Цель работ: сбор фактического материала для характеристики процессов, протекающих в природных и природно-техногенных ландшафтах при горнопромышленном техногенезе в рамках выполнения госбюджетной темы «Современное природное и техногенное минералообразование и изотопно-геохимические исследования в горнопромышленных зонах Урала».

Задачи: 1. Отбор проб донных отложений озер и верховых торфяников для оценки геохимии и минералогии голоценовой седиментации на Урале при горнопромышленном техногенезе.

2. Отбор гидрохимических проб, проб влекомой взвеси, донных отложений в поверхностных водотоках в Карабашской геотехнической системе для минералого-геохимической характеристики процессов техногенеза.

3. Отбор проб почв в пределах геотехнических систем Урала для характеристики фазового состава техногенных компонентов в депонирующих средах и изотопной геохимии.

Обоснование необходимости проведения работ.

Отбор проб по разрезам верховых торфяников позволит получить данные по геохимии техногенных процессов в регионе. Работы по отбору проб стратифицированных колонок донных отложений даст материал для геохимической характеристики природных и техногенных процессов на протяжении голоцена, включая наиболее интенсивный по контрастности накопления интервал горнопромышленного техногенеза. Оценка минерального состава различных по условиям седиментации озер (биогенно- минерагенные сапропели карбонатные сапропели) позволит охарактеризовать минералогические аспекты озерного седиментогенеза в период от постледниковья до периода индустриального развития территорий в условиях горнопромышленного техногенеза.

Работы по отбору и анализу гидрохимических проб преследуют цель охарактеризовать баланс миграции, выноса и аккумуляции халькофильных элементов в составе поверхностного стока в условиях техногенных аномалий с кислыми рудничными водами. Работы по отбору проб в пределах Карабашской геотехнической системы будут продолжать цикл многолетних мониторинговых исследований по изучению баланса поверхностного стока при функционировании крупных горнопромышленных узлов. Отбор проб аутигенных фаз при гидролизе кислых рудничных вод преследует цель характеристики современного минералообразования в геотехнических системах.

Работы по отбору проб почв позволят изучить формы накопления и механизмы трансформации техногенных соединений, поступающих от медеплавильных предприятий Урала в депонирующие среды и их распределения и перераспределения в почвенном профиле.

Красноуральская ГТС, Кировградская ГТС (почвенные разрезы, поверхностные почвы, отходы горнопромышленных предприятий), Медногорская ГТС (Карьерные озера Блява и Яман-Касы),  Башкортостан (карьерное озеро Бакр-Тау), Карабашская ГТС (поверхностные почвы, речные воды), Региональные работы (Зюраткуль, Саломатово), полевые работы на объектах в рамках выполнения хоздоговорных работ (с ОАО”УГОК”, ОАО”БШПУ” – Учалы, Сибай, Султановское, Вишневское)

Миасс-Красноуральск-Кировград-Миасс

Миасс-Медногорск-Сибай-Миасс

Миасс-Карабаш-Зюраткуль-Миасс

Миасс-Султановское-Учалы-Миасс

Миасс-Саломатово-Миасс

7. Выполнение задачи 1. Отбор проб донных отложений озер и верховых торфяников для оценки геохимии и минералогии голоценовой седиментации на Урале.Проведен отбор проб донных отложений в виде стратифицированных колонок на озерах Серебры и Б. Еланчик (рис. 1).

Отобрано 38 проб донных отложений, а так же пробы придонной и поверхностной воды. В настоящий момент пробы просушены и упакованы. Данные для этих озер в совокупности с результатами полученными в прошлые годы для озер Б.Миассово, Тургояк, Б.Таткуль, Сырыткуль позволлили определить диапазон возраста начальных периодов озерного седиментогенеза на Урале (радиоуглеродные датировки). Выполнение анализов изотопии углерода и кислорода позволит составить изотопно-кислородные летописи реконструкций палеотемператур и ландшафтно-климатических условий позднеледниковья-голоцена для территории Южного Урала. Для некоторых озер к настоящему времени уже изучен минералого-геохимический состав для построения реконструкции палеоклиматических обстановок плейстоцен-голоценовой седиментации. Использование радиометрических трассеров позволит оценить изменения скоростей осадконакопления в котловинах озер в индустриальный период развития территории.

К настоящему времени проанализирован состав воды – анионно-катионный состав и физико-химические  параметры стандартными лабораторными методами (табл. 1), микроэлементный состав  воды и донных отложений методом ICPMS.

Для данных озер характерны низкие значения отношения объема притока к объему водной массы (К_в=0.01–0.02), в результате чего в расходной части преобладает испарение (50–75%), а в приходной – осадки на водное зеркало (50–75%). По соотношению элементов водного баланса озера относятся к испарительно-дождевым и испарительно-приточным. Тип водообмена аккумулятивно-транзитный, озера слабоводообменны, модуль среднегодового стока низок и составляет около 2 л/сек с 1 км². Поэтому эти озера могут рассматриваться как естественные «планшеты-накопители» аэральных природно-техногенных выпадений, а их стратифицированные донные отложения несут информацию об истории аккумуляции тяжелых металлов в регионе.

Озера располагаются на различном удалении от источника эмиссии – медеплавильного завода. Из них оз. Серебры самое близкое от завода, располагается в 3.5 км к ССЗ в направлении господствующих ветров. Остальные озера располагаются в противоположном направлении, преимущественно южном: Сырыткуль – 20 км, Бол. Таткуль – 31 км, Бол. Миассово – 34 км, Тургояк – 37 км и Бол. Еланчик – 65 км.

Стратифицированные колонки неконсолидированных донных отложений до глубины 30 см отобраны пробоотборником гравитационного типа с закрывающейся диафрагмой и разделены на интервалы 1–2 см. Интервалы более глубоких горизонтов с консолидированными илами отобраны поршневой трубкой и опробованы с шагом 5 см. Анализ воздушно-сухих проб выполнен методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ELAN 9000). Содержания ртути определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре PerkinElmer 3110 с использованием ртуть-гидридной приставки MHS-10 методом «холодного пара» после восстановления ртути SnCl₂.

Распределение тяжелых металлов по колонкам донных отложений показывает резкое увеличение концентраций халькофильных элементов в верхних интервалах. Такие аномальные концентрации четко разграничивают индустриальный и доиндустриальный периоды.

Для оценки степени аномальности халькофильных элементов в донных отложениях озер использована формула расчета степени аномальности в виде фактора обогащения.

Этот объективный показатель хорошо зарекомендовал себя при эколого-геохимических работах и в качестве надежного критерия оценки степени аномальности в зарубежных публикациях и работах российских авторов по геохимии окружающей среды Сибири. Кларк Li и нормируемых элементов для верхней части земной коры взяты из наиболее часто цитируемой работы.

В озерах, расположенных на значительном удалении от источника эмиссии в условиях, приближающихся к «фоновым», факторы обогащения верхних слоев донных отложений имеют значения для Cu, Zn, Pb, Cd, от 2 до 15, для озер переходной зоны – от 15 до 60, а для оз. Серебры в импактной зоне от 100 до 400 (рис. 2). Факторы обогащения этих элементов в донных отложениях доиндустриального периода для озер всех зон, независимо от расстояния от действующего в настоящее время источника эмиссии минимальны и составляют от 0.2 до 4.0. Максимальные значения фактора обогащения в доиндустриальных слоях донных отложений зафиксированы для Cd и в отдельных озерах для Cu – 4–6 единиц, что свидетельствует о повышенном геохимическом фоне территории в целом. Значения фактора обогащения донных отложений доиндустриального периода образуют последовательность Cd>Cu>Zn>Pb. Современное воздействие металлургии приводит к обогащению донных отложений Pb с образованием ряда Cd>Pb>Cu>Zn, а для озер, находящихся вблизи медеплавильного завода, наблюдается значительное обогащение Cu – Cd>Cu>Pb>Zn (оз. Серебры, Сырыткуль) (рис 2). Такие ряды аномальности в целом, совпадают с ассоциацией аномальных элементов в атмосферной пыли «фонового» и «уральского» типов миграции. Это подтверждает отсутствие в пределах Южного Урала условий «фонового» выпадения атмосферных осадков.

Несмотря на явную контрастность обогащения верхних слоев донных отложений халькофильными элементами в разных зонах воздействия медеплавильного завода, линейной зависимости в распределении абсолютных концентраций по удалению от источника эмиссии не наблюдается (рис. 3). Максимальные концентрации тяжелых металлов зафиксированы в донных отложениях оз. Серебры – Cu – 6800 мг/кг, Zn – 5100 мг/кг, Pb – 2000 мг/кг, Cd – 26 мг/кг. В озерах, удаленных от медеплавильного завода, содержания металлов на порядки меньше – Cu – 100–200 мг/кг, Zn – 130–300 мг/кг, Pb – 50–150 мг/кг, Cd – 1–4 мг/кг. Установленная закономерность прослеживается в распределении тяжелых металлов в донных отложениях и для доиндустриального периода (рис. 3).

Концентрации Hg в самых глубоких частях колонок донных отложений исследуемых озер в среднем соразмерны с таковыми для континентальных озер Евразии. В верхних слоях колонок донных отложений происходит увеличение концентраций Hg, ранее отмеченное для остальных халькофильных элементов (рис. 4). Коэффициенты загрязнения Hg донных отложений находятся в пределах от 100 до 150 – высокий коэффициент загрязнения по классификации Хокансона. Наибольшие величины коэффициента загрязнения Hg отмечены в донных отложениях озер импактной зоны. Графики изменения фактора обогащения более четко подчеркивают контраст в накоплении ртути донными отложениями индустриального периода (рис. 4). На глубинах 3–4 см наблюдается «провал» концентраций, связанный с остановкой медеплавильного завода в 90-е годы (подтверждено результатами датировки донных отложений), что указывает на техногенный источник ртути в исследуемом озере.

Повышенное накопление халькофильных элементов донными отложениями в индустриальный период связано не только с увеличением абсолютных концентраций поступающих веществ, но и с геохимическими, гидрологическими особенностями водосборного бассейна, а также с измененем скоростей осадконакопления и содержанием органического вещества в них.

(Аналитика и прочие исследования выполнены в рамках конкурсных программ фундаментальных исследований УрО РАН № 12-М-45-2072, № 12-И-5-2018, № 12-М-45-2051, № 12-У-1004, №12-С-5-1037 и проектов молодых ученых и аспирантов УрО РАН).

Материалы обработанные к настоящему времени опубликованы в рецензируемом журнале «Научное обозрение»: Аминов П.Г., Удачин В.Н., Исакова Н.А., Кайгородова С.Ю., Масленникова А.В., Дерягин В.В, Гребенщикова В.И. Распределение тяжелых металлов в донных отложениях озер Южного Урала // Научное обозрение, 2013. №9. С. 188–193.

Проведено опробование двух торфяных разрезов олиготрофных сфагновых болот, которые также являются архивами голоценовой седиментации на Урале. Олиготрофными или верховыми болотами называют вид болот, питание которых осуществляетсяатмосферными осадками. Верховое болото формируется при застаивании поверхностных вод на плоских понижениях водоразделов, подстилаемых водонепроницаемыми породами, например глинами. Они отличаются более или менее хорошо выраженной выпуклостью рельефа, так как мох быстрее нарастает в средней части болота, и сплошным покровом изсфагновых мхов.

Болота расположены в районе оз. Зюраткуль и в районе с. Саломатово (Красноармейский район Челябинской области) (рис. 5, 6).

На опробованных болотах древесный ярус состоит из не сомкнутых сосенв карликовой болотной форме. Травяно-кустарничковый ярус состоит из пушицы влагалищной, морошки, клюквы, брусники, кассандры и багульника.

Верхнюю часть торфяного разреза опробовали из шурфа, глубиной 1 м (рис. 7). Объем пробы составлял около 1.5 кг, чтобы получить достаточное количество пробы для дальшейших анализов (поскольку влажность торфа около 70 %). Интервал опробования 5 см. Далее проводили ручное бурение заборным буром с добавочными штангами (длина каждой штанги 1.5 м), глубина одной проходки 50 см (с последующим делением колонки на пятисантиметровые интервалы (рис. 7). Таким образом опробована вся торфяная залеж до подстилающих серых глин (7 м на болоте Зюраткуль, и 4.15 м на болоте Саломатово. Всего отобрано 231 проба торфа.

 Выполнение задачи 2.Отбор гидрохимических проб, проб влекомой взвеси, донных отложений и аутигенных минералов в поверхностных водотоках Карабашской и Медногорской геотехнических систем.

Для оценки изменения состава поверхностных вод в зоне воздействия Карабашского горнодобывающего и прерабатывающего комплекса во время полевых работ 2013 года производили гидроопробование с отбором разовых и периодических проб. Мониторинговые точки расположены на различных по уровню техногенной нагрузки водотоках. 1) фоновые – минимальный уровень воздействия. 2) техногенные, 3) зоны смешения (рис. 8.). Необходимо отметить, что зоны смешения представляют собой контрастные по свойствам водотоки. Например, при смешении вод Рыжего ручья с р. Сак-Элга, в последней вымирает все живое, а при впадении р. Сак-Элга в р. Миасс визуального загрязнения не наблюдается.

Пробы из поверхностных водотоков отбирали вручную. Разовые пробы характеризовали качество воды в данном месте и в данное время. Периодические пробы отбирем ежегодно на определенных участках поверхностных водотоков. Отбор проб производили согласно ГОСТ Р 51592–2000.

Гидрохимические пробы помещали в чистые 1.5-литровые пластиковые бутылки с четкой маркировкой, которые заполняли под пробку. Пробы в день отбора доставляли в лабораторию для выполнения аналитических работ. Для изучения донных отложений водных систем как индикаторов техногенной нагрузки были отобраны донные осадки поверхностных водотоков. Пробы донных отложений отбирали горстевым способом и помещали в герметичные пакеты. После сушки пробы просеивали через сито с размером ячеек 0.315 мм и хранили в бумажных пакетах в сухом помещении до анализа. Всего отобрано более 50 гидрохимических проб и проб донных отложений.

Основными источниками техногенного воздействия на водные системы являются флотационные хвосты обогатительной фабрики и отвалы некондиционных руд и вмещающих пород. Имеется два хвостохранилища содержащие в сумме около 11 млн. т пиритсодержащих хвостов и, так называемое, неорганизованное хвостохранилище, образованное в русле р. Сак-Элга, при сбросе в нее отходов фабрики, которое представляет собой техногенную залежь площадью около 2.5 км² и мощностью от 30 см до 2 м. Образующиеся высокометальные воды-рассолы собираются в общий природный водоток р. Сак-Элга а затем в р. Миасс (рис. 9, табл. 1-2).

Работы по определению химического состава вод и влекомой взвеси и донных отложений родолжаются в настоящий момент. Все пробы к настоящему времени подготовлены для дальнейших анализов.

Для продолжения исследований в области генезиса кислых рудничных вод и особенности миграции тяжелых металлов в водной среде нами было проведено опробование карьерных озер, которые образуются результате отработки месторождений полезных ископаемых открытым способом, за счет подземных вод и атмосферных осадков. Воды карьерных озер, формирующиеся после отработки колчеданных месторождений, характеризуются низкими значениями рН и высоким содержанием металлов. Подобные аквальные системы техногенного происхождения, представляющие большой интерес для многих исследователей по всему миру, требуют постоянного мониторинга для понимания механизмов их функционирования и оценки потенциального воздействия на окружающую среду.

В текущем сезоне нами опробованы 3 карьерных озера – Блява и Яман-Касы с Оренбкргской области и Бакр-Тау на территории Республики Башкортостан. Карьерные озера Блявинского и Яман-Касинского месторождений опробовались нами неоднократно и новый отбор проб осуществляли в рамках мониторинга и для измерения некоторых показателей insitu (рис. 10).

Карьерное озеро месторождения Бакр-Тау исследовано впервые. Поэтому подробнее остановимся именно на нем. Колчеданное месторождение Бакр-Тау, относящееся к золото-барит-полиметаллическому типу, было открыто Южно-Уральским горным акционерным обществом (ЮУГАО) в начале ХХ века. С 1925 г. по 1949 г. подземными выработками отрабатывались окисленные руды. Частично окисленные и первичные полиметаллические руды (сплошные медно-цинковые руды, прожилково-вкрапленные полиметаллические и барит-полиметаллические руды) отрабатывались карьером глубиной 120 м в период 1987–1999 гг. После отработки месторождения Бакр-Тау, сформировалось карьерное озеро глубиной 49 м.

Отбор проб воды на карьерном озере выполнен в июле 2013 г. с помощью батометра системы Молчанова ГР-18 на участке с максимальной глубиной. На месте выполнялись замеры следующих физико-химических показателей: водородный показатель и окислительно-восстановительный потенциал (рН-милливольтметр «Yokogawa-82», Япония), концентрация растворенного кислорода и температура (оксиметр «Hanna-9300», Португалия).

Анализ проб был выполнен в Южно-Уральском центре коллективного пользования по исследованию минерального сырья Института минералогии УрО РАН и центре коллективного пользования «Геоаналитик» Института геологии и геохимии им. А.Н. Заварицкого УрО РАН г. Екатеринбурга. Анионно-катионный состав вод определялся согласно общепринятым методикам по контролю качества воды. Микроэлементный состав анализировался на атомно-абсорбционном спектрометре с пламенным режимом атомизации (Perkin-Elmer 3110, США) и масс-спектрометре (ELAN 9000, США).

Воды сформировавшегося карьерного озера характеризуются как кислые (от 3.6 ед. рН до глубины 30 м) и слабокислые (до 5.6 ед. рН глубже 30 м). Значения водородного показателя повышаются с глубиной. Разница между значениями рН приповерхностного и придонного слоя составила 2 ед. рН. Значения редокс-потенциала вод по всей глубине соответствуют окислительному типу геохимических обстановок и уменьшается с 485 мВ до 330 мВ с глубиной.

В летний период в толще воды карьерного озера формируется прямой термоклин на глубине 4–8 м (рис. 11). На нижней границе термоклина температура падает с 20.5 ºС до 7 ºС, глубже температура воды колеблется около 6.5 ºС.

Распределение свободного кислорода в толще воды выражается в уменьшении его количества с глубиной (рис. 11). Концентрация свободного кислорода в верхних шести метрах колеблется от 7.69 до 10 мг/л. На нижней границе термоклина содержание кислорода падает до 0.51 мг/л, а глубже составляет 0.0n мг/л. Таким образом, на глубине 5–8 м наблюдается хорошо выраженный оксиклин.

Воды карьерного озера на всю глубину имеют сульфатный кальциево-магниевый состав с высоким содержанием цинка:

– приповерхностный слой;

– придонный слой.

С повышением водородного показателя с глубиной в составе вод ниже 5-метровой отметки появляется гидрокарбонат-ион, концентрация которого увеличивается с 2.4 мг/л на 10 м до 34.6 мг/л в придонном слое. Распределение остальных макроэлементов в водной толще носит равномерный характер (рис. 11).

В распределении Fe и Mn наблюдается общая закономерность: увеличение концентрации до 10-го метра, и сохранение достигнутой концентрации с небольшими вариациями до дна озера. Содержание Аl и Cu увеличивается от поверхностного слоя к верхней границе оксиклина (рис. 12), ниже которой происходит уменьшение концентраций этих элементов с глубиной (наиболее контрастно Al). Доминирующим катионом в составе карьерных вод является Zn, содержание которого увеличивается с глубиной с 111 мг/л в приповерхностном слое до 152 мг/л в придонном.

Степень аномальности микроэлементного состава вод карьерного озера определялась путем нормирования на средний состав поверхностных вод мира. Максимальной степенью анамальности (коэффициент концентрации больше 100) характеризуются Cd, Cu, Zn, Sc, Pb, Co, Mn, Ni, Al и Fe (рис. 13), элементы, являющиеся типоморфными для карьерных озер, сформировавшихся после отработки колчеданных месторождений. Минимальной степенью аномальности (коэффициент концентрации менее 10) характеризуются As, Cr, Cs, Rb, V.

Таким образом, карьерное озеро Бакр-Тау характеризуется кислой (от поверхности до 30 м) и слабокислой (ниже 30 м) реакцией, наблюдается значительное повышение водородного показателя с глубиной. Разница между водородным показателем верхнего и нижнего слоя составляет 2 ед. рН, что отличает данное карьерное озеро от ранее изученных, где с глубиной значения водородного показателя понижались (карьерные озера Блява, Яман-Касы) или сохранялись с незначительными колебаниями на всю глубину (карьерные озера Куль-Юрт-Тау, Макан).

Как правило, в исследованных карьерных озерах положение оксиклина в колонне воды определял и положение хемоклина, за исключением карьерного озера Макан, где независимо от климатического периода отсутствует оксиклин, а распределение содержаний химических элементов по вертикали носит равномерный характер. В летний период в карьерном озере Бакр-Тау в диапазоне глубин 5–8 м фиксируется оксиклин. При этом распределение концентраций большинства макро- и микроэлементов с глубиной имеет равномерный характер, что указывает на отсутствие хемоклина. Общая для исследованных карьерных озер (за исключением карьерного озера Макан) тенденция увеличения минерализации вод с глубиной наблюдается и в Бакр-Тау. Минерализация вод придонного слоя по отношению к поверхностному слою увеличивается в 1.2 раза, менее контрастно, чем в карьерных озерах Блява, Яман-Касы и Куль-Юрт-Тау, где значения этого показателя изменялись от 1.5 до 2.2 раза.

Основные результаты изложены в рукописи отправленной для публикации в журнал Водные ресурсы:

Филиппова К.А., Аминов П.Г., Удачин В.Н., Кисин А.Ю. Гидрохимия карьерного озера Бакр-Тау (Башкортостан) // Водные ресурсы.

Выполнение задачи 3. Отбор проб почв в пределах геотехнических систем Урала для характеристики фазового состава техногенных компонентов в депонирующих средах.

В системе циклического массообмена металлов почва занимает особое место, здесь сходятся главные миграционные потоки. С одной стороны, в почве мобилизуются металлы, вовлекаемые затем в различные миграционные циклы, с другой – перераспределяются массы металлов, поступающие из почвообразующих пород с опадом растительности и осаждениями из атмосферы. Регулирование почвой массопотоков металлов обусловлено системой равновесий и взаимопереходов между различными формами нахождения металлов, различающимися прочностью закрепления и способностью включаться в тот или иной вид миграции. Избыточные массы металлов, поступившие в биосферу в силу природных явлений (вулканических извержений, гидротермальных процессов и др.) или в результате техногенного загрязнения, выводятся из системы миграционных циклов и прочно связываются в твердой фазе почвы, откуда они могут постепенно мобилизоваться и пополнять отдельные массопотоки.

Были заложены почвенные разрезы и отбраны поверхностные почвы в районе Красноуральского медеплавильного завода (Средний Урал), Кировградского завода Уралектромедь (Средний Урал) и Карабашского медеплавильного завода (Южный Урал).

Полевые и лабораторные исследования загрязненных металлами почв и почвенных образцов осуществляли по «Методическим рекомендациям по проведению полевых и лабораторных исследований почв и растений при контроле загрязнения окружающей среды металлами». Отбор проб почв при проведении мониторинга производили в соответствии с требованиями ГОСТ 17.4.3.01-83 и ГОСТ 17.4.4.02-84.

Опробование проводили по почвенным разрезам, с равномерным охватом всех генетических горизонтов, для возможности последующего расчета средних содержаний тяжелых металлов в горизонтах А, В и С, оценки физико-химических свойств почв и содержаний в них микроэлементов. Соблюдался основной принцип – обязательное вскрытие и опробование горизонта почвообразующей материнской породы. После препарирования разреза по одной из стенок выполнялось опробование с отбором проб на всю мощность вскрытых горизонтов. Поверхностные почвы отбирали методом усреднения пробы верхних слоев (5–7 см) горизонта А.

Образцы для анализа отбирали в виде средней смешанной пробы из каждого горизонта отдельно из вертикально расположенного выделенного участка профиля (ширина 6–8 см, глубина 5–6 см, высота – глубина горизонта). Вес каждого образца 0.5–0.75 кг.

Район Красноуральского медеплавильного завода. Заложено 3 почвенных разреза по удалению от промплощадки и один фоновый почвенный разрез (рис. 14). Некоторые точки опробования занесены в базу данных ИМин, географическую привязку можно посмотреть на сайте – http://impactmin.ru/mapimpactmin (рис. 14).

В районе геотехнической системы отобраны поверхностные почвы горизонта А, 1-5 см. В городской черте почвы опробованы в парковой зоне и придомовых территориях, почвы в городской черте не материнские. Всего отобрано 32 пробы почв.

Разрезы мощностью от 40 до 55 см. Всего отобрано 25 проб (рис. 15).

Район Кировградского полиметаллического завода. Заложено 7 почвенных разрезов удалению от промплощадки (рис. 16).

Разрезы мощностью от 50 до 80 см. Всего отобрано 57 проб (рис. 17).

Район Карабашской ГТС.

В районе Карабашской ГТС проведено опробование  и полевые измерения методом РФА (Аналитик Хворов П.В.)Было проведены замеры в 30 точках (рис. 18)

К настоящему времени по материалам текущего сезона и опробованию прошлых лет дана характеристика почв импактной зоны воздействия Карабашского медеплавильного завода. Проведена оценка распределения валовых содержаний тяжелых металлов (ТМ) по почвенному профилю и установлены формы нахождения Cu, Zn, Pb, Cd и As в верхних горизонтах, принимающих основную техногенную нагрузку от пылевых выпадений Карабашской ГТС.

В г. Карабаше и прилегающих к нему территориях значительные площади занимают два ведущих типа зональных почв подзоны южной тайги: серые лесные и темно-серые лесные почвы. Отличительной особенностью темно-серых лесных почв является повышенное содержание гумуса и более темная окраска горизонта А₁ по сравнению с серыми лесными почвами. Строение почвенного профиля зависит от геоморфологических условий площадки отбора, вследствие чего обнаруживаются широкие вариации мощности почвенного покрова, а также соотношений мощностей различных генетических горизонтов, что обуславливает разнообразие вариаций состава и распределения физико-химических показателей по профилям почв. Наблюдаются профили как с четкими границами перехода одного горизонта в другой (A→B; В→С; С→D), так и почвы с постепенным переходом между основными горизонтами, где были выделены субгоризонты АВ, ВС, СD.

В целом, на площадках опробования были заложены как маломощные до 35 см, так и полнопрофильные почвенные разрезы мощностью до 160 см, в зависимости от глубины залегания материнской породы. Мощность горизонта лесной подстилки не превышает 3 см, мощность гумусово-аккумулятивного горизонта варьирует от 5 до 30 см (наиболее часто встречаются разрезы с мощностью около 15 см). Аналогичные вариации наблюдаются в мощности иллювиального горизонта, при средних значениях 22 см. По механическому составу серые лесные почвы в большинстве случаев относятся к глинистым и суглинистым. Содержание гумуса – до 3.5 %.

Верхние горизонты почв импактной зоны испытывают максимальную техногенную нагрузку. Минимальное значение рН, равное 4.7 (кислая среда), отмечено в верхних горизонтах почвенных разрезов импактной зоны ГТС. Но, в целом, по всему почвенному профилю изменение рН незначительное и меняется от 4.7 до 5.2, фиксируя состояние перехода от кислой к слабокислой среде. Средняя величина показателя рН – 4.8. (рис.19)

Формирование микроэлементного состава почв, главным образом, зависит от состава атмосферных выпадений (пылевые выпадения, атмосферные осадки, осадки прошедшие сквозь кроны деревьев) и подстилающих почвообразующих пород.

Основную техногенную нагрузку в составе твердофазных атмосферных выпадений Карабашской ГТС несут пыли, принадлежащие двум фазам металлургического процесса: шахтная плавка (получение медного штейна – плавка Cu-Zn концентрата совместно с флюсующими добавками по технологии Ausmelt) и конвертирование медного штейна (выжигание избыточной серы и железа с добавками вторичного медного лома).

Электронно-микроскопическое исследование полированных шлифов из верхних частей гумусово-аккумулятивного горизонта установило наличие в почвах различных техногенных частиц. Основные фазы, идентифицированные в почвах по морфологии и элементному составу, представлены сферулоподобными частичками железистого состава как без Si, так и с небольшим его количеством). Часть из них сложена частицами шлака и гематита со структурами распада твердого раствора.

Также обнаружены частицы, образованные при застывании капелек медного штейна. Кроме описанных выше частиц, в шлифах присутствуют остроугольные зерна сульфидов: пирита, сфалерита и халькопирита, которые являются отражением частичек-реликтов медного концентрата. Этот концентрат не доходил до зоны плавки и при рассыпании в пыль улетал в трубу в составе золы дальнего уноса.

Таким образом, основные фазы, обнаруженные при электронно-микроскопическом исследовании, представлены оксидами железа, силикатами железа (FeSiO₄) и частичками медного штейна – это новообразованные фазы. А обнаруженные сульфиды отображают состав медного концентрата. Именно сульфиды и частицы шлака и штейна привносят основную техногенную нагрузку в почвы.

Электронно-микроскопическое исследование полированных шлифов из верхних частей гумусово-аккумулятивного горизонта установило наличие только крупноразмерных техногенных частиц размером от 20 до 120 мкм, характерных для пылей шахтной плавки. Мелких частиц пылей конвертеров крупностью от 0.2 до 1.5 мкм при просмотрах шлифов не было отмечено. Вероятно, это связано с хорошей миграционной способностью таких мелких частиц в условиях высокощебнистых проницаемых серых лесных почв.

Наблюдается однотипное распределение Cu, Zn, As, Se, Mo, Cd, Sn, Sb, Te, Pb и Bi, выражающееся в накоплении этих элементов в приповерхностном слое почвы с резким уменьшением концентраций с глубиной (рис. 20). Такая форма графика распределения связана с поступлением этих металлов с атмосферными выпадениями. Эти разрезы расположены в импактной зоне, следовательно, данный набор элементов характеризует типоморфный элементный состав техногенных выпадений.

Воздействие металлов на растительные организмы происходит, главным образом, через корневое поглощение. Так, например мышьяк, являясь токсичным элементом, играет важную биохимическую роль, входя в состав растений. В связи с этим, важно, помимо валовых концентраций определять формы нахождения элемента в почве, определяющие его доступность для растений.

Для верхних горизонтов почв была реализована процедура химического фракционирования. В данной работе использован метод последовательных экстракций, предложный Матера. Методика учитывает процедуру последовательных химических экстракций по стадиям, которые интерпретируются как следующие потенциальные формы нахождения металлов: I стадия: – обменные формы, слабо связанные с матрицей; II стадия – связанные с карбонатными фазами; III стадия – связанные с оксидами марганца; IV стадия – связанные с аморфными оксидами железа; V стадия – связанные с «кристаллическими» формами железа; VI стадия – связанные с сульфидной и органической матрицей; VII стадия – остаточные формы, связанные с кристаллической решеткой силикатов.

На рис. 21 изображены результаты селективных экстракций по Cu, Zn, Pb, Cd и As.

Большая часть Zn (43.6%), Pb (39.8%) и Cd (45.2%), а так же значительная доля As (22.3%) представлены обменными формами, тогда как наибольшее количество Сu (32.6%) связано с труднорастворимым остатком. Обменные формы Сu составили всего 13.1%. Второй, по степени концентрирования Сu (21.3%) и Pb (20.8%), является фракция аморфных оксидов Fe, в то время как для мышьяка она является преобладающей формой связи (36.5%). В процессе образования подвижных форм мышьяка и перераспределении элемента в профиле почвы ведущую роль играет почвообразовательный процесс. Селективный фазовый состав As в верхних горизонтах почв свидетельствует о преобладании связи элемента с фракцией слабо окристаллизованных гидроксидов Fe, что указывает на активные процессы оксидогенеза. Значительное количество мышьяка в верхнем горизонте почв связано с фракцией оксидов марганца (20 %), в то время как для остальных металлов доля этой фракции не превышает 10%.

На долю прочносвязанных форм приходится существенное количество Zn (16.3%) и Cd (12.7%). С органической и сульфидной фракцией связана незначительная часть металлов (0.1–6.3%), за исключением Cd (11.7%). Существенное количество Cu (18.5%), Cd(14.4%), Pb (11.2%) связано с карбонатной фракцией.

Результаты постадийного химического экстрагирования показали, что основной объем Zn, Pb и Cd экстрагируется на 1 этапе обработки, Cu и As – на 4 этапе. Таким образом, основная доля элементов приходится на обменную форму и форму, связанную с аморфными оксидами Fe. Соединения металлов, связанные с обменной, а также карбонатной формой, являются мобильными. Именно эти формы, при определенных условиях, могут переходить в почвенный раствор и мигрировать в составе внутрипочвенного и подземного стока, формируя широкие ареалы загрязнения в ландшафтах.

(Аналитика и прочие исследования выполнены при финансовой поддержке конкурсных программ фундаментальных исследований УрО РАН № 12-М-45-2072, № 12-И-5-2018, № 12-М-45-2051, № 12-У-1004 и проектов молодых ученых и аспирантов УрО РАН)

Материалы обработанные к настоящему времени находятся в печати в рецензируемом журнале «Научное обозрение»:

Аминов П.Г., Удачин В.Н., Филиппова К.А., Лонщакова Г.Ф., Кайгородова С.Ю.  Геохимия почв Карабашской геотехнической системы (Южный Урал) // Научное обозрение, 2013. №10.

Сибайская ГТС, Учалинская ГТС, Султановское местророждение