География и геология/6

География и геология/6. Природопользование и экологический мониторинг

Д-р биол. наук, проф. Крупская Л.Т.

Тихоокеанский государственный университет, Дальневосточный НИИ лесного хозяйства, Россия

Д-р геол.-минер. наук Зверева В.П.

Дальневосточный федеральный университет, Дальневосточный геологический институт ДВО РАН, Россия

М.н.с. Леоненко А.В.

Институт горного дела ДВО РАН, Россия

Особенности экологического мониторинга изменения объектов окружающей среды

в процессе золотодобычи

Аннотация. В докладе представлены результаты анализа и оценки экологического состояния экосферы в процессе россыпной золотодобычи. В исследуемом районе по комплексу показателей фиксируется весьма сложная «катастрофическая» и «неудовлетворительная» экологическая ситуация. Создан универсальный метод, на основе моделирования и зонирования территории горнопромышленного освоения, и разработаны принципы организации эффективной системы экологического мониторинга и изменения объектов окружающей среды, рекомендован состав работ для пунктов наблюдения.

Введение. Одним из важнейших направлений рационального природопользования в экологии является изучение влияния абиотических факторов среды на состояние экосистем в процессе золотодобычи, выявление закономерностей распределения химических элементов в экосфере, а также разработка принципов и практических мер, направленных на охрану. В настоящее время резко обозначилось главное противоречие нашей эпохи между возможностями природы удовлетворять все возрастающие потребности человека и необходимостью обеспечения экологической безопасности. Например, деятельность золотодобывающих предприятий, расположенных в бассейне реки Амур биосферного значения, оказывает негативное влияние на состояние экосферы, связанное с выбросами поллютантов в атмосферу, сбросами вредных отходов в водные объекты, накоплением их на поверхности почвы, в растениях и живых организмах, включая человека. Следствием этого является загрязнение, изменение и ухудшение состояния окружающей среды, нарушение биоразнообразия, разрушение мест отдыха населения, прилегающих к населенным пунктам, в результате чего происходит снижение качества жизни. Из биологического цикла изымаются продуктивные земли, происходит истощение и загрязнение поверхностных и подземных вод. Высокий уровень загрязнения окружающей среды, неблагоприятная экологическая ситуация, изменение облика и структуры естественных ландшафтов способствуют возникновению экологически обусловленных заболеваний. В связи с этим особое значение приобретают исследования, направленные на решение проблемы, обеспечения экологической безопасности процессов освоения минерального сырья. Поэтому целью исследований является выявление особенностей экологического мониторинга изменения объектов экосферы в зоне влияния техногенной системы и разработка принципов его организации в процессе золотодобычи с использованием информационного подхода. Исходя из цели, определены следующие задачи: 1. Проанализировать существующие методы оценки экологического состояния объектов окружающей среды в районе влияния золотодобычи; 2. Оценить уровень загрязнения экосистем отходами переработки минерального сырья с использованием информационного подхода; 3. Разработать принципы организации первого этапа горно-экологического мониторинга изменения объектов окружающей среды в зоне влияния отходов переработки россыпного золота.

Объекты и методы исследования. Методологической основой исследования послужило учение академика В.И. Вернадского [1]. Для оценки экологического состояния территории горнопромышленного освоения проведены полевые, аналитические и камеральные работы по уточнению геологического, гидрогеологического, ландшафтного строения территории, характера техногенной нагрузки (с 2001 по 2012 гг.). Использовались методы научного прогнозирования и классификации, современных инструментальных и традиционных физико-химических, химических, биологических, моделирования и статистической обработки данных. Состав потоков рассеяния загрязняющих веществ в объектах окружающей среды определялся на основании распределения химических элементов в отходах горного производства. Снежный покров (СП) изучался по методу В.Н. Василенко [2]. Для оценки экологического состояния снежного покрова, техногенных почв и растительности рассчитывался ряд показателей: коэффициент концентрации (Кс), суммарный показатель загрязнения (Zc), коэффициент значимости элементов-загрязнителей (Sз) [3]. Изучение процессов почвообразования в техногенных ландшафтах проводилось общепринятыми методами. Морфологическое описание почв и техногенных почвогрунтов, отобранных с разных глубин (0-10 см и 10-20 см), выполнялось с учетом ГОСТ 17.4.3.01-83, ГОСТ 17.4.4.02-84, а растительности – ГОСТ 27262-87. Пробы анализировались с использованием современных инструментальных и традиционных физико-химических и химических методов. В почвах определялось содержание токсичных химических элементов. Анализ наличия тяжелых металлов (ТМ) проводился в сертифицированных лабораториях ЦКП ИТиГ ДВО РАН и ДВГТУ. Образцы растительности, почвогрунтов анализировались методом атомно-абсорбционной спектрофотомерии на AAs-30 и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на ISP-MS ELASN DRC II PerkinElmer. Отобрано 780 образцов (снежный покров, почва, почвогрунты, растительность, донные отложения). Выполнено 1850 химических и микробиологических анализов.

Обсуждение результатов. Обобщение и систематизация литературных данных и материалов патентного поиска свидетельствуют о том, что в последние годы проблема организации мониторинга в горнопромышленных техногенных системах встает с особой остротой. Однако существующие в настоящее время традиционные методы анализа экологического состояния в условиях золотодобывающих предприятий не позволяют объективно его оценить [4-7 и др.]. Необходим инновационный подход к решению этой проблемы, т. е. использование новых информационных технологий (геоинформационных и экспертных систем), а также создание или адаптация существующего в других отраслях знаний программного обеспечения [7-9 и др.]. В этом случае будет дана оценка экологического состояния объектов окружающей среды в процессе золотодобычи с построением различных экологических карт, проведено моделирование возможных сценариев развития экологической ситуации и разработаны принципы организации экологического мониторинга. В Дальневосточном федеральном округе эта проблема практически не исследована [10 и др.].

Установлено, что в условиях золотороссыпного горного предприятия наибольшую угрозу представляют: нарушенные земли, образующиеся в процессе освоения недр, отходы, содержащие токсичные химические элементы в виде минералов и в целом вся территория горнопромышленного освоения (ТГПО) [5-11 и др.]. Исследование минерального состава отходов Кербинского прииска свидетельствует о том, что главными минералами являются: касситерит, вольфрамит, ильменит, магнетит, гематит, галенит, сфалерит и арсенопирит. Спектральным анализом отдельных фракций шлихов Кербинского прииска выявлены высокие и повышенные содержания Hg, Zn, Cu, Pb, As, Mn, Со, Ni и др. химических элементов. Аномальные концентрации в основном сосредоточены в местах хранения отходов (шлихообогатительных установках, ШОУ) и в почвенном профиле. Сульфидная составляющая отвалов, дражных полигонов и др. подвергаются гипергенным и техногенным процессам (окислению, гидролизу и др.) и, несомненно, оказывают негативное влияние на экосистемы [12, 13 и др.]. Окисление сульфидов приводит к образованию концентрированных микропоровых растворов, из которых происходит процесс кристаллизации гипергенных и техногенных минералов. Растворы содержат широкий спектр ионов. Их начальное состояние можно характеризовать величиной рН ≤ 3, когда в растворе присутствуют следующие ионы: Fe⁺², Cu⁺², Pb⁺², Zn⁺², AsO₄^-4, H₂AsO₄^-4, HSO^-_4, SO₄^-2; а при рН ≥ 3 – Fe⁺², Cu⁺²,[Pb₄(OH)₄]⁺⁴, [Zn(ОH)]⁺, H₂AsO₄^-, H₂AsO₄^-2, SO₄^-2. Природно-климатические условия в районе исследования влияют на миграцию растворимых продуктов гипергенеза, что способствует более широкому техногенному загрязнению почв и биоты.

Проведенные исследования позволили установить высокую токсичность отходов обогащения при золотодобыче, способствующую формированию геохимических потоков, состоящих из веществ загрязнителей. В них содержатся (мг/кг): мышьяк – 807, свинец – 115, ртуть 108, цинк – 95, медь – 47,8, никель – 22,8. Несмотря на, сокращение в последние годы объемов золотодобычи и нарушения земель экологическая ситуация в районе исследования остается напряженной. Например, золотодобыча, проводившаяся горным предприятием «Кербинский прииск», более чем за столетний период разработок способствовала значительному изменению пойм многих долин, занятых разновозрастными дражными полигонами и гидромониторными полями, а также отвалами, что, несомненно, отрицательно сказалось на экологическом состоянии объектов окружающей среды.

Установлено, что снежный покров (СП), обладая высокой сорбционной способностью, накапливает вещества (в том числе пылевые частицы различного происхождения), является индикатором техногенного загрязнения объектов окружающей среды. Содержание тяжелых металлов в снежном покрове значительно превышает их фоновую концентрацию. Максимальные концентрации Zn, Cu, Ni в растворенной фазе отмечаются по всем точкам на расстоянии 100 м от шлихообогатительной установки. При сравнении концентраций тяжелых металлов (ТМ) в его растворенной фазе обнаружено значительное превышение их значений по сравнению с ПДК для Сu в 11, Mn – 3, Zn – 2, Hg – 3 раза. Взвешенная фаза СП характеризуется интенсивным загрязнением в южном и восточном направлениях. Свинец в растворенной форме со снегом мигрирует в восточном и северном направлениях, в то время как Mn – только в северном. Во взвешенной форме миграция свинца и марганца происходит в южном и восточном направлениях. В растворенной форме мышьяк распространяется на запад, а в твердой фазе – на восток. Значения суммарного показателя (Zc) и пылевой нагрузки (Pn) снежного покрова свидетельствуют о том, что они высоки – Zc 161 и Pn 1717 мг/м²в сутки. Выявлено, что наибольшая масса загрязняющих веществ сконцентрирована во взвешенной фракции. Растворенная фракция содержит свинца 0,006-0,007 мг/дм³, а взвешенная – 91-139 мг/кг. Среднее поступление токсичных веществ в СП в зимние сезоны 2003-2008 гг. составило более 15000 мг/м². Сравнивая суммарный показатель загрязнения (Zc) элементов по их направлениям, отметим, что загрязнение снежного покрова тяжелыми металлами происходит в восточном направлении – Hg. Sn, W, As; южном – Hg, Sn, Cu, W, As; северном – Hg; и западном – Hg, As.

Депонентом техногенного загрязнения также является почва, а биота – универсальным интегрирующим показателем состояния экосистем, как природных, так и техногенных. В почвенном покрове техногенной системы установлены следующие закономерности распространения токсичных элементов: 1) почвогрунты в границах зоны ее влияния характеризуются высокой степенью техногенного нарушения и загрязнения токсикантами, причем распределение валовых форм ТМ (Cu, Zn и Pb) имеет вид убывающей кривой с максимальной концентрацией в верхней части почвенного профиля (0-5 см). Так, например, горизонт А₁ характеризовался накоплением меди, цинка и свинца в количествах (мг/кг): 35,9; 98,1 и 17,9, соответственно; в горизонте В фиксировалось их снижение до 22,9; 56,2 и 13,2 мг/кг; 2) в условиях аэрируемых кислых суглинистых почв, с органическим веществом фульватного типа в суровой почвенно-гидрологической обстановке при наличии длительной сезонной мерзлоты подвижные формы ТМ (Cu, Hg и др.) мигрируют в нижеследующие горизонты; 3) в техногенных почвах выявлены высокие концентрации следующих элементов (мг/кг): Zn 119, Cu 31, Pb 78, Ni 17. Концентрация Zn превышает ПДК в 5,2 раза, Cu – 10,3, Pb – 13, Ni – 4,25. По миграционной способности тяжелые металлы образуют следующий ряд: Zn > Cu > Pb. Содержание химических элементов в техногенных почвах практически не изменилось за период с 2003 по 2006 гг. Полученные результаты отличаются не более чем в 1,2 раза, что подтверждает сопоставимость разновременных опробований. Изменения фиксировались в 2009 г. (в сторону уменьшения ТМ), когда выпало максимальное количество осадков (700 мм).

На основании проведенных исследований обнаружено повышенное количество химических элементов Zn, Hg, As, Mn, в растениях, произрастающих вблизи шлихообогатительной установки (до 7-8 км). Высокие концентрации Zn в растительности зафиксированы в западном направлении (более 80,0 мг/кг) и северо-восточном (52,5 мг/кг) на расстоянии 300 м от источника. Отмечается довольно высокое содержание As по сравнению с фоновым значением в полыни обыкновенной – 2,72 мг/кг и кукушкином льне обыкновенном – 1,19. Миграция As происходит в восточном и западном направлениях, а цинка – в северном. Установлено, что полынь обыкновенная, малина сахалинская, кукушкин лен обыкновенный, пижма северная обладают достаточно высокой способностью извлечения Cu, Zn, Hg, As и др. химических элементов из почв. Береза плосколистная и хвощ лесной характеризуются меньшей способностью к аккумуляции: 0,12 и 0,15 мг/кг, соответственно. Выявлено, что максимальное загрязнение характерно для почв и растительности тех участков, которые расположены рядом со шлихообогатительной установкой, где оно превосходит фон на 2-3 порядка.

Следует отметить, что различные виды растений, находясь даже в одинаковых экологических условиях, обладают разной способностью к накоплению ТМ. Коэффициент биологического накопления (КБН), рассчитанный для растений зоны влияния техногенной системы, показывает, что их содержание в растительности зависит от наличия подвижных форм в почвенном растворе. Так, для Zn он варьирует от 1,79 до 5,84, Cu – 0,71-5,36, Pb – 1,23-6,23, Hg – 0,32-0,77 (табл. 1).

Таблица 1 – Дифференциация тяжелых металлов по значениям коэффициента биологического накопления растениями в зоне влияния техногенной системы (Кербинский прииск)

Название растения	Элементы биологического накопления			Элементы биологичес-кого захвата
Название растения	Энергичного накопления 100-10	Сильного накопления 10-1	Слабого накопления 1-0,1	Слабого захвата 0,1-0,01
Полынь обыкновенная		As, Cd, Cu, Zn, Pb	Hg, Sn
Пижма северная		Cu, Pb	Hg, Zn
Лишайник Уснея	Cu	Zn, Cd, Pb	As	Hg, Sn
Кукушкин лен		Pb, Zn, Cu, As	Sn	Hg
Лиственница Каяндера	As	Cu, Zn	Pb	Hg, Sn
Малина сахалинская	Cu	Zn, As, Cd	Pb	Hg
Плаун булавовидный		Cu	As, Zn, Pb	Hg
Береза плосколистная*		Zn	Cu	Pb, Sn
Ольха пушистая		Cu, Zn, Pb, Cd	Pb	Hg, Sn
Багульник болотный		Zn, Pb, As, Cd, Cu, Hg		Sn

Примечание: * – очень слабого захвата (0,01-0,001) – Hg, As.

Индикатором экологического состояния окружающей среды и показателем загрязнения водотоков являются донные осадки, которые аккумулируют токсичные химические элементы. Самые высокие концентрации Zn и Mn обнаружены в 100 м от шлихообогатительной установки в южном направлении 169 и 676 мг/кг. Несколько меньшие величины зафиксированы в восточном направлении (мг/кг): Cu – 54,7, Pb – 45,6, As – 3,3, Hg – 2,12, Cd – 0,42. Сравнение данных в период 2003-2010 гг. позволяет констатировать увеличение средних концентраций различных элементов ТМ в донных отложениях в 1,3 раза. Однако, в 2009 г. фиксировалось некоторое снижение содержания Cu, Pb, Cd, Mn, видимо, в связи с интенсивными ливневыми дождями в этот период произошла их десорбция в результате вымывания. В настоящее время донные отложения в районе исследования повсеместно загрязнены ТМ, что проявляется при исследовании как валовых, так и подвижных форм. По полученным результатам загрязнение донных осадков оценивается как очень опасное по содержанию Hg, Zn и Cu, опасное – Pb и As, умеренно опасное – Cd. Наблюдается превышение их концентрации по сравнению с фоновыми величинами от 1,4 до 21 раза.

Общеизвестно, что техногенное загрязнение экосистем оказывает отрицательное воздействие на здоровье населения. Дети более чувствительны к негативным изменениям состояния среды обитания. Результаты анализа биологического материала (волосы детей пос. Бриакан) свидетельствуют о более высоком уровне содержания в нем токсичных элементов по сравнению с другими регионами России. Содержание ТМ здесь оказалось выше в 1,3 раза, чем в Центральном Черноземье, Нечерноземье и др. (табл. 2).

Таблица 2 – Содержание некоторых химических элементов в биологическом материале (волосы детей, мгк/г), проживающих в различных регионах России [14] и горняцком поселке Бриакан Хабаровского края

Регионы

пос. Бриакан

Нечерноземье

Центральное Черноземье

Закавказский (горный)

5,85

3,58

7,24

4,81

16,18

11,00

10,10

10.50

0,19

0,38

0,35

198,95

132,80

131,50

155,70

3,21

1,33

Полученные результаты исследования послужили основой создания метода проведения экологического мониторинга (ЭМ) в зоне влияния процессов золотодобычи. Предложены следующие его принципы: открытость системы и возможность использования подсистемы более низкого уровня, безусловный учет всех источников техногенного загрязнения объектов окружающей среды, связанных с процессами золотодобычи, в том числе специфики формируемых техногенных потоков, недостаточная степень изученности исследуемой территории.

Важным моментом при организации экологического мониторинга является учет фактора техногенного загрязнения, которое происходит закономерно-направлено и в соответствии с природно-естественным механизмом миграции загрязняющего вещества, в пределах бассейна водосбора того или иного порядка. Этот механизм выражается следующей моделью: водораздел – денудационный бассейн – материковый бассейн аккумуляции – морской седиментационный бассейн [10].

Рекомендуется заложение сети постоянных площадей, а также пунктов наблюдения и мест опробования с учетом контроля не только источников воздействия на среду обитания, но и экосистем на таком расстоянии от техногенных объектов, где не должно прослеживаться превышение ПДК. Кроме того, исследования должны проводиться на фоновых участках, т. е. вне зоны возможного техногенного влияния и доступа людей, а пункты наблюдательной сети должны размещаться вблизи источников загрязнения и в пределах земельного отвода золотодобывающего предприятия. Существующие и проектируемые гидрометеорологические посты и станции, а также пункты наблюдения за изменением объектов окружающей среды (Росгидромета и других организаций) могут рассматриваться в качестве предлагаемой сети наблюдений, где предполагается проведение стационарных измерений количественных и качественных показателей их экологического состояния.

Экологический мониторинг изменения экосистем в зоне влияния территории горнопромышленного освоения предусматривает при обосновании состава работ увязку с существующими требованиями и спецификой техногенных потоков, возникающих в процессе золотодобычи. Предполагается также картирование территории, непосредственно примыкающей к источнику загрязнения, и в первую очередь его санитарно-защитной зоны. Требуется особая тщательность при исследовании существующих ореолов аэрогенного, гидрогенного и других загрязнений объектов окружающей среды.

Нами предлагается в состав работ на пунктах наблюдения Государственного и экологического мониторинга в зоне влияния техногенной системы включить исследование такого показателя, как химический состав сухого остатка. К сожалению, в настоящее время в перечне работ он отсутствует. Авторами статьи доказано, что от 60 до 80 % токсичных химических элементов переносится водой не в растворенной, а во взвешенной форме (коллоидные и тонкодисперсные частицы). Рекомендуется также проводить анализ проб донных осадков и почвенного покрова.

Для более объективной оценки техногенного загрязнения водных потоков предлагается: 1) определение интегрального содержания химических элементов как в растворенной, так и во взвешенной формах; 2) проведение анализа сухого остатка и твердого осадка снеговой воды; 3) использование показателей экологического состояния природных сред: коэффициента концентрации (Кс) и биологического накопления (КБН), а также суммарного – загрязнения (Zc). Полученные материалы являются основой базы данных горнопромышленных отходов, систематизированной в виде компьютерной модели.

Заключение. На основе проведенных исследований определен уровень техногенной нагрузки на экосферу в процессе россыпной золотодобычи, создан универсальный метод и на основе моделирования и зонирования территории горнопромышленного освоения разработаны принципы организации эффективной системы экологического мониторинга изменения объектов окружающей среды и рекомендован состав работ для пунктов наблюдения.

Литература

1. Вернадский, В.И. Биосфера / В.И. Вернадский. – М.: Мысль, 1967. – 367 с.

2. Василенко, В.Н. Мониторинг загрязнения снежного покрова / В.Н. Василенко, И.М. Назаров, Ш. Д. Фридман. – Л.: ГИМИЗ, 1985. – 232 с.

3. Черных, Н.А. Экологический мониторинг в биосфере / Н.А. Черных, С.Н. Сидоренко. – М.: Изд-во РУНД, 2003. – 430 с.

4. Перельман, А.И. Геохимия ландшафта и горная наука / А.И. Перельман, А.Е. Воробьев // Горное производство и наука на рубеже веков: сб. – М.: РАЕН, 1996. – С. 47-55.

5. Трубецкой, К.Н. Устойчивость биологических сообществ и экологическая безопасность технологий освоения земных недр / К.Н. Трубецкой, Ю.П. Галченко // Горный Вестник. – 1998. – № 5. – С. 3-9.

6. Капралов, Е.Г. Основы геоинформатики / Е.Г. Капралов. – М.: Изд. Центр «Академия», 2004. – 480 с.

7. Бойко, В.В. Модель загрязнения урбанизированной территории / В.В. Бойко, В.В. Приваленко, В.Л. Шустова // Известия вузов: Сев-Кавк. регион. – 2003. – № 6. – С. 50-52.

8. Филиппова, А.А. Автоматизированная система экологического мониторинга угольной шахты на базе ГИС технологии / А.А. Филиппова, В.М. Шек // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2003. – № 12. – С. 141-143.

9. Шек, В.М. Использование геоинформационных технологий при обеспечении экологической безопасности биоты (на примере ОАО «Солнечный ГОК») / В.М. Шек, А.В. Крупский, Л.Т. Крупская // Экология промышленного производства. – 2011. – Вып. 1. – С. 22-24.

10. Бубнова, М.Б. Разработка мероприятий по организации горно-экологического мониторинга на юге Дальнего Востока / М.Б. Бубнова // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2009. – № 11. – С. 253-257.

11. Растанина, Н.К. О роли экологических факторов в изучении здоровья населения горняцких поселков на юге Дальнего Востока / Н.К. Растанина, Л.Т. Крупская // Экология и промышленность России. – 2008. – Декабрь. – С. 56-57.

12. Яхонтова, Л.К. Основы минералогии гипергенеза / Л.К. Яхонтова, В.П. Зверева. – Владивосток: Дальнаука, 2000. – 331 с.

13. Зверева, В.П. Экологические последствия гипергенных и техногенных процессов на оловорудных месторождениях Дальнего Востока // Автореф. дис. … докт. геол.-мин. наук / В.П. Зверева. – Владивосток: Дальнаука, 2005. – 48 с.

14. Гудков, А.В. Общая детская заболеваемость и тяжелые металлы в окружающей среде г. Владивостока / А.В. Гудков, В.Н. Багрянцев, В.Г. Кузнецов // Инфекционная патология в Приморском крае. – Владивосток: Дальнаука, 1994. – С. 96-97.