Помощь студентам в учебе
ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ КОМПОНЕНТОВ ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ ТЕРРИТОРИИ ВЬЮНСКОГО ЗОЛОТОРУДНОГО ПОЛЯ (РЕСПУБЛИКА САХА-ЯКУТИЯ)
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1: ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
ПРИ ДОБЫЧЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ 15
ГЛАВА 2: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ 27
2.1 Физико-географическая характеристика 27
2.2 Геологическая характеристика 31
2.3 Геоэкологическая характеристика 38
ГЛАВА 3: МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЙ 43
3.1 Методика отбора проб компонентов природной среды 44
3.1.1 Методика отбора проб поверхностных вод 44
3.1.2 Методика отбора проб донных отложений из водотоков 47
3.1.3 Методика отбора проб почв 50
3.1.4 Методика отбора проб коры лиственницы даурской
(L. dahurica Turcz. et Trautv.) 53
3.1.5 Методика отбора проб лишайника (Cladonia rangiferina) 57
3.1.6 Методика проведения полевых измерений содержаний загрязняющих
веществ в атмосферном воздухе 60
3.1.7 Методика проведения гамма-радиометрических измерений 62
3.2 Методика подготовки проб компонентов природной среды к лабораторно-аналитическим исследованиям 63
3.2.1 Методика подготовки проб поверхностных вод 63
3.2.2 Методика подготовки проб донных отложений и почв 64
3.2.3 Методика подготовки проб коры лиственницы даурской
(L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайника (Cladonia rangiferina) 67
3.3 Аналитическое обеспечение эколого-геохимических исследований 68
3.4 Методика обработки результатов лабораторно-аналитических
исследований 74
3.4.1 Математико-статистическая обработка результатов исследований 74
3.4.2 Эколого-геохимическая обработка результатов исследований 76
3.4.2.1 Обработка результатов гидрогеохимических исследований
поверхностных вод 76
3.4.2.2 Обработка результатов гидролитогеохимических исследований
донных отложений 78
3.4.2.3 Обработка результатов литогеохимических исследований почв 80
3.4.2.4 Обработка результатов биогеохимических исследований коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайника
(Cladonia rangiferina) 81
ГЛАВА 4: ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ТЕРРИТОРИИ ВЬЮНСКОГО ЗОЛОТОРУДНОГО ПОЛЯ
ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД И
ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ИЗ ВОДОТОКОВ 82
4.1 Характеристика территории Вьюнского золоторудного поля по данным
изучения поверхностных вод 82
4.2 Характеристика территории Вьюнского золоторудного поля по данным
изучения донных отложений из водотоков 102
4.2.1 Характеристика минерального состава донных отложений водотоков
территории Вьюнского золоторудного поля 116
ГЛАВА 5: ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ТЕРРИТОРИИ ВЬЮНСКОГО ЗОЛОТОРУДНОГО ПОЛЯ
ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ ПОЧВ 119
5.1 Характеристика территории Вьюнского золоторудного поля по данным
изучения почв 119
5.2 Характеристика минерального состава почв территории Вьюнского
золоторудного поля 133
5.3 Содержания химических элементов во фракциях почвы 138
ГЛАВА 6: ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ТЕРРИТОРИИ ВЬЮНСКОГО ЗОЛОТОРУДНОГО ПОЛЯ
ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ РАСТЕНИЙ 142
6.1 Характеристика территории Вьюнского золоторудного поля по данным
изучения коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) 142
6.2 Характеристика территории золоторудного месторождения Вьюн
по данным изучения лишайника (Cladonia rangiferina) 151
6.3 Индикаторные свойства лишайника (Cladonia rangiferina) в условиях
криолитозоны 160
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 163
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 164
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 166
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 190
ГЛАВА 1: ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
ПРИ ДОБЫЧЕ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ 15
ГЛАВА 2: ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ 27
2.1 Физико-географическая характеристика 27
2.2 Геологическая характеристика 31
2.3 Геоэкологическая характеристика 38
ГЛАВА 3: МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИХ
ИССЛЕДОВАНИЙ 43
3.1 Методика отбора проб компонентов природной среды 44
3.1.1 Методика отбора проб поверхностных вод 44
3.1.2 Методика отбора проб донных отложений из водотоков 47
3.1.3 Методика отбора проб почв 50
3.1.4 Методика отбора проб коры лиственницы даурской
(L. dahurica Turcz. et Trautv.) 53
3.1.5 Методика отбора проб лишайника (Cladonia rangiferina) 57
3.1.6 Методика проведения полевых измерений содержаний загрязняющих
веществ в атмосферном воздухе 60
3.1.7 Методика проведения гамма-радиометрических измерений 62
3.2 Методика подготовки проб компонентов природной среды к лабораторно-аналитическим исследованиям 63
3.2.1 Методика подготовки проб поверхностных вод 63
3.2.2 Методика подготовки проб донных отложений и почв 64
3.2.3 Методика подготовки проб коры лиственницы даурской
(L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайника (Cladonia rangiferina) 67
3.3 Аналитическое обеспечение эколого-геохимических исследований 68
3.4 Методика обработки результатов лабораторно-аналитических
исследований 74
3.4.1 Математико-статистическая обработка результатов исследований 74
3.4.2 Эколого-геохимическая обработка результатов исследований 76
3.4.2.1 Обработка результатов гидрогеохимических исследований
поверхностных вод 76
3.4.2.2 Обработка результатов гидролитогеохимических исследований
донных отложений 78
3.4.2.3 Обработка результатов литогеохимических исследований почв 80
3.4.2.4 Обработка результатов биогеохимических исследований коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайника
(Cladonia rangiferina) 81
ГЛАВА 4: ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ТЕРРИТОРИИ ВЬЮНСКОГО ЗОЛОТОРУДНОГО ПОЛЯ
ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД И
ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ИЗ ВОДОТОКОВ 82
4.1 Характеристика территории Вьюнского золоторудного поля по данным
изучения поверхностных вод 82
4.2 Характеристика территории Вьюнского золоторудного поля по данным
изучения донных отложений из водотоков 102
4.2.1 Характеристика минерального состава донных отложений водотоков
территории Вьюнского золоторудного поля 116
ГЛАВА 5: ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ТЕРРИТОРИИ ВЬЮНСКОГО ЗОЛОТОРУДНОГО ПОЛЯ
ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ ПОЧВ 119
5.1 Характеристика территории Вьюнского золоторудного поля по данным
изучения почв 119
5.2 Характеристика минерального состава почв территории Вьюнского
золоторудного поля 133
5.3 Содержания химических элементов во фракциях почвы 138
ГЛАВА 6: ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
ТЕРРИТОРИИ ВЬЮНСКОГО ЗОЛОТОРУДНОГО ПОЛЯ
ПО ДАННЫМ ИЗУЧЕНИЯ РАСТЕНИЙ 142
6.1 Характеристика территории Вьюнского золоторудного поля по данным
изучения коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) 142
6.2 Характеристика территории золоторудного месторождения Вьюн
по данным изучения лишайника (Cladonia rangiferina) 151
6.3 Индикаторные свойства лишайника (Cladonia rangiferina) в условиях
криолитозоны 160
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 163
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 164
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 166
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 190
Актуальность работы. В целях обеспечения рационального недропользования и создания эффективной стратегии защиты окружающей среды необходимо проведение эколого-геохимических работ, позволяющих получить актуальную информацию о состоянии компонентов природной среды на территориях месторождений полезных ископаемых.
Значительные перспективы горнодобывающей промышленности в последнее время связываются с Арктической зоной Российской Федерации (АЗР), которую слагают металлогенические структуры глобального значения. К настоящему времени на территории АЗР открыто более 8 тыс. рудных и россыпных месторождений, рудопроявлений, точек минерализации (Волков, 2019). Размещение месторождений твердых полезных ископаемых в российском секторе Арктики показано на рисунке 1.
Рисунок 1 - Размещение месторождений твердых полезных ископаемых в
российском секторе Арктики (по данным ГИС-анализа) (Волков, 2019)
Условные обозначения месторождений твердых полезных ископаемых:
1 - алмазы; 2 - благородные металлы (Pt, Pd, Au, Ag); 3-5 - цветные металлы: 3 - Cu- Mo; 4 - Zn-Pb; 5 - Sn-W; 6 - редкие металлы (редкоземельные металлы, Nb, Ta и др.); 7 - уран;
8 - черные металлы (железные и хромовые руды); 9 - уголь.
Арктика является полигоном золотодобычи, на которую приходится 36,9 % от российской добычи золота (Волков, 2019) (рисунок 2).
Рисунок 2 - Добыча минеральных ресурсов в российском секторе Арктики по
состоянию на 2017 г (% от общероссийской добычи) (Волков, 2019)
Разработка месторождений полезных ископаемых ведёт к трансформации окружающей среды, которая особенно чувствительна в районах распространения многолетнемёрзлых пород. Изучение геохимических процессов в условиях отрицательных температур имеет большое теоретическое и практическое значение в геохимии мерзлотных ландшафтов, поскольку интенсивное освоение районов с холодным климатом выдвинуло ряд актуальных научных и практических задач, касающихся решения вопросов защиты окружающей среды в зоне распространения многолетней мерзлоты. В работах ряда авторов (Горбатюк, 1980; Иванов, 2013; Брюхань и др., 2018) показывается, что комплексный анализ экологогеохимического состояния компонентов природной среды в условиях повсеместного распространения многолетнемёрзлых пород необходим в связи с их особой чувствительностью к техногенным воздействиям.
Изучением геохимии территорий распространения многолетней мерзлоты, начиная с 60-х гг. прошлого века, занимались О.П. Иванов (Иванов, 1969), А.М. Иванова (Иванова и др., 1974), С.Л. Шварцев (Шварцев, 1975), В.М. Питулько (1977), И.П. Винокуров (Винокуров и др., 1988), В.Н. Макаров (Макаров, 1998). Геохимические особенности миграции химических элементов в условиях многолетней мерзлоты освещены в трудах А.И. Перельмана и Н.С. Касимова (Перельман и др., 1999). Первым исследователем, обосновавшим необходимость учёта криогенных процессов при изучении месторождений полезных ископаемых в криолитозоне, был известный мерзлотовед, член-корр. АН СССР П.Ф. Швецов (Швецов, 1961).
Отдельные работы исследователей охватывают золотоносные районы, среди которых можно выделить труды В.Н. Макарова, посвящённые рудным объектам Якутии (Верхнеиндигирский золотоносный район), в частности - геохимии почвенного покрова и донных отложений (Макаров, 2008; Макаров, 2016). Биогеохимические исследования на рудных площадях Северо-Востока России проводились Н.Г. Куимовой (Куимова и др., 2012), В.И. Радомской (Радомская и др., 2003), О.А. Сорокиной (Сорокина, 2009). Почвы районов распространения многолетней мерзлоты исследовались в работах (Тентюков, 2013; Васильчук и др., 2022), отдельно рассматривались территории месторождений полезных ископаемых (Дягилева и др., 2013; Гололобова и др., 2020). Водные объекты детально изучались Н.А. Харитоновой и Е.А. Вах (Харитонова и др., 2015), М.И. Ксенофонотовой (Ксенофонтова, 2018). Экогеохимией природной среды рудных объектов в криолитозоне занимаются некоторые иностранные учёные. S. Yang исследует почвенный покров медно-порфирового месторождения Кулонг в холодном регионе Тибета (Yang et al., 2014), Bronac de Vazelhes с соавторами изучает геохимию канадского месторождения золота Амарук (Bronac de Vazelhes et al., 2021).
Цель и задачи работы.
Целью представленной работы является оценка эколого-геохимического состояния компонентов природной среды на территории Вьюнского золоторудного поля (Республика Саха-(Якутия)) в условиях распространения многолетнемёрзлых пород по данным изучения особенностей поверхностных вод, донных отложений водотоков, почвы, коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайника (Cladonia rangiferina).
Основные задачи:
1. Установить средние содержания химических элементов в компонентах природной среды Вьюнского золоторудного поля в условиях распространения многолетнемёрзлых пород;
2. Выявить воздействие природного и техногенного факторов на геохимическую специфику поверхностных вод и донных отложений водотоков, почвы, растительных объектов;
3. Определить минералого-геохимические особенности и проявленность оруденения в почве;
4. Установить взаимосвязь элементов в системе почва - растения на территории Вьюнского золоторудного поля в условиях многолетнемёрзлых пород и выявить в растительных объектах (коре лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.), лишайнике (Cladonia rangiferina)) специфичные индикаторные элементы,
Объект исследования: компоненты природной среды территории
Вьюнского золоторудного поля: поверхностные воды и донные отложения водотоков; почва; кора лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайник (Cladonia rangiferina).
Предмет исследования: химический и минеральный состав компонентов природной среды.
Фактический материал и методика исследования. Основу диссертационной работы составил фактический материал, полученный в рамках проведения договорных работ коллектива кафедры геоэкологии и геохимии (в н.в. отделения геологии) и последующей обработки результатов исследования при непосредственном участии автора в период с 2017 по 2022 гг.
В работе исследуются компоненты природной среды Вьюнского золоторудного поля, территория которого сложена терригенными отложениями верхнетриасового возраста (231-237 млн. лет) - алевролитами, аргиллитами и песчаниками, относящимися к периферической части надинтрузивной зоны невскрытого Бурганджинского гранитоидного массива. На момент проведения эколого-геохимических работ добыча золота не осуществлялась.
Руды относятся к малосульфидному золотокварцевому типу. Промышленная золотоносность руд определяется Au-пирит-арсенопиритовым и Au-халькопирит-галенитовым парагенезисами.
На территории Вьюнского золоторудного поля были проведены внемасштабные исследования на шести ключевых участках (КУ) и отобрано 174 пробы компонентов природной среды, включая 34 пробы поверхностных вод, 33 - донных отложений из водотоков, 37 - почв из верхнего почвенного горизонта, 35 - коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и 35 - лишайника (Cladonia rangiferina). Пробы поверхностных вод на территории Вьюнского золоторудного поля были отобраны из 10-ти водотоков: ручей Вьюн и его притоки (10 проб); река Бурганджа и ее притоки (20 проб); река Эльганджа (2 пробы). Отдельно были исследованы ручей над штольней (1 проба) и лёд из штольни (1 проба). Пункты отбора проб донных отложений были совмещены с пунктами отбора проб поверхностных вод.
Наибольшее количество проб компонентов природной среды (82) было отобрано на ключевом участке №1. Пробы отбирались и обрабатывались по стандартным методикам в соответствии с нормативными документами.
Отобранные пробы компонентов природной среды проанализированы по аттестованным методикам методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой в аккредитованном химико-аналитическом центре «Плазма», г. Томск (33 пробы донных отложений и 37 проб почвы - на 55 элементов, 35 проб сухого вещества коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и 35 проб
сухого вещества лишайника (Cladonia rangiferina) - на 67 элементов). В
аккредитованной проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии НОЦ «Вода» отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов НИ ТПУ проанализированы методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой 34 пробы природных поверхностных вод на 71 элемент, а также комплексом методов - титриметрическим (CO2, CO3, HCO3-, Cl-, общая жесткость, Ca2+, ХПК), потенциометрическим (pH, F), кондуктометрическим
(электропроводность), гравиметрическим (взвешенные вещества),
фотоколориметрическим (NH4, NO2, PO4), спектрофотометрическим (SO42-), методом ионной хроматографии (NO3) и по расчетным методикам (Mg2+, минерализация).
Для 28 проб отдельных фракций почвы различной размерности проведён инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА) на 28 элементов в ядерно-геохимической лаборатории НИ ТПУ по аттестованной методике НСАМ № 510-ЯФ.
Внешний лабораторный контроль содержания ртути проделан для 37 проб почвы, 35 - коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и 35 - лишайника (Cladonia rangiferina) методом беспламенной атомной абсорбции на анализаторе ртути «РА-915+» с использованием государственных стандартных образцов (ГСО). Минеральный состав компонентов природной среды изучен методом рентгеновской порошковой дифрактометрии в 3 пробах почв и 3 - донных отложений на дифрактометре D2 PHASER фирмы BRUKER. Методом сканирующей электронной микроскопии с энерго-дисперсионной спектрометрией на сканирующем электронном микроскопе Hitachi S-3400N с приставкой для микроанализа Bruker XFlash 4010/5010 проведено 65 определений в 15 пробах почв и 80 определений в 15 пробах донных отложений. Исследования велись в лабораториях микроэлементного анализа и электронно-оптической диагностики на базе МИНОЦ «Урановая геология» имени Л.П. Рихванова ОГ ИТТТПР НИ ТПУ.
Математико-статистическая обработка аналитических данных проводилась с использованием программ Statistica 10.0 и Microsoft Excel, графическая интерпретация результатов исследований (построение карт-схем, графиков) - с применением программ CorelDRAW X7 и Surfer.
Степень достоверности полученных данных подтверждается
представительными выборками проб компонентов природной среды, проанализированных современными высокочувствительными методами в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам. Результаты исследований обработаны математико-статистическими методами.
Научная новизна исследования.
1. Впервые установлены средние уровни содержаний широкого спектра химических элементов (тяжёлых металлов, редкоземельных и радиоактивных элементов) в компонентах природной среды (поверхностных водах, донных отложениях водотоков, почвах, коре лиственницы и лишайнике) на территории Вьюнского золоторудного поля в условиях распространения многолетнемёрзлых пород.
2. Выявлены минералого-геохимические особенности почв территории Вьюнского золоторудного поля и установлен геологический фактор воздействия на компонент природной среды.
3. Установлена взаимосвязь химических элементов в системе «почва - растения» на территории Вьюнского золоторудного поля в условиях распространения многолетнемёрзлых пород и выявлены специфичные индикаторные элементы, формирующие локальные биогеохимические ореолы в растительных объектах (кора лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.), лишайник (Cladonia rangiferina)) в зонах воздействия оруденения.
4. Установлена индикаторная роль лишайника (Cladonia rangiferina) для выделения потенциально-перспективных структур золотого оруденения на заболоченных участках в условиях распространения многолетнемёрзлых пород.
Практическая значимость. Полученные в ходе исследований результаты использовались ООО «Дальзолото» в отчётных материалах, а в дальнейшем могут применяться при составлении проектов оценки воздействия на окружающую среду и раздела охраны окружающей среды.
Лишайник (Cladonia rangiferina) на территории Вьюнского золоторудного поля не рекомендуется в качестве корма для животных из-за выявленных высоких содержаний As - элемента 1 класса опасности (согласно ГОСТ Р 70281-2022).
Данные, полученные в ходе работ, используются для лекционных и практических занятий по дисциплинам «Геохимический мониторинг» для бакалавров и «Геохимия, геохимический мониторинг окружающей среды» для магистров направления «Экология и природопользование».
Основные защищаемые положения.
1 защищаемое положение. Поверхностные воды в пределах влияния рудной зоны характеризуются повышенными содержаниями сульфат-иона, As и Hg, что отражает воздействие малосульфидного золотокварцевого оруденения на химический состав вод. Донные отложения водотоков наследуют особенности специфичного элементного состава в зоне оруденения (Te, Se, As, Sb, Ag, Au).
2 защищаемое положение. Геохимическая специализация почв Вьюнского золоторудного поля проявляется в повышенных относительно кларка верхней части континентальной земной коры по Н.А. Григорьеву содержаниях Se, As, Au, Ag и Sb. Минералы-концентраторы специфичных элементов оруденения представлены сульфидными (сульфиды Fe, Cu, Sb) и редкоземельными (ксенотим, монацит) минеральными фазами.
3 защищаемое положение. Биогеохимическая индикация оруденения в растительных объектах (кора лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайник (Cladonia rangiferina)) проявляется в повышенных концентрациях золота и мышьяка. Уровни накопления Au и As в лишайнике (Cladonia rangiferina) являются индикаторами выделения потенциально-перспективных структур золотого оруденения на заболоченных участках в условиях многолетнемёрзлых пород.
Апробация работы и публикации. Результаты исследований были представлены на Всероссийских и Международных научных конференциях, симпозиумах и школах-семинарах: Международный научный симпозиум молодых ученых и студентов имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения
недр» (г. Томск, 2018-2022 гг.); Школа-семинар для молодых исследователей «Биогеохимия химических элементов и соединений в природных средах» (г. Тюмень, 2018 г.); Всероссийская конференция молодых учёных «Современные проблемы геохимии» (г. Иркутск, 2018 г.); Международная экологическая
студенческая конференция «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2018 г.); Научная конференция «Сергеевские чтения. Экологоэкономический баланс природопользования в горнопромышленных районах» (г. Пермь, 2019 г.); Всероссийская научно-практическая конференция с
международным участием «Экология и управление природопользованием» (г. Томск, 2020 г.); Международная научно-практическая конференция «Новые идеи в науках о Земле» (г. Москва, 2021 г.); Международная конференция
«Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (г. Томск, 2021 г.).
Кроме того, результаты докладывались на Всероссийском конкурсе научноисследовательских работ студентов и аспирантов ВУЗов и научных академических институтов России по естественным, техническим и гуманитарным наукам «Шаг в науку» (г. Томск, 2021 г.).
Основные положения и научные результаты диссертации опубликованы в 19 статьях и тезисах докладов, из них 2 статьи опубликовано в изданиях, индексируемых базами данных Scopus и Web of Science, и 2 статьи в российских изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы, изложенных на 190 страницах машинописного текста. Включает 72 рисунка, 54 таблицы, 1 приложение. Список литературы содержит 229 источников, 76 из которых - зарубежные.
В первой главе приводится обзор работ в области воздействия на окружающую среду добычи полезных ископаемых с характеристикой видов, типов и степени оказываемого воздействия на различные компоненты природной среды. Во второй главе даётся физико-географическая, геологическая и геоэкологическая характеристика района исследований. Третья глава включает методы отбора проб компонентов природной среды и их подготовки к лабораторно-аналитическим исследованиям, виды и объёмы работ, описание математико-статистической обработки и эколого-геохимического анализа полученных данных. Четвёртая глава содержит результаты исследования природных вод и донных отложений из водотоков территории Вьюнского золоторудного поля, для которых установлены содержания химических элементов и величины гидрохимических показателей, определены геохимические особенности, обусловленные влиянием рудной минерализации. В пятой главе даётся характеристика геохимии и минерального состава почв территории золоторудного поля. Шестая глава содержит данные о концентрациях в коре лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайнике (Cladonia rangiferina) широкого спектра химических элементов, в том числе тяжёлых металлов, редкоземельных и радиоактивных элементов, а также информацию о площадном распределении ореолов рудных элементов. В заключении представлены основные выводы исследования.
Личный вклад автора заключается в участии в исследованиях, подготовке проб к лабораторно-аналитическим анализам, определении содержаний Hg в пробах почв, коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайника (Cladonia rangiferina), исследовании минерального состава почв и донных отложений водотоков методами рентгеновской дифрактометрии и сканирующей электронной микроскопии, математико-статистической обработке и эколого-геохимической оценке полученных аналитических данных, а также их графической интерпретации.
Благодарности. Автор искренне благодарит научного руководителя д.г-м.н., профессора отделения геологии Язикова Егора Григорьевича, за всестороннюю помощь на всех стадиях выполнения диссертационной работы, к.г-м.н.,
Филимоненко Е.А., за активное содействие научным исследованиям на начальном этапе, д.г-м.н., профессора Рихванова Л.П. и своих первых научных руководителей д.б.н., профессора Барановскую Н.В. и к.х.н. Третьякова А.Н. за прививание интереса и мотивации к занятиям научной деятельностью. Отдельную благодарность автор выражает к.г-м.н., доценту Соктоеву Б.Р. за помощь и консультации в ходе проведения рентгенофазового анализа, к.г-м.н., старшему преподавателю Ильенку С.С. за полученные навыки работы с электронным сканирующим микроскопом, инженеру Судыко А.Ф. и лаборанту Богутской Л.В. за помощь в проведении инструментального нейтронно-активационного анализа. Автор признателен всем сотрудникам отделения геологии ИШПР НИ ТПУ за помощь и ценные советы, а также студентам за помощь в отборе и подготовке проб, в особенности Афанасьеву Е.С. Особые слова благодарности автор адресует своим родителям, всем родным и близким, за оказанную поддержку в ходе проведения исследований и подготовки диссертации.
Значительные перспективы горнодобывающей промышленности в последнее время связываются с Арктической зоной Российской Федерации (АЗР), которую слагают металлогенические структуры глобального значения. К настоящему времени на территории АЗР открыто более 8 тыс. рудных и россыпных месторождений, рудопроявлений, точек минерализации (Волков, 2019). Размещение месторождений твердых полезных ископаемых в российском секторе Арктики показано на рисунке 1.
Рисунок 1 - Размещение месторождений твердых полезных ископаемых в
российском секторе Арктики (по данным ГИС-анализа) (Волков, 2019)
Условные обозначения месторождений твердых полезных ископаемых:
1 - алмазы; 2 - благородные металлы (Pt, Pd, Au, Ag); 3-5 - цветные металлы: 3 - Cu- Mo; 4 - Zn-Pb; 5 - Sn-W; 6 - редкие металлы (редкоземельные металлы, Nb, Ta и др.); 7 - уран;
8 - черные металлы (железные и хромовые руды); 9 - уголь.
Арктика является полигоном золотодобычи, на которую приходится 36,9 % от российской добычи золота (Волков, 2019) (рисунок 2).
Рисунок 2 - Добыча минеральных ресурсов в российском секторе Арктики по
состоянию на 2017 г (% от общероссийской добычи) (Волков, 2019)
Разработка месторождений полезных ископаемых ведёт к трансформации окружающей среды, которая особенно чувствительна в районах распространения многолетнемёрзлых пород. Изучение геохимических процессов в условиях отрицательных температур имеет большое теоретическое и практическое значение в геохимии мерзлотных ландшафтов, поскольку интенсивное освоение районов с холодным климатом выдвинуло ряд актуальных научных и практических задач, касающихся решения вопросов защиты окружающей среды в зоне распространения многолетней мерзлоты. В работах ряда авторов (Горбатюк, 1980; Иванов, 2013; Брюхань и др., 2018) показывается, что комплексный анализ экологогеохимического состояния компонентов природной среды в условиях повсеместного распространения многолетнемёрзлых пород необходим в связи с их особой чувствительностью к техногенным воздействиям.
Изучением геохимии территорий распространения многолетней мерзлоты, начиная с 60-х гг. прошлого века, занимались О.П. Иванов (Иванов, 1969), А.М. Иванова (Иванова и др., 1974), С.Л. Шварцев (Шварцев, 1975), В.М. Питулько (1977), И.П. Винокуров (Винокуров и др., 1988), В.Н. Макаров (Макаров, 1998). Геохимические особенности миграции химических элементов в условиях многолетней мерзлоты освещены в трудах А.И. Перельмана и Н.С. Касимова (Перельман и др., 1999). Первым исследователем, обосновавшим необходимость учёта криогенных процессов при изучении месторождений полезных ископаемых в криолитозоне, был известный мерзлотовед, член-корр. АН СССР П.Ф. Швецов (Швецов, 1961).
Отдельные работы исследователей охватывают золотоносные районы, среди которых можно выделить труды В.Н. Макарова, посвящённые рудным объектам Якутии (Верхнеиндигирский золотоносный район), в частности - геохимии почвенного покрова и донных отложений (Макаров, 2008; Макаров, 2016). Биогеохимические исследования на рудных площадях Северо-Востока России проводились Н.Г. Куимовой (Куимова и др., 2012), В.И. Радомской (Радомская и др., 2003), О.А. Сорокиной (Сорокина, 2009). Почвы районов распространения многолетней мерзлоты исследовались в работах (Тентюков, 2013; Васильчук и др., 2022), отдельно рассматривались территории месторождений полезных ископаемых (Дягилева и др., 2013; Гололобова и др., 2020). Водные объекты детально изучались Н.А. Харитоновой и Е.А. Вах (Харитонова и др., 2015), М.И. Ксенофонотовой (Ксенофонтова, 2018). Экогеохимией природной среды рудных объектов в криолитозоне занимаются некоторые иностранные учёные. S. Yang исследует почвенный покров медно-порфирового месторождения Кулонг в холодном регионе Тибета (Yang et al., 2014), Bronac de Vazelhes с соавторами изучает геохимию канадского месторождения золота Амарук (Bronac de Vazelhes et al., 2021).
Цель и задачи работы.
Целью представленной работы является оценка эколого-геохимического состояния компонентов природной среды на территории Вьюнского золоторудного поля (Республика Саха-(Якутия)) в условиях распространения многолетнемёрзлых пород по данным изучения особенностей поверхностных вод, донных отложений водотоков, почвы, коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайника (Cladonia rangiferina).
Основные задачи:
1. Установить средние содержания химических элементов в компонентах природной среды Вьюнского золоторудного поля в условиях распространения многолетнемёрзлых пород;
2. Выявить воздействие природного и техногенного факторов на геохимическую специфику поверхностных вод и донных отложений водотоков, почвы, растительных объектов;
3. Определить минералого-геохимические особенности и проявленность оруденения в почве;
4. Установить взаимосвязь элементов в системе почва - растения на территории Вьюнского золоторудного поля в условиях многолетнемёрзлых пород и выявить в растительных объектах (коре лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.), лишайнике (Cladonia rangiferina)) специфичные индикаторные элементы,
Объект исследования: компоненты природной среды территории
Вьюнского золоторудного поля: поверхностные воды и донные отложения водотоков; почва; кора лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайник (Cladonia rangiferina).
Предмет исследования: химический и минеральный состав компонентов природной среды.
Фактический материал и методика исследования. Основу диссертационной работы составил фактический материал, полученный в рамках проведения договорных работ коллектива кафедры геоэкологии и геохимии (в н.в. отделения геологии) и последующей обработки результатов исследования при непосредственном участии автора в период с 2017 по 2022 гг.
В работе исследуются компоненты природной среды Вьюнского золоторудного поля, территория которого сложена терригенными отложениями верхнетриасового возраста (231-237 млн. лет) - алевролитами, аргиллитами и песчаниками, относящимися к периферической части надинтрузивной зоны невскрытого Бурганджинского гранитоидного массива. На момент проведения эколого-геохимических работ добыча золота не осуществлялась.
Руды относятся к малосульфидному золотокварцевому типу. Промышленная золотоносность руд определяется Au-пирит-арсенопиритовым и Au-халькопирит-галенитовым парагенезисами.
На территории Вьюнского золоторудного поля были проведены внемасштабные исследования на шести ключевых участках (КУ) и отобрано 174 пробы компонентов природной среды, включая 34 пробы поверхностных вод, 33 - донных отложений из водотоков, 37 - почв из верхнего почвенного горизонта, 35 - коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и 35 - лишайника (Cladonia rangiferina). Пробы поверхностных вод на территории Вьюнского золоторудного поля были отобраны из 10-ти водотоков: ручей Вьюн и его притоки (10 проб); река Бурганджа и ее притоки (20 проб); река Эльганджа (2 пробы). Отдельно были исследованы ручей над штольней (1 проба) и лёд из штольни (1 проба). Пункты отбора проб донных отложений были совмещены с пунктами отбора проб поверхностных вод.
Наибольшее количество проб компонентов природной среды (82) было отобрано на ключевом участке №1. Пробы отбирались и обрабатывались по стандартным методикам в соответствии с нормативными документами.
Отобранные пробы компонентов природной среды проанализированы по аттестованным методикам методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой в аккредитованном химико-аналитическом центре «Плазма», г. Томск (33 пробы донных отложений и 37 проб почвы - на 55 элементов, 35 проб сухого вещества коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и 35 проб
сухого вещества лишайника (Cladonia rangiferina) - на 67 элементов). В
аккредитованной проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии НОЦ «Вода» отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов НИ ТПУ проанализированы методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой 34 пробы природных поверхностных вод на 71 элемент, а также комплексом методов - титриметрическим (CO2, CO3, HCO3-, Cl-, общая жесткость, Ca2+, ХПК), потенциометрическим (pH, F), кондуктометрическим
(электропроводность), гравиметрическим (взвешенные вещества),
фотоколориметрическим (NH4, NO2, PO4), спектрофотометрическим (SO42-), методом ионной хроматографии (NO3) и по расчетным методикам (Mg2+, минерализация).
Для 28 проб отдельных фракций почвы различной размерности проведён инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА) на 28 элементов в ядерно-геохимической лаборатории НИ ТПУ по аттестованной методике НСАМ № 510-ЯФ.
Внешний лабораторный контроль содержания ртути проделан для 37 проб почвы, 35 - коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и 35 - лишайника (Cladonia rangiferina) методом беспламенной атомной абсорбции на анализаторе ртути «РА-915+» с использованием государственных стандартных образцов (ГСО). Минеральный состав компонентов природной среды изучен методом рентгеновской порошковой дифрактометрии в 3 пробах почв и 3 - донных отложений на дифрактометре D2 PHASER фирмы BRUKER. Методом сканирующей электронной микроскопии с энерго-дисперсионной спектрометрией на сканирующем электронном микроскопе Hitachi S-3400N с приставкой для микроанализа Bruker XFlash 4010/5010 проведено 65 определений в 15 пробах почв и 80 определений в 15 пробах донных отложений. Исследования велись в лабораториях микроэлементного анализа и электронно-оптической диагностики на базе МИНОЦ «Урановая геология» имени Л.П. Рихванова ОГ ИТТТПР НИ ТПУ.
Математико-статистическая обработка аналитических данных проводилась с использованием программ Statistica 10.0 и Microsoft Excel, графическая интерпретация результатов исследований (построение карт-схем, графиков) - с применением программ CorelDRAW X7 и Surfer.
Степень достоверности полученных данных подтверждается
представительными выборками проб компонентов природной среды, проанализированных современными высокочувствительными методами в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам. Результаты исследований обработаны математико-статистическими методами.
Научная новизна исследования.
1. Впервые установлены средние уровни содержаний широкого спектра химических элементов (тяжёлых металлов, редкоземельных и радиоактивных элементов) в компонентах природной среды (поверхностных водах, донных отложениях водотоков, почвах, коре лиственницы и лишайнике) на территории Вьюнского золоторудного поля в условиях распространения многолетнемёрзлых пород.
2. Выявлены минералого-геохимические особенности почв территории Вьюнского золоторудного поля и установлен геологический фактор воздействия на компонент природной среды.
3. Установлена взаимосвязь химических элементов в системе «почва - растения» на территории Вьюнского золоторудного поля в условиях распространения многолетнемёрзлых пород и выявлены специфичные индикаторные элементы, формирующие локальные биогеохимические ореолы в растительных объектах (кора лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.), лишайник (Cladonia rangiferina)) в зонах воздействия оруденения.
4. Установлена индикаторная роль лишайника (Cladonia rangiferina) для выделения потенциально-перспективных структур золотого оруденения на заболоченных участках в условиях распространения многолетнемёрзлых пород.
Практическая значимость. Полученные в ходе исследований результаты использовались ООО «Дальзолото» в отчётных материалах, а в дальнейшем могут применяться при составлении проектов оценки воздействия на окружающую среду и раздела охраны окружающей среды.
Лишайник (Cladonia rangiferina) на территории Вьюнского золоторудного поля не рекомендуется в качестве корма для животных из-за выявленных высоких содержаний As - элемента 1 класса опасности (согласно ГОСТ Р 70281-2022).
Данные, полученные в ходе работ, используются для лекционных и практических занятий по дисциплинам «Геохимический мониторинг» для бакалавров и «Геохимия, геохимический мониторинг окружающей среды» для магистров направления «Экология и природопользование».
Основные защищаемые положения.
1 защищаемое положение. Поверхностные воды в пределах влияния рудной зоны характеризуются повышенными содержаниями сульфат-иона, As и Hg, что отражает воздействие малосульфидного золотокварцевого оруденения на химический состав вод. Донные отложения водотоков наследуют особенности специфичного элементного состава в зоне оруденения (Te, Se, As, Sb, Ag, Au).
2 защищаемое положение. Геохимическая специализация почв Вьюнского золоторудного поля проявляется в повышенных относительно кларка верхней части континентальной земной коры по Н.А. Григорьеву содержаниях Se, As, Au, Ag и Sb. Минералы-концентраторы специфичных элементов оруденения представлены сульфидными (сульфиды Fe, Cu, Sb) и редкоземельными (ксенотим, монацит) минеральными фазами.
3 защищаемое положение. Биогеохимическая индикация оруденения в растительных объектах (кора лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайник (Cladonia rangiferina)) проявляется в повышенных концентрациях золота и мышьяка. Уровни накопления Au и As в лишайнике (Cladonia rangiferina) являются индикаторами выделения потенциально-перспективных структур золотого оруденения на заболоченных участках в условиях многолетнемёрзлых пород.
Апробация работы и публикации. Результаты исследований были представлены на Всероссийских и Международных научных конференциях, симпозиумах и школах-семинарах: Международный научный симпозиум молодых ученых и студентов имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения
недр» (г. Томск, 2018-2022 гг.); Школа-семинар для молодых исследователей «Биогеохимия химических элементов и соединений в природных средах» (г. Тюмень, 2018 г.); Всероссийская конференция молодых учёных «Современные проблемы геохимии» (г. Иркутск, 2018 г.); Международная экологическая
студенческая конференция «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2018 г.); Научная конференция «Сергеевские чтения. Экологоэкономический баланс природопользования в горнопромышленных районах» (г. Пермь, 2019 г.); Всероссийская научно-практическая конференция с
международным участием «Экология и управление природопользованием» (г. Томск, 2020 г.); Международная научно-практическая конференция «Новые идеи в науках о Земле» (г. Москва, 2021 г.); Международная конференция
«Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (г. Томск, 2021 г.).
Кроме того, результаты докладывались на Всероссийском конкурсе научноисследовательских работ студентов и аспирантов ВУЗов и научных академических институтов России по естественным, техническим и гуманитарным наукам «Шаг в науку» (г. Томск, 2021 г.).
Основные положения и научные результаты диссертации опубликованы в 19 статьях и тезисах докладов, из них 2 статьи опубликовано в изданиях, индексируемых базами данных Scopus и Web of Science, и 2 статьи в российских изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы, изложенных на 190 страницах машинописного текста. Включает 72 рисунка, 54 таблицы, 1 приложение. Список литературы содержит 229 источников, 76 из которых - зарубежные.
В первой главе приводится обзор работ в области воздействия на окружающую среду добычи полезных ископаемых с характеристикой видов, типов и степени оказываемого воздействия на различные компоненты природной среды. Во второй главе даётся физико-географическая, геологическая и геоэкологическая характеристика района исследований. Третья глава включает методы отбора проб компонентов природной среды и их подготовки к лабораторно-аналитическим исследованиям, виды и объёмы работ, описание математико-статистической обработки и эколого-геохимического анализа полученных данных. Четвёртая глава содержит результаты исследования природных вод и донных отложений из водотоков территории Вьюнского золоторудного поля, для которых установлены содержания химических элементов и величины гидрохимических показателей, определены геохимические особенности, обусловленные влиянием рудной минерализации. В пятой главе даётся характеристика геохимии и минерального состава почв территории золоторудного поля. Шестая глава содержит данные о концентрациях в коре лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайнике (Cladonia rangiferina) широкого спектра химических элементов, в том числе тяжёлых металлов, редкоземельных и радиоактивных элементов, а также информацию о площадном распределении ореолов рудных элементов. В заключении представлены основные выводы исследования.
Личный вклад автора заключается в участии в исследованиях, подготовке проб к лабораторно-аналитическим анализам, определении содержаний Hg в пробах почв, коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайника (Cladonia rangiferina), исследовании минерального состава почв и донных отложений водотоков методами рентгеновской дифрактометрии и сканирующей электронной микроскопии, математико-статистической обработке и эколого-геохимической оценке полученных аналитических данных, а также их графической интерпретации.
Благодарности. Автор искренне благодарит научного руководителя д.г-м.н., профессора отделения геологии Язикова Егора Григорьевича, за всестороннюю помощь на всех стадиях выполнения диссертационной работы, к.г-м.н.,
Филимоненко Е.А., за активное содействие научным исследованиям на начальном этапе, д.г-м.н., профессора Рихванова Л.П. и своих первых научных руководителей д.б.н., профессора Барановскую Н.В. и к.х.н. Третьякова А.Н. за прививание интереса и мотивации к занятиям научной деятельностью. Отдельную благодарность автор выражает к.г-м.н., доценту Соктоеву Б.Р. за помощь и консультации в ходе проведения рентгенофазового анализа, к.г-м.н., старшему преподавателю Ильенку С.С. за полученные навыки работы с электронным сканирующим микроскопом, инженеру Судыко А.Ф. и лаборанту Богутской Л.В. за помощь в проведении инструментального нейтронно-активационного анализа. Автор признателен всем сотрудникам отделения геологии ИШПР НИ ТПУ за помощь и ценные советы, а также студентам за помощь в отборе и подготовке проб, в особенности Афанасьеву Е.С. Особые слова благодарности автор адресует своим родителям, всем родным и близким, за оказанную поддержку в ходе проведения исследований и подготовки диссертации.
1. По результатам опробования поверхностных вод установлено, что водотоки месторождения Вьюн отличаются повышенной сульфатностью по сравнению с водотоками вне месторождения, в которых преобладает гидрокарбонат-ион.
2. Установлен факт значительного увеличения концентраций As и Hg в водах ручья Вьюн ниже по течению от рудной зоны.
3. В пробах донных отложений водотоков фиксируются повышенные содержания типичных для малосульфидного золотокварцевого оруденения элементов (Te, Se, As, Sb, Ag, Au) относительно кларка верхней части континентальной земной коры по Н.А. Григорьеву (Григорьев, 2003).
4. В почве Вьюнского золоторудного поля ряд химических элементов характеризуются содержаниями, превышающими кларк верхней части континентальной земной коры по Н.А. Григорьеву (Григорьев, 2003), в том числе специфичные халькофильные элементы (Te, Se, As, Au, Ag, Sb). Повышенные содержания Se, Au, Ag и Sb в большей мере проявлены в пределах месторождения Вьюн. Минеральный состав почв характеризуется наличием сульфидных (сульфиды Fe, Cu, Sb) и редкоземельных (ксенотим, монацит) минеральных фаз. При этом наибольшими содержаниями типоморфных элементов (As, Sb, Au) характеризуется тонкая фракция почвы, размерностью менее 0,1 мм.
5. В сухом веществе коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайника (Cladonia rangiferina) максимальные содержания типоморфных элементов (As, Au) приурочены к рудной зоне месторождения, что подтверждается величинами кларков концентраций и биогеохимическими ореолами рассеяния.
6. При отсутствии рыхлых отложений для отбора литохимических проб лишайник (Cladonia rangiferina) является индикатором природной повышенной концентрации Au и As.
2. Установлен факт значительного увеличения концентраций As и Hg в водах ручья Вьюн ниже по течению от рудной зоны.
3. В пробах донных отложений водотоков фиксируются повышенные содержания типичных для малосульфидного золотокварцевого оруденения элементов (Te, Se, As, Sb, Ag, Au) относительно кларка верхней части континентальной земной коры по Н.А. Григорьеву (Григорьев, 2003).
4. В почве Вьюнского золоторудного поля ряд химических элементов характеризуются содержаниями, превышающими кларк верхней части континентальной земной коры по Н.А. Григорьеву (Григорьев, 2003), в том числе специфичные халькофильные элементы (Te, Se, As, Au, Ag, Sb). Повышенные содержания Se, Au, Ag и Sb в большей мере проявлены в пределах месторождения Вьюн. Минеральный состав почв характеризуется наличием сульфидных (сульфиды Fe, Cu, Sb) и редкоземельных (ксенотим, монацит) минеральных фаз. При этом наибольшими содержаниями типоморфных элементов (As, Sb, Au) характеризуется тонкая фракция почвы, размерностью менее 0,1 мм.
5. В сухом веществе коры лиственницы даурской (L. dahurica Turcz. et Trautv.) и лишайника (Cladonia rangiferina) максимальные содержания типоморфных элементов (As, Au) приурочены к рудной зоне месторождения, что подтверждается величинами кларков концентраций и биогеохимическими ореолами рассеяния.
6. При отсутствии рыхлых отложений для отбора литохимических проб лишайник (Cladonia rangiferina) является индикатором природной повышенной концентрации Au и As.
