Химически-преобразованные почвы в районах добычи сернистых углей

Особое место в системе техногенных почв в районах горных разработок занимают почвы, испытывающие влияние продуктов выветривания сернистых, или сульфид-содержащих углей. Такие угли добываются в Кизеловском (Пермская область) и Подмосковном буроугольных бассейнах, в Западном Донбассе.

Влияние добычи сернистых углей на окружающую среду изучалось в России (Солнцева и др., 1987, 1992), Украине (Травлеев и др., 1980^[1]), в других странах: Германии, Южно-Африканской Республике, Великобритании.

Общие факторы трансформации почв

Исследования в Кизеловском и южной части Подмосковного бассейнов проводились в течение 25 лет Географическим факультетом МГУ под руководством М. А. Глазовской. Эти работы позволили выявить ответные реакции контрастных по генезису почв на однотипные химические воздействия и пространственные закономерности трансформации почв по отношению к источнику воздействия, их динамику во времени, а также тренды изменений почвенных свойств.

Наиболее информативным оказалось сравнение результатов воздействий на слабокислые текстурно-дифференцированные почвы с промывным водным режимом (дерново-подзолистые) и аккумулятивно-гумусовые с карбонатным горизонтом с периодически промывным водным режимом (выщелоченные черноземы) на очень близких материнских породах (лёссовидных суглинках) при почти одинаковых «пусковых механизмах» техногенного воздействия (Никифорова, Солнцева, 1982'; Солнцева, Рубилина, 1987; Солнцева и др., 1992).

Добыча сернистых углей в обоих бассейнах ведется закрытым способом, с созданием конусообразных отвалов — терриконов высотой 60−100 м, которые иногда выравниваются до состояния плоских отвалов во избежание самовозгорания и для уменьшения разноса угольной пыли. На некоторых отвалах проводится рекультивация². Терриконы и отвалы, имея площадь основания в несколько гектаров, оказывают непосредственное влияние на ландшафты в радиусе приблизительно 1 км, а их косвенное влияние распространяется на расстояние до десяти километров. Материал, слагающий терриконы и отвалы, представляет собой смесь мелкозема с обломками вскрышных пород — пиритизированных аргиллитов, алевролитов и песчаников с включениями и прослоями каменного угля. Содержание серы составляет в среднем 5,5−7%, изредка достигает 8% (в Кизеловском бассейне) органического углерода — 12−20%; pH грунтосмесей молодых отвалов и нижних слоев старых (30−50-летних) не превышает 2−2,5.

Кроме того, в золе углей присутствует широкий спектр микроэлементов, так что геохимики называют отвалы вместе с зонами их влияния техногенными геохимическими аномалиями, в которых концентрируются многие редкоземельные элементы.^[2]

Рис. 7.5. Профиль террикона и зон его влияния.

Освобождающиеся при выветривании вскрышных пород подвижные соединения серы, хлора, железа и алюминия вызывают подкисление почв, верховодки и грунтовых вод (рис. 7.5). В почвенную массу поступают также частицы угля. Наиболее ярким и хорошо изученным является процесс подкисления почв в результате выветривания сульфидов железа (пирита и марказита), содержащихся во вскрышных породах, слагающих терриконы и отвалы. Образование кислых соединений протекает следующим образом. На первом этапе под влиянием просачивающихся через толщу пород, слагающих отвал, происходит окисление сульфидов:

Сернокислое двухвалентное железо неустойчиво в окислительной среде и переходит в гидрат окиси с выделением свободной серной кислоты:

В условиях гумидного климата терриконы и отвалы интенсивно промываются атмосферными осадками, так что у их подножий образуется полоса разгрузки атмосферных вод, просочившихся через толщу вскрышных пород, в том числе вывегрелых. Им свойственна высокая минерализация (10−30 г/л) и очень кислая реакция (pH 2−3) за счет обогащения серной кислотой. Хлоридно-сульфатный состав вод молодых отвалов постепенно становится сульфатным за счет опережающей миграции хлоридов. Воды, стекающие с отвалов и просочившиеся сквозь них, разбавляются водами поверхностного стока и атмосферными, не связанными непосредственно с отвалами, приобретаю! менее кислую реакцию и постепенно фильтруются в толщу исходно слабокислых почв, как бы усиливая природные почвообразовательные процессы.

В условиях семигумидного климата (лесостепи) терриконы выполняют в значительной мере функцию концентратора осадков в силу особенностей циркуляционных процессов в атмосфере, поэтому аналогичные явления, связанные с разгрузкой вод, также имеют место, но на фоне меньшего увлажнения в лесостепной зоне. Кроме того, кислые фильтрационные воды, двигаясь из полосы разгрузки отвала, встречаются на своем пути с нейтральными или слабощелочными природными почвами, т. е. как бы «противодействуют природному почвообразованию».

Наряду с фильтрационными водами, важным фактором химической трансформации почв является техногенный делювий — источник активных химических соединений, влияющих на погребенные им почвы (рис. 7.5). Вблизи отвалов техногенный делювий достигает мощности 0,5−1 м, перекрывая природную или механически нарушенную почву, что позволяет рассматривать подобные образования как техногенные грунты. Обычно в них заметна слоистость, содержится много обломков вскрышных пород, техногенных артефактов (обломки крепежа шахт, мусор). Мощность техногенного делювия и размеры его компонентов уменьшаются с удалением от отвала, и на расстоянии 100−400 м на поверхности почвы встречаются плотные черные тонкие глинистые корки, со временем ассимилирующиеся верхней частью профиля. На расстояниях более 1 км от отвала в верхних горизонтах естественных или сельскохозяйственных почв обнаруживаются примеси мелкой угольной пыли, поступающей эоловым путем.

Техногенные наносы содержат очень большие количества железа, как валового, так и нссиликатных форм. Например, по данным Е. М. Никифоровой и Н. П. Солнцевой (1982), среднее содержание валового железа в техногенных отложениях ореола загрязнения в Кизеловском бассейне колеблется от 4 до 26%, подвижных (вытяжка Тамма) — от 1,5 до 13%.

Параллельно с химическими воздействиями, оказываемыми на почвы фильтрующимися от отвалов водами и растворами, циркулирующими в толще ТГ делювия, почвы в окрестности отвалов получают большее или меньшее количество твердых угольных частиц разных размеров — от обломков до алеврита (в зависимости от расстояния от отвала и распрсдслсния техногенных потоков). Включения техногенного материала изменяют профиль органического углерода, с образованием сложных органических соединений. Угольные частицы, особенно тонкие, дополнительно ухудшают структуру, иногда вызывают уплотнение.

• [1] Травлеев, А П., Альбицкая М А., Лындя А. Г, Звсрковский В. Н., Тупика Н. П., Белова Н А., Носовская H. M Вопросы оптимизации техногенных ландшафтов Западного Донбасса путем создания мелиоративных и рекреационных лесных насаждений. Сб. Биогеоценотические аспекты лесной рекультивации нарушенных земель Западного Донбасса. Днепропетровск, 1980, с. 21−38
• [2] Никифорова Е. М., Солнцева Н. Г1. Геохимия техногенных потоков и ореолов загрязнения врайонах угледобычи (на примере Кизеловского бассейна) «Геохимия ландшафтов и географияпочв», Изд-во МГУ, 1982. с. 100−128 -'.Создание плоских отвалов и рекультивация производятся в основном в густонаселенных районах.