Горные районы являются территориями с особой уязвимостью к антропогенному воздействию и с высоким риском экологических и техногенных катастроф. Учитывая, что Северный Кавказ обладает репрезентативными для молодых горных сооружений природными характеристиками и особой значимостью экологических проблем, участники I Международной конференции «Экологические проблемы горных территорий» (г. Владикавказ, октябрь 1992 г.) рекомендовали рассматривать Северную Осетию как оптимальный полигон для отработки новых технологий и апробации научных разработок в экологии горнорудных районов. Важность и актуальность эколого-геохимических исследований в районах Горной Осетии определяется целым рядом причин. Исследования проведены на территории Садонского рудного района, где поиски, разведка, добыча и переработка полиметаллических руд ведутся с середины XIX века. В районе известно около 300 жильных свинцово-цинковых месторождений и рудопроявлений, большинство из которых выходит на уровень современного эрозионного среза промышленными интервалами оруденения, что в условиях активно денудируемых районов определяет образование высококонтрастных вторичных ореолов рассеяния в современных элювио-делювиальных образованиях и литои гидрохимических потоков рассеяния в современных аллювиальных отложениях и речных водах. Главные компоненты руд свинец и цинк занимают ведущие места в ряду токсичных химических элементов, угрожающих здоровью человека. Вся инфраструктура горнодобывающих предприятий (рудники, обогатительные фабрики, хвостохранилища, дороги) приурочена к густо населенным долинам основных водных систем республики. В связи с этим выявление техногенных аномалий в компонентах природной геологической среды (ПГС) горнорудных районов, установление их элементного состава и форм нахождения токсичных элементов и количественная оценка степени техногенного загрязнения для конкретизации природоохранных мероприятий представляется своевременной и актуальной.
Современные методики экологической оценки рудных месторождений ориентированы на выявление основных загрязнителей и источников их поступления, оценку воздействия геологоразведочных работ и последующей добычи и переработки руд. Методические основы изучения загрязнения и оценки состояния окружающей среды в горнорудных районах разработаны в ИМГРЭ под руководством Ю. Е. Саета. Существенный вклад в решение этих проблем внесли Э. К. Буренков, Е. П. Янин, JI.H. Алексин-ская, И. Л. Башаркевич, А. А. Волох, А. А. Головин, И. А. Морозова, Н. И. Несвижская, Б. А. Ревич, Н. Я. Трефилова и др.
На протяжении длительного периода на территории района проводятся научные исследования по оценке техногенного воздействия и сложившейся экологической ситуации с целью принятия оптимальных решений и мер по уменьшению воздействия горнорудной промышленности на окружающую среду. Среди них можно выделить работы Центральной опытно-методической геохимической экспедиции (ЦОМГЭ) ИМ-ГРЭ (сел. Ниж. Бирапзанг) 1982 — 1990 г. г.
Выполненная работа посвящена эколого-геохимической оценке загрязнения района Унальского хвостохранилища. В работе приведены краткие сведения о природной экосистеме района и охарактеризовано современное состояние компонентов окружающей среды, находящихся под воздействием горнорудной промышленности.
Основным методом изучения загрязнения территории района являлось эколого-геохимическое картирование. Оно производилось путем опробования различных сред (почв, вод, донных отложений, растительности, пылевых выпадений из атмосферы) для выявления в них геохимических аномалий, которые тесно взаимосвязаны между собой и имеют техногенный характер.
Оценка загрязнения компонентов окружающей среды базируется на результатах полевых и аналитических исследований и картографировании геохимических аномалий. Воздействие на территорию района многочисленных техногенных источников проявляется в интегральном характере загрязнения почв, растительности, донных отложений и вод. В работе предприняты попытки поиска индикаторов, по которым выявляется загрязнение окружающей среды от Унальского хвостохранилища.
Работа выполнена на кафедре геохимии геологического факультета МГУ.
Целью работы являлось определение состава, форм нахождения, механизмов поступления загрязняющих веществ и оценка уровня и масштабов загрязнения компонентов окружающей среды в районе Унальского хвостохранилища, а также изучение динамики этого загрязнения за десятилетний период.
Основные задачи исследований:
1) изучение распределения химических элементов в пылевых выпадениях, донных отложениях, поверхностных водах, почвах и растительности, определение параметров и характеристик природных и техногенных аномалий;
2) определение форм нахождения ведущих элементов-загрязнителей в почвах и пылевых выпадениях.
3) определение уровня загрязнения компонентов окружающей среды, выявление территорий с наиболее напряженной экологической ситуацией;
4) изучение динамики загрязнения почв, донных отложений, поверхностных вод и растительности за период с 1989 по 2003 год.
Результаты работы, наряду с другими исследованиями и публикациями в этой области, привлекли внимание общественности и руководства Садонского свинцово-цинкового комбината (СЦК) к ухудшению экологического состояния природных сред в районе Унальского хвостохранилища, отчетливо проявившемуся на рубеже 90-х годов.
Результаты работы геохимической партии геологического факультета МГУ, переданные руководству Садонского СЦК, послужили в 1989 г. причиной начала водного орошения сухой части хвостохранилища, организованного технологической службой комбината, что существенно уменьшило ветровую эрозию.
Диссертационная работа является одним из первых комплексных исследований, отражающих изменение состояния окружающей среды в Садонском горнорудном районе после введения в эксплуатацию Унальского хвостохранилища (1984 г.).
В работе установлены основные источники и механизмы техногенного загрязнения компонентов природной геологической среды района и выявлена решающая роль хвостохранилища в формировании техногенных аномалий свинца на нижних террасах р. Ардон. По данным гидрохимического опробования выявлены высокие концентрации Zn и Cd на всем течении реки р. Уналдон, по кадмию превышающие ПДК для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования. Методами прогнозно-поисковой геохимии проведена количественная оценка техногенного загрязнения почв свинцом и цинком. Установлено преобладание подвижных форм основных рудных элементов в почвах и пыли, являющихся наиболее опасными для компонентов окружающей среды.
Показано, что соотношение основных рудных элементов (Pb/Zn) может служить критерием для выделения аэротехногенной составляющей воздействия хвостохранилища при разделении источников загрязнения.
Проведенные геохимические исследования позволяют рассматривать это хвосто-хранилище как эталонный объект при эколого-геохимических исследованиях в районах действующих и проектируемых горнорудных предприятий.
При выполнении работы использовались данные, полученные автором в результате полевых сезонов 1998 — 2003 г. г., а также результаты полевых исследований геохимической партии геологического факультета МГУ за 1989;1997 г. г. Основным видом полевых работ являлось эколого-геохимическое картирование района Унальского хвостохранилища с опробованием почв, растительности, вод и донных отложений водотоков.
В основу диссертационной работы положены результаты анализов 528 почвенных проб, 126 почвенных вытяжек (на РЬ и Zn), 17 проб с сухой части хвостохранилища и 10 вытяжек, 319 проб растительности, 39 проб пыли и 30 вытяжек, 126 проб донных отложений, 113 проб поверхностных вод (в 100 из них определялись концентрации растворенных и взвешенных форм химических элементов).
По теме диссертации опубликовано 11 работ. Основные положения диссертационной работы докладывались на III экологической конференции студентов и молодых ученых вузов г. Москвы «Охрана окружающей среды на пороге третьего тысячелетия в интересах устойчивого развития» в 1999 г., на эколого-геологической межвузовской студенческой школе в 2000 г. (г. Санкт-Петербург) — на III Международном совещании «Геохимия биосферы» в 2001 г. (г. Новороссийск) — на V и VII Международных конференциях «Новые идеи в науках о Земле» в 2001 и 2005 г. г. (г. Москва) и на II Всероссийской научно-практической конференции «Горно-металлургический комплекс России: состояние, перспективы развития» в 2003 г. (г. Владикавказ).
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю А. А. Матвееву и научному консультанту Т. В. Шестаковой за внимание, ценные советы и помощь при выполнении работыМ.В. Борисову, Д. В. Гричуку, Ю. Н. Семенову, Ю. Н. Николаеву за помощь в проведении полевых работ и полезные консультацииРодионовой И.П., Пче-линцевой Н.Ф., Сафроновой Н. С. и Герасимовской JI.A. за помощь при выполнении анализовАплеталину А.В. и Охапкиной Е. Ю. за содействие при написании и оформлении работы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Таким образом, по результатам 10-тилетних комплексных эколого-геохимических исследований в районе Унальского хвостохранилища было выявлено и оценено загрязнение в основных компонентах окружающей среды, находящихся под воздействием горнорудной промышленности. Оно связано с добычей (отвалы и штольни) и транспортировкой руды месторождений Джими, Бозанг, Холст, вторичными ореолами рассеяния рудопроявлений Ахшахтырахское и Правобережное, системой арыков, ветровой эрозией Унальского хвостохранилища.
Основным источником загрязнения поверхностных вод и донных отложений являются отвалы разведочных штолен месторождений Джими, Бозанг и Холст. В донных отложениях по данным 1998 г. выявлены аномальные содержания 12 химических элементов. К числу основных загрязнителей относятся Zn, Pb, Ag, As, Cu, Sn, Bi. Для цинка, свинца, серебра и меди характерно образование потоков рассеяния практически на всем течении реки (протяженность ~9 км).
По суммарному показателю установлен широкий диапазон изменения уровня загрязнения донных отложений: от 1 до 130. Усредненные расчеты по бассейну р. Уналдон с притоками показывают, что уровень загрязнения донных отложений рек на территории района находится на границе умеренно опасного и опасного. Опасным уровнем загрязнения характеризуются донные отложения р. Джимидон (Zc = 37) и руч. Верхнеунальского (Zc = 48), умеренно опасным — p.p. Холстдон (Zc = 28) и Уналдон после впадения всех притоков (Zc = 27).
После схода селевого потока в 2001 г. концентрации основных загрязнителей в среднем увеличились в 3 — 6 раз и уровень загрязнения р. Уналдон после впадения всех притоков стал высоко опасным (средний Zc = 70), что еще раз подтверждает тезис о том, что горные районы являются территориями с высоким риском экологических катастроф.
В поверхностных водах района только содержания кадмия превышают ПДК для вод хозяйственно-питьевого и культурно-бытового назначения. Однако превышение минимально аномальных концентраций отмечено для цинка и свинца практически на всем протяжении реки и для меди в районе отвалов и устья. Наиболее загрязненными являются участки непосредственного влияния отвалов и штолен и устье р. Уналдон. В районе отвалов в отдельные годы содержания цинка превышают ПДК, а средние Кс составляют 44 по цинку, 95 по кадмию, 7 по свинцу и 33 по меди.
Абсолютные цифры выноса тяжелых металлов водами р. Уналдон при расходе воды 0,95 м3/сек. (сентябрь) составили: свинец — 0,37 кг/суг., цинк — 32 кг/сут., кадмий — 0,136 кг/сут. Сопоставимые с выносом р. Уналдон количества свинца поступают в р. Ардон со сливом хвостохранилища, поступление остальных металлов со сливом значительно ниже выноса рекой Уналдон. Использование вод р. Уналдон с высокими содержаниями ТМ в аллювии и взвеси для орошения через систему арыков способствует формированию контрастных ореолов рассеяния токсичных микроэлементов в почвах сел. Унал. Поступление металлов с водой одного арыка составляет ~ п г/сут. свинца и ~ п-100 г/сут. цинка.
Техногенное загрязнение почв выше допустимого уровня по суммарному показателю охватывает территорию в 370 тыс. м2. Выше опасного уровня загрязнены почвы на площади -150 тыс. м2. Максимумы загрязнения пространственно тяготеют к устью р. Уналдон, а также к району сочленения верхних террас р. Ардон и долины р. Уналдон.
Основными загрязнителями почв являются цинк, свинец, серебро и медь, второстепенными загрязнителями — кадмий, олово, висмут, ртуть и мышьяк.
За период с 1989 по 1999 г. г. после организации принудительного полива хвостохранилища средние содержания в контурах аномалий по свинцу снизились в 1,7 раза. Средние содержания меди и серебра остались на прежнем уровне. Содержания цинка, дополнительным источником поступления которого в почвы (помимо хвостохранилища) являются арыки, выросли в 1,5 раза.
При оценке почвенного загрязнения на глубину установлено, что максимальные концентрации ТМ приурочены к верхним частям почвенного разреза и стабильно снижаются с глубиной. Тем не менее, если в 1989 г. основное загрязнение аккумулировалось в слое до 20 см, то по данным более поздних исследований наблюдается проникновение загрязнения на большую глубину (до 30- 40 см).
Подсчеты количества основных загрязнителей показали, что в почве до глубины 20 см в пределах загрязненной площади накоплено порядка 30 т свинца, 150 т цинка, 16 т меди и 70 кг серебра.
Установлены основные источники загрязнения почв тяжелыми металлами. На нижних террасах р. Ардон это ветровая эрозия поверхности хвостохранилища, в меньшей степени загрязненные воды реки Уналдон, попадающие в почвы через систему арыков, и грунтовая дорога с довольно интенсивным автомобильным движением. Дополнительный источник техногенного загрязнения почв связан с расположенными в долине р. Ардон, в 0,6−0,8 км выше селения, отвалами и разведочными штольнями РЬ.
Zn месторождений Левобережное и Правобережное. Формирование аномалии на верхних террасах р. Ардон с одной стороны связано с природным фактором — переотложенными ореолами рудопроявления Ахшартырахское, расположенного на левом берегу р. Уналдон выше по склону, а с другой — с интенсивным орошением большого яблоневого сада в районе сел. Верхний Унал. Сложная сеть арыков берет свое начало значительно выше сел. Нижний Унал. Практически непосредственно в нее попадают рудничные воды штольни 43, находящейся в левом борту долины р. Уналдон выше по течению.
Особую опасность в загрязненных почвах представляют подвижные формы тяжелых металлов. ПФ активно мигрируют в почвах и являются источниками загрязнения вод и растительности. Почвенные аномалии ПФ ТМ существенно более контрастны: для РЬ и Zn выделены участки с 20-тикратным превышением над фоновыми значениями, фоновые значения для РЬ (7 мг/кг) находятся на уровне ПДКпф. Доля подвижных форм цинка составляет 10−67%, его содержания повсеместно превышают ПДК, в том числе на участках со слабоаномальными валовыми концентрациями этого химического элемента. За 10-тилетний период доля ПФ Zn увеличилась в 3 раза. Для меди доля ПФ составляет 3 — 4%. Доля подвижного свинца в почвенных аномалиях составляет 6 -51%, причем за исследуемый период она в среднем увеличилась в 2,5 раза, и в большей степени на нижних террасах р. Ардон. В абсолютных цифрах увеличение ПФ свинца в почвах нижних террас сопоставимо с количеством металла, поступившего на этот участок аэротехногенным путем.
Полученные данные по пылевым выпадениям из атмосферы за 1998;2000 и 2003 г. г. в летний период свидетельствуют, что максимум нагрузки приходится на нижние террасы р. Ардон и обусловливается влиянием хвостохранилища, резко уменьшаясь вверх по долинам p.p. Уналдон и Ардон. В пыли присутствует широкий спектр химических элементов, помимо свинца и цинка в ней накапливаются Ag, Bi, Cd, As, Си.
Интенсивность пылевых выпадений на территории фруктового сада на нижних террасах р. Ардон — 74 — 304 кг/км2/сут. В составе твердой фазы ~ 60% свинца и 40% цинка находится в подвижной форме. Общее аэротехногенное поступление основных рудных элементов (в твердой и жидкой фазах) на нижних террасах р. Ардон составляет 460 г/км2/сут. свинца и 550 г/км2/сут. цинка. При этом в пыли на этом участке доля свинца заметно увеличивается, в сравнении с остальной территорией, что связано с аэротехногенным воздействием хвостохранилища.
Природный почвенный фон исследуемого района обусловливает повышенные содержания ТМ в растениях: содержания ТМ в биопробах, в том числе и на фоновых участках, находятся на уровне и выше ПДК (Zn — 8,5% проб фруктов, 100% проб картофеля и кукурузыPb — 87% проб фруктов, 75% проб картофеля, 59% проб кукурузы). При этом общее загрязнение растительности относительно фона характеризуется преимущественно низким уровнем.
По данным 1997 г. в пробах фруктов не обнаружено аномальных концентраций металлов на всем участке опробования. В зернах кукурузы аномальные содержания отмечены только для цинка (средний Кс — 2,7). В силосе кукурузы только на нижних террасах, где важную роль играет пылевое воздействие хвостохранилища, отмечены аномальные концентрации свинца и серебра (Кс= 4,7 и 3,15 соответственно).
Наиболее загрязненным из всех биопроб, употребляемых в пищу, является картофель. На верхних террасах аномальные концентрации отмечены для Ag и Pb, повышенные — для Zn и Си (Zc-14), на нижних — Zn и Ag (Zc<8).
Сравнение с данными предыдущих лет показало, что с 1989 г. вырос уровень загрязнения картофеля на верхней аномалии по Pb и Zn и силоса кукурузы на нижней аномалии по Ag. Для остальных культур по всем остальным элементам уровень загрязнения либо не изменился, либо снизился.
Соотношение надфоновых концентраций Pb и Zn во всех исследуемых объектах, кроме картофеля и зерен кукурузы (защищенных от непосредственного пылевого воздействия), существенно выше на нижних террасах. В наиболее подверженных пылевому воздействию объектах — листьях, кожуре яблок и в самой пыли соотношение этих металлов близко к 1, что соответствует соотношению Pb/Zn в пробах с сухой части хвостохранилища. Увеличение соотношения Pb/Zn отмечается также для подвижных форм металлов в почвах. Таким образом, это отношение может служить критерием для выделения аэротехногенного воздействия хвостохранилища при разделении источников загрязнения.
Защищаемыми в работе являются следующие положения:
1. В результате комплексного изучения компонентов окружающей среды в районе деятельности Садонского СЦК выявлены природные и техногенные аномалии в почвах, донных отложениях, водных системах и основных видах сельскохозяйственных культур района, связанные с вторичными ореолами и потоками рассеяния Pb-Zn месторождений и рудопроявлений, отвалами и рудничными водами месторождений Джими, Бозанг, Холст, системой арыков, ветровой эрозией Унальского хвостохранилища.
2. Установлено, что основными источниками загрязнения водных систем района являются отвалы и рудничные воды разведочных штолен месторождений Джими, Бозанг и Холст. Основными загрязнителями донных отложений являются.
Zn>Pb>Ag>As>Cu>Sn>Bi. До 2001 г. высоко опасный уровень загрязнения (Zc>64) отмечался только в районе отвалов, после схода селевого потока в 2001 г. — на участке реки после впадения притоков до устья. Поверхностные воды в основном загрязнены Zn, Cd и Pb (Кс достигают 44, 95 и 17 соответственно).
3. Основными загрязнителями почв являются Zn>Pb>Ag>Cu>Cd>Bi>As. Количественная оценка техногенного загрязнения почв на глубину 0,2 м показала, что на террасах р. Ардон накоплено 150 т Zn, 32 т РЬ, 16 т Си и 0,07 т Ag. Аэротехногенное воздействие хвостохранилища — один из основных источников поступления металлов на нижние террасы р. Ардон. Для свинца оно играет решающую роль, составляя в среднем 460 г металла в сутки на км2. Доля подвижных форм РЬ за период 1989 -1999 г. г. увеличилась с 13% до 41%, что в абсолютных цифрах сопоставимо с количеством металла, поступившего за этот период аэротехногенным путем.
4. Соотношение основных рудных элементов (Pb/Zn) может служить критерием для выделения аэротехногенного воздействия хвостохранилища при разделении источников загрязнения. В компонентах ПГС, непосредственно подвергающихся пылевому воздействию (листья, кожура яблок), оно приближается к 1, что соответствует их соотношению в хвостохранилище.
5. Природный почвенный фон района обусловливает повышенные (относительно ПДК) содержания ТМ в растениях, при этом аномальные концентрации металлов в сельскохозяйственных культурах обнаружены только в зернах кукурузы (Zn) и картофеле (Ag и РЬ на верхней аномалии). Из всех употребляемых в пищу сельскохозяйственных культур района только в картофеле с участка верхней почвенной аномалии за период с 1990 по 1997 г. г. отмечено увеличение концентраций РЬ и Zn.
