Помощь студентам в учебе
ЭКОГЕОХИМИЯ КОМПОНЕНТОВ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ КОЛЬСКОГО РЕГИОНА
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И ИЗУЧЕННОСТЬ ТЕРРИТОРИИ 10
1.1. К вопросу о гидросферных экофункциях почв 10
1.2 Гидрохимические и почвенные исследования в Кольском регионе 12
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ 15
2.1 Административное положение 15
2.2 Природные условия 15
2.2.1 Климат 15
2.2.2 Рельеф 18
2.2.3 Гидрография 20
2.2.4 Почвенный покров 22
2.2.5 Растительность 23
2.2.6 Геологическое строение 24
2.2.6.1 Месторождения полезных ископаемых 27
2.2.7 Гидрогеологические условия 30
2.3 Характеристика техногенного комплекса территории 34
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 38
3.1 Методы полевых исследований 38
3.2. Методы лабораторных исследований 50
3.3. Камеральная обработка результатов 53
ГЛАВА 4. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ ВОД 57
4.1 Химический состав природных вод 57
4.2 Формы миграции химических элементов в воде 73
4.3 Равновесие вод с минералами горных пород 78
4.4 Оценка токсичности природных вод методом биотестирования 82
4.5 Оценка токсичности химических элементов в воде с использованием модели USEtox 84
ГЛАВА 5. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВ 86
5.1 Минералогический и элементный состав почв 86
5.2 Формы находения химических элементов в почвах 102
5.3 Оценка токсичности почв методом биотестирования 116
5.4 Оценка токсичности химических элементов в почвах с использованием модели USEtox .. 121
ГЛАВА 6. МЕХАНИЗМЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА КОМПОНЕНТОВ
ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 138
ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И ИЗУЧЕННОСТЬ ТЕРРИТОРИИ 10
1.1. К вопросу о гидросферных экофункциях почв 10
1.2 Гидрохимические и почвенные исследования в Кольском регионе 12
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ 15
2.1 Административное положение 15
2.2 Природные условия 15
2.2.1 Климат 15
2.2.2 Рельеф 18
2.2.3 Гидрография 20
2.2.4 Почвенный покров 22
2.2.5 Растительность 23
2.2.6 Геологическое строение 24
2.2.6.1 Месторождения полезных ископаемых 27
2.2.7 Гидрогеологические условия 30
2.3 Характеристика техногенного комплекса территории 34
ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 38
3.1 Методы полевых исследований 38
3.2. Методы лабораторных исследований 50
3.3. Камеральная обработка результатов 53
ГЛАВА 4. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ ВОД 57
4.1 Химический состав природных вод 57
4.2 Формы миграции химических элементов в воде 73
4.3 Равновесие вод с минералами горных пород 78
4.4 Оценка токсичности природных вод методом биотестирования 82
4.5 Оценка токсичности химических элементов в воде с использованием модели USEtox 84
ГЛАВА 5. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВ 86
5.1 Минералогический и элементный состав почв 86
5.2 Формы находения химических элементов в почвах 102
5.3 Оценка токсичности почв методом биотестирования 116
5.4 Оценка токсичности химических элементов в почвах с использованием модели USEtox .. 121
ГЛАВА 6. МЕХАНИЗМЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА КОМПОНЕНТОВ
ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ 125
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 136
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 138
Актуальность. В экосистемах различного масштаба все компоненты связаны между собой потоками вещества и энергии, что обеспечивает цикличность процессов, устойчивость во времени и высокое качество компонентов природной среды. Однако эти же самые процессы способствуют и распространению материальных загрязнителей. Под влиянием антропогенных факторов может происходить нарушение естественных потоков и перераспределение химических элементов в компонентах окружающей среды, следствием чего может являться трансформация всех элементов ландшафта, включая почвенно-растительный слой вплоть до полного его уничтожения (Бородина, Голов, 2013; Елсукова и др. 2019; Гусева и др., 2020).
Почвенный покров является центром взаимодействия компонентов окружающей среды, выполняя многочисленные глобальные экологические функции, нарушение которых вызывает целую цепочку негативных последствий. Одной из ключевых экологических функций почвы является гидросферная, что предполагает биогеохимическую защиту подземной гидросферы от проникновения аэротехногенного загрязнения. Однако, при длительном антропогенном воздействии происходит снижение сорбционных свойств почвы, ее деградация, а также значительная трансформация ландшафта. Такая проблема отмечается в районах влияния горнометаллургических предприятий во Франции, США, Канаде, Иране, Южной Кореи, Китае и других странах (Pirrone et al., 2010; Zhang et al., 2011; Ettler, 2015; Ghayoraneh, Qishlaqi, 2017; Wilkin et al., 2018).
Подобная трансформация лесных ландшафтов произошла и в районе озера Имандра, Кольского региона в результате выбросов сернистого газа, меди и никеля комбинатом «Североникель». Хотя в последнее время комбинат снизил выбросы (Мониторинг окружающей..., 2021), техногенный фактор по-прежнему играет важную роль в формировании химического состава всех компонентов природной среды, в том числе природных вод и почв. Однако, механизмы перераспределения химических элементов между почвами, подземными и поверхностными водами в аспекте их взаимного влияния остаются недостаточно изученными на данной территории.
Цель исследования - выявление эколого-геохимических особенностей компонентов природной среды и обоснование механизмов трансформации их химического состава (на примере центральной части Кольского региона).
Объектом исследования являются природные воды и почвы центральной части Кольского региона (Мурманская область).
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1) определить основные природные и техногенные факторы, влияющие на состояние компонентов природной среды;
2) охарактеризовать эколого-геохимическое состояние природных вод в районе исследования, в том числе на основе определения форм миграции химических элементов и оценки равновесия вод с минералами горных пород;
3) охарактеризовать эколого-геохимическое состояние почв района исследования, в том числе на основе определения форм нахождения химических элементов в почвах;
4) оценить токсичность природных вод и почв района методом биотестирования и по показателю токсического воздействия химических элементов на здоровье человека с использованием модели Usetox;
5) обосновать механизмы трансформации химического состава компонентов природной среды.
Фактический материал. В основу работы положены результаты исследований, проводившихся автором совместно с сотрудниками отделения геологии ИШПР и ПНИЛ гидрогеохимии ТПУ с 2014 по 2021 гг. В окрестностях озера Имандра летом 2014, 2016, 2020 годов автором опробовано 30 водных объектов (51 проба), среди которых озера, реки, ручьи и родники. В 2016 и 2020 годах проведено опробование почвенных профилей по горизонтам (17 пунктов - 41 проба).
Методы исследования. Для определения макрокомпонентного состава вод использованы методы: титриметрия, фотоколориметрия, пламенная фотометрия, потенциометрия,
турбидиметрия, жидкостная хроматография. Микрокомпонентный состав вод определялся масс- спектрометрическим методом с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS) на приборе NexION 300 фирмы Perkin-Elmer (США). Анализы химического состава вод и почв выполнялись в ПНИЛ гидрогеохимии ТПУ, аккредитованной на техническую компетентность и независимость.
Формы миграции химических элементов в водах изучались с использованием метода фильтрации и равновесного диализа в полевых и лабораторных условиях. Расчет неорганических форм миграции химических элементов проводился в программном продукте PHREEQC. Оценка степени насыщенности вод вторичными минералами проводилась путем расчета индекса насыщения (SI) в программном продукте PHREEQC, визуализация - с помощью диаграмм полей устойчивости минералов.
Валовое содержание химических элементов в почве определялось методом ICP-MS после разложения навески азотной кислотой в микроволновой печи. Формы нахождения химических элементов в почвах определялись методом последовательных селективных вытяжек по McLaren & Crawford (1973) c изменениями Ладонина (2006). Минеральный состав образцов почв изучался методами порошковой рентгеновской дифрактометрии и электронной микроскопии в МИНОЦ «Урановая геология» ТПУ.
Токсичность природных вод и почв оценивалось методом биотестирования с применением тест-объектов инфузория-туфелька (Paramecium Caudatum) (ФР 1.39.2015.19242, ФР 1.39.2015.19243) и зеленая протококковая водоросль хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer) (ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.10-04). Расчет показателя токсического воздействия химических элементов, содержащихся в водах и почвах, на здоровье человека осуществлялся с использованием модели Usetox (Fantke et all., 2017).
Научная новизна. В работе представлены современные актуальные данные о распространенности более 60 химических элементов в поверхностных, подземных водах и почвах. Впервые проведена оценка равновесия вод с основными минералами водовмещающих пород, как характеристики естественного состояния вод, и установлено, что исследуемые воды находятся на начальных этапах эволюционного развития системы вода-порода. Показано, что антропогенное влияние на природные воды также прослеживается по состоянию их равновесия с вторичными минералами.
Оценена токсичность природных вод и почв методом биотестирования с применением двух тест-объектов: инфузория-туфелька (Paramecium Caudatum) и зеленая протококковая водоросль хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer).
Впервые для рассматриваемого района проведена оценка показателей токсического воздействия никеля и меди на здоровье человека с использованием модели USEtox, что позволяет продемонстрировать потенциальное влияние на здоровье человека условий окружающей среды, обусловленных как природными, так и техногенными факторами.
На основе исследования элементного состава природных вод и почв, а также форм нахождения широкого спектра химических элементов в них, в районе влияния металлургического комбината и фоновых участках обоснованы механизмы трансформации химического состава компонентов природной среды как отражение гидросферной экофункции почв.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Влияние природных и техногенных факторов на поверхностные и подземные воды центральной части Кольского региона прослеживается в особенностях как макрокомпонентного, так и микрокомпонентного состава. Высокие содержания основных поллютантов - никеля и меди отмечаются преимущественно в поверхностных водах, а в подземных водах лишь на участках с разрушенным органогенным слоем почв. Степень токсичности вод по результатам биотестирования - допустимая, при этом значения показателя токсического воздействия в поверхностных водах для меди выше, чем для никеля.
2. На исследуемой территории влияние выбросов медно-никелевого комбината прослеживается в увеличении концентраций никеля и меди и доли их подвижных форм в иллювиальном (В) горизонте почв. По результатам биотестирования на зеленых водорослях для подзолистого (Е) горизонта почв характерна более высокая степень токсического эффекта. Значения показателя токсического воздействия в почве для никеля выше, чем для меди.
3. Деградация верхнего слоя почв в районе исследования, происходящая за счет длительного техногенного воздействия, приводит к продвижению более подвижных форм химических элементов вниз по почвенному профилю и возрастанию нагрузки на минеральные горизонты. При достижении предела сорбционной способности, зависящего в том числе от уровня загрязнения, почвы утрачивают функцию хемосорбционного защитного барьера, вследствие чего происходит загрязнение подземных вод.
Достоверность результатов работы. Достоверность результатов исследования обеспечена достаточным количеством проб, проанализированных в аккредитованной лаборатории с использованием современного оборудования, детальным анализом фактического материала и литературы по теме исследования, а также апробацией основных научных результатов на различных международных конференциях и публикациями в рецензируемых российских и зарубежных журналах.
Практическая значимость работы. Полученные результаты могут являться научной основой для совершенствования нормативных документов при проведении экологического контроля и оценки рисков для здоровья населения, принятия природоохранных мер с целью улучшения экологической обстановки в окрестностях горно-металлургических предприятий. Материалы диссертационного исследования могут быть внедрены в образовательный процесс при реализации дисциплин «Геоэкология», «Экология» в ВУЗах.
Материалы диссертационного исследования использованы при выполнении работ по гранту РФФИ №19-35-90077 «Аспиранты» - «Почва как регулятор химического состава гидросферы приарктических районов в условиях техногенной нагрузки» (руководитель Гусева Н.В.) и Государственному заданию «Наука» (проект FSWW-0022-2020).
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 17 работах, в том числе 1 статье в журнале, входящем в Перечень рецензируемых научных изданий и рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, и 2 статьях в изданиях, индексируемых международными базами данных Scopus и Web of Science:
• Воробьёва Д.А. Формы миграции никеля и меди в ультрапресных водах центральной части Кольского региона / Д.А. Воробьёва, З.А. Евтюгина // Вестник Забайкальского государственного университета. - 2021. - Т. 27. - №5. - С. 6-16;
• Гусева Н.В. Особенности взаимодействия в системе вода-порода на территории водосбора озера Имандра (Кольский полуостров) / Н.В. Гусева, Д.А. Воробьёва, З.А. Евтюгина // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов - 2020. - Т. 331. - № 8. - C. 177-188;
• Воробьёва Д.А. Геохимическая характеристика почв территории с высокой аэротехногенной нагрузкой / Д.А. Воробьёва, Н.В. Гусева // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов - 2021. - Т. 332. - №6. - С. 149-159;
а также в 14 работах - материалах международных конференций и симпозумов.
Также полученные результаты были представлены на международных и всероссийских конференциях: Всероссийской конференции с международным участием с элементами научной школы, посвященной 85-летию кафедры ГИГЭ ТПУ «Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Евразии» (г. Томск, 2015 г.), Международной экологической студенческой конференции (МЭСК) «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2016 г.), Международном научном симпозиуме им. академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2015-2021 гг.), Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы наук о Земле в концепции устойчивого развития Беларуси и сопредельных государств» (г. Гомель, Беларусь, 2017 г.), 16th International Symposium on Water-Rock Interaction (WRI-16) and 13th International Symposium on Applied Isotope Geochemistry (1st IAGC International Conference) (г. Томск, 2019 г.).
Личный вклад автора. Автор лично принимал участие в комплексных полевых работах по отбору проб природных вод и почв в 2014, 2016 и 2020 гг., а также в пробоподготовке и проведении лабораторных исследований совместно с сотрудниками отделения геологии ИШПР и ПНИЛ гидрогеохимии ТПУ. Кроме этого, автором выполнены сбор, обработка, анализ и интерпретация полученных данных, проведены расчёты, сформулированы основные защищаемые положения и предложено их доказательство. Обработка данных осуществлялась самостоятельно с помощью программных комплексов PHREEQC, ArcGIS и средств Microsoft Office.
Структура и объем диссертации. Диссертация объёмом 149 страниц машинописного текста состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 126 наименований, содержит 52 рисунка и 31 таблицу.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю, д.г.-м.н. Гусевой Наталье Владимировне за внимание, поддержку и помощь в работе. Особую благодарность автор выражает к.б.н., доценту Апатитского филиала Мурманского государственного технического университета, научному сотруднику Кольского филиала ФИЦ «Единой геофизической службы РАН» Евтюгиной Зинаиде Анатольевне за организацию научно-исследовательской работы, помощь при полевых исследованиях и советы при подготовке материалов. За консультации и помощь на разных этапах выполнения работы искреннюю благодарность автор выражает к.г.-м.н. Копыловой Ю.Г., к.г.-м.н. Хващевской А.А., к.г.-м.н. Соктоеву Б.Р., к.г.-м.н. Ильенку С.С., к.г.-м.н. Беляновской А.И., к.г.-м.н. Моисеевой Ю.А., к.г.-м.н. Пургиной Д.В., Куровской В.В., Гостевой И.А. и другим членам коллективов отделения геологии ИШПР и ПНИЛ гидрогеохимии ТПУ, а также к.г.н., старшему научному сотруднику И1111ЭС КНЦ РАН Сандимирову С.С. и к.ф.-м.н., ведущему научному сотруднику КоФ ФИЦ ЕГС РАН Асмингу В.Э.
Почвенный покров является центром взаимодействия компонентов окружающей среды, выполняя многочисленные глобальные экологические функции, нарушение которых вызывает целую цепочку негативных последствий. Одной из ключевых экологических функций почвы является гидросферная, что предполагает биогеохимическую защиту подземной гидросферы от проникновения аэротехногенного загрязнения. Однако, при длительном антропогенном воздействии происходит снижение сорбционных свойств почвы, ее деградация, а также значительная трансформация ландшафта. Такая проблема отмечается в районах влияния горнометаллургических предприятий во Франции, США, Канаде, Иране, Южной Кореи, Китае и других странах (Pirrone et al., 2010; Zhang et al., 2011; Ettler, 2015; Ghayoraneh, Qishlaqi, 2017; Wilkin et al., 2018).
Подобная трансформация лесных ландшафтов произошла и в районе озера Имандра, Кольского региона в результате выбросов сернистого газа, меди и никеля комбинатом «Североникель». Хотя в последнее время комбинат снизил выбросы (Мониторинг окружающей..., 2021), техногенный фактор по-прежнему играет важную роль в формировании химического состава всех компонентов природной среды, в том числе природных вод и почв. Однако, механизмы перераспределения химических элементов между почвами, подземными и поверхностными водами в аспекте их взаимного влияния остаются недостаточно изученными на данной территории.
Цель исследования - выявление эколого-геохимических особенностей компонентов природной среды и обоснование механизмов трансформации их химического состава (на примере центральной части Кольского региона).
Объектом исследования являются природные воды и почвы центральной части Кольского региона (Мурманская область).
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1) определить основные природные и техногенные факторы, влияющие на состояние компонентов природной среды;
2) охарактеризовать эколого-геохимическое состояние природных вод в районе исследования, в том числе на основе определения форм миграции химических элементов и оценки равновесия вод с минералами горных пород;
3) охарактеризовать эколого-геохимическое состояние почв района исследования, в том числе на основе определения форм нахождения химических элементов в почвах;
4) оценить токсичность природных вод и почв района методом биотестирования и по показателю токсического воздействия химических элементов на здоровье человека с использованием модели Usetox;
5) обосновать механизмы трансформации химического состава компонентов природной среды.
Фактический материал. В основу работы положены результаты исследований, проводившихся автором совместно с сотрудниками отделения геологии ИШПР и ПНИЛ гидрогеохимии ТПУ с 2014 по 2021 гг. В окрестностях озера Имандра летом 2014, 2016, 2020 годов автором опробовано 30 водных объектов (51 проба), среди которых озера, реки, ручьи и родники. В 2016 и 2020 годах проведено опробование почвенных профилей по горизонтам (17 пунктов - 41 проба).
Методы исследования. Для определения макрокомпонентного состава вод использованы методы: титриметрия, фотоколориметрия, пламенная фотометрия, потенциометрия,
турбидиметрия, жидкостная хроматография. Микрокомпонентный состав вод определялся масс- спектрометрическим методом с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS) на приборе NexION 300 фирмы Perkin-Elmer (США). Анализы химического состава вод и почв выполнялись в ПНИЛ гидрогеохимии ТПУ, аккредитованной на техническую компетентность и независимость.
Формы миграции химических элементов в водах изучались с использованием метода фильтрации и равновесного диализа в полевых и лабораторных условиях. Расчет неорганических форм миграции химических элементов проводился в программном продукте PHREEQC. Оценка степени насыщенности вод вторичными минералами проводилась путем расчета индекса насыщения (SI) в программном продукте PHREEQC, визуализация - с помощью диаграмм полей устойчивости минералов.
Валовое содержание химических элементов в почве определялось методом ICP-MS после разложения навески азотной кислотой в микроволновой печи. Формы нахождения химических элементов в почвах определялись методом последовательных селективных вытяжек по McLaren & Crawford (1973) c изменениями Ладонина (2006). Минеральный состав образцов почв изучался методами порошковой рентгеновской дифрактометрии и электронной микроскопии в МИНОЦ «Урановая геология» ТПУ.
Токсичность природных вод и почв оценивалось методом биотестирования с применением тест-объектов инфузория-туфелька (Paramecium Caudatum) (ФР 1.39.2015.19242, ФР 1.39.2015.19243) и зеленая протококковая водоросль хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer) (ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.10-04). Расчет показателя токсического воздействия химических элементов, содержащихся в водах и почвах, на здоровье человека осуществлялся с использованием модели Usetox (Fantke et all., 2017).
Научная новизна. В работе представлены современные актуальные данные о распространенности более 60 химических элементов в поверхностных, подземных водах и почвах. Впервые проведена оценка равновесия вод с основными минералами водовмещающих пород, как характеристики естественного состояния вод, и установлено, что исследуемые воды находятся на начальных этапах эволюционного развития системы вода-порода. Показано, что антропогенное влияние на природные воды также прослеживается по состоянию их равновесия с вторичными минералами.
Оценена токсичность природных вод и почв методом биотестирования с применением двух тест-объектов: инфузория-туфелька (Paramecium Caudatum) и зеленая протококковая водоросль хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer).
Впервые для рассматриваемого района проведена оценка показателей токсического воздействия никеля и меди на здоровье человека с использованием модели USEtox, что позволяет продемонстрировать потенциальное влияние на здоровье человека условий окружающей среды, обусловленных как природными, так и техногенными факторами.
На основе исследования элементного состава природных вод и почв, а также форм нахождения широкого спектра химических элементов в них, в районе влияния металлургического комбината и фоновых участках обоснованы механизмы трансформации химического состава компонентов природной среды как отражение гидросферной экофункции почв.
Научные положения, выносимые на защиту:
1. Влияние природных и техногенных факторов на поверхностные и подземные воды центральной части Кольского региона прослеживается в особенностях как макрокомпонентного, так и микрокомпонентного состава. Высокие содержания основных поллютантов - никеля и меди отмечаются преимущественно в поверхностных водах, а в подземных водах лишь на участках с разрушенным органогенным слоем почв. Степень токсичности вод по результатам биотестирования - допустимая, при этом значения показателя токсического воздействия в поверхностных водах для меди выше, чем для никеля.
2. На исследуемой территории влияние выбросов медно-никелевого комбината прослеживается в увеличении концентраций никеля и меди и доли их подвижных форм в иллювиальном (В) горизонте почв. По результатам биотестирования на зеленых водорослях для подзолистого (Е) горизонта почв характерна более высокая степень токсического эффекта. Значения показателя токсического воздействия в почве для никеля выше, чем для меди.
3. Деградация верхнего слоя почв в районе исследования, происходящая за счет длительного техногенного воздействия, приводит к продвижению более подвижных форм химических элементов вниз по почвенному профилю и возрастанию нагрузки на минеральные горизонты. При достижении предела сорбционной способности, зависящего в том числе от уровня загрязнения, почвы утрачивают функцию хемосорбционного защитного барьера, вследствие чего происходит загрязнение подземных вод.
Достоверность результатов работы. Достоверность результатов исследования обеспечена достаточным количеством проб, проанализированных в аккредитованной лаборатории с использованием современного оборудования, детальным анализом фактического материала и литературы по теме исследования, а также апробацией основных научных результатов на различных международных конференциях и публикациями в рецензируемых российских и зарубежных журналах.
Практическая значимость работы. Полученные результаты могут являться научной основой для совершенствования нормативных документов при проведении экологического контроля и оценки рисков для здоровья населения, принятия природоохранных мер с целью улучшения экологической обстановки в окрестностях горно-металлургических предприятий. Материалы диссертационного исследования могут быть внедрены в образовательный процесс при реализации дисциплин «Геоэкология», «Экология» в ВУЗах.
Материалы диссертационного исследования использованы при выполнении работ по гранту РФФИ №19-35-90077 «Аспиранты» - «Почва как регулятор химического состава гидросферы приарктических районов в условиях техногенной нагрузки» (руководитель Гусева Н.В.) и Государственному заданию «Наука» (проект FSWW-0022-2020).
Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 17 работах, в том числе 1 статье в журнале, входящем в Перечень рецензируемых научных изданий и рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ, и 2 статьях в изданиях, индексируемых международными базами данных Scopus и Web of Science:
• Воробьёва Д.А. Формы миграции никеля и меди в ультрапресных водах центральной части Кольского региона / Д.А. Воробьёва, З.А. Евтюгина // Вестник Забайкальского государственного университета. - 2021. - Т. 27. - №5. - С. 6-16;
• Гусева Н.В. Особенности взаимодействия в системе вода-порода на территории водосбора озера Имандра (Кольский полуостров) / Н.В. Гусева, Д.А. Воробьёва, З.А. Евтюгина // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов - 2020. - Т. 331. - № 8. - C. 177-188;
• Воробьёва Д.А. Геохимическая характеристика почв территории с высокой аэротехногенной нагрузкой / Д.А. Воробьёва, Н.В. Гусева // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов - 2021. - Т. 332. - №6. - С. 149-159;
а также в 14 работах - материалах международных конференций и симпозумов.
Также полученные результаты были представлены на международных и всероссийских конференциях: Всероссийской конференции с международным участием с элементами научной школы, посвященной 85-летию кафедры ГИГЭ ТПУ «Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Евразии» (г. Томск, 2015 г.), Международной экологической студенческой конференции (МЭСК) «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2016 г.), Международном научном симпозиуме им. академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2015-2021 гг.), Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы наук о Земле в концепции устойчивого развития Беларуси и сопредельных государств» (г. Гомель, Беларусь, 2017 г.), 16th International Symposium on Water-Rock Interaction (WRI-16) and 13th International Symposium on Applied Isotope Geochemistry (1st IAGC International Conference) (г. Томск, 2019 г.).
Личный вклад автора. Автор лично принимал участие в комплексных полевых работах по отбору проб природных вод и почв в 2014, 2016 и 2020 гг., а также в пробоподготовке и проведении лабораторных исследований совместно с сотрудниками отделения геологии ИШПР и ПНИЛ гидрогеохимии ТПУ. Кроме этого, автором выполнены сбор, обработка, анализ и интерпретация полученных данных, проведены расчёты, сформулированы основные защищаемые положения и предложено их доказательство. Обработка данных осуществлялась самостоятельно с помощью программных комплексов PHREEQC, ArcGIS и средств Microsoft Office.
Структура и объем диссертации. Диссертация объёмом 149 страниц машинописного текста состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы из 126 наименований, содержит 52 рисунка и 31 таблицу.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю, д.г.-м.н. Гусевой Наталье Владимировне за внимание, поддержку и помощь в работе. Особую благодарность автор выражает к.б.н., доценту Апатитского филиала Мурманского государственного технического университета, научному сотруднику Кольского филиала ФИЦ «Единой геофизической службы РАН» Евтюгиной Зинаиде Анатольевне за организацию научно-исследовательской работы, помощь при полевых исследованиях и советы при подготовке материалов. За консультации и помощь на разных этапах выполнения работы искреннюю благодарность автор выражает к.г.-м.н. Копыловой Ю.Г., к.г.-м.н. Хващевской А.А., к.г.-м.н. Соктоеву Б.Р., к.г.-м.н. Ильенку С.С., к.г.-м.н. Беляновской А.И., к.г.-м.н. Моисеевой Ю.А., к.г.-м.н. Пургиной Д.В., Куровской В.В., Гостевой И.А. и другим членам коллективов отделения геологии ИШПР и ПНИЛ гидрогеохимии ТПУ, а также к.г.н., старшему научному сотруднику И1111ЭС КНЦ РАН Сандимирову С.С. и к.ф.-м.н., ведущему научному сотруднику КоФ ФИЦ ЕГС РАН Асмингу В.Э.
Формирование химического состава природных сред в центральной части Кольского региона происходит под действием природных и техногенных факторов.
Водосборная территория озера Имандра характеризуется распространением преимущественно ультрапресных нейтральных и слабощелочных вод гидрокарбонатного кальциевого состава. Специфика вод проявлена в ионном составе, но в большей мере в микрокомпонентном: повышенные концентрации никеля и меди в поверхностных водах западной части территории свидетельствует во многом о техногенном влиянии комбината «Североникель».
Все рассматриваемые воды являются неравновесными с первичными алюмосиликатными минералами и находятся в состояния насыщения гидроксидами и оксидами железа и алюминия, в меньшей степени меди, каолинитом и в отдельных точках иллитом, Ca- и Mg- монтмориллонитом. С позиций эволюционного развития система вода-порода в пределах рассматриваемой территории находится на начальных стадиях, что обусловлено в большей степени влиянием природных факторов, а именно высокой интенсивностью водообмена. Однако наличие околоравновесной минеральной фазы оксидов и гидроксидов меди свидетельствует о значительном влиянии на процессы взаимодействия в системе вода-порода и техногенных факторов.
В пределах рассматриваемой территории складываются различные экологогеохимические условия: в пределах ландшафта с сохранившимся почвенно-растительным слоем содержание никеля и меди в поверхностных водах в зоне влияния пыле-газовых выбросов медно- никелевого комбината существенно выше, чем в подземных водах. Это свидетельствует о наличии источника антропогенного воздействия на природные воды, однако его влияние прослеживается только по состоянию поверхностных вод, когда как подземные воды в этих условиях защищены от негативного воздействия выбросов медно-никелевого комбината. В условиях техногенно-нарушенного ландшафта там, где разрушен почвенно-растительный слой, влияние деятельности медно-никелевого комбината прослеживается в состоянии и подземных вод. В данном случае почва является естественным буфером, связывающим химические элементы, поступающих из загрязненной атмосферы. Так этап инфильтрации атмосферных осадков через почву приобретает значительную роль в формировании химического состава подземных вод.
Для почв влияние выбросов медно-никелевого комбината прослеживается в увеличении концентрации никеля и меди в иллювиальном (В) горизонте, превышающих ОДК.
Загрязненные атмосферные осадки попадают в поверхностные водные объекты, либо на поверхность почв, где формируется поверхностный сток, также в конечном итоге попадающий в поверхностные водные объекты. При инфильтрации атмосферных осадков через почву, большая часть тяжелых металлов связывается в разных почвенных горизонтах. Следовательно, почва является естественным буфером на пути проникновения аэротехногенных никеля и меди в подземные воды и играет значительную роль в формировании химического состава всех компонентов окружающей среды, включая сами почвы, растения и подземные воды. Однако, многолетнее аэротехногенное воздействие привело к деградации лесного ландшафта и эрозии почв, что свидетельствует о наличии предела сорбционной способности почвенных горизонтов.
По результатам оценки токсичности природных компонентов методом биотестирования природные воды района водосбора озера Имандра Кольского полуострова характеризуются допустимой степенью токсичности, что может говорить о том, что экосистема способна поглощать и перерабатывать токсиканты в определенных пределах. Рассматриваемые почвы характеризуются допустимой степенью токсичности. Более высокая степень токсического эффекта по результатам биотестирования на зеленых водорослях характерна для подзолистого горизонта. Это может быть связано с наличием большей доли подвижных форм химических элементов в данном почвенном горизонте, выявленной для этого типа почв.
Для рассмотренных почв Кольского региона в подзолистом горизонте отмечены самые низкие концентрации меди и никеля и, соответственно, самые низкие показатели токсического воздействия. Однако, игнорирование результатов анализа нижележащих горизонтов В и С или не рассмотрение их в качестве потенциального источника загрязнения может привести к недооценке негативного влияния на здоровье населения, т.к. часто верхние горизонты почв могут быть разрушены в результате промышленной и хозяйственной деятельности. Но в целом в зоне влияния комбината уровень значений показателя токсического воздействия никеля и меди для поверхностных вод выше, чем для почв.
Водосборная территория озера Имандра характеризуется распространением преимущественно ультрапресных нейтральных и слабощелочных вод гидрокарбонатного кальциевого состава. Специфика вод проявлена в ионном составе, но в большей мере в микрокомпонентном: повышенные концентрации никеля и меди в поверхностных водах западной части территории свидетельствует во многом о техногенном влиянии комбината «Североникель».
Все рассматриваемые воды являются неравновесными с первичными алюмосиликатными минералами и находятся в состояния насыщения гидроксидами и оксидами железа и алюминия, в меньшей степени меди, каолинитом и в отдельных точках иллитом, Ca- и Mg- монтмориллонитом. С позиций эволюционного развития система вода-порода в пределах рассматриваемой территории находится на начальных стадиях, что обусловлено в большей степени влиянием природных факторов, а именно высокой интенсивностью водообмена. Однако наличие околоравновесной минеральной фазы оксидов и гидроксидов меди свидетельствует о значительном влиянии на процессы взаимодействия в системе вода-порода и техногенных факторов.
В пределах рассматриваемой территории складываются различные экологогеохимические условия: в пределах ландшафта с сохранившимся почвенно-растительным слоем содержание никеля и меди в поверхностных водах в зоне влияния пыле-газовых выбросов медно- никелевого комбината существенно выше, чем в подземных водах. Это свидетельствует о наличии источника антропогенного воздействия на природные воды, однако его влияние прослеживается только по состоянию поверхностных вод, когда как подземные воды в этих условиях защищены от негативного воздействия выбросов медно-никелевого комбината. В условиях техногенно-нарушенного ландшафта там, где разрушен почвенно-растительный слой, влияние деятельности медно-никелевого комбината прослеживается в состоянии и подземных вод. В данном случае почва является естественным буфером, связывающим химические элементы, поступающих из загрязненной атмосферы. Так этап инфильтрации атмосферных осадков через почву приобретает значительную роль в формировании химического состава подземных вод.
Для почв влияние выбросов медно-никелевого комбината прослеживается в увеличении концентрации никеля и меди в иллювиальном (В) горизонте, превышающих ОДК.
Загрязненные атмосферные осадки попадают в поверхностные водные объекты, либо на поверхность почв, где формируется поверхностный сток, также в конечном итоге попадающий в поверхностные водные объекты. При инфильтрации атмосферных осадков через почву, большая часть тяжелых металлов связывается в разных почвенных горизонтах. Следовательно, почва является естественным буфером на пути проникновения аэротехногенных никеля и меди в подземные воды и играет значительную роль в формировании химического состава всех компонентов окружающей среды, включая сами почвы, растения и подземные воды. Однако, многолетнее аэротехногенное воздействие привело к деградации лесного ландшафта и эрозии почв, что свидетельствует о наличии предела сорбционной способности почвенных горизонтов.
По результатам оценки токсичности природных компонентов методом биотестирования природные воды района водосбора озера Имандра Кольского полуострова характеризуются допустимой степенью токсичности, что может говорить о том, что экосистема способна поглощать и перерабатывать токсиканты в определенных пределах. Рассматриваемые почвы характеризуются допустимой степенью токсичности. Более высокая степень токсического эффекта по результатам биотестирования на зеленых водорослях характерна для подзолистого горизонта. Это может быть связано с наличием большей доли подвижных форм химических элементов в данном почвенном горизонте, выявленной для этого типа почв.
Для рассмотренных почв Кольского региона в подзолистом горизонте отмечены самые низкие концентрации меди и никеля и, соответственно, самые низкие показатели токсического воздействия. Однако, игнорирование результатов анализа нижележащих горизонтов В и С или не рассмотрение их в качестве потенциального источника загрязнения может привести к недооценке негативного влияния на здоровье населения, т.к. часто верхние горизонты почв могут быть разрушены в результате промышленной и хозяйственной деятельности. Но в целом в зоне влияния комбината уровень значений показателя токсического воздействия никеля и меди для поверхностных вод выше, чем для почв.
