Вещественный состав почв

Раздел составлен на основе изучения вещественного состава почв урбанизированных территорий с разнопрофильным производством юга Западной Сибири (Е.Г. Язиков с соавторами (2006) и Л.В. Жорняк (2009)).

В почве были диагностированы частицы как природного, так и техногенного происхождения. Вещественный состав природнотехногенных составляющих в почвах и почвогрунтах урбанизированных территорий с различной степенью техногенной нагрузки отличается по соотношению частиц природного и техногенного происхождения, а также определяется спецификой локальных источников загрязнения.

Природные минеральные и биогенные частицы

1. Частицы кварца - прозрачные, бесцветные, угловатые, со стеклянным блеском; полупрозрачные, бесцветные или желтоватооранжевого цвета, окатанные частицы (рис. 3.2.1-3.2.3).

Прозрачный кварц (бинокуляр, увел. 50')

Рис. 3.2.1. Прозрачный кварц (бинокуляр, увел. 50')

Полупрозрачный кварц (бинокуляр, увел. 50)

Рис. 3.2.2. Полупрозрачный кварц (бинокуляр, увел. 50х)

  • 2. Карбонаты - частицы молочно-белого цвета, полуокаганные карбонатного состава (рис. 3.2.4).
  • 3. Окислы и гидроокислы железа - бурые или рыжеватые частицы неправильной формы, хрупкие (рис. 3.2.5-3.2.6).
  • 4. Чешуйки слюды - полупрозрачные, плоские, слоистые частицы со стеклянным блеском, перламутровым отливом, серебристо-белого или бледно-зеленого цвета (рис. 3.2.7).
  • 5. Полевые шпаты - красноватые, непрозрачные, полуокатанные частицы.
  • 6. Частицы биогенного происхождения представлены древеснорастительными остатками, частицами семян и насекомых (рис. 3.2.8).
  • 7. Сцементированные неплотные частицы серо-коричневого цвета различной формы, состоящие в основном из мелких частиц кварца, окислов, гидроокислов железа и глинистой массы (рис. 3.2.9).
Кварц

Рис. 3.2.3. Кварц: а) фото частицы (увел. 150'); б) энергодисперсионный спектр кварца (результаты электронной микроскопии)

Карбонатная частица (бинокуляр, увел. 50')

Рис. 3.2.4. Карбонатная частица (бинокуляр, увел. 50')

Окислы железа (бинокуляр, увел. 50)

Рис. 3.2.5. Окислы железа (бинокуляр, увел. 50х)

Окислы железа

Рис. 3.2.6. Окислы железа:

а) фото частицы (увел. 75х); б) энергодисперсионный спектр частицы (результаты электронной микроскопии)

Слюда

Рис. 3.2.7. Слюда: а) фото частицы (увел. 140х); б) энергодисперсионный спектр слюды (результаты электронной микроскопии)

Биогенная частица (бинокуляр, увел. 5(f)

Рис. 3.2.8. Биогенная частица (бинокуляр, увел. 5(f)

Сцементированные частицы (бинокуляр, увел. 5(f)

Рис. 3.2.9. Сцементированные частицы (бинокуляр, увел. 5(f)

Следует отметить, что наряду с четко диагностируемыми частицами встречаются и такие, которые требуют более детального изучения.

К частицам техногенного происхождения относятся частицы, полученные при сжигании различных видов топлива, бытового мусора, а также частицы, связанные с различными технологическими процессами на промышленных предприятиях.

При изучении проб почв выявлены следующие частицы техногенного происхождения:

  • 1. Отходы металлообработки - бесформенные частицы рыжевато- коричневого цвета. По данным лазерного микроанализа содержат Fe, Ti, Mg, Си, Mn, Si, Ca, Al, V и Li.
  • 2. Ферромагнезит - микросферулы темно-серого или черного цвета с металлическим блеском, обладающие магнитными свойствами, характерные для отходов чугунолитейного производства (рис. 3.2.10-3.2.11).
  • 3. Муллит - микросферулы светло-сероватого, зеленоватого или бурого цвета со стеклянным блеском, обладающие электромагнитными свойствами, характерные для выбросов топливно-энергетического комплекса (рис. 3.2.10, рис. 3.2.12, рис. 3.2.13).
Металлические и алюмосиликатные микросферулы

Рис. 3.2.10. Металлические и алюмосиликатные микросферулы: 1 - ферромагнезит; 2 -муллит (бинокуляр, увел. 60')

Микросферулы, содержащие Fe

Рис. 3.2.11. Микросферулы, содержащие Fe: а) фото частицы (увел. 450'); б) энергодисперсионный спектр частицы (результаты электронной микроскопии)

Al-Si-микросферулы, содержащие Са, Fe и Mg; а) фото частицы (увел. 370'); б) энергодисперсионный спектр частицы (результаты электронной микроскопии)

Рис. 3.2.12. Al-Si-микросферулы, содержащие Са, Fe и Mg; а) фото частицы (увел. 370'); б) энергодисперсионный спектр частицы (результаты электронной микроскопии)

Al-Si-микросферулы с повышенным содержанием Са

Рис. 3.2.13. Al-Si-микросферулы с повышенным содержанием Са: а) фото частицы (увел. 270х); б) энергодисперсионный спектр частицы (результаты электронной микроскопии)

  • 4. Частицы золы неправильной формы, серого цвета, рыхлые. Выявлены в пробе почвы, отобранной вблизи НПО «Вирион» г. Томска.
  • 5. Кирпичная крошка - частицы оранжево-красного цвета, рыхлые.
  • 6. Синтетические волокна - нитевидные частицы (ворсинки) со стеклянным блеском, бесцветные, белого, синего, фиолетового, зеленого или красно-бурого цвета (рис. 3.2.14).
  • 7. Частицы проволоки красно-бурого цвета, с металлическим блеском.
  • 8. Частицы сажи - мелкие черные частицы, плоской формы, рыхлые. Образуются при сжигании разного вида топлива или бытового мусора.
  • 9. Частицы шлака - сцементированные частицы, неправильной формы, серо-черного цвета. Обладают магнитными и электромагнитными свойствами (рис. 3.2.15).
Синтетические волокна (бинокуляр, увез. 50')

Рис. 3.2.14. Синтетические волокна (бинокуляр, увез. 50')

Частица шлака (1) и частица краски (2) (бинокуляр, увез. 50')

Рис. 3.2.15. Частица шлака (1) и частица краски (2) (бинокуляр, увез. 50')

  • 10. Частицы извести - мелкие частицы белого цвета, рыхлые.
  • 11. Частицы краски (рис. 3.2.15).
  • 12. Частицы угля - черные, угловатые, неправильной формы, с жирным блеском. Поступают в окружающую среду с выбросами предприятий теплоэнергетики, работающих на углях (рис. 3.2.16).
Частицы угля

Рис. 3.2.16. Частицы угля: а) фото частицы (увел. 40х); б) энергодисперсионный спектр частицы (результаты электронной микроскопии)

К недиагностированным относятся следующие частицы: палочковидные полупрозрачные частицы, бесцветного, белого или зеленоватого цвета, стеклянного блеска (рис. 3.2.17-3.2.18); железистые частицы буро- рыжего цвета, неправильной формы (рис. 3.2.19) и другие.

Палочковидная частица, полупрозрачная, зеленоватого цвета (бинокуляр, увел. 50')

Рис. 3.2.17. Палочковидная частица, полупрозрачная, зеленоватого цвета (бинокуляр, увел. 50')

Палочковидная частица, полупрозрачная, бесцветная (бинокуляр, увел. 50)

Рис. 3.2.18. Палочковидная частица, полупрозрачная, бесцветная (бинокуляр, увел. 50х)

Частица неправильной формы буро-рыжего цвета

Рис. 3.2.19. Частица неправильной формы буро-рыжего цвета: а) фото частицы (бинокуляр, увел. 50'); б) энергодисперсионный спектр частицы (результаты электронной микроскопии)

Исследование рентгеноструктурным анализом образцов почвы различных урбанизированных территорий промышленных районов позволяет отмстить их близкий минеральный состав. В почвогрунтах угледобывающего района на территории г. Междуреченска устанавливаются кварц, альбит, гематит (гётит), кальцит, гипс, каолинит, слюда, монтмориллонит, тогда как в пробах почвогрунта территории г. Томска фиксируется кварц, альбит, микроклин, гематит, слюда, хлорит, монтмориллонит, каолинит и гипс (рис. 3.2.20).

В пробах почв, отобранных в районах расположения промышленных предприятий г. Томска, природная составляющая представлена преимущественно кварцем, каолинитом и ортоклазом. Кроме основной составляющей всех изученных проб, в почвах выявлен гидробиотит и биотит. Например, почвогрунт промышленной территории ОАО «Сибэлектро- мотор» г. Томска содержит кварц, альбит, микроклин, слюду, каолинит, гематит и хлорит.

Соотношение частиц природного и техногенного происхождения в почвах напрямую зависит от степени антропогенной нагрузки на исследуемой территории.

В фоновом районе (заказник «Томский») природная составляющая занимает 96 % пробы, остальная часть (4 %) приходится на техногенные компоненты, представленные, в основном, частицами угля, сажи и шлака от сжигания топлива в печах частных домов и котельных (рис. 3.2.21).

Практически во всех пробах почв г. Томска преобладает природная составляющая (в среднем 61 %). Максимальный процент природной составляющей приходится на частицы кварца, карбонатные частицы, растительные, биогенные и сцементированные. Максимальный процент техногенной составляющей приходится на частицы металлообработки, микросферулы (муллит и ферромагнезит), частицы сажи, шлака и угля (табл. 3.2.1).

Общий вид пробы почвы около промышленных предприятий г. Томска под бинокулярным микроскопом

Рис. 3.2.20. Общий вид пробы почвы около промышленных предприятий г. Томска под бинокулярным микроскопом: а) ОАО «Томский электромеханический завод» (увел. 65х); б) ОАО «Томский электроламповый завод» (увел. 65х); в) ОАО «Томский инструмент» (ува. 50х); г) ООО «Завод “Эмальпровод ”» (увел. 50х); д) ЗАО «Томский приборный завод» (увел. 50х); е) Томский шпалопропиточный завод ОАО «ТрансВудСервис» (увез. 50')

Соотношение природных и техногенных частиц в составе почв районов расположения промышленных предприятий г. Томска и фонового района

Рис. 3.2.21. Соотношение природных и техногенных частиц в составе почв районов расположения промышленных предприятий г. Томска и фонового района:

фон - заказник «Томский»; ПЗ - ЗАО «Томский приборный завод»;

КЗ - ООО «Континенте»; СпичФ -ОАО «Томская спичечная фабрика “Сибирь ”»; ДЗ - ЗАО «Томский дрожжевой завод»; РТЗ -ОАО «Томский радиотехнический завод»; СибК-ЗАО «Сибкабель»; ФЗ-ОАО «Фармстандарт-Томскхимфарм»; ЭмПр - ООО «Завод “Эмальпровод ’’»; ТЭЛЗ - ОАО «Томский электроламповый завод»; М3 - ОАО «Манотомь»; ТИЗ - ОАО «Томский инструмент»;

СибМ- ОАО «Сибэлектромотор»; ТЭМЗ -ОАО «Томский электромеханический завод»; 1113- Томский шпалопропиточный завод ОАО «ТрансВудСервис»

Максимальное количество техногенных составляющих по отношению к природным выявлено в почвах районов ОАО Томский шпалопропиточный завод ОАО «ТрансВудСервис» (65 %), Томской ГРЭС-2 ОАО «Томскэнерго» (64 %) и ОАО «Томский электромеханический завод» (53 %), минимальное - в почвах около НПО «Вирион» (16,5 %) и ЗАО «Томский приборный завод» (19,5 %).

При сравнении содержания различных техногенных частиц в пробах г. Томска отмечается, что отходов металлообработки больше всего присутствует в почве около ОАО «Томский электромеханический завод» (10 %); ферромагнезита - в пробах, отобранных в районах расположения ОАО «Томский инструмент», ОАО «Манотомь», ООО «Завод “Эмальпровод”», ОАО «Фармстандарт-Томскхимфарм» и ЗАО «Томский дрожжевой завод» - 5 %; муллита и частиц золы - в почвах около Томской ГРЭС-2 (8 и 10 % соответственно); кирпичной крошки - около ООО «Континентъ» (8 %); палочковидных частиц - около ОАО «Томский электроламповый завод» и ОАО «Томский приборный завод» (3 и 4 %); частиц проволоки - в пробах с ЗАО «Сибкабель» и его эмальпро- изводства (1 %); сажи - в пробах с Томского шпалопропиточного завода

ОАО «ТрансВудСервис» (10 %); шлака - в почвах около ОАО «Мано- томь» (15 %); железистых буро-рыжего цвета неправильной формы частиц - около ОАО «Томский радиотехнический завод» (10 %); частиц угля - в почвах около Томской ГРЭС-2 и ОАО «Томский электромеханический завод» (20 %). Основными источниками поступления частиц сажи, шлака, угля, ферромагнезита и муллита, которые выявлены почти во всех изученных пробах г. Томска, являются Томская ГРЭС-2 и котельные, работающие на углях. Различные техногенные частицы попадают в окружающую среду в результате деятельности промышленных предприятий города, предприятий стройиндустрии, ремонтных баз, автотранспорта и частного сектора.

В изученных пробах почв магнитная фракция составляла от 5...7 % (ОАО «ТЭЛЗ», ОАО «ТИЗ») до 15...20 % (ООО «Завод “Эмальпро- вод”», Томский шпалопропиточный завод ОАО «ТрансВудСервис») от объема пробы, электромагнитная фракция - от менее 1 % (ОАО «ТИЗ», ООО «Континенты) и ЗАО «Томский приборный завод», НПО «Вири- он») до 7... 10 % (ОАО «Сибэлектромотор», ОАО «ТЭЛЗ», Томский шпалопропиточный завод ОАО «ТрансВудСервис»). В пробах почв фоновой территории содержание магнитной фракции менее 1 %, а электромагнитная - практически отсутствует.

В целом результаты диагностики почв различными минералогическими методами урбанизированной территории юга Западной Сибири с разнопрофильным производством, в том числе с предприятиями ядерно- топливного цикла, приведены в табл. 3.2.2.

Материал, представленный мелкими металлическими сферическими частицами явно техногенного происхождения, состоит из магнезио- феррига (магнитные сферические частицы черного цвета), в тесной ассоциации с которым фиксируется гематит (рис. 3.2.22).

Почва в просвечивающем и растровом электронном микроскопе практически всегда агрегирована и представляет собой смесь минералов, среди которых отмечаются частицы кварца, слоистого алюмосиликата, полевого шпата, асбеста и тодорокита (рис. 3.2.23-3.2.24). Для многих диагностируемых минералов приводятся микродифракционные картины. В изученных образцах почв установлены также частицы с ортогональными формами шпинели с характерной кольцевой микроди- фракционной картиной (рис. 3.2.25).

Совместно с дендритовыми кристаллами кубической сингонии с пространственной группой Fm3m, характерных для р-Со и других элементов, встречается гексагональный кристалл графита с типичной мик- родифракционной картиной (рис. 3.2.26).

Таблица 3.2.1

Вещественный состав проб почв на территории г. Томска (содержание, %)

п/п

-----—Место отбора

Характеристика частиц -—__

ТЭМЗ

ТЭЛЗ

ТИЗ

М3

ГРЭС-2

СибМ

РТЗ

КЗ

ЭмПр

Вир-и

ПЗ

СпичФ

СибК

ШЗ

ФЗ

ДЗ

Природные составляющие

47

61

55

59

36

55

66

71

62

83,5

80,5

68

66

35

66

67

1

Кварц

31

35

45

37

25

40

39

53

52

55

59

28

27

20

54

31

2

Карбонаты

-

3

-

6

1

1

-

2

1

3

3

6

3

-

1

3

3

Г идроокислы железа

-

5

-

7

1

1

3

2

2

0,5

1

1

2

-

1

8

4

Чешуйки слюды

-

4

1

1

1

1

3

-

1

-

3

1

0,5

3

2

5

5

Полевые шпаты

5

1

-

0,5

1

-

-

1

-

0,5

0,5

-

-

1

-

0,5

6

Биогенные частицы

3

5

1

2

4

8

4

5,5

2

15

3

11

5

5

1

3

7

Сцементированные частицы

-

5

-

3

-

-

16

3

3

5

8

17

20

-

5

15

8

Не диагностированные частиць

8

3

8

2,5

3

4

1

4,5

1

4,5

3

4

8,5

6

2

1,5

Техногенные составляющие

53

39

45

41

64

45

34

29

38

16,5

19,5

32

34

65

34

33

9

Отходы металлообработки

10

3

5

-

3

2

5

1

3

2

-

1

1

6

-

-

10

Фсрромагнсзит

3

4

5

5

3

4

-

2

5

1

2

4

5

4

5

5

И

Муллит

5

2,5

4

1

8

2

-

3,5

4

1

1

2

2

7

-

3

12

Зола

-

1

-

-

10

-

-

-

-

1

-

-

0,5

-

-

-

13

Кирпичная крошка

5

2

-

-

2

-

-

8

-

-

0,5

0,5

0,5

-

-

-

14

Синтетические волокна

3

1

-

5

3

2

4

1,5

-

1

-

1,5

1

-

0,5

2

15

Частицы проволоки

-

-

-

-

-

-

-

-

1

-

-

-

1

-

-

-

16

Сажа

5

6

7

5

5

3

1

2,5

5

2

3

3

2

10

9

3

17

Шлак

2

4

10

15

2

13

14

1

10

-

4

6

6

7

9

5

18

Частицы известки

-

0.5

19

Частицы угля

20

7

13

7

20

15

-

7

10

3,5

5

9

10

15

10

13

20

Частицы краски

-

2

-

-

-

1

-

-

-

-

-

-

-

0,5

-

-

21

Не диагностированные частицы

-

6

1

3

8

3

10

2,5

-

5

4

6

5

15,5

0,5

2

Примечание: «-» - частицы не обнаружены. Промышленные предприятия: ТЭМЗ - ОАО «Томский электромеханический завод»; ТЭЛЗ - ОАО «Томский электроламповый завод»; ТИЗ - ОАО «Томский инструмент»; М3 - ОАО «Манотомь»; СибМ - ОАО «Сибэлекгро- мотор»; РТЗ - ОАО «Томский радиотехнический завод»; КЗ - ООО «Континснть»; ЭмПр - ООО «Завод “Эмальпровод”»; Вир-н - НПО «Вирион»; ПЗ - ЗАО «Томский приборный завод»; СпичФ - ОАО «Томская спичечная фабрика "Сибирь”»; СибК - ЗАО «Сибкабель»; ШЗ - Томский шпалопропиточный завод ОАО «ТрансВудСервис»; ФЗ - ОАО «Фармстандарт-Томскхимфарм»; ДЗ - ЗАО «Томский дрожжевой завод».

Таблица 3.2.2

Минеральный состав образцов почв территории Томск-Северской промышленной агломерации

(по данным различных методов)

Минерал, частица

Форма и размер

Химический состав, формула

Методы

диагностики

Г енезис

Кварц

Зёрна

SiO,

РФА

МДК

Природный

Полевой шпат

Призмочки

(Са, Na)[AlSi,08]

РФА

МДК

Природный

Слоистые алюмосиликаты (гидробиотит, иплит, монтмориллонит, вермикулит, хлорит)

I Ьшстинки и чешуйки

K(Mg, Fe), •

• rSi-.AIO,„i rOH, FI, и др.

РФА

МДК

11риродный

Апатит

Ca,f(PQ4)l,F

МДК

Природный

Амфибол

Ca2(Mg,Fe)5 [Si40| i ]2 * [OH]2 или др.

РФА

Природный

Гематит

Fc,0,

РФА

Природный

Андорит или баумгаусрит

AgPbSb-.S,, или Pb,As,,Sn

МДК

Природный?

Тодорокит

Пластинки

MrrMn/"07-2H,0

МДК

Природный?

Скородит

Остроугольная частица

FefAs04l-2H,0

МДК

Природный?

Халькозин

Cu,S

МДК

Природный?

Хлоантит

NiAs, ,

МДК

11риродный?

Органическое вещество растительного происхождения

C

ДТА

Природный

Муллит

Полые шарики

3Al,0,-2Si0,

МДК

PC

Техногенный

Магнезиоферрит

Микросферулы

(Fe, Mg)Fe204

РФА

Техногенный

Г рафит

Кристаллы

C

МДК

Техногенный

Асбест

Призматическая частица

3Mg0-2Si0,-2H,0

МДК

Техногенный

Шпинель

Кристаллы

MgAbQi

МДК

Техногенный

Тэнит

Частицы

Fe, Ni

МДК

Техногенный

Кремнеметаллический сплав

Частицы

Si и металлы

PC

Техногенный

Бадделеит

Кубическая частица

ZrO,

МДК

Техногенный

Примечание. РФА - рентгенофазовый анализ; МДК - микродифракционная картина; ДТА - дифференциально термический анализ и PC4 - рентгеновский спектр.

Присутствие в пробах кристаллического графита указывает на прямое воздействие предприятий ядерно-топливного цикла за счёт наличия графитовых стержней в реакторах.

Сферические металлические частицы в почвах Томск-Северской промышленной агломерации (фото выполнено с пластины лексана). Увел. 400

Рис. 3.2.22. Сферические металлические частицы в почвах Томск-Северской промышленной агломерации (фото выполнено с пластины лексана). Увел. 400х

Агрегат частиц кварца (Кв), слоистого алюмосиликата (САл) и асбеста (Ас) почвы в просвечивающем электронном микроскопе (увел. 600)

Рис. 3.2.23. Агрегат частиц кварца (Кв), слоистого алюмосиликата (САл) и асбеста (Ас) почвы в просвечивающем электронном микроскопе (увел. 600х): а) МДК асбеста: б) МДК слоистого алюмосиликата

В пробах почв встречаются также частицы с характерной микроди- фракционной картиной, отвечающей кубической модификации бадде- лсита (рис. 3.2.27).

Агрегат частиц слоистого алюмосиликата

Рис. 3.2.24. Агрегат частиц слоистого алюмосиликата (САл), полевого шпата (ПШ) и призматического кристалла тодорокита (То) почвы в просвечивающем электронном микроскопе (увел. 600х) (а); МДК полевого шпата(б); МДК тодорокита (в)

Шпинель (Шп) в виде полупрозрачной частички в агрегате слоистого алюмосиликата и кварца почвы в просвечивающем электронном микроскопе (увел. 800) (а); МДК шпинели (б)

Рис. 3.2.25. Шпинель (Шп) в виде полупрозрачной частички в агрегате слоистого алюмосиликата и кварца почвы в просвечивающем электронном микроскопе (увел. 800х) (а); МДК шпинели (б)

Отмечаются остроугольные частички скородита Fe[As04]-2H20, единичные чешуйки халькозина (Cu2S) и др.

В агрегате почв в растровом электронном микроскопе видны разнообразные по форме частицы, в основном это слоистые алюмосиликаты, кварц и углеродистое вещество, призматические частицы асбеста и мелкие колломорфные образования.

Таким образом, проведенная комплексная минералогическая оценка проб почв и грунтов территорий разнопрофильного производства и предприятий с ЯТЦ (Томск-Севсрская промышленная агломерация) позволила установить, что компонент природной среды фиксирует четкие признаки техногенной нагрузки, проявленные в присутствии твердых минеральных фаз техногенного происхождения.

Агрегат почвы в просвечивающем электронном микроскопе с гексагональным кристаллом графита (Гф) и дендритовыми кристаллами (З-кобальта (Со) (увел. 1200') (а)

Рис. 3.2.26. Агрегат почвы в просвечивающем электронном микроскопе с гексагональным кристаллом графита (Гф) и дендритовыми кристаллами (З-кобальта (Со) (увел. 1200') (а);

МДК графита (б); МДК депдритовых кристаллов (в)

Агрегат почвы в просвечивающем электронном микроскопе с выделениями кубической модификации бадделеита (Ба) (увел. 1200) (а)

Рис. 3.2.27. Агрегат почвы в просвечивающем электронном микроскопе с выделениями кубической модификации бадделеита (Ба) (увел. 1200х) (а);

МДК бадделеита (б)

Присутствие графита, бадделеита, асбеста и ряда других минералов позволяет наметить основные источники загрязнения, среди которых наиболее вероятным являются предприятия ядерно-топливного цикла Сибирского химического комбината (графит, бадделеит и др.) и топливно-энергетического комплекса (муллит, магнезиоферрит).

В результате изучения темы «Техногенные образования в почвах» предлагается выполнить лабораторную работу № 2 «Изучение вещественного состава пробы почв», представленную в приложении.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >