Морфология и состав техногенных частиц донных отложений оз. Нюдъявр, Мурманская область

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Тяжелые металлы (ТМ) — опасные загрязнители окружающей среды. Широкое распространение ТМ и их аккумуляция в различных компонентах природы (почвах, донных отложениях (ДО), живых организмах) тесно связана с развитием промышленности, ростом городских территорий и другими факторами антропогенного преобразования окружающей среды. В зависимости от интенсивности и длительности антропогенной нагрузки территории загрязненные ТМ могут быть отнесены к зонам экологического риска, кризиса или бедствия. Примеры таких территорий можно найти в Северо-Западном регионе Российской Федерации (Моисеенко и др., 1997; Dauvalter, Rognerud, 2001; Kozlov, Zvereva, 2007; Даувальтер и др., 2008, 2009, 2010, 2015; и др.).

Мурманская область — это промышленно развитый регион России, на территории которого находятся крупные предприятия, деятельность которых связана с разработкой месторождений медно-никелевых сульфидных руд и их дальнейшей переработкой. Одно из таких предприятий находится вблизи г. Мончегорска. Здесь располагается мощная производственная площадка — Кольской ГМК, на которой перерабатывают медно-никелевый файнштейн, поступающий из городов Никеля и Заполярного, а также привозной файнштейн филиала ОАО «ГМК „Норильский никель“» (Мончегорск.., 2017). В то же время, указанные предприятия являются основными загрязнителями окружающей среды, формируя специфические геохимические аномалии некоторых химических элементов (например, Ni, Cu, S) в поверхностных водах, почвах, ДО водных объектов (Кашулин и др., 2005; Даувальтер, Кашулин, 2015). Отмечается, что в некоторых водоемах, расположенных в непосредственной близости от источников выбросов ТМ, содержание Ni и Cu в верхних слоях ДО может достигать уровня макроэлементов (Даувальтер, Кашулин, 2011).

Примером такого водоема является оз. Нюдъявр, которое вследствие длительной антропогенной нагрузки превратилось в техногенно-модифицированный объект, утративший свои природные свойства. Установлено, что загрязнение озера происходит как вследствие прямого поступления сточных и рудничных вод, так и в результате миграции загрязняющих веществ с территории водосбора и ремобилизации из осадков. Основное накопление Ni и Cu в ДО оз. Нюдъявр приходится на верхние 12 см. При этом наибольшие концентрации этих ТМ приходятся на среднюю часть указанной толщи озерных осадков — глубину ДО от 3 до 6 см для Cu и от 3 до 8 см — для Ni. Известно, что в избыточных количествах оба указанных химических элемента весьма токсичны для живых организмов, в том числе для гидробионтов (Amundsen et al., 2011).

При проведении эколого-геохимических исследований ДО водных объектов, расположенных в пределах антропогенно нарушенных районов, особое внимание следует уделять анализу форм нахождения загрязнителей в современных осадках (Tessier etal., 1979; Biologically.., 1988; Campbell, Tessier, 1989; Моисеенко и др., 1997; Даувальтер, 2000). Одним из путей решения этой проблемы может быть анализ минералогических фаз, с которыми может быть связано поведение поллютантов, и совмещение этого анализа с изучением химического состава ДО (Gregurek et al., 1998, 1999; Lanteigne et al., 2012).

Цель данной работы — оценить морфологию и состав частиц техногенного происхождения в поверхностном слое донных отложений оз. Нюдъявр и сопоставить их с данными о химическом составе исследуемых озерных осадков.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Озеро Нюдъявр является крупным внутренним водоемом исследуемого района с площадью водосбора около 80 км². Озеро занимает впадину с заболоченными берегами к северу от окружающих его сопок Монче-тундры (рис. 1). Дамбой озеро разделено на северную и южную части. Уровень южной части озера выше и вода по трубам поступает в северную часть. Площадь водной поверхности северной части составляет 2.91 км², южной части — 1.06 км². В настоящее время озеро отличается небольшими глубинами, преобладающими являются глубины 1.5—1.7 м, наибольшая (2.0 м) расположена в центральной части озера и в районе стока с дамбы. Длина северной части озера около 2.3 км, ширина — около 1.8 км. В результате выброса большого количества сернистого газа и ТМ в атмосферу в окрестностях озера образовались обширные зоны деградации почвенно-растительного покрова, от угнетения лишайников до полного разрушения почв и образования техногенных пустошей (Kozlov, Zvereva, 2007).

 

Рис. 1. Схема точек отбора проб в районе оз. Нюдъявр: 1 — сток с Южной части оз. Нюдъявр; 2—6 — оз. Нюдъявр; 7 — р. Нюдуай (сток с оз. Нюдъявр в оз. Имандра); 8 — 8а—8б — оз. Имандра; 9 — р. Кумужья; 10 — р. Травяная.

 

Пробы ДО отбирались отборником колонок открытого гравитационного типа (внутренний диаметр 44 мм) с автоматически закрывающейся диафрагмой. Отборник изготовлен из плексигласа и позволяет транспортировать колонки в лабораторию ненарушенными для дальнейшего использования (Skogheim, 1979). Колонки ДО были разделены на слои по 1 см, помещены в полиэтиленовые контейнеры и отправлены в лабораторию, где они хранились до анализа при температуре 4°С. Первичная обработка проб ДО (высушивание, определение влажности, прокаливание и определение потерь при прокаливании) и определение содержания химических элементов (Ni, Сu, Co, Zn, Cd, Pb, Cr, Fe, Sr) проводились в Центре коллективного пользования физико-химических методов анализа ИППЭС Кольского НЦ РАН. Содержание химических элементов в пробах ДО определялось методом атомно-абсорбционной спектрофотометрии. Контроль точности определения содержания химических элементов проводился анализом стандартного образца L6M (проба ДО, Центр окружающей среды Финляндия (SYKE) 06/2008), а также участием в сравнительных испытаниях в рамках международной интеркалибрации (Intercomparison.., 2016). Подробно методика определения содержания химических элементов описана ранее (Даувальтер, 2012).

Формы и состав минеральных частиц в ДО изучался при помощи сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) VEGA II LSH, работающего при 20 кВ, с энергодисперсионным микроанализатором INCA Energy 350 на базе аналитического центра Института геологии Карельского научного центра РАН (г. Петрозаводск). Важным методическим моментом при изучении образцов проб стало увеличение времени набора спектра в точках анализа до 120—200 с (вместо «стандартных» 60—90 с), что определило относительно положительный результат проведенных исследований (Слуковский, Даувальтер, 2017). Были исследованы пробы ДО с четырех различных глубин: 0—1, 5—6, 6—7 и 11—12 см.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Химический состав донных отложений

Содержание органического вещества в ДО оз. Нюдъявр колеблется от 16.6 до 40.3 % (медиана — 23 %), имея небольшой тренд к увеличению в верхних слоях осадков по сравнению с нижними слоями (рис. 2). Кроме того, отмечается повышенный уровень всех проанализированных химических элементов в верхних слоях по отношению к нижним слоям ДО. Значительный рост концентраций всех элементов, кроме Sr, установлен, начиная с диапазона глубин от 10 до 12 см.

 

Рис. 2. Вертикальное распределение содержания органического вещества (ППП) и химических элементов в колонке ДО оз. Нюдъявр.

 

Резкий рост содержания Sr в исследованных ДО отмечается, начиная с глубины 5.5 см (слой 5—6 см). Общий ряд медианных концентраций изученных элементов в слое от 0 до 12 см выглядит следующим образом (по убыванию концентраций): Ni >> Fe > Cu>> Co > Cr > Zn > Sr > Pb > Cd. Видно, что содержание первых трех элементов (Ni, Fe, Cu) резко отличается от концентраций остальных исследованных элементов. Следует также отметить, что медианные концентрации Ni и Cu в слоях от 0 до 12 см имеют наибольшие превышения над содержанием их в самом нижнем слое (22—23 см). Для Ni установлено превышение в 189 раз, для Cu — в 154 раза.

Парный корреляционный анализ выявил тесную (от 0.59 до 0.94) положительную и отрицательную связь концентраций Pb, Cu, Co, Zn, Cd и в меньшей степени Ni, Cr и Sr между собой (рис. 3). Наибольшие коэффициенты (>0.9) установлены в парах Pb с Cu, Co и Zn. Интересно, что Cr имеет значимую отрицательную корреляцию со всеми изученными элементами.

 

Рис. 3. Величины значимых коэффициентов корреляции Пирсона (rкрит. = 0.58 при p < 0.05) между различными элементами в колонке ДО оз. Нюдъявр (слой 0—12 см).

 

Описание исследованных минеральных частиц

Слой донных отложений 0—1 см. Содержание Fe в этом слое 2.56 %, Cu — 1.02 %, Ni — 4.78 %, Cr — 183 мг/кг (рис. 2). Исследовано 5 минеральных частиц преимущественно округлой формы. Размер их варьирует от 10 до 28 мкм. В состав изученных минеральных образований преимущественно входят Fe, Ni, Cu, S, Cr, Co, Si и O. В трех частицах (рис. 4) установлено содержание Niот 55 до 94 % и содержание Cu от 4.0 до 9.5 %. Эти минеральные образования близки не только по химическому составу и форме, но и по морфологии, так как состоят из двух частей — внутренней (большей по размеру) и внешней. Наиболее крупная из этих частиц представлена на рис. 4, а. Внешний «ободок» этого минерального зерна составляет от 5 до 15 % от размера внутренней части частицы. Внутренняя часть полностью состоит из Ni и Cu, во внешней части отмечено присутствие Fe, Cr и Co и отсутствие Cu. В другом зерне (рис. 4, в) химический состав внутренней и внешней частей практически не различается. В частице, представленной на рис. 4, б, внутренняя часть зерна разделена на кластеры неправильной формы, вещество между которыми идентично внешней оболочке минерального образования. И хотя внутренняя и внешняя части этой частицы имеют схожий набор элементов, во внутренней части по сравнению с внешней оболочкой отмечается большее содержание Ni, Fe и Co. Это минеральные частицы, имеющие техногенный генезис.

 

Рис. 4. Техногенные частицы в ДО оз. Нюдъявр (слой 0—1 см). Здесь и далее для рис. 5—8: содержание химических элементов в указанных точках приведено в таблице.

 

Содержание химических элементов (в %) в минеральных частицах в точках,  указанных на рис. 4—8

Content of elements (%) in researched technogenic particles from figures 4—8

№ рис.	точка	Ni	Cu	Fe	S	O	Cr	Co	Si
4, а	Sp. 1	93.90	6.10	—	—	—	—	—	—
	Sp. 2	60.54	—	11.23	—	21.76	0.66	5.82	—
4, б	Sp. 1	84.36	4.65	3.77	1.17	3.61	—	2.44	—
	Sp. 2	84.00	4.01	3.53	0.56	5.83	—	2.07	—
	Sp. 3	55.90	4.54	1.86	3.54	30.92	—	1.17	2.07
4, в	Sp. 1	87.02	7.83	2.28	—	1.55	—	1.33	—
	Sp. 2	83.82	9.50	1.80	—	3.90	—	0.99	—
5, а	Sp. 1	54.61	—	3.43	36.93	5.02	—	—	—
	Sp. 2	54.79	4.48	2.93	30.90	6.28	0.63	—	—
	Sp. 3	50.52	—	2.35	32.80	12.77	0.87	—	0.69
5, б	Sp. 1	2.79	—	68.04	—	28.40	0.24	—	—
	Sp. 2	1.89	1.32	70.23	0.68	25.69	—	—	—
	Sp. 3	1.37	76.10	8.24	8.30	4.28	1.55	—	0.16
5, в	Sp. 1	65.49	—	—	34.51	—	—	—	—
6, а	Sp. 1	61.80	—	4.69	—	31.46	—	2.04	—
	Sp. 2	68.55	—	5.27	—	23.74	—	2.43	—
6, б	Sp. 1	—	45.44	19.57	30.85	4.15	—	—	—
	Sp. 2	7.17	51.14	7.13	30.15	4.40	—	—	—
6, в	Sp. 1	55.52	—	0.94	42.47	—	—	1.08	—
	Sp. 2	57.42	—	0.96	40.74	—	—	0.89	—
7, а	Sp. 1	51.52	—	0.72	47.76	—	—	—	—
	Sp. 2	56.74	—	1.06	42.20	—	—	—	—
	Sp. 3	49.45	—	4.15	35.42	9.73	—	—	—
7, б	Sp. 1	48.27	—	21.60	6.31	19.69	—	4.14	—
	Sp. 2	43.82	2.07	3.18	17.71	31.00	—	1.44	—
	Sp. 3	47.98	8.71	3.56	37.27	2.49	—	—	—
8, а	Sp. 1	12.12	2.07	46.58	39.22	—	—	—	—
	Sp. 2	11.49	2.40	46.35	39.75	—	—	—	—
8, б	Sp. 1	17.64	—	46.52	—	—	0.59	—	34.90

 

Два других минеральных образования, исследованных в этом слое ДО, представлены минералами, схожими по морфологии с пиритом двух разных стадий — сфероида и глобулы (Нерадовский и др., 2009). С другой стороны, отмечается, что содержание Feв этих частицах достигает 62 и 71 %, а серы 0.66 и 0.72 % соответственно. Такой химический состав не может соответствовать пириту. Вероятно, это частицы лимонита, образованные по пириту, где S заместилась на O. При этом установлено, что размер сфероида (13 мкм) и глобулы (10 мкм) найденного агрегата соответствуют полученным ранее размерам агрегатов пирита в ДО оз. Имандра (Нерадовский и др., 2009).

Слой донных отложений 5—6 см. В этом слое содержание Fe 3.18 %, Cu — 2.17 %, Ni — 13.0 %, Cr — 164 мг/кг (рис. 2). Изучено 3 минеральных образования, имеющих различную форму, размер и содержание основных элементов. Частица, представленная на рис. 5, а, имеет округлую форму и состоит из нескольких сегментов, в поперечном сечении напоминающих спираль. И внешняя, и внутренние части минерального агрегата имеют одинаковое содержание Ni и S. В качестве примесей присутствуют Fe, Cu, Cr, Si. Частица на рис. 5, в полностью состоит из Ni и S, но имеет угловатые очертания. В ней содержание никеля несколько больше по сравнению с минеральным образованием на рис. 5, а.

 

Рис. 5. Техногенные частицы в ДО оз. Нюдъявр (слой 5—6 см).

 

Третий минеральный агрегат (рис. 5, б) имеет самый пестрый элементный состав по сравнению с двумя другими частицами, исследованными в этом слое ДО. Частица состоит из единого сегмента в форме бублика, изрезанного трещинами, и представляет собой оксид Fe, содержание которого варьирует от 62 до 70 %. В качестве примесных элементов выступают Ni, Cu, S, Cr и Ca. Концентрация Ni колеблется от 1.9 до 4.8 %. Во внутренней части изученного минерального агрегата обнаружена микрочастица, состоящая преимущественно из Cu (76 %) и S (8.3 %). Все минеральные частицы, описанные в этом слое, имеют техногенный генезис.

Слой донных отложений 6—7 см. Содержание Fe в этом слое 2.75 %, Cu — 1.04 %, Ni — 12.78 %, Cr — 229 мг/кг (рис. 2). Исследовано 10 разных по форме и химическому составу минеральных образований. Изученные агрегаты имеют большие размеры (от 20 до 80 мкм) по сравнению с исследованными частицами в слоях 0—1 и 5—6 см ДО. В 7 частицах установлено содержание Ni от 29 до 69 %. В 5 минеральных агрегатах выявлено содержание Cu от 1.5 до 51.1 %.

Наибольшее содержание Ni установлено в техногенных частицах, представленных на рис. 6, а, — до 69 %. В качестве примесей присутствуют Fe (1.88—5.27 %) и Co (0.78—2.43 %). Большинство остальных техногенных минеральных образований в этом слое представлены сульфидами Ni, Fe и Cu, являющимися продуктами обжига руды. В единственном изученном сульфиде Cu (рис. 6, б), содержание этого металла колеблется от 45 до 51 %. В качестве примесей отмечено содержание Fe и Ni. При этом Ni фиксируется лишь в одной изученной точке, что говорит о химической неоднородности изучаемых техногенных частиц. В сульфидах Ni (рис. 6, в, 7) содержание Ni достигает 57 %, в качестве примесей присутствуют Fe, Cu и Co. Форма и размер этих частиц весьма разнообразны. Некоторые имеют довольно сложные формы (рис. 7), что является следствием срастания частиц техногенного происхождения. Содержание примесей в этих сложных частицах может сильно варьировать, что говорит об их неоднородности.

 

Рис. 6. Техногенные частицы в ДО оз. Нюдъявр (слой 6—7 см).

 

Рис. 7. Техногенные частицы в ДО оз. Нюдъявр (слой 6—7 см).

 

В этом же слое отложений, как и в слое 0—1 см, обнаружена частица, которая внешне похожа на сросшиеся частички фромобоидального пирита (Нерадовский и др., 2009), однако в химическом составе отсутствует S. При этом отмечается примесь Ni — до 4.2 %. Таким образом, несмотря на внешнее сходство с пиритом, это оксид железа. С другой стороны, в этом же образце найдена частица пирита, имеющая неправильные очертания и многочисленные трещины.

Слой донных отложений 11—12 см. В этом слое содержание Fe — 2.57 %, Cu — 0.27 %, Ni — 2.02 %, Cr — 319 мг/кг (рис. 2). Изучено 6 минеральных образований размером от 10 до 50 мкм. В химическом составе этих частиц установлено присутствие Ni, Cu, Fe, S, Cr, Si. Частиц техногенного генезиса в этом слое наименьшее количество по сравнению с вышележащими слоями ДО оз. Нюдъявр.

На рис. 8 представлены две найденные техногенные частицы в этом слое осадков. Частица сульфида Fe (рис. 8, а) содержит в качестве примесей Cu (до 2.4 %) и Ni (до 12 %). В частице на рис. 8, б, состоящей преимущественно из Fe и Si, отмечены примеси Ni, Cr и V. Остальные изученные частицы этого слоя ДО представлены природными образованиями — пиритом (рис. 9, а) и оксидами железа, образованными по пириту (рис. 9, б, в), которые встречаются по всей колонке ДО. Содержание S в обнаруженных ложных частицах пирита не достигает 2 %. При этом в минеральном образовании на рис. 6, б отмечается присутствие Ni (0.7 %).

 

Рис. 8. Техногенные частицы в ДО оз. Нюдъявр (слой 11—12 см).

 

Рис. 9. Глобулы пирита с разной степенью срастания отдельных кристаллов (индивидов) в ДО оз. Нюдъявр (слой 11—12 см).

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Известно, что ДО озер — это природная летопись природных и техногенных процессов в самом водоеме и на его водосборной площади (Даувальтер, 2002, 2012). Повышенный уровень концентраций Fe, Cu, Ni, Cr, Zn Co, Cd, Pb, Sr в верхних слоях (до 12 см) ДО оз. Нюдъявр — иллюстрация мощного антропогенного воздействия на этот природный объект в течение долгого времени. Тесная корреляция ряда ТМ между собой — дополнительное подтверждение этого факта, учитывая, что зачастую загрязняющие вещества мигрируют и накапливаются в ДО совместно (Даувальтер и др., 2015; Dauvalter, Rognerud, 2001).

Процесс формирования химического состава ДО озер, в том числе и аккумуляция в них ТМ, в отсутствие антропогенного воздействия совершается под влиянием разнообразных физических, химических и биологических факторов: физико-географических условий региона (рельеф, климат, процессы выветривания горных пород и почв); геохимических особенностей горных пород; кислотно-щелочных условий и окислительно-восстановительной обстановки в природных водах; катионного обмена; адсорбции на тонкодисперсных минеральных и органических частицах, глинистых минералах и оксидах, и гидрооксидах железа и марганца; биологического поглощения; диффузии элементов в ДО и поровых водах и т. д. (Даувальтер, 2002, 2012). Многие физические, химические и биологические факторы влияют на способность ДО накапливать и концентрировать ТМ. 

К физическим факторам относятся гранулометрический состав, площадь поверхности, поверхностный заряд, емкость катионного обмена. Увеличение концентраций металлов очень тесно коррелирует со снижением размеров частиц и увеличением площади поверхности, поверхностного заряда, емкости катионного обмена и повышением концентраций оксидов Fe и Mn, органического материала и глинистых минералов.

Исследование химических факторов важно для дифференциации ДО, имеющих подобные химические свойства, и для прогноза биодоступности элементов. Химические факторы вызывают фазовые ассоциации (с такими компонентами ДО, как поровая вода, сульфиды, карбонаты и органический материал), трансформацию и изменение форм металлов в ДО (адсорбция, комплексообразование, вовлечение внутрь минеральной решетки, диффузия). Следует подчеркнуть, что сорбция — это сложный физико-химический процесс, который охватывает все вышеперечисленные физические и химические факторы. Этот процесс подробно рассмотрен в монографии Е. В. Венецианова и Р. Н. Рубинштейна (1983).

К биологическим факторам относятся процессы аккумуляции элементов и веществ в результате жизнедеятельности гидробионтов; энзимы и ферменты, выделяемые гидробионтами, могут служить катализаторами или ингибиторами физико-химических реакций. Биологические факторы определяют судьбу элементов с последующим их частичным захоронением в толще ДО. 

Необходимо подчеркнуть, что физические, химические и биологические факторы в природных процессах тесно взаимосвязаны. Разделение на эти три категории довольно условно, и иногда трудно обнаружить границу между ними.

Существенный вклад в формирование химического состава вод и ДО вносит антропогенный фактор, накладываясь на природные процессы (Моисеенко, Гашкина, 2010). Водные экосистемы являются наиболее уязвимыми компонентами природной среды Арктики, поскольку интегрируют все изменения окружающей среды, происходящие на территории их водосборов, и аккумулируют большую часть загрязняющих веществ, попавших на территорию водосборов (Кашулин и др., 2013). Огромные объемы переработанных горных пород, отсутствие их комплексного использования, малый процент извлекаемых ценных продуктов, устаревшие технологии обогащения, использующие большие объемы воды, громадные объемы мелкодисперсных отходов, сбрасываемые непосредственно в озера и русла рек, аэротехногенное загрязнение водосборов делают предприятия горно-перерабатывающих отраслей основными источниками загрязнения окружающей среды региона (Кашулин и др., 2018).

Согласно работам (Gregurek et al., 1998, 1999), где были исследованы минералогия и химический состав минеральных частиц в снеговом покрове района вблизи выбросов Кольской ГМК, техногенные частицы, попавшие в снег в результате аэротехногенного загрязнения района г. Мончегорска, представлены преимущественно продуктами различных металлургических процессов, таких как дробление, обжиг и плавление. Их размер варьирует от первых микрометров до 170 мкм. Техногенные частицы, найденные в ДО оз. Нюдъявр, варьируют от 10 до 80 мкм, что вполне входит в указанный диапазон размера частиц в снеговом покрове зимы 1995—1996 гг. По морфологии в основном выделяются частицы округой или почти округлой формы, связанные с процессами обжига или плавления руды, угловатые частицы, чье происхождение связано с процессом дробления руды, а также частицы невыраженной формы, но имеющие округлые очертания, чей генезис связан с процессами обжига или плавления (Gregurek et al., 1998, 1999). Анализ структуры и состава шлаков металлургического производства в Мурманской области в районе г. Печенги показали, что в шлаках присутствуют сульфидные включения округлой формы (капли штейна), состоящие из Fe, Ni, Cu и S. Размер этих включений варьирует от 0.5 до 50 мкм (Нерадовский и др., 2009а). Других более достоверных сведений о составе и размерах частиц, продуцируемых техногенными источниками, на Кольском Севере обнаружить не удалось. Аналогичные частицы встречаются в верхних горизонтах почвы вблизи металлургического комбината в г. Садбери, Канада (Lanteigne et al., 2012). Согласно авторам этой работы в загрязненной в результате медно-никелевого производства почве может содержаться от 2 до 5 % сферических техногенных частиц относительно всех песчано-иловых частиц почвенного покрова.

Точного числа техногенных частиц в ДО оз. Нюдъявр относительно всех частиц озерных осадков установлено не было, однако очевидна динамика увеличения этих новообразований в процессе озерной седиментации, коррелирующая с динамикой роста концентраций Ni, Cu и Fe в колонке исследованных ДО. Наибольшее число техногенных частиц, содержащих указанные элементы, приходится на слои ДО 5—6 и 6—7 см, в которых отмечаются пики концентраций ТМ (рис. 2). Кроме того, в этих слоях ДО встречаются наиболее крупные по размеру частицы — до 75—80 мкм. Наименьшие по размеру частицы отмечаются в самом верхнем исследованном слое 0—1 см. Таким образом, наибольшее количество техногенных выбросов из труб и дробильных цехов поступало в экосистему водоема в период наиболее активной работы комбината в 70—80-е годы прошлого века.

По химическому составу и структуре техногенные частицы обычно довольно сильно отличаются от первичных минералов, слагающих основу перерабатываемой на металлургическом комбинате руды (Gregurek et al., 1998). В результате технологической обработки из первичных пирротина, пентландита, халькопирита, магнетита и других минералов получаются чаще аморфные частицы, которые по своему химическому составу можно разделить на сульфиды Ni, Cu и Fe, оксиды Fe и частицы шлака, включающие в себя, помимо названных уже элементов, Si, Ca и Cr. Частицы, обогащенные Ni, S и Fe наиболее распространены и в снеговом покрове вблизи г. Мончегорска (Gregurek et al., 1998, 1999). На рис. 10 видно, что наибольшее представительство среди всех частиц имеют сульфиды Ni (область № 1), которые отмечаются во всех изученных слоях ДО оз. Нюдъявр. Область № 2 объединяет частицы металлических сплавов, состоящие полностью из Ni с небольшими примесями других элементов (S, Fe, Cu). Областями № 3 и № 4 выделены частицы сульфидов Fe и оксидов Fe соответственно, а также частицы шлака. Интересно, что в ранее проведенных исследованиях аналогичных частиц в снежном покрове также отмечалось преобладание частиц, обогащенных Ni, над частицами, обогащенными Fe (Gregurek et al., 1998). В этой же работе отмечается невысокий процент содержания техногенных частиц, обогащенных Cu, что связывается с большей растворимостью этого металла по сравнению с Ni. Аналогично ситуация происходит и в ДО, где была найдена всего одна техногенная частица с содержанием Cu > 40 %.

 

Рис. 10. Треугольная диаграмма Fe—Ni—S c точками состава техногенных частиц ДО оз. Нюдъявр.

1 — сульфиды Ni, 2 — частицы металлических сплавов, состоящие полностью из Ni с небольшими примесями других элементов, 3 — сульфиды Fe, 4 — оксиды Fe.

 

Состав частиц из снежного покрова вокруг г. Мончегорска (Gregurek et al., 1998) совпадает c составом исследованных частиц. При этом под воздействием водной среды частицы могут изменяться. В частности это относится к частицам округлой формы, образованным в результате плавления, которые впоследствии приобретают характерный обод или кольцо (рис. 4), что связано с процессом окисления и замещения Ni и Cu на Fe, O и другие  элементы.

Гипергенным изменениям могут подвергаться и природные минеральные образования, такие как пирит. Его образования в виде фрамбоидов в современных ДО озер известны на территории Мурманской области и Карелии. При этом ранее проводимые работы по изучению пирита в оз. Имандра показали, что наличие пирита может служить своеобразным индикатором техногенного воздействия на водоем, поскольку авторы обнаружили его агрегаты и глобулы только в техногенно измененных слоях ДО (Нерадовский и др., 2009б). В ДО оз. Нюдъявр пирит представлен во всех исследованных слоях. Однако диагностировать пирит позволила лишь форма его кристаллов, срастающихся во фрамбоиды. В химическом составе агрегатов содержание S не достигает 2 %, что, скорее всего, связано с образованием лимонита FeOOH·(Fe₂O₃·nH₂O) по пириту. При этом необходимо отметить, что соединения железа (главным образом оксиды, гидрооксиды и органические соединения) могут активно участвовать в процессах адсорбции ТМ, поступающих в геологическую среду (Violante et al., 2007; Даувальтер, 2012). Этот факт необходимо учитывать при проведении дальнейших эколого-минералогических исследований на объектах территории Мурманской области.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выбранное для исследования оз. Нюдъявр в Мурманской области является сильнозагрязненным водоемом вследствие деятельности медно-никелевого металлургического комбината. Результатом изучения верхних слоев ДО данного озера, где, начиная с глубины 12 см, отмечаются повышенные концентрации Ni, Сu, Co, Zn, Cd, Pb, Cr, Fe и Sr, между которыми при этом существуют тесные корреляционных связи (r = от 0.59 до 0.94), стало обнаружение минеральных образований техногенного происхождения. Найденные частицы размером от 10 до 80 микрометров являются продуктами различных металлургических процессов, таких как дробление, обжиг и плавление. Форма и химический состав частиц сильно отличаются от первичных природных минералов, составных частей медно-никелевой руды, используемой на производстве. В зависимости от вида воздействия на рудные компоненты частицы могут быть округлыми, угловатыми и сложной формы с закругленными краями. Аналогичные техногенные образования ранее были изучены в снеговом покрове вокруг комбината и г. Мончегорска. В обоих случаях частиц с повышенным содержанием Niзначительно больше по сравнению с частицами с повышенным содержанием Cu, что связано с большей растворимостью Cu и более тесной связью этого металла с органическим веществом ДО. Отмечается несколько минеральных форм нахождения Ni и Cuв изученных минеральных агрегатах — в виде оксидов, сульфидов, частиц сплавов обоих металлов, а также частиц шлака со сложным химическим составом, включающим в себя также Fe, S, Si, V, Al и другие элементы.

Исследование выполнено при частичной финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-05-00897 «а».

Об авторах

Захар Иванович Слуковский

Карельский научный центр РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: slukovsky87@gmail.com

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории геохимии, четвертичной геологии и геоэкологии, Институт геологии КарНЦ РАН

Россия, 185910, Россия, Петрозаводск, ул. Пушкинская, 11

Владимир Андреевич Даувальтер

Кольский научный центр РАН

Email: vladimir@inep.ksc.ru

доктор географических наук, главный научный сотрудник лаборатории водных экосистем, Институт проблем промышленной экологии Севера 

Россия, 184209, Россия, Мурманская область, г. Апатиты, Академический городок, 14а

Список литературы

Дополнительные файлы