Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,087

АНОМАЛИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ И СНЕЖНОМ ПОКРОВЕ ГОРОДА ПЕРМИ КАК ПРОЯВЛЕНИЯ ФАКТОРОВ ГЕОДИНАМИКИ И ТЕХНОГЕНЕЗА

Копылов И.С. 1
1 Естественнонаучный институт Пермского государственного национального исследовательского университета
В статье рассмотрены вопросы комплексной эколого-геохимической оценки состояния городской среды. Приводятся результаты геохимического картирования Приуралья и города Перми. Изучены закономерности и пространственное распределение тяжелых металлов в почвах и снежном покрове. Построены эколого-геохимические карты с выделением аномальных зон. Наиболее опасными являются элементы: Pb, Cd, Zn, Co, Ni, Cu, Мо, Cr, все они имеют высокий фон и создают контрастные аномалии. Впервые для городской среды выполнена экологическая оценка состояния окружающей среды по геохимическим критериям на основе методики эколого-геохимического, эколого-геодинамического и медико-геоэкологического анализа. Установлено комплексное влияние геодинамики и техногенеза на формирование геохимических аномалий, установлена их связь с участками с повышенной заболеваемости населения. При сопоставлении медицинских данных и геохимических аномалий показано, что участки с повышенной заболеваемостью населения, как правило, приурочены к участкам с концентрацией токсичных элементов. Результаты геохимического картирования доказали возможность использования этой технологии при эколого-геохимической оценке территории города. Методика картирования геоэкологической обстановки может быть использована для других городов со сходными природно-техногенными условиями.
экологическая геохимия
геохимическое картирование
городские ландшафты
почвы
снежный покров
микроэлементы
тяжелые металлы
геохимические аномальные зоны
здоровье населения
1. Быков В.Н., Димухаметов Д.М., Димухаметов М.Ш. Эколого-геологическая обстановка города: учеб. пособие. – Пермь: Пермский ун-т, 2001. – 101 с.
2. Головин А.А., Ачкасов А.И. и др. Требования к производству и результатам многоцелевого геохимического картирования масштаба 1:1 000 000. – М.: ИМГРЭ, 1999. – 104 с.
3. Гравиметрия, магнитометрия, геоморфология и их параметрические связи: монография // М.С. Чадаев, В.А. Гершанок, Л.А. Гершанок, И.С. Копылов, А.В. Коноплев.: Перм. гос. нац. иссл. ун-т. – Пермь, 2012. – 91 с.
4. Ибламинов Р.Г. Тяжелые металлы в донных отложениях рек г. Перми // Экологическая безопасность зон градопромышленных агломераций Западного Урала: Тез. докл. регион. конф. – Пермь: Пермский ун-т, 1993. – С. 27–28.
5. Копылов И.С. Литогеохимические закономерности пространственного распределения микроэлементов на Западном Урале и Приуралье // Вестник Пермского университета. Геология. – Пермь, 2012. – Вып. 2 (15). – С. 16–34.
6. Копылов И.С. Эколого-геохимическая оценка территории города Перми и проблемы геологической безопасности // Геолого-геохимические проблемы экологии. Тез. докладов Всерос. научно-практической конф. – М.: ИМГРЭ, 2012. – С. 10–11.
7. Копылов И.С. Региональный ландшафтно-литогеохимический и геодинамический анализ: монография. LAP LAMBERT Academic Publishing. – Saarbrücken, Germany. 2012. – 152 с.

Одной из фундаментальных проблем экологии и геоэкологии является оценка экологического состояния крупных городов, где сосредоточена основная часть населения урбанизированных территорий, особенно сильно подверженная воздействию техногенеза. Территории городов представляют собой селитебно-промышленные зоны, являются объектами социально-экологической опасности. При этом, оценивая экологическую ситуацию города, не всегда уделяется должное внимание природным – геологическим − факторам, которые также могут серьезно влиять на здоровье человека.

Пермь – один крупнейших городов России, третий по площади после Москвы и Санкт-Петербурга (площадь города 799,68 км2, население – более 1 млн), имеет сложную эколого-геологическую обстановку, обусловленную сильнейшим техногенным воздействием и геологическими факторами, влияющими на городскую среду. По объёму промышленного производства Пермь занимает первое место на Урале. Это центр нефтеперерабатывающей, химической, целлюлозно-бумажной, машиностроительной, металлургической, лесопромышленной, энергетической и других промышленностей.

Основными геологическими и экологическими проблемами города являются: химическое загрязнение всех природных сред – грунтов, почвенно-растительного покрова, донных осадков, поверхностных и подземных вод, атмосферы; накопление огромного количества промышленных и бытовых отходов; развитие опасных геологических и природно-техногенных процессов (подтопление, заболачивание, оползни, абразия и переработка берегов водохранилищ, различные виды эрозии, карстовые, суффозионные процессы, деформация земной поверхности над подземными горными выработками и др.); проблема геодинамической опасности (зоны повышенной трещиноватости, формирующие геодинамические активные зоны, определяющие активность геологических процессов и уязвимость инженерно-строительных сооружений); проб­лема подработанных пространств города и др. Одной из важнейших является проблема геохимической опасности – загрязненности опасными химическими веществами, в первую очередь – тяжелыми металлами, агрессивными к геологической среде (грунтов и вод к строительным конструкциям и коммуникациям) [1, 6].

Основные результаты эколого-геохимических исследований

В Пермском Приуралье в последнее десятилетие проведены региональные геоэкологические и геохимические исследования, многоцелевое геохимическое картирование (Г.А. Вострокнутов, В.И. Демидов, Г.П. Гапонцев и др., 2001; И.С. Копылов и др., 2001, 2004). Проведено геохимическое районирование [5, 7] и установлена 21 комплексная литогеохимическая (эколого-геохимическая) аномальная зона (АЗ).

Территория г. Перми по геохимическому районированию расположена в пределах Среднекамской литогеохимической АЗ. Это крупная геохимическая зона, занимает площадь около 4 тыс. км2, картируется как площадная аномалия по: Р (100 % площади АЗ), Ni (95 %), Cu (90 %), Ga (90 %), Pb (75 %), V (40 %), Zn (30 %); с локальным и точечным распространением: Mn (15 %), Cr (10 %), Zr (10 %), Ti (5 %), Мо (5 %), Ва (5 %), Be (5 %), Cd (3 %), Co (3 %), Sn (3 %). Генетическая природа этой аномальной зоны комплексная. Основной источник поступления тяжелых металлов в приповерхностные горизонты литосферы (грунты, почвы, донные осадки) – вещество формаций нижнепермских отложений, особенно – континентальных терригенных красно­цветных шешминских отложений, включающих в значительном объеме медистые песчаники. Компоненты геологической среды получают в разной степени (от незначительного до очень сильного) загрязнение от техногенных источников, поэтому участки Среднекамской АЗ в пределах промышленных зон классифицируются как природно-техногенные.

В целом по комплексу геоэкологических критериев Пермь (Пермско-Краснокамская промзона) в региональном плане (масштаб 1:500 000–1:200 000) классифицируется как территория с катастрофическим экологическим состоянием природной среды и отвечает категории экологического бедствия. Однако территория города не однородна по факторам и уровням воздействия на окружающую среду и при детализации изучения эколого-геохимическими и другими методами дифференцируется на участки с различной степенью экологического состояния.

Непосредственно на территории г. Перми тяжелые металлы в почвах и других средах изучаются около 40 лет отдельными тематическими и специализированными исследованиями [4 и др.]. Наибольший объем геохимической информации по геологической среде города Перми был получен в последнее десятилетие при проведении эколого-геохимической съемки масштаба 1:50 000 (с изучением почвенного и снежного покрова, где было отобрано более 1 тыс. проб), гидрогеологического доизучения, геоэкологического картографирования, проведенных Пермским университетом, ФГУП «Геокарта-Пермь», ГП «Запурал­гидрогеология». По результатам этих исследований установлено, что по всем компонентам природной и геологической среды во многих местах города наблюдаются локальные аномалии с высоким уровнем концентраций. Автором составлена эколого-гео­химическая карта города Перми масштаба 1:50 000 и выполнена комплексная эколого-геохимическая оценка состояния городской среды (рисунок).

Обсуждение результатов геохимических исследований

В почвах Перми отмечается превышение средних концентраций металлов в 1,5–15 раз по сравнению с фоном. Наиболее опасными являются элементы: 1 класса опасности Pb и Cd (оба – до 1000 ПДК), Zn (27), Ве (10); 2 класса опасности – Co (400), Ni (250), Cu (106), Мо (100), Cr (23). Все они имеют высокий фон 1,2–4 ПДК (кроме Co) и создают контрастные аномалии. Мало­опасные и не лимитируемые элементы – Mn, Zr, Ti (преимущественно – до 3 ПДК) имеют широкое распространение, но невысокие концентрации, другие элементы – Sb (до22 ПДК), As (20), создают точечные высококонтрастные аномалии. Особое внимание обращают на себя техногенные аномалии в почво-грунтах по свинцу, установленные практически повсеместно. Крупнейшая аномалия расположена в центральной части Индустриального района и совпадает с аномалией по снежному покрову, причем совпадает по максимальным точкам. Далее свинцовые аномалии протягиваются в север-северо-восточном направлении в Дзержинский, Ленинский и Мотовилихинский районы. Несколько аномалий с высокими содержаниями свинца установлены на юге и юго-востоке города в Свердловском районе. Четко прослеживается увеличение содержания свинца около автомагистралей. «Ураганные» значения свинца (а также кадмия, кобальта, никеля, хрома, мышьяка, сурьмы) установлены на 3-километровом участке ул. Героев Хасана. Комплексные аномалии в почвах группируются в трех крупных аномальных геохимических зонах: в западной части города в Индустриальном районе, в центральной части в Ленинском и Мотовилихинском районах и в южной части в Свердловском районе.

pic_15.tif

Эколого-геохимическая обстановка г. Перми

В снежном покрове селитебной зоны города химический макрокомпонентный состав и минерализация снеговых вод (талой воды) в целом близки к фоновым по Пермскому краю, но несколько выше (примерно на 20–25 %). Минерализация снега изменяется от 30,1 до 118,1 мг/дм3, в среднем − 53,4 мг/дм3. Химический состав гидрокарбонатно-натриевый. Преобладающим анионом является гидрокарбонат-ион с содержанием 6,1–42,7 мг/дм3. На втором месте хлор-ион с содержанием 3,6–42,6 мг/дм3. На третьем месте − сульфат-ион с содержанием 1,2–12,3 мг/дм3. Среди катионов преобладает натрий, содержание его изменяется от 6,6 до 32,1 мг/дм3. Содержание кальция и магния примерно одинаково – соответственно 1,0–6,0 и 0,0–6,0 мг/дм3. Содержание хлор-иона (элемента-индикатора, показывающего на загрязнение снега) в лесопарковых районах города, составляет 3,6–5,3 мг/дм3, во всех других точках (при условии отбора из чистых мест) – 3,6–42,6 мг/дм3. На участках вблизи автодорог отмечается резкое повышение хлор-иона, которое увеличено в 100–280 раз по сравнению с фоном и составляет 500–1030 мг/дм3. Средние содержания микроэлементов (по сравнению с фоном на контрольных участках и в среднем по Пермскому краю) превышают фон: по Cd – в 120, Cr – 109, Sn – 82, Ni – 37, Pb – 27, Sr – 21, Ba – 25, Cu –13, P – 10, Co – 9, Zn, Mn, V в – 4 раза. Анализ распределения химических элементов в снежном покрове показывает, что наиболее опасными для г. Перми являются следующие элементы (по степени уменьшения опасности): Cd (до 70 ПДК), Pb (30), P (30); Zn (6), Ni (75), Cu (75), Cr (26), Co (20), Ba (8), Mn (3), Sr (3). Наиболее контрастные аномалии по самым опасным химическим элементам установлены в районе Осинцовского промузла; в центральной части Индустриального района; в районе Мотовилихинских заводов; в центральной и северо-восточной части Свердловского района. Аномалии по снегу хорошо коррелируются с почвенными аномалиями, довольно устойчивы во времени [6].

По классификации ИМГРЭ [2], участки с развитием химических элементов 1 класса опасности – Pb, Zn, Cd и др. с концентрациями, превышающими ПДК, характеризуются следующей экологической ситуацией: удовлетворительная (< 1), напряженная (1–1,5), критическая (1,6–2), чрезвычайная (2,1–3), экологическое бедствие (> 3). Следуя этой классификации, участки в пределах значительной части Индустриального района (кроме лесо-парковых зон), Мотовилихинского и Свердловского районов в бассейне р. Егошихи и низовий рек Ивы и Мотовилихи (а также некоторые другие небольшие участки) могут классифицироваться как участки с чрезвычайной экологической ситуацией или экологическим бедствием. На остальной части города экологическая обстановка по приведенным критериям напряженная и критическая и лишь на окраинах города к юго-востоку и северу – удовлетворительная.

В изучении природы геохимических полей и их формирования важную роль может играть линеаментно-геодинамический анализ (по аэрокосмогеологическим, геофизическим и другим исследованиям) [3]. По данным аэрокосмогеологических исследований, проведенных автором в 2010–2012 гг., на территории города установлено 785 линеаментов, отождествляемых с тектоническими нарушениями осадочного чехла. Наибольшая их плотность отмечается в районах крупных разломов, выделенных по геофизическим материалам, где картируются локальные геодинамические зоны. Комплексный эколого-геодинамический и геохимический анализ показал на приуроченность многих геохимических аномалий к крупным тектоническим линеаментам, особенно к местам их пересечений и геодинамическим активным зонам с очень высокой плотностью трещиноватости, и особенно сильно – в местах концентрации промышленности или автодорог, что свидетельствует о сложном воздействии геодинамики и техногенеза на городскую среду.

Важнейшим показателем экологической ситуации урбанизированных территорий является состояние здоровья людей, поэтому важное значение для экологической оценки играет медико-геоэкологический анализ. По анализу данных медицинской статистики по заболеваемости населения среди детей и взрослых г. Перми наблюдается постоянный рост различных видов заболеваний. Детский контингент более чувствителен к антропогенным нагрузкам, менее адаптирован к изменениям условий окружающей среды. Наиболее высокие уровни экологически обусловленных заболеваний у детей установлен (по материалам медицинской статистики) в Индустриальном (анемия, атопический дерматит, болезни системы пищеварения), Свердловском (бронхиальная астма), Дзержинском (врожденные пороки развития), Орджоникидзевском (инфекция почек) районах города. При сопоставлении медицинских данных и геохимических аномалий анализ показал, что участки с повышенной заболеваемостью населения, как правило, приурочены к участкам с концентрацией токсичных элементов, хотя границы между ними совпадают нечетко. Более высокая сходимость геохимических аномалий в почвах и снежном покрове отмечается с результатами анализов содержания химических элементов в биосредах детей. В Индустриальном районе установлены компоненты, являющиеся химическими факторами риска – Pb, Ni, Zn, Mn; в Мотовилихинском – Mn, Ni, Cr, Zn, Cu; в Свердловском – Mn, Cr, Zn, Ni; в Дзержинском – Mn, Ni, Pb.

Заключение

Проведенные исследования показывают, что почвенный и снежный покров являются хорошими объектами для эколого-геохимической оценки, основные результаты исследований – геохимические аномалии − в целом устойчивы во времени и пространстве, отражают региональное и локальное распределение тяжелых металлов в различных средах. Необходимо продолжать их изу­чение по более плотной сети опробования (масштаб 1:10 000–1:25 000) с охватом всего Пермского мегаполиса. Отмечена важная роль линеаментов и геодинамических активных зон в экологической оценке, комплексное проведение эколого-геодинамического и эколого-геохимического анализов позволяет наиболее объективно отражать экологическое состояние городской среды в результате действия геологических факторов. Медико-геоэкологический анализ показал, что для аномальных геохимических зон существует пространственно-корреляционная связь между геохимическими параметрами геологической среды и уровнем содержания токсикантов в биосредах людей, отмечаются тенденции увеличения заболеваемости населения и изменения ее структуры, что позволяет рассматривать геохимические критерии в комплексе важнейших показателей при оценке социально-экологического риска.

Рецензенты:

Наумова О.Б., д.г.-м.н., профессор, зав. кафедрой поисков и разведки полезных ископаемых Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь;

Ибламинов Р.Г., д.г.-м.н., зав. кафедрой минералогии и петрографии Пермского государственного национального исследовательского университета, г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 28.11.2012.


Библиографическая ссылка

Копылов И.С. АНОМАЛИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВАХ И СНЕЖНОМ ПОКРОВЕ ГОРОДА ПЕРМИ КАК ПРОЯВЛЕНИЯ ФАКТОРОВ ГЕОДИНАМИКИ И ТЕХНОГЕНЕЗА // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 1-2. – С. 335-339;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30946 (дата обращения: 15.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074