Геохимия микроэлементов почв, подверженных загрязнению ракетным топливом (на примере районов падения ракет Центрального Казахстана)

пряженном ряду элементарных ландшафтов и не формирует миграционные потоки, направленные на расширение зон загрязнения. Устойчивость НДМГ в почвах зависит:

- от его количества, чем больше НДМГ в почве, тем выше его стабильность;

- от гранулометрического состава и условий аэрации. При хорошей аэрации почв НДМГ в 5-10 раз меньше, чем в анаэробных условиях и, наоборот, больше продуктов его окисления;

- от типа почв: чем больше гумуса и органических веществ, тем выше стабильность НДМГ;

- от величины окислительно-восстановительного потенциала, сорбционной емкости почв, наличия катализаторов, биогеохимических и геохимических барьеров сорбционного и восстановительного типа.

5. Помимо НДМГ, попавшего в природные ландшафты, в почвах содержатся и попутные вещества, продукты его разложения, находящиеся с НДМГ в различных соотношениях. Вследствие этого образуется комплексный загрязнитель. Все это определяет пеструю картину характера и устойчивости загрязнения почв КРТ.

6. Исследования миграционных процессов позволили выявить влияние свойств компонента, типа почвы (т.е.

свойств почвенного поглощающего комплекса), содержания вещества в фильтрующемся через почву растворе на процессы сорбции - десорбции, определяющие скорость и глубину проникновения токсиканта при проливах. Отмечено, что при сорбции НДМГ имеет место катионный обмен.

7. Для НДМГ наблюдается повышение скорости просачивания с ростом концентрации фильтрующегося раствора.

8. Наиболее высокие (максимальные) концентрации КРТ отмечаются для верхних горизонтов почв, на глубине 0-25 (40) см.

9. Снижение концентрации НДМГ происходит неравномерно во времени. Наиболее интенсивно процесс окисления протекает в первые месяцы. Далее процесс замедляется, выравнивается и может протекать на протяжении нескольких лет;

11. Трансформация НДМГ в почве проходит через ряд последовательных процессов, в результате которых образуются также токсичные вещества - НДМА, ТМТ, ДМА, формальдегид.

12. В районах падения ОЧРН необходим постоянный экологический мониторинг за эпицентрами мест падения первых ступеней, что в дальнейшем позволит разработать эффективные методы дезактивации.

Библиографический список

1. Методические подходы к определению несимметричного диметилгидразина в объектах окружающей среды / С.Е. Батырбекова, Е.В. Злобина, Н.Д. Долгова, А.И. Зеброва // Матер. межд. конф. по аналит. хим., посвящ. 100-летию со дня рождения академика НАН РК М.Т. Козловского, Алматы, 29-31 октября 2003. -Алматы, 2003.

2. Характер загрязнения почво-грунтов мест падения первых ступеней ракет-носителей «Протон» компонентами ракетного топлива / Ю.В. Проскуряков, Х.С. Тасибеков, А.П. Ворожейкин [и др.] // Матер. межд. науч.-практ. конф. «Теоретические и прикладные проблемы географии на рубеже столетий». - Алматы, 2004.

3. Тасибеков, Х.С. Динамика поведения несимметричного диметилгидразина в почвах районов падения первых ступеней ракет-носителей «Протон» / Х.С. Тасибеков, С.Е. Батырбекова, Ю.В. Проскуряков // Поиск. сер. естест. и техн. наук. -2004. -№4.

4. Диффузия компонента ракетного топлива - несимметричного диметилгидразина в почвах районов падения ступеней ракет-носителей «Протон» / Х.С. Тасибеков, С.Е. Батырбекова [и др.] // Матер. науч.-практ. конф. «состояние и перспективы научной и инновационной деятельности в космической сфере Республики Казахстан». -Алматы, -2005.

5. Некоторые закономерности процесса деструкции несимметричного диметилгидразина в основных типах почв районов падения первых ступеней ракет-носителей «Протон» / Х.С. Тасибеков, А.Е. Оразбаев [и др.] // Вестник КазНУ. Сер. хим. -2005. - №4 (40).

Статья поступила в редакцию 01.12.09

УДК 631.438

А.В. Пузанов д-р биол. наук, проф., зам. директора по научной работе ИВЭП СО РАН;

А.П. Ворожейкин канд. геогр. наук, доц. географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова;

Ю.В. Проскуряков с.н.с. географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, E-mail: puzanov@iwep.asu.ru

ГЕОХИМИЯ МИКРОЭЛЕМЕНТОВ ПОЧВ, ПОДВЕРЖЕННЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЮ РАКЕТНЫМ ТОПЛИВОМ

Одной из задач мониторинга природной среды РП ОЧРН является определение элементного состава почв, растений, поверхностных и грунтовых вод в местах проливов КРТ. В настоящей работе предлагается сравнительный анализ геохимического состояния почв фоновых территорий и мест проливов КРТ, на примере РП-25. Определение геохимического фона для территорий РП дает возможность оценить существующее состояние объектов природной среды, подвергшихся воздействию КРТ.

Ключевые слова: НДМГ, фон, ОЧ РН, окисление, почвы, растения, районы падения (РП), аномалия, гептил, РКД, токсичные вещества, поглотительная способность.

Для оценки фонового состояния микроэлементного состава почв в работе использовали фондовые материалы (данные металлометрических съемок масштаба 1:50 000) Жезказ-ганской геолого-геофизической экспедиции, а также данные, полученные географическим факультетом МГУ, во время экспедиций, проведенных в 1991-І993 годы и данные, представленные лабораторией «Экология биосферы» ЦФХМА КазНУ им. Аль-Фараби.

Задачи исследований: определение геохимической специализации района, установление состава типоморфных элементов основных почвообразующих пород, выявление состава и средних фоновых уровней содержания элементов в основных типах почв района.

Почвы, как правило, наследуют химический состав пород, преобразованный биоклиматическими условиями почвообразования. В металлогеническом плане РП-25 входит в со-

став рудной провинции со свинцово-цинковыми, медными, железо-марганцевыми и другими типами месторождений, локализованными в кристаллическом фундаменте, которые сопровождаются многочисленными рудопроявлениями и зонами рассеянной рудной минерализации, имеющими широкое площадное распространение.

Под воздействием экзогенных факторов рудоносные образования разрушаются, обогащая рудными и сопутствующими элементами подземные и грунтовые воды, кору выветривания, рыхлые отложения, почвы и растительность, формируя местный природный геохимический фон.

Геохимический фон почвообразующих пород. Микроэле-ментный состав пород, на которых формируются почвы района, исследовался по данным металлометрических съемок и по шурфам, пройденным в основных типах геохимических ландшафтов РП. Было исследованы два основных вида про-

филей: почвы на элювиально-делювиальных суглинистощебнистых отложениях кристаллического фундамента и почвы на рыхлых образованиях мезо-кайнозойского чехла.

В качестве количественной характеристики степени накопления и рассеяния элементов в почвах и породах принята величина кларка концентрации (КК) - отношение содержания химических элементов в почве к их кларкам в литосфере. Степень рассеяния компонентов для удобства восприятия выражалась через коэффициент рассеяния (КР), величину обратную КК.

По результатам опробования почвообразующих пород были рассчитаны следующие геохимические ряды элементов, отражающие наиболее характерные региональные закономерности процессов их концентрации - рассеяния.

Элювио-делювий кристаллического фундамента

(современная суглинисто-щебнистая кора выветривания) Оа > Мо > 8г > У > Со > Ва > гп > РЬ V > Сг > М > Мп > Си

10 - 1 1 - 0,2

Рыхлые образования мезо-кайнозойского чехла

Оа > Мо > 8г > Ва V > Со > РЬ > гп > V > Мі > Сг > Мп > Си

10 - 1 1 - 0,02

- в числителе химические элементы, в знаменателе размах значений в КК.

Приведенные ряды обнаруживают исключительное сходство. Коэффициент ранговой корреляции между ними равен 0,97. Широкое распространение в районе кембрийских, протерозойских и палеозойских пород известковистых и глинистых разностей определило повышенные содержания в современных корах выветривания таких элементов как галлий, молибден и стронций, а наличие рудной минерализации -свинца и цинка.

При выветривании коренных пород происходит равномерный вынос большинства химических элементов (КК<1), что мало нарушает их порядок в приоритетных рядах, а наиболее типичные для района галлий, молибден, стронций и отчасти барий содержатся в почвообразующих породах в сверхкларковых концентрациях.

Геохимический фон почв. Зональные, т.е. собственно полупустынные, ландшафты занимают немногим более половины (54,7%) общей площади РП. Зональная природа всех остальных ландшафтов в большей или меньшей мере искажена под влиянием повышенного гидроморфизма, литоэдафиче-ских и других факторов. Гидроморфные и полугидроморфные ландшафты занимают 24,5% территории района. Из них на долю интразональных луговых, солончаково-луговых, солон-цово-солончаковатых приходится всего 8,8%. В РП-25, как и для региона в целом, велика роль солонцово-полупустынных комплексов литогенного типа. Развивающиеся на аридноденудационных равнинах и в сглаженном мелкосопочнике, где к дневной поверхности выведены соленосные глины неогена и древние каолинитовые коры выветривания, они представляют собой литоэдафический галогенный вариант полупустынного ландшафта, типичными представителями почвенного покрова которых являются литогенные солонцы. Таким образом, основными объектами исследования микроэлемент-ного состава почв района были выбраны бурые пустынностепные почвы и солонцы.

Обобщенные приоритетные ряды элементов для этих почв, составленные по аналогии с рядами для почвообразующих пород, имеют следующий вид (в знаменателе размах значений КК):

Бурые пустынно-степные почвы

Оа > Мо > Со > У гп > РЬ Мі > Мп > V > Ва > Сг > Си > 8г

10 - 1 2 - 0,5 1 - 0,3

Солонцы

эг > Оа Мо > гп > Со > Мі > Си >

10 - 1 1 - 0,04

Сопряженный анализ представленных рядов почв и почвообразующих пород показывает, что бурые пустынностепные почвы, являясь зональными почвами полупустынной зоны, в которой располагается рассматриваемый РП, наследуют элементный состав почвообразующих пород. Причем

ведущие позиции занимают галлий, молибден и иттрий, элементы хорошо подвижные в окислительных нейтральных и слабощелочных условиях, которые в процессе почвообразования могут накапливаться в гумусовом горизонте на биогеохи-мическом барьере. Кобальт, цинк, свинец и другие катионогенные элементы в этих условиях малоподвижны, но за счет разрушения пород, содержащих рудную минерализацию, занимают приоритетное место в рассматриваемом геохимическом ряду, с содержаниями близкими их кларкам в литосфере.

Исключение составляет стронций, имеющий высокие значения коэффициента концентрации в образованиях геологического фундамента, но испытывающий интенсивное выщелачивание в ходе автоморфного почвообразования. Таким образом, типоморфными элементами зональных почв РП-25 являются галлий, молибден, кобальт, иттрий, цинк и свинец, остальные рассматриваемые элементы находятся в рассеянном состоянии и не отражают геохимическую специализацию региона.

Напротив, в солонцах, особенно в литогенных, сформированных на древней каолиновой коре выветривания, наблюдается резкое разубоживание большинства металлов. Исключение составляет стронций, который в гидроморфную стадию развития почвы, мог накапливаться на испарительном барьере, особенно в гипсовых горизонтах в виде целестина (БгБОД

Геохимические особенности мест проливов компонентов ракетных топлив (КРТ) на дневную поверхность

Несимметричный диметилгидразин (НДМГ), попадая на поверхность почвы, частично испаряется, образуя при взаимодействии с кислородом воздуха различные производные, частично фильтруется по профилю и может накапливаться в нижних горизонтах.

В зависимости от количества поступившего в почвогрун-ты топлива и геохимических условий самой почвы можно наметить три вида геохимических процессов, происходящих в местах проливов топлива:

- свободного кислорода достаточно для полного окисления НДМГ;

- равновесная система;

- внутрипорового кислорода недостаточно для окисления НДМГ.

В первом случае происходит полное окисление топлива, во втором - происходит частичное окисление и частичная его консервация. В третьем случае происходит формирование локальных глеевых (восстановительных) условий при котором происходит консервация НДМГ и восстановление металлов за счет отбора молекулярного кислорода. Этот процесс сопровождается восстановлением железа, марганца и других металлов с переменной валентностью.

С другой стороны, НДМГ, смешиваясь с почвенной влагой, дает сильное основание, что приводит к увеличению рН среды. С ростом реакции среды увеличивается емкость катионного обмена, железо, алюминий, марганец превращаются в нерастворимые гидроксиды, которые как коллоиды, адсорбируют тяжелые металлы. В присутствии соединений кальция тяжелые металлы образуют малоподвижные соединения гидроксидов, карбонатов и гидрокарбонатов. Тем не менее, с уменьшением реакции среды подвижность молибдена и ванадия может возрастать. С течением времени, в результате процессов нитрификации происходит снижение рН до первоначального уровня.

Геохимические особенности мест проливов гептила можно проследить на примере МП-15 (разрез 3/1-3/7). Место пролива гептила находится в нижней части невысокой сопки. Растительный покров представлен черной полынью, кокпе-ком, камфоросмой с примесью ковыля и типчака. Выработкой вскрыта бескарбонатная древняя кора выветривания, перекрытая маломощными (0,4 м) четвертичными отложениями. Почва - солонец солончаковатый с сульфатно-хлоридно-натриевым засолением. В охристой верхней части профиля обстановка слабо окислительная, ниже следует белесый глее-вый горизонт. Почвенный профиль с поверхности и до глубины 70 см загрязнен гептилом (табл. 1).

Таблица^ 1

Глубина (см) рН №+ К+ ВДУТ

м/кг

С-6 8,9 19,0

6-16 8,9 5,2

16-28 9,2 1090 19 2,6

28-38 87 3680 22 2,4

38-70 9,3 13000 31 0,62

70-140 816 4170 23 н/о

140-150 8,0 430 30 н/о

Сравнительный анализ результатов, полученных на фоновом участке, расположенном в 80-100 метрах от МП-15, и данных приведенных в таблице 1 показывает, что в результате пролива гептила, на глубине 0-70 см, произошло резкое увеличение рН (от 7,2 на фоне до 9,3 на месте пролива).

По результатам опробывания почвообразующих пород были рассчитаны следующие геохимические ряды элементов, отражающие наиболее характерные закономерности процессов их концентрации - рассеяния в породах, находящихся под воздействием НДМГ.

Четвертичные суглинки мест пролива гептила.

8г > Мо > РЬ > Ва > Си Со > Оа > V > Сг > 2п > N1 > Мп

2 - 1 1 - 0,02

- в числителе химические элементы, в знаменателе размах значений в КК.

Сопряженный анализ геохимических рядов почвообразующих пород мест проливов НДМГ и фоновых территорий показывает, что коренной перестройки элементного состава не наблюдается. Все также ведущие позиции занимают стронций, молибден и барий. Из типоморфных элементов исключение составляет галлий, который в сильно щелочной среде обладает повышенной миграционной способностью и может выноситься за пределы зон щелочного выщелачивания.

Способность тяжелых металлов к миграции по профилю почвы и вымывание их в грунтовые воды обусловлена подвижностью их форм и соединений, а также прочностью связывания с почвой. Скорость и глубину передвижения тяжелых металлов по профилю почв обуславливают три типа геохимических барьеров, которые способствуют их осаждению, отложению и накоплению; механический, физико-химический и биологический.

Анализ геохимических спектров, приведенных на рис. 1 и 2, построенных для фоновых участков и мест проливов НДМГ показывает, что некоторые металлы (Со, 7п, РЬ, Сг, N1, Сф в местах проливов увеличивают свою подвижность и могут перераспределяться по почвенному профилю и выносится за их пределы. При этом, перераспределение по профилю почв металлов контролируется следующими основными параметрами почв: микроэлементным составом почвообразующих пород; окислительно-восстановительными и щелочнокислотными условиями; гранулометрическим составом; количеством органического вещества; наличием геохимических барьеров.

Из вышеперечисленных параметров почво-грунтов, контролирующих миграцию и перераспределение микроэлементов, НДМГ активно влияет на щелочно-кислотные и окислительно-восстановительные свойства фоновых почв.

Окислительно-восстановительный потенциал почв регулирует миграционную способность многих металлов, особенно с переменной валентностью, яркими представителями которых являются железо и марганец. В почвах с переменным режимом окислительно-восстановительных условий (луговые, лугово-болотные, солончаки) часто формируются кислородные барьеры. Для большинства кислородных барьеров характерно ожелезнение, для многих - ожелезнение и омарганцева-ние. Реже встречается только омарганцевание. Учитывая, что рН осаждения Мп2+ выше, чем у Ге2+, то в нейтральных и щелочных глеевых средах супераквальных ландшафтов Центрального Казахстана пути миграции этих элементов расходятся. Железо здесь малоподвижно (рН выпадения гидроксидов Ге2+ из разбавленных растворов - 5,5), а марганец мигри-

рует (рН выпадения гидроксидов Мп2+ - 8,5). Окисляясь на кислородном барьере, марганец переходит в осадок в виде различных черных коллоидных минералов - пиролюзита (Мп02), псиломелана, вернадита, манганита и вадов (группа коллоидных минералов, состоящих из Мп02 и окислов других металлов).

Геохимические спектры подвижных форм элементов фоновых участков и мест проливов КРТ

12т

10

8

“ 6

Со 2п Си РЬ Сг N1 Cd

микроэлементы

[фон Пмп

Геохимические спектры элементов фоновых участков и мест проливов КРТ

[фон Рмп|

Гидроксиды железа и марганца часто обогащены микроэлементами (барием, никелем, кобальтом, медью, цинком, серебром, свинцом, мышьяком, молибденом и др.). Для поглощенных металлов они будут являться сорбционным барьером и в данном месте произойдет совмещение двух классов геохимических барьеров - кислородного и сорбционного.

Сущность кислородно-сорбционного барьера состоит в закреплении гидрооксидами железа и марганца компонентов из жидкой фазы. В качестве последних могут быть атомы, ионы, молекулы, коллоиды.

Кислотно-щелочные условия влияют на растворимость и подвижность органических и неорганических соединений тяжелых металлов.

В кислом интервале рН образуются низкомолекулярные органические соединения, снижается катионная поглотительная способность почвы, возрастает мобильность тяжелых металлов. По мере нейтрализации почвенной кислотности увеличивается емкость катионного обмена; железо, алюминий и марганец превращаются в нерастворимые гидроксиды, которые, как коллоиды, адсорбируют тяжелые металлы.

Таким образом, загрязнение почв КРТ приводит к значительным физико-химическим превращениям щелочнокислотного режима, ее воздушного и окислительно-

восстановительного состояния. Попадая в почвы, КРТ привносят с собой разнообразный набор химических соединений, нарушая нормальное соотношение углерода и азота, а также приводит к дефициту кислорода, т. е. ухудшает агрохимические свойства, влияет на фитотоксичность почв и может за-Статья поступила в редакцию 01.12.09

держивать рост растений. Для полной естественной переработки КРТ в условиях Центрального Казахстана требуется не менее 10-20 лет, что подтверждается результатами исследований старых мест падения ОЧРН.

УДК 911.52

А.В. Пузанов, д-р биол. наук, проф., зам. директора по научной работе ИВЭП СО РАН, E-mail: puzanov@iwep.asu.ru, И.А. Алексеев, канд. географ. наук, доц., начальник отдела организации научной деятельности Благовещенского гос. пед. ун-та, E-mail: alexeyev@bgpu.ru

ХАРАКТЕРИСТИКА ФОНОВЫХ ЛАНДШАФТОВ КОСМОДРОМА «ВОСТОЧНЫЙ» И СОПРЕДЕЛЬНЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Представлена характеристика ландшафтов и биоценозов территории проектируемого космодрома «Восточный». Дан анализ особенностей рельефа, растительного покрова и пространственной ландшафтно-биоценотической структуры территории, что будет являться основой для дальнейшего изучения антропогенной трансформации. Авторами затрагивается серьезная проблема эколого-географического мониторинга ландшафтов и биоценозов строящихся и эксплуатируемых космодромов.

Ключевые слова: мониторинг, космическая деятельность, ландшафтно-экологическая ситуация, антропогенный прессинг, геомор-фолого-фитоценотические факторы, растительность, флювиальный, космодром.

Космические технологии в настоящее время глубоко проникли в повседневную жизнь человека: без сотовой и спутниковой связи, телевидения, спутниковых Интернет-каналов, ОРБ/ГЛОНАСС-позиционирования многие люди не мыслят своего существования. Для создания и эксплуатации объектов и инфраструктуры космических технологий в пределах ближнего космического пространства необходима система их транспортировки ракетными носителями с поверхности Земли на необходимые орбиты. В новейшей истории описывается множество типов и видов ракетных носителей, многие из которых наносят при их запусках непоправимый ущерб экосистемам различного уровня дифференциации. Мест, из которых осуществляется запуск ракет-носителей, гораздо меньше. Однако планомерного изучения влияния космодромов, их инфраструктуры и запусков ракет-носителей с них, как правило, в полном объеме не производилось. В научной литературе отсутствуют результаты влияния космодромов на экологическое состояние ландшафтов с момента их строительства, первых и последующих запусков.

Например, крупнейший в мире космодром «Байконур» сдан в эксплуатацию в 1955 г., и лишь с 1998 года Роскосмо-сом начато изучение влияния ракетно-космической деятельности на окружающую среду и здоровье населения. Изучение влияния космодрома «Плесецк», расположенного в Плесецком районе Архангельской области, ведется с 1990 г., хотя сам космодром эксплуатируется с 1966 г.

Наиболее эффективным путем оценки влияния космодромов на окружающую среду, здоровье населения является организация мониторинга антропогенной трансформации ландшафтно-биоценотической структуры, состояния здоровья населения, геохимической среды ландшафтов еще на этапе проектирования.

Космодром «Восточный» пока существует в проектах и планах (решение о продолжении проектирования принято в 2007 г.), хотя с его территории уже осуществлялись пуски межконтинентальных баллистических и транспортных ракет:

в рамках деятельности 27-й ракетной дивизии (ракеты РС-10 (УР100К/УР100У, ББ-И); 2-го Государственного испытательного полигона - космодрома «Свободный» (конверсионная ракета-носитель «Старт-1»).

В рамках реализации проектов тематического плана НИР Минобрнауки РФ в 2008 г. экспедицией БГПУ изучалась ландшафтно-экологическая ситуация в пределах северных окраин территории проектируемого космодрома «Восточный» (пос. Чагоян - урочище Верхнее Дымо). Данные ландшафтноэкологического обследования показали наличие восстановительной растительности и характерные следы антропогенных воздействий. При этом отмечалась оптимальная скорость восстановления ландшафтной структуры после прекращения антропогенного прессинга.

В сентябре 2009 г. экспедицией Благовещенского государственного педагогического университета в рамках договора с Институтом водных и экологических проблем СО РАН изучалась ландшафтно-экологическая ситуация в пределах проектируемых стартовых площадок, окраинных участков ЗАТО Углегорск, в пределах долин р. Ора, ручья Охотничьего, урочищ Верхнее Дымо и Баргулиха, отдельных участков водоразделов и территории бывших пусковых комплексов и воинских частей.

Изучение территории проводилось в соответствии с классическими методиками исследования ландшафтов, фитоценозов, зооценозов. При этом особое внимание уделялось анализу целостности и антропогенной трансформации ланд-шафтно-биоценотической структуры, биоразнообразия и структуры, возрастного спектра фитоценопопуляции доми-нантов, биоразнообразию и структуры зооценозов, качественным и количественным характеристикам заболеваемости видов.

Территория проектируемого космодрома «Восточный» расположена в пределах центральной части Амурско-Зейской равнины, на участках левобережной части р. Зея (рис. 1).