Объекты исследования

Изучение влияния внутренних и внешних факторов на изменения региональных геоэкологических систем Восточной Сибири, прогноз геоэкологических последствий антропогенного воздействия на окружающую среду Байкальского региона, разработка методов обнаружения и геохимической идентификации зон экологических катастроф.

Объектами исследования являются компоненты окружающей среды Байкальского региона – коренные породы, почвы, донные осадки, поверхностная вода, снег, дождевая вода, атмосферный воздух, биота и др. Объекты исследований расположены в различных местах Иркутской области и Республики Бурятия (рис. 1).

Рис. 1.

На основе анализа информационной геохимической базы данных «Региональная геохимия окружающей среды (Байкальский регион)» и опубликованной информации разработана схема систематизации приоритетных ресурсных, энзимных и токсичных химических элементов Байкальского региона. Для большинства из них получены оценки параметров распределения и регионального фона в основных компонентах окружающей среды (коренные породы, почвы, донные осадки, вода, снег).

Река Ангара является единственным поверхностным стоком озера Байкал, соответственно можно полагать, что вода истока Ангары отражает средний химический состав воды озера Байкал или его южной части. Озеро Байкал объявлено ЮНЕСКО объектом мирового наследия и проводимые нами мониторинговые исследования очень важны в связи с возрастающим антропогенным воздействием на экосистему Байкала в период техногенеза. Цель нашей работы: оценить и сравнить происходящие за последние 60 лет изменения макрокомпонентного и за последние 7 лет микрокомпонентного состава воды истока реки Ангары.

С 1997 г. в Институте геохимии СО РАН П.В. Ковалем были начаты мониторинговые наблюдения за составом воды в истоке реки Ангары (Коваль и др., 2003, 2005), которые продолжаются и в настоящее время. Проведенные систематические наблюдения свидетельствуют о несущественных изменениях ионного состава воды истока реки Ангары, в основном связанных с сезоном года, с природными катаклизмами (землетрясения, ураганы) и с изменениями уровня Байкала. Влияние антропогенного воздействия на макросостав воды в настоящее время не установлено, что объясняется буферирующей ролью самого Байкала (Глазунов, 1963; Грачев, 2002). При этом И.В. Глазунов считал, что «время средней сменяемости его воды около 400 лет» (Глазунов, 1963, стр. 68).

Начиная с 1996 г. проводятся ежегодные мониторинговые биогеохимические исследования основных компонентов окружающей среды экосистем Иркутского, Братского, Усть-Илимского водохранилищ (поверхностные и поровые воды, донные отложения, атмосферный воздух, сообщества микроорганизмов, фито- зоопланктон, водные растения, бентос, ихтиофауна и др.).

Начаты исследования по распределению йода в различных водоисточниках Прибайкалья. Объектами исследования являются поверхностные (реки, озера) и подземные (родники, колодцы, скважины) воды питьевого и сельскохозяйственного назначения. Изученные подземные воды представлены родниками, водой из колодцев и скважин различной глубины. Концентрация йода в исследованных водоисточниках варьирует в широких пределах. Наибольшие содержания отмечены для скважин в п. Тургеневка (расположен по трассе п. Баяндай – залив Мухор) и в п. Бурдугуз (Байкальский тракт). Самые низкие содержания йода наблюдаются в родниковых водах. Полученные данные по распределению йода в поверхностных и подземных водах свидетельствуют о том, что Байкальский регион на большей части территории является йододефицитным.

Для оценки степени техногенного загрязнения на территории Прибайкалья с 1992 г. проводится ежегодная снегогеохимическая съемка с детальным опробованием промышленных центров (г.г. Иркутск, Шелехов, Усолье-Сибирское, Ангарск, Байкальск, Слюдянка, Черемхово, Зима, Саянск, Свирск) и таких участков, как залив Мандархан (в районе западной части оз. Байкал), пос. Листвянка, Залари, Кутулик, Бол. Луг, Бол. Голоустное.

Сотрудники лаборатории проводят специализированные геоэкологические исследования в составе проектов инженерно-экологических изысканий (ИЭИ) и мониторинга совместно с ООО «ФРЭКОМ», Москва:

- мониторинг ртутного загрязнения Братского водохранилища;
- ИЭИ площади ООО «Усольехимпром» и прилегающих территорий;
- ИЭИ и экологический мониторинг строительства газопровода КГКМ-Жигалово;
- ИЭИ трассы конденсатопровода КГКМ-пос.Окунайский;
- ИЭИ трассы нефтепровода ВЧНГКМ-ВСТО;
- ИЭИ территории ВЧНГКМ;
- ИЭИ, мониторинг Левобережного и Ангаро-Ленского газоконденсатных месторождений;
- фоновые оценки, мониторинг Могдинского, Преображенского, Даниловского, Восточно-Сугдинского, Умоткинского, Западно-Чонского, Верхне-Ичерского лицензионных участков.

Изучение влияния геологических факторов на состояние окружающей среды и климата планеты, получение высокоразрешающих осадочных палеоклиматических записей и реконструкция палеоклимата Восточной Сибири и Северной Монголии в позднем кайнозое, прогноз региональных климатических изменений.

Объектами исследования являются донные отложения крупных и малых озер континентальной Азии, несущие важнейшую информацию о палеоэкологической и палеоклиматической эволюции природных систем и являющиеся основой для создания моделей ретроспективных геологических, палеоэкологических, палеоклиматических сценариев для реконструкции палеоэкологических условий в позднем квартере:

1. оз. Байкал – крупнейшее озеро Центральной Азии;

2. оз. Хубсугул (север Монголии) - второе по величине пресное озеро в Центральной Азии;

3. оз. Котокель, расположенное в непосредственной близости от восточного берега оз. Байкал;

4. оз. Хара-Нур в горной системе центральной части Восточного Саяна, находящееся в районе крупнейшего проявления голоценовых извержений в Центральной Азии;

5. оз. Баунт, расположенное на севере Бурятии, в Баунтовском эвенкийском районе, в зоне сплошной многолетней мерзлоты, второе по общей площади водосбора (10300 кв.км) после Байкала в Бурятии.

Прикладные исследования, выполняемые в рамках НИР, основанные на построении физико-химических моделей реальных геохимических и технологических процессов:

– произведена оценка основных параметров формирования различных минеральных ассоциаций метаморфических пород Охотского, Чогарского комплексов и Ларбинской глыбы, метаморфизованных в условиях гранулитовой фации, и определены ТР-условия образования переслаивающихся пачек вулканогенно-осадочных пород иликанской серии станового метаморфического комплекса в центральной части Джугджуро-Станового блока, метаморфизованных в условиях амфиболитовой фации (рис. 2);

Рис. 2. Переслаивание гранатовых амфиболитов с биотит-амфиболовыми гнейсами в обнажении метаморфических пород правобережья р. Гилюй. Gr – гранат, Hb – амфибол , Pl – плагиоклаз, Bi – биотит, Q – кварц.

– изучена специфика особенностей взаимодействия органического вещества с природными водами. Динамические равновесия, устанавливающиеся в системе органическое вещество – вода, далеко не всегда определяются исключительно химическими процессами. Невозможно исключить из физико-химической модели такие процессы как испарение, биотрансформацию и седиментацию органики, механическую миграцию эмульсий и продуктов их преобразования и распада. Следовательно, термодинамическая система органическое вещество – вода должна быть подразделена на неравновесно взаимодействующие системы – резервуары. Количество таких резервуаров, их размеры, фазовый и компонентный состав определяются геолого-геохимическими, экологическими и другими особенностями моделируемых систем. В рамках данного подхода нами разработана методика и построена термодинамическая модель изучения изменений химического состава озерных и речных вод под воздействием естественных антропогенных факторов (рис. 3). Выполнено исследование изменения состава водных экосистем на примере озера Большой Вудъявр (Кольский полуостров) под воздействием стоков горнопромышленного производства. Результаты имеют практическое и методическое значение для прогнозирования долговременных антропогенных воздействий на водные экосистемы Сибири и Субарктики.

Рис. 3. Схема динамической модели экологического мониторинга химического состава природных водоемов под воздействием внешних антропогенных факторов (числа у стрелок показывают, какая часть подвижных фаз переходит из резервуара в резервуар за один временной интервал).

– предложенная модель взаимодействия «шлам – оборотные воды» Ачинского глиноземного комбината позволила оценить физико-химические условия процесса, которые проявляются, прежде всего, в увеличении минерализации водного раствора, образовании карбоалюмината кальция и перекристаллизации двухкальциевого силиката в тоберморит (рис. 4). В условиях шламоотвала переход двухкальциевого силиката в тоберморит происходит с частицами шлама крупностью менее 0.1 мм, находящихся длительное время в глубоких горизонтах шламохранилища (W < 20 %). Рентгенно-структурный анализ показал, что в шламохранилище гидратированно от 2 до 8 % шлама. Невысокая степень преобразования исходного материала снижает его способность к цементации. Характер физико-химических процессов, протекающих в шламохранилище, показывает, что цементацию шлама можно интенсифицировать за счет введения в шламовую пульпу специальных минерализаторов – кольматантов, т. к. образование карбонатов и карбоалюминатов или клинкерного минерала тоберморита определяется, главным образом, содержанием кремнезема в растворе. Как показывают результаты термодинамического моделирования, наибольшего эффекта можно достичь, используя тонкодисперсный, высокореакционный SiO2;

Рис. 4. Эволюция минерального состава белитового шлама в закрытых по отношению к атмосфере условиях при взаимодействии с подшламовыми водами в процессе транспортировки (I), складирования (II) и нахождения в глубоких горизонтах шламоотстойника (III).

– на основе исследованной системы комплексной утилизации твердых и жидких отходов глиноземного производства была разработана компьютерная модель, реконструирующая основные закономерности физико-химических превращений белитового шлама и техногенных растворов в условиях действующих шламохранилищ (рис. 5). Анализ процессов, протекающих в шламохранилище, показывает, что полимеризацию частиц можно интенсифицировать за счет введения в шламовую пульпу специальных минерализаторов – кольматантов. Физико-химическая модель системы «оборотные воды – белитовый шлам – кольматант» позволяет подобрать оптимальные условия, способствующие образованию цементоподобных структур, существенно повышающих противофильтрационные свойства складируемого шлама. Предложенные физико-химические способы модификации белитового шлама позволяют сократить удельный расход модульных добавок (известняка и соды), повысить степень извлечения ценных компонентов из сырья, улучшить систему водооборота, снизить нагрузку складируемого шлама на гидротехнические и природоохранные объекты.

Рис. 5. Схема потоков (тыс. т/мес.) в шламоотстойнике ОАО «АГК».

– предложен метод, позволяющий сократить время и затраты на химико-аналитическое исследование свойств электролита алюминиевых ванн без которых не возможно стабильное ведение процесса электролиза. Показана возможность определения форм существования элементов криолитового расплава, образующихся на стадии плавления и испарения криолита (рис. 6). Сформированная резервуарно-динамическая физико-химическая модель позволила точно определить: формы существования элементов в расплаве и определить влияние температур на устойчивость этих форм; разницу между поступающим и реально анализируемым материалом, что в дальнейшем позволит: повысить эффективность аналитических исследований за счет подбора условий проведения эксперимента, учесть особенности самого образца электролита и правильно реконструировать его состав и свойства; оптимизировать процесс анализа и разработать пути улучшения технико-экономических показателей электролитического производства алюминия.

Рис. 6.  Модель конденсированной и газовой фаз электролита в зависимости от температуры и криолитового отношения (КО).