Д.А. Селиванова (1), Д.В. Московченко (2) И.Н. Гончарова (1), Е.Н. Крюк (1) 

(1) АУ «НАЦ РН им. В.И. Шпильмана»
(2) Институт проблем освоения Севера Сибирского отделения РАН

На территории Северного Урала, в пределах Ханты-Мансийского автономного округа, началось освоение запасов бурого угля,медно-цинковых и железных руд, а также золота россыпного. Стратегией социально-экономического развития ХМАО – Югры до 2020 года и на период до 2030 года здесь предполагается развитие минерально-сырьевой базы и создание на ее основе горнодобывающих комплексов. В связи с планируемым развитием транспортной, энергетической инфраструктуры, горнодобывающей промышленности многократно увеличится нагрузка на природные комплексы Северного Урала. Промышленное освоение будет происходить в условиях низкой устойчивости горных и предгорных геосистем к различным формам техногенеза, в том числе к загрязнению химическими веществами. В связи с этим актуальной задачей становится определение геохимического фона территории и выявление условий миграции веществ с использованием методов геохимии ландшафта.

Для изучения геохимических особенностей территории Северного Урала было проведено опробование почв, доминирующих в структуре почвенного покрова низкогорных,предгорных ландшафтов и прилегающих равнин с абсолютными высотами до 200 м. В горной части территории преобладают темнохвойные таежные еловые и пихтовые леса (51%площади), мелколиственные леса (24%), кедровые леса (7%), менее распространены горные тундры (6%) и светлохвойные сосновыелеса. Предгорная часть отличается преобладанием светло-хвойных сосновых лесов (54%),темнохвойных таежных еловых и пихтовых лесов (17%), мелколиственных лесов (16%) и болот (6%). Почти вся территория (за исключением наиболее высоких хребтов и вершин и крайней северной части) относится к под зоне средней тайги.

Положительные формы рельефа Северного Урала сложены наиболее устойчивыми породами, а депрессии приурочены к выходам малоустойчивых пород [10]. Почвы сформировались на горных породах, возраст – от ордовиковской до палеогеновой системы [3], на делювиальных, морских, аллювиальных морских, ледниково-морских, озерных, озерноаллювиальных и аллювиальных покровных отложениях [2]. Формирование почв происходит преимущественно под влиянием подзолистого процесса, оглеения и торфонакопления. Горные почвы отличаются повышенной скелетностью механического состава, малой мощностью почвенного профиля [11]. Доминируют подзолистые, торфяно-подзолистоглеевые, горно-тундровые, горные подзолистые и глееподзолистые, болотные торфяные и аллювиально-дерновые почвы [6].

Неоднородность вещественного состава геосистем обычно определяется методом профилирования, изучения геохимических катен.Типы ландшафтно-геохимических сопряжений отражают системное единство ландшафтной оболочки и характеризуют закономерности миграции вещества [4].

По данным гипсометрических уровней и высотных отметок цифровой топографической основы Госгисцентра Федерального агентства геодезии и картографии (Роскартографии)масштаба 1:200 000 была подготовлена цифровая модель рельефа, которая была использована для выделения типов геосистем и их сопряжений на ландшафтно-геохимических профилях (катенах), пересекающих различные ландшафтные комплексы, от эрозионных ландшафтов местного водораздела к аккумулятивным ландшафтам депрессий рельефа. Цифровая модель рельефа получена с помощью программы GST (GeosplineTechnology) (разработчик – Сидоров А.Н. и др.), расчеты проведены в TNTmips(разработчик – MicroImages) [7]. Почвенное опробование выполнено на 15 профилях. Всего отобрано 60 проб, по 4 на каждом профиле(рис. 1, 2, 3). Пробы отбирались из поверхностных гумусовых и элювиальных горизонтов. Таким образом, были выделены и обследованы различные ландшафтно-геохимические комплексы – элювиальные (Э), трансэлювиально-аккумулятивные (ТЭА) и аккумулятивные (А),объединенные латеральными направленными миграционными потоками.

Химический анализ почвенных образцов был проведен в лаборатории экологических исследований Тюменского государственного университета. Массовая доля валовых форм металлов (Pb, Cu, Zn, Mn, Cr, Ni, Fe) определялась методом атомно-абсорбционной спектрометрии – обработкой почв смесью азотной, хлорной и плавиковой кислот (ПНД Ф16.1:2.2:2.3.36-02). Массовая доля подвижных форм металлов определялась атомноабсорбционным методом – обработкой почв ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8 (РД 52.18.289-90, железо подвижное –ГОСТ 27395-87). Водородный показатель водной вытяжки (ед. рН) почв измерен способом извлечения водорастворимых солей из почвы дистиллированной водой при отношении почвы к воде 1:5 и определения рН с помощью рН-метра (ГОСТ 26423-85). Органическое вещество почв (%) определялось фотометрическим и гравиметрическим методами (методом Тюрина в модификации Центрального научно-исследовательского института агрохимического обслуживания сельского хозяйства), основанном на окислении органического вещества раствором двухромовокислого калия в серной кислоте и последующем определении трехвалентного хрома, эквивалентного содержанию органического вещества, на фотоэлектроколориметре (ГОСТ 26213-91).

Для характеристики биогеохимических особенностей почв Северного Урала вычислены кларки концентрации (КК) – отношения содержания элемента к кларку почв по А.П.Виноградову [8], проведено сопоставление содержания микроэлементов со среднерегиональными значениями для Западной Сибири,табл. 1 [9].

Математическая обработка данных химических анализов продемонстрировала значительную вариабельность содержания металлов,особенно свинца, концентрация которого изменяется в пределах двух математических порядков (от 1 до 313,5 мг/кг), достигая величин почти в 10 раз превышающих величину ПДК.Среднее содержание свинца и никеля в почвах Северного Урала выше среднерегиональных и среднемировых значений. Практически на уровне кларка почв находится среднее содержание марганца, массовая доля цинка превышает среднемировое значение, но ниже среднерегионального значения.

Северный Урал отличается сложным геологическим строением и неоднородным литологическим составом покровных отложений, интенсивным физическим и химическим выветриванием, активной миграцией вещества в составе водных растворов. Доля подвижных форм микроэлементов достигает 29-30% у цинка, хрома, меди и никеля. Проведенное обследование показало, что реакция среды почв варьирует от кислой до нейтральной (водородный показатель водной вытяжки почв изменяется от 4,64 до 7,03 единиц рН). Преобладают слабокислые, малогумусные почвы, общее содержание органики в которых составляет 1-5%.Низкое содержание гумусовых веществ и значительное количество органических кислот способствуют активной миграции большинства микроэлементов. Поэтому контрастное распределение металлов в почвах связано как с неоднородностью литогенной основы, так и с подвижностью металлов, их внутриландшафтным и внутрипочвенным перераспределением, аккумуляцией на геохимических барьерах.

Чтобы выявить особенности дифференциации элементов в геохимических сопряжениях, были рассчитаны соответствующие коэффициенты Кл, представляющие собой отношение содержания химического элемента в изучаемом подчиненном ландшафте к его содержанию в автономном ландшафте [1]. Для анализа латеральной миграции микроэлементы, в зависимости от их содержания в почвах элювиальных ландшафтов, разделены на три группы (с накоплением в аккумулятивных ландшафтах – Кл>1, с аналогичным содержанием – Кл=1 и пониженным содержанием – Кл<1) (табл. 2).

Низкогорные ландшафты исследованы на участках с абсолютными высотами 119-201 м и уклонами поверхности до 3 градусов. В автоморфных горных почвах наблюдается высокое содержание свинца (до КК=19,1, т. 25-4).Cодержание цинка, никеля, марганца выше кларка в среднем в 1,5 раза. Встречается высокое содержание марганца (до КК=2,5, т. 26-1).Наибольшее содержание меди на СеверномУрале (КК=1,6) обнаружено в среднеподзолистой глубинно-глееватой тяжелосуглинистой почве, сформированной на осадочных горных породах девонской системы, перекрытых аллювиальными отложениями пойменных террас (т. 26-1). Здесь же выявлена максимальная концентрация железа (КК=1,3).

Гидроморфные ландшафты внутригорных депрессий исследованы на высотах 195-200м, при уклоне поверхности менее 1 градуса.Здесь в болотистых почвах наблюдаются высокие концентрации свинца, достигающие максимального значения на обследованных участках Северного Урала – КК=31,4, или 313,5 мг/кг. Наибольшее значение выявлено в болотной переходной торфяной почве на мелких торфах.Аккумуляция свинца здесь вызвана поглощением свинца болотными растениями с последующим закреплением в торфе. Особенно ярко в торфе выражено накопление кальция, а из микроэлементов – свинца. Естественную биогенную аккумуляцию свинца в моховых болотах не следует принимать за техногенное проявление [5].

Рис. 1. Схемы почвенных профилей № 12, 22, 25, и 26 с указанием микроэлементов с кларком концентрации более 1,5 и максимальным значениями по профилю

Предгорные северо- и среднетаежные ландшафты, сформировавшиеся на осадочных горных породах триасовой системы и делювиальных покровных отложениях, расположены на высотах до 184 м и имеют уклоны поверхности до 3 градусов. Здесь в почвах также местами отмечается высокое содержание свинца (КК=17,1, т. 12-4), повышенное содержание цинка (до КК=2,2, т. 20-3), никеля (до КК=1,8,т. 26-4), марганца (до КК=2,7, т. 26-3) и меди(до КК=1,5, т. 26-3, т. 20-3). Наибольшая концентрация хрома (КК=1,3, т.12-2) выявлена на участке, почвенный покров которого представлен комплексом торфянисто-мелкоподзолистоглеевой тяжелосуглинистой почвы с болотной верховой торфяно-глеевой почвой.

В южной части территории обследованы среднетаежные предгорные ландшафты с абсолютными высотами 62-168 м и уклонами поверхности до 4 градусов, сформированные на осадочных породах верхнего мела-нижнего палеогена, перекрытых маринием. Отличительными геохимическими особенностями ландшафтов являются самые высокие на Северном Урале концентрации цинка (КК=2,6) и марганца (КК=3,1), обнаруженные в торфянисто-мелкоподзолисто-глеевой легкосуглинистой почве. Для почв также характерно повышенное содержание свинца (до КК=6,8, т. 18-4) и никеля (КК=1,8, т. 24-3).

Пойменно-долинные ландшафты исследованы на нескольких участках, различающихся по абсолютным высотам, уклонам поверхности и особенностям отложения аллювия. В орографически высоко расположенных участках предгорий с абсолютными высотами 59-115 м, при уклоне поверхности до 5 градусов, реки отличаются быстрым течением и слабым проявлением аккумуляционных процессов. В этих условиях почвы отличаются не столь богатым микроэлементным составом по сравнению с эрозионными ландшафтами, хотя кларк концентрации свинца в одной из точек опробования достигает6,2 (т. 11-4). В пойменно-долинных ландшафтах малых и средних рек предгорных районов, изученных на высотах 24-65 м, при уклоне поверхности менее 1 градуса, проявление аллювиального процесса выражено отчетливо. Аккумуляция преобладает над выносом, что выражается в накоплении свинца (КК до 10,7 в т.17-3), наблюдается накопление никеля (КК=1,9, т. 19-2) и цинка (КК=1,5, т.20-4).

На равнинных участках, в южной части обследованной территории с абсолютными высотами 40-120 м и уклонами менее 1 градуса, почвы пойменно-долинных комплексов малых и средних рек характеризуются накоплением свинца КК=4,2 (т. 18-3), никеля (КК=1,5, т.18-1, т. 18-2), цинка (КК=1,5, т. 21-1, т.21-2). В торфянисто-мелкоподзолисто-глеевой легко-суглинистой почве, сформированной на осаочных горных породах верхнего мела-нижнего палеогена, перекрытых аллювиальными покровными отложениями (т.24-4), была обнаружена высокая концентрация цинка (КК=2,1),повышенное содержание марганца (КК=2,1) и самая высокая на Северном Урале концентрация никеля (КК=1,9).

Гидроморфные ландшафты северотаежных болот исследованы на участке с абсолютными высотами 47-49 м, при уклоне поверхности менее 1 градуса. В болотной переходной торфяной почве на средних торфах выявлена повышенная концентрация свинца (КК=4,6, т.15-4).Очень высокая концентрация свинца (КК=20)выявлена в торфянисто-мелкоподзолисто-глеевой среднесуглинистой почве переувлажненной низины (т.15-2).

Гидроморфные ландшафты среднетаежных болот изучены на высотах 28-72 м, при уклоне поверхности менее 1 градуса. Здесь в почвах также активно накапливается свинец, кларк концентрации которого достигают 10, в т. 17-1 и никель (до КК=1,6, т.19-4).

Таким образом, в результате исследований определены особенности микроэлементного состава и латеральной дифференциации веществ в почвах Северного Урала. Состав почвообразующих пород определяет высокое содержание в почвах халькофильных элементов – свинца и цинка, причем содержание свинца зачастую многократно превышает кларк почв.Встречается повышенное содержание сидерофильных элементов (меди, никеля, марганца).

Максимальная концентрация свинца (313,5 мг/кг) выявлена в болотных ландшафтах внутригорных депрессий. Для болотных почв в целом характерно интенсивное накопление этого элемента. Наибольшее содержание меди (31,3 мг/кг) обнаружено в среднетаежных низкогорных ландшафтах, максимальное содержание цинка (131,9 мг/кг) и марганца (2666,9мг/кг) наблюдается в среднетаежных ландшафтах дренированных и относительно дренированных равнин, наибольшая концентрация никеля (76,4 мг/кг) выявлена в пойменно-долинных комплексах малых и средних рек с лесными и лесо-лугово-болотными сериями.

Рис. 2. Схемы почвенных профилей № 11, 13, 20, и 23 с указанием микроэлементов с кларком концентрации более 1,5 и максимальным значениями по профилю

Рис. 3. Схемы почвенных профилей № 15, 16, 17, 18, 19,21 и 24 с указанием микроэлементов с кларком концентрации более 1,5 и максимальным значениями по профилю

Дифференциация микроэлементов обусловлена свойствами почвообразующих пород и факторами внутриландшафтного перераспределения вещества. Наблюдается тенденция повышения концентрации микроэлементов в почвах аккумулятивных геохимических комплексов в связи с миграцией и последующим накоплением на сорбционном и биогенном геохимических барьерах. Аккумуляция сидерофильных элементов (Fe, Mn, Cr, Ni) наблюдается в трансэлювиально-аккумулятивных фациях низкогорных и предгорных среднетаежных ландшафтов. Из халькофильных элементов в трансэлювиально-аккумулятивных и аккумулятивных фациях ландшафтов Северного Урала чаще всего накапливается свинец.

ЛИТЕРАТУРА

1. Авессаломова И.А. Геохимические показатели при изучении ландшафтов: Учебно-методическое пособие. — М.: Изд-во Моск. ун-та.- 1987. — 108 с.

2. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1:1 000 000 (третье поколение). Уральская серия – Лист Q-41 (Воркута). Объяснительная записка. – СПб.: Изд-во картфабрики ВСЕГЕИ.- 2005. – 335 с.

3. Золоев К.К., Федоров О.П. и др. Отчет по научно-исследовательской (тематической) работе «Концепция комплексного промышленного освоения Приполярного Урала на основе опережающего развития транспортной и энергетической инфраструктуры. Раздел «Недропользование». — Екатеринбург-Ханты-Мансийск.- 2005. – 506 с.

4. Московченко Д.В. Экогеохимия нефтегазодобывающих районов Западной Сибири / Д.В. Московченко; отв. ред. С.П. Арефьев. — Новосибирск: Изд-во «Гео», 2013. — С. 46.

5. Нечаева Е.Г. Ландшафтно-геохимические черты зональных подразделений долинно-таежного Обь-Иртышья // География почв и геохимия ландшафтов Сибири. Иркутск: Ин-т географии СО АН СССР.- 1988. — С. 3-17.

6. Ресурсная оценка земель Березовского района ХМАО. – Братск: ФГУП «Ангарское землеустроительное проектно-изыскательское предприятие».- 2002.- 44 с.

7. Селиванова Д.А., Московченко Д.В., Казанцев Ю.В., Гончарова В.Н., Казанцева Л.Н. Экологически оптимальное размещениепроизводственных объектов на территорииосвоения Приполярного и Северного Урала// Защита окружающей среды в нефтегазовомкомплексе. — 2013. -№ 6.- С. 40.

8. Справочник по геохимии / Г.В. Войткевич, А.В. Кокин, А.Е. Мирошников, В.Г. Прохоров. — М.:Недра.- 1990. — 480 с.

9. Сысо А.И. Закономерности распределения химических элементов в почвообразующих породах и почвах Западной Сибири. — Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. — 277 с.

10. Урал и Приуралье / Ред. И.В. Комар, А.Г. Чикишев. - М.: Наука.- 1968.- 461 с.

11. Хренов В.Я. Почвы Тюменской области: Словарь-справочник. — Екатеринбург: УрО РАН.- 2002.-– 156 с.