биогеохимические индикаторы техногенного загрязнения

УДК 550.47:631.416
А .И .ГУ СЕВ, д-р геол. -минерал. наук, профессор, anzerg@ mail ru
Алтайская государственная академия образования им. В.М.Шукшина, Бийск
A.I.GUSEV, Dr. in geol. & min. sc., professor, anzerg@mail.ru
The Shukshin Altai State Academy o f Education, Bijck
БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ ТЕХНОГЕННОГО
ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЭКОСИСТЕМ ГОРНО-РУДНЫМИ
ПРЕДПРИЯТИЯМИ РУДНОГО И ГОРНОГО АЛТАЯ
Техногенное загрязнение экосистем, вызванное деятельностью горно-рудных пред­
приятий Рудного и Г орного Алтая, оценено на основе биогеохимических индикаторов за­
грязнения. Содержания тяжелых металлов проанализировано в различных растениях
вблизи горных предприятий, которые поглощаются селективно из почв и воздушной сре­
ды. Состав тяжелых металлов в растениях определяется составом руд на месторождениях.
Аномальные содержания ртути в растениях Синюхинского рудного поля связаны с про­
цессами цианирования золота на золото-извлекающей фабрике.
Ключевые слова: тяжелые металлы, биогеохимические индикаторы, экосистемы, за­
грязнение.
BIOGEOCHEMICAL INDICATORS OF THE TECHNOGENIC
POLLUTION ECOSYSTEMS BY MINING ENTERPRISES
OF RUDNY AND MOUNTAIN ALTAI
Technogenic pollution of ecosystems causing by activity mining enterprises of Rudny and
Mountain Altay revealed on basis biogeochemical indicators. Content of hard metals analyzed in
different plants in mining enterprises that it absorb selectively from soil and air environment.
Composition of hard metals in plants determine by composition of ores on the deposits. Anoma­
lous content of Hg in the plant of Sinukhinskoe ore district link with process of cyanidation for
selection of gold on the gold-extraction factory.
Key words: hard metals, biogeochemical indicators, ecosystems, pollution.
Н а Алтае известны различны е горно­
рудные предприятия, оказываю щ ие значи­
тельное техногенное влияние на природные
экосистемы: Золотуш инское, Змеингорское
и другие золото-колчеданные барит-полиметаллические, Синю хинское золото-медноскарновое, Калгутинское молибден-вольфрамовое кварцево-грейзеновое, Акташское,
Чаган-Узунское ртутно-рудные и другие. Н е­
которые из них существуют и действую т еще
с Х У ТТТ в. (Золотуш инское, Змеиногорское).
Вокруг них были созданы поселки, и техно­
генное воздействие на экосистемы в процес­
се отработки и обогащ ения руд создало
весьма напряженную обстановку со значи­
тельным загрязнением почв, донны х отло­
жений малых рек. Загрязнение тяжелыми
м еталлами природны х систем привело к
тому, что опасны е концентрации м еталлов
вош ли в цепь питания: растения - ж ивот­
ные - человек [3].
Н а Синю хинском золото-медно-скарновом месторож дении в процессе проведе­
ния биогеохимических поисков рудны х тел
с участием автора (1992-1993 гг.) проведены
исследования по выявлению масш табов за-
----------------------------------------- 155
Санкт-Петербург. 2013
хвата и биологического накопления тяж е­
лы х металлов различны ми видами растений
над участками рудны х тел. П оиски рудных
тел проводились по диффузионным геохи­
мическим ореолам восходящ ей миграции.
Известно, что в потоке диффундирую щ его
вещ ества присутствую т все те элементы
первичного ионного геохимического поля,
для которых отмечается разность концен­
траций в рудных телах и перекрываю щ их их
породах. Движ ение ионов в пристеночном
слое ж идких пленок способствует сохране­
нию элементарных парагенезисов, которые
существуют в материнских первичных рудах.
Ранее биогеохимические поиски осу­
щ ествлялись на основе анализа золы расте­
ний после их сжигания. Такая методика оп­
ределения концентраций элементов в расте­
ниях приводила к искажению истинны х
содержаний элементов в растениях, так как
при озолении проб происходит потеря не­
которой части летучих элементов (Mo, V, U,
Zn, B, Au, As, Sb, Bi, Se, Te, Pb, Cd, Tl, Hg),
которая имеет наибольш ую величину (от 50
до 90 %) в не измельченных пробах ветвей,
корней, коры и древесины для Cd, Pb, Tl, Zn,
B, As, Bi, а для ртути она составляет даже
90-97 % [4].
Н а Синю хинском м есторож дении апро­
бирована методика определения химических
элементов в растениях без озоления м ате­
риала, а вы явление и интерпретация ореолов
дифф узионной природы, пригодных для
биогеохимических целей, выполнены с ис­
пользованием вы сокочувствительной съем­
ки с рентген-радиометрическим анализом
(РРА) на аппаратуре типа NOKKIA. В то­
ричные ореолы дифф узионной природы
представляю т собой вертикальную проек­
цию погребенны х рудных тел и ф иксирую т­
ся при мощ ности перекрываю щ их отлож е­
ний до 600 м. П ри РРА анализируемый слой
в листьях, ветвях, коре растений составляет
первые микроны поверхности, где концен­
трируется больш ая часть тяж елы х металлов,
накопленных растениями за их жизнь.
И нтерпретация вы деленных при таких
съемках аномалий проводится с позиций
парагенетического анализа. Сонахождение
элементов в объекте исследований не явл я­
ется критерием их парагенетичности. Для
выделения природных парагенетических
ассоциаций элементов, обусловленны х тем
или иным компонентом ландш афта, прим е­
няю т методы многомерной статистики.
Н аиболее эффективен для этих целей метод
главны х компонентов (М ГК) факторного
анализа, позволяю щ ий вы являть взаимосвя­
зи элементов в отдельных процессах [1].
П еред проведением биогеохимической
съемки были выполнены опытно-мето­
дические работы по выявлению элементовиндикаторов руд Синю хинского м есторож ­
дения на той же самой аппаратуре РРА.
Изучены рентгеновские спектры руд м есто­
рож дения с анализом проб (более 120) на
ш ирокий круг элементов: Fe, Cu, Zn, Pb, As,
Zr, Nb, Y, Sr, Rb, Ba, Se, Tl, Ag, Bi, Sb, Co. К
числу элементов-индикаторов отнесены Fe,
Cu, Zn, Pb, As, Zr, Sr, Ag, Bi, Sb, Co.
П ри биогеохимической съемке было
отобрано 4000 биогеохимических проб по
профилям (расстояние между профилями
200 м, ш аг опробования по профилю 10 м)
из наиболее распространенны х растений в
рудном поле (мхов, папоротников, осоки,
мать-и-мачехи). В дальнейш ем анализ про­
водился по всем предварительно вы суш ен­
ным растениям только на элементыиндикаторы. Следует отметить, что концен­
трации таких элементов, как медь, серебро,
висмут, сурьма, в некоторы х растениях в
районе рудны х тел на порядок и более пре­
вы ш али таковые на участках безрудного
пространства. Другим важным свидетельст­
вом аномально вы соких концентраций тя­
желых металлов в надрудном пространстве
является отсутствие лиш айников, которые
чутко реагирую т на повы ш енные концен­
трации металлов и в почве, и в дифф узион­
ны х геохимических ореолах.
Результаты анализа проб, отобранных в
районе медно-золоторудных тел, сведены в
табл.1.
А нализ закономерностей концентраций
элементов в растениях показывает, что наи­
большие концентрации тяж елы х металлов
обнаруживаю тся во мхах, а наименьш ие - в
мать-и-мачехе. Обращ ает на себя внимание
очень вы сокий коэф фициент концентрации
156 --------------------------------------------------------------------------------------I S S N 0135-3500. За п и ски Горного инст ит ут а. Т.203
Таблица 1
Содержания элементов-индикаторов С (%) и значения коэффициентов концентрации в растениях
Синюхинского рудного поля в районе рудных тел
Элемент
Fe
Cu
Zn
Pb
As
Zr
Sr
Ag
Bi
Sb
Сd
Co
С
Кк
С
Кк
С
Кк
С
Кк
Средний состав
золы наземных
растений
3,3
0,015
0,009
0,0011
0,0007
0,0006
0,05
0,0002
0,0007
0,0012
0,00014
0,0019
4,1
7,5
3,0
2,75
2,33
1,5
1,67
10,0
17,5
3,0
2,8
4,75
2,1
0,013
0,0005
0,009
0,0005
0,0005
0,04
0,00007
0,0005
0,001
0,0001
0,0014
2,6
6,5
1,67
2,2
1,67
1,25
1,33
3,5
12,5
2,5
2,0
3,5
2,0
0,013
0,004
0,008
0,0005
0,0005
0,03
0,00007
0,0004
0,0011
0,00011
0,0012
2,5
6,5
1,33
2,0
1,67
1,25
1,0
3,5
10,0
2,75
2,2
3,0
2,2
0,014
0,006
0,001
0,0006
0,0004
0,03
0,00008
0,00032
0,0011
0,0001
0,0013
2,75
7,0
2,0
2,5
2,0
1,0
1,0
4,0
8,0
2,75
2,0
3,25
0,8
0,002
0,003
0,0004
0,0003
0,0004
0,03
0,00002
0,00004
0,0004
0,00005
0,0004
Мох, n= 155
Папоротник, n = 163
Осока, п = 95
Мать-и-мачеха, п = 44
Примечание. К оэф ф и ц и ен т к он ц ен трац и и К к - отнош ение с одерж ан и й эл ем ен та в п р о б ах растен и й С и н ю хи н ­
ского рудн ого п о л я к средн ем у содерж ан и ю в золе н азем н ы х р а стен и й по А .И .П ер ел ьм ан [5]; n - кол и чество п р о ­
ан ал и зи рован н ы х п роб по каж дом у ви д у растен ий.
висмута почти во всех растениях С иню хин­
ского рудного поля, что намного превы ш ает
приводимые оценки по литературны м дан­
ным [5]. Вероятно, это объясняется тем, что
в анализируемом районе наряду с высокими
концентрациями висмута в рудах имею т м е­
сто и благоприятные факторы гипергенного
перевода этого металла в легкорастворимые
формы, что способствует его повыш енной
миграционной способности в диффузионных
ореолах с последую щ ей фиксацией в расте­
ниях в аномально высоких концентрациях.
Преимущ ество использования М ГК при
вы явлении парагенетических ассоциаций
элементов в природных объектах заклю ча­
ется в том, что вы является структурное
единство модели, описываю щ ей поведение
хим ических элементов системы при изм е­
нении внеш них условий, и модели м етода
главны х компонент [1].
Расчет ф акторных нагрузок (здесь и да­
лее нагрузок первого порядка) для наш их
данны х по выборкам анализов для наиболее
представительны х по объему вы борок мха
(п = 155) и папоротника (п = 163) вы глядит
следую щ им образом, соответственно
D = 61 %, Bi0,96Ag0,88Cu0,61Co0,53Fe0,42;
D = 49,8 %,Bi0,78Cu0,63 Ag0,51C00,51Fe0,34,
где D - вклад факторных нагрузок в процен­
тах. Значения факторных нагрузок конкрет­
ны х элементов даны рядом с элементом при
значениях вероятности 0,95 %.
Полученные результаты в сопоставле­
нии с данными табл.1 показывают, что вы ­
явленные парагенетические ассоциации от­
раж аю т комплексы хим ических элементов,
им ею щ их природную дисперсию содерж а­
ний тяж елы х металлов в диффузионных
геохимических ореолах, а конкретные зна­
чения факторов ранж ированы по степени
увеличения коэффициентов концентрации
или биологического накопления (или ано­
мальности в опробованных растениях). Парагенные ассоциации химических элементов
во мхе и папоротнике имею т черты сходства
и различий. У них имею тся общие ассоциа­
ции элементов (висмут, серебро, медь, ко­
бальт, железо), однако вклад ф акторных на­
грузок и величина их различны. Особенно
контрастное различие в фиксации тяж елых
металлов намечается для мха и папоротника
по таким элементам, как медь и серебро. Е с­
ли в папоротнике больше концентрируется
меди, то во мхе - серебра, что подтверж да­
ется их различны м положением в иерархи­
ческом ряду факторных нагрузок.
Вблизи карьеров участков «Рудная
Сопка», «Западный», «Ф айфановский» Синю хинского рудного поля у хвои сосны
часто наблю дается ауксобилия, проявляю ­
щ аяся в резко укороченной длине хвоинок
----------------------------------------- 157
Санкт-Петербург. 2013
Таблица 2
Содержания элементов-индикаторов (%) и значения коэффициентов концентрации в хвое
фонового участка и хвое, пораженной ауксобилией
Элемент
Fe
Cu
Zn
Pb
As
Zr
Sr
Ag
Bi
Sb
Cd
Co
Hg
Хвоя, пораженная ауксобилией, n —15
Хвоя фонового участка (район селения Чоя), n —11
С
Кк
С
Кк
Средний состав золы
наземных растений
3,8
0,03
0,011
0,0018
0,0011
0,0009
0,08
0,0009
0,0010
0,0019
0,00017
0,0020
0,00003
4,75
15,0
3,7
4,5
3,7
2,2
2 ,7
50,0
25,0
4,75
3,4
5,0
15,0
1,3
0,001
0,004
0,0003
0,0002
0,0003
0,01
0,00002
0,00002
0,00003
0,00003
0,0003
0,00002
1,6
0,5
1,3
0,75
0,67
0,75
0,33
1,0
0,5
0,075
0,6
0,75
1,0
0,8
0,002
0,003
0,0004
0,0003
0,0004
0,03
0,00002
0,00004
0,0004
0,00005
0,0004
0,000002
и укороченны х веточках. Проведено срав­
нение состава тяж елы х металлов в пораж ен­
ной болезнью хвое и хвое сосны за предела­
ми Синю хинского рудного поля в районе
селения Чоя (табл.2).
Полученные данные указы ваю т на то,
что в сравнении с концентрациями тяж елых
металлов с фонового участка в хвое, пора­
ж енной ауксобилией, наблю дается значи­
тельное накопление таких элементов, как
Fe, Cu, Zn, Pb, As, Zr, Sr, Ag, Bi, Sb, Cd, Co,
Hg. П ри этом повыш енные концентрации
элементов в хвое, пораж енной ауксобилией,
в основном, отражаю т повыш енные концен­
трации их в рудах. А номально высокое на­
копление ртути в пораженной хвое, вероят­
но, связано с рассеянием ртути в результате
процессов цианирования при извлечении
золота.
А налогичные исследования проведены
нами и в районе месторождений золото­
колчеданной барит-полиметаллической фор­
мации в 2005-2009 гг. [2]. Д ля этого типа
экосистем (Змеиногорск) парагенны е ассо­
циации вы явлены для листьев тополя и по­
лы ни (наиболее распространенны х растений
в городе) целиком определяю тся составом
добываемы х полиметаллических руд из зо ­
лото-колчеданных
барит-полиметаллических месторождений, располож енны х вблизи
города (Змеиногорское, Корбалихинское,
Среднее, Зареченское, П етровское и др.),
соответственно:
D —52,4 %, Ba0,97CU0,93Zn0,9lPb0,89Sr0,88Ag0,81
Cd0,60M00,46Tl0,39;
D —44,5 %, Ba0,92Ag0,9iCd0,85Zn0,8iPb0,69Cu0,53
Sr0,48M00,42Tl0,29.
Значительную роль в парагенетических
ассоциациях тяжелых металлов в обоих рас­
тениях получили барий, медь, серебро, кад­
мий, таллий. П оследние два элемента явля­
ются примесями в рудах, тем не менее, они
оказались важными полютантами, поглощае­
мыми растениями. Для г. Горняк (известное
Золотушинское барит-полиметаллическое ме­
сторождение и рядом расположенное на тер­
ритории Казахстана аналогичное по составу
месторождение Джискен), где отмечено рож­
дение «желтых детей», факторные нагрузки и
парагенные ассоциации тяжелых металлов
следующие (листья тополя и полыни соот­
ветственно):
D —59,9 %, Hg0,98Pb0,96Ba0,95Ag0,92CU0,90Ti0,87
Zn0,86M o0,60Cd0,41Tl0,39;
D —48,8 %, Pb0,99Ba0,92Hg0,90Ag0,88CU0,73Cd0,71
Zn0,6 lM00,42Tl0,29Ti0,25.
Степное барит-полиметаллическое зо ­
лото-колчеданное месторождение, располо­
женное в Рубцовском рудном районе, в на­
стоящее время разведывается. Оно распо­
ложено в 4 км от пос. Таловка (в Таловке
находится одноименное месторождение, но
158 --------------------------------------------------------------------------------------I S S N 0135-3500. За п и ски Горного инст ит ут а. Т.203
оно располож ено на глубине и ранее разве­
дывалось скважинами колонкового буре­
ния). Н а Степном месторождении пройден
карьер с отвалами, занимаю щ ими значи­
тельную площадь. М есторождение находит­
ся в степи, и в его районе деревья отсутст­
вуют. Н ами опробованы полынь и пырей
ползучий (по 15 проб каждая из трав). Для
указанны х растений факторные нагрузки
следующие, соответственно:
D = 43,4 %, Ba0,90Ag0,87Cd0,8iZn0,8iPb0,69Cu0,53
Sr0,4iTl0,2i;
D = 41,5 %, Ba0,92Ag0,90Cd0,82Zn0,80Pb0,69CU0,56
Sr0,48Tl0,25.
Характерной особенностью факторных
нагрузок на Степном месторождении являю т­
ся значительно меньшие их значения, чем на
Змеиногорском и Золотушинском месторож­
дениях. Кроме того, в обоих видах растений
отсутствует молибден, что также отличает
это месторождение от ранее рассмотренных
колчеданных объектов Рудного Алтая.
Таким образом, на основе полученных
результатов установлены биогеохимические
индикаторы биологического накопления
тяж елы х металлов во мхе, папоротнике,
осоке и мать-и-мачехе при диффузионном
процессе восходящ ей м играции пленочных
вод над рудными залежами Синю хинского
месторождения. И з больш ого числа проана­
лизированны х элементов к числу индикато­
ров биологического накопления можно от­
нести висмут, медь, серебро, кобальт, ж еле­
зо. Обращ ает на себя внимание резко
аномальные концентрации всех элементов в
хвое сосен, пораженных ауксобилией.
Н а колчеданных барит-полиметаллических м есторож дениях Рудного Алтая полю танты в листьях тополя и полыни также
отражаю т состав основны х рудны х ком по­
нентов и некоторых примесны х металлов
(таллий, кадмий).
ЛИТЕРАТУРА
1. Бугаец А.Н. М атем ати ч еск и е м етоды п р и п р о ­
г н о зи ров ан и и м есторож д ен и й п о л езн ы х и ско п аем ы х /
А .Н .Б угаец , Л .Н .Д уденко. Л ., 1976. 270 с.
2. Гусев А.И. Б и огеохи м и ческая и н д и к ац и я ан тр о ­
п оген н ого загр язн ен и я р а сти тел ьн ости А л тай ски х горо­
дов / А .И .Г усев, О .И .Г усева // М е ж дун ародн ы й ж урнал
эк сп ери м ен тал ьн ого образования, 2010. № 7. С. 17-19.
3. Гусев А.И. Б и огеохи м и чески е и н ди к аторы био­
логи ческого н акоп л ен и я р а стен и ям и т яж е л ы х м еталлов
н а н ек о то р ы х м есторож д ен и ях А л т ая / А .И .Г усев,
О .И .Г усева // П ри родн ы е ресурсы Г орного А лтая. 2010.
№ 1. С. 114-118.
4. Григорян С.В. И н струк ц и я по геохи м и ческ и м
м ето д ам поисков р у д н ы х м есторож д ен и й / С .В .Г р и ­
горян, А .П .С ол овов, М .Ф .К узин . М ., 1983. 191 с.
5. Перельман А.И. Г ео х и м и я лан дш аф та. М ., 1975.
2 3 4 с.
REFERENCES
1. Bugaets A.N., Dudenko L.N. M athem atic m ethods
for prognosis deposits ore m aterials. L eningrad, 1976. 270 p.
2. Gusev A.I., Guseva O.I. B io g eo c h em ica l in d ic a ­
tio n o f a n tro p o g e n ic p o llu tio n o f p a n ts o f A ltay c ities //
In tern a tio n a l m ag a zin e o f e x p erim e n tal e d u catio n , 2010.
N 7. P .17-19.
3. Gusev A.I., Guseva O.I. B iogeochem ical indicators
o f b iologic p o llu tio n o f p lan ts h a rd m etals on som e deposits
o f A ltay // N atu re resources o f M o u n ta in A ltay., 2010. N 1.
P. 114-118.
4. Grigorjan S.V., Solovov A.P., Kuzin M.F. In stru c­
tio n on geochem ic m eth o d s o f searching ore deposits. M o s­
cow , 1983. 191 p.
5. Perelman A.I. G eochem istry o f landscape. M oscow ,
1975. 234 p.
----------------------------------------- 159
Санкт-Петербург. 2013