гг.), компании British Petroleum (2013, 2016 гг.), ТПУ на проведение молодыми учеными научных исследований (2008 г.), программы У.М.Н.И.К. (2007-2008 гг.) и Германской службы академической мобильности (DAAD, 2007 г.), а также шесть грантов, одним из исполнителей которых являлся автор, - гранты компании British Petroleum (2014, 2015, 2017 гг.), РГО (2015 г.) и РФФИ (16-45-700184p_a, 2016-2018 гг.; 20-05-00675А, 2020-2022 гг.).
Работы также проводились с участием автора в рамках хоздоговоров с ОАО «Томскгеомониторинг» согласно «Программе ведения государственного мониторинга состояния недр на территории Томской области» (2005-2008 гг.), ООО «Хакасразрезуголь» (2008 г.) и ООО «Сорский ГОК» (2015-2017 гг.).
В основу работы положены результаты исследования 2056 проб снегового покрова (с суммарным весом ~ 35 тыс. кг снега). Пробы отобраны, подготовлены и изучены во время полевых, камеральных и лабораторно-аналитических работ, выполненных с участием автора.
При личном участии автора сбор основного фактического материала выполнялся на территории юга Сибири - в Томской области (Томск, Северск, Асино, Стрежевой, Колпашево, 113 сельских населенных пункта), Кемеровской (Кемерово, Юрга, Междуреченск, Новокузнецк, Киселевск, Топки, Мыски), Омской (г. Омск) и Новосибирской (г. Искитим) областях, в Красноярском крае (Красноярск, Ачинск) и Республике Хакасии (Сорск, Черногорск), а также в Павлодарской (г. Павлодар), Восточно-Казахстанской (г. Усть-Каменогорск) областях Республики Казахстан. Исследования также осуществлялись в Центральном Казахстане (г. Караганда, Республика Казахстан).
С разной степенью детализации изучена 21 урбанизированная территория с различной спецификой техногенеза и природно-ландшафтными условиями.
Площадная снегогеохимическая съемка (масштаб 1:50000 и 1:100000) выполнена на территории 10 городов - Омск, Томск, Юрга, Междуреченск, Топки, Асино, Колпашево, Стрежевой, Сорск и Караганда. Векторная сеть наблюдений (от 0,5 до 5,5 км от источника) с учетом главенствующего направления ветра использовалась в зоне воздействия 27 предприятий различных отраслей производства (теплоэнергетическая, нефтехимическая, нефтеперерабатывающая, металлургическая, машиностроительная, угле- нефте- и горнодобывающая, стройиндустрия), расположенных в 18 изучаемых городах. Для изучения многолетней динамики аэрозольного загрязнения в зависимости от преобразований в структуре промышленного сектора в качестве модельного объекта выбран г. Томск.
Отбор и подготовка проб снегового покрова осуществлялись по единообразной методике в соответствии с нормативно-методическими документами (РД 52.04.186-89; Методические рекомендации ИМГРЭ..., 1982; Методические рекомендации №5174-90, утвержденные главным государственным санитарным врачом СССР от 15.05.1990 г.). Вес каждой пробы снегового покрова для получения массы нерастворимого осадка, необходимой для выполнения аналитических исследований, составлял не менее 17 кг, а в отдельных случаях и 150 кг.
Аналитические исследования состава проб нерастворимого осадка снегового покрова выполнены высокочувствительными современными методами в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам с использованием стандартных образцов сравнения. Достоверность аналитических результатов контролировалась внутренним и внешним контролем, параллельным анализом разными методами.
Значительная часть определений количественного содержания 27 химических элементов в пробах нерастворимого осадка снегового покрова выполнена инструментальным нейтронноактивационным анализом (ИНАА, 1831 проба) в ядерно-геохимической лаборатории кафедры геоэкологии и геохимии (в н.в. отделение геологии) на базе учебно-научного центра «Исследовательский ядерный реактор» ТПУ (аналитики: А.Ф. Судыко, Л.В. Богутская). На базе реактора также осуществлялся метод f-радиографии для анализа делящихся радионуклидов.
Содержание 60 химических элементов в пробах нерастворимого осадка снегового покрова определялось масс-спектрометрией с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС, 300 проб) в ХАЦ «Плазма» (г. Томск, директор: Н.В. Федюнина).
В лабораториях МИНОЦ «Урановая геология» ТПУ в пробах проводилось измерение содержания ртути методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААСМ, 1343 пробы; РА-915+ с приставкой ПИРО-915), определение минерально-фазового состава с помощью порошковой рентгеновской дифрактометрии (87 проб; дифрактометр Bruker D2 PHASER; ДРОН 3М), исследование микрочастиц методом электронной сканирующей микроскопии (74 пробы, 1580 частиц; сканирующий электронный микроскоп Hitachi S-3400N с ЭДС приставкой Bruker XFlash 4010) и микроскопическим методом (987 проб; бинокулярный стереоскопический микроскоп МБС-9; Leica ZN 4D с видео приставкой). Данными методами также выполняли анализ состава образцов промышленной пыли и сырья с некоторых предприятий. В НОЦ «Наноцентр» ТПУ осуществляли изучение гранулометрического состава отдельных проб методом лазерной дифракции (анализатор SALD-7101 фирмы Shimadzu; аналитик: А.А. Леонов).
В рамках научных стажировок аналитическое изучение отдельных проб проводилось методами сканирующей электронной микроскопии, ИСП-МС и рентгеновской дифрактометрии в Университете Карлсруэ (г. Карлсруэ, Германия); ИСП-МС (определение U235 и U238) в Центре радиоэкологии окружающей среды Норвежского университета наук о жизни (г. Ос, Норвегия); лазерной дифракции в НОЦ «Нанотехнологии» Дальневосточного федерального университета (г. Владивосток); сканирующей электронной микроскопии в Карагандинском государственном техническом университете (г. Караганда, Республика Казахстан).
При личном участии автора осуществлялось определение биологического влияния нерастворимого осадка снегового покрова методом биотестирования на Drosophila melanogaster (67235 дрозофил, 30 проб) в лабораториях Сибирского государственного медицинского университета (г. Томск, консультанты: профессор Н.Н. Ильинских, ассистент Н.А. Новикова), на Paramecium caudatum (20 проб) в ОАО «Томскгеомониторинг» (г. Томск, зав. лабораторией: Т.Д. Кириленко, консультант: аналитик Н.И. Мазурина).
В работу включены результаты изучения химического состава отдельных проб снеговой воды, проанализированные методами ИСП-МС (ХАЦ «Плазма»), атомно-абсорбционной спектрометрии «холодного пара» (МИНОЦ «Урановая геология» ТПУ), ионной хроматографии, потенциометрии, титриметрии, кондуктометрии и фотоколориметрии (НОЦ «Вода» ТПУ, руководители: к.г.-м.н. Ю.Г. Копылова, к.г.-м.н. А.А. Хващевская).
Обработка полученных данных включала определение эколого-геохимических показателей в соответствии с методическими рекомендациями ИМГРЭ (1982; 1990) - пылевая нагрузка (Рп); коэффициент концентрации (Кс); выпадение химических элементов на снеговой покров (Робщ); коэффициент превышения выпадений над фоном (Кр); суммарный показатель загрязнения (Zc) и нагрузки (Zp); статистический анализ в ПО «Statistica» по учебному пособию (Михальчук и Язиков, 2015); картографическое представление данных в ПО «Surfer» (метод Kriging) и ПО «Corel Draw». Проводился расчет Zc и Zp как для 28 элементов, так и для 60 элементов, содержания которых измерены различными методами анализа. По величинам Рп, Zc и Zp определялся уровень загрязнения и экологической опасности по общепринятым градациям (Геохимия..., 1990; Касимов и др., 2012). По величинам Рп предложена и использована градация уровня загрязнения относительно фона. Приняты оценки фона для пылевой нагрузки (<20 мг/(м2-сут.)) и содержания 27 химических элементов в нерастворимом осадке снегового покрова по литературным данным (Шатилов, 2001; Язиков, 2006). Также в качестве фоновых уровней использованы результаты автора по измерению химического состава проб (до 60 элементов), по изучению соотношения природных и техногенных образований в пробах из района Обсерватории «Фоновая» Института оптики атмосферы (ИОА) СО РАН.
Защищаемые положения:
1. Промышленный техногенез на урбанизированных территориях юга Сибири формирует средний (60-240 мг/(м2-сут.)) и высокий (240-600 мг/(м2-сут.)) уровни пылевой нагрузки относительно фона (<20 мг/(м2-сут.)). Техногенная геохимическая специализация нерастворимого осадка снегового покрова контрастно проявляется в спектре макро- и микроэлементов, уровни концентрации которых в 2-140 раз выше фоновых значений, что определяется видами функционирующих промышленных предприятий и пространственновременной динамикой формирования геохимических ореолов. В зонах техногенеза в минерально-вещественном составе нерастворимого осадка снегового покрова комплекс техногенных образований включает специфичные виды микрочастиц металлов и металлоидов (в форме сульфидов, сульфатов, оксидов, фосфатов, интерметаллидов, <5%), микроминеральных фаз (силикаты, карбонаты, фториды, ферриты, сульфиды, окислы, <25%) и прочих компонентов (частицы шлаков, стройматериалов, угля, микросферулы, <70%), которые характеризуют воздействие разнопрофильных промышленных предприятий.
2. Уровень пылевой нагрузки в зоне воздействия предприятий теплоэнергетики юга Западной Сибири изменяется от 56 до 880 мг/(м2-сут.). По мере удаления от источников выбросов (высота 100-150 м), наибольший уровень пылевой нагрузки (79-790 мг/(м2-сут.)) формируется на расстоянии до 1,3 км, а в пределах 1,3-2,3 км уровень нагрузки снижается в среднем в 2 раза (43268 мг/(м2-сут.)). В качестве элементов-индикаторов, отражающих геохимические особенности состава нерастворимого осадка снегового покрова, установлены лантаноиды, Y, Sc, U, Th, Nb, Hf, Ta, Ge, Ga, Zr, Hg. Характерным при этом является наличие микрочастиц, представленных в форме редкоземельных фосфатов, а в отдельных случаях оксидов урана. Минеральновещественная специфика обусловлена присутствием микросферул различного состава (алюмосиликатные, алюмосиликатно-железистые, железистые, лантан-цериевые и иттриевые) и отношением муллит/кварц (0,2-3,1, при фоне 0,01 ед.).
3. На основе эколого-геохимического районирования территории Томской области в нерастворимом осадке снегового покрова установлены повышенные концентрации U, Ba, Na, Zn, Ta, Sr, Hg, Br, Hf, Th, Sb и лантаноидов относительно фона. Выделены при этом три основные техногенные геохимические субпровинции разного генезиса и локализации: полиэлементная с ассоциацией лантаноиды-U-Th-Ta-Sc-Cs-Hf-Hg-Sr-Ba-Co в районах с повышенной пылевой нагрузкой Томск-Северской промышленной агломерации и угольной теплоэнергетики; ртутно- бромная в районах размещения объектов теплоэнергетики; натриевая в зоне воздействия нефтегазодобывающих предприятий.
4. Разработана и проведена типизация урбанизированных территорий юга Сибири по атмотехногенному воздействию на среду обитания, подходы к которой основаны на критериях и признаках, характеризующих промышленно-урбанизированное освоение территорий и аэрозольное загрязнение, отражающие закономерности формирования уровня пылевой нагрузки, геохимических и минерально-вещественных особенностей состава нерастворимого осадка снегового покрова, для оценки экологического состояния территорий.
Научная новизна работы.
1. Впервые изучены закономерности распределения уровня пылевой нагрузки, широкого спектра химических элементов и техногенных образований в атмосферных аэрозолях по результатам комплексного исследования состава нерастворимого осадка снегового покрова на урбанизированных территориях юга Сибири с разными условиями техногенеза в современный период (2007-2019 гг.) развития промышленных предприятий (теплоэнергетические, нефтеперерабатывающие, металлургические, машиностроительные, металлообрабатывающие, нефтегазовые, горнопромышленные, стройиндустрии).
2. В зонах воздействия предприятий теплоэнергетики юга Западной Сибири установлены уровни пылевой нагрузки и выявлены закономерности их изменений в зависимости от расстояния до источника выбросов. Выполнена оценка редкометалльной (лантаноиды, Y, Sc, U, Th, Nb, Hf, Ta, Ge, Ga, Zr) и ртутной техногенной геохимической специализации нерастворимого осадка снегового покрова. Определены индикаторные показатели отношения микроминеральных фаз (муллит/кварц), техногенные микросферулы, микрочастицы редкоземельного и уранового состава.
3. На основе данных многолетнего (2007-2018 гг.) мониторинга изучена пространственновременная динамика формирования пылевой нагрузки и геохимических ореолов в снеговом покрове на территории города юга Западной Сибири с учетом преобразований в структуре промышленного сектора и изменений топливного баланса на объекте теплоэнергетики.
4. Впервые проведено эколого-геохимическое районирование территории Томской области по геохимическим особенностям состава нерастворимого осадка снегового покрова, определена региональная геохимическая специализация нерастворимого осадка снегового покрова, установлена пространственная локализация техногенных геохимических зон, сформированных выбросами промышленности и объектов теплоэнергетики.
5. Научно обоснованы подходы к типизации урбанизированных территорий юга Сибири по атмотехногенному воздействию на среду обитания на основе систематизации результатов изучения уровня пылевой нагрузки, геохимических и минерально-вещественных особенностей состава нерастворимого осадка снегового покрова в современный период (2007-2019 гг.) на территории 21 города в регионе. Используя авторский фактический материал и литературные данные, проведена типизация 34 промышленно-урбанизированных территорий региона на основе разработанных подходов, в результате которой выявлены и охарактеризованы районы с различным экологическим состоянием.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Диссертационная работа вносит значимый вклад в развитие современных научных направлений, связанных с изучением геохимии окружающей среды, экологической минералогии и геоэкологии. Результаты работы расширяют научные знания о минералого-геохимических характеристиках атмосферных аэрозолей в разных условиях техногенеза на юге Сибири по данным изучения состава нерастворимого осадка снегового покрова.
Выполненные исследования геохимической и минерально-вещественной специализации состава нерастворимого осадка снегового покрова на урбанизированных территориях юга Сибири позволяют идентифицировать источники аэрозолей и выделять геоиндикаторы изменения атмосферы под влиянием техногенеза. Это дает возможность на качественно новом уровне проводить изучение региональных изменений в составе атмосферного воздуха и трансграничного переноса аэрозолей.
Разработанные подходы к типизации урбанизированных территорий юга Сибири с разными условиями техногенеза по атмотехногенному воздействию на среду обитания для оценки экологического состояния представляют собой самостоятельное научное достижение.
Практическая значимость работы заключается в определении уровня аэрозольного загрязнения на урбанизированных территориях юга Сибири в зависимости от промышленной специфики функционирующих производств на основе исследования пылевой нагрузки, химического и минерально-вещественного состава нерастворимого осадка снегового покрова.
Полученные результаты исследований позволяют совершенствовать методы мониторинга окружающей среды, составлять прогнозы изменения экологического состояния в регионе, выполнять оценку риска здоровью людей, разрабатывать природоохранные рекомендации и стратегии экологической безопасности городов для минимизации техногенного воздействия на атмосферный воздух и здоровье населения.
Впервые предложены и запатентованы способы определения участков загрязнения снегового покрова техногенными компонентами (патент № 2229737, 2004 г.) и радиоактивными
элементами (патент № 2453869, 2012 г.). Создана база данных (свид. гос. регистр. № 2016620754, 2016 г.) для определения уровней пылевой нагрузки и накопления химических элементов в нерастворимом осадке снегового покрова, а также проведено эколого-геохимическое районирование на территории Томской области и г. Томска.
Материалы исследований использованы в экологической деятельности ОГБУ «Облкомприрода» Департамента природных ресурсов и охраны окружающей среды Томской области, ОАО «Томскгеомониторинг», ООО «Хакасразрезуголь», ООО «Сорский ГОК» и АО «Ачинский НПЗ ВНК», а также в отчетах по грантам Президента РФ для молодых ученых, РФФИ, РГО и компании British Petroleum.
Материалы работы внедрены в образовательный процесс для подготовки бакалавров и магистров, иностранных студентов, обучающихся по направлению «Экология и природопользование» в Томском политехническом университете.
Достоверность защищаемых положений обеспечена использованием современных концептуальных, теоретических, методических подходов и принципов геохимии окружающей среды, экологической минералогии и геоэкологии; большим массивом фактического материала, включающего статистически значимое количество проб, отобранных и подготовленных по единой методике в соответствии с нормативно-методическими документами; анализом состава проб с помощью современных высокочувствительных аналитических методов в аккредитованных лабораториях ведущих центров страны и зарубежья; статистической обработкой лабораторно-аналитических данных и глубиной проработки материала.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и представлялись на 67 Международных, 35 Всероссийских и 5-ти Региональных научных конференциях, симпозиумах, форумах и совещаниях, в том числе Международный научный симпозиум студентов, аспирантов и молодых ученых им. акад. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2001-2008, 2014, 2016-2017 гг.); Международная конференция «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (г. Томск, 2004, 2009, 2013, 2016, 2021 гг.); Международная научно-практическая конференция «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде», (г. Семипалатинск, 2006, 2008, 2012 гг.); 11th Urban Environment Symposium (г. Карлсруэ, Германия, 2012 г.); «Всемирный Форум Снега - 2013» (г. Новосибирск, 2013 г.); The First Russian-Nordic Symposium on Radiochemistry (г. Москва, 2013 г.); Международная конференция «Аэрозоль и оптика атмосферы» (г. Москва, 2014 г.); Международная научно-практическая конференция «Снежный покров, атмосферные осадки, аэрозоли» (г. Иркутск, 2017, 2018, 2020 гг.); Международная конференция «Медицинская геология: MedGeo'17» (г. Москва, 2017 г.); Всероссийская конференция «Современные проблемы геохимии» (г. Иркутск, 2013, 2018 гг.); Всероссийская научная конференция «Геохимия
ландшафтов» (г. Москва, 2016 г.); Сергеевские чтения: задачи геоэкологии (г. Москва, 2013 г.); Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (г. Томск, 2005, 2011, 2013, 2017, 2019 гг.); конференция «Аэрозоли Сибири» (г. Томск, 2006-2021 гг.) и другие.
Публикации. Основные научные результаты и положения диссертации опубликованы в 255 работах, в т.ч. 59 публикаций в российских и зарубежных рецензируемых изданиях, включая 15 публикаций в журналах, индексируемых в базах Scopus и (или) WoS; два патента РФ на изобретение и патент на полезную модель; 36 статей в журналах из перечня ВАК Минобрнауки России. Изданы в соавторстве монография, 4-е учебных пособия, включая с грифом СибРУМЦ (2011 г., переиздано в 2016-2020 гг.) и два на английском языке, получено свидетельство на базу данных.
Личный вклад автора. В период с 2001 г. по 2019 г. автор лично принимала участие в планировании, организации и выполнении всех полевых, камеральных и лабораторноаналитических работ для исследования состава атмосферных аэрозолей с использованием снегового покрова на урбанизированных территориях юга Сибири, а также в подготовке всех научных публикаций. Отбор, подготовка и изучение проб снегового покрова осуществлялись лично автором или под ее руководством. Автором лично выполнено обобщение и систематизация массива полученных данных, сформулированы цель, задачи, выводы и защищаемые положения. В соавторстве запатентованы способы определения участков загрязнения снегового покрова, создана база эколого-геохимических данных. Автором лично получены новые научные результаты по экогеохимии атмосферных аэрозолей по данным изучения нерастворимого осадка снегового покрова, разработана и выполнена типизация урбанизированных территорий юга Сибири по атмотехногенному воздействию на среду обитания.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7-ми глав, заключения и списка литературы. Рукопись изложена на 373 страницах машинописного текста, включающего 113 рисунков и 109 таблиц. Список литературы состоит из 643 источников, в т.ч. 136 на иностранном языке.
В главе 1 рассматриваются современные представления об аэрозолях и снеговом покрове как депонирующей среды на основе литературного обзора.
Глава 2 характеризует природно-климатические и геоэкологические условия на изучаемых урбанизированных территориях юга Сибири.
Глава 3 содержит информацию о методике отбора и подготовке проб снегового покрова, аналитических методах исследования состава нерастворимого осадка снегового покрова и снеговой воды, а также о методике обработки полученных данных (эколого-геохимический, статистический, картографический анализ).
Глава 4 посвящена результатам изучения уровней пылевой нагрузки, широкого геохимического спектра элементов (от Li до U), природных и техногенных образований в нерастворимом осадке снегового покрова на 21 урбанизированной территории с разнопрофильными промышленными предприятиями. Приводятся также результаты изучения многолетней динамики (2007-2015 гг.) аэрозольного загрязнения на территории многопрофильного промышленного города (Томск) по данным изучения нерастворимого осадка снегового покрова.
В главе 5 представлены результаты исследований пылевой нагрузки, уровней накопления химических элементов (ртуть, уран, торий, редкоземельные и др.), минерально-вещественного состава нерастворимого осадка снегового покрова в зоне воздействия предприятий теплоэнергетики (ТЭС). Приводятся также результаты многолетнего эколого-геохимического мониторинга (2009-2018 гг.) загрязнения снегового покрова в зоне переноса выбросов ТЭС (ГРЭС-2 г. Томска).
В главе 6 приведен анализ пространственного распределения уровней накопления макро-и микроэлементов в нерастворимом осадке снегового покрова по результатам экологогеохимического районирования на территории Томской области с учетом расположения промышленных предприятий и объектов теплоэнергетики.
Глава 7 посвящена обоснованию подходов к типизации урбанизированных территорий юга Сибири по атмотехногенному воздействию на среду обитания на основе анализа промышленного освоения городов с применением методов геоурбанистики, а также результатов исследования состава нерастворимого осадка снегового покрова с использованием методов геохимии окружающей среды и экологической минералогии. Представлены результаты выполненной типизации 34 промышленно-урбанизированных территорий в регионе.
В заключении изложены основные выводы и рекомендации по диссертационной работе.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность учителю и научному консультанту д.г.-м.н., профессору Язикову Егору Григорьевичу за многолетнее научное руководство и формирование научного мировоззрения, а также за ценные советы при выполнении диссертационной работы. Автор приносит сердечную благодарность своей семье за постоянную поддержку.
За проведение совместных полевых, камеральных и лабораторно-аналитических работ, а также за разностороннее обсуждение результатов автор выражает большую благодарность всем студентам, бакалаврам и магистрантам, аспирантам и соискателям, которые занимались в разные годы научной работой под руководством диссертанта - к.г.-м.н.
Е.А. Филимоненко, к.г.-м.н. Т.С. Шаховой, В.В. Литау, А.В. Белошейкиной (Бутенко), Е.С. Торосян, Т.Е. Адильбаевой, В.С. Бучельникову, Н.П. Самохиной, С.А. Поликановой, А.Д. Пономаревой (Лончакова), Д.А. Володиной, В.Д. Кириной, Е.А. Самойловой (Мельникович), К.С. Михайловой, Д.А. Винюкову, Е.А. Никулиной, Ю.С. Будаевой, А.И. Беспаловой, С.П. Петунькину, А.А. Востриковой, Т.Т. Гасановой, А.А. Николаенко, Ю.В. Чумак, Д.А. Терской, М.Ю. Гавриловой, Н.О. Мельчуковой, А.Р. Ялалтдиновой, А.С. Чичиндаевой и другим.
Автор выражает признательность коллегам по кафедре геоэкологии и геохимии ТПУ (в н.в. отделение геологии) за ценные советы во время выполнения научных исследований: д.г.-м.н., профессору Рихванову Л.П., д.г.-м.н., профессору С.И. Арбузову, к.х.н., доценту Н.А. Осиповой, д.б.н., профессору Н.В. Барановской и остальным.
Автор благодарит за помощь в изучение проб на сканирующем электронном микроскопе и рентгеновском дифрактометре к.г.-м.н., ассистента отделения геологии (ОГ) ТПУ С.С. Ильенка, аспирантов ОГ Д.Г. Усольцева, Е.С. Усольцеву, А.П. Зайченко, Л.А. Дорохову, к.г.-м.н., доцента ОГ Б.Р. Соктоева, за измерение концентрации ртути в пробах к.х.н., доцента ОГ Н.А. Осипову, к.г.-м.н. Е.Е. Ляпину, а также за определение химического состава проб руководителей лабораторий А.Ф. Судыко, Н.В. Федюнину, к.г.-м.н. Ю.Г. Копылову, к.г.-м.н. А.А. Хващевскую, и аналитиков Л.В. Богутскую, Т.А. Филипас, А.Н. Маковенко, В.А. Шушарину, Н.И. Шердакову, М.Г. Камбалину.
Диссертант искренне благодарит за участие в совместных исследованиях Е.Е. Ляпину, к.г.-м.н., с.н.с. Института мониторинга климатических и экологических систем (ИМКЭС) СО РАН; Рапуту В.Ф., д.ф.-м.н., в.н.с. Института вычислительной математики и математической геофизики (ИВМиМГ) СО РАН; сотрудников Института оптики атмосферы (ИОА) СО РАН - к.ф.-м.н., с.н.с. Д.В. Симоненкова, к.ф.-м.н. В.С. Козлова, д.ф.-м.н. М.В. Панченко, д.ф.-м.н. Б.Д. Белана; Института нефтегазовой геологии и геофизики (ИНГГ) СО РАН - к.г.-м.н., с.н.с. А.Ю. Девятову, к.г.-м.н., с.н.с. А.В. Еделева; Сыктывкарского государственного университета - д.г.-м.н., профессора М.П. Тентюкова; Сибирского государственного медицинского университета - д.б.н. Н.Н. Ильинских, ассистента Н.А. Новикову; начальника отдела охраны окружающей среды ООО «Сорский ГОК» А.В. Бутенко и АО «Ачинский НПЗ ВНК» Е.М. Лопух; сотрудников Университета Карлсруэ (Германия) - профессора D. Stuben, PhD St. Norra, Dr. Z. Berner, G.Ott, Th. Neumann, N. Schleicher, Норвежского университета наук о жизни (Норвегия) - профессора B. Salbu и PhD O.C. Lind.
На урбанизированных территориях юга Сибири, крупного промышленно-сырьевого региона страны, техногенными источниками воздействия на среду обитания являются предприятия различных отраслей производства (топливная, металлургическая, машиностроительная, химическая, нефтехимическая, атомная, горнопромышленная, теплоэнергетика и др.) (Адам, 2003; Касимов и др., 2014; Госдоклад., 2018). Эти предприятия представляют собой мощные источники загрязняющих веществ, в т.ч. и твердых частиц, эмиссии которых вносят свой вклад в формирование повышенного и высокого уровня загрязнения атмосферного воздуха (Госдоклад., 2018), а также определяют потенциальный экологический риск для населения (Битюкова и др., 2011; Касимов и др., 2014). Существенна роль твердых частиц в концентрировании химических элементов, которые включаются в глобальные, региональные и локальные геохимические миграционные потоки. Для юга Сибири актуальны фундаментальные исследования влияния техногенных факторов на пространственно-временные закономерности образования, трансформации, переноса аэрозолей для выявления их основных источников и стоков (Аэрозоли..., 2006).
Существенный вклад в развитие научных знаний о микрофизических, химических и биологических характеристиках атмосферных аэрозолей Сибири внесли ученые институтов РАН и других научно-исследовательских организаций, что отражено в коллективной монографии (Аэрозоли Сибири, 2006 г., под ред. К.П. Куценогого) и многочисленных публикациях авторских коллективов (Б.Д. Белан, М.В. Панченко, Д.В. Симоненков, В.С. Козлов, Е.П. Яушева, С.А. Терпугова, М.Ю. Аршинов, В.Ф. Рапута, В.В. Пененко, А.А. Виноградова, В.П. Шевченко, Т.В. Ходжер, Л.П. Голобокова, Г.С. Жамсуева, А.С. Сафатов и др.).
Использование снегового покрова как планшета-накопителя аэрозольных выпадений из атмосферы является весьма актуальным для определения их состава, источников и дальности переноса, а также для оценки эколого-геохимического состояния урбанизированных территорий на региональном и локальном уровнях (Методические рекомендации ИМГРЭ, 1982; Глазовский и др., 1983; Василенко и др., 1985; Линник, 1985; Геохимия..., 1990; Касимов и др., 1990; 1995; 2014; 2016; Бояркина и др., 1993; Davidson и др., 1996; Ажаев, 2007; Белан, 2007; Шевченко и др., 2006; 2015; 2020; Zhang et al., 2013; Кошелева и др., 2012; Котова, 2013; Сорокина, 2013; Воронцова, 2013; Голохваст, 2014; Baltrenaite et al., 2014; Siudek et al., 2014; Удачин, 2014; Власов и др., 2015; 2020; Тентюков, 2016; Taras'kevic'ius et al., 2017; Кудерина и др., 2018; Gustaytis et al., 2018; Gabersek и Gosar, 2020).
В Сибири, с резко-континентальным климатом, продолжительность периода с устойчивым снеговым покровом достигает 5-6 месяцев, что исключает поступление местной литогенной составляющей. Этот период является наиболее благоприятным для накопления в снежной толще (до 80-90 см) продуктов техногенеза. Таким образом, Сибирь это крайне удобный регион для изучения механизмов формирования состава аэрозолей под влиянием техногенных источников и оценки масштабов антропогенного воздействия на урбанизированных территориях с использованием снегового покрова в качестве депонирующей среды.
В Сибири исследования аэрозолей с помощью снегового покрова в разные периоды проводились научными группами, например, из Новосибирска (В.Ф. Рапута, В.В. Коковкин, С.Б. Бортникова, А.Ю. Девятова, С.Ю. Артамонова, Ю.В. Ермолов), Тюмени (Д.В. Московченко, Р.Ю. Пожитников, В.А. Боев, Н.С. Ларина), Горно-Алтайска (Ю.В. Робертус, В.А. Ситникова), Барнаула (А.В. Пузанов, И.В. Хвостов, И.П. Чефранов, Т.С. Папина, Т.В. Носкова), Кемерово (Н.В. Журавлева, В.А. Некипелый, С.А. Некипелова), Москвы (В.П. Шевченко), Томска (А.П. Бояркина, Н.В. Ильченко, А.Ю. Иванов, А.И. Летувнинкас, Л.П. Рихванов, А.Ю. Шатилов, Е.Г. Язиков), Иркутска (Н.И. Янченко, А.Н. Баранов, В.И. Гребенщикова, Б.А. Бычинский, М.С. Холодова, Л.М. Филимонова, Н.А. Онищук, Н.Д. Давыдова, Т.И. Знаменская, Г.П. Королева, В.П. Рогова, В.А. Скворцов, И.А. Белозерцева, Н.В. Федорова), Кызыла (И.Д. Кара-Сал, Л.Х. Тас-Оол) и Улан-Удэ (А.В. Украинцев, Д.И. Жамбалова).
Несмотря на повышенный интерес к исследованию аэрозолей Сибири с использованием снегового покрова, их геохимические и минерально-вещественные характеристики, а также факторы, определяющие их формирование в городах не в полной мере изучены. Существует недостаток знаний о экогеохимии широкого спектра химических элементов, включая слабоизученные в геохимическом плане редкоземельные элементы, а также мало сведений о техногенных образованиях в составе аэрозолей, осевших в снеговом покрове на урбанизированных территориях. В последние два десятилетия (2001-2019 гг.) проведены систематические эколого-геохимические исследования аэрозолей с использованием снегового покрова на многих промышленно-урбанизированных территориях юга Сибири при личном участии автора. За многолетний период исследований накоплен обширный фактический материал, позволяющий на современной лабораторно-аналитической базе выполнить комплексное изучение минералого-геохимических характеристик состава атмосферных аэрозолей, формирующихся под влиянием урбанизации и хозяйственной деятельности в регионе.
Объектом исследований является нерастворимый осадок снегового покрова, который формируется аэрозольными частицами, осевшими в снеговой покров в результате процессов сухого и влажного осаждения, на урбанизированных территориях юга Сибири.
Предметом исследований выступает пылевая нагрузка, химический и минеральновещественный состав нерастворимого (твердого) осадка снегового покрова.
Цель исследований - выявить закономерности формирования химического и минеральновещественного состава атмосферных аэрозолей на урбанизированных территориях юга Сибири с разными условиями техногенеза по данным изучения нерастворимого осадка снегового покрова; разработать подходы к типизации территорий в регионе по атмотехногенному воздействию на среду обитания для оценки экологического состояния.
Задачи исследований:
1. Определить уровни пылевой нагрузки, концентрации широкого спектра химических элементов, формы их нахождения, соотношение видов техногенных и природных образований в составе нерастворимого осадка снегового покрова на урбанизированных территориях юга Сибири, подвергаемых воздействию разнопрофильных промышленных предприятий (теплоэнергетические, нефтеперерабатывающие, металлургические, машиностроительные и металлообрабатывающие, нефтегазовые, горнопромышленные, стройиндустрии).
2. Изучить закономерности распределения пылевой нагрузки и минералого-геохимические особенности состава нерастворимого осадка снегового покрова в зоне воздействия предприятий теплоэнергетики юга Западной Сибири для определения специфики их влияния на урбанизированных территориях в зимний период.
3. Изучить пространственно-временную динамику пылевой нагрузки и химического состава нерастворимого осадка снегового покрова на промышленно-урбанизированной территории юга Западной Сибири по данным многолетнего мониторинга (2007-2018 гг.).
4. Оценить пространственную изменчивость уровней накопления макро- и микроэлементов в нерастворимом осадке снегового покрова на территории Томской области на основе экологогеохимического районирования.
5. Обосновать комплекс критериев и признаков атмотехногенного воздействия, отражающие промышленное освоение городов, особенности формирования уровня пылевой нагрузки, геохимических и минерально-вещественных характеристик нерастворимого осадка снегового покрова в различных условиях техногенеза, в качестве основы проведения типизации урбанизированных территорий юга Сибири.
Фактический материал и методы исследования.
В основу диссертационной работы положены материалы, полученные при личном участии автора в процессе проведения научно-исследовательских работ на территории юга Сибири в период 2001-2019 годы. Исследования выполнялись автором во время обучения и работы на кафедре геоэкологии и геохимии (в н.в. отделение геологии) Томского политехнического университета в рамках грантов, хоздоговоров и инициативных работ.
Исследования осуществлялись при поддержке 12 грантов, включая шесть грантов под руководством автора - гранты Президента РФ для молодых кандидатов наук (МК 951.2013.5, 2013-2014 гг.), компании British Petroleum (2013, 2016 гг.), ТПУ на проведение молодыми учеными научных исследований (2008 г.), программы У.М.Н.И.К. (2007-2008 гг.) и Германской службы академической мобильности (DAAD, 2007 г.), а также шесть грантов, одним из исполнителей которых являлся автор, - гранты компании British Petroleum (2014, 2015, 2017 гг.), РГО (2015 г.) и РФФИ (16-45-700184p_a, 2016-2018 гг.; 20-05-00675А, 2020-2022 гг.).
Работы также проводились с участием автора в рамках хоздоговоров с ОАО «Томскгеомониторинг» согласно «Программе ведения государственного мониторинга состояния недр на территории Томской области» (2005-2008 гг.), ООО «Хакасразрезуголь» (2008 г.) и ООО «Сорский ГОК» (2015-2017 гг.).
В основу работы положены результаты исследования 2056 проб снегового покрова (с суммарным весом ~ 35 тыс. кг снега). Пробы отобраны, подготовлены и изучены во время полевых, камеральных и лабораторно-аналитических работ, выполненных с участием автора.
При личном участии автора сбор основного фактического материала выполнялся на территории юга Сибири - в Томской области (Томск, Северск, Асино, Стрежевой, Колпашево, 113 сельских населенных пункта), Кемеровской (Кемерово, Юрга, Междуреченск, Новокузнецк, Киселевск, Топки, Мыски), Омской (г. Омск) и Новосибирской (г. Искитим) областях, в Красноярском крае (Красноярск, Ачинск) и Республике Хакасии (Сорск, Черногорск), а также в Павлодарской (г. Павлодар), Восточно-Казахстанской (г. Усть-Каменогорск) областях Республики Казахстан. Исследования также осуществлялись в Центральном Казахстане (г. Караганда, Республика Казахстан).
С разной степенью детализации изучена 21 урбанизированная территория с различной спецификой техногенеза и природно-ландшафтными условиями.
Площадная снегогеохимическая съемка (масштаб 1:50000 и 1:100000) выполнена на территории 10 городов - Омск, Томск, Юрга, Междуреченск, Топки, Асино, Колпашево, Стрежевой, Сорск и Караганда. Векторная сеть наблюдений (от 0,5 до 5,5 км от источника) с учетом главенствующего направления ветра использовалась в зоне воздействия 27 предприятий различных отраслей производства (теплоэнергетическая, нефтехимическая, нефтеперерабатывающая, металлургическая, машиностроительная, угле- нефте- и горнодобывающая, стройиндустрия), расположенных в 18 изучаемых городах. Для изучения многолетней динамики аэрозольного загрязнения в зависимости от преобразований в структуре промышленного сектора в качестве модельного объекта выбран г. Томск.
Отбор и подготовка проб снегового покрова осуществлялись по единообразной методике в соответствии с нормативно-методическими документами (РД 52.04.186-89; Методические рекомендации ИМГРЭ..., 1982; Методические рекомендации №5174-90, утвержденные главным государственным санитарным врачом СССР от 15.05.1990 г.). Вес каждой пробы снегового покрова для получения массы нерастворимого осадка, необходимой для выполнения аналитических исследований, составлял не менее 17 кг, а в отдельных случаях и 150 кг.
Аналитические исследования состава проб нерастворимого осадка снегового покрова выполнены высокочувствительными современными методами в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам с использованием стандартных образцов сравнения. Достоверность аналитических результатов контролировалась внутренним и внешним контролем, параллельным анализом разными методами.
Значительная часть определений количественного содержания 27 химических элементов в пробах нерастворимого осадка снегового покрова выполнена инструментальным нейтронноактивационным анализом (ИНАА, 1831 проба) в ядерно-геохимической лаборатории кафедры геоэкологии и геохимии (в н.в. отделение геологии) на базе учебно-научного центра «Исследовательский ядерный реактор» ТПУ (аналитики: А.Ф. Судыко, Л.В. Богутская). На базе реактора также осуществлялся метод f-радиографии для анализа делящихся радионуклидов.
Содержание 60 химических элементов в пробах нерастворимого осадка снегового покрова определялось масс-спектрометрией с индуктивно связанной плазмой (ИСП-МС, 300 проб) в ХАЦ «Плазма» (г. Томск, директор: Н.В. Федюнина).
В лабораториях МИНОЦ «Урановая геология» ТПУ в пробах проводилось измерение содержания ртути методом атомно-абсорбционной спектрометрии (ААСМ, 1343 пробы; РА-915+ с приставкой ПИРО-915), определение минерально-фазового состава с помощью порошковой рентгеновской дифрактометрии (87 проб; дифрактометр Bruker D2 PHASER; ДРОН 3М), исследование микрочастиц методом электронной сканирующей микроскопии (74 пробы, 1580 частиц; сканирующий электронный микроскоп Hitachi S-3400N с ЭДС приставкой Bruker XFlash 4010) и микроскопическим методом (987 проб; бинокулярный стереоскопический микроскоп МБС-9; Leica ZN 4D с видео приставкой). Данными методами также выполняли анализ состава образцов промышленной пыли и сырья с некоторых предприятий. В НОЦ «Наноцентр» ТПУ осуществляли изучение гранулометрического состава отдельных проб методом лазерной дифракции (анализатор SALD-7101 фирмы Shimadzu; аналитик: А.А. Леонов).
В рамках научных стажировок аналитическое изучение отдельных проб проводилось методами сканирующей электронной микроскопии, ИСП-МС и рентгеновской дифрактометрии в Университете Карлсруэ (г. Карлсруэ, Германия); ИСП-МС (определение U235 и U238) в Центре радиоэкологии окружающей среды Норвежского университета наук о жизни (г. Ос, Норвегия); лазерной дифракции в НОЦ «Нанотехнологии» Дальневосточного федерального университета (г. Владивосток); сканирующей электронной микроскопии в Карагандинском государственном техническом университете (г. Караганда, Республика Казахстан).
При личном участии автора осуществлялось определение биологического влияния нерастворимого осадка снегового покрова методом биотестирования на Drosophila melanogaster (67235 дрозофил, 30 проб) в лабораториях Сибирского государственного медицинского университета (г. Томск, консультанты: профессор Н.Н. Ильинских, ассистент Н.А. Новикова), на Paramecium caudatum (20 проб) в ОАО «Томскгеомониторинг» (г. Томск, зав. лабораторией: Т.Д. Кириленко, консультант: аналитик Н.И. Мазурина).
В работу включены результаты изучения химического состава отдельных проб снеговой воды, проанализированные методами ИСП-МС (ХАЦ «Плазма»), атомно-абсорбционной спектрометрии «холодного пара» (МИНОЦ «Урановая геология» ТПУ), ионной хроматографии, потенциометрии, титриметрии, кондуктометрии и фотоколориметрии (НОЦ «Вода» ТПУ, руководители: к.г.-м.н. Ю.Г. Копылова, к.г.-м.н. А.А. Хващевская).
Обработка полученных данных включала определение эколого-геохимических показателей в соответствии с методическими рекомендациями ИМГРЭ (1982; 1990) - пылевая нагрузка (Рп); коэффициент концентрации (Кс); выпадение химических элементов на снеговой покров (Робщ); коэффициент превышения выпадений над фоном (Кр); суммарный показатель загрязнения (Zc) и нагрузки (Zp); статистический анализ в ПО «Statistica» по учебному пособию (Михальчук и Язиков, 2015); картографическое представление данных в ПО «Surfer» (метод Kriging) и ПО «Corel Draw». Проводился расчет Zc и Zp как для 28 элементов, так и для 60 элементов, содержания которых измерены различными методами анализа. По величинам Рп, Zc и Zp определялся уровень загрязнения и экологической опасности по общепринятым градациям (Геохимия..., 1990; Касимов и др., 2012). По величинам Рп предложена и использована градация уровня загрязнения относительно фона. Приняты оценки фона для пылевой нагрузки (<20 мг/(м2-сут.)) и содержания 27 химических элементов в нерастворимом осадке снегового покрова по литературным данным (Шатилов, 2001; Язиков, 2006). Также в качестве фоновых уровней использованы результаты автора по измерению химического состава проб (до 60 элементов), по изучению соотношения природных и техногенных образований в пробах из района Обсерватории «Фоновая» Института оптики атмосферы (ИОА) СО РАН.
Защищаемые положения:
1. Промышленный техногенез на урбанизированных территориях юга Сибири формирует средний (60-240 мг/(м2-сут.)) и высокий (240-600 мг/(м2-сут.)) уровни пылевой нагрузки относительно фона (<20 мг/(м2-сут.)). Техногенная геохимическая специализация нерастворимого осадка снегового покрова контрастно проявляется в спектре макро- и микроэлементов, уровни концентрации которых в 2-140 раз выше фоновых значений, что определяется видами функционирующих промышленных предприятий и пространственновременной динамикой формирования геохимических ореолов. В зонах техногенеза в минерально-вещественном составе нерастворимого осадка снегового покрова комплекс техногенных образований включает специфичные виды микрочастиц металлов и металлоидов (в форме сульфидов, сульфатов, оксидов, фосфатов, интерметаллидов, <5%), микроминеральных фаз (силикаты, карбонаты, фториды, ферриты, сульфиды, окислы, <25%) и прочих компонентов (частицы шлаков, стройматериалов, угля, микросферулы, <70%), которые характеризуют воздействие разнопрофильных промышленных предприятий.
2. Уровень пылевой нагрузки в зоне воздействия предприятий теплоэнергетики юга Западной Сибири изменяется от 56 до 880 мг/(м2-сут.). По мере удаления от источников выбросов (высота 100-150 м), наибольший уровень пылевой нагрузки (79-790 мг/(м2-сут.)) формируется на расстоянии до 1,3 км, а в пределах 1,3-2,3 км уровень нагрузки снижается в среднем в 2 раза (43268 мг/(м2-сут.)). В качестве элементов-индикаторов, отражающих геохимические особенности состава нерастворимого осадка снегового покрова, установлены лантаноиды, Y, Sc, U, Th, Nb, Hf, Ta, Ge, Ga, Zr, Hg. Характерным при этом является наличие микрочастиц, представленных в форме редкоземельных фосфатов, а в отдельных случаях оксидов урана. Минеральновещественная специфика обусловлена присутствием микросферул различного состава (алюмосиликатные, алюмосиликатно-железистые, железистые, лантан-цериевые и иттриевые) и отношением муллит/кварц (0,2-3,1, при фоне 0,01 ед.).
3. На основе эколого-геохимического районирования территории Томской области в нерастворимом осадке снегового покрова установлены повышенные концентрации U, Ba, Na, Zn, Ta, Sr, Hg, Br, Hf, Th, Sb и лантаноидов относительно фона. Выделены при этом три основные техногенные геохимические субпровинции разного генезиса и локализации: полиэлементная с ассоциацией лантаноиды-U-Th-Ta-Sc-Cs-Hf-Hg-Sr-Ba-Co в районах с повышенной пылевой нагрузкой Томск-Северской промышленной агломерации и угольной теплоэнергетики; ртутно- бромная в районах размещения объектов теплоэнергетики; натриевая в зоне воздействия нефтегазодобывающих предприятий.
4. Разработана и проведена типизация урбанизированных территорий юга Сибири по атмотехногенному воздействию на среду обитания, подходы к которой основаны на критериях и признаках, характеризующих промышленно-урбанизированное освоение территорий и аэрозольное загрязнение, отражающие закономерности формирования уровня пылевой нагрузки, геохимических и минерально-вещественных особенностей состава нерастворимого осадка снегового покрова, для оценки экологического состояния территорий.
Научная новизна работы.
1. Впервые изучены закономерности распределения уровня пылевой нагрузки, широкого спектра химических элементов и техногенных образований в атмосферных аэрозолях по результатам комплексного исследования состава нерастворимого осадка снегового покрова на урбанизированных территориях юга Сибири с разными условиями техногенеза в современный период (2007-2019 гг.) развития промышленных предприятий (теплоэнергетические, нефтеперерабатывающие, металлургические, машиностроительные, металлообрабатывающие, нефтегазовые, горнопромышленные, стройиндустрии).
2. В зонах воздействия предприятий теплоэнергетики юга Западной Сибири установлены уровни пылевой нагрузки и выявлены закономерности их изменений в зависимости от расстояния до источника выбросов. Выполнена оценка редкометалльной (лантаноиды, Y, Sc, U, Th, Nb, Hf, Ta, Ge, Ga, Zr) и ртутной техногенной геохимической специализации нерастворимого осадка снегового покрова. Определены индикаторные показатели отношения микроминеральных фаз (муллит/кварц), техногенные микросферулы, микрочастицы редкоземельного и уранового состава.
3. На основе данных многолетнего (2007-2018 гг.) мониторинга изучена пространственновременная динамика формирования пылевой нагрузки и геохимических ореолов в снеговом покрове на территории города юга Западной Сибири с учетом преобразований в структуре промышленного сектора и изменений топливного баланса на объекте теплоэнергетики.
4. Впервые проведено эколого-геохимическое районирование территории Томской области по геохимическим особенностям состава нерастворимого осадка снегового покрова, определена региональная геохимическая специализация нерастворимого осадка снегового покрова, установлена пространственная локализация техногенных геохимических зон, сформированных выбросами промышленности и объектов теплоэнергетики.
5. Научно обоснованы подходы к типизации урбанизированных территорий юга Сибири по атмотехногенному воздействию на среду обитания на основе систематизации результатов изучения уровня пылевой нагрузки, геохимических и минерально-вещественных особенностей состава нерастворимого осадка снегового покрова в современный период (2007-2019 гг.) на территории 21 города в регионе. Используя авторский фактический материал и литературные данные, проведена типизация 34 промышленно-урбанизированных территорий региона на основе разработанных подходов, в результате которой выявлены и охарактеризованы районы с различным экологическим состоянием.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Диссертационная работа вносит значимый вклад в развитие современных научных направлений, связанных с изучением геохимии окружающей среды, экологической минералогии и геоэкологии. Результаты работы расширяют научные знания о минералого-геохимических характеристиках атмосферных аэрозолей в разных условиях техногенеза на юге Сибири по данным изучения состава нерастворимого осадка снегового покрова.
Выполненные исследования геохимической и минерально-вещественной специализации состава нерастворимого осадка снегового покрова на урбанизированных территориях юга Сибири позволяют идентифицировать источники аэрозолей и выделять геоиндикаторы изменения атмосферы под влиянием техногенеза. Это дает возможность на качественно новом уровне проводить изучение региональных изменений в составе атмосферного воздуха и трансграничного переноса аэрозолей.
Разработанные подходы к типизации урбанизированных территорий юга Сибири с разными условиями техногенеза по атмотехногенному воздействию на среду обитания для оценки экологического состояния представляют собой самостоятельное научное достижение.
Практическая значимость работы заключается в определении уровня аэрозольного загрязнения на урбанизированных территориях юга Сибири в зависимости от промышленной специфики функционирующих производств на основе исследования пылевой нагрузки, химического и минерально-вещественного состава нерастворимого осадка снегового покрова.
Полученные результаты исследований позволяют совершенствовать методы мониторинга окружающей среды, составлять прогнозы изменения экологического состояния в регионе, выполнять оценку риска здоровью людей, разрабатывать природоохранные рекомендации и стратегии экологической безопасности городов для минимизации техногенного воздействия на атмосферный воздух и здоровье населения.
Впервые предложены и запатентованы способы определения участков загрязнения снегового покрова техногенными компонентами (патент № 2229737, 2004 г.) и радиоактивными
элементами (патент № 2453869, 2012 г.). Создана база данных (свид. гос. регистр. № 2016620754, 2016 г.) для определения уровней пылевой нагрузки и накопления химических элементов в нерастворимом осадке снегового покрова, а также проведено эколого-геохимическое районирование на территории Томской области и г. Томска.
Материалы исследований использованы в экологической деятельности ОГБУ «Облкомприрода» Департамента природных ресурсов и охраны окружающей среды Томской области, ОАО «Томскгеомониторинг», ООО «Хакасразрезуголь», ООО «Сорский ГОК» и АО «Ачинский НПЗ ВНК», а также в отчетах по грантам Президента РФ для молодых ученых, РФФИ, РГО и компании British Petroleum.
Материалы работы внедрены в образовательный процесс для подготовки бакалавров и магистров, иностранных студентов, обучающихся по направлению «Экология и природопользование» в Томском политехническом университете.
Достоверность защищаемых положений обеспечена использованием современных концептуальных, теоретических, методических подходов и принципов геохимии окружающей среды, экологической минералогии и геоэкологии; большим массивом фактического материала, включающего статистически значимое количество проб, отобранных и подготовленных по единой методике в соответствии с нормативно-методическими документами; анализом состава проб с помощью современных высокочувствительных аналитических методов в аккредитованных лабораториях ведущих центров страны и зарубежья; статистической обработкой лабораторно-аналитических данных и глубиной проработки материала.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и представлялись на 67 Международных, 35 Всероссийских и 5-ти Региональных научных конференциях, симпозиумах, форумах и совещаниях, в том числе Международный научный симпозиум студентов, аспирантов и молодых ученых им. акад. М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2001-2008, 2014, 2016-2017 гг.); Международная конференция «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (г. Томск, 2004, 2009, 2013, 2016, 2021 гг.); Международная научно-практическая конференция «Тяжелые металлы и радионуклиды в окружающей среде», (г. Семипалатинск, 2006, 2008, 2012 гг.); 11th Urban Environment Symposium (г. Карлсруэ, Германия, 2012 г.); «Всемирный Форум Снега - 2013» (г. Новосибирск, 2013 г.); The First Russian-Nordic Symposium on Radiochemistry (г. Москва, 2013 г.); Международная конференция «Аэрозоль и оптика атмосферы» (г. Москва, 2014 г.); Международная научно-практическая конференция «Снежный покров, атмосферные осадки, аэрозоли» (г. Иркутск, 2017, 2018, 2020 гг.); Международная конференция «Медицинская геология: MedGeo'17» (г. Москва, 2017 г.); Всероссийская конференция «Современные проблемы геохимии» (г. Иркутск, 2013, 2018 гг.); Всероссийская научная конференция «Геохимия
ландшафтов» (г. Москва, 2016 г.); Сергеевские чтения: задачи геоэкологии (г. Москва, 2013 г.); Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу (г. Томск, 2005, 2011, 2013, 2017, 2019 гг.); конференция «Аэрозоли Сибири» (г. Томск, 2006-2021 гг.) и другие.
Публикации. Основные научные результаты и положения диссертации опубликованы в 255 работах, в т.ч. 59 публикаций в российских и зарубежных рецензируемых изданиях, включая 15 публикаций в журналах, индексируемых в базах Scopus и (или) WoS; два патента РФ на изобретение и патент на полезную модель; 36 статей в журналах из перечня ВАК Минобрнауки России. Изданы в соавторстве монография, 4-е учебных пособия, включая с грифом СибРУМЦ (2011 г., переиздано в 2016-2020 гг.) и два на английском языке, получено свидетельство на базу данных.
Личный вклад автора. В период с 2001 г. по 2019 г. автор лично принимала участие в планировании, организации и выполнении всех полевых, камеральных и лабораторноаналитических работ для исследования состава атмосферных аэрозолей с использованием снегового покрова на урбанизированных территориях юга Сибири, а также в подготовке всех научных публикаций. Отбор, подготовка и изучение проб снегового покрова осуществлялись лично автором или под ее руководством. Автором лично выполнено обобщение и систематизация массива полученных данных, сформулированы цель, задачи, выводы и защищаемые положения. В соавторстве запатентованы способы определения участков загрязнения снегового покрова, создана база эколого-геохимических данных. Автором лично получены новые научные результаты по экогеохимии атмосферных аэрозолей по данным изучения нерастворимого осадка снегового покрова, разработана и выполнена типизация урбанизированных территорий юга Сибири по атмотехногенному воздействию на среду обитания.
Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7-ми глав, заключения и списка литературы. Рукопись изложена на 373 страницах машинописного текста, включающего 113 рисунков и 109 таблиц. Список литературы состоит из 643 источников, в т.ч. 136 на иностранном языке.
В главе 1 рассматриваются современные представления об аэрозолях и снеговом покрове как депонирующей среды на основе литературного обзора.
Глава 2 характеризует природно-климатические и геоэкологические условия на изучаемых урбанизированных территориях юга Сибири.
Глава 3 содержит информацию о методике отбора и подготовке проб снегового покрова, аналитических методах исследования состава нерастворимого осадка снегового покрова и снеговой воды, а также о методике обработки полученных данных (эколого-геохимический, статистический, картографический анализ).
Глава 4 посвящена результатам изучения уровней пылевой нагрузки, широкого геохимического спектра элементов (от Li до U), природных и техногенных образований в нерастворимом осадке снегового покрова на 21 урбанизированной территории с разнопрофильными промышленными предприятиями. Приводятся также результаты изучения многолетней динамики (2007-2015 гг.) аэрозольного загрязнения на территории многопрофильного промышленного города (Томск) по данным изучения нерастворимого осадка снегового покрова.
В главе 5 представлены результаты исследований пылевой нагрузки, уровней накопления химических элементов (ртуть, уран, торий, редкоземельные и др.), минерально-вещественного состава нерастворимого осадка снегового покрова в зоне воздействия предприятий теплоэнергетики (ТЭС). Приводятся также результаты многолетнего эколого-геохимического мониторинга (2009-2018 гг.) загрязнения снегового покрова в зоне переноса выбросов ТЭС (ГРЭС-2 г. Томска).
В главе 6 приведен анализ пространственного распределения уровней накопления макро-и микроэлементов в нерастворимом осадке снегового покрова по результатам экологогеохимического районирования на территории Томской области с учетом расположения промышленных предприятий и объектов теплоэнергетики.
Глава 7 посвящена обоснованию подходов к типизации урбанизированных территорий юга Сибири по атмотехногенному воздействию на среду обитания на основе анализа промышленного освоения городов с применением методов геоурбанистики, а также результатов исследования состава нерастворимого осадка снегового покрова с использованием методов геохимии окружающей среды и экологической минералогии. Представлены результаты выполненной типизации 34 промышленно-урбанизированных территорий в регионе.
В заключении изложены основные выводы и рекомендации по диссертационной работе.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность учителю и научному консультанту д.г.-м.н., профессору Язикову Егору Григорьевичу за многолетнее научное руководство и формирование научного мировоззрения, а также за ценные советы при выполнении диссертационной работы. Автор приносит сердечную благодарность своей семье за постоянную поддержку.
За проведение совместных полевых, камеральных и лабораторно-аналитических работ, а также за разностороннее обсуждение результатов автор выражает большую благодарность всем студентам, бакалаврам и магистрантам, аспирантам и соискателям, которые занимались в разные годы научной работой под руководством диссертанта - к.г.-м.н.
Е.А. Филимоненко, к.г.-м.н. Т.С. Шаховой, В.В. Литау, А.В. Белошейкиной (Бутенко), Е.С. Торосян, Т.Е. Адильбаевой, В.С. Бучельникову, Н.П. Самохиной, С.А. Поликановой, А.Д. Пономаревой (Лончакова), Д.А. Володиной, В.Д. Кириной, Е.А. Самойловой (Мельникович), К.С. Михайловой, Д.А. Винюкову, Е.А. Никулиной, Ю.С. Будаевой, А.И. Беспаловой, С.П. Петунькину, А.А. Востриковой, Т.Т. Гасановой, А.А. Николаенко, Ю.В. Чумак, Д.А. Терской, М.Ю. Гавриловой, Н.О. Мельчуковой, А.Р. Ялалтдиновой, А.С. Чичиндаевой и другим.
Автор выражает признательность коллегам по кафедре геоэкологии и геохимии ТПУ (в н.в. отделение геологии) за ценные советы во время выполнения научных исследований: д.г.-м.н., профессору Рихванову Л.П., д.г.-м.н., профессору С.И. Арбузову, к.х.н., доценту Н.А. Осиповой, д.б.н., профессору Н.В. Барановской и остальным.
Автор благодарит за помощь в изучение проб на сканирующем электронном микроскопе и рентгеновском дифрактометре к.г.-м.н., ассистента отделения геологии (ОГ) ТПУ С.С. Ильенка, аспирантов ОГ Д.Г. Усольцева, Е.С. Усольцеву, А.П. Зайченко, Л.А. Дорохову, к.г.-м.н., доцента ОГ Б.Р. Соктоева, за измерение концентрации ртути в пробах к.х.н., доцента ОГ Н.А. Осипову, к.г.-м.н. Е.Е. Ляпину, а также за определение химического состава проб руководителей лабораторий А.Ф. Судыко, Н.В. Федюнину, к.г.-м.н. Ю.Г. Копылову, к.г.-м.н. А.А. Хващевскую, и аналитиков Л.В. Богутскую, Т.А. Филипас, А.Н. Маковенко, В.А. Шушарину, Н.И. Шердакову, М.Г. Камбалину.
Диссертант искренне благодарит за участие в совместных исследованиях Е.Е. Ляпину, к.г.-м.н., с.н.с. Института мониторинга климатических и экологических систем (ИМКЭС) СО РАН; Рапуту В.Ф., д.ф.-м.н., в.н.с. Института вычислительной математики и математической геофизики (ИВМиМГ) СО РАН; сотрудников Института оптики атмосферы (ИОА) СО РАН - к.ф.-м.н., с.н.с. Д.В. Симоненкова, к.ф.-м.н. В.С. Козлова, д.ф.-м.н. М.В. Панченко, д.ф.-м.н. Б.Д. Белана; Института нефтегазовой геологии и геофизики (ИНГГ) СО РАН - к.г.-м.н., с.н.с. А.Ю. Девятову, к.г.-м.н., с.н.с. А.В. Еделева; Сыктывкарского государственного университета - д.г.-м.н., профессора М.П. Тентюкова; Сибирского государственного медицинского университета - д.б.н. Н.Н. Ильинских, ассистента Н.А. Новикову; начальника отдела охраны окружающей среды ООО «Сорский ГОК» А.В. Бутенко и АО «Ачинский НПЗ ВНК» Е.М. Лопух; сотрудников Университета Карлсруэ (Германия) - профессора D. Stuben, PhD St. Norra, Dr. Z. Berner, G.Ott, Th. Neumann, N. Schleicher, Норвежского университета наук о жизни (Норвегия) - профессора B. Salbu и PhD O.C. Lind.
По результатам выполненных исследований нерастворимого осадка снегового покрова, который формируется аэрозольными частицами, осевшими в снеговой покров, на урбанизированных территориях юга Сибири с различными условиями техногенеза можно сделать следующие выводы:
1. Уровень пылевой нагрузки на территорию городов изменяется от 8,7 до 199, а в зонах воздействия промышленных предприятий - от 36,2 до 1054, при региональном фоне <20 мг/(м2-сут.), что обусловлено спецификой функционирующих отраслей производства.
В соответствии с общепринятыми градациями по пылевой нагрузке (Геохимия..., 1990; Касимов и др., 2012) на многих урбанизированных территориях установлены низкий уровень загрязнения (<250 мг/(м2-сут.)) и неопасная экологическая ситуация (<200 мг/(м2-сут.)).
По предложенной градации пылевой нагрузки относительно фона (<20 мг/(м2-сут.)) определено, что формируются преимущественно средний (60-240 мг/(м2-сут.)) и высокий (240600 мг/(м2-сут.)) уровни загрязнения под воздействием предприятий различной промышленной специализации (теплоэнергетические, нефтеперерабатывающие, металлургические,
машиностроительные и металлообрабатывающие, нефтегазовые, горнопромышленные, стройиндустрии).
Уровни накопления широкого спектра химических элементов (до 60 элементов; от Li до U), включая малоизученные в геохимическом плане редкоземельные элементы, в нерастворимом осадке снегового покрова многократно (порой в сотни раз) превышают фоновые показатели. Для изучаемых промышленно-урбанизированных территорий выявлена своя техногенная геохимическая специализация нерастворимого осадка снегового покрова, которая обусловлена спецификой геохимического воздействия функционирующих предприятий и объектов теплоэнергетики. Это доказано детальными исследованиями в зонах воздействия промышленных предприятий, по результатам которых в нерастворимом осадке снегового покрова определены геохимические индикаторы воздействия предприятий с различной промышленной специализацией. Индикаторы выделены по эколого-геохимическим и статистическим показателям, и представлены спектром элементов-индикаторов, формами их нахождения, геохимическими ассоциациями и уровнями отношения элементов ((La+Ce)/(Yb+Lu), Th/U). Формы нахождения радионуклидов в виде микровключений характерны для нерастворимого осадка снегового покрова в зоне воздействия предприятий ядерно-топливного цикла, а молекулярно-рассеянная форма - в районах расположения объектов угледобычи и теплоэнергетики.
На урбанизированных территориях в основном формируются средний и высокий уровни техногенного полиэлементного загрязнения с опасной и очень опасной экологической ситуацией по установленным величинам Zc и Zp в сравнении с общепринятыми градациями.
Сформированный при промышленном техногенезе минерально-вещественный состав нерастворимого осадка снегового покрова характеризуется преобладанием техногенных (3990%) образований над природными (10-61%) образованиями, при фоне 76 и 24% соответственно.
Природные минеральные образования (кварц, полевые шпаты, карбонаты, слюды, глины) отражают состав материала терригенного происхождения, поступающего в снеговой покров в результате ветровой эрозии непокрытых снегом берегов рек и проведения антигололёдных мероприятий с использованием песко-соляной смеси в городе. В отдельных случаях природные образования представлены минералами вмещающих горных пород, содержащиеся в пылевых выбросах, которые формируются при разработке месторождений полезных ископаемых. В то же время, не исключается дальний перенос минеральной пыли из удаленных районов, где поверхность не покрыта снегом, например, из пустынь и засушливых районов Республики Казахстан, Монголии и Средней Азии.
Техногенные образования в нерастворимом осадке снегового покрова представлены микроминеральным фазами (до 25%), металлосодержащими микрочастицами (до 5%) и прочими компонентами промышленной пыли (до 70%), отражающие специфику воздействия предприятий в зависимости от их производственной специализации. Выделены индикаторные техногенные образования в нерастворимом осадке снегового покрова в зонах воздействия (до 1 км) разнопрофильных предприятий (теплоэнергетические, нефтеперерабатывающие,
металлургические, машиностроительные и металлообрабатывающие, нефтегазовые, горнопромышленные, стройиндустрии).
Техногенные микроминеральные фазы-индикаторы включают алюмосиликаты (муллит, хлорит, цеолит, мусковит, полевые шпаты), карбонаты (кальцит, доломит, магнезит), фториды (криолит), ферриты (браунмиллерит), силикаты (хатрурит, лизардит), оксиды железа и оксиды алюминия (корунд), сульфиды (молибденит). Предложен показатель для определения источников техногенного происхождения аэрозолей как отношение минерал-индикатор/кварц в нерастворимом осадке снегового покрова.
Техногенные индикаторные микрочастицы металлов и металлоидов (металлосодержащие) представляют собой твердофазные формы проявления химических элементов в виде сульфидов, сульфатов, оксидов, интерметаллидов и фосфатов редкоземельных элементов, микросферул различного состава с высокой частотой встречаемости в нерастворимом осадке снегового покрова (>1%).
Прочие техногенные частицы в нерастворимом осадке снегового покрова отражают компоненты строительной (кирпичная, цементная, стекловолокно, опилки) и металлургической пыли (шлак, микросферулы), продукты эмиссий от сжигания топлива (зола и шлак, угольные и сажеподобные частицы, микросферулы), угольной пыли и микропластика.
2. Особое положение в характеристике аэрозольной нагрузки на урбанизированные территории юга Западной Сибири занимают предприятия теплоэнергетики (ТЭС), поскольку происходит интенсификация их работы в зимний период. В результате исследований определена специфика воздействия ТЭС среди других источников загрязнения на урбанизированных территориях по данным изучения снегового покрова.
В зонах воздействия ТЭС установлены в основном средний уровень пылевой нагрузки относительно фона (60-240 мг/(м2-сут.)). По мере удаления (от 0,5 до 2,5 км) от организованных источников выбросов высотой 100-150 м выявлено, что уровень пылевой нагрузки составляет 79-790 мг/(м2-сут.) на расстоянии до 1,3 км, который в 2 раза выше уровня пылевой нагрузки (43268 мг/(м2-сут.)) в дальней зоне воздействия (1,3-2,5 км).
Геохимическая специфика состава нерастворимого осадка снегового покрова определяется высокими уровнями накопления (2-45 фонов), геохимическими ассоциациями редких элементов (лантаноиды, Y, Sc, U, Th, Nb, Hf, Ta, Ge, Ga, Zr) и Hg. Характерными формами проявления редкоземельных элементов являются микрочастицы близкие по составу к цериевым и иттриевым фосфатам, для которых отмечается высокая частота встречаемости в нерастворимом осадке снегового покрова. Специфика минерально-вещественного состава заключается в наличии микросферул алюмосиликатного, алюмосиликатно-железистого, железистого и редкоземельного составов (лантан-цериевого, иттриевого). Использование отношения муллит/кварц (0,9-3,1, при фоне 0,01 ед.) также позволяет идентифицировать предприятия теплоэнергетики среди других источников в городах.
3. В период многолетних наблюдений (2007-2015 гг.) в многопрофильном промышленном городе Томске выявлено, что особенности формирования состава нерастворимого осадка снегового покрова обусловлены пространственно-временной динамикой геохимических ореолов и ореолов пылевой нагрузки. Определяющими факторами при этом являются изменения в промышленной и транспортной инфраструктуре города, а также модернизация производств и эффективность природоохранных мероприятий на крупных предприятиях города (нефтехимического производства, стройиндустрии) и объектах теплоэнергетики.
На примере Томской ГРЭС-2, в период многолетнего мониторинга загрязнения снегового покрова (2009-2018 гг.) в зоне преобладающего массопереноса выбросов, установлена временная изменчивость пылевой нагрузки и геохимических особенностей состава нерастворимого осадка снегового покрова. По данным мониторинга на снижение уровня пылевой нагрузки с 2012 г. по 2018 г. существенное воздействие оказали мероприятия по модернизации золоулавливающих установок. Установлено влияние изменений топливного баланса ГРЭС-2 на динамику накопления химических элементов в нерастворимом осадке снегового покрова. Определена тенденция статистически значимого увеличения содержания Hg и Br в нерастворимом осадке снегового покрова в периоды использования на ГРЭС-2 природного газа более 50% (2009-2013 гг.). Высокие уровни концентрации As, Zn, Ba, Sr, U, Th, Hf, Ta, лантаноидов (La, Ce, Sm, Tb, Yb, Lu) относительно фона в нерастворимом осадке снегового покрова сохранялись в периоды использования угля более 35% (2009-2015 гг.).
4. На территории Томской области, по результатам эколого-геохимического районирования в региональном масштабе, в нерастворимом осадке снегового покрова установлены средние концентрации макро- и микроэлементов на уровне 2-14 фонов, а выпадений этих элементов на снеговой покров - 3-47 фонов. Сильноконтрастные техногенные геохимические ореолы лантаноидов, урана и тория, отдельных тяжелых металлов приходятся на южные и юговосточные районы области, характеризующиеся также повышенной пылевой нагрузкой за счёт воздействия промышленного техногенеза Томск-Северской городской агломерации и местных котельных, использующих преимущественно уголь. Техногенные геохимические ореолы брома и ртути проявляются на территории юг-юго-восточных и центральных районов области, связанные с воздействием местных котельных, преимущественно, работающих на природном газе. Северные районы, где функционируют нефтегазодобывающие предприятия, отличаются высокими уровнями накопления натрия в нерастворимом осадке снегового покрова на территории населённых пунктов.
5. Обширный фактический материал по изучению состава нерастворимого осадка снегового покрова, полученный при личном участии автора, в сочетании с методами геохимии окружающей среды, экологической минералогии и геоурбанистики, позволил разработать подходы к типизации урбанизированных территорий юга Сибири по атмотехногенному воздействию на среду обитания для оценки экологического состояния.
Основой типизации являются разработанные и научно-обоснованные критерии и признаки оценки промышленно-урбанизированного освоения территории и аэрозольного загрязнения. Оригинальность типизации заключается в разработанных прямых и косвенных минералогогеохимических признаках аэрозольного загрязнения, которые выделены по фактическим результатам изучения уровня пылевой нагрузки, геохимических и минерально-вещественных характеристик состава нерастворимого осадка снегового покрова.
В рамках типизации предложены параметры оценки экологического состояния территорий по общепринятым градациям оценки уровня загрязнения по пылевой нагрузке и полиэлементному составу нерастворимого осадка снегового покрова. Кроме того, разработаны параметры оценки уровня загрязнения радионуклидами по формам их нахождения и техногенными образованиями в нерастворимом осадке снегового покрова на основе полученных фактических данных.
Используя разработанные подходы к типизации, выполнена типизация 34 урбанизированных территорий юга Сибири, включая 17 городов и 34 зоны воздействия предприятий, с использованием собственного фактического материала и литературных данных. В результате определены группы городов по промышленно-функциональному назначению, концентрации предприятий и численности городского населения. Выделены и охарактеризованы урбанизированные территории в регионе с низким, средним, высоким и очень высоким уровнем загрязнения по пылевой нагрузки и минералого-геохимическим признакам аэрозольного загрязнения в зависимости от условий техногенеза.
Таким образом, в работе решена актуальная научная проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение, заключающаяся в теоретическом обосновании оценки влияния атмосферных аэрозолей на качество атмосферного воздуха на урбанизированных территориях юга Сибири с разными условиями техногенеза для изучения качества жизни населения и экологического состояния городов с использованием методов геохимии окружающей среды и экологической минералогии.
Выполненные исследования атмосферных аэрозолей выступают в роли инструмента при принятии технологических решений для обеспечения экологически безопасного проживания населения, включающие природоохранные рекомендации, стратегии развития городов и
регионов, прогнозирование техногенного воздействия на окружающую среду и
совершенствование методов экологического мониторинга. Результаты исследований также могут быть использованы для решения задач численного моделирования процессов переноса аэрозолей в атмосферном воздухе на локальном и региональном уровнях, для изучения механизмов образования антропогенных аэрозолей и для оценки риска здоровью населения.
1. Уровень пылевой нагрузки на территорию городов изменяется от 8,7 до 199, а в зонах воздействия промышленных предприятий - от 36,2 до 1054, при региональном фоне <20 мг/(м2-сут.), что обусловлено спецификой функционирующих отраслей производства.
В соответствии с общепринятыми градациями по пылевой нагрузке (Геохимия..., 1990; Касимов и др., 2012) на многих урбанизированных территориях установлены низкий уровень загрязнения (<250 мг/(м2-сут.)) и неопасная экологическая ситуация (<200 мг/(м2-сут.)).
По предложенной градации пылевой нагрузки относительно фона (<20 мг/(м2-сут.)) определено, что формируются преимущественно средний (60-240 мг/(м2-сут.)) и высокий (240600 мг/(м2-сут.)) уровни загрязнения под воздействием предприятий различной промышленной специализации (теплоэнергетические, нефтеперерабатывающие, металлургические,
машиностроительные и металлообрабатывающие, нефтегазовые, горнопромышленные, стройиндустрии).
Уровни накопления широкого спектра химических элементов (до 60 элементов; от Li до U), включая малоизученные в геохимическом плане редкоземельные элементы, в нерастворимом осадке снегового покрова многократно (порой в сотни раз) превышают фоновые показатели. Для изучаемых промышленно-урбанизированных территорий выявлена своя техногенная геохимическая специализация нерастворимого осадка снегового покрова, которая обусловлена спецификой геохимического воздействия функционирующих предприятий и объектов теплоэнергетики. Это доказано детальными исследованиями в зонах воздействия промышленных предприятий, по результатам которых в нерастворимом осадке снегового покрова определены геохимические индикаторы воздействия предприятий с различной промышленной специализацией. Индикаторы выделены по эколого-геохимическим и статистическим показателям, и представлены спектром элементов-индикаторов, формами их нахождения, геохимическими ассоциациями и уровнями отношения элементов ((La+Ce)/(Yb+Lu), Th/U). Формы нахождения радионуклидов в виде микровключений характерны для нерастворимого осадка снегового покрова в зоне воздействия предприятий ядерно-топливного цикла, а молекулярно-рассеянная форма - в районах расположения объектов угледобычи и теплоэнергетики.
На урбанизированных территориях в основном формируются средний и высокий уровни техногенного полиэлементного загрязнения с опасной и очень опасной экологической ситуацией по установленным величинам Zc и Zp в сравнении с общепринятыми градациями.
Сформированный при промышленном техногенезе минерально-вещественный состав нерастворимого осадка снегового покрова характеризуется преобладанием техногенных (3990%) образований над природными (10-61%) образованиями, при фоне 76 и 24% соответственно.
Природные минеральные образования (кварц, полевые шпаты, карбонаты, слюды, глины) отражают состав материала терригенного происхождения, поступающего в снеговой покров в результате ветровой эрозии непокрытых снегом берегов рек и проведения антигололёдных мероприятий с использованием песко-соляной смеси в городе. В отдельных случаях природные образования представлены минералами вмещающих горных пород, содержащиеся в пылевых выбросах, которые формируются при разработке месторождений полезных ископаемых. В то же время, не исключается дальний перенос минеральной пыли из удаленных районов, где поверхность не покрыта снегом, например, из пустынь и засушливых районов Республики Казахстан, Монголии и Средней Азии.
Техногенные образования в нерастворимом осадке снегового покрова представлены микроминеральным фазами (до 25%), металлосодержащими микрочастицами (до 5%) и прочими компонентами промышленной пыли (до 70%), отражающие специфику воздействия предприятий в зависимости от их производственной специализации. Выделены индикаторные техногенные образования в нерастворимом осадке снегового покрова в зонах воздействия (до 1 км) разнопрофильных предприятий (теплоэнергетические, нефтеперерабатывающие,
металлургические, машиностроительные и металлообрабатывающие, нефтегазовые, горнопромышленные, стройиндустрии).
Техногенные микроминеральные фазы-индикаторы включают алюмосиликаты (муллит, хлорит, цеолит, мусковит, полевые шпаты), карбонаты (кальцит, доломит, магнезит), фториды (криолит), ферриты (браунмиллерит), силикаты (хатрурит, лизардит), оксиды железа и оксиды алюминия (корунд), сульфиды (молибденит). Предложен показатель для определения источников техногенного происхождения аэрозолей как отношение минерал-индикатор/кварц в нерастворимом осадке снегового покрова.
Техногенные индикаторные микрочастицы металлов и металлоидов (металлосодержащие) представляют собой твердофазные формы проявления химических элементов в виде сульфидов, сульфатов, оксидов, интерметаллидов и фосфатов редкоземельных элементов, микросферул различного состава с высокой частотой встречаемости в нерастворимом осадке снегового покрова (>1%).
Прочие техногенные частицы в нерастворимом осадке снегового покрова отражают компоненты строительной (кирпичная, цементная, стекловолокно, опилки) и металлургической пыли (шлак, микросферулы), продукты эмиссий от сжигания топлива (зола и шлак, угольные и сажеподобные частицы, микросферулы), угольной пыли и микропластика.
2. Особое положение в характеристике аэрозольной нагрузки на урбанизированные территории юга Западной Сибири занимают предприятия теплоэнергетики (ТЭС), поскольку происходит интенсификация их работы в зимний период. В результате исследований определена специфика воздействия ТЭС среди других источников загрязнения на урбанизированных территориях по данным изучения снегового покрова.
В зонах воздействия ТЭС установлены в основном средний уровень пылевой нагрузки относительно фона (60-240 мг/(м2-сут.)). По мере удаления (от 0,5 до 2,5 км) от организованных источников выбросов высотой 100-150 м выявлено, что уровень пылевой нагрузки составляет 79-790 мг/(м2-сут.) на расстоянии до 1,3 км, который в 2 раза выше уровня пылевой нагрузки (43268 мг/(м2-сут.)) в дальней зоне воздействия (1,3-2,5 км).
Геохимическая специфика состава нерастворимого осадка снегового покрова определяется высокими уровнями накопления (2-45 фонов), геохимическими ассоциациями редких элементов (лантаноиды, Y, Sc, U, Th, Nb, Hf, Ta, Ge, Ga, Zr) и Hg. Характерными формами проявления редкоземельных элементов являются микрочастицы близкие по составу к цериевым и иттриевым фосфатам, для которых отмечается высокая частота встречаемости в нерастворимом осадке снегового покрова. Специфика минерально-вещественного состава заключается в наличии микросферул алюмосиликатного, алюмосиликатно-железистого, железистого и редкоземельного составов (лантан-цериевого, иттриевого). Использование отношения муллит/кварц (0,9-3,1, при фоне 0,01 ед.) также позволяет идентифицировать предприятия теплоэнергетики среди других источников в городах.
3. В период многолетних наблюдений (2007-2015 гг.) в многопрофильном промышленном городе Томске выявлено, что особенности формирования состава нерастворимого осадка снегового покрова обусловлены пространственно-временной динамикой геохимических ореолов и ореолов пылевой нагрузки. Определяющими факторами при этом являются изменения в промышленной и транспортной инфраструктуре города, а также модернизация производств и эффективность природоохранных мероприятий на крупных предприятиях города (нефтехимического производства, стройиндустрии) и объектах теплоэнергетики.
На примере Томской ГРЭС-2, в период многолетнего мониторинга загрязнения снегового покрова (2009-2018 гг.) в зоне преобладающего массопереноса выбросов, установлена временная изменчивость пылевой нагрузки и геохимических особенностей состава нерастворимого осадка снегового покрова. По данным мониторинга на снижение уровня пылевой нагрузки с 2012 г. по 2018 г. существенное воздействие оказали мероприятия по модернизации золоулавливающих установок. Установлено влияние изменений топливного баланса ГРЭС-2 на динамику накопления химических элементов в нерастворимом осадке снегового покрова. Определена тенденция статистически значимого увеличения содержания Hg и Br в нерастворимом осадке снегового покрова в периоды использования на ГРЭС-2 природного газа более 50% (2009-2013 гг.). Высокие уровни концентрации As, Zn, Ba, Sr, U, Th, Hf, Ta, лантаноидов (La, Ce, Sm, Tb, Yb, Lu) относительно фона в нерастворимом осадке снегового покрова сохранялись в периоды использования угля более 35% (2009-2015 гг.).
4. На территории Томской области, по результатам эколого-геохимического районирования в региональном масштабе, в нерастворимом осадке снегового покрова установлены средние концентрации макро- и микроэлементов на уровне 2-14 фонов, а выпадений этих элементов на снеговой покров - 3-47 фонов. Сильноконтрастные техногенные геохимические ореолы лантаноидов, урана и тория, отдельных тяжелых металлов приходятся на южные и юговосточные районы области, характеризующиеся также повышенной пылевой нагрузкой за счёт воздействия промышленного техногенеза Томск-Северской городской агломерации и местных котельных, использующих преимущественно уголь. Техногенные геохимические ореолы брома и ртути проявляются на территории юг-юго-восточных и центральных районов области, связанные с воздействием местных котельных, преимущественно, работающих на природном газе. Северные районы, где функционируют нефтегазодобывающие предприятия, отличаются высокими уровнями накопления натрия в нерастворимом осадке снегового покрова на территории населённых пунктов.
5. Обширный фактический материал по изучению состава нерастворимого осадка снегового покрова, полученный при личном участии автора, в сочетании с методами геохимии окружающей среды, экологической минералогии и геоурбанистики, позволил разработать подходы к типизации урбанизированных территорий юга Сибири по атмотехногенному воздействию на среду обитания для оценки экологического состояния.
Основой типизации являются разработанные и научно-обоснованные критерии и признаки оценки промышленно-урбанизированного освоения территории и аэрозольного загрязнения. Оригинальность типизации заключается в разработанных прямых и косвенных минералогогеохимических признаках аэрозольного загрязнения, которые выделены по фактическим результатам изучения уровня пылевой нагрузки, геохимических и минерально-вещественных характеристик состава нерастворимого осадка снегового покрова.
В рамках типизации предложены параметры оценки экологического состояния территорий по общепринятым градациям оценки уровня загрязнения по пылевой нагрузке и полиэлементному составу нерастворимого осадка снегового покрова. Кроме того, разработаны параметры оценки уровня загрязнения радионуклидами по формам их нахождения и техногенными образованиями в нерастворимом осадке снегового покрова на основе полученных фактических данных.
Используя разработанные подходы к типизации, выполнена типизация 34 урбанизированных территорий юга Сибири, включая 17 городов и 34 зоны воздействия предприятий, с использованием собственного фактического материала и литературных данных. В результате определены группы городов по промышленно-функциональному назначению, концентрации предприятий и численности городского населения. Выделены и охарактеризованы урбанизированные территории в регионе с низким, средним, высоким и очень высоким уровнем загрязнения по пылевой нагрузки и минералого-геохимическим признакам аэрозольного загрязнения в зависимости от условий техногенеза.
Таким образом, в работе решена актуальная научная проблема, имеющая важное народнохозяйственное значение, заключающаяся в теоретическом обосновании оценки влияния атмосферных аэрозолей на качество атмосферного воздуха на урбанизированных территориях юга Сибири с разными условиями техногенеза для изучения качества жизни населения и экологического состояния городов с использованием методов геохимии окружающей среды и экологической минералогии.
Выполненные исследования атмосферных аэрозолей выступают в роли инструмента при принятии технологических решений для обеспечения экологически безопасного проживания населения, включающие природоохранные рекомендации, стратегии развития городов и
регионов, прогнозирование техногенного воздействия на окружающую среду и
совершенствование методов экологического мониторинга. Результаты исследований также могут быть использованы для решения задач численного моделирования процессов переноса аэрозолей в атмосферном воздухе на локальном и региональном уровнях, для изучения механизмов образования антропогенных аэрозолей и для оценки риска здоровью населения.
