Шерловогорский рудный район находится на Юго-Востоке Забайкальского края, в Борзинском административном районе, северо-восточнее поселка Шерловая Гора (рис. 1).
Рис. 1. Местоположение Шерловогорского месторождения
Здесь расположено одноименное висмут-бериллий-олово-вольфрамовое месторождение с наложенной мышьяковой минерализацией, крупное олово-полиметаллическое месторождение Сопка Большая и находящееся к востоку от него месторождение Восточная аномалия. Олово-полиметаллическую руду добывали открытым способом, вследствие чего образовались техногенные массивы, карьер, которым до 1993 года отрабатывалось олово-полиметаллическое месторождение, хвостохранилище обогатительной фабрики бывшего ГОКа, а также отвалы горных пород вскрыши, склады бедных и подготовленных к переработке руд, мелкие карьеры и отвалы разрабатывавшихся россыпей. Шерловогорский горнопромышленный район включает бериллий-висмут-олово-вольфрамовое месторождение Шерловая Гора, а также олово-полиметаллические месторождения Сопка Большая и Восточная аномалия. Поэтому в природных, техногенных и природно-техногенных ландшафтах развиты геохимические аномалии висмута, олова, свинца, цинка, кадмия, вольфрама, бериллия и других элементов [1].
С целью познания влияния токсичных элементов на дикорастущие растительные сообщества, произрастающие в пределах интенсивных природных и геотехногенных геохимических аномалий, изучается биогеохимия растений на территории Шерловогорского рудного района.
В качестве объекта исследования выбрана полынь Гмелина (Artemisia gmelinii) как пионерное растение, осваивающее техногенно-нарушенные территории Шерловогорского рудного района, где развиты геотехногенные ландшафты. На её примере изучены особенности накопления свинца в органах растений.
Свинец согласно ГОСТ 17.4.1.02-83 относится к 1 классу опасности. Кларк свинца по А.П. Виноградову 10 мг/кг [5]. Согласно ГН 2.1.7.2041-06 предельно-допустимая концентрация (ПДК) свинца в почве составляет 32 мг/кг [2]. Широкие вариации содержания свинца в растениях возникают под действием различных факторов среды, например наличия геохимических аномалий, загрязнения, сезонных колебаний, способности генотипа накапливать свинец. Тем не менее, естественные уровни содержаний свинца в растениях из незагрязненных и безрудных областей, по-видимому, довольно постоянны и лежат в пределах 0,1– 10,0 мг/кг сухой массы (среднее 2 мг/кг) [4]. По данным В.Б. Ильина [3], они составляют 4,1 мг/кг. Тяжелые металлы в системе «горная порода – почва – растения» с 2005 года являются предметом изучения в лаборатории геохимии и рудогенеза Института природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН. Установлено, что Шерловогорская природная геохимическая аномалия отличается высокими содержаниями не только свинца, но и висмута, цинка, кадмия, меди, мышьяка, вольфрама и других химических элементов в токсичных концентрациях [7, 8].
Материалы и методы исследования
Методика биогеохимических исследований включала: 1) отбор проб почв, техноземов и растений на 4 участках (фоновый, Поднебесных, жила Новая и хвостохранилище), 2) анализ почв и техноземов методом РФА в ГИН СО РАН (г. Улан-Удэ) на спектрометре VRA–30, к.т.н. Б.Ж. Жалсараевым, и Ж.Ш. Ринчиновой. Изучение содержаний химических элементов в растениях включало: 1) разделение растений на органы, 2) высушивание на воздухе, 3) измельчение, 4) разложение в системе СВЧ и перевод в водный раствор, 5) ICP-MS анализ. Определение содержаний химических элементов в растениях выполнено в Хабаровском инновационно-аналитическом центре Института тектоники и геофизики им. Ю.А. Косыгина ДВО РАН на приборе ICP-MS Elan 9000 PerkinElmer (США) методом кислотного разложения ПНД Ф 16.1:2.3:3.11-98, Стандартный образец: Тр-1 (ГСО № 8922-2007), аналитики А.В. Штарева, В.Е. Зазулина, Л.С. Боковенко.
Всего исследовано 49 проб почв и техноземов и 142 индивида полыни Гмелина, отобранных на 4 участках (рис. 2): фоновом (1), Поднебесных (2), Жила Новая (3) и хвостохранилище (4). Фоновый участок, на котором воздействие процессов формирования Шерловогорской рудномагматической системы не ощущалось бы совсем, даже по данным геологической съёмки масштаба 1:50 000, оказалось практически невозможным. Поэтому он выбран на её периферии, где её воздействие характеризуется слабым развитием грейзенизации вмещающих горных пород, представленных, в основном, ороговикованными песчаниками и сланцами девонского возраста. Участки Поднебесных и Жила Новая представляют собою грейзенизированные граниты Шерловогорского массива, содержащие жильные тела с бериллий-олово-висмут-вольфрамовой минерализаций, хвостохранилище сложено отходами обогащения олово-полиметаллических руд месторождения Сопка Большая. Аналитические данные обработаны методами матстатистики: вычислены среднеарифметические концентрации химических элементов (х), их среднеквадратичные отклонения (σ) и коэффициенты вариаций средних значений (σ/х).
Результаты исследования и их обсуждение
Средние содержания свинца (х, σ, σ/х, мг/кг) на участках достаточно высокие и за исключением фонового, выше кларка: фоновый (19,4; 13,18; 0,68); Поднебесных (240,44; 123,87; 0,52); жила Новая (105,81;108,38; 1,02); хвостохранилище (1056; 440,12; 0,42). Все содержания свинца в почвах и техноземах превышают кларк и ПДК на всех участках (рис. 3).
Рис. 2. Схема опробования: 1 – фоновый участок, 2 – Поднебесных, 3 – Жила Новая, 4 – хвостохранилище
Рис. 3. Средние содержания свинца в почвах и техноземах на участках Шерловогорского рудного района в сравнении с кларками: 1 – фоновый участок, 2 – участок Поднебесных, 3 – Жила Новая, 4 – хвостохранилище, кларк свинца по А.П. Виноградову, ПДК согласно ГН 2.1.7.2041-06
Рис. 4. Распределение свинца в органах полыни Гмелина по изучавшимся участкам: 1 – фоновый участок, 2 –Поднебесных, 3 – Жила Новая, 4 – хвостохранилище
Рис. 5. Коэффициент биологического поглощения свинца органами полыни Гмелина на разных участках отбора проб: 1 – фоновый участок, 2 – Поднебесных, 3 – Жила Новая, 4 – хвостохранилище
Средние содержания свинца в полыни Гмелина по участкам отбора проб приведены на рис. 4.
Анализ данных, приведенных на рис. 4, показал, что концентрации свинца в органах полыни Гмелина имеют тенденцию к возрастанию от фонового участка к Жиле Новой. При этом выявляется четкая закономерность, заключающаяся в том, что максимальные её значения присущи корням и листьям, а минимальные – стеблям и цветкам. Максимальны содержания свинца в корнях и листьях на участках хвостохранилище (24,18; 30,30 мг/кг) и Жила Новая (33,24; 11,94 мг/кг), а стебли и цветки содержат здесь существенно меньшие его количества. Минимальные значения типичны для цветков также на Фоновом участке (0,21 мг/кг), где воздействие флюидов, формировавших олово-полиметаллическое месторождение Сопка Большая на граниты Шерловогорского штока и ороговикованные вмещающие горные породы было минимальным.
Наиболее четкие различия в накоплении свинца различными органами полыни Гмелина характерны для участков с максимальными его содержаниями в почвах и техноземах (жила Новая и хвостохранилище), а для участков с фоновым содержанием свинца и там, где минимально проявлено воздействие более поздних наложенных рудных процессов (Поднебесных) выявленные тенденции проявлены слабо. Относительно низкие содержания свинца в полыни Гмелина на участке Поднебесных обусловлены, вероятно, относительно низкими его валовыми содержаниями (рис. 3) и вследствие слабого развития его подвижных форм, как это установлено для техноземов золото-молибденового месторождения Давенда [6], где доля подвижных водо- и кислоторастворимых его форм ничтожна.
При высоких содержаниях свинца в почвах резко преобладают его малоподвижные формы, плохо усвояемые корневой системой растения [6]. В хвостохранилище, где существенная доля свинца после переработки олово-полиметаллической руды находится в относительно подвижной форме, он легко усваивается полынью Гмелина. Это же относится и к участку Жила Новая, почвенный слой на котором имеет значительную мощность, и часть свинца представлена, вероятно, подвижными и биологически доступными формами (водорастворимыми, обменными, кислоторастворимыми, легко окисляемыми и легко восстанавливаемыми). На этих участках распределение свинца по органам растения максимально в корнях и листьях и минимально в стеблях и цветках, что соответствует ранее выявленным закономерностям для мышьяка, молибдена, вольфрама и кадмия для других растений [8, 9]. Расчеты коэффициента биологического поглощения свинца растением (рис. 5) показали, что для корней он максимален на фоновом участке и жиле Новой, а минимален на хвостохранилище и участке Поднебесных. Это никак не согласуется с низкими содержаниями свинца на фоновом участке (19,4 мг/кг) и Жиле Новая (105,81 мг/кг), где его содержания в почвах минимальны, и максимальными – на участке Поднебесных (240,44 мг/кг) и хвостохранилище (1056 мг/кг), где КБП имеет минимальные значения.
Эти данные однозначно свидетельствуют об отсутствии зависимости КБП свинца полынью Гмелина от валовых его содержаний в почвах.
Выводы
1. Впервые дан анализ содержаний свинца в почвах и техноземах природно-техногенных ландшафтов и органах полыни Гмелина Artemisia gmelinii в Шерловогорском рудном районе.
2. Установлены различия в содержаниях этого элемента в почвах и техноземах в зависимости от минералого-геохимичесекого состава отрабатываемых рудных тел. Определено, что его содержания значительно превышают кларки и ПДК.
3. Содержания свинца в органах полыни Гмелина превышают кларк и ПДК на всех рассмотренных участках, а его КБП не зависит от валового его содержания в почвах и техноземах.
4. Накопление свинца в органах полыни Гмелина (корни, стебли, листья, цветки) существенно различается. Средние значения концентраций свинца в них составляют, соответственно, (мг/кг): 33,24→11,44→ →30,30→10,56 при размахе < 0,20–33,24. Следовательно, максимальные их концентрации обнаружены в корнях и листьях, существенно меньшие в стеблях и минимальные – в цветках.
5. Подобное распределение свинца, вольфрама, молибдена, висмута, цинка и кадмия нами выявлено и для других растений в Шерловогорском и других рудных районах [8–10]. При этом, для всех растений во всех ландшафтах типичны минимальные содержания элементов-токсикантов в цветах, плодах и семенах [8–10]. Выявленная тенденция свидетельствует о том, что высокие содержания в корнях связаны с непосредственным контактом их с почвами и захватом ризосферой, существенно меньшие содержания в стеблях связаны с их транспортными функциями, возрастание их в листьях обусловлено происходящими в них фотосинтезом и главными жизненно важными процессами. Минимальные содержания токсичного свинца в цветках, обусловлены, вероятно, защитными системами растения, обеспечивающими чистоту вида в потомках.