Геоэкологическое и экогеохимическое состояние геологической среды Южно-Минусинской котловины

Настоящая работа посвящена рассмотрению геоэкологического состояния геологической среды Южно-Минусинской котловины (Республика Хакасия). Изучаемая территория характеризуется уникальными природными условиями, что обусловлено рядом особенностей: удалённость от морей и океанов, расположение горного обрамления, благоприятное направление преобладающих ветров и т. д. Всё это привело к развитию сельского хозяйства, а богатые минеральные ресурсы — к развитию промышленности. В то же время, интенсивная деятельность человека, в сочетании с природными процессами, изменяют геологическую среду, и чаще всего не в лучшую сторону.

Актуальность работы определяется тем, что в последнее время намечается тенденция к увеличению негативного влияния на геологическую среду в результате антропогенного воздействия, как на локальном уровне, так и на региональном. Этот вопрос стал подниматься давно. В работах Ф. В. Котлова [1978], Ю. Е. Саета [1990], H.A. Ясманова [1993], В. Т. Трофимова [1997, 2003, 2007], Б. И. Кочурова [2003] и многих других авторов довольно детально рассмотрены основные проблемы геоэкологии.

На территории Южно-Минусинской котловины находятся различные уни-кальные природные объекты (бессточные солёные озёра, ареолы распространения редких растений, места гнездования перелётных птиц и т. п.), которые подвержены антропогенному воздействию, и если не вести контроль за их состоянием, то они могут исчезнуть. Основным источником антропогенного загрязнения является промышленный и сельскохозяйственный комплекс. Несмотря на снижение в 90-х годах прошлого столетия темпов роста экономики в стране в целом, а по некоторым отраслям полной остановки производства, негативное влияние на геологическую среду Южно-Минусинской котловины не снизилось. Угольные карьеры и шахты, добыча железной руды, Саянский алюминиевый завод и т. д. — вот неполный перечень предприятий, которые интенсивно развивались и продолжают развиваться [Худяков и др., 2006]. Не стоит сбрасывать со счетов и такие крупные объекты, созданные в советский период, как водохранилища и гидромелиоративные системы. Но загрязнение территории происходит не только на локальном уровне. Радиоактивные следы от испытания ядерного оружия прослеживаются и на территории Южной Хакасии.

Многочисленные исследования экологического состояния чаще всего проводятся вокруг источников потенциального загрязнения. Также исследованию подвергаются выборочные объекты природной среды (почвы, воды, атмосфера). Рассмотрение же экологической проблемы на региональном уровне проводится редко и не в полном объёме. В связи с этим необходим глубокий и всесторонний анализ проблемы.

Цель и задачи работы. Целью данной работы был анализ современного экологического состояния геологической среды Южно-Минусинской котловины и в частности:

— оценка современного состояния различных объектов геологической среды (почвы, подземные и поверхностные воды) и влияния экзогенных геологических процессов;

— выявление природных и антропогенных источников загрязнения геологической среды;

— выделение районов с опасными и неблагоприятными природными и антропогенными факторами.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1) Оценить интенсивность современных экзогенных и эндогенных геологических процессов.

2) Изучить характер распределение микроэлементов, тяжёлых металлов и радионуклидов в почвах.

3) Изучить характер распределение микроэлементов и тяжёлых металлов в донных отложениях, а также в поверхностных и подземных водах.

Объекты и методы исследований. В основу диссертационной работы положены результаты исследований по изучению различных компонентов природной среды ЮжноМинусинской котловины Хакасской научной экспедицией Томского государственного университета в 1995;2001 гг., в работе которой автор принимал непосредственное участие и является соавтором 4-х научно-производственных отчётов по данной тематике.

Объектами исследований явились следующие компоненты геологической среды: почвы, донные отложения, поверхностные и подземные воды, из которых было отобрано и проанализировано различными методами около 1500 образцов (см. главу 2).

Исследования проводились по х/д № 277 «Оценка состояния природных ресурсов и создание экологического атласа территории Республики Хакасия», х/д № 284- 3-Т «Исследование рапы минеральных озёр и солончаков Республики Хакасия с целью оценки особенностей распределения редких щелочей, галогенных и сопутствующих элементов (литий, рубидий, цезий, бром, бор, фтор)», а также в рамках научно-технической программы: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» подпрограмма: 007 «Научные исследования высшей школы по экологии и рациональному природопользованию (Регистрационный номер проекта / НИР :06.01.12., по гранту ПЧТАБ 97−0519).

Научная новизна работы состоит в том, что:

— дана геоэкологическая оценка экзогенным быстропротекающим процессам;

— дана геохимическая характеристика почвенного покрова, подземных и поверхностных вод на региональном уровне;

— впервые рассчитаны региональные коэффициенты концентрации для всех типов почв, а для основных типов почв (чернозёмов обыкновенных, чернозёмов выщелоченных и каштановых) рассчитаны региональные кларки;

— сформирована информационно-картографическая база данных для решения задач федерального и регионального уровня.

Практическая значимость работы определяется возможностью использования результатов исследований при создании региональной компьютерной базы данных, прогнозировании ближайших и отдаленных последствий антропогенного воздействия. Полученные результаты могут быть применены при геоэкологическом мониторинге состояния природной среды с возможным определением медицинских, санитарных, зо-отехнических и других проблем, возникших в зонах загрязнения. Результаты могут быть также использованы в сфере принятия управленческих решений организациями республиканского, федерального и международного уровней.

Материалы исследований переданы и используются Госкомитетом по охране окружающей среды Республики Хакасия, а также в образовательном процессе Томского государственного университета по специализациям «Экологическая геология» и специальности «Геоэкология» 030 и Хакасского государственного университета им. Н. Ф. Катанова по специальности «Экология природных комплексов».

Защищаемые положения:

1. Экзогенные геологические процессы (ЭГП) на региональном уровне проявляются повсеместно и представлены дефляцией и корразией. Эрозионно-аккумулятивные, гравитационные, карстообразующие процессы, а также заболачивание и засоление проявлены локально и зависят от геологических и геоморфологических особенностей территории. Экологическое состояние всей территории по влиянию ЭГП можно оценить как условно удовлетворительное, и лишь на отдельных участках интенсивного развития отдельных ЭГП — неудовлетворительное.

2. Геохимические особенности распределения элементов в почвах Южно-Минусинской котловины позволили разделить их на четыре группы с различным уровнем концентрации. t.

Это даёт возможность выделить Южно-Минусинскую геохимическую область с дефицитом Sn, Be, Мп, Ga, Y, Zr и с избыточным содержанием Zn, Mo, Си, V, Li, Yb, Pb и Sc.

3. Экогеохимическое состояние почвенного покрова на региональном уровне характеризуется стабильным распределением микроэлементов, что дает возможность на базе представительных выборок впервые рассчитать стандарт {региональный кларк) трёх основных почв региона: обыкновенных чернозёмов, южных чернозёмов и каштановых почв.

4. Содержание макрои микрокомпонентов природных вод на региональном уровне достаточно стабильно и хорошо согласуется с кларками СЛ. Шварцева [1998]. Повышенные концентрации поллютантов на локальном уровне в природных водах контролируются не только природными (засоление), но и антропогенными факторами (горнорудные предприятия, СаАЗ). Экологическое состояние природных вод ЮжноМинусинской котловины оценивается как удовлетворительное, а по отдельным показателям в локальных точках достигает уровня кризисной и даже катастрофической ситуации.

Публикации и апробация работы. Результаты работы, полученные автором, докладывались на научных форумах и конференциях различного уровня: Научной конференции, посвященной 120-летию Томского государственного университета (Томск, 1998) — 111 Международного научного симпозиума студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика М. А. Усова (Томск, 1999) — XXXVII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 1999) — Южно-сибирской Международной научной конференции студентов и молодых ученых (Красноярск, 2000) — 111 Международном совещании «Геохимия биосферы» (Ростов-на-Дону, 2001) — VI Международной экологической конференции студентов и молодых ученых «РИО+Ю: Экологическая безопасность как ключевой фактор устойчивого развития» (Москва, 2002) — III Всероссийской научной конференции «Современные проблемы почвоведения и оценка земель Сибири» (Томск, 2005) — IV Международной научно-технической конференции (Красноярск, 2006) — VIII Научной конференции по тематической картографии «Геоинформационное картографирование для сбалансированного территориального развития» (Иркутск, 2006) — Международной научной конференции, посвящённой 100-летию со дня рождения академика К.И. Лука-шёва (Минск, 2007). По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, из них I в издании, рекомендуемом ВАК.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, общим объёмом 215 страниц, в том числе 36 таблиц, 25 рисунков и 5-ти приложений, содержащих 21 таблицы и 24 рисунка.

Список литературы

содержит 116 наименований: 106 опубликованных, в том числе 2 на иностранном языке и 13 фондовых источников.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненных эколого-геологических и эколого-геохимичееких исследований Южно-Минусинской котловины определено состояние отдельных компонентов геологической среды — почвенного покрова, природных вод, а также степень развития экзогенных и эндогенных геологических процессов. Основные выводы заключаются в следующем:

1. Преобладающими экзогенными (рельефообразующими) процессами на территории котловины являются эоловые, эрозионные, а в некоторых областях процессы карстообразования, заболачивания и засоления. Их интенсивность напрямую зависит как от геологического и геоморфологического строения, так и от климатических факторов, обусловленных географическим положением котловины.

2. По характеру и интенсивности эоловых процессов, экологическое состояние Южно-Минусинской котловины можно охарактеризовать как условно удовлетворительное, а на отдельных участках (развитие перевеваемых песков и т. п.) — неудовлетворительное.

3. Значительную часть территории исследования по пространственному и временному признаку развития эрозионных процессов можно отнести к классу условно-удовлетворительного состояния, и только аллювиально-аккумулятивные участки относятся к классу удовлетворительного состояния. При антропогенной нагрузке (в частности, увеличение интенсивности сельскохозяйственного освоения — распахивание почвенно-растительного горизонта, сенокосы и пастбища) скорость оврагообразования может резко возрастать.

4. Процессы карстообразования, заболачивания и засоления взаимосвязаны между собой, и тесным образом связаны с геологическим строением, но проявляются на локальных участках. В настоящее время показатель состояния эколого-геологических условий по количеству поверхностных форм карста и по интенсивности развития соответствует удовлетворительному состоянию. Геологическая деятельность озер, болот и солончаков заключается, в основном, в аккумуляции. Негативное воздействие оказывают преимущественно солончаки. По площадному и временному показателю большую часть территории можно отнести к условно-удовлетворительному классу, а на локальных участках — к неудовлетворительному.

5. По критерию сейсмической интенсивности, предложенной В. Т. Трофимовым и Д. Г. Зиллингом, территорию Южно-Минусинской котловины следует отнести к зоне кризиса (сейсмическая интенсивность 6−8 баллов), что предусматривает специальные меры инженерной защиты.

6. Изучение эколого-геохимического состояния почвенного покрова Южно.

Минусинской котловины позволили выделить четыре группы элементов по соотношению регионального коэффициента концентрации (Крег) и кларка концентрации (К):

1 — элементы высокой концентрации — Zи, Мо, Си, V, Ы, УЬ, РЬ и 5с;

2 — элементы околокларковой концентрации и высокой концентрации в некоторых типах почв — Со, Ва и 5У;

3 — элементы околокларковой концентрации — Р, 77, М, и.

4 — элементы очень низкой концентрации — 5я, Ве, Мп, (7а, У и Zл.

Таким образом, Южно-Минусинская котловина представляет собой биогеохимическую провинцию с дефицитом элементов 4 группы и с избыточным содержанием 1 группы.

7. Значительное количество анализов (782 пробы) из преобладающих почв исследуемой территории — чернозёмы южные, чернозёмы обыкновенные и каштановые — и их равномерное распределение по площади позволило определить региональные кларки концентрации (табл. 4.13), приняв за них средние содержания, учитывая однородное распределение элементов.

Геохимическая специфика для этих типов почв определяется природными условиями (геохимическим составом почвоподстилающих горных пород) и заключается в низкой концентрации Ве, Бп, ва, Ъх, Мп, У и повышенной концентрации V, 1л, РЬ, Ъх, УЬ, Бс и Си по отношению к мировым кларкам. Кроме того, в обыкновенных чернозёмах повышены концентрации Бг и Ва, а в чернозёмах южных и каштановых — Со.

8. Содержание урана и тория в почвах Южно-Минусинской котловины вполне сопоставимо с мировыми стандартами, за исключением аномально большого количества урана (до 40 мг/кг) в солончаках. Распределение содержания тория в почвах коррелируется с ураном и соответствует кларку содержания в почвах.

9. Аномалии, выделенные по суммарному показателю загрязнения (СПЗ), носят локальный и точечный характер со значениями выше 32 (высокий уровень загрязнения) в котловинах солёных озёр, а от 16 до 32 в районах угледобычи и в окрестностях селитебных зон (Приложение 1).

10. Гидрогеохимические исследования естественных и искусственных водотоков выявили положительную корреляцию между главными ионами и общей минерализацией, которая колеблется от 0,003 до 6,48 г/л, при среднем значении 0,415 г/л. Ведущие компоненты большинства проанализированных проб только в некоторых случаях превышают кларковые концентрации и ПДК, что обусловлено сочетанием геологического, геоморфологического и климатического факторов. Выявлена закономерность вариации значений жёсткости вод и их общей минерализации, которая повышается от предгорных областей к центральным частям степей и сопровождается заметными колебаниями соотношений ведущих анионов и катионов, а также повышенными концентрациями некоторых тяжёлых металлов (1л, Бг, Мо, и) и ряда редких и редкоземельных элементов — Ьа, Бс, Юз, А£, Сэ, Т1.

11. Воды из рек левобережья Абакана и Енисея имеют высокие надкларковые содержания П. Сг, V, в меньшей степени Со и Мп вне зависимости от значений общей минерализации, что косвенно свидетельствует о неравновесном характере геохимической обстановку в системе вода-порода в данном конкретном районе.

12. Выявленные в единичных пробах надкларковые концентрации РЬ, Нё, Аз, БЬ и Ъл, а также повышенные значения перманганатной окисляемости (до 22,4 мгОг/л), вероятно связаны с антропогенной деятельностью (эксплуатация горнорудных и сельскохозяйственных объектов).

13. Для озёрных вод общая минерализация колеблется от 0,18 до 53,5 г/л. Наблюдается устойчивая корреляционная зависимость основных анионов и катионов от значений общей минерализации. Пресные озёра распространены в предгорьях, минерализованные — в степных зонах, несущих в себе признаки эвапоритовых обстановок в условиях аридного климата. Высокая продуктивность органического вещества приводит к повышенным значениям перманганатной окисляемости (до 44 мгОг/л), что ни как не связанно с антропогенными нагрузками, а имеет естественный (природный) характер.

14. Повышенные концентрации в озёрных водах таких элементов, как 1л, в г, Вг, I является вполне естественным для солёных водоёмов, экологическое состояние которых нельзя оценивать по нормативам ПДК для пресных питьевых вод. Ано-' мальные содержания Б (в 50% случаев), вплоть до 38 ПДК в озере Терпекколь и А1 (до 15,3 ПДК в озере Хызылколь) характеризуют акватории таких озёр как Хамысколь, Усколь, Терпеколь (по содержанию Р) и Хызылколь, Берёзовое, Новотроицкое, Сосновое, Трёхозерки (по А1) как зоны с кризисной и катастрофической экологической ситуацией. Высокие концентрации данных поллютантов в большинстве случаев связаны с деятельностью Саянского алюминиевого завода.

15. Концентрации элементов в донных отложениях повторяют выявленные закономерности для почв Южно-Минусинской котловины. Превышения над средними содержаниями единичны и незначительны, что может говорить о низкой антропогенной нагрузке на водные объекты котловины.

16. Изучение химического состава подземных вод выявило, что опробованные источники относятся к пресным, лишь три из них слабоминерализованы (до 2,67 г/л). Пресные источники удовлетворяют нормативам ПДК, разработанным для хозяйственно-питьевого водоснабжения, а в слабоминерализованных водах в несколько повышенных концентрациях отмечаются сульфати хлорид-ионы (до 2,8 ПДК).

17. Концентрации тяжёлых металлов и микроэлементов в подземных водах, за исключением отдельных элементов, имеют околокларковые значения и лишь в неt которых пробах обнаружены высокие концентрации таких элементов, как Li, Вг и Sr. Надкларковые концентрации As обнаружены в 4-х пробах (максимальная в 8,7 раза выше кларка). Эти значения превышают также ПДК в несколько раз. Аномально высокие концентрации Cd (до 6,67 ПДК) содержатся в пробах подземных вод горно-таёжных ландшафтов Таштыпского района. Природа высоких содержаний As и Cd не ясна и требует дальнейших исследований.

Полученные результаты свидетельствуют в пользу удовлетворительного состояния геологической среды в региональном плане, но на локальном уровне во всех изученных объектах имеются участки с неудовлетворительной, кризисной и даже катастрофической экологической обстановкой, требующей соответствующих мер по стабилизации данной ситуации.