Экогеохимия районов промышленного освоения Большеземельской тундры и Ямала
ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………………………………………… 8
Глава 1. ЭКОГЕОХИМИЯ ТУНДРОВЫХ ЛАНДШАФТОВ: НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ …..16
1.1. Особенности миграции химических элементов в криолитозоне……………………………… 16
1.1.1. Механическая миграция и нивальное преобразование рельефа ………………………………………….. 17
1.1.2.Криогеохимическиепроцессывпочве привымораживаниирастворов……………………………..17
1.1.3. Миграция влаги при промерзании почв…………………………………………………………………………………19
1.1.4. Капиллярные явления в почвах………………………………………………………………………………………………20
1.1.5.Сорбционныепроцессыиприродныесорбенты вмерзлотныхпочвах………………………………22
1.1.5.1. Почвенные коллоиды: гидроксиды железа и марганца ……………………………….. 22
1.1.5.2. Глинистые минералы ………………………………………………………………………………… 23
1.1.5.3. Торф …………………………………………………………………………………………………………. 23
1.1.5.4. Органическое вещество почв …………………………………………………………………….. 24
1.2. Геохимическая активность снежного покрова ………………………………………………………… 26 1.2.1.Образованиесубохлажденнойпленочнойвлаги вснежнойтолще…………………………………….27 1.2.2. Внутриснежное формирование криогидратов ………………………………………………………………………28 1.2.3. Геохимическая роль атмосферных газов в снежном покрове ……………………………………………… 29
1.3. Геохимические барьеры в ландшафтах …………………………………………………………………… 30 1.3.1. Механические геохимические барьеры ………………………………………………………………………………… 31 1.3.2. Биогеохимические барьеры ……………………………………………………………………………………………………32
1.3.2.1. Биотические факторы………………………………………………………………………………… 32 Биофильность……………………………………………………………………………………………………. 32 1.3.2.2. Геохимические факторы ……………………………………………………………………………. 33 Геохимическая специализация растений……………………………………………………………….. 33 1.3.2.3. Взаимодействие растений с аэрозольным стоком……………………………………….. 34 Механизм взаимодействия воздушного потока с листовой поверхностью ………………… 34 Нарушение концентрационных функций растений при атмосферном загрязнении 36 1.3.3. Физико-химические барьеры………………………………………………………………………………………………….38 1.3.4. Техногенные геохимические барьеры……………………………………………………………………………………38 1.3.5. Природно-техногенные геохимические барьеры ………………………………………………………………….40 1.3.6. Искусственные геохимические барьеры………………………………………………………………………………..41 1.3.6.1. Геохимические барьеры в ресурсосберегающих технологиях …………………….. 41 1.3.6.2. Геохимические барьеры в ресурсовоспроизводящих технологиях………………. 42
3
1.4. Геохимическая активность атмосферы и закисление поверхности сульфатными аэрозолями…………………………………………………………………………………………………………………… 42 1.4.1. Ключевые процессы геохимической активности атмосферы ……………………………………………… 42 1.4.2. Геохимическая роль ионов железа в атмосфере …………………………………………………………………… 44 1.4.3. Образование сульфатных металлокомплексов ……………………………………………………………………..46
Глава 2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ………………………………………………………………………… 48
2.1. Подготовительный этап …………………………………………………………………………………………. 49
2.2. Полевой этап …………………………………………………………………………………………………………. 49 2.2.1. Ландшафтно-геохимические исследования…………………………………………………………………………..49 2.2.2. Геокриологические исследования………………………………………………………………………………………….50 2.2.3. Снеговедческие исследования………………………………………………………………………………………………..51
2.2.3.1. Устройство для отбора проб снега с поверхностным инеем………………………… 51
2.2.3.2. Послойный снегоотборник ………………………………………………………………………… 52 2.2.4. Атмогеохимические исследования аэрозольного стока………………………………………………………..54 2.2.4.1. Пассивный пробоотбор аэрозолей ……………………………………………………………… 54 2.2.4.2. Пассивный пробоотборник аэрозолей – импульвератор ……………………………… 55
2.3. Камеральный этап …………………………………………………………………………………………………. 57 2.3.1. Аналитические методы…………………………………………………………………………………………………………..57 2.3.2. Расчетные методы…………………………………………………………………………………………………………………..58
2.3.2.1. Статистическая обработка геохимических данных …………………………………….. 58
2.3.2.2. Геохимические показатели ………………………………………………………………………… 62 2.3.3. Физические и морфо-анатомические исследования растений …………………………………………….. 63 2.3.4. Разработка баз данных с ботанической номенклатурой ………………………………………………………. 63
Глава 3. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ ………………………………………….. 64
3.1. Районы нефтедобычи в южной части Большеземельской тундры …………………………… 64 3.1.1. Геохимическая дифференциация ландшафтов …………………………………………………………………….. 68 3.1.1.1. Ландшафты долин малых водотоков………………………………………………………….. 68 3.1.1.2. Ландшафты многоозерья с реликтовыми торфяниками………………………………. 71
3.2. Старопромышленный район угледобычи в Воркутинской тундре ………………………….. 75 3.2.1. Агроландшафты (сеяные луга)……………………………………………………………………………………………….76
3.3. Субарктические тундры Ямала в зоне газодобычи………………………………………………….. 79 3.3.1. Геохимическая дифференциация ландшафтов …………………………………………………………………….. 85 3.3.1.1. Западно-Ямальская низинная северная тундра …………………………………………… 85 3.3.1.2. Центрально-Ямальская средняя субарктическая тундра……………………………… 88
4
3.3.1.3. Центрально-Ямальская южная субарктическая тундра……………………………….. 90
3.4. Региональная геохимия элементов …………………………………………………………………………. 92 3.4.1. Оценка геохимического фона…………………………………………………………………………………………………92 3.4.2.Геохимияотдельныхэлементоввпочвах Большеземельскойтундры……………………………….93 3.4.3. Геохимия отдельных элементов в мерзлотных почвах Ямала ……………………………………………102
3.5. Биогеохимические исследования тундровых растений………………………………………….. 110 3.5.1.Биогеохимияотдельныхэлементов врастенияхБольшеземельскойтундры…………………..113 3.5.2. Биогеохимия отдельных элементов в растениях Ямала………………………………………………………120
Глава 4. ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТЕХНОГЕННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ТУНДР В РАЙОНАХ ПРОМЫШЛЕННОГО ОСВОЕНИЯ ……. 129
4.1. Особенности геохимической трансформации тундр при проведении геологоразведочных работ………………………………………………………………………………………….. 129 4.1.1. Характеристика видов и источников загрязнения……………………………………………………………….129 4.1.1.1. Источники загрязнения приземной атмосферы…………………………………………. 129 4.1.1.2. Механическое повреждение напочвенного покрова………………………………….. 130 4.1.1.3. Химическое загрязнение почв………………………………………………………………….. 130 4.1.1.4. Химическое загрязнение снега…………………………………………………………………. 131 Геохимическая характеристика снежного покрова…………………………………………………. 131 Проблема кислого снега …………………………………………………………………………………….. 132 4.1.1.5. Загрязнение тундр при авариях на буровых скважинах …………………………….. 137 4.1.1.6. Загрязнение тундр при обустройстве и эксплуатации нефтепромыслов…….. 138 4.1.2. Техногенная трансформация ландшафтной структуры целинных тундр…………………………139 4.1.2.1. Харьягинский тип техногенной ландшафтной структуры …………………………. 139 4.1.2.2. Сеношорский тип техногенной ландшафтной структуры………………………….. 143
4.1.2.3. Эколого-геохимическое прогнозное районирование при оценке устойчивости
целинных тундр к нефтяному загрязнению………………………………………………………….. 148 4.1.3. Суффозионный вынос битумоидов из почв…………………………………………………………………………151 4.1.3.1. Радиальное распределение техногенных битумоидов в мерзлотных почвах 151 4.1.3.2. Латеральное рассеяние битумоидов при суффозии глинистых минералов .. 153 4.1.4. Образование ореольных вод…………………………………………………………………………………………………155 4.1.5.Ответныереакциитундровыхрастений науглеводородноезагрязнение…………………………157 4.1.5.1. Морфо-анатомические преобразования в растениях …………………………………. 157 Морфологические изменения…………………………………………………………………………… 158 Анатомические изменения ………………………………………………………………………………. 158 4.1.5.2. Физические эффекты в сфагнуме при углеводородном загрязнении …………. 160
5
4.2. Агротехногенное воздействие на целинные тундры в старопромышленном угольном районе Воркутинскойтундры…………………………………………………………………………………….164
4.2.1. Изменчивость биогеохимической активности луговых растений при агротехногенном воздействии …………………………………………………………………………………………………………………………………….164 4.2.2.Биогеохимическаяактивностьрастений приаэротехногенномподщелачивании……………165
4.3. Аэротехногенное воздействие на субарктические тундры Ямала………………………….. 170 4.3.1. Источники загрязнения приземной атмосферы на Ямале …………………………………………….170 4.3.2.Снижениемежвидовойбиогеохимическойконтрастности растенийвусловиях аэротехногенного загрязнения……………………………………………………………………………………………………….170 4.3.3. Аэротехногенное ожелезнение поверхности почв ………………………………………………………………171 4.3.4. Региональные геохимические особенности ландшафтов Ямала ………………………………………..176
4.3.4.1. Криогенное выщелачивание и ожелезнение почв……………………………………… 176 4.3.4.3. Ожелезнение природных вод Ямала…………………………………………………………. 178 4.3.4.2. Эрозионная неустойчивость ландшафтов…………………………………………………. 184
4.4. Биогеохимическая дифференциация тундровых ландшафтов……………………………….. 186 4.4.1.БиогеохимическаяконтрастностьБольшеземельской иВоркутинскойтундр…………………186 4.4.1.1. Большеземельская тундра………………………………………………………………………… 186 4.4.1.2. Воркутинская тундра ………………………………………………………………………………. 195 4.4.2. Биогеохимическая активность растений Ямала…………………………………………………………………..198
Актуальность. Мерзлотные ландшафты – самые распространенные природные комплексы на территории Российской Федерации. Они занимают около 11 млн. км2, что составляет более половины площади страны. Здесь в недрах сосредоточено свыше 30 % разведанных запасов нефти и около 60 % – запасов природного газа, что обусловило одностороннюю топливно-энергетическую специализацию субарктических регионов и, в частности, полуострова Ямал и Большеземельской тундры. Строитель- ство и эксплуатация топливодобывающей инфраструктуры в данных районах сопровождается хими- ческим загрязнением.. Отмечается, что химические элементы, в отличие от многих органических и минеральных загрязняющих соединений, не распадаются и не разлагаются, а только меняют уровень содержания и(или) формы нахождения в зависимости от условий внешней среды. Включаясь в мигра- цию и биологический круговорот, химические элементы неизбежно загрязняют окружающую среду. Однако получение полной информации о техногенных преобразованиях субарктических тундр, свя- занных с химическим воздействием осложняется слабой изученностью геохимических условий ми- грации микроэлементов в зимний период. Оставались вне внимания исследователей и криогенные процессы, контролирующие формирование геохимических аномалий в снежном покрове и мерзлых почвах, а также их последующую трансформацию при сходе снега и оттаивании почв в условиях мно- голетней мерзлоты. Очевидно, что для территорий, где устойчивый снежный покров сохраняется бо- лее 200 дней в году, результаты летних исследований техногенных преобразований целинных тундр должны рассматриваться с учетом того, что зимние процессы оказывают влияние на весь процесс в целом. Поэтому эколого-геохимический анализ химического воздействия топливодобывающих ком- плексов на природную среду Субарктики – весьма актуальная проблема.
Основы геохимических исследований промышленных территорий заложены научными трудами Ю. Е. Саета с сотрудниками, создавшими новое направление прикладной геохимии – «геохимия окружающей среды». Эти исследования базировались на концептуальных по- ложениях о техногенезе, выдвинутых А. Е. Ферсманом; о геохимии ландшафтов, разрабо- танных Б. Б. Полыновым, которые в дальнейшем получили значительное развитие в трудах А. И. Перельмана, М. А. Глазовской, Н. С. Касимова.
Геохимия окружающей среды разрабатывалась также в трудах И. А. Авессаломовой, В. А. Алексеенко, В. С. Аржановой, Н. В. Барановской, В. Г. Волковой, А. Я. Гаева, Г. И. Гривы, А.Н.Геннадиева, Н.Ф.Глазовского, Н.Д.Давыдовой, В.В.Добровольского, П.В.Елпатьевского, А. Л. Ковалевского, Е. М. Коробовой, В. К. Лукашева, Д. В. Московченко, М. Ю. Лычагина, А.М.Межибор, В.И.Осипова, Ю.И.Пиковского, Л.П.Рихванова, А.П.Садова, О.А.Самоновой, Н. П. Солнцевой, Е. П. Сорокиной, В. Д. Страховенко, Т. Т. Тайсаева, В. Т. Трофимова Е. Г. Язикова и других ученых.
В настоящее время развитие прикладных аспектов геохимии ландшафтов отражается в новых «дочерних» направлениях: эколого-геохимических исследованиях и эколого-геохимическом кар-
9
тографировании геологических процессов и явлений окружающей среды. Данные направления активно развиваются в научных организациях геологической службы России (ФГУП «ИМГРЭ», г. Москва; ФГУП «ВСЕГИНГЕО», Санкт-Петербург; ФГУП «ВСЕГЕИ», Санкт-Петербург), науч- ных институтах РАН (ФБГУН «Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского (ГЕОХИ РАН)», г. Москва; ФБГУН «Институт геохимии им. А. П. Виноградова (ИГХ СО РАН, г. Иркутск)»; «Объединенный институт нефтегазовой геологии, геофизики и минералогии им. А.А.Трофимука (ОИГГМ СО РАН)», г. Новосибирск), образовательных учреждениях (МГУ им. М. В. Ломоносова, СПбГУ, Санкт-Петербург; Институте природных ресурсов ТПУ, г. Томск; НИИ геохимии биосферы ФГОУВПО «ЮФУ», г. Новороссийск), а также в отдельных научно- производственных предприятиях (ФГУНПП «АЭРОГЕОЛОГИЯ», г. Москва).
Объект исследования: природные и техногенные ландшафты Большеземельской тундры и Ямала.
Предмет исследования: процессы миграции и аккумуляции химических элементов- примесей (ЭП) в депонирующих компонентах ландшафтов (растения, почва, донные отложе- ния, снежный покров).
Цель работы: установление эмпирических закономерностей распределения ЭП в равнин- ных ландшафтах Большеземельской тундры и Ямала, выявление индикационных признаков техногенной трансформации целинных тундр для разработки технологий мониторинга топливо- добывающих комплексов и геохимических способов защиты природной среды тундр с учетом промышленной специализации территорий.
В соответствии с целью решали следующие задачи:
1. Установить закономерности распределения ЭП в почве и растениях целинных и ос-
военных тундр и выявить геохимические особенности миграции и концентрации ЭП в зоне влияния нефте-, угле-, газодобычи;
2. Выявить эколого-геохимические особенности техногенной трансформации тундро- вых ландшафтов в районах нефтедобычи и установить связанные с ними индикационные признаки ответных реакций природной среды на загрязнение; оценить информативность ин- дикационного комплекса признаков в качестве критерия выделения прогнозных территорий экологического неблагополучия;
3. Проанализировать особенности проявления барьерообразующих факторов и связанных с ними геохимических барьеров в мерзлотных ландшафтах; показать прикладные аспекты примене- ния геохимических барьеров для охраны окружающей среды Субарктики;
4. Исследовать особенности формирования аэрогенных геохимических аномалий при взаимодействии аэрозольного стока с различными типами подстилающей поверхности (поч- ва, растительность, снежный покров);
5. Разработать новые способы мониторинга атмосферного загрязнения промышленных территорий в районах холодного климата.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (14 отзывов)
4.1 (20 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
5 (8 отзывов)
4.2 (6 отзывов)
4.9 (826 отзывов)
5 (158 отзывов)
5 (21 отзыв)
4 (15 отзывов)
