БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Для характеристики элементного состава золы углей и вмещающих пород апробировалась скважина №7–2000 Буреинского угольного разреза, включающая в себя группу пластов Б-6 и Б-7. Образцы углей и вмещающие породы отбирались из буровых кернов через 10 см. Общая толщина угольного пласта более 7 м. Кровля и почва пластов в большинстве случаев сложены тонкозернистыми породами: алевролитами, аргиллитами включениями туффитов и песчаниками. Угли месторождения гумусовые, каменные [3]. Промышленное освоение данных пластов осуществляет ОАО "Ургалуголь". Разработка углей ведется открытым способом. Угли данного месторождения в качестве топлива используются в котельных пос. Чегдомын и бытовых печах частного сектора. Детальное опробование угольного разреза позволяет получить осредненную характеристику элементного состава золы углей для оценки загрязнения воздушной среды и почв поселка продуктами его сгорания, зола и шлаки являются отходами угольной энергетики, а вмещающие осадочные породы характеризуют геохимический природный фон обследуемой территории.

Угли и вмещающие породы в лабораторных условиях в муфельной печи при температуре 800 ^оС подвергались полному озолению, а в исходной золе определялись химические элементы. По потере веса при прокаливании рассчитывалась зольность образцов проб.

Подготовленные соответствующим образом пробы углей, вмещающих пород Буреинского угольного разреза и взвешенные вещества снежного покрова пос. Чегдомын и его окрестностей подвергались полному эмиссионно-спектральному анализу в центральной лаборатории физических методов исследований ФГУГГП "Хабаровскгеология".

Полный эмиссионно-спектральный анализ в пробе незначительной навески позволяет одновременно определить свыше 40 химических элементов, металлов, и по этим возможностям, а также по скорости, оперативности, сходимости и воспроизводству результатов аналитических работ он превосходит практически все разработанные к настоящему времени виды анализов, предусматривающих определение тяжелых металлов в твердом веществе.

Определялись золообразующие элементы - кремний, алюминий, магний, кальций, железо, натрий, калий, а также химические элементы, относящиеся к разряду тяжелых металлов - марганец, никель, кобальт, титан, ванадий, хром, молибден, вольфрам, ниобий, тантал, цирконий, медь, свинец, серебро, сурьма, висмут, мышьяк, цинк, кадмий, олово, германий, галлий, барий, бериллий, уран, торий, иттрий, иттербий, лантан, стронций, церий, скандий, литий, бор, теллур, селен и фосфор (т.е. 7 макроэлементов, 37 микроэлементов, всего – 44 химических элемента).

Из 37 определяемых микроэлементов в зольном составе углей обнаружено 27 химических элементов: марганец, никель, кобальт, титан, ванадий, хром, молибден, ниобий, цирконий, медь, свинец, серебро, висмут, мышьяк, цинк, олово, германий, галлий, барий, бериллий, иттрий, иттербий, лантан, стронций, скандий, литий и фосфор. За пределами обнаружения находились 10 элементов: вольфрам, тантал, сурьма, кадмий, уран, торий, церий, бор, теллур, селен.

Следует особо подчеркнуть, что мышьяк обнаружен только в 6 прослоях угля, зольность которых составляет менее 10 %. В остальных пробах углей, вмещающих пород мышьяк не обнаружен. Мышьяк также не обнаружен в водной фазе снежного покрова. Во взвешенном веществе снежного покрова, из 27 перечисленных элементов для углей не обнаружены германий, мышьяк, висмут, литий, фосфор, то есть 5 химических элементов.

С практической и теоретической точек зрения целесообразно сравнение средних значений элементного химического состава вмещающих осадочных пород в целом, то есть песчаники + алевролиты + аргиллиты + туффиты (что характеризует природный геохимический фон территории) с элементным составом углей, отличающихся между собой по зольности, и элементным состав взвешенных веществ снежного покрова, как результат отхода топливной энергетики (таблица 1).

Имеющиеся в наличии материалы, на наш взгляд, позволяют подойти к расчету местных кларков, то есть средних значений для элементов в золе углей, осадочных породах и взвешенных веществах снежного покрова на территории обследования.

Известно, что некоторые элементы содержаться в золе угля в более высоких концентрациях, чем во вмещающих угольные пласты породах. Так как минеральные компоненты большинства углей, во всяком случае, средне- и высокозольных, представляют собой терригенный материал, то мы наблюдаем обогащение его определенными элементами при озолении угля. Это обогащение происходит в значительной мере потому, что специфические для угля элементы концентрируются в биогенной и сорбционных формах, связанных с органическим веществом. При озолении они "добавляются" в состав золы сверх того количества, которое содержится в терригенном материале. Ясно, что особенно сильно должна обогащаться зола малозольных углей. Такие специфические для угля элементы Я.Э. Юдович предложил называть типоморфными [2, 4, 5].

Значения угольных кларков позволяют рассчитать кларки концентрации (КК) элементов в золах углей, то есть вычислить среднюю оценку типоморфности для каждого элемента. По градации Э.Я. Юдовича, элементы с КК, меньшими 1, называются нетипоморфными, 1–2 – умеренно типоморфными, 2–5 – просто типоморфными, и более 5 – высокотипоморфными [6].

С целью оценки типоморфности рассматриваемых элементов нами рассчитаны местные кларки для вмещающих угольные пласты осадочных пород, местные кларки элементов для углей Буреинского угольного разреза и кларки содержания элементов для взвешенных веществ снежного покрова. В то же время нами рассчитаны средние содержания элементов для золы всех углей, характеризующихся средней зольностью 24,7 %, и углей, отличающихся между собой по зольности, со средней зольностью 27,1 % и 10,2 % соответственно.

Как следует из ее данных, максимальное содержание микроэлементов по отношению к осадочным вмещающим породам наблюдается в углях с наименьшей зольностью. Относительно углей со средней зольностью 10,2 % к вмещающим породам к нетипоморфным элементам относятся цинк (КК=0,3), фосфор (КК=0,8), стронций (КК=0,9), кремний и алюминий (КК=0,9 и 0,7 соответственно), магний (КК=0,9) и калий (КК=0,2).

Таблица 1
Кларки концентрации углей разной зольности, вмещающих осадочных пород (ВОП)

Буреинского угольного разреза, взвешенных веществ снежного покрова (ВВ) (мг/кг)

и коэффициенты концентрации (КК) по отношению к вмещающим породам

Элемент	Кларки концентрации					Коэффициенты концентрации (КК)
	Уголь, зольность			ВОП, мг/кг	ВВ, мг/кг
	27.1%	24.7%	10.2%			Уголь 10%/ВОП	ВВ/ВОП	Уголь	10% 27%
Ge	2.0	2.2	3.5	1.4	–	2.5	–	1.8
Sn	1.6	1.7	1.8	1.8	1.5	1.0	0.8	1.1
Mo	2.8	3.7	9.3	2.4	2.0	3.8	0.8	3.3
Cu	20.0	20.5	23.3	14.2	25.5	1.6	1.8	1.2
Pb	31.7	34.0	48.3	31.4	31.5	1.5	1.0	1.5
Zn	23.5	24.3	28.0	96.8	116.9	0.3	1.2	1.2
Ag	0.1	0.1	0.1	0.1	0.1	1.2	1.2	1.8
As	0.0	–	46.7	–	–	–	–	–
Bi	0.4	0.6	1.0	0.7	–	1.5	–	2.4
Li	10.0	10.0	10.0	10.0	–	1.0	–	1.0
Co	8.6	9.3	12.7	11.3	4.2	1.1	0.4	1.5
P	325.0	333.3	383.3	498.3	–	0.8	–	1.2
Ni	24.1	24.7	28.3	18.0	9.5	1.6	0.5	1.2
Be	2.2	2.5	4.0	1.5	2.6	2.6	1.7	1.8
V	72.8	77.1	103.3	53.3	43.4	1.9	0.8	1.4
Mn	138.6	189.3	493.3	112.2	312.0	4.4	2.8	3.6
Cr	73.9	74.3	76.7	41.3	23.5	1.9	0.6	1.0
La	38.1	39.0	45.0	39.1	49.6	1.2	1.3	1.2
Nb	6.5	6.6	7.3	5.1	6.6	1.4	1.3	1.1
Ba	233.3	254.8	383.3	308.9	182.2	1.2	0.6	1.6
Sr	132.4	137.5	166.7	192.6	100.0	0.9	0.5	1.3
Ti	6 000.0	6 000.0	6 000.0	4 040.4	2 633.3	1.5	0.7	1.0
Y	18.6	18.5	18.3	14.3	8.2	1.3	0.6	1.0
Zr	297.2	292.9	266.7	219.7	154.7	1.2	0.7	0.9
Yb	2.1	2.1	2.0	1.8	1.4	1.1	0.8	0.9
Ga	21.4	22.1	26.7	22.5	12.3	1.2	0.5	1.2
Sc	5.4	5.5	5.7	5.2	4.2	1.1	0.8	1.0
Si	186 000.0	186 000.0	175 000.0	197 000.0	180 000.0	0.9	0.9	0.9
Al	68 000.0	68 000.0	61 666.7	71 333.3	52 000.0	0.9	0.7	0.9
Fe	13 000.0	13 000.0	19 166.7	12 666.7	24 000.0	1.5	1.9	1.5
Ca	2 233.3	2 233.3	5 000.0	1271.0	4 420.0	3.9	3.5	2.2
Mg	3 166.7	3 166.7	3 833.3	2 892.6	2 653.3	1.3	0.9	1.2
Na	2 500.0	2 500.0	3 166.7	4 688.9	1 643.3	0.7	0.4	1.3
K	14 000.0	14 000.0	13 333.3	19 000.0	3 210.5	0.7	0.2	1.0
зола	27.1	24.7	10.2	84.1

Умеренно типоморфными элементами являются олово, медь, свинец, серебро, висмут, литий, кобальт, никель, ванадий, хром, лантан, ниобий, барий, титан, иттрий, цирконий, иттербий, галлий, скандий, железо, магний. К просто типоморфным элементам относятся германий, молибден, бериллий, марганец и кальций.

Разница соотношений между элементами отчетливо проявляется в углях малой зольности – 10, 2 % и углях при средней зольности 27,1 %. Чем меньше зольность, угля тем выше содержание микроэлементов в зольном остатке.

С другой стороны, содержание микроэлементов во взвешенном составе снежного покрова по отношению к вмещающим породам имеет определенные отличия от зольного состава углей. Как отмечено ранее, во взвешенном веществе снежного покрова за пределами обнаружения эмиссионно-спектральным анализом находились германий, мышьяк, висмут, литий, фосфор. К нетипоморфным химическим элементам в нем относятся следующие элементы: олово, молибден, кобальт, никель, ванадий, хром, барий, стронций, титан, иттрий, цирконий, иттербий, галлий, скандий, кремний, алюминий, магний, натрий и калий.

По всей видимости, представленная ассоциация химических элементов переходит в растворимую фракцию снежного покрова.

Только такие элементы, как медь с (КК=1,8), цинк (КК=1,2), серебро (КК=1,2), бериллий (КК=1,7), марганец (КК=2,8), лантан (КК=1,3), ниобий (КК=1,3), железо (КК=1,9), кальций (КК=3,5) имеют более высокое содержание по отношению к осадочным породам исследуемого района. На настоящий момент можно ставить вопрос о загрязнении почвенного покрова пос. Чегдомын вышеперечисленной ассоциацией химических элементов. Ранее было показано [1], что такие элементы, как медь, цинк и марганец в более высоких концентрациях по отношению к зольному составу углей находятся в чистой саже. При количественной оценке загрязнения взвешенными веществами снежного покрова, видимомо, целесообразно ориентироваться на осредненный элементный состав взвешенных веществ и на их количество в снежном покрове.

2. Китаев И.В. Золообразующие и малые элементы углей Дальнего Востока. – Владивосток: ДВО АН СССР, 1989. – 140 с.

3. Опритов В.В., Шарикова Е.А., Коновалова Л.Н. Физико-химические свойства углей Дальнего Востока. М.: Наука, 1978. – 108 с.

4. Юдович Я.Э. Геохимическая ассоциация типоморфных элементов-примесей в углях и связанные с ними генетические проблемы // Тектоника, стратиграфия и литология осадочных формаций Якутии. Якутск,1966. С. 204–218.

5. Юдович Я.Э. Геохимия ископаемых углей. – Л.: Наука, 1978. – 262 с.

6. Юдович Я.Э., Кетрис М.П., Мерц А.В. Элементы-примеси в ископаемых углях. – Л.:Наука, 1985. – 239 с.

Как известно, растения в наземных экосистемах представляют собой высокочувствительные к загрязнению биообъекты. Они первые испытывают на себе выбросы промышленных производств, топливной энергетики, выхлопные газы автомобилей, кислотные дожди, пыль грунтовых дорог и т.д. Обладая высокой чувствительностью к этим техногенным явлениям, растения оказались хорошими биообъектами–индикаторами состояния окружающей среды с точки зрения загрязнения ее тяжелыми металлами. Там, где техногенного загрязнения нет или оно минимально, содержание тяжелых металлов в растениях отражает фоновое состояние природных экосистем, то есть представляет собой своего рода "нуль-отсчет", с которым можно сравнивать техногенные экосистемы, загрязненные тяжелыми металлами. Такие биогеохимические исследования необходимы не только для разовой оценки состояния наземных экосистем, но и для проведения фонового мониторинга, особенно на территории биосферных заповедников [15].

С другой стороны, биообъекты – водные растения, водные мхи, нитчатые водоросли, водоросли перифитона и другие гидробионты – являются высокочувствительными индикаторами состояния водных экосистем, а именно – содержания в воде тяжелых металлов. Поэтому изучение количественных продукционных характеристик автотрофных организмов и их уникальной способности к биоаккумуляции различных химических элементов, в том числе тяжелых металлов, – основная цель оценки биогеохимической трансформации и путей миграции химических элементов в природных и подверженных техногенному воздействию водных экосистемах.

С целью выявления уровней содержания тяжелых металлов в растениях на фоновых участках наземных экосистем были проведены биогеохимические исследования в бассейне р. Ургал, левого притока Буреи, на территории Верхнебуреинского района Хабаровского края. Непосредственно полигон исследований расположен в верховьях р. Ургал, в отрогах северо-западного склона Буреинского хребта.

По геоботаническому районированию Б. П. Колесникова¹, полигон биогеохимических исследований расположен в средней подзоне зоны смешанных хвойно-широколиственных лесов. Значительная пересеченность рельефа местности и относительно большие высоты Буреинского хребта обусловили здесь отчетливо выраженную высотную поясность растительности и наличие на горном склоне поясов темнохвойных, широколиственно-хвойных и широколиственных лесов. Основной фон растительности представлен еловыми лесами с лиственницей и зарослями кедрового стланика. Здесь же встречается береза плосколистная, ольха, ива Шверина, бузина Микеля. Из кустарников наиболее характерны багульники, рододендроны, малина. Повсеместно распространены кустарнички, особенно брусника. Среди травяного покрова присутствует вейник Лангсдорфа, кипрей, осока узколистная, дерен канадский. Весьма характерен для наземного покрова зеленый мох (кукушкин лен), а на деревьях, особенно на ели аянской, очень типичен лишайник Уснея, свисающий с еловых ветвей.

Коренными геологическими образованиями, на которых сформированы современные наземные экосистемы, являются породы ургальской свиты, представленные плотными, на кварцевом цементе, алевролитами, песчаниками, а также яшмовидными кварцитами и роговиками. Непосредственно на полигоне исследований в этих породах не отмечено какой-либо рудной минерализации, что свидетельствует о кларковых концентрациях химических элементов в породах и подтверждает тезис о фоновых содержаниях химических элементов, особенно тяжелых металлов, в компонентах наземных экосистем, в частности, в растительности.

На полигоне исследований (206 участок в верховье р. Ургал) проведено биогеохимическое опробование деревьев, кустарников, трав, мха и лишайника. У деревьев и кустарников (ель аянская, лиственница даурская, кедровый стланик, ольха, береза плосколистная, малина сахалинская, багульник болотный, багульник плосколистный, рододендрон амурский, бузина Микеля, ива Шверина) опробовались листья (хвоя) и ветви, у кустарничков и трав (брусника, вейник Лангсдорфа, кипрей, осока узколистная, дерен канадский), мха зеленого (кукушкина льна) – наземная часть, а лишайник Уснея, свисающий с ветвей деревьев исследовался целиком.

В водных экосистемах биогеохимическому обследованию подвергались водоросли перифитона водотоков бассейна р. Бурея (реки Правая и Левая Бурея, р. Бурея от стрелки до ж/д моста пос. Усть-Ургал, Ургал, Чегдомын и ряд их притоков). Опробовано 50 образцов проб перифитона.

Сравнительный анализ среднего содержания тяжелых металлов в анализируемых объектах позволяет подойти к рассматриваемому вопросу с нескольких позиций.

С биогеохимической точки зрения, практический и научный интерес представляет сравнительный анализ тяжелых металлов, определяемых в зольных остатках осадочных пород ургальской свиты, формирующих район обследования, и в современной наземной флоре рассматриваемого региона.

Осадочные породы, наземная растительность, почвенный покров являются источниками поступления тяжелых металлов в водную среду.

В таблице 1 представлены данные о среднем содержании 25 тяжелых металлов, имеющих практически 100 % встречаемость в исследуемых образцах.

Таблица 1

Среднее содержание металлов в осадочных породах ургальской свиты (ВОП),

зольного состава наземных растений и перифитона водотоков бассейна р.Бурея