В последние десятилетия изучение геохимического состава снежного покрова и ледниковых отложений представляет особый интерес. Высокогорные ледники являются своеобразными индикаторами загрязнения природной среды. Физические процессы, определяющие химический состав ледников, очень сложны. Механизм формирования химических примесей на леднике определяется характером атмосферной циркуляции, составом атмосферного аэрозоля, особенностями поступления поллютантов с осадками и при непосредственном сухом выпадении. Состав ледников со временем в результате своего длительного существования подвержен трансформации. Следовательно, ледники являются своеобразными естественными планшет-накопителями загрязнителей природной среды. Изучение химического состава ледниковых отложений в зоне аккумуляции ледников позволяет выявить их современное состояние, а также проводить палеогеографические реконструкции условий прошлого.
Цель исследования – исследовать факторы формирования химического состава ледников и их пространственно-временные характеристики, изменение первоначальных геохимических характеристик и их трансформация со временем при метаморфизме. Организация и проведение фонового мониторинга высокогорных ледников как индикаторов состояния качества загрязнения природной среды и факторов, приводящих к их изменению.
Материалы и методы исследования
Систематические геохимические исследования за состоянием качества окружающей среды на южном склоне Эльбруса ведутся с 80-х гг. XX века. Вопрос вертикального распределения микрочастиц в атмосферных осадках и снежном покрове высокогорий Приэльбрусья изучен в работе [1]. Особенности взаимосвязи содержания тяжелых металлов по данным сезонных и годовых слоев изучены авторами [2]. Функция распределения содержания тяжелых металлов в ледниковых отложениях и их экспериментальные и вычисленные значения водонерастворимых частиц в твердых осадках получены в работе [3]. Керимов А.М. [4] провел сравнительный анализ содержания тяжелых металлов в ледниковых отложениях и талых ледниковых вод за 1999-2010 гг.
Авторы [5; 6] в своих работах изучили динамику химического состава снежно-ледяной толщи Эльбруса за последние 75 лет. В работе [7] представлен сравнительный анализ ледниковых кернов, отобранных в вулканических массивах ледников Казбек и Эльбрус.
По данным Чижовой Ю.Н. и др. [8], в Приэльбрусье изучены геохимические особенности содержания тяжелых металлов ледниковых отложений. На леднике Гарабаши в 1997 году в поверхностном снеге определено содержание таких металлов, как Fe, Zn, Cu, Mn. Максимум концентраций был отмечен для Fe (0,02 мг/л) и Zn (0,22 мг/л). Содержание Cu, Mn находится ниже предела обнаружения. Авторами [8] изучены концентрации тяжелых металлов (Fe, Zn, Cu, Mn) в твердых осадках на леднике Гарабаши в летний сезон в диапазоне высот 2300-3800 м. Анализ данных показал, что только концентрации Fe (0,025 мг/л) и Mn (0,012-0,017 мг/л) оказались выше предела обнаружения. Геохимические исследования ледникового льда в 2001 г. ледника Большой Азау показали, что концентрации микроэлементов (Fe, Zn, Cu, Mn) не превышают 0, 005 мг/л.
Фоновый мониторинг нивально-гляциальных систем и оценка состояния качества окружающей среды рассмотрены на примере высокогорных ледников Приэльбрусья.
Ледники Эльбруса относятся к ледникам конических вершин. Они имеют большие относительные и абсолютные высоты. Относительный перепад высоты от дна долины до вершины горы Эльбрус составляет около 3500 метров. Такой высотный интервал дает возможность изучать особенности процесса формирования химического состава твердых осадков по ледниковым отложениям. Высотный уровень 4000 метров над уровнем моря и выше отвечает уровню средней атмосферы. Процессы осадкообразования, перенос воздушных масс, поступление поллютантов в атмосферу и их выпадение на ледники характеризуют фоновые концентрации и характер загрязнения природной среды регионального масштаба [1; 2]. Химический состав твердых атмосферных осадков высокогорных ледников в зоне аккумуляции характеризуется незначительными трансформациями химических примесей.
Основными источниками питания ледников южного склона Эльбруса служат юго-западные морские воздушные массы умеренных широт, приносящие сюда основную массу осадков [1; 2]. По данным авторов [3], на Эльбрусе с высотой количество осадков увеличивается, достигая своих максимумов на высоте 3100-3500 м. Увеличение осадков с высотой в зимний период обусловлено массами тропического воздуха, приносимыми средиземноморскими циклонами, а также орографическими фронтами окклюзии.
Изучение состояния и качества загрязнения снежного покрова и ледников Приэльбрусья в течение года проводилось 2 раза в год в июне, на момент конца периода аккумуляции, когда наступает максимальное снегонакопление, и в сентябре, на момент конца периода абляции, когда отмечаются минимальные значения мощности снежного покрова. Тяжелые металлы относятся к наиболее опасным загрязнителям природной среды. Формы нахождения тяжелых металлов в снежном покрове и ледниках Приэльбрусья в области аккумуляции в меньшей степени подвержены процессам миграции и трансформации.
Фоновый мониторинг геохимических особенностей и оценка уровня загрязненности снежного покрова и ледниковых отложений в Приэльбрусье проводились с помощью эмиссионного спектрального и атомно-адсорбционного анализа. В ходе исследований изучался микроэлементный состав. Геохимический анализ проб проводился в лабораториях с 2006 по 2008 г. в ФГБУ «Высокогорный геофизический институт» и с 2019 по 2020 г. в ФГБУ «ЦЛАТИ по ЮФО». В образцах снега, фирна и льда были определены такие тяжелые металлы, как Pb, Zn Cr, Ni, Mn, Cd, Cr, Co. Эмиссионный спектральный анализ в ВГИ проводился на спектрографах ДФС-8-3 с дифракционной решеткой (1800 штрих/мм) и ИСП-30 с кварцевой призмой, с установленным автоматическим штативом передвижения электродов и генератора дуги. Входные щели спектрографов расположены на одной оптической оси. Пределы обнаружения тяжелых металлов: Cr (0,42); Ni (0,36); Mn (0,03); Pb (0,24); Zn (1,5) мкг/л. Анализ проб за период с 2019 по 2020 г. проводился на атомно-абсорбционном спектрофотометре Shimadzu AA-7000 в сертифицированной лаборатории ФГБУ «ЦЛАТИ по ЮФО» – ЦЛАТИ по Ставропольскому краю. Отбор проб проводился в соответствии с ГОСТ 31861-2012. Лабораторный анализ воды – вода природная. Количественный химический анализ проводился согласно методике измерений ПНД Ф 14.1:2.214-06 (2011 г.). Предел обнаружения концентраций: Mn (0,001); Zn (0,001); Ni (0,005); Kd (0,001); Pb (0,002); Cr (0,005); Co (0,005) мг/дм3.
Результаты исследования и их обсуждение
Сезонная изменчивость и годовой ход концентрации тяжелых металлов на леднике Гарабаши изучался на уровне 4000 метров за два периода: с 2006 по 2008 г. и с 2019 по 2020 г. Сезонный ход концентрации тяжелых металлов за рассматриваемые периоды и место отбора проб представлены на рисунках 1-6 и в таблице.
Сравнительный анализ данных, которые были получены нами во время исследований, указывают на то, что содержание тяжелых металлов в толще снежного покрова распределяется крайне неравномерно.
Самые высокие концентрации тяжелых металлов наблюдались в 2019-2020 годах в отличие от периода 2006-2008 годов. Содержание загрязнителей за первый период (2006-2008 гг.) изменяется незначительно. Микроэлементный состав загрязнителей в ледниковых отложениях с 2006 по 2008 г. распределился непосредственно: никель (1,25-0,45); хром (5,53-0,63); марганец (11,62-1,61); цинк (65,08-2,54) и свинец (5,57-0,36) мкг/л.
Рис. 1. Место отбора проб на леднике Гарабаши
В период с 2006 по 2008 г. практически для всех микроэлементов максимальные концентрации тяжелых металлов приходятся на июнь 2007 года, за исключением содержания хрома, его максимальные значения приходятся на 2006 год.
Содержание хрома в снежном покрове на леднике Гарабаши на высотном уровне 4000 м показано на рисунке 2.
Как видно из рисунка 2, сезонная изменчивость и вариация содержания хрома в снежном покрове имеет два четких максимума. Первый максимум, с концентрацией 5,53 мкг/л, был установлен в июне 2006 года, а второй максимум, с содержанием 42 мкг/л, отмечен в сентябре 2019 года.
Средние значения концентрации микроэлементного состава в снежном покрове на леднике Гарабаши за период 2019-2020 гг. (мкг/л)
|
Место отбора и характер проб |
Элемент |
||||||
|
Mn |
Zn |
Ni |
Kd |
Pb |
Cr |
Co |
|
|
Веха № 5 (Н = 4000 м) Снег, лето (2019), макс.-мин. |
< 1 |
7±3 |
< 5 |
< 1 |
230±50 |
42±8 |
< 5 |
|
Веха № 5 (снег) (Н = 3950 м) Снег, зима (2020), макс.-мин. |
< 1 |
23±7 |
< 5 |
< 1 |
150±30 |
42±8 |
< 5 |
|
Веха № 12 (Н = 4000 м) Снег, лето (2019), макс.-мин. |
< 1 |
12±4 |
< 5 |
< 1 |
160±30 |
64±13 |
< 5 |
|
ПДК (мкг/л) |
100 |
5000 |
100 |
1 |
30 |
500 (Cr3+) 50 (Cr6+) |
100 |
Рис. 2. Сезонный ход концентрации хрома в снежном покрове ледника Гарабаши за период 2006-2008 гг. и 2019-2020 гг. на уровне 4000 метров (мкг/л)
Природа и источники поступления хрома в снежный покров могут быть обусловлены как естественными, так и антропогенными факторами. Эмиссия хрома за счет антропогенного поступления связана с производством продукции черной металлургии, обусловленной выплавкой стали, хрома и легирующих сплавов железа.
Сезонная изменчивость и годовой ход концентрации тяжелых металлов (никель, марганец, свинец, цинк) в снежном покрове ледника Гарабаши за периоды 2006-2008 гг. и 2019-2020 гг. на уровне 4000 метров рассмотрены на рисунках 3-6.
Из рис. 3-6 видно, что максимальные концентрации тяжелых металлов в снежном покрове за период 2006-2008 гг. установлены в июне 2007 г. Максимальные концентрации тяжелых металлов составили: Zn (65,08); Mn (11,62); Pb (5,57); Ni (1,25) мкг/л.
Содержание Ni, Mn, Co, Cd в талых пробах ледниковых отложений, отобранных в 2019-2020 гг., находится ниже предела обнаружения.
Проведенный геохимический анализ проб выявил наличие аномалий содержания свинца. Повышенные концентрации поллютантов в ледниковых отложениях, по сравнению с фоновыми значениями, отмечены только для содержания свинца. Максимальные концентрации свинца (230 ± 50 мкг/л) отмечены как летом (июнь 2019 г.), так и зимой (январь 2020 г.) (150±30 мкг/л) соответственно. Для летних проб наблюдается семикратное превышение концентраций свинца по значению ПДК. В зимних пробах отмечено пятикратное превышение ПДК.
Таким образом, вероятно, можно предположить, что геохимические аномалии содержания свинца в ледниковых отложениях на южном склоне Эльбруса обусловлены литологическим составом горных пород и составом андезитодацитовых лав.
Рис. 3. Сезонный ход концентрации никеля в снежном покрове ледника Гарабаши за период 2006-2008 гг. и 2019-2020 гг. на уровне 4000 метров (мкг/л)
Рис. 4. Сезонный ход концентрации марганца в снежном покрове ледника Гарабаши за период 2006-2008 гг. на уровне 4000 метров (мкг/л)
Проведенные инженерные изыскания ООО «Мегаполис» в работе [9] также отмечают превышения ПДК в образцах почв и грунтов по свинцу и цинку. Как отмечают авторы [9], превышение фоновых концентраций вредных веществ носит природный характер, обусловленный наличием в районе исследования геохимических аномалий, приуроченных к Кюкюртлинской рудно-магматической системе, для которой характерно наличие площадных геохимических аномалий мышьяка и локальных геохимических аномалий цинка и свинца.
Аномальное содержание свинца в ледниковых отложениях вулканического массива г. Эльбрус отмечалось и ранее в работах ряда авторов [4; 9]. В пробах снега и льда, отобранных из кратера восточной вершины, было установлено четырехкратное превышение концентрации свинца по ПДК [4]. Естественная эмиссия свинца обусловлена литологическим составом вулканических пород, а техногенная эмиссия связана с использованием бензина и производством красителей. Максимум содержания цинка в ледниковых отложениях, вероятно, связан с выходами фумарол, а также со скрытой вулканической деятельностью.
Как правило, техногенная эмиссия никеля может превышать природную эмиссию в два раза. Антропогенная эмиссия никеля обусловлена выбросами автотранспорта, добычей сульфидных, силикатных и никелевых руд.
Рис. 5. Сезонный ход концентрации свинца в снежном покрове ледника Гарабаши за период 2006-2008 гг. и 2019-2020 гг. на уровне 4000 метров (мкг/л)
Рис. 6. Сезонный ход концентрации цинка в снежном покрове ледника Гарабаши за период 2006-2008 гг. и 2019-2020 гг. на уровне 4000 метров (мкг/л)
Сезонная изменчивость тяжелых металлов в годовых слоях снежного покрова имеет ярко выраженный годовой ход. Наиболее хорошо просматривается сезонный ход концентрации для свинца и марганца. Установлено, что максимальное содержание свинца и марганца за рассматриваемый период отмечается в летних горизонтах снежного покрова к концу периода абляции.
Антропогенная эмиссия свинца характеризуется выбросами газов, поступающими от автотранспорта, а естественный источник поступления обусловлен литологией и скрытой вулканической деятельностью. Источник поступления марганца в снежный покров связан с литогенетическим составом подстилающих пород.
Выводы
1. Сезонная динамика концентрации тяжелых металлов (Cr, Ni, Mn, Pb, Zn) в снежном покрове ледника Гарабаши на уровне 4000 метров за периоды 2006-2008 гг. и 2019-2020 гг. имеет четко выраженный сезонный ход.
2. Максимум концентрации никеля, марганца и цинка в снежном покрове ледника Гарабаши за рассматриваемый период был установлен в июне 2007 г. Максимальные значения концентрации представленных металлов составили: Ni (1,25), Mn (11,62), Zn (65,08) мкг/л.
3. Сезонная изменчивость и вариация концентраций тяжелых металлов (Cr, Ni, Mn, Zn), за исключением выявленных природных аномалий содержания Pb (230 мкг/л), не превышает разовой ПДК.