Геоэкологическая оценка урбанизированных территорий на основе магнитной индикации почв

В последние десятилетия в результате антропогенной деятельности происходит повсеместное загрязнение окружающей среды различными токсичными веществами. Тяжелые металлы, нефть и её производные являются основными загрязнителями окружающей среды. Большую часть воздействия техногенного пресса принимает на себя почва, это проявляется в ухудшении её плодородия, изменении физико-химических свойств, снижении способности к самоочищению и т. д.

Тяжелые металлы поступают в почву в основном из атмосферы с выбросами промышленных предприятий, а также с выхлопными газами автомобилей, реже вместе с оросительными водами, если выше водозабора в водоемы сбрасывались сточные воды предприятий. Из атмосферы в почву тяжелые металлы попадают чаще всего в виде оксидов, где постепенно растворяются, переходя в другие формы — гидрооксиды, карбонаты или обменные катионы. Со временем почва становится всё более загрязнённой и в определённый момент происходит деструкция органического вещества с выделением тяжелых металлов в почвенный раствор.

Загрязнение почв нефтью и её производными относится к числу наиболее опасных, так как оно кардинально меняет свойства почв. Нефтепродукты поступают в почвы разными путями: при добыче и транспортировке нефти, при аварийных ситуациях на нефтепроводах, при эксплуатации нефтебаз и бензозаправок. Нефть обволакивает почвенные частицы, почва начинает не смачиваться водой, происходит резкое снижение влажности почв и как результат гибнет флора и фауна, населяющая почву.

Для формирования почвенных систем, которые предают почвам плодородие необходимы сотни лет, поэтому сохранение экологических функций почв одна из важнейших проблем природоохранной деятельности. Для решения этой проблемы необходимо также проводить оперативную оценку и мониторинг техногенного загрязнения почв. До настоящего времени эта проблема решается с помощью трудоёмких и дорогостоящих аналитических работ с достаточно длительным циклом обработки данных и их обобщения. Это обстоятельство во многом стимулировало поиски новых методов способных дать массовую и экспрессную информацию о загрязнении почв с целью оптимизаций схемы литолого-геохимического опробования городских земель и сокращения объемов анализов.

В настоящей работе излагаются результаты применения петрофизических методов (петромагнитный и термомагнитный) исследования при изучении геоэкологического состояния почв городских территории. В геоэкологическом аспекте применения петрофизических методов особый интерес представляет вопрос о связи магнитной восприимчивости с концентрацией тяжёлых металлов (ТМ). Основную роль в этой взаимосвязи играют пылевые выбросы металлургических, металлообрабатывающих, гальванических и других производств, которые наряду с соединениями тяжёлых металлов включают частицы чугуна, стали и сплавов, обладающих ферромагнитными свойствами. Свой вклад в магнитное загрязнение почв вносят свалки, транспорт, жидкие промстоки и металлические бытовые отходы.

Попадая в почвы в парагенезе с тяжёлыми металлами (ТМ), магнитный материал увеличивает магнитную восприимчивость почв, которая становится, таким образом, индикатором их общего геохимического загрязнения. Вследствие чего многими исследователями петромагнитный метод картирования почв рекомендуется к внедрению в практику геоэкологических исследований. (Гладышева 2007, Чащин 2010).

В последние годы особый интерес стал уделяться также термомагнитному методу исследования почв, который может использоваться для экспрессной оценки загрязнения почв углеводородами (УВ), в частности нефтепродуктами. В экспериментальном порядке на полигоне вблизи окраин г. Энгельса впервые был опробован метод термомагнитного анализа почв на предмет его пригодности для оконтуривания участков углеводородного загрязнения (Молостовский, Фролов, 2004). Физико-химическая основа метода хорошо известна, в последние годы он нашёл применение для прогнозирования и поисков месторождении нефти и газа. Исходной методологической предпосылкой для его использования в нефтяной геологии является процесс субвертикальной миграции углеводородных и сопутствующих им компонентов от залежей в верхние горизонты осадочного чехла, вплоть до поверхности.

Отличительной чертой применения петрофизических методов в геоэкологических исследованиях почв являются — экспрессность получения и обработки информации, а также дешевизна, тем самым определяется. актуальность исследований, направленных на расширении области применения этих методов.

Основной целью работы является — выявление взаимосвязи между магнитной восприимчивостью почв городских территории и их различными физико-химическими параметрами, для обоснования применения комплекса петромагнитных методов при эколого-геохимической оценке состояния почв. Для достижения поставленной цели в рамках диссертационного исследования необходимо решить ряд задач.

Были проведены измерения магнитной восприимчивости и термомагнитного эффекта в почвах фоновых территорий, прилегающих к г. Саратову, но не испытывающих столь значительной техногенной нагрузки. На территории г. Саратова были проведены эколого-геохимические исследования, в рамках которых определялась концентрация в почвах некоторых тяжёлых металлов, а также нефтепродуктов. Параллельно с эколого-геохимической съемкой, было проведено измерение магнитных свойств (магнитная восприимчивость, термомагнитный эффект) в почвах г. Саратова. Полученные аналитические данные о химических и физических параметрах почв урбанизированной территории были сопоставлены между собой с целью выявления между ними корреляционных связей. На основе полученных данных были построены картосхемы распределения тяжелых металлов, нефтепродуктов, магнитной восприимчивости и термомагнитного эффекта, которые позволили сформировать общую картину о пространственном распределении анализируемых компонентов.

Научная новизна, проведенных исследований выражается в том, что впервые для урбанизированной территории проведено комплексное петрои термомагнитное картирование почв, которое позволило установить взаимосвязи между физическими и химическими параметрами почв. Также впервые для города Саратова была проведена комплексная оценка эколого-геохимического состояния почв.

Полученные данные о загрязнении почв тяжелыми металлами и обобщённые картографические материалы могут быть использованы административными службами (земельно-кадастровой палатой, областным экологическим комитетом), а также в системе эколого-геохимического мониторинга г. Саратова и принятии различных природоохранных мероприятий. Данные исследований использовались также для выявления зон потенциального загрязнения почв и грунтов и оптимизации сети эколого-геохимического опробования на урбанизированных территориях.

Результаты проведенных исследований используются в учебном процессе кафедры геоэкологии НИУ СГУ им. Н. Г. Чернышевского по дисциплинам «Геоэкология», «Геохимия техногенеза», «Экологическая оценка геохимических процессов» для студентов, обучающихся по специальностям «Геоэкология» и «Экологическая геология». Результаты исследования обобщены в учебных и учебно-методических пособиях «Использование методов петромагнетизма почв для оценки загрязнения.» (Молостовский и др., 2009) и «Геохимия» (Московский и др., 2010).

В конечном итоге результаты проведённого диссертационного исследования были сведены автором в три основных защищаемых положения:

1. Выявленные корреляционные взаимосвязи между величиной магнитной восприимчивости и содержанием тяжелых металлов в почвах урбанизированных территорий позволяют использовать петромагнитный метод для диагностики загрязнения почв тяжёлыми металлами, а также оптимизации сети эколого-геохимического опробования.

2. Результаты проведенного термокаппаметрического картирования почв урбанизированных территорий выявили явные пространственные взаимосвязи между зонами повышенного термомагнитного эффекта в почвах 1 и зонами повышенного содержания нефтепродуктов, что также может быть использовано как диагностический показатель состояния почвенного покрова урбанизированных территорий.

3. На урбанизированных территориях петрои термомагнитные аномалии имеют сходные закономерности формирования и проявляют общий тренд изменения с геохимическими аномалиями (концентрация тяжелых металлов и нефтепродуктов).

Представленные основные защищаемые положения диссертации докладывались и обсуждались на: III Всероссийской научно-технической Интернет-конференции: «Современные проблемы экологии и безопасности» (г. Тула, 2007 г.) — V Международной научной конференции студентов и аспирантов, посвященной 90-летию Днепропетровского национального университета (г. Днепропетровск, 2008 г.) — Всероссийском научном симпозиуме «Проблемы синергетики и коэволюции геосфер» (г. Саратов, 2008 г.) — международной конференции «Месторождения природного и техногенного минерального сырья: геология, геохимия, геохимические и геофизические методы поисков, экологическая геология» (г. Воронеж, 2008 г.) — XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (г. Москва, 2009 г.), на Всероссийской молодёжной выставке-конкурсе прикладных исследований, изобретений и инноваций (г. Саратов, 2009 г.), XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (г. Москва, 2010 г.).

По теме диссертации опубликовано 17 работ (в том числе 6 из них в журналах входящих в перечень ВАК). Результаты исследований отражены также в научных отчётах: Федеральной целевой научно-технической программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» на 2002;2006 гг., проект 2006;РИ-19.0/001/082 «Разработка системы оценки оползневой опасности городских территорий (на примере Нижнего Поволжья)" — Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007;2012 гг.», проект 20 075−1.5−00−01−157 «Эколого-геологические опасности городских территорий, их оценка и разработка на основе нелинейной динамики системы прогнозирования и предотвращения катастрофических ситуаций (на примере Среднего Поволжья)».

Личный вклад автора заключается в подготовке программы проведения опробования почвенного покрова на территории г. Саратовав проведении полевых работ на территории города и фоновых участках. Автором проводились измерения магнитной восприимчивости и термомагнитного эффекта, подготовка почвенных образцов к определению валового содержания тяжёлых металлов, статистическая обработка и интерпретация результатов, составление электронных схем загрязнения выполнено автором лично в 2007;2009 годах при проведении научно-исследовательских работ в соответствии с программой научно-исследовательских работ Отделения геологии НИИ Естественных Наук Саратовского Государственного Университета. Госбюджетная тема по тематическому плану единого заказ-наряда Министерства образования РФ «Методологические информационные и организационные основы комплексного геоэкологического мониторинга крупного промышленного города как одного из условий устойчивого развития сложных природно-техногенных систем», код — 38.01.94- 87.29.29.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Основное содержание выполнено на 184 страницах, включая 39 рисунков, 4 таблицы.

Список литературы

содержит 123 наименований.

МАГНИТНОЕ КАРТИРОВАНИЕ ГОРОДСКИХ ЗЕМЕЛЬ САРАТОВА (РЕЗУЛЬТАТЫ, СОПОСТАВЛЕНИЯ И ВЫВОДЫ).

4.1 Почвенное петромагнитное поле г. Саратова, его структура и соотношение с техногенными геохимическими полями. Как отмечалось выше, в 1991 году в палеомагнитной лаборатории НИИ Геологии при СГУ был предложен метод петромагнитного картографирования городских земель, который был включен в городскую программу «Экологический мониторинг г. Саратова» и был опробован на практике в течение 1992;93 гг. (Молостовский, Яночкина., 1992; Макаров, 1993;).

Исходная предпосылка для эколого-магнитного картирования почв для оценки их техногенного загрязнения состоит в следующем. Почвы в их естественном состоянии обладают определённым уровнем намагниченности, носителями которой являются группа аутигенных минералов железа: магнетит, маггемит и магнитные сульфиды ряда пирротин-грейгит. Их максимальные концентрации приурочены обычно к верхней части горизонта А, где сосредоточена основная масса почвенного гумуса, который и является основным продуцентом аутигенных магнитных фаз.

Основную роль в этом процессе играют пылевые выбросы металлургических, металлообрабатывающих, гальванических и других видов производств, которые наряду с соединениями тяжёлых металлов включают частицы чугуна, стали и сплавов, обладающих ферромагнитными свойствами (Артемьев и др., 1998). Свой вклад в магнитное загрязнение почв и донных осадков вносят свалки, транспорт, жидкие промышленные стоки и металлические бытовые отходы (Кононов и др., 1996).

Попадая в осадки и почвы в парагенезе с тяжёлыми металлами, магнитный материал увеличивает магнитную восприимчивость почв, которая становится таким образом индикатором их общего геохимического загрязнения (Фролов, Абакшин, 1996). Вопрос о формах нахождения магнитного материала в почвенном профиле и механизме корреляции в системе «к — концентрация тяжёлых металлов» требует особого изучения и подробно рассматривается в данной работе на примере почвенного покрова г. Саратова.

В рамках настоящей работы проведено детальное петромагнитное опробование почвенного покрова на территории г. Саратова и прилегающей территории с параллельным проведением геохимическое съёмки на предмет содержания концентрации ряда тяжёлых металлов.

4.1.1 Методика работ. Сама техника каппаметрических работ предельно проста, но в целом весь комплекс петромагнитных экологических исследований включил достаточно обширный набор взаимосвязанных операций. Основные из них перечислены ниже:

— лабораторное магнитно-минералогическое изучение почв, выявление основных магнитных носителей;

— подбор и обследование ряда полигонов для выявления местного петромагнитного фона почв разного типа;

— рекогносцировочные работы на типовых ландшафтных площадках;

— площадное петромагнитное картирование городской территории;

— площадное геохимическое опробование почвенного покрова, с целью определения концентрации ряда тяжёлых металлов;

— анализ магнитных свойств почвенного покрова характерных элементов естественного ландшафта и типовых функциональных зон;

— сопоставление структуры петромагнитных и геохимических полей Саратовской городской агломерации.

Измерения магнитной восприимчивости почв проводились при помощи серийных каппаметров КТ-5 и ИМВ-2. Нижний предел чувствительности приборов равен 1×10″ 5 ед. СИ, допустимая паспортная погрешность измерений прибора КТ-5 составляет 10%, ИМВ-2 — 15%.

Поскольку петромагнитная съёмка велась приборами разного типа, особое внимание уделялось периодическим сравнительным замерам магнитной восприимчивости почв на специальных площадках и образцах. При аккуратной регулировке приборов расхождения в показаниях не превышали 5−6%, что вполне соответствует пределам их паспортной погрешности.

При площадной каппаметрии измерениям подвергалась верхняя (до 5 см) часть почвенного горизонта, где концентрируется, как правилоосновная масса загрязнителей.

Пикеты для измерений подбирались с учётом особенностей микрорельефа, состояния почвенного покрова, размещение коммуникаций, жилых и производственных зданий и транспортных артерий. Система наблюдений была стандартизирована и адаптирована к введению результатов в компьютерный банк данных.

Все работы велись в единой координатной системе, что значительно облегчило сопоставление петромагнитных и геохимических полей (рисунок V).

На первом, рекогносцировочном этапе исследований измерения были сосредоточены на типовых ландшафтных площадках и велись совместно с геоморфологическими наблюдениями. На каждой площадке проводилось не менее 50−80 точечных измерений.

Площадная каппаметрия велась по профилям, пресекающим различные ландшафтные и функциональные зоны. Расстояния между профилями варьировали от 200−250 м в центральных промышленных районах, до 750−800 м на малозаселённых окраинах города, сельхозугодьях и в рекреационных зонах. В той же пропорции менялись расстояния и между пикетами на профилях. На каждой точке профиля делалось от 10 до 20 замеров.

Рассчитывались для каждой точки минимальные, максимальные, среднеарифметические, модальные значения, а также дисперсия магнитной восприимчивости в данной точке. Среднеарифметические значения г магнитной восприимчивости для данного пикета принимались за его петромагнитный фон, экстремальные показания в каждом конкретном случае получали необходимую интерпритацию.

На основе этих данных была построена предварительная петромагнитная схема почв и грунтов г. Саратова, которая была соотнесена с аналогичной схемой 1993 года, а также использовалась для разбивки сети литогеохимического опробования. В дальнейшем с привлечение дополнительных замеров магнитной восприимчивости в точках отбора литогеохимических проб, была составлена почвенно-магнитная карта г Саратова и схема антропогенного изменения почв.

4.1.2 Определение местного петромагнитного фона. Для установления естественного петромагнитного фона в окрестностях г. Саратова на удалении от 20 до 50 км были подобраны три полигона, близкие по рельефу, особенностям геологического строения и составу почв к основным ландшафтным. районам города.

1. Полигон, расположенный к северо-западу от г. Саратова, близ с. Хлебновка был принят в качестве аналога Елшано-Гусельской равнины.

2. Полигон в окрестностях с. Синенькие (50 км к югу от Саратова) в ландшафтном отношении чрезвычайно сходен с Центральной и Южной частями города. Здесь также отчётливо выражено ярусное строение рельефа и опознаются аналоги Лысогорского плато и Приволжской котловины.

3. Полигон у пос. Красный Текстильщик (14 км к югу от границы г. Саратова) близок по природным особенностям к южной части Заводского района города.

Идентичные с городскими геолого-геоморфологические особенности почвенных полигонов позволяют вести сравнительный анализ полученных данных и достаточно объективно судить о масштабах антропогенного воздействия на почвенный покров города.

Результат петромагнитных измерений почв на отдельных элементарных ландшафтах контрольных полигонов представлены в таблицах 1−3.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В рамках данной диссертационной работы были выполнены следующие работы:

— проведено петромагнитное и термомагнитное картирование почв фоновых участков, прилегающих к территории г. Саратова;

— осуществлено эколого-геохимическое опробование почвенного покрова на содержание ряда тяжёлых металлов и нефтепродукты;

— измерены магнитные свойства почв г. Саратова;

— полученные аналитические данные о физических и химических параметрах почвы были сопоставлены между собой;

— были построены схемы распределения анализируемых компонентов и параметров в почвах г. Саратова;

— была дана геоэкологическая оценка состояния почвенного покрова г. Саратова.

Проделанные в рамках диссертационного исследования эколого-геохимическое и петромагнитное опробования на территории города Саратова можно свести к нескольким основным выводам.

1. Эколого-геохимические исследования подтвердили ранее установленные (2000 год) геохимические аномалии. Анализ распределения валовых концентраций тяжелых металлов на территории различных ландшафтно-геохимических зон показал, что приоритетными компонентами для города Саратова являются кадмий, свинец, цинк, медь и никель. Перечисленные тяжелые металлы в почвах г. Саратова образуют следующий ряд техногенности: Сс1>РЬ^п>Си>М1. Максимальные концентрации тяжелых металлов, приурочены к элювиально-аккумулятивному типу ландшафтов различных урболандшафтных зон. В тоже время, анализ распространения ртути, мышьяка и хрома, привел к выводу, что эти компоненты, не являются приоритетными для городских почв.

2. Петромагнитные исследования на территории г. Саратова выявили 7 ареалов с повышенными значениями (>100×10″ 5 ед. СИ) магнитной восприимчивости, соответствующие территориям с очень высокой техногенной нагрузки. На рекреационных и слабонагруженных урбанизированных участках значения магнитной восприимчивости находятся на фоновом уровне. В зависимости от особенностей источников загрязнения и путей распространения магнитного материала в пределах городской агломерации различаются три основные группа петромагнитных аномалий: линейные, ореольные и площадные. Линейные аномалии по способу формирования отчётливо делятся на две группы: аномалии транспортных коммуникаций и аномалии долин мелких водотоков. Ореольные аномалии возникают в результате ветровой и водной денудации многочисленных свалок, являющихся неотъемлемой частью городского пейзажа. Площадные петромагнитные аномалии связаны обычно с пылевыми выбросами металлообрабатывающих производств, причём наиболее плотная заражённость твёрдого субстрата магнитными примесями возникает при низких воздушных выбросах вентиляционных систем.

3. Почвенные геохимические аномалии тяжёлых металлов на территории города формируются в тесной взаимосвязи с петромагнитными аномалиями. Сопоставление петромагнитной карты с картами почвенной геохимической съёмки свидетельствуют о высоком уровне пространственного совпадения петромагнитных аномалий с ореолами повышенных концентраций кадмия, никеля, свинца, хрома, ртути и ряда других металлов.

Пространственное совпадение петромагнитных и геохимических аномалий позволяет установить положительную корреляционную' связь между содержаниями тяжёлых металлов в пробах и их магнитной восприимчивостью. Для почвенного покрова территории г. Саратова подобные связи на значимом уровне были установлены в системах (по убыванию г): «к — подвижные формы Си» (г = 0,83), «к — валовые формы Сс1» (г = 0,71), «к — валовые формы Си» (г = 0,66), «к — валовые формы №» (г = 0,52), «к — валовые формы Zn» (г = 0,29). Полученные данные подтверждают результаты исследователей, полученных для других урбанизированных территорий (Гладышева М.А., 2007; Чащин А. Н., 2010).

4. Полученные сведения об углеводородном загрязнении города Саратова указывают на широкие масштабы скрытого загрязнения почв нефтепродуктами (до 84,2 ОДК), которое выявляется лишь в процессе аналитических определений проб, которые при отборе не вызывают никаких подозрений. Высокие концентрации нефти обнаружены на вполне визуально благополучных участках южного склона Увекской гряды, где расположены хранилища одноимённой нефтебазы. Не обнаруживают внешне следов загрязнения и почвы центральных районов города, где выявлены многочисленные аномалии с концентрациями нефтепродуктов.

5. На территории г. Саратова можно выделено семь аномальных зон, в которых значение с! к превышает фоновое значение более чем в два раза. 4.

Максимальное значение термомагнитного эффекта составляет 50 единиц. Анализ схем пространственного распределения углеводородных и термомагнитных аномалий указывает на их схожую пространственную приуроченность к одним и тем же территориям. Таким образом, термомагнитный метод может быть использован как диагностический показатель состояния почвенного покрова при проведении эколого-геохимических исследований.

6. В. пределах городских территории геохимические и петромагнитные поля имеют схожие принципы формирования и общий тренд изменения. Полученные данные позволяют разработать типовые организационно-технические мероприятия для различных таксономических единиц геохимических ландшафтов, располагающихся на территории административных районов города Саратова. Кроме того, предварительная оценка накопленного ущерба от различных предприятий города, даёт возможность перевести геохимические показатели в экономические, а согласование программы организационно-технических мероприятий с перспективным планом застройки города — ввести поправочные коэффициенты к стоимости земли, предназначенной под частное строительство.

В свете полученных данных, считаем необходимым, внести ряд практических рекомендаций. Во-первых, рекомендовать к внедрению в систему эколого-геохимического мониторинга почвенного покрова г. Саратова схему распределения магнитной восприимчивости и термомагнитного эффекта с целью контроля загрязнения соединениями тяжелых металлов и углеводородов, а также оптимизации сети опробования.

Во-вторых, в связи со значительным сокращением аномальных зон загрязнения почвенного покрова соединениями тяжелых металлов, а также установленным обширным загрязнением почв углеводородами, необходимо провести определённые изменения в структуре геохимического мониторинга г. Саратова. Например, в общегородском масштабе номенклатура загрязнителей, подлежащих определению, должна быть пополнена нефтепродуктами, фенолом и рядом других специфических веществ.