Ландшафтно-геохимические исследования на Сахалине

Вестник ДВО РАН. 2006. № 1

Т.М.ПОБЕРЕЖНАЯ

Ландшафтно-геохимические исследования на Сахалине

Приведены данные по региональной геохимии ландшафтов. Показаны особенности техногенного загрязнения почв на урбанизированных и сельскохозяйственных территориях, в районах нефтегазодобычи.

Geochemical studies of landscapes on Sakhalin Island. T.M.POBEREZHNAYA (Institute of Marine Geology and Geophysics, FEB RAS, Yuzhno-Sakhalinsk).

The key data of regional geochemistry of landscapes are given. Peculiarities of technogenic pollution of soils on urbanized and agricultural territories and in the regions of oil & gas production are shown.

Ландшафтно-геохимические исследования проводятся на Сахалине с 1989 г. в рамках экологического направления ИМГиГ ДВО РАН. Ландшафт - неравновесная динамическая многокомпонентная система, центром которой является почва. Геохимия ландшафта изучает ландшафт «с точки зрения судьбы атома в данной системе» [5]. Химические элементы, попадающие в почву, в зависимости от геохимической обстановки включаются в процессы миграции или накопления, поступают в биологический круговорот. Химизм почвы, уровень содержания в ней основных биогенных элементов и микроэлементов оказывают прямое влияние не только на обитателей этой среды жизни, но и на биоту наземных экосистем. Поэтому использование ландшафтно-геохимического подхода органично дополняет биологическую составляющую экологических исследований, проводимых в ИМГиГ.

Приведем основные результаты изучения геохимических ландшафтов Сахалина: составлена ландшафтно-геохимическая карта Сахалина масштаба 1 : 4 000 000; определены основные классы водной миграции химических элементов, определяющие их подвижность в ландшафтах острова, и основные типы геохимических барьеров, на которых они накапливаются;

установлены фоновые содержания микроэлементов и нефтяных углеводородов в основных типах почв Сахалина;

выявлены особенности техногенного загрязнения почв.

Ландшафтно-геохимическая карта Сахалина масштаба 1: 4 000 000 была составлена на первом этапе исследований [7]. В основу ее построения положены принципы геохимической классификации ландшафтов, разработанные А.И.Перельманом [5]. Наиболее крупными таксономическими единицами на карте (рис. 1) являются типы и семейства геохимических ландшафтов, формирование которых определяется биоклиматическими особенностями. Главная закономерность размещения типов и семейств - зональность. В пространстве выделяемым типам и семействам геохимических ландшафтов соответствуют обычно ландшафтные зоны и подзоны. С использованием данного методологического подхода

ПОБЕРЕЖНАЯ Татьяна Михайловна - кандидат геолого-минералогических наук (Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН, Южно-Сахалинск).

Рис. 1. Ландшафтно-геохимическая карта о-ва Сахалин (легенда сокращена). 1 - границы семейств геохимических ландшафтов: С.Т. - северной тайги, Ср.Т. - средней тайги, Ю.Т. - южной тайги; 2-4 - классы геохимических ландшафтов: 2 кислый, кислый теевый, 3 - кислый глеевый, 4 - кислый; 5 - границы геохимических родов ландшафтов (1 - 3 внутри геохимических классов): 1 - медленный водообмен, химическая денудация часто преобладает над механической (плоскоравнинный рельеф), 2 - средний водообмен, соотношение между механической и химической денудацией различное (холмистый рельеф, расчлененные возвышенности), 3 - энергичный водообмен, механическая денудация местами преобладает над химической (горный сильно расчлененный рельеф); 6 - границы природоохранного районирования ландшафтов (римские цифры в кружках): I - районы с большой техногенной нагрузкой, неустойчивыми и малоустойчивыми биогеоценозами; требуются очищение загрязненных компонентов ландшафта, организация системы мониторинга почв, поверхностных и подземных вод, воздуха, флоры и фауны, II - районы со слабой самоочищающейся способностью ландшафтов; необходимо снижение нагрузки техногенного воздействия, организация системы мониторинга почв, поверхностных вод, флоры и фауны; III - районы распространения агроландшафтов; необходимы почвозащитные мероприятия, мониторинговые наблюдения почв, поверхностных и грунтовых вод; IV - районы минимального воздействия техногенных потоков, с высокой способностью ландшафтов к самоочищению; необходим фоновый мониторинг почвенного покрова

ландшафтно-геохимическая карта построена на основе карт растительности и почв Сахалина [1]. В общей сложности на территории острова выделены один тип геохимических ландшафтов - таежный - и три семейства: северной, средней и южной тайги.

Распределение семейств на классы проводили на основе полевых наблюдений и изученных свойств почв острова [3, 4]. В пределах указанных семейств выделено три класса геохимических ландшафтов, различающихся по условиям водной миграции химических элементов: кислый, кислый глеевый; кислый; кислый глеевый. Среда миграции - маломинерализованные, кислые и слабокислые воды, местами с органическим веществом. В таких условиях подвижны большинство химических элементов.

Роды геохимических ландшафтов выделены по интенсивности водообмена, соотношению химической и механической денудации, контрастности между автономными и подчиненными ландшафтами, т.е. они отражают геоморфологические условия. Для этой цели была использована геоморфологическая карта Сахалина [1]. Помимо условных контурных обозначений при составлении карты использованы также внемасштабные знаки, к которым относятся геохимические формулы и контуры техногенных ландшафтов, занимающие малую в этом масштабе площадь, но несущие важную геохимическую информацию. На основе составленной ландшафтно-геохимической карты о-ва Сахалин проведено предварительное районирование территории острова по особенностям проведения природоохранных мероприятий [7].

В настоящее время накоплено достаточно новых данных для построения уточненной ландшафтно-геохимической карты более крупного масштаба. В частности, экологогеохимические работы на северо-востоке Сахалина выявили геохимические ландшафты кислого сульфидного класса, нового не только для Сахалина, но и в целом для таежной зоны. В работе А.И.Перельмана [5] ландшафты близкого, соленосно-сульфидного класса описаны только для влажных тропиков. Ландшафты кислого сульфидного класса были обнаружены нами на низменных заболоченных участках морских берегов. В этих местах, очевидно, происходит подпитка морской водой, и в восстановительной обстановке болотных почв сульфаты морской воды образуют свободный сероводород. В полевых условиях ландшафты данного класса легко картируются по запаху сероводорода при вскрытии почвы шурфом или прикопкой.

Основными факторами перемещения химических элементов в ландшафтах являются режим кислорода и серы, а также щелочно-кислотная обстановка в почвах. Сочетание окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий в почвах определяет класс водной миграции ландшафта. По уточненным данным, на Сахалине имеют распространение 4 класса геохимических ландшафтов, характеризующиеся различной подвижностью микроэлементов (МЭ) и нефтяных углеводородов (НУВ).

1. Кислый класс (Н+) формируется в кислых окислительных условиях среды на бескарбо-натных силикатных породах при наличии хорошего дренажа, исключающего заболачивание автономных ландшафтов. Окислительная обстановка способствует окислению двухвалентного железа, марганца и других элементов, ограничивая их подвижность в ландшафтах.

2. Кислый глеевый класс (Н+-Бе2+) формируется в кислой восстановительной среде без сероводорода на плоских не дренированных водоразделах, на пологих склонах и в понижениях рельефа, где в почвах развивается оглеение, обычны подвижные формы гумуса. Восстановительная обстановка без сероводорода определяет высокую подвижность железа, марганца и многих других металлов в составе органических комплексов.

3. Кислый, кислый глеевый класс (Н+-Бе2+, Н+) характеризуется чередованием окислительной и восстановительной глеевой обстановок в почвах в зависимости от степени их переувлажнения. Он формируется на слабодренированных водоразделах и пологих склонах. По условиям миграции МЭ и НУВ это промежуточный класс между кислым и кислым глеевым классом.

4. Кислый сульфидный класс формируется в кислой восстановительной сероводородной среде на низких заболоченных морских берегах в условиях подтопления морской водой. Появление в водах и почвах Н28 приводит к осаждению металлов, образующих нерастворимые сульфиды, т.е. резко ограничивает их подвижность в ландшафтах.

По нашим данным, почвы с восстановительной сероводородной обстановкой отличаются высокими фоновыми содержаниями нефтяных углеводородов хрома, фосфора, серебра, цинка, никеля, кобальта, свинца (рис. 2). В почвах с условиями сероводородного геохимического барьера накапливаются аномально высокие содержания серебра, цинка, фосфора, свинца, ванадия, кобальта, никеля, хрома, олова, молибдена. Геохимическим барьером А.И.Перельман предложил называть участки земной коры, в которых на коротком расстоянии происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как следствие, их концентрация [5]. Например, в почвах условия геохимического барьера создаются на перегибе склона в заболоченную долину. Здесь формируется глеевый геохимический барьер при резкой смене окислительной обстановки в склоновых почвах на восстановительную глеевую в болотных почвах. Но так как торфянистые болотные почвы отличаются высокой сорбционной способностью, то глеевый барьер совмещается с сорбционным. Этот тип совмещенного геохимического глеево-сорбционного барьера, по нашим данным, является самым распространенным в ландшафтно-геохимических условиях Сахалина [6]. Для него выявлено накопление НУВ и многих МЭ (7п, РЬ, Си, Р, Л£, V, Ва, Сг, N1), которое определяет распространение природных ландшафтных геохимических аномалий на Сахалине.

Установленные данные по естественному высокому содержанию МЭ и НУВ в почвах с восстановительной сероводородной обстановкой и с условиями того или иного геохимического барьера имеют большое прикладное значение. В частности, они необходимы при эколого-геохимических изысканиях по шельфовым проектам Сахалин-1 и Сахалин-2 в связи со строительством нефтегазопроводов, пересекающих остров в меридиональном и широтном направлениях. Знание условий миграции и аккумуляции загрязняющих веществ в ландшафте позволит отбраковать ландшафтные геохимические аномалии и таким образом правильно оценить фоновое состояние почв и воздействие на них, возникающее в процессе строительства и эксплуатации трубопровода.

Кроме способности многих природных ландшафтов Сахалина накапливать НУВ и МЭ, существует другая сторона этой экологической проблемы. Поступление техногенных НУВ в почвы сменит их среду на более восстановительную и щелочную. В результате изменятся геохимические условия для

Рис. 2. Влияние класса водной миграции на содержание микроэлементов и нефтяных углеводородов в почвах. КК, КР - кларки концентрации и рассеяния относительно кислого класса. 1 - сероводородный геохимический барьер

выноса и накопления других химических элементов, включая элементы биологического круговорота. Изменение химического состава почвы в местах хронического загрязнения в конечном итоге повлечет за собой сдвиги в видовом составе биоценозов и в структуре экосистемы в целом.

Ландшафтно-геохимическими исследованиями установлены особенности геохимии нефтяных углеводородов в незагрязненных почвах [8]. Полученные нами данные указывают на прямую зависимость естественного углеводородного фона почв от нефтегазоносно-сти территории и от ландшафтно-геохимической ситуации. Север Сахалина, известный своей нефтегазоносностью, характеризуется высоким естественным фоновым содержанием НУВ во всех типах почв. Даже без учета высокоаномальных (до 2500 мг/кг) содержаний НУВ на геохимических барьерах их усредненный геохимический фон для природных почв этого района составляет 50 мг/кг, для почв южной части Сахалина не превышает 15 мг/кг. Независимо от нефтегазоносности территории прослеживается закономерное распределение углеводородов по классам геохимических ландшафтов и по вертикальному профилю почв. В ландшафтах кислого класса (окислительная обстановка) содержание НУВ в почвах на порядок меньше, чем в ландшафтах кислого глеевого и сульфидного класса (восстановительная обстановка). В почвенных профилях гумусовые горизонты являются естественным биогеохимическим барьером для НУВ - они всегда содержат больше углеводородов, чем подстилающие генетические горизонты почв.

Особым объектом наших исследований являются техногенные ландшафты, где под влиянием хозяйственной деятельности происходит изменение геохимических параметров среды, в частности имеет место химическое загрязнение почвенного покрова (см. таблицу). Наиболее детально обследованы почвы, донные осадки, речные воды, растительность городов юга Сахалина - Южно-Сахалинска, Долинска, Корсакова, Анивы, в которых сосредоточены основные промышленные объекты области [7]. В рамках данной статьи ограничимся общими сведениями о характере загрязнения различных объектов.

Загрязнение почв в городах. Основными поллютантами в почвах городских территорий являются тяжелые металлы: свинец, медь, цинк, кобальт (см. таблицу). Именно эти металлы представлены устойчиво высокими фоновыми концентрациями в почвах исследованных городов, а в очагах загрязнения их содержание в десятки раз превышает фоновые и предельно допустимые концентрации. Наиболее показателен в этом отношении Южно-Сахалинск. Интенсивность загрязнения почв этого города в техногенных аномалиях можно выразить формулой: РЬ110 /п20 Мп12 Ва10 Р10 Си4 Со4 8п4 Сг3 №2 5 V2 5, где индекс - максимальное превышение аномального содержания элемента над фоновым.

Особенности химического загрязнения почв о-ва Сахалин

Объект загрязнения Основные загрязняющие компоненты Суммарный показатель загрязнения Zc Уровень загрязнения

Территории городов юга Сахалина Площадки буровых скважин сухопутных месторождений нефти и газа севера Сахалина Агроландшафты Территории брошенных воинских частей Pb, Zn, ^ От 9 до 86 От низкого

Примечание. 2е рассчитывался и оценивался по [2].

Лидирует среди элементов-загрязнителей в почвах всех обследованных городов такой токсичный элемент, как свинец. Очевидно, что это обусловлено влиянием выбросов автотранспорта. В целом же загрязнение в почвах различных городов варьирует по интенсивности и количеству поллютантов. Так, в промышленных городах Южно-Сахалинск и До-линск спектр загрязняющих элементов более широк, представлен свинцом, барием, фосфором, марганцем, кобальтом, никелем, медью, оловом. В портовых городах Корсакове и Аниве он уже не так широк: свинец, олово, фосфор, барий, цинк, медь.

Загрязнение почв в районах нефтегазодобычи. Основные исследования проведены в районах Некрасовского, Эвайского и Катанглинского месторождений, расположенных на севере Сахалина. Загрязнение почв при эксплуатации этих нефтегазовых месторождений проявляется в изменении солевого профиля почв. Солевой профиль почвы - это распределение основных катионов (Ca2+, Mg2+, K+, Na+) и анионов (Cl-, SO42-, HCO3') по вертикальному профилю почвы. Этот показатель является постоянным для почвы и может служить индикатором ее ненарушенности. В загрязненных почвах по сравнению с фоновыми доминируют ионы кальция и гидрокарбоната, появляется катион магния, вообще не характерный для местных почв. Меняется и кислотно-щелочной режим загрязненных почв: они становятся более щелочными.

Техногенные почвы, окружающие скважины, отстойники и другие объекты нефтегазодобычи, содержат аномально высокие концентрации нефтепродуктов и повышенные концентрации многих микроэлементов: серебра, бария, фосфора, свинца, хрома, цинка, меди, никеля. Установлено, что химическое загрязнение в изученных почвах сохраняется десятилетиями. Так, в техногенных почвах старых буровых площадок, где 20-30 лет не функционируют скважины, содержание нефтепродуктов остается аномально высоким и достигает более 7 000 мг/кг у ствола скважины и 2 000 мг/кг в краевой части буровой площадки.

Загрязнение агроландшафтов. Исследованы используемые сельскохозяйственные поля и заброшенные пашни юга Сахалина. По нашим данным, агроландшафты обогащены тяжелыми металлами: свинцом, цинком, медью, кобальтом, никелем, хромом. Известно, что тяжелые металлы могут поступать в почвы сельскохозяйственных угодий с фосфорными минеральными удобрениями и пестицидами. Расположение сельскохозяйственных полей вдоль автотрасс, как показали наши исследования, также влияет на загрязнение почв и произрастающих на них растений. На расстоянии 150-200 м от дороги в растениях установлены большие концентрации свинца и цинка, и лишь на расстоянии более 200 м содержание микроэлементов в растениях снижается до фонового уровня.

В заключение хотелось бы отметить, что, несмотря на определенные результаты, ландшафтно-геохимические исследования на Сахалине не сформировались как отдельное научное направление. Это связано не с отсутствием идей, целей, задач, а с недостатком кадров соответствующих специальностей. Однако это уже тема для отдельного размышления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Атлас Сахалинской области / СахКНИИ СО АН СССР. М.: ГУГК при Сов. министров СССР, 1967. С. 125-129.

2. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.

3. Ивлев А.М. Особенности генезиса и биогеохимии почв Сахалина. М.: Недра, 1977. 143 с.

4. Ивлев А.М. Почвы Сахалина. М.: Наука, 1965. 114 с.

5. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М.: Высш. шк., 1975. 341 с.

6. Побережная Т.М. Геохимия основных типов почв Сахалина // Вестн. Сахалин. музея. Южно-Сахалинск, 2001. № 8. С. 301-306.

7. Побережная Т.М. Геохимия природных ландшафтов Сахалина в условиях техногенеза // Наземные экосистемы Сахалина: сб. науч. тр. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 1999. С. 7-15.

8. Побережная Т.М. Экологические проблемы освоения углеводородов Сахалина // Строение, геодинамика и металлогения охотского региона и прилегающих частей северо-западной тихоокеанской плиты: материалы меж-дунар. симпоз. Южно-Сахалинск, 2002. Ч. 2. С. 103-104.