Миграция минеральных соединений азота в грунтах г. Якутска

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2011, №4

УДК 550.42:546.17

Миграция минеральных соединений азота в грунтах г. Якутска

ВН. Макаров

Рассматриваются результаты изучения миграции минеральных соединений азота в многолет-немерзлых породах и грунтах сезонно-талого слоя (СТС) в селитебных и промышленных зонах г. Якутска. Концентрация соединений азота в многолетнемерзлых кайнозойских аллювиальных отложениях надпойменных террас относительно равномерна. Наблюдается зависимость концентрации соединений азота в грунтах СТС от продолжительности антропогенного воздействия. Скорости поступления соединений азота в грунты СТС в селитебных зонах города на протяжении периода антропогенного воздействия (около 300 лет) оставались относительно постоянными. В промышленной зоне города накопление соединений азота в грунтах СТС возрастает более чем на порядок.

Ключевые слова: криолитозона, сезонноталый слой, соединения азота, техногенез.

The results of investigation on mineral nitrogen compounds migration in the permafrost and seasonally thawed soil layer (STL) in residential and industrial areas of Yakutsk are considered. Nitrogen compounds concentration in perennially frozen Cenozoic alluvial deposits of the Lena River terraces is relatively uniform. Nitrogen compounds concentration in the active layer correlates with the length of anthropogenic impact. The flux of nitrogen compounds to the active layer of the residential areas has been relatively constant over the 300 years of anthropogenic impact. In the industrial zone nitrogen compounds accumulation in the active layer increases by more than one order of magnitude.

Key words: permafrost, seasonally thawed soil layer, nitrogen compounds, tehnogenez.

Введение

Азот - самый широко распространенный в атмосфере и редкий в земной коре элемент. Это наиболее важный химический элемент для всего живого, начиная от вирусов и простейших микроорганизмов и кончая высокоорганизованными животными и человеком. Геохимическая роль соединений азота в криогенных ландшафтах до сих пор до конца не изучена, что подтверждается экспериментально установленным фактом аномального увеличения скорости окисления ЫК02 в области отрицательных температур [1].

Результаты и обсуждение

Нами рассматриваются результаты изучения миграции минеральных соединений азота в грунтах сезонно-талого слоя на территории г. Якутска - одного из старейших городов северо-востока России (основан в 1632 г.). На его территории существуют районы, история развития которых насчитывает 350-370 лет. Такой длительный период антропогенного воздействия на криолитозону позволяет оценить временную динамику объёмов поступления и концентрации соединений азота в грунты сезонно-талого слоя городской территории.

В геологическом отношении территория горо-

МАКАРОВ Владимир Николаевич - д.г. -м.н., проф., зав. лаб. ИМЗ СО РАН, makarov@mpi.ysn.ru.

да и его окрестностей находится в пределах древнего прогиба Сибирской платформы, заполненного морскими отложениями мезозойского возраста (конгломераты, песчаники), перекрытыми более поздними отложениями неогенового и четвертичного возраста (пески, лессовидные суглинки).

Территория города расположена на древней эро-зионно-аккумулятивной равнине, охватывающей пойму, первую и вторую надпойменные террасы с абсолютными отметками от 85 до 105 м. На надпойменных террасах в районе г. Якутска развиты в основном черноземно-луговые и лугово-черно-земные почвы. На отдельных участках первой надпойменной террасы распространены дерново-луговые аллювиальные почвы. В большинстве своем почвы засолены.

Мощность многолетней мерзлоты в районе города достигает 250-300 м. Время промерзания аллювиальных отложений надпойменных террас р. Лены в районе г. Якутска оценивается в 10 000 лет. Согласно радиоуглеродным датировкам растительных остатков из нижней части разреза первой террасы, возраст отложений на глубинах 912 м не выходит за пределы 9,6-11,6 тыс. лет [2]. Температура многолетнемерзлых пород зависит от возраста застройки города и на глубине 10 м составляет -2... -8°С, мощность СТС изменяется от 1,5 до 3,5 м. Многолетнемерзлые аллювиальные отложения надпойменных террас р. Лены, на которых расположен г. Якутск, сложены пре-

МАКАРОВ

имущественно мелко- и тонкозернистыми песками.

Городские почвогрунты вблизи поверхности (0,10-0,20 м) представлены преимущественно песками и супесями, очень пестрыми по химическому составу. В различных районах города могут преобладать хлоридные, сульфатные или карбонатные соли. По степени засоленности грунты колеблются от незасо ленных - 0,021% до сильно засоленных - 3,24% преимущественно в старой части города (табл. 1).

Современная концентрация соединений азота в верхнем горизонте (0,10-0,20 м) городских почво-грунтов изменяется от 0,0024 до 1,393 мггэкв. и в среднем составляет 0,062 мггэкв. Дисперсия концентраций соединений азота максимальна для нитратного азота - четыре порядка (0,0002-1,128 мг^экв.). Наиболее равномерно распределены аммонийные формы азота - 0,002-0,130 мггэкв. В почвогрунтах преобладает нитратная форма азота, в которой представлено около 72% суммарного азота. Соотношение различных форм азота в почвогрунтах можно представить следующим рядом (в скобках% содержание данной формы):

Ш3- (72) > КИ4+ (26) > Ш2- (2).

Концентрация минеральных соединений азота -аммонийных, нитратных и нитритных солей, изучалась в талых и мёрзлых (сезонно-талых и мно-голетнемерзлых) грунтах, вскрытых буровыми скважинами на территории г. Якутска. Скважины глубиной 10-15 м бурились в селитебных и промышленных зонах города с различными периодами антропогенного воздействия (от 30 до 350 лет). Они располагались на ровной поверхности на удалении от современных локальных источников загрязнения бытовыми отходами. Проходка скважин осуществлялась без промывки с полным отбором керна.

Химический состав керна скважин исследовался в лаборатории Института мерзлотоведения СО РАН методами электрофореза (аналитики Л.Ю. Бойцова, Р.М.Петухова и О.В.Шепелева). Чувствительность анализа (мг^экв.) для различных соединений азота составила: МН4+ - 0,003, N0^ - 0,0005, Ш2- -0,0002.

Концентрация соединений азота в многолетне-мерзлых кайнозойских аллювиальных отложениях надпойменных террас в пересчете на азот относительно равномерна и изменяется в пределах одного порядка - 0,0019-0,028 мг^экв., в среднем 0,0129 мг^экв. (табл. 2).

В многолетнемерзлых отложениях преобладают аммонийные формы азота, составляющие около 95% суммарного азота, при очень низком вли-

Т а б л и ц а 1

Химический состав почвогрунтов г. Якутска

Химические компоненты Ед. изм.. С ^сред С С ^тах

РН - 7,9 6,45 9,99

ЕЙ шУ 355 121 478

Электропроводность 735 52 952

Соленость % 0,31 0,021 3,24

янии нитритных форм (0,1%). Соотношение различных форм азота в многолетнемерзлых отложениях можно представить следующим рядом (в скобках% содержание данной формы):

Щ,+(95) > Ш3-(5) > Ш2- (0,1).

Учитывая относительное постоянство концентрации соединений азота в многолетнемерзлых породах, можно проследить динамику изменения их концентрации в грунтах СТС, т.е. в зоне интенсивного антропогенного воздействия, на протяжении исторического периода развития города и в районах с различной длительностью и интенсивностью освоения.

Концентрация соединений азота в городских грунтах СТС колеблется в пределах трех (МН4+, Ш2-) - четырех (N0^) порядков (0,0001-0,482 мг^экв.) и составляет в среднем 0,234 мг^экв. В грунтах СТС преобладают аммонийные формы азота, составляющие 3/4 суммарного азота. По уменьшению количества азота в грунтах различные его формы группируются в следующий ряд

N(NH4+) - 73 > N(N0^) - 25 > N(N0^) - 2.

Накопление азота в грунтах СТС селитебной зоны г. Якутска происходило более-менее равномерно на протяжении всего «допромышленного» периода развития города и зависело, прежде всего, от продолжительности антропогенного воздействия. В пределах селитебной зоны города, где отсутствуют промышленные предприятия, концентрация азота колеблется от 0,0016 до 0,268 мг^экв. Максимальные концентрации ^^ - 0,209-0,268 мг^экв. приурочены к старой части города, где про-

Т а б л и ц а 2

Концентрация соединений азота в многолетнемерзлых горных породах (глубина 4-15 м), мг-экв.

Распределение МН4+ №Э2" №Э3- общ

Миним. 0,0025 0,0001 0,0001 0,0019

Максим. 0,0360 0,0004 0,0090 0,0280

Среднее 0,0157 0,0002 0,0027 0,0127

общ 0,0122 0,0001 0,0006 0,0129

МИГРАЦИЯ МИНЕРАЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АЗОТА В ГРУНТАХ Г. ЯКУТСКА

Т а б л и ц а 3

Зависимость концентрации соединений азота в грунтах СТС селитебных зон г. Якутска от продолжительности антропогенного воздействия, мг- экв.

Продолжительность техногенеза, лет ^4+ Ш2- Ш3- N общ

300 0,2203 0,0283 0,3869 0,268

150-200 0,1290 0,0006 0,4820 0,209

100 0,0738 0,0012 0,0170 0,062

80 0,002 0,0001 0,0001 0,0016

60 0,0397 0,0034 0,0858 0,052

Т а б л и ц а 4

Зависимость концентрации соединений азота в грунтах СТС промышленной зоны

г. Якутска от продолжительности антропогенного воздействия, мг-экв.

Продолжительность техногенеза, лет N^4+ N0^ N03- N общ

30-40 0,3557 0,0431 0,4865 0,399

N, мг/экв

0,45

0,4

0,35

0,3

0,»

0.2

0,15

0,1

0,Сб

л

♦

ГРЭС

ммп

Рис. 1. Зависимость концентрации азота в грунтах СТС промышленных и селитебных зон г. Якутска от продолжительности техно-генеза

должительность антропогенного воздействия составляет от 150-200 до 300 лет. Минимальные содержания N общ - 0,0016-0,052 мг^экв. установлены в новых районах города с длительностью антропогенного воздействия менее 80 лет (табл. 3).

Северная промышленная часть города, где сосредоточены объекты энергетики, аэропорт и другие, подвергается интенсивному техногенному воздействию в течение последних 30-40 лет. Концентрация азота в грунтах СТС этой части города составляет 0,399 мг-экв., т.е. в 40 раз выше, чем в многолетнемерзлых отложениях (табл. 4).

Техногенное воздействие, связанное в основном с атмосферными выбросами объектов энергетики в промышленной зоне города,

Таблица5

Интенсивность поступления соединений азота в грунты СТС г. Якутска в различные периоды антропогенного воздействия, мг- экв./ год

Продолжительность тех- Ш3- общ

ногенеза, лет

Селитебная зона

300 0,0007 0,00009 0,00129 0,00089

150-200 0,00043 0,000002 0,00160 0,00120

100 0,00025 0,000004 0,00006 0,00060

80 0,00003 0,000001 0,000001 0,00002

60 0,00013 0,000011 0,00020 0,00087

Среднее 0,00038 0,00002 0,00063 0,00089

Промышленная зона

30-40 0,012 0,0014 0,016 0,01330

Промышленная/ селитеб- 32 70 25 15

ная зоны

привело к резкому увеличению поступления соединений азота в грунты СТС.

Наблюдается четкая зависимость концентрации соединений азота в грунтах СТС от продолжительности антропогенного воздействия (рис. 1).

Скорость поступления соединений азота в грунты СТС в селитебных зонах города на протяжении периода слабого антропогенного воздействия до середины ХХ века - около 300 лет, оставалась относительно постоянной, в среднем - 0,00089 мг^экв./год. Накопление азота в грунтах СТС селитебной зоны г. Якутска происходило более-менее равномерно на протяжении всего «допромыш-

Рис. 2. Содержание двуокиси азота в атмосфере г. Якутска [3], ч/млрд.

ШАЦ

ленного» периода развития города и зависело, прежде всего, от продолжительности антропогенного воздействия.

В промышленной зоне города ежегодное поступление соединений азота в грунты СТС, связанное в основном с атмосферными выбросами объектов энергетики, увеличилось более чем на порядок - до 0,01330 мг^экв./год (табл. 5), что привело к резкому увеличению концентрации азота в грунтах СТС.

Наибольшее увеличение скорости поступления соединений азота в грунты СТС промышленной зоны города по сравнению с селитебными районами свойственно нитритам.

Интересно, что в северной промышленной части города (в зоне влияния выбросов электростанций) наблюдается и максимальное содержание двуокиси азота в атмосфере г. Якутска - 6-21

УДК 624.131.4

ч/млрд. (рис. 2), что в 30-100 раз выше фоновых концентраций [3].

Как в многолетнемерзлых породах, так и грунтах СТС селитебных и промышленных зон города преобладают аммонийные формы азота, составляющие 3/4 суммарного азота.

Литература

1. Takenaka N., Ueda A., Maeda Y. Acceleration of the rate of nitrite oxidation by freezing in aqueous solution // Nature. - 1992. - V 358. - P. 736-738.

2. Гриненко B.C., Камалетдинов B.A., Сластенов Ю.Л., Щербаков О.И. Геологическое строение Большого Якутска // Региональная геология Якутии. - Якутск: изд. ЯГХ 1995. - С. 3-20.

3. Ohta S., Murao M., Fukasawa T., Makarov V.N. Summer concentration of atmospheric pollutants in Urban and Rural areas of Siberia // Jorn. of Glob. Envir. Engin. -1995. - V 1. - P. 15-25.

Городская инфраструктура г. Якутска

ММ. Шац

Рассматриваются состояние инфраструктуры г. Якутска и ее связь с эколого-геокриологи-ческими условиями одного из наиболее северных в РФ городов. Освещены проблемы улучшения состояния городской инфраструктуры.

Ключевые слова: эколого-геокриологические условия, городская инфраструктура.

Yakutsk city one of the most northern cities in the Russian Federation infrastructure and its relationship with the ecological and geocryological conditions are considered. The problems of improving the city's infrastructure are highlighted.

Key words: ecological and geocryological condition, infrastructure of the city.

Введение

Ранее нами были освещены эколого-геокрио-логические особенности г. Якутска - самого крупного в области распространения криолитозоны [1]. Многолетнемерзлые породы (ММП), с одной стороны, усложняют условия жизни населения, а с другой - принципиально влияют на надежность городской инфраструктуры [2-4]. Было показано, что природные условия г. Якутска, главным образом его экстремальный климат, геокриологическое и геолого-геоморфологическое строение, обусловливают широкое развитие негативных криогенных процессов (термокарстовые и термосуффозион-ные просадки, локальное и площадное морозное пучение, морозобойное растрескивание, солифлюк-ция, термоденудация), заболачивание и подтоп-

ШАЦ Марк Михайлович - к.г.н., в.н.с. ИМЗ СО РАН, 8(4112)- 334-423.

ление, а также техногенное наледеобразование, что неблагоприятно сказывается на функционировании городской инфраструктуры.

Современное состояние проблемы

Как показали исследования Института мерзлотоведения им. П.И.Мельникова СО РАН [2,4,5], одной из основных причин проблем городской инфраструктуры является обводнение поверхности. Территория города на протяжении последних 40 лет активно заболачивается, меняются тепловой баланс и химический состав подстилающих отложений. В пределах города интенсивно происходит не только переувлажнение грунтов, но и возникают новые техногенные водоемы-болота, часто значительных размеров. В результате проведенных исследований, включающих как непосредственные наземные наблюдения, так и результаты изучения материалов дистанционных аэро- и космических съемок, выявлены и проанализиро-