Микроэлементы в дисперсных грунтах Забайкалья (инженерно-геологические разрезы - П. Могойтуй)

УДК 624.131.1

МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В ДИСПЕРСНЫХ ГРУНТАХ ЗАБАЙКАЛЬЯ

С.И.Штельмах1

Институт земной коры СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128.

Рассматриваются результаты изучения микроэлементного состава дисперсных грунтов Забайкалья на примере инженерно-геологических разрезов мощностью до 7 м на территории п. Могойтуй. Методом рентгеноспектраль-ного флуоресцентного анализа (РФА) определялись концентрации породообразующих оксидов (TiO2, MnO, Fe2O3 общее, CaO) и микроэлементов (V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Pb, As, Ba, Sr, Zr) в лессовидных супесях (dQ4) и суглинках элювиальной зоны сланцев. Выполнено сравнение концентраций микроэлементов, в том числе токсичных, в лессовых грунтах п. Могойтуй и г. Иркутска. Ил. 3. Табл. 2. Библиогр. 6 назв.

Ключевые слова: дисперсные грунты, микроэлементный состав, лессовидные супеси, лессовидные суглинки.

MICROELEMENTS IN DISPERSE GROUNDS OF ZABAIKALJE (ENGINEERING AND GEOLOGICAL STRIP-PITS -MOGOTUY SETTLEMENT) S.I. Shtelmah

The Institute of Earth Crust of Siberian Department of Russian Academy of Sciences 128 Lermontov St., Irkutsk,664033

The author examines the research results of the microelement analysis of Zabaikalje disperse grounds on example of engineering and geological strip-pits of the depth up to 7 meters on the territory of the settlement Mogotuy. The method of X-ray fluorescent analysis (XFA) was used to determine the concentration of rock forming oxides (TiO2, MnO, Fe2O3general, CaO) and microelements (V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Pb, As, Ba, Sr, Zr) in loess-like sandy loams (dQ4) and loamy soils of the shale zone. 3 figures. 2 tables. 6 sources.

Key words: disperse grounds, microelement composition, loess-like sandy loams, loess-like loamy soils.

Изучение микроэлементов в дисперсных грунтах проводится в рамках инженерно-геологических и геоэкологических исследований на территории юга Восточной Сибири, которые выполняются по различным ключевым участкам. В настоящее время изучено распределение токсичных компонентов по опорным инженерно-геологическим разрезам на территории г. Иркутска [6], получены данные для различных геолого-генетических комплексов четвертичных отложений, распространенных в Тункинской впадине, определены концентрации микроэлементов в почвах г. Братска [4]. Как известно, микроэлементы наряду с показателями минерального и химического состава дисперсных грунтов составляют информационную базу для проведения корреляционно-генетического анализа грунтовых толщ при их инженерно-геологической оценке. Кроме того, эти данные позволяют решать геоэкологические задачи, связанные, с одной стороны, с распределением токсичных элементов (вопросы загрязнения почв и четвертичных отложений), с другой -распределением элементов, которые являются полезными для растений (грунты - агроруды) и животных (грунты - биотики).

Для территории Забайкалья ключевым участком явился п. Могойтуй, где в 2007 г. проводились инженерно-геологические изыскания для расширения зоны его застройки. Могойтуй (поселок городского типа) расположен в 140 км на юго-восток от г. Читы, в южной части Забайкальского Края, где преобладают горносопочные, лесостепные и степные ландшафты. В от-

1Штельмах Светлана Ивановна, аспирант, тел.: (3952) 426133. Shtelmah Svetlana Ivanovna, a post graduate, tel.: (3952) 426133.

личие от Приангарья с умеренно гумидным климатом Забайкалье характеризуется холодными аридными климатическими условиями с низкой влажностью воздуха и резкими колебаниями температуры. Эти особенности определяют слабое развитие процессов физико-химического выветривания пород, в результате чего наблюдается сходство химического состава материнского субстрата и элювиально-делювиальных отложений. В исследованном районе развиты породы верхнепротерозойской - нижнекембрийской метаморфической формации - сланцы слюдяные, кварцево-слюдяные, биотитовые и эпидот-биотит-амфиболовые, песчаники и кварциты; в составе четвертичного покрова отмечаются лессовидные отложения [2].

В грунтоведческой группе Аналитического центра Института земной коры СО РАН проводились исследования состава, микроструктуры и некоторых свойств дисперсных грунтов из района п. Могойтуй, образцы которых были отобраны с глубины 1,0 - 6,5 м из скважин, шурфов и естественных обнажений в процессе инженерно-геологических изысканий. На основании детального описания этих образцов нами выделено два геолого-генетических комплекса отложений: делювиальный современный (сЮ4) и элювиальный нерасчлененный (элювиальная дисперсная зона сланцев - е/сл). Первый представлен супесями типичного лессовидного облика палевого цвета, пы-леватыми, карбонатными, с тонкими макропорами, с редкими включениями дресвы и мелкого щебня, вто-

рой - суглинками темно-коричневыми с характерной скорлуповато-плитчатой структурой. Те и другие грунты агрегированы (содержат в среднем соответственно 24 и 29 % агрегатов); реальная глинистость (содержание частиц < 0,002 мм) лессовидных супесей 25 %, суглинков элювиальной зоны 33 %.

Содержание породообразующих оксидов (ТО2, МпО, Ре203 общее, СаО) и микроэлементов (V, Сг, Со, К Си, гп, РЬ, Дэ, Ва, Бг, гг) в лессовидных супесях (11 образцов) и суглинках элювиальной зоны (10 образцов) определялось методом рентгеноспектраль-ного флуоресцентного анализа (РФА) [3, 5]. Представлены пределы изменения и средние значения содержания указанных компонентов для выделенных геолого-генетических комплексов отложений (табл. 1, 2).

Таблица 1

Диапазоны концентраций и среднее содержание

СаО ТЮ2 МпО Ре2Оэ

СО4 - !э

0,629-3,793 0,573-0,740 0,045-0,143 3,679-4,737

е/сл - д!п

0,678-5,307 0,600-0,766 0,054-1,139 4,066-4,734

Примечание. Здесь и в табл. 2: !б - лессовидные супеси, д1п - суглинки; в скобках указано среднее содержание компонента.

Лессовидные отложения по сравнению с глинистым элювием характеризуются пониженным содержанием всех исследованных породообразующих оксидов (табл. 1). Следовательно, в процессе формирования лессового покрова часть элементов была «потеряна», однако унаследованность по их содержанию имеет место. Нужно заметить, что в ряде разрезов лессовидная супесь залегает непосредственно на глинистом элювии, при этом отмечается та же закономерность по содержанию ТЮ2, МпО, общего железа, но иногда фиксируется резкое повышение СаО, что естественно для карбонатизированных лессовых покровов.

Наблюдается следующая картина распределения 11 микроэлементов в дисперсных грунтах из района п. Могойтуй: первое место по концентрации занимает Ва (615 - 651 ррт), второе - гг (254 - 291), третье - Бг (225 - 264) (указаны средние значения содержания

элемента в лессовидных супесях и глинистом элювии); далее следуют V (72 - 90 ррт), Сг (51 - 64), гп (44 - 48), N (34), Си (32 - 35); зафиксировано минимальное содержание Со (15 - 16), Дэ (15 - 16), РЬ (17 - 19) (табл. 2). Общая концентрация элементов составляет 1494 ррт (лессовидные супеси) и 1456 ррт (глинистый элювий). Таким образом, можно заключить, что по содержанию микроэлементов выделенные геолого-генетические комплексы дисперсных грунтов существенных различий не имеют. Однако некоторые различия все же отмечаются: в лессовых отложениях меньше Ва, V, но больше гг, Бг по сравнению с глинистым элювием (табл. 2).

К группе токсичных элементов, как известно, относятся V, Сг, Со, КЛ, Си, гп, РЬ, Дэ. Для сравнения мы представили данные по их содержанию в лессовидных супесях (сЮ3), распространенных на территории г. Иркутска (табл. 2). Установлено, что дисперсные грунты в районе п. Могойтуй значительно меньше содержат ванадия, хрома, никеля (в 2 - 3 раза), цинка и несколько больше - свинца и мышьяка; концентрация меди оказалась одинаковой. Суммарное содержание всех токсичных элементов в дисперсных грунтах п. Могойтуй составило 305 ррт, в г. Иркутске - 498. Таким образом, подтверждается более высокая степень загрязнения токсичными элементами грунтовых толщ крупной урбанизированной территории (Иркутск) по сравнению с небольшим поселком городского типа. В то же время установлено сходство дисперсных грунтов Могойтуя (Забайкалье) и Иркутска (Верхнее Прибайкалье) по содержанию основных микроэлементов -бария, стронция, циркония. Видимо, эти компоненты являются постоянными «спутниками» лессовидных и глинистых отложений региона.

Несмотря на удаленность п. Могойтуй от крупных урбанизированных центров, диапазоны содержаний меди и мышьяка в лессовых грунтах на его территории незначительно отличаются от концентраций этих элементов в аналогичных грунтовых толщах Иркутска (скв. 260), что указывает на роль не только техногенных факторов в процессе накопления этих элементов, но и геологических условий формирования отложений.

Полученные данные по микроэлементному составу дисперсных грунтов из района п. Могойтуй были обработаны с помощью программы «Кластер-анализ», в которой выполняется алгоритм иерархической кластеризации признаков объектов (Ртип) и самих объектов (О-тип) [1]. В этой же работе рассматриваются

Таблица 2

Диапазоны концентраций и среднее содержание (ррт) микроэлементов в дисперсных грунтах (п. Могойтуй)_

V Сг Со КП Си гп РЬ Дэ Ва Бг гг

СО4 - !э

70 - 100 (72) 120* 46 - 83 (61) 144* 12 - 19 (15) 20* 27 - 39 (34) 93* 26 - 37 (32) 32* 38 - 46 (44) 65* 12 - 26 (17) 12* 9 - 21 (15) 12* 560-720 (615) 683* 140-550 (264) 265* 230-330 (291) 254*

е / сл - д!п

80 - 100

Примечание. * среднее содержание элемента в лессовидных супесях

результаты анализа Ртипа, который выделяет группы признаков (это микроэлементы) и оценивает тесноту их связи по величине парного коэффициента корреляции, который изменяется от 0 до +1 (фиксируется прямая связь) и от 0 до -1 (обратная связь). Представлены графики - дендрограммы по данным микроэлементного состава суглинков элювиальной зоны (рис. 1) и лессовидных супесей (рис. 2).

Несмотря на сходство микроэлементного состава исследованных грунтов, характер взаимосвязей меду элементами оказался различным. В суглинках элювиальной зоны сланцев выделилось две группировки микроэлементов, практически не связанных между собой; особое место занимает стронций - он имеет обратную связь (коэффициент корреляции - 0,4) со всеми остальными элементами. В лессовидных супесях установлено три группировки, при этом первая (ванадий, барий, цинк) вполне самостоятельна, а вторая и третья связаны друг с другом (коэффициент корреляции 0,38), в качестве независимого компонента выделяется цирконий.

Что из этого следует? Вероятнее всего, стронций можно рассматривать как признак элювия, имеющий самостоятельную петрохимическую природу, связанную с «коренной» основой - породами метаморфической формации. Для лессовидных супесей аналогичным признаком явился цирконий, присутствие которого, возможно, связано с эоловым привносом материала из других источников. Но это только предположения. Кластер Я

1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0

Сг 2п V М Ва Со Си РЬ Дб 2г Бг

3-

Рис.1. Дендрограмма R-типа - суглинки элювиальной зоны

Кластер R

V2_02-

-

_02_02_-р? -0 4 -Q6 -08 -10

V Ва 2п Сг № Со Си РЬ ДБ Бг 2г

Рис. 2. Дендрограмма Я-типа - лессовидные супеси

Для сравнения приведена дендрограмма Ртипа, полученная по микроэлементному составу лессовидных суглинков из района Иркутска (скв. 260) (рис. 3). Как указывалось выше, по концентрации элементов в грунтах п. Могойтуй и г. Иркутска были установлены некоторые различия (см. табл. 2). Но более существенной оказалась разница в дендрограммах, отра-

жающих характер взаимосвязей микроэлементов. Главное отличие заключается в том, что в лессовидных супесях Иркутска все микроэлементы очень тесно связаны между собой (коэффициенты корреляции изменяются от 1 до 0,6). Прочно связанные группировки отмечаются для токсичных элементов: 1) ванадий, хром, никель, медь (в этой «компании» находится, кроме того, нетоксичный барий); 2) цинк, мышьяк, свинец, кобальт. Стронций и цирконий (они, как и барий, относятся к числу преобладающих по концентрации компонентов) оказались в одной группировке (коэффициент корреляции между ними 0,95), что свидетельствует об их общем источнике. Можно предположить эоловое происхождение этих микроэлементов.

Кластер Я

0.6 0.4 0.2 0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0

V

Cr

Ni

Cu

Ba

Zn

As

Fb

Co

Sr

Zr

Рис. 3. Дендрограмма R-типа - лессовидные супеси

В заключение следует отметить, что предполагается продолжение исследований микроэлементного состава дисперсных грунтов по другим ключевым участкам Забайкалья, Прибайкалья и Приангарья, включая урбанизированные территории. Например, следующим объектом будут грунтовые толщи одной из площадок инженерно-геологических изысканий на территории г. Саянска.

Библиографический список

1. Данилов Б.С. Кластерный анализ в EXCEL / Б.С.Данилов // Строение литосферы и геодинамика. -Иркутск, 2001. - С. 18 - 19.

2. Портнова В.П. Инженерно-геологические условия Центрального и Восточного Забайкалья / В.П.Портнова. -М.: Недра, 1976. - 230 с.

3. Ревенко А. Г. Рентгеноспектральный флуоресцентный анализ природных материалов / А.Г.Ревенко. - Новосибирск: Наука. СИФ, 1994. - 264 с.

4. Рященко Т. Г. Методические подходы к оценке геоэкологического состояния городских территорий (на примере Иркутска, Ангарска, Братска) / Т.Г.Рященко, И.И.Крапивина, В.В.Акулова // Сергеевские чтения. -М.: ГЕОС, 2006. - Вып. 8. - С. 61 - 65.

5. Штельмах С.И. Рентгенофлуоресцентное определение Nb, Zr, Y, Sr, Rb в осадочных породах и почвах / С.И.Штельмах, В.А.Ревенко, В.В.Акулова и др.// Структура, функционирование и эволюция горных ландшафтов Западного Прибайкалья. - Иркутск: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2005. - С. 112 - 118.

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

1.0 0