Геохимия, 2023, T. 68, № 1, стр. 105-112

ВВЕДЕНИЕ

Загрязняющие воздух взвешенные вещества (ВВ) – это собирательное понятие, включающее твердые частицы, атмосферные аэрозоли, непосредственно поступающие в воздух, и те частицы, которые образуются в процессе превращения газов. Установлена серьезная угроза здоровью людей при их воздействии (Urban airborne …, 2011). Размер частиц в воздухе колеблется от 0.01 микрометров (мкм) до 100 мкм.

Уровень загрязнения ВВ является одним из важнейших показателей качества воздуха, которым дышат люди. Взвешенные вещества – недифференцированная по составу пыль (аэрозоль), содержащаяся в воздухе населенных пунктов; показатель вредности – резорбтивное действие, класс опасности – 3.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

На территории г. Якутска было проведено геохимическое изучение ВВ в летней и зимней (растворимой и твердой фазы снежного покрова) приземной атмосфере.

Для исследования ВВ летней атмосферы на территории города было установлено 10 пылесборников (рис. 1).

Рис. 1.

Схема отбора проб в летний период. 1 – пункты наблюдений ЯУГМС; 2 – пылесборники; 3 – селитебная зона; 4 – промышленные зоны; 5 – река, озера; 6 – леса, луга.

Сбор пыли происходил в период с 17 июля по 15 октября 2019 г. Использовались также данные круглогодичного аэрогеохимического мониторинга на стационаре Института мерзлотоведения СО РАН “Туймаада” и стационарных наблюдений гидрометеослужбы (ЯУГМС). Для получения сведений о зимней атмосфере в марте 2020 г. на территории города было отобрано 80 проб снега. Фоновый участок наблюдений находился в районе оз. Чабыда в 25 км к юго-западу от города за пределами зоны техногенного воздействия (рис. 2).

Рис. 2.

Схема отбора ВВ в зимнее время. 1 – пункты отбора снега; 2 – стационар “Туймада”; 3–6 – рис. 1.

Пробоотбор проводился в оптимальный период для изучения снега, непосредственно перед началом снеготаяния, в течение нескольких дней марта. Пробы снега на точке наблюдений отбирались на площадке 30 × 30 см (без снятия 1.5 см снега у почвы). Минимальная удаленность от проезжей части составляла не менее 30 м, в большинстве случаев – более 200 м. Для отбора пробы использовали маркированный по 0.5 см стеклянный цилиндр со стальным окаймлением диаметром 82 мм, который опускали с поверхности снежного покрова на плоскую прямоугольную стальную лопатку на высоте 1.5 см от почвы либо у поверхности льда. В каждом пункте выполняли 5–6 измерений толщины снежного покрова. Далее пробу помещали в пластиковый пакет и помещали на электронные весы для определения массы снега и расчета его плотности. Пробы ежедневно поступали в лабораторию Института мерзлотоведения СО РАН, где снег плавился при комнатной температуре. После полного таяния пробу разделяли на твердую и жидкую фазы путем фильтрования через бумажные фильтры “синяя лента” с диаметром пор 1 мкм. Данные о количестве и химическом составе ВВ в зимней атмосфере получены при изучении растворимой и твердой фаз снежного покрова.

Масса пыли в снеговой пробе служила основой для определения пылевой нагрузки Pn в мг/(м² сут), т.е. количества твердых выпадений за единицу времени на единицу площади (Сает и др., 1990). Расчет проводился по формуле: Рn = Р/(St), где: Р – масса пыли в пробе (мг); S – площадь шурфа (0.0053 м²); t – время от начала снегостава до отбора проб снега (196 сут).

Аналитическая обработка геохимических проб проведена в лаборатории подземных вод и геохимии криолитозоны ИМЗ СО РАН (аналитики Л.Ю. Бойцова, Е.С. Петрова, О.В. Шепелева) и в Аналитическом сертификационном испытательном центре Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН. Содержание Th и U определялось масс-спектральным (Х-7, Thermo Elemental, США) методом анализа.

Все анализы были выполнены по аттестованным методикам с использованием стандартных образцов сравнения и с необходимыми процедурами внутреннего и внешнего аналитического контроля.

ОПИСАНИЕ РАЙОНА

Город Якутск располагается в среднем течении р. Лена, в широкой долине Туймаада и протягивается вдоль левого берега реки на 20 км. Якутск является крупнейшим и старейшим городом, расположенном в сплошной криолитозоне. По величине он является третьим городом в Дальневосточном федеральном округе после Владивостока и Хабаровска. Город интенсивно развивается, за последние годы численность населения возросла со 195 тыс. человек в 2000 г. до 331 тыс. человек в 2021 г.

Планировочная структура города радиально-кольцевая. Частая сетка улиц образует значительное количество небольших по площади кварталов (от 2 до 8 га). Проезжая часть улиц в основном приподнята. Характер застройки не ровный: на окраинах города – это преимущественно одно- и двухэтажные строения, в центральной части города – капитальная застройка каменными зданиями (от 4–5 до 9–16 этажей).

По классификации климатов (Григорьев, Будыко, 1959) Якутск находится в зоне действия климата недостаточно влажного (индекс сухости от 1.0 до 2.0), умеренно теплого (в летний период), с суровой малоснежной зимой. Преобладающими, в основные сезоны, являются континентальный воздух умеренных широт и арктический воздух. В районе города это ветра северного и северо-западного направления. Отличительной чертой ветрового режима является большая повторяемость штилей, особенно в декабре–феврале. Средняя скорость ветра в этот период составляет 0.8 м/с, при среднегодовых значениях – 2.4 м/с.

Среднегодовая температура воздуха за период непрерывных метеонаблюдений (1883–2020 гг.) варьирует в пределах от –7.2 до –12.1°С, среднегодовое количество осадков – 235 мм.

Мощность многолетнемерзлых пород на территории города 250–450 м, сезонноталого слоя (СТС) – 1.5–2.0 м

В городе насчитывается порядка 160 крупных предприятий, имеющих стационарные источники выбросов в атмосферу, и выбрасывающих ежегодно 11700 тонн загрязняющих веществ (Госдоклад, 2021). Стационарные источники выбросов преимущественно объекты теплоэнергетики: купные электростанции и многочисленные котельные, в основном работающие на газовом топливе, и предприятия стройиндустрии.

По данным ГИБДД Якутска, в 2018 г. в столице и пригородах зарегистрировано порядка 119 тысяч единиц автотранспорта, выбрасывающих в атмосферу около 34 тыс. т загрязнителей. Уровень загрязнения атмосферного воздуха г. Якутска оценивается как повышенный.

Геологическое строение района определяется его положением в зоне стыка двух крупных структур Сибирской платформы: Алданской антеклизы и Вилюйской синеклизы. В геохимическом отношении территория относится к Вилюйской лито-сидерофильной области с накоплением V, Ti, Mn, P, Sb, Sn, Li, Nb, U и Лено-Алданской халькофильной зоне с накоплением Se, Pb, Ag, Bi, Au (Геология …, 2002) относительно кларка земной коры. Геохимический состав компонентов зоны гипергенеза, которые могут быть источниками вещества привносимого в атмосферу приведен в табл. 1.

Аллювиальный комплекс голоцена представлен в нижней части разреза комплекса галечниками и песками, а в верхней состоит из песков, супесей и суглинков. В почвенном покрове на территории города доминируют урбаноземы и экраноземы различной мощности и характера образования.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

По данным анализа материала, собранного пылесборниками, ВВ в приземной летней атмосфере полидисперсны и представляют собой совокупность твердых частиц разного размера. Дисперсный состав ВВ в основном относится к собственно пыли: фракция PM_10–100 – около 70% (PM – аббревиатура “particulate matter”, цифра показывает содержание всех частиц диаметром 10–100 мкм). Для Th и U наблюдается преимущественное накопление в пылеватых фракциях, в комплексе с группой сидерофильных элементов – Ti, Mn, Co, Ni, Zn, Ga, Sr, Zr, Sn, La, W, поступающих в атмосферу в основном с минералами группы железа. В более дисперсных частицах РМ₁₀ концентрируются халькофильные – Cu, Cd, Pb, Sc, Y. Остаются инертными, присутствующими примерно в равных концентрациях в различных фракциях ВВ, литофильные породообразующие элементы – Be, V, Cr, Nb, Mo, Ag.

Поступление из атмосферы ВВ на почвенную поверхность в центральной части города в теплое время года составляет среднем 5 г/м² сут (медиана – 4.3) и колеблется от 1.6 до 9.5 в районах высокой транспортной нагрузки.

Минералогический состав основной массы “летних” ВВ (PM_10–100) в атмосфере города представлен в легкой фракции: кварцем и карбонатами (по 36%) и полевым шпатом (24%); в тяжелой: преимущественно амфиболами (49%), эпидотом и пироксенами (10–11%), ильменитом и гранатами (около 7%).

Более дисперсная “зимняя” пыль (PM₁₀) сложена в основном карбонатами (около 70%), углистыми соединениями (15%), включениями кварца и полевого шпата (10%) и ожелезненного растительного детрита (5%). Специфичными минеральными фазами ВВ коррелирующими с актиноидами, осевшими на почвенный покров в зоне техногенного воздействия, являются: для Th пироксены и амфиболы, для U карбонаты и амфиболы.

Наиболее высокие содержания в “зимней” пыли (нерастворимой фазе снега) характерны для комплекса тяжелых металлов, редких, редкоземельных и радиоактивных элементов: Li, Mg, Al, P, S, Ca, Ti, V, Cr, Fe, Cu, Zn, Zr, Mo, Sb, Hf, Pt, Hg, P, U. Максимальная техногенная трансформация в городской “зимней” пыли (коэффициент концентрации относительно фоновых содержаний, КК > 50) характерна для As, Na, V, Co, Ta и W.

Химический состав городских снеговых вод хлоридно-гидрокарбонатный, с резко возрастающей по сравнению с фоном ролью кальция и щелочностью. Техногенное воздействие городского хозяйства отражается на повышении концентрации в снежном покрове большинства химических компонентов: кальция, магния и натрия, аммония, сульфатов, карбонатов, хлоридов. Распределение химических компонентов в снежном покрове Якутска приведено в табл. 2.

По уровню техногенной трансформации аэрозольно-газовой составляющей зимних выпадений макрокомпоненты и актиноиды группируются от максимальных значений коэффициента концентрации относительно фона для Ca²⁺ = 12 до минимальных для К⁺ = 1.3 (U = 6.6; Th = 3.3):

Ca > NH₄ >SO₄ > U, Mg, Na, Cl > NO₂, Th > NO₃ > K.

Величина газово-аэрозольной нагрузки макроэлементов растворимой фазы снега колеблется в пределах от 0.n (Mg, S, K, Si, Al), n (Cl, N, Na) и 10n мг/(м² сут) для С и Са – основных компонентов зимних атмосферных выпадений. Величина нагрузки микроэлементов изменяется от 0.0n (F, Ba, P, Mn, Fe, Cu, Zn, Sr) до минимальных значений 0.00000n (Be, Ag, Tl, Th, Pt, Au) мг/(м² сут).

На долю макрокомпонентов и соединений азота приходится 90–95% от общего объема газово-аэрозольных продуктов выпадений. Соотношение макрокомпонентов по величине плотности выпадений в пересчете на элемент C > N > S, показывает преобладание углерода, на долю которого приходится около 72% общего объема зимних выпадений. По средней концентрации и плотности атмосферных выпадений Якутск можно назвать “углеродным” городом.

Как в летней, так и в зимней приземной атмосфере Якутска формируются техногенные геохимические аномалии тяжелых металлов, редких, рассеянных и радиоактивных элементов. Изученные актиноиды формируют обширные малоконтрастные ореолы в центральной части города – U или локальные точечные аномалии на его территории – Th (рис. 3).

Рис. 3.

Содержание актиноидов в растворимой фазе снежного покрова, мкг/л.

Среднее содержание актиноидов в компонентах атмосферы и литосферы в районе Якутска представлено в табл. 3.

Наблюдается равномерное понижение концентрации Th и U в системе почвы–ВВ летние–ВВ зимние–аэрозоли и газы. В почвах, летних и зимних ВВ преобладает Th, в водной фазе снега содержание U становится на порядок выше, чем Th.

Величина коэффициента аэрозольной аккумуляции показывает, что при формировании аэрозолей концентрация актиноидов в ВВ понижается на один математический порядок по сравнению с аллювиальными почвами Центральной Якутии. Как U, так и Th, являются элементами с отрицательной интенсивностью аэрозольного обогащения. Пониженная концентрация Th и U в континентальных аэрозолях района обусловлена составом исходного материала – преимущественно песков, поступающих в тропосферу в качестве аэрозольных частиц.

Основная масса актиноидов – около 90% выпадает из атмосферы в теплый период года. Ежесуточное поступление актиноидов из атмосферы в это время составляет в среднем Th = 0.233 мг/(м² сут), U = 0.084 мг/(м² сут) (отношение Th/U = 2.8) и достигает максимальных значений, соответственно, 0.934 и 0.274 мг/(м² сут).

На зимние твердые впадения ВВ (преимущественно фракция PM₁₀) приходится около 10% от общей массы поступления актиноидов из атмосферы на территорию города. Ежесуточное поступление актиноидов из атмосферы в холодный период на порядок ниже, чем летом для Th и на два порядка для U (отношение Th/U = 3.5) и составляет: Th = 0.028, U = 0.008 мг/(м² сут).

С аэрозольными и газовыми выпадениями – растворимая фаза снега из зимней атмосферы поступают минимальные объемы актиноидов: в среднем Th = 0.9 × 10^–7 и U = 8 × 10^–7 мг/(м² сут) (табл. 4).

В аэрозольно-газовых выпадениях концентрация U преобладает (отношение Th/U = 0.11) благодаря высокой миграционной способности этого элемента (Евсеева и др., 1974).

Общий объем атмосферного поступления актиноидов на территорию города оценивается цифрой около 63 мг/м² год, 2/3 которой составляет Th. На участках контрастных аномалий эта величина может возрастать более чем в три раза, достигая 217 мг/м² год, основная часть которой также представлена Th.

Суммарное выпадение актиноидов на территорию города составляет примерно n × 10^–3% от общего годового объема загрязняющих веществ поступающих из атмосферы.

В почвы и грунты сезонноталого слоя (СТС) бóльшая часть актиноидов поступает из атмосферы. Преимущественное поступление Th и U с пылевыми фракциями ВВ ограничивает их миграционную способность в основном поверхностью почв, в то время как присутствие этих металлов в растворимой фазе снежного покрова позволяет им, при таянии снега, проникать в более глубокие горизонты СТС, концентрируясь в надмерзлотных водах. Наблюдается взаимосвязь концентрации актиноидов в снежном покрове и в надмерзлотных водах СТС (рис. 4).

Рис. 4.

Концентрация актиноидов в надмерзлотных водах и снежном покрове.

Способствуют подвижности U в грунтах СТС и надмерзлотных водах слабощелочные значения рН (7.2–7.7) и определенная открытость грунтов, окислительно-восстановительный потенциал которых в СТС равен в среднем 419 мВ.

Уровень загрязнения зимней атмосферы практически на всей территории города по суммарному показателю загрязнения снежного покрова оценивается как низкий и умеренно опасный в зонах интенсивного движения транспорта и вблизи объектов энергетики, где содержание актиноидов превышает фоновые значения в 20–30 раз.

По сравнению с содержанием актиноидов в зимней атмосфере (в растворимой фазе снежного покрова) ряда городов Восточной Сибири и Монголии (Благовещенск, Братск, Иркутск, Улан-Батор), для Якутска характерны значительно меньшие показатели (табл. 5).

Рассматриваемые населенные пункты расположены в восточной части страны, которая считается неблагоприятной для рассеивания вредных примесей. Во всех них, кроме Якутска, находятся крупные промышленные предприятия. Это города с высоким и очень высоким уровнем загрязнения атмосферного воздуха (Госдоклад, 2019). Несмотря на неблагополучные природные факторы: геоморфологические – расположение города в котловине и климатические – направления ветров, температурная инверсия и длительные штили в зимний период, атмосфера Якутска менее насыщена актиноидами. Этому способствуют геологические условия – средние содержания Th и U в литогенной составляющей зоны гипергенеза и низкая техногенная нагрузка в зимний период, которая обеспечивается в основном автотранспортом, энергетические же предприятия работают на газе. Уровень накопления актиноидов в снежном покрове Якутска близок к показателям северной части озера Байкал, которая считается фоновым районом наименее затронутым техногенным воздействием (Ветров, Кузнецова, 1997). Уровень концентрации актиноидов в снежном покрове Якутска может рассматриваться как фоновый для крупного региона Восточной Сибири–Центральной Якутии, искаженный слабым техногенным воздействием городской инфраструктуры Якутска.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На территории города было проведено геохимическое изучение ВВ в летней и зимней (растворимой и твердой фазах снежного покрова) приземной атмосфере.

Установлено, что в приземной атмосфере Якутска формируются техногенные геохимические аномалии тяжелых металлов, редких и радиоактивных элементов. Изученные актиноиды формируют обширные малоконтрастные ореолы в центральной части города (U) и локальные точечные аномалии на его территории (Th).

ВВ в приземной летней атмосфере полидисперсны и представляют собой совокупность твердых частиц разного размера. В летней атмосфере Th и U концентрируются преимущественное в пылевой фракции ВВ (РМ_10–100), в комплексе с группой сидерофильных элементов. Зимние ВВ более однородны по размерам частиц и в основном представлены фракцией PM₁₀.

Специфичными минеральными фазами ВВ коррелирующими с актиноидами, осевшими на почвенный покров в зоне техногенного воздействия, являются: для Th пироксены и амфиболы, для U карбонаты и амфиболы.

Концентрация Th и U равномерно понижается в системе: почвы–ВВ летние–ВВ зимние (снег)–аэрозоли и газы (снег). В почвах, летних и зимних ВВ преобладает Th, в аэрозольно-газовой составляющей, содержание U, благодаря высокой миграционной способности, становится на порядок выше, чем Th.

Основная масса актиноидов – около 90% выпадает из атмосферы в теплый период. На зимние твердые впадения ВВ приходится около 10% от общей массы поступления актиноидов из атмосферы на территорию города. С аэрозольными и газовыми выпадениями из зимней атмосферы на поверхность поступают минимальные объемы Th и U.

Общий объем атмосферного поступления актиноидов на территорию города составляет около 63 мг/м² год, 2/3 которого приходится на Th. На участках контрастных аномалий эта величина может возрастать до 200 мг/м² год, основная часть которой также представлена Th.

Основными источниками поступления актинидов в приземную атмосферу Якутска являются пыление с поверхности почв и выбросы автотранспорта. В меньшей степени – выбросы объектов энергетики и стройиндустрии.

Поступление Th и U из атмосферы в миграционных аэрозольно-газовых формах (в растворимой фазе снежного покрова) позволяет актиноидам при таянии снега, проникать в поверхностные горизонты СТС, концентрируясь в надмерзлотных водах.

Уровень загрязнения зимней атмосферы практически на всей территории города по суммарному показателю загрязнения снежного покрова оценивается как низкий и умеренно опасный в зонах интенсивного движения транспорта и вблизи объектов энергетики.

Уровень концентрации актиноидов в снежном покрове Якутска может рассматриваться как фоновый для Центральной Якутии, искаженный слабым техногенным воздействием городской инфраструктуры Якутска.