Микроэлементы в дисперсных грунтах различных геолого-генетических комплексов (на примере ключевых участков в Тункинской впадине)

сторождений полезных ископаемых в Байкальской рифтовой зоне.

Особое значение имеет повышенное содержание некоторых компонентов в термальных водах, позволяющих отнести их к классу лечебных минеральных вод.

Библиографический список 1. Диденков Ю.Н. Формирование гидросферы Байкальского региона в связи с процессами рифтогенеза. //Геология, поиски и разведка месторождений рудных полезных ископаемых. -Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 1998. -Вып. 22. - С. 68-77.

2. Саньков В.А., Днепровский Ю.И., Коваленко С.Н. и др. Разломы и сейсмичность Северо-Муйского геодинамического полигона. - Новосибирск: Наука, 1991. - 111 с.

3. Шабынин Л. Л. Аварийные прорывы в СМТ БАМа в процессе строительства и возможные осложнения при эксплуатации // Геоэкология, 2001. -№ 2-С. 107-116.

4. Шабынин Л.Л., Диденков Ю.Н., Тугарина М.А. Современное состояние обводненности Северо-Муйского тоннеля БАМа. М.: Транспортное строительство, 2004.- № 5-С. 15-19.

Иркутский государственный технический университет. Рецензент Л.И. Лузина

УДК 624.131.1

Т.Г.Рященко, С.И.Штельмах

МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТАХ РАЗЛИЧНЫХ ГЕОЛОГО-ГЕНЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

В рамках инженерно-геологических и геоэкологических исследований на территории Байкальского региона установлены концентрации микроэлементов в погребенных почвах, для которых получены абсолютные датировки их возраста. Определялось содержание 16 микроэлементов и некоторых породообразующих оксидов в 28 образцах методом рентгено-флюоресцентного анализа (РФА), проведена статистическая обработка данных. Установлены общие особенности элементного состава исследованных дисперсных грунтов, зафиксированы критерии различия, связанные с принадлежностью отложений к определенным геолого-генетическим комплексам, литологическим группам и разновозрастным погребенным почвам, выполнена оценка концентраций вредных и полезных (с точки зрения экологической ситуации) микроэлементов.

T.G.Ryashchenko, S.I.Shtel'makh Microelements in dispersive soils of different geological-genetic complexes (on the example of

main areas in Tunkinsk's depression)

In the frame of engineering-geological and geoecological investigations on the area of Baikalsk region the microelement concentrations are determined in buried soils for which the absolute dating of their geological age is received. The contents of 16 microelements and some rock-forming oxides in 28 samples were determined with an energy-dispersive X-ray fluorescence method of analysis (ED XRF), the statistical data processing was made. General features of elemental composition for studied dispersive soils are established, difference criterions are fixed which connect sediments with

definite geological-genetic complexes, lithological groups and different-aged buried soils, concentrations of dangerous and useful microelements are estimated (with point of view of ecological situation).

Изучение состава, микроструктуры и свойств дисперсных грунтов проводится в рамках инженерно-геологических и геоэкологических исследований на территории Байкальского региона. Представленные материалы связаны с реализацией проекта «Цикличность эрозионно-аккумулятивных процессов и трансформация эрозионной сети в Байкальском регионе». На территории Тункинской впадины летом 2005 г. были обследованы следующие ключевые участки:

действующий овраг в районе д. Тунка; овраг и его конус выноса, зафиксированные на аэрофотоснимках 1937 г.;

обнажение в уступе первой надпойменной террасы р. Еловка;

мелкие овраги по левому борту р. Еловка в пределах коренного (нетерраси-рованного)склона;

«гигантский» действующий овраг глубиной до 4-5 м на коренном склоне водораздела, сложенного граносиенитами;

небольшой овраг на водоразделе глубиной до 2,0 м, вскрывающий элювий граносиенитов;

старый шурф и карьеры в районе молодых вулканов.

На участках проводилось опробование грунтовых толщ, которые были представлены различными геолого-генетическими комплексами, включающими лессовые (к), глинистые ^1п) и песчаные отложения, а также облессованные пески (рБ*): dpQ4-1s; ^-^п; р^-^п; р04-

§1п; aQ4-g1n; dQ4-1s; pQ4-g1n; е/у-рБ; vQ4-рБ*; vQ3-1s; vQ3.4-1s. В некоторых разрезах зафиксированы и опробованы гумусиро-ванные горизонты погребенных почв, для которых в настоящее время получены абсолютные датировки их возраста.

В районе исследований (восточная часть Тункинской впадины) распространены породы метаморфической (А-Р^Ьг -биотитовые гнейсы, мраморы), интрузив-

ной (у-у5 Р!3 - граносиениты) и эффузивной (РК - базальты) геологических формаций, а также конгломераты, пески и глины плиоцена (К2ап - аносовская свита). Эти образования явились источником микроэлементов рыхлого покрова, представленного дисперсными грунтами выделенных геолого-генетических комплексов.

Содержание микроэлементов определялось в 28 образцах, которые представляли все перечисленные комплексы отложений и погребенные почвы. Использовался метод рентгено-флюоресцентного анализа (РФА) - вариант энергодисперсионного рентгеновского спектрометра с поляризатором [4]. С помощью этого метода установлены концентрации 16 микроэлементов: Со, N1, Си, 2п, As, РЬ, Бп, ЯЬ, Б г, У, 2г, КЫЬ, Ва, Се, V, Сг (ррт) и концентрации породообразующих оксидов: СаО, МпО, Бе2О3 (общее) (%). Детали методик РФА подробно описаны в [7,9]. При определении микроэлементов использовалась рентгеновская трубка с анодом из молибдена. Высокое напряжение составляло 55 кВ, сила тока - 20 мА, время измерения -1000 с.

На основе полученных данных мы попытались выяснить общие особенности элементного состава дисперсных грунтов исследованного района; найти критерии различия, связанные с принадлежностью отложений к определенным геолого-генетическим комплексам и литологиче-ским группам; выявить особенности элементного состава разновозрастных погребенных почв; оценить концентрации вредных и полезных (с точки зрения экологической ситуации)элементов.

Статистическая обработка данных микроэлементного состава всех 28 образцов (табл. 1) показывает, что общее содержание микроэлементов в грунтах составляет 2015 ррт (сумма средних значений). Грунты обогащены Ва (668 ррт), Бг (453), 2г

(225), У(132); на втором месте находятся Се, ЯЬ, 2п, Сг (76-90), на третьем - РЬ, У, Со, N1, Си (22-43), в минимальном количестве присутствуют лб, Бп, NЬ (15-16). Следовательно, диапазон изменения концентраций элементов очень велик - от 15 до 668 ррт.

Степень однородности распределения содержаний микроэлементов в общей выборке данных оценивается по коэффициенту вариации (У, %): минимальный тренд характерен для N1, Ва, У, Си (У=10-19), максимальный - для ЯЬ, РЬ (У>40); промежуточное положение занимают Бг, 2п, У, Бп, 2г, Со, Се, лб, Сг (У=21-28).

Концентрации оксидов, которые определялись в дисперсных грунтах, находятся в следующих диапазонах: СаО - 2,59 - 9,95 %; МпО - 0,028 - 0,18 %; Бе2Оэ (общее) - 1,73 - 10,93 %.

Установлены значения рН водных вытяжек грунта. Несмотря на значитель-

ные колебания концентраций оксидов, значения рН изменяются в сравнительно узких пределах: 6,6 - 7,8 (от слабо кислой до слабо щелочной среды).

При сопоставлении концентраций некоторых элементов с концентрациями оксидов кальция и железа, а также значениями рН обнаружено, что скачки концентраций Б г, Ва, У, Сг в образцах соответствуют изменениям значений рН (переходам из одной среды в другую).

В ходе исследования выявлены различия в элементном составе дисперсных грунтов разных геолого-генетических комплексов. По содержанию микроэлементов 2г, Бг, 2п, лб, Бп, РЬ, Со, Ва, Се в грунтовых толщах выделяются слои погребенных почв (рис. 1). Особенно хорошо заметно выделение сравнительно молодого слоя погребенной почвы (возраст 6180 лет) в делювиально-пролювиальном четвертичном комплексе.

Таблица 1

Элементы Статистические параметры

Содержание микроэлементов, ррт Стандарт Коэффициент вариации, % Медиана Эксцесс

Среднее Максимальное Минимальное

1 2 3 4 5 6 7 8

V 132,4 180 59 22,3 16,9 130 3,77

Сг 89,7 150 41 23,6 26,3 91 0,63

Со 21,9 30 10 5,46 24,9 21,5 0,50

N1 42,7 55 28 6,04 14,2 43 0,37

Си 34 43 8 6,53 19,2 35,5 8,84

Хп 76,4 107 36 16,51 21,6 78 0,049

лб 15,96 30 7 4,49 28,1 15 2,56

РЬ 23,7 50 10 10,09 42,6 21 0,27

Бп 15,3 22 2 3,73 22,1 15 5,27

N5 15,5 18 11 1,6 10,3 16 0,98

2г 225,4 374 149 51,2 22,7 225,5 1,57

У 28,8 44 12 6,27 21,7 28,5 1,48

Бг 453,3 649 162 94,4 20,8 454 2,91

ЯЬ 81,5 206 25 32,9 40,5 76,5 8,96

Ва 668,3 994 366 126,6 18,9 695 1,09

Се 90,5 146 53 23,9 26,4 89 0,28

Рис. 1. Выделение слоя погребенной почвы на глубине 0,6 м по концентрациям As, Pb, Zn

ррт

700 600 500 400 300 200

Ч

Ш

А

Ш] Ва П V

В Се  Zn

12 3

1 - погребенный почвенный горизонт - абс.возраст 6180 лет; 2 - абс. возраст 5860 лет; 3 - абс. возраст > 30400 лет

ррт

30 п

Б

вп

РЬ  Со

Лэ

25 20 15 10 5 0

1 - погребенный почвенный горизонт - абс. возраст 6180 лет; 2 - абс. возраст 5860 лет; 3 - абс. возраст > 30400 лет

Рис. 2. Увеличение концентраций V, Zn, Ba, Ce (А) и токсичных элементов (Б) в погребенных почвах с увеличением их возраста

ррт

800 600 400 200 0

1,2 - современные пролювиальные отложения; 3 -пролювиальный неогеновый комплекс

ррт

50 п 40 30 20 10 0

Б

1,2 - современные пролювиальные отложения; 3 -пролювиальный неогеновый комплекс

Рис. 3. Распределение V, Sr, Zr, Ba, Ce (А) Y, Sn, Pb, ^ Ь As (Б) в разновозрастных пролювиальных глинистых отложениях

0

С увеличением абсолютного возраста погребенных почв увеличиваются содержания микроэлементов, в том числе и токсичных. Горизонты погребенных почв, имеющих возраст 6180 - 5860 лет, характеризуются пониженными концентрациями Ва, Се, лб, Бп, Со, 2п, Бг, У, 2г, РЬ по сравнению с лессовыми и глинистыми грунтами. Древняя погребенная почва (возраст более 30400 лет) по сравнению с молодыми почвенными горизонтами содержит повышенное количество В а, Се, лб, Бп, Со, 2п, Бг, 2г, РЬ, У, которое соответствует концентрациям этих же микроэлементов в нижележащих лессовых грунтах (рис. 2).

Таким образом, горизонты разновозрастных погребенных почв достаточно хорошо идентифицируются по особенностям элементного состава.

В отличие от погребенных почв в эоловых и делювиально-пролювиальных лессовых отложениях с увеличением возраста сохраняются концентрации У, Сг, лб, Се. В эоловых отложениях с возрастом наблюдаются незначительные колебания Бг, ЯЬ, Ва, а в делювиально-пролювиальных отложениях - понижение концентраций Бг, сложные колебания концентраций ЯЬ, 2г, 2п, РЬ, Ва. В пролювиальных отложениях с возрастом сохраняются концентрации У, Бг, 2г, лб, РЬ, понижается содержание Сг, Со, Ва, Се, возрастают концентрации У, Бп (рис. 3).

Установлено, что делювиально-про-лювиальные №0) и эоловые (уоз, уоз_4) лессовые отложения различаются по кон-

ppm

1000

800 600 400 200 0

Ш Ba

Sr

Rb

Zr

V El Cr В Ce

1 - песок дресвяный со щебнем; 2 - песок крупнозернистый (выветрелый гранитогнейс); 3 - песок мелко-среднезернистый, пылеватый

центрации Zr (соответственно 264-212 ppm) и Pb (31-17), глинистые грунты современных пролювия (pQ4) и аллювия(а04) по концентрации Zr (235-210), Ce (92-110), V (130-145) и Pb (20-26). Озерные глинистые грунты (пылеватые супеси - lQ4) по сравнению с суглинками делювиально-пролювиального комплекса (dpQ4) содержат меньшее количество Ва (580-700 ppm), Ce (71-82), Zn (69-95), Sr (440-460), Rb (6182).

Пески элювия граносиенитов занимают особое место среди всех образцов дисперсных грунтов исследуемого района. Замечены их разнородный химический состав, а также значительные колебания концентраций микроэлементов, в том числе и токсичных (рис. 4).

Наибольшие концентрации CaO и Fe2O3 (общее) отмечаются в мелко- средне-зернистом пылеватом песке при меньшем значении pH (табл. 2). В этом песке максимальны содержания Sr, Ba, Pb и минимальные - Rb по сравнению с их концентрациями в других геолого-генетических комплексах отложений.

Сопоставление элементного состава облессованного (связного) песка современного эолового комплекса (vQ4) и мел-ко-среднезернистого пылеватого песка элювия граносиенитов (e/y) показало, что содержание оксида кальция в них практически одинаково, как и значения pH их водных вытяжек, но в несколько раз отличаются содержания Fe2O3 (общее), Ba, Ce,

ppm

80 70 60 50 40 30 20 10 0

Б

Co В Ni

Cu

Zn

As Ш Pb В Y

1 - песок дресвяный со щебнем; 2 - песок крупнозернистый (выветрелый гранитогнейс); 3 - песок мелко-среднезернистый, пылеватый

Рис. 4. Распределение V, Cr, Rb, Sr, Zr, Ba, Ce (А), Y и токсичных микроэлементов (Б) в песках элювия граносиенитов

Таблица 2

Содержание СаО, МпО, Бе2О3 (общее) ^ (%) в песках элювия ^ граносиенитов

Разновидности песков элювия граносиенитов CaO MnO Бе2О3 (общее) рН

Песок дресвяный со щебнем 4,43 0,18 7,09 7,2

Песок крупнозернистый 2,84 0,028 1,73 7,8

Песок мелко-среднезернистый пылеватый 7,55 0,12 10,93 6,8

РЬ, As, Со, ЯЬ.

Повышенное содержание ЯЬ (171-206ррт) обнаружено в дресвяном песке. Вероятно, причиной такой разницы в концентрациях рубидия в песках является их химический и гранулометрический состав [3]. Источником ЯЬ оказались граносиени-ты. Закономерное снижение концентрации Как было указано выше, максимальное содержание РЬ (50 ррт) зафиксировано в мелко-среднезернистом пылеватом песке элювия граносиенитов. Повышенные концентрации этого микроэлемента содержатся в лессовых (dpQ) и глинистых (aQ4) грунтах, минимальная (< 7 ррт) - в облессованном эоловом песке (vQ4-ps*). В остальных образцах свинец составляет 1033 ррт. Следовательно, свинец связан с граносиенитами и является унаследованным микроэлементом в делювиально-пролювиальных и аллювиальных отложениях.

Известно [1], что повышенное содержание РЬ в кислых породах (граниты, грани-тоиды) связано с их минеральным составом, в котором 30-50 % приходится на калиевые полевые шпаты, концентрирующие повышенное количество свинца по сравнению с другими минералами. Это связано со способностью ионов свинца замещать по законам изоморфизма позиции калия в кристаллической решетке минералов вследствие близости их ионных радиусов: РЬ2+ = 0,126, К+ = 0,146 нм.

В молодых эоловых облессованных (связных) песках (vQ4-ps*) концентрация этого элемента существенно снижается, но в более древних эоловых лессовых покровах (это супеси и суглинки) на вулканитах

(vQ3-1s, vQ3-4-1s) снова возрастает (16-21 ррт).

Сопоставление содержаний микроэлементов в различных геолого-генети-ческих

этого элемента при увеличении дисперсности элювия вполне закономерно (в пылева-тых фракциях он накапливается слабо, о чем свидетельствует его присутствие в лессовых и глинистых грунтах в незначительном количестве - 60-90 ррт).

комплексах лессовых и глинистых грунтов (табл. 3) показывает, что:

- делювиально-пролювиальные (dpQ) и эоловые (vQ3, vQ3.4) лессовые отложения различаются по концентрации 2г (соответственно 264-212 ррт) и РЬ (31-17);

- глинистые грунты современных пролювия (pQ4) и аллювия (aQ4) - по концентрации 2г (235-210), Се (92-110), V (130-145) и РЬ (20-26);

- лессовые отложения разновозрастных делювиально-пролювиальных комплексов (dpQ и dpQ4) - по концентрации Ва (684-633 ррт), РЬ (31-23), ЯЬ (80-63), Се (87-116), V (130-150), Сг (74-100).

Озерные глинистые грунты (пылеватые супеси - ^4) по сравнению с суглинками делювиально-пролювиального комплекса (dpQ4) содержат меньшее количество Ва (580-700 ррт), Се (71-82), 2п (69-95), Бг (440-460), ЯЬ(61-82). Достаточно четко «маркируются» самые древние образования - пролювиальные плиоценовые глины (рК2), в которых по сравнению с современным пролювием (pQ4) меньше концентрации Ва (610-755), Се (59-92), Со (1628), V (110-130), Сг (72-110), но больше -Бп (20-10) и У (44-30). Перечисленные микроэлементы можно отнести к числу генетических критериев дисперсных грунтов.

Примечание. ГГК

Таблица 3

Содержание микроэлементов в дисперсных грунтах различных геолого-генетических __комплексов и ^ разновозрастных погребенных почвах ___

ГГК V Ва Се As Бп Со N1 2п Бг У 2г РЬ ЯЬ

dpQ-ls1) 130 684 87 16 16 20 51 80 432 30 264 31 80

ппг1 120 370 54 7 10 10 42 53 370 21 160 10 78

130 580 71 12 15 23 48 69 440 25 230 16 61

dpQ4-ls 130 750 87 17 12 29 41 110 450 28 280 30 75

dpQ4-gln 130 700 82 14 15 21 48 95 460 26 230 11 82

pQ4 -^п^ 130 755 92 15 10 28 42 85 485 30 235 20 78

ппг2 130 590 64 10 15 12 44 62 390 23 190 14 68

aQ4-gln1) 145 760 110 16 17 25 40 93 460 30 210 26 77

dQ4-ls 140 730 100 15 16 20 34 78 390 31 270 25 84

dpQ4-ls1) 150 633 116 19 14 25 46 73 570 31 243 23 63

е/у-рБ (к)11» 84 630 64 18 19 12 6 58 210 21 170 26 190

е/у^ (п) 180 990 150 30 14 30 50 63 650 37 200 50 25

vQ4-pS* 110 470 53 12 15 16 55 59 550 26 170 < 7 62

ппг3 170 690 110 20 20 22 36 80 430 24 200 28 85

vQз-ls 140 700 96 19 12 26 49 81 540 30 210 21 71

vQз-4-ls1) 137 647 92 16 16 22 36 76 453 28 213 16 82

110 610 59 12 20 16 41 78 480 44 240 19 75

При сравнении содержаний токсичных элементов (2п, РЬ) в образцах лессовых и глинистых грунтов, распространенных в Тункинской впадине и на территории г. Иркутска (разрезы четырех инженерно-геологических скважин в микрорайоне Солнечный), выявлена более высокая степень загрязнения этих образований в пределах урбанизированных площадей. Например, в аллювиальных глинистых отложениях (микрорайон Солнечный) содержание 2п составляет 161, РЬ - 103 ррт [8], в дисперсных грунтах ключевых участков Тункинской впадины - 2п - 95, РЬ -50 ррт.

Одним из природных источников плодородия почв являются подстилающие их глинистые и лессовые грунты, в состав которых входят микроэлементы, способст-

вующие росту и развитию растений [2,6]. В этих грунтах [5] концентрации полезных микроэлементов находятся в следующих диапазонах (в %): 2п - 0,003 - 0,1; Си -0,01 - 0,03; Со - 0,003 - 0,01; N1 - 0,01 -0,03; V - 0,03; Бг - 0,01 - 0,03. В исследованных нами дисперсных грунтах средние содержания этих микроэлементов составляют (%): 2п - 0,0076; Си - 0,0034; Со -0,0022; N1 - 0,0043; V - 0,013; Бг - 0,045. Здесь можно отметить повышенное содержание стронция, концентрации остальных элементов в основном попадают в указанные выше границы их содержаний, способствующих росту растений.

На основании изложенных материалов можно сделать следующие выводы.

1. По концентрациям микроэлементов наиболее четко в грунтовых толщах выделяются горизонты погребенных почв; с увеличением абсолютного возраста погребенных почв происходит увеличение концентраций Ba,Ce,V,Zn, Sr, Sn, Pb, Co, As.

2. Наиболее заметные различия в элементном составе в пределах одного геолого-генетического комплекса наблюдаются в песках элювия граносие-нитов, что связано с их химическим и гранулометрическим составом.

3. Установлены различия делювиально-пролювиальных и эоловых лессовых отложений по содержанию Pb, озерных и делювиально-пролювиаль-ных глинистых грунтов - по содержанию Ba, пролювиальных неогеновых и современных глинистых отложений -по содержанию Ba, Ce, Co, Cr, Sn.

4. Концентрации токсичных элементов в дисперсных грунтах исследованных ключевых участков свидетельствуют о малой степени их загрязненности; концентрации полезных элементов в этих грунтах позволяют предположить их позитивное влияние на плодородие почв района.

Библиографический список

1.

Кашин В. К., Иванов Г. М. Свинец в почвах юго-западного Забайкалья // Почвоведение. - 1998. - № 12. - С. 1502-1508. Кабата-Пендиас Л., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. - М.: Мир, 1989. - 439 с.

Перельман Л. И. Геохимия элементов в зоне гипергенеза. - М.: Недра, 1972. - 288 с. Работа выполнена при финансовой поддержке

2.

3.

4. Ревенко Л. Г., Ревенко В. Л., Ху-доногова Е. В., Жалсараев Б. Ж. Рентгено-флуоресцентное определение Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Sn, Ba, La, Ce в горных породах на энергодисперсионном спектрометре с поляризатором // Лналитика и контроль. - 2002. - Т. 6, № 4. - С. 400-407.

5. Соколов В. Л., Ивкин Н. М. Природные источники повышения плодородия почв // Микроэлементы в биосфере и применение их в сельском хозяйстве и медицине Сибири и Дальнего Востока. -Улан-Удэ, 1971. - С. 297-302.

6. Школьник М. Я. Микроэлементы в жизни растений. - Л.: Наука, 1974. - 324 с.

7. Штельмах С.И., Ревенко В.Л., Лкулова В.В., Худоногова Е.В. Рентгено-флуоресцентное определение Nb, Zr, Y, Sr, Rb в осадочных породах и почвах // "Структура, функционирование и эволюция горных ландшафтов Западного Прибайкалья". - Иркутск: Изд-во Института географии СО РЛН,

2005. - С. 112-118.

8. Штельмах С.И., Рященко Т.Г. Содержание токсичных элементов в образцах четвертичных отложений микрорайона «Солнечный» г. Иркутска //Современные проблемы геохимии, геологии и поисков месторождений полезных ископаемых. - Минск: Изд-во БГУ, 2007. - С. 247-250.

9. Shtel'makh S. I., Revenko A. G. Determination of Mo, Nb, Zr, Y, Sr, Rb contents in rocks using X-ray fluorescence analysis // Proc. Conference on X-ray Analysis (September 29-30,

2006, Mongolia, Ulaanbaatar). -2006. - P. 89-96.

Гранта 05-05-97234 Р-Байкала

Институт земной коры СО РАН. Рецензент Ю.Н. Диденков