ЭКОЛОГО-БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРРИТОРИИ РАСПОЛОЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОБЪЕКТОВ ТОМСКОЙ И КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТЕЙ

ВВЕДЕНИЕ 4
1 ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ОСИНЫ В КАЧЕСТВЕ
ОБЪЕКТА БИОГЕОХИМИЧЕСКОЙ ИНДИКАЦИИ 13
1.1 Особенности накопительной способности осины 13
2 МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 20
2.1 Фактический материал исследования 20
2.2 Аналитические методы исследования 25
2.2.1 Инструментальный нейтронно-активационный анализ (ИНАА) 25
2.2.2 Масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (ИСП-МС)... 26
2.2.3 Электронная микроскопия 27
2.2.4 Атомно-абсорбционный метод 27
2.3 Методика обработки результатов аналитических исследований 28
2.4 Эколого-геохимическая характеристика территории исследования.. 32
2.4.1 Западно-Сибирский железорудный бассейн 42
2.4.2 Таштагольское железорудное месторождение 44
3 ОПЫТНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ РАБОТЫ. ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ
ЛИСТЬЕВ ОСИНЫ 50
3.1 Содержание химических элементов в неотмытых и отмытых
листьях осины 50
3.2 Изменение содержания химических элементов в листьях осины в
течение вегетационного периода 60
3.3 Пространственное распределение химических элементов в листьях
осины 63
4 БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ ПРИРОДНО
ТЕХНОГЕННЫХ ОБСТАНОВОК ТЕРРИТОРИИ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОБЪЕКТОВ ТОМСКОЙ И КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТЕЙ 74
4.1 Отношение Th/U в листьях осины как индикатор эколого -
геохимической обстановки 74
4.2 Редкоземельные элементы в составе листьев осины как индикатор
пылевой нагрузки 81
5 СОДЕРЖАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПОЧВЕ И
ЛИСТЬЯХ ОСИНЫ НА ТЕРРИТОРИИ РАСПОЛОЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ОБЪЕКТОВ 97
5.1 Эколого - геохимические особенности территории восточной части
Колпашевской металлогенической зоны (Томская область) на основании изучения элементного состава листьев осины 97
5.2 Эколого - геохимические особенности территории центральной
части Шорской металлогенической зоны (Кемеровская область) на основании изучения элементного состава листьев осины 105
5.3 Сравнительная характеристика биогеохимических показателей
территории Томской и Кемеровской областей 112
5.4 Сравнительная характеристика элементного состава почв на территории расположения железорудных объектов Томской и Кемеровской областей 118
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 126
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 128
Купить

Актуальность работы. Сибирский регион богат на месторождения полезных ископаемых и, в частности, месторождений и рудопроявлений железных руд различного генезиса. В пределах Томской области выявлена Колпашевская металлогеническая зона, в которую входит Бакчарский рудный узел и Колпашевский потенциальный рудный узел. Бакчарское месторождение оолитовых железных руд является наиболее изученной частью ЗападноСибирского железорудного бассейна (общая площадь - 300 000 км2, в том числе на территории Томской области около 80 000 км2). Общие прогнозные запасы бассейна оцениваются в 400 млрд. т (содержание Fe - более 30 %), что позволяет считать его крупнейшей железорудной провинцией мира (Бабин, 1964, Мазуров, Боярко, 2005, 2006; Асочакова, 2010; Гринев, 2007, 2010; Карепина и др., 2012; Рудмин, 2014; Шайхиев, 2017 и др.). Для разработки был предложен метод скважинной гидродобычи (СГД) и проведены опытные работы, но пока месторождение так и осталось на стадии исследования. Для таких территорий важным является изучение специфики концентрации химических элементов в комплексе компонентов природной среды для создания базы с целью организации мониторинговых исследований, столь необходимых при разработке месторождения в дальнейшем. Ряд ученых, изучающих торф, лишайники, растения - торфообразователи на данной территории, отмечают комплексный характер поступления химических элементов в эти объекты (Сысо, 2009; Межибор, 2009; Страховенко, 2014; Савичев, 2021; Сиромля, 2017, 2021 и др.). На территории железорудного месторождения (окрестности с. Бакчар, Томская область) ранее были установлены специфические особенности элементного состава некоторых видов древесных растений (Шайхиев и др., 2015; Шайхиев, 2017).
На юге Кемеровской области расположена Шорская металлогеническая зона с подзонами (Тельбесско-Казская, Кондомская, Ташелгинская), которые приурочены к зонам разломов и Тельбесскому интрузивному комплексу. Самая крупная зона - Кондомская, в пределах которой расположены Таштагольское,
Шалымское, Шерегешевское месторождения. Таштагольское месторождение магнетитовых железных руд разрабатывается подземным способом с 1941 г. (Иванова, 1966; Синяков, 1975; Калугин и др., 1981; Анушенков, 2016 и др.). На территории горного отвода рудника накоплено около 1 млрд м3 железорудных отходов (Филиппов, 2012). На таких территориях изменяются параметры миграции химических элементов в природной среде, а растения являются наиболее чувствительной компонентой ландшафтов, первыми реагирующими на изменение эколого-геохимического фона. (Goodman, 1981; Kovacs, 1981; Markert, 1992; Bargagli, 1998; Molnar, 2020, Ковалевский, 1984, 1991 и др.). Биологические
объекты зачастую используются в качестве геоиндикаторов, потому что они позволяют выявить специфические особенности среды, отражают экологогеохимическое состояние территории исследования, и конкретно состояние самой биоты, что является важным для человека. (Глазовская М.А.; 1988; Перельман А.И., 1989; Добровольский В.В.; 2009; Рихванов Л.П., 2009; Барановская Н.В., 2011; Алексеенко А.И. и др., 2013; Касимов Н.С., 2017; Ермаков В. В. и др., 2019; Юсупов Д.В., 2022 и др.). Листья древесных растений активно используются в качестве индикаторов природно-техногенного состояния окружающей среды и отражают специфику как почвенных растворов, так и пылеаэрозольной составляющей (Everett et al., 1967; Goodman and Roberts, 1971; Kovacs et al., 1981; Markert, 1992; Sawidis, 1995, 2001, 2011; Mulgrew and Williams, 2000; Celik et al., 2005; Шагиева, 2005; Баргальи, 2005; Диярова и др., 2009; Барановская, 2011; Воскресенский, 2011; Ковалевский, 1984, 1991; Юсупов, 2016, 2022 и др.). Факт значительной роли древесной растительности в фиксировании эолового привноса с нахождением микроминеральных фаз химических элементов на пластинке листа доказан рядом исследователей для урбанизированных территорий (Soldatini, 1994; Tomasevic, 2004; Simon, 2011; Юсупов и др., 2014; Ялалтдинова, 2014 и др.).
Таким образом, актуальность выявления индикаторных показателей содержания, соотношения и возможности фиксирования определенных форм химических элементов, поступающих с пылевыми частицами, в компонентах природной среды, при разработке месторождений и на стадии его изучения, весьма высока с точки зрения установления фоновых и текущих показателей. В качестве источника информации об изменении эколого-геохимической ситуации на территориях расположения месторождений железных руд нами выбраны листья древесного растения в системе с изучением особенностей почв. Мы предлагаем в качестве чувствительного биогеоиндикатора листья осины обыкновенной (Populus tremula L.). За счет мощной поверхностной корневой системы и быстрого роста она достаточно хорошо отражает значительную площадь, измененную под влиянием как природных, так и техногенных факторов.
Целью работы установить индикаторные возможности биогеохимических показателей в составе листьев осины и почве для оценки эколого-геохимического состояния территории распространения железорудных объектов Томской и Кемеровской областей.
Задачи исследований:
■ Провести опытно-методические исследования концентрирования и пространственного распределения химических элементов в листьях осины для выявления фоновых концентраций и закономерности сезонного накопления;
■ Выявить индикаторные показатели накопления и соотношений некоторых химических элементов в составе почвы и листьев осины на территории распространения железорудных объектов в природно-техногенных условиях Томской и Кемеровской областей;
■ Установить влияние природно-техногенной обстановки территорий распространения железорудных объектов Томской и Кемеровской областей на формирование элементного состава почвы и растения, а также специфики микроминеральных форм на поверхности листа.
Основные защищаемые положения:
1. На условно фоновой территории Томской области в листьях осины наблюдается увеличение концентрации Hg и Sb с вегетационным периодом, при отмывании листьев осины спектр накапливаемых элементов не изменяется, распределение Zn, Au на поверхности листовой пластинки носит равномерный характер.
2. На территории расположения железорудных объектов Томской и Кемеровской областей антропогенная нагрузка вызывает диспропорции в региональных соотношениях Th/U и Fe/РЗЭ в листьях осины. В зонах интенсивного пыления в листьях осины зафиксированы общие микроминеральные фазы железа, циркония, редкоземельных элементов, а для территории Кемеровской области специфичные микроминеральные фазы сурьмы, мышьяка и золота.
3. Общими элементами в листьях осины территории расположения железорудных объектов являются Zn, Fe, Hf, РЗЭ, As, Sc, Ag и U. Биогеохимической спецификой территории восточной части Колпашевской металлогенической зоны (Томская область) является накопление химических элементов Br, Au и Th в листьях осины, для территории центральной части Шорской металлогенической зоны (Кемеровская область) - Ca, Cr, Sr, Sb, Ta, Ba.
Фактический материал и методы исследования. В основу работы положены результаты проведенных исследований автором лично, а также совместно с сотрудниками отделения геологии (ранее - кафедры геоэкологии и геохимии) Инженерной школы природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета.
В работе исследуются компоненты природной среды территории железорудных объектов Томской и Кемеровской областей, включающих 179 проб, в том числе почвы - 70, листья осины обыкновенной - 109.
Количественное определение химических элементов проводилось с использованием инструментального нейтронно-активационного анализа (ИНАА) на базе исследовательского ядерного реактора ИРТ-Т в ядерно-геохимической лаборатории (ЯГЛ) Национального исследовательского Томского
политехнического университета (аналитики с.н.с. Судыко А.Ф., Богутская Л.В.), аналитическом центре ООО «Химико-аналитический центр «Плазма», г. Томск (Федюнина Н.В.), лабораторией аналитической химии центра коллективного пользования ДВГИ ДВО РАН (методическая работа, ответственный исполнитель - н.с. Зарубина Н. В., анализ выполнил с.н.с. Будницкий С. Ю.). Изучение элементного и минерального состава частиц на поверхности листвы осины проводилось с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM) Hitachi S- 3400N (с приставкой Bruker XFlash 5010). Для изучения образцов применялся детектор обратно-рассеянных электронов (BSE) в режиме низкого вакуума (от 50 до 100 Па).
Анализ содержания ртути в образцах сухой массы листьев осины проводился на ртутном анализаторе «РА-915М» с приставкой «ПИРО-915+» методом атомной абсорбции (метод пиролиза) с нижним пределом обнаружения - 5 нг/г в международном научно-образовательном центре «Урановая геология» НИ ТПУ (с. н. с. Ляпина Е.Е.).
Достоверность защищаемых положений обеспечена статистически значимым количеством проб, которые были проанализированы современными высокочувствительными аналитическими методами (ИНАА, ИСП-МС) в аккредитованных лабораториях по аттестованным методикам с выполнением контрольных определений 5-10% проб изученных сред, а также глубиной проработки фактического материала с применением современных методов статистической обработки и литературы по теме исследования. Внутрилабораторный контроль проводился как повторный анализ проб с зашифрованными номерами в количестве 15 % от общего объема ранее
проанализированных проб.
Научная новизна. 1. Впервые получены новые данные по содержанию 28 элементов в листьях осины обыкновенной (Populus tremula L.) на территории Томской и Кемеровской областей в зоне распространения железорудных объектов.
2. Установлено, что из набора изученных элементов ртуть и сурьма имеют тенденцию к накоплению в составе листьев осины в течение вегетационного периода на фоновой территории.
3. Установлено, что элементы специфичные для осины (Zn, Au), распределяются равномерно и встречаются во всех частях листа, в то время как элементы, такие как Fe и РЗЭ носят не равномерный характер и поступают в следствии эолового привноса.
4. Выявлены специфичные микроминеральные фазы на поверхности листа осины в зонах интенсивного пыления (грунтовые дороги, разгрузочная площадка), что приводит к диспропорции соотношений Th/U и Fe/РЗЭ.
5. Установлена общая и территориальная специфика концентрирования определённого спектра химических элементов в листьях осины на территории восточной части Колпашевской металлогенической зоны (Томская область) и на территории центральной части Шорской металлогенической зоны (Кемеровская область).
Практическая значимость. Проведен ряд опытно-методических исследований, направленных на изучение влияния различных факторов (вегетационный период, отмывание, разделение) на изменения концентрирования химических элементов и их пространственное распределение в листьях осины обыкновенной. Методическая работа по распределению химических элементов по поверхности листа осины обыкновенной показала, что типичные элементы распределяются равномерно, атипичность распределения элементов связано с наличием микроминеральных фазовых включений.
Выявлена биогеохимическая аномалия, обусловленная пылевым ореолом, сопровождающим дорогу с грунтовым покрытием. Анализ полученных региональных данных выполнен в контексте их индикаторной роли пылеаэрозольного загрязнения с применением статистических методов, которые активно используются в исследованиях для анализа обстановки и индикации территорий. Маркерами пополнения компонентного состава растительного материала путем природного эолового и техногенного пылевого загрязнения выступили редкоземельные элементы.
Данные, полученные в ходе исследования, могут быть использованы при подготовке практических занятий по курсу: «Геохимия, геохимический мониторинг окружающей среды», «Геохимия живого вещества» в отделении геологии Инженерной школы природных ресурсов ТПУ для подготовки магистров по направлению «Экология и природопользование», а также использованы в курсах «Учение о биосфере», «Творческий проект», «Учебно-исследовательская работа студентов» для подготовки бакалавров по направлению «Экология и природопользование».
Апробация работы. Результаты полученных исследований представлены на Всероссийских и Международных конференциях и симпозиумах: «Геотехнологические методы освоения месторождений твердых полезных ископаемых» (г. Москва, 2015 г.); «Творчество юных - шаг в успешное будущее» (г. Томск, 2015 г.); «Радиоактивность и радиоактивные элементы в среде обитания человека» (г. Томск, 2016, 2021 гг.); «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (г. Москва, 2016 г.); «Новое в познании процессов рудообразования» (г. Москва, 2016 г.); «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2019 г.); «Фундаментальные основы биогеохимических технологий и перспективы их применения в охране природы, сельском хозяйстве и медицине» (г. Тула, 2021 г.); «Современное развитие биогеохимических идей В.И. Вернадского» (г. Москва, 2023 г.); «Почвы и окружающая среда» (г. Новосибирск, 2023 г.).
Публикации. Основные научные результаты опубликованы в 11 научных статьях, включая 4 статьи в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК, 4 из которых опубликованы в журнале, индексируемом в базах данных Scopus и Web of Science.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 152 страницах, дополнена 69 рисунками и 31 таблицей. Работа содержит 5 глав, введение, заключение, список литературы содержит 218 источников. Во введении представлены актуальность исследований, определены цель и задачи, указаны научная новизна и практическая значимость, а также обозначен личный вклад автора и апробация работы. В первой главе рассматриваются имеющиеся в литературе сведения по применению осины обыкновенной в качестве объекта эколого-геохимической индикации и накопительной способности данного древесного вида. Во второй главе содержится информация об объекте исследования, отборе и подготовке проб листьев осины обыкновенной, проведенных аналитических исследованиях, статистической обработке полученного материала, краткой эколого-геохимической характеристике территории исследования. Третья глава посвящена проведению опытнометодических экспериментов, направленных на изучение влияния различных факторов на элементный состав листьев осины. В четвертой главе рассматриваются индикаторы содержания химических элементов в листьях осины, отражающие природно- техногенную обстановку территории расположения железорудных объектов. В пятой главе охарактеризован элементный состав листьев осины обыкновенной на территории железорудных объектов. В заключении представлены основные результаты по диссертационной работе.
Личный вклад. Автором лично выполнен отбор и анализ 179 проб, включающих почву, листья Осины обыкновенной (Populus tremula L.), проведена подготовка к ИНАА, ИСП-МС. Автором проведена статистическая обработка всего объема данных, выполнен аналитический обзор отечественной и зарубежной научной литературы по изученной проблеме, совместно с руководителем дана интерпретация полученных результатов и сформулированы защищаемые положения. Автор лично провел изучение вещественного состава образцов методами электронно-микроскопического анализа.
Благодарности. Автор глубоко и искренне выражает благодарность научному руководителю, д.б.н., профессору отделения геологии Наталье Владимировне Барановской за научное сопровождение, всестороннюю поддержку, понимание, мотивацию и помощь на всех этапах реализации работы. Особую благодарность автор выражает д.г.-м.н. Леониду Петровичу Рихванову за ценные советы, рекомендации и всестороннюю помощь. Автор очень признателен к.г.-м.н. В.А. Домаренко за поддержку и ценные советы. Автор выражает глубокую благодарность к.г.-м.н. И.С. Соболеву за ценные советы и идеи. Автор признателен за помощь всем сотрудникам отделения геологии ИЛИ 1Р ТПУ. За ценные советы автор выражает отдельную признательность д.г.-м.н. С.И. Арбузову, д.г-м.н. Е.Г. Язикову, д.г.-м.н. Н.В. Гусевой, к.г.-м.н., Б.Р. Соктоеву. Автор благодарен за помощь в отборе проб к.г.-м.н. А.Ю. Иванову, Б.К. Кенесбаеву, А.П. Зайченко, А. Казаковой. Особую благодарность за проведение аналитических исследований с.н.с А.Ф. Судыко и Л.В. Богутской. Автор благодарен с.н.с. лаборатории физики климатических систем Института мониторинга климатических и экологических систем СО РАН к.г.-м.н. Е.Е. Ляпиной за поддержку и помощь.
Купить