В настоящее время одним из способов оценки аэротехногенной составляющей поступления загрязняющих веществ в окружающую среду является исследование состава снежного покрова [2, 3, 7].
В г. Томске располагается значительное количество различных промышленных предприятий, которые находятся в основном в зоне жилой застройки. По данным Департамента природных ресурсов и охраны окружающей среды Томской области на территории города Томска одним из наиболее загрязненных участков является зона суммарного воздействия городской районной теплоэлектростанции [11]. Также, по результатам площадной снегогеохимической съемки, проведенной на территории города Томска в 2007 г. [10], помимо очага повышенного загрязнения атмосферы в центре города, обусловленного деятельностью данной теплоэлектростанции, установлены ареалы техногенного загрязнения, приуроченные к местам размещения промышленных объектов строительной индустрии (кирпичные заводы) и микрорайонам с частной малоэтажной застройкой и локальными котельными.
Методика и методы исследования
С целью уточнения и детализации геохимических и минералогических характеристик пылевых атмосферных выпадений проводился мониторинг загрязнения снежного покрова с 2009 по 2013 годы в зонах воздействия промышленных предприятий города – городской районной теплоэлектростанции, кирпичных заводов, предприятий по производству железобетонных изделий, где еще размещается сектор частной застройки и локальные котельные (рис. 1). Отбор проб производили по векторной сети от промплощадок в направлении основного ветрового переноса загрязнений, согласно преобладающему направлению ветра (южные и юго-западные ветра). В каждой из рассматриваемых зон ежегодно отбиралось по 5 проб снега, общее количество проб составило 75. Работы по отбору и подготовке снежных проб выполнялись с учетом методических рекомендаций, приводимых в [3], руководстве по контролю загрязнения атмосферы [8] и на основе многолетнего практического опыта эколого-геохимических исследований на территории западной Сибири [2, 10, 11]. Объект исследования – твердый осадок снега, содержащий осевшую атмосферную пыль.
Изучение минерального состава проб твердого осадка снега проводились в международном инновационном научно-образовательном центре «Урановая геология» кафедры геоэкологии и геохимии ТПУ.
Электронно-микроскопические исследования выполнялись на сканирующем электронном микроскопе фирмы Hitachi S-3400N c энергодисперсионной приставкой для микроанализа Bruker. Разрешающая способность микроскопа составляет 3 нм, что позволило получить высококачественные изображения исследуемых проб. Помимо этого отдельные пробы твердого осадка снега были исследованы на рентгеновском дифрактометре Bruker Phaser D2. Под бинокулярным стереоскопическим микроскопом (Leica ZN4D с видеоприставкой), в пробах определяли процентное соотношение всех минеральных и техногенных составляющих методом сравнения с эталонными палетками, согласно запатентованному способу определения загрязненности снежного покрова техногенными компонентами [6]. Элементный состав всех проб был определен инструментальным нейтронно-активационным анализом в аттестованной ядерно-геохимической лаборатории центра (аналитики Судыко А.Ф., Богутская Л.В.).
а 
б 
в 
Рис. 1. Схема отбора проб снега в зонах воздействия промышленных предприятий г. Томска (2009–2013 гг.):а – зона воздействия городской районной теплоэлектростанции; б – зона воздействия кирпичных заводов; в – зона совместного размещения сектора частной застройки с локальными котельными и предприятий по производству железобетонных изделий
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты многолетних наблюдений показали, что в пробах из зоны воздействия кирпичных заводов приоритетными элементами-загрязнителями являются Na, Sc, Rb, группа редкоземельных элементов (легких (La, Ce, Sm) и тяжелых (Tb, Yb, Lu) лантаноидов), Hf и Th (таблица). По данным рентгеноструктурного анализа, в пробах обнаружено содержание кварца на уровне 54 %, альбита – 28 %, мусковита – 12 %, кальцита, доломита, магнетита и муллита – 1–2 %. Изучение проб под бинокулярным микроскопом показало, что минеральные частицы (50–81 %) преобладают над техногенными образованиями (19–50 %). Специфическими техногенными частицами являются кирпичная крошка (10–15 %) и спекшиеся частицы кирпичной крошки (13–25 %). Сопоставив геохимический и вещественный состав проб пылевых атмосферных выпадений, можно отметить, что вероятный источник поступления типоморфных элементов-загрязнителей связан с видом используемого сырья при производстве кирпича и керамической продукции на заводах. Сырье – глины, суглинки, пески месторождений Томского района, некоторые из них являются вскрышными породами россыпного Туганского и Георгиевского циркон-ильменитовых месторождений, содержащих монацит и другие минералы, в которых в рассеянной форме находятся редкоземельные элементы.
Содержание химических элементов в твердом осадке снега из зон воздействия некоторых промышленных предприятий г. Томска (мг/кг)
|
Элемент |
Фон [21] |
Томск [17] |
Городская районная теплоэлектростанция |
Предприятия по производству железобетонных изделий и сектор частной застройки с локальными котельными |
Кирпичные заводы |
|
Na |
0,2 |
0,7 |
0,7 |
0,7 |
1,2 |
|
Ca |
0,8 |
1,2 |
1,4 |
2,8 |
1,5 |
|
Sc |
7,1 |
8,6 |
10,4 |
10,1 |
12,3 |
|
Fe |
1,9 |
2,7 |
4,4 |
3,5 |
3,5 |
|
As |
0,5 |
3,8 |
13,1 |
12,0 |
10,0 |
|
Br |
2,9 |
12,1 |
5,5 |
5,0 |
3,0 |
|
Rb |
55,0 |
46,9 |
49,6 |
46,3 |
72,2 |
|
Sr |
100 |
178 |
346 |
352 |
168 |
|
Sb |
0,2 |
6,8 |
4,9 |
4,8 |
2,5 |
|
Ba |
100 |
858 |
1863 |
676 |
554 |
|
∑TR* |
15,2 |
87,6 |
111 |
114 |
113 |
|
Hf |
2,2 |
4,7 |
5,8 |
5,1 |
7,2 |
|
Ta |
0,1 |
0,8 |
1,0 |
1,0 |
1,0 |
|
Th |
2,9 |
6,7 |
8,4 |
8,8 |
8,6 |
|
U |
0,2 |
2,77 |
4,0 |
4,3 |
3,1 |
|
типоморфные минеральные фазы и техногенные образования |
кварц, альбит, диопсид, хлорит, муллит, частицы сажи, угля и шлака; галенит, ковеллин, антимонит, барит, пирит, халькопирит, магнетит, гематит, ферросферулы |
кальцит, частицы цементной пыли |
кварц, альбит, мусковит; кирпичная крошка, спекшиеся частицы кирпичной крошки |
||
Примечание: * – сумма содержаний редкоземельных элементов (La, Ce, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu).
В пробах из зоны воздействия предприятий по производству железобетонных изделий приоритетными элементами-загрязнителями являются Ca, Sr, As и U. В цементной пыли были определены повышенные концентрации Sr и U [11]. Кроме того, отмечаются значимые отличия от средних городских величин по содержанию Ca, минеральной формой которого является преимущественно кальцит, а также элементы (Сe, Sm и Th) типоморфные и для пылевых аэрозолей около кирпичных заводов г. Томска. Наличие повышенных концентраций данных элементов в выборке объясняется еще и близким территориальным расположением локальных котельных на угле и частного сектора. В пробах твердого осадка снега техногенные образования (85–88 %) доминируют над минеральными частицами (12–15 %). Спецификой техногенной составляющей вещественного состава проб является повышенное содержание (10–35 %) частиц цементной пыли.
В шлейфе выбросов Томской государственной районной теплоэлектростанции фиксируются редкоземельные элементы, As, Ba, Sr, Sb, U и Fe. По данным [1], зола по сравнению с углем в большей степени обогащена редкоземельными элементами, что также подтверждается результатами исследования состава золы-уноса [11]. Тяжелые металлы, содержащиеся в топливе, обладают высоким потенциалом мобилизации в газовую фазу при сжигании топлива либо конденсируются в виде пленки на поверхности твердых частиц уноса [2, 4, 7].
По данным рентгеноструктурного анализа, в изучаемых пробах фиксируется высокое содержание кварца (60 %), альбита (14 %), муллита (12 %), в следовых количествах – диопсид (8 %) и хлорит (6 %). Муллит преимущественно содержится в алюмосиликатных микросферулах, являющихся типичными техногенными образованиями для предприятий теплоэнергетики [5, 9, 11]. Помимо кристаллических фаз пробы содержат до 35 % аморфного вещества, которое представлено частицами сажи и шлака. Халькофильные элементы находятся в твердых частицах аэрозолей в форме сульфидов. Например, по результатам электронно-микроскопических исследований идентифицированы такие минералы, как галенит и ковеллин (рис. 2). Минеральной формой нахождения сурьмы является антимонит, бария – барит, тогда как железа – пирит, халькопирит, магнетит, гематит, микровключения металлического железа. Типичными техногенными образованиями в пробах являются металлические микросферуллы, состоящие из оксидов железа [8, 10].
Рис. 2. Результаты электронно-микроскопического исследования проб твердого осадка снега из зоны воздействия городской районной теплоэлектростанции:а – галенит; б – ковеллин; в – антимонит; г – барит; д – пирит; е – металлическое железо; ж – микросферула с окислами железа; для каждой частицы показан ее энергодисперсионный спектр с пиками, соответствующими С, Si, Al, O, так как они являются элементами матрицы проб
Заключение
Таким образом, по результатам детальных многолетних исследований химического и вещественного состава твердых частиц аэрозолей было выявлено, что специфичными элементами, минеральными фазами и техногенными образованиями для пылевых аэрозолей, осевших на снеговой покров, в зоне влияния предприятий теплоэнергетики являются Na, Ba, Sb, La, Sm, Yb, Lu, U, Ta, As, Fe, Sr, кварц, альбит, диопсид, хлорит, муллит, частицы сажи, угля и шлака, галенит, ковеллин, антимонит, барит, пирит, халькопирит, магнетит, гематит, ферросферулы; для кирпичных заводов – Na, Sc, Hf и Rb, кварц, альбит, мусковит, кирпичная крошка, спекшиеся частицы кирпичной крошки; железобетонных заводов – Ca, Sr, As, U, кальцит и частицы цементной пыли.
Работа выполнена в рамках государственного задания «Наука» по теме 3.2702.2011.
Работа выполнена при финансовой поддержке Гранта Президента для поддержки молодых российских ученых (МК 951.2013.5).
Рецензенты:
Арбузов С.И., д.г.-м.н., профессор, кафедра геоэкологии и геохимии, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск;
Поцелуев А.А., д.г.-м.н., профессор, зав. кафедрой общей геологии и землеустройства, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», г. Томск.
Работа поступила в редакцию 01.07.2013.