Рус Eng За 365 дней одобрено статей: 2395,   статей на доработке: 294 отклонено статей: 880 
Библиотека
Статьи и журналы | Тарифы | Оплата | Ваш профиль


Тяжелые металлы в ледниках Полярного Урала и Кавказа
Чижова Юлия Николаевна

кандидат географических наук

старший научный сотрудник, Институт геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии Российской академии наук (ИГЕМ РАН)

109017, Россия, г. Москва, пер. Старомонетный, 35, оф. 102

Chizhova Yuliya Nikolaevna

PhD in Geography

Senior Research Fellow at Moscow State University

109017, Russia, g. Moscow, ul. Staromonetnyi Per., 35, of. 102

eacentr@yandex.ru
Буданцева Надежда Аркадьевна

кандидат географических наук

старший научный сотрудник, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова (МГУ)

119234, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1, оф. 2020

Budantseva Nadezhda Arkad'evna

PhD in Geography

Senior Research Fellow at Moscow State University 

119234, Russia, Moscow, ul. Leninskie Gory, 1, of. 2020

nadin.budanceva@mail.ru
Васильчук Юрий Кириллович

доктор геолого-минералогических наук

профессор, МГУ имени М.В.Ломоносова

119234, Россия, г. Москва, ул. Ленинские Горы, 1

Vasil'chuk Yurii Kirillovich

Doctor of Geology and Mineralogy

Professor at Moscow State University 

119234, Russia, Moscow, ul. Leninskie Gory, 1

vasilch_geo@mail.ru
Аннотация. В настоящей работе рассмотрено содержание тяжелых металлов в снежном покрове и ледниковом льду на Полярном Урале и в Приэльбрусье (Центральный Кавказ). Для определения фонового гидрохимического состояния снежного покрова района Полярного Урала в 1999 г. авторами были изучены три снежника, разно удаленные от поселка – у пос. Полярный, в 2,5 км и в 5 км от него, зимой 2003 г. у пос. Полярный нами было исследовано строение снежной толщи в шурфе. В 2000 г. был изучен небольшой присклоновый ледник (ледник №1) на склоне хр. Малый Пайпудынский, располагающийся в невыработанном каре на склоне южной экспозиции. На Центральном Кавказе исследования выполнялись на леднике Гарабаши Южного склона Эльбруса и прилегающем склоне, была опробована снежная толща в течение летних и зимних сезонов: летом 1998 г., в январе 2001 г. и в июне 2001 г. Также был опробован ледниковый лед ледника Большой Азау. В образцах выполнены аналитические определения микроэлементного состава (содержание Fe, Zn, Cu, Mn) методом атомно-абсорбционной спектроскопии в Почвенном институте им. В.В.Докучаева. Концентрации микроэлементов в снеге и ледниковом льду Полярного Урала малы, в среднем составляя от 0,005 до 0,02 мг/л, среди измеренных Fe, Zn, Cu, Mn наибольшие концентрации характерны для Mn (до 0,05 мг/л). Отмечено незначительное увеличение концентраций тяжелых металлов в ряду зимний снег – летний снег – ледниковый лед. Зависимости концентрации тяжелых металлов от морфологического вида льда не обнаружено. Для снежного покрова и ледникового льда Гарабаши и прилегающего склона также просматривается некоторая тенденция увеличения концентраций в ряду зимний снег – летний поверхностный снег – инфильтрационный лед. Основными микроэлементами в снеге и льду ледника Гарабаши на Кавказе являются цинк и железо, концентрации которых варьируют от менее 0,02 до 0,6 мг/л (железо в инфильтрационном льду) и от 0,01 до 0,22 во льду, т.е. максимальное содержание тяжелых металлов приурочено к горизонтам инфильтрационного льда. В сезонном зимнем и летнем снеге концентрации практически всех измеренных элементов варьируют от менее 0,01 до 0,03 мг/л. Во льду ледника Большой Азау в Приэльбрусье концентрации тяжелых металлов крайне малы (менее 0,005 мг/л).
Ключевые слова: загрязнение, антропогенное, сезонность, Кавказ, Полярный Урал, ледники, лед, снег, Тяжелые металлы, фоновые районы
DOI: 10.7256/2453-8922.2017.1.22320
Дата направления в редакцию: 15-03-2017

Дата публикации: 02-04-2017

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, гранты № 16-05-00977 и 17-05-00793.

Abstract. The authors of the present work consider heavy metals content in the snow cover and glacial ice of the Polar Urals and the vicinity of the Mt. Elbrus region (Central Caucasus). In order to define the background hydrochemical constitution of the snow cover of the Polar Ural region in 1999, the authors study three snowfields, near the Polar Ural village, 2.5 km and 5 km from it; in the winter of 2003 near the Polarny settlement the authors explored the structure of the snow layer in the trial pit. In 2000, a small glacier (Glacier No.1) located in the on the slope of the southern aspect, was studied on the slope of the Small Paipudynsky ridge. In the Central Caucasus, studies were carried out on the glacier of Garabashi in the southern slope of Elbrus, the snow layers were studied during the summer and winter seasons: in the summer of 1998, in January 2001 and in June 2001. Glacier ice of the Greater Azau glacier was also studied. Analytic measurements of the trace elements content (Fe, Zn, Cu, Mn) were performed by atomic absorption spectroscopy at the V.V.Dokuchaev Soil Science Institute. The concentrations of trace elements in snow and glacial ice of the Polar Urals are small, averaging 0.005 to 0.02 mg / l, among the measured Fe, Zn, Cu, Mn, the highest concentrations are typical for Mn (up to 0.05 mg / l). An insignificant increase in the concentrations of heavy metals in the winter snow-summer snow-glacial ice series was noted. Dependences of the concentration of heavy metals on the morphological species of ice were not detected. For the snow cover and the glacial ice of Garabashi glacier and the adjacent slope there is also a certain tendency of increasing concentrations in the winter snow series to summer surface snow and to infiltration ice. The main minor elements in the snow and ice of the Garabashi glacier in the Caucasus are zinc and iron, the concentrations of which range from less than 0.02 to 0.6 mg / l (iron in infiltration ice) and from 0.01 to 0.22 in ice. The maximum content of heavy metals is confined to the horizons of infiltration ice. In seasonal winter and summer snow, the concentrations of almost all measured trace elements range from less than 0.01 to 0.03 mg / l. In the ice of the Big Azau glacier in the Elbrus region, the concentrations of trace elements are extremely low (less than 0.005 mg / l).

Keywords: pollution, Anthropogenic, Seasonality, Caucasus, The Polar Urals, glaciers, ice, snow, heavy metals, reference areas

Введение

Металлы в очень высокой степени вовлечены в антропогенную деятельность, они отличаются высокой технофильностью, особое значение приобрело загрязнение биосферы группой так называемых тяжелых металлов (ТМ). К ним относят более 40 химических элементов с атомными массами свыше 50 а.е.м. Хотя термин «тяжелые металлы» неудачен, он прочно вошел в экологическую литературу [1]. Перечень тяжелых металлов во многом совпадает с перечнем микроэлементов – характерных для растительных и живых организмов, содержание которых измеряется величинами порядка 10-2 – 10-5%. К числу тяжелых металлов относят хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, кадмий, олово и др. Приземный слой атмосферы, наряду с преобладающими в его составе газами, содержит также некоторое количество взвешенных твердых и жидких частиц, т.е. представляет собой аэрозоль. Несмотря на масштабность поступления в атмосферу частиц техногенной природы, принято считать, что в целом на антропогенную составляющую приходится не более 10%, а остальное составляют аэрозольные частицы естественного происхождения. Источником химических примесей в снежном покрове является аэрозоль, химический состав которого формируется океаном, континентальной корой выветривания, вулканическими извержениями, внеземным пространством и антропогенной деятельностью. Содержание химических примесей в атмосфере изменяется по сезонам, летом атмосфера более насыщена аэрозолями. Находящиеся в тропосфере аэрозольные частицы удаляются из нее либо под действием силы тяжести – сухое осаждение аэрозолей, либо с атмосферными осадками – мокрое выпадение аэрозолей. Снежный покров в высокогорье является своего рода планшетом, на котором фиксируется как мокрое выпадение, так и сухое осаждение аэрозолей. Так, для снежного покрова ледника Гарабаши в весенние и летние месяцы на больших высотах отмечалась значительная роль сухого осаждения аэрозолей [2].

Снежный покров представляет собой некоторую интегральную характеристику, не только отражая вклад всех источников химических примесей и типов аэрозолей, но и аккумулируя химические примеси во времени.

Однако, хорошо известно, что снежный покров не является статичным, как в течение летних месяцев, так и зимних и испытывает ряд метаморфических изменений вследствие циклов таяние-замерзание, просачивания талых вод, движения водяного пара и роста кристаллов. Эти процессы влияют не только на физические и структурные свойства снежного покрова, но и на распределение химических компонентов. Просачивание талых вод вымывает примеси в нижние части снежного покрова [3, 4], замерзание воды выдавливает примеси из талых вод в последние порции замерзающей жидкости, водяной пар теряет концентрированные примеси и рост кристаллов выдавливает примеси из внутрикристаллического пространства на поверхности кристаллов, что приводит к высокой концентрации ионов в начальных порциях талых весенних вод [5].

Помимо сезонности в выпадении аэрозолей и формирования химического состава атмосферных осадков, важную роль играет географическое положение изучаемого объекта относительно основных глобальных и локальных источников химических примесей, а также основных циркуляционных потоков (на глобальном уровне) и местных синоптических ситуаций (на локальном уровне).

Говоря о механизмах миграции химических элементов в атмосфере в форме аэрозольных частиц, важно выяснить, каково количественное соотношение их водорастворимых и нерастворимых форм. Очевидно, в первом случае химические элементы при соприкосновении с атмосферной водой (конденсированными водными оболочками твердых аэрозольных частиц, каплями дождя) могут растворяться и выпадать на землю с жидкими осадками или снегом в растворенном состоянии, во втором – вымываться из атмосферы в форме аэрозольных твердых частиц.

Изучение этого соотношения [6] показало, что в атмосферных осадках над континентами оно приблизительно имеет вид 1:1, т.е. в среднем для всех химических элементов характерно примерно равное значение водорастворимых и нерастворимых форм нахождения в атмосферных аэрозолях и примерно равное поступление их различных форм с атмосферными осадками. Естественно, для различных химических элементов оно может достаточно широко варьировать: например, от 80% водорастворимой меди до 60% нерастворимого свинца.

Соотношение растворимых и взвешенных форм нахождения химических элементов в атмосферных выпадениях различно для незагрязненных промышленными выбросами (фоновых) территорий и загрязненных районов. Этот вопрос специально изучался геохимиками ИМГРЭ, показавшими, что на фоновых территориях для всех трех показанных химических элементов абсолютно преобладают растворимые формы, а вблизи завода цветных металлов для Сu и Pb – взвешенные, а для Cd, как и на фоновом участке, – растворимые. В пригородной зоне на удалении 10 км от завода цветных металлов только для Сu отмечается заметное в сравнении с промышленной площадкой увеличение растворимых форм нахождения. На расстоянии 50 км в атмосферных осадках преобладают растворимые формы свинца, кадмия и меди (доля растворимых форм от 70 до 90% [6].

В настоящей работе рассмотрено содержание тяжелых металлов в снежном покрове и ледниковом льду на Полярном Урале и в Приэльбрусье (Центральный Кавказ), оба этих района можно считать фоновыми.

Первые сведения об ионном составе снега и льда Эльбруса были получены в 1959-60 гг. В.Л.Блиновой, также в начале 60-х годов на ледниках южного склона Эльбруса проводил исследования А.А.Матвеев. Исследования ИГАН начались в 1988 г. бурением глубокой скважины до ложа (76 м) в центральной части области питания ледника Гарабаши, на высоте 3950 м. В керне были определены значения рН и концентрации нерастворимых микровключений [7]. Эти определения продолжили геохимические исследования 1990, 1993, 1994 и последующих годов [8, 9, 10 и др.].

На Полярном Урале исследования химического состава носили эпизодический характер, наиболее детальные работы были выполнены в бассейне р.Большая Хадата [11] и на леднике Обручева [12].

Районы исследований и методика отбора образцов

Для определения фонового гидрохимического состояния снежного покрова района Полярного Урала в 1999 г. авторами были изучены три снежника, разно удаленные от поселка – у пос. Полярный, в 2,5 км и в 5 км от него. Зимой 2003 г. у пос. Полярный нами было исследовано строение снежной толщи в том же месте, в котором в 1999 г. был заложен шурф №1. При изучении снежников учитывалось местоположение основного локального источника загрязнения - котельной поселка, влияние которой представлялось нам значительным. Отбор проб проводился в шурфах, где внешняя стенка зачищалась лопатой, затем изучалось строение толщи снега и из каждого дополнительно зачищенного снежного горизонта отбирался руками в одноразовых полиэтиленовых перчатках образец снега в полиэтиленовый контейнер. Образец растапливался и переливался в стерильный контейнер. До момента анализа образцы хранились в холодильных камерах. В 2000 г. нами был изучен небольшой присклоновый ледник (ледник №1) на склоне хр. Малый Пайпудынский, располагающийся в невыработанном каре на склоне южной (восточной) экспозиции (рис. 1).

N_Ju_polar_Ural.jpg

Рис. 1. Малые ледники на Полярном Урале. Фото Ю.Васильчука

В 700 м восточнее ледника №1 расположен ледник №2. Размеры его около 30 м в длину и 10 в ширину, расположен на склоне северной экспозиции, ниже ледника №1 по абсолютной высоте на 50 м, ледник №2 присклоновый, по поверхности стекают несколько ручьев, видны также борозды таяния, талые воды ледника собираются в ручье долины.

Образцы отбирались из шурфов, вырубленных во льду, стенки которых зачищались. Образцы льда также дополнительно очищались, отбирались руками в одноразовых полиэтиленовых перчатках, помещались в тройные полиэтиленовые пакеты, растапливались при комнатной температуре, а затем переливались в стерильные контейнеры.

На Кавказе исследования выполнялись в течение нескольких сезонов – летом 1998 г, в январе и мае 2001 г. В ходе работ выполнялся отбор образцов снега и поверхностного льда на разных высотах на леднике Гарабаши Южного склона Эльбруса (рис. 2) и на меньших высотах на прилегающем склоне. Снежный покров отбирался как с поверхности по высотному транссекту, так и послойно в снежных шурфах.

Рис. 2. Ледник Гарабаши в Приэльбрусье

В образцах выполнены аналитические определения микроэлементного состава методом атомно-абсорбционной спектроскопии в Почвенном институте им. В.В.Докучаева.

Результаты и обсуждение

Полярный Урал

Полученные результаты анализа образцов методом атомной абсорбции говорят о том, что абсолютные величины содержания микроэлементов в снеге Полярного Урала малы как в летний, так и в зимний сезоны, а суммарное содержание тяжелых металлов в двух удаленных от поселка снежниках не ниже, чем в поселке (снежники 1, 2 и 3 на рис. 3, табл. 1). Эффект загрязнения снежного покрова микроэлементами в результате выбросов техногенного происхождения можно усмотреть лишь в пике содержания марганца на поверхности снежника 1, но содержание марганца в двух других снежниках также велико и четкого эффекта не наблюдается. Это в полной мере подтверждает полученные ранее выводы о незначительном антропогенном загрязнении Арктики.

Приведенные значения концентрации микроэлементов можно считать фоновыми и использовать эти значения при дальнейших исследованиях для сравнения. Территория Полярного Урала не испытывает сильного техногенного прессинга и единственный близлежащий крупный индустриальный центр – г. Воркута (расположенный примерно в 80 км от района исследования), не оказывает существенного влияния на экологию гор (с точки зрения загрязнения тяжелыми металлами).

Авторы исследовали распределение микроэлементов по глубине внутри снежных толщ (см. рис. 3). Увеличенное содержание металлов в верхних слоях толщи, возможно, характеризует весеннее накопление, когда атмосфера насыщена аэрозолями и весенние снегопады захватывают большее количество микроэлементов, чем зимние.

Зимой 2003 г. у пос. Полярный авторами исследовано строение снежной толщи в шурфе. В строении снежной толщи выделяются горизонты: на глубине 0–0,03 м – поверхностный снег, белый, мелкозернистый, уплотненный ветром с небольшими ветровыми барханами на поверхности в момент продолжающегося снегопада; на глубине 0,03 – 0,12 м – снег белый, рыхлый, немного слоистый (горизонтально); 0,12 – 0,27 м – ветровая доска, снег уплотненный, белый, мелкозернистый, при нарушении целостности горизонта становится более рыхлым; 0,27 – 1,25 м – снег белый, достаточно рыхлый, мелкозернистый, при вскрытии горизонта сразу уплотняется и становится похож на снег из предыдущего горизонта; 1,25 – 1,50 м – снег белый рыхлый, среднезернистый, рассыпчатый, метаморфизованный, при нарушении целостности горизонта не меняет своих свойств. Содержание микроэлементов в зимнем снежном покрове невелико, за исключением стронция, концентрации которого значительны и достигают 0,2 мг/л (табл. 1)

Таблица 1. Содержание микроэлементов и тяжелых металлов в зимнем снеге Полярного Урала (шурф у пос. Полярный, декабрь 2003 г.)

Номер образца

Концентрация микроэлементов, мг/л

Fe

Zn

Cu

Mn

Sr

396-YuV/10

<0,02

0,05

<0,005

<0,005

0,15

396-YuV/11

<0,02

<0,005

<0,005

<0,005

0,20

396-YuV/12

<0,02

<0,005

<0,005

<0,005

<0,05

396-YuV/13

<0,02

<0,005

<0,005

0,006

<0,05

396-YuV/14

<0,02

<0,005

<0,005

0,01

<0,05

396-YuV/15

<0,02

<0,005

<0,005

<0,005

<0,05

396-YuV/16

<0,02

<0,005

<0,005

0,014

<0,05

396-YuV/17

<0,02

<0,005

<0,005

0,009

0,1

Интересно, что концентрации натрия в зимнем снеге чрезвычайно малы и составляют тот порядок величин, что и содержание микроэлементов. Стронция же содержится в снеге больше в двух верхних горизонтах рыхлого мелкозернистого снега и в нижнем горизонте среднезернистого метаморфизованного снега. Подобные концентрации Sr, превышающие 0,1 мг/л весьма необычны для снега, однако, в весеннем снеге 1999 г. также было отмечено его повышенное содержание (0,11 мг/л).

В 2000 г. авторами был изучен небольшой присклоновый ледник (ледник №1) на склоне хр. Малый Пайпудынский, располагающийся в невыработанном каре на склоне южной (восточной) экспозиции. В 700 м восточнее ледника №1 расположен ледник №2. Размеры его около 30 м в длину и 10 в ширину, расположен на склоне северной экспозиции, ниже ледника №1 по абсолютной высоте на 50 м, ледник №2 присклоновый, по поверхности стекают несколько ручьев, видны также борозды таяния, талые воды ледника собираются в ручье долины.

Образцы отбирались из шурфов, вырубленных во льду, стенки которых зачищались. Образцы льда также дополнительно очищались, отбирались руками в одноразовых полиэтиленовых перчатках, помещались в тройные полиэтиленовые пакеты, растапливались при комнатной температуре, а затем переливались в стерильные контейнеры.

Представленные данные анализа говорят о содержании в ледниковом льду Полярного Урала вполне ощутимых концентраций микроэлементов, которые варьируют от горизонта к горизонту. Наименьшая концентрация железа 0,0005 мг/л отмечена для серовато-бурого льда на глубине 50-60 см ледника №1, наибольшая концентрация железа 0,035 мг/л – там же на глубине 40-50 см. Содержание железа в ледниковом льду примерно в 2 раза выше, чем в снеге 1999 г.

Минимальное значение концентрации цинка 0,004 мг/л характерно для талой воды ручья на поверхности ледника №1, максимальная концентрация 0,039 мг/л отмечена для серовато-белого льда на глубине 10-15 см ледника №2. Сравнивая содержание Zn в ледниковом льду с таковым в снеге 1999 г., можно увидеть увеличение концентрации во льду примерно в 2 раза по сравнению со снегом.

Наименьшая концентрация меди, равная 0,0004 мг/л, характерна для льда на глубине 15-20 см ледника №1, наибольшая – 0,017 мг/л для льда на глубине 10-15 см ледника №2. Концентрация Cu во льду ледников №1 и №2 составляет те же величины, что и в снеге.

Содержание марганца варьирует от 0,0035 мг/л во льду ледника №1 до 0,054 мг/л во льду на глубине 70-80 см этого же ледника. Можно заметить, что содержание марганца в ледниковом льду или сопоставимо с содержанием его в снеге 1999 г., или превышает его в 2 раза.

_

Рис. 3. Распределение концентраций микроэлементов в снежной толще Полярного Урала, июнь 1999 года: а) у пос. Полярный, снежник №1, б) в 2,4 км от поселка – снежник №2, в) в 5 км от поселка – снежник №3, г) в ледниковом льду ледничка №1

Распределение концентрации элементов в ледниковом льду почти не связано с типом льда. Для льда ледничка №2 получены практически те же значения содержания металлов, что и для ледничка №1, поэтому мы объединили разные морфологические типы льда обоих ледничков на рис. 4. Мы рассмотрели содержание Fe, Zn, Cu, Mn в белом льду (1), в темном загрязненном льду (2), во льду, промоченном водой (3) и в серо-голубом льду (4 на рис. 4).

Рис. 4. Концентрации и диапазон концентраций ТМ в белом ледниковом (1), в темном загрязненном льду (2), во льду, промоченном водой (3) и серо-голубом ледниковом льду (4) ледничка №1 на хр.Малый Пайпудынский

Как видно из рис. 4 зависимости концентрации тяжелых металлов от вида льда не обнаружено, только в темном загрязненном прослое выражен максимум содержания марганца при относительно заметных концентрациях железа и цинка. По сравнению со снегом можно отметить некоторое увеличение концентраций тяжелых металлов в ледниковом льду.

На леднике Обручева по нашей просьбе д.г.н. О.Н.Соломина отобрала 5 образцов льда, содержание микроэлементов в которых оказалось достаточно высоким (табл. 2). Как видно, концентрации железа и меди в леднике Обручева превышает концентрацию в ледничке №1 и в ледничке №2 в 2 – 10 раз, содержание цинка и марганца, напротив меньше.

Таблица 2. Содержание микроэлементов и тяжелых металлов в образцах льда ледника Обручева, Полярный Урал, мг/л

Fe

Zn

Cu

Mn

Обручева 1

0,109

0

0,042

0

Обручева 2

0,088

0,01

0,031

0

Обручева 3

0,065

0

0,042

0,0012

Обручева 4

0,077

0

0,028

0,002

Обручева 5

0,075

0,01

0,029

0,007

В целом можно отметить увеличение концентраций тяжелых металлов в ряду зимний снег – летний снег – ледниковый лед.

Приэльбрусье

Ледник Гарабаши. Исследования снежного покрова на леднике Гарабаши, выполненные Ю.Н.Чижовой в 1998 г. (совместно с О.В.Рототаевой) показали, что среди измеренных элементов – Fe, Zn, Cu и Мn при общем их низком содержании в снеге и льду, наибольшие концентрации отмечаются для железа и цинка.

Распределение Fe характеризуется почти постоянно низкими концентрациями, не превышающими 0,02 мг/л. Различия содержания железа в образцах проявляются лишь в колебаниях концентрации от 0,02 мг/л до меньших значений и в существовании ярко выраженного максимума концентрации (0,65 мг/л), приуроченного к поверхности таяния 1997 г. Этот пик содержания, возможно, характеризует процесс накопления железа во льду в результате фильтрации и перераспределения в снеге. Как правило, фильтрация талой воды продолжается до встречи с льдистым водоупорным горизонтом, способствующим, с одной стороны, концентрации элементов, а с другой - их миграции со стоком. В случае с распределением железа, можно говорить о его концентрации на водоупорном горизонте летнего таяния.

Содержание Mn в образцах имеет такой же характер распределения, как и железо, достигая наибольшей концентрации, превышающей в 2 раза средние значения, на поверхности таяния 1997 г. Средние же значения не превышают 0,01 мг/л.

Наиболее показательно в образцах с ледника Гарабаши распределение цинка. Концентрация Zn варьирует в пределах от 0,01 до 0,22 мг/л. Наименьшие значения концентраций (<0,01 мг/л) отмечаются для горизонтов поверхности таяния 1997 г., запыленного горизонта льда у вехи 7 и инфильтрационного льда этого г. вехи 7 на глубинах более 200 см. В то же время, в образцах инфильтрационного льда у вехи 9 на глубине 140 см концентрация повышается до 0,04 мг/л, а у вехи 71 на глубине 475 см уже превышает 0,1 мг/л.

В снеге концентрация Zn не постоянна и достигает наибольших значений в образцах лежалого снега, отобранных с поверхности снежного покрова: 0,06, 0,09 и 0,18 мг/л, при этом в свежевыпавшем снеге концентрация менее 0,01 мг/л. Поверхностный снег, таким образом, имеет значительно отличающиеся концентрации от остального массива данных, представленных значениями от 0,04 до менее 0,01 мг/л. Два других заметных пика концентрации цинка отмечаются во льду – на высоте 3945 м – в мутном льду ниже поверхности таяния 1997 г. и на высоте 3950 м – в инфильтрационном льду (рис. 5).

Достаточно высокие концентрации Zn в поверхностном лежалом снеге могут говорить о том, что основным механизмом накопления Zn в леднике Гарабаши, скорее всего, является сухое выпадение аэрозолей на поверхность снега в периоды времени без осадков.

О содержании Cu можно сказать лишь то, что большинство полученных значений лежит в области точности метода, т.е., не превышает предела обнаружения.

В зимнем снеге 2001 г. концентрации микроэлементов были измерены в поверхностном снеге на разных высотах и в двух снежных шурфах на высотах 2300 и 2900 м (рис. 6, рис. 7).

Рис. 5. Концентрации и диапазон концентраций ТМ в разных типах снега и в ледниковом льду ледника Гарабаши в 1998 г: 1 – поверхностный мелкозернистый снег, 2 – среднезернистый снег, 3 – крупнозернистый снег, 4 – инфильтрационный лед

elbrus_fig

Рис. 6. Распределение концентраций элементов в снежных шурфах в январе 2001 г. а – на выс. 2300 м (отбор в шурфе выполнен с поверхности, б – на выс. 2900 м на леднике Гарабаши (отбор в шурфе выполнен начиная с глубины 25 см)

В летний сезон 2001 г. исследования снежного покрова на леднике Гарабаши проведены авторами в двух снежных шурфах, а также в свежевыпавшем снеге в диапазоне высот 2300-3800 м (см. рис 7). Из четырех измеренных микроэлементов концентрации только железа и марганца оказались выше предела обнаружения, при этом концентрации Mn, превышающие предел обнаружения (от 0,012 до 0,017 мг/л), отмечены только в глубоких (на глубине 1,5-2 м) слоях в снежных шурфах. По-видимому, эти слои снега были сформированы в зимний сезон. Концентрации железа в поверхностном летнем снеге заметно выше, чем в зимнем (см. рис. 7), что может быть связано как с сезонным увеличением аэрозольных частиц в летние месяцы, так и с длительностью залегания снега на поверхности. Длительность периодов без осадков приводит к продолжительному залеганию снега (без перекрытия последующими снегопадами), на поверхность которого сухим осаждением аэрозолей поступают тяжелые металлы. Возможно, заметные концентрации тяжелых металлов в поверхностном снеге 1998 г. также связаны с сухим осаждением аэрозолей в периоды времени без осадков. Для снежного покрова и ледникового льда Гарабаши и прилегающего склона просматривается некоторая тенденция увеличения концентраций в ряду зимний снег – летний поверхностный снег – инфильтрационный лед.

Различия в содержании ТМ в зимнем и летнем снеге не всегда могут быть обусловлены сезонной концентрацией аэрозолей в воздухе, но и количеством и частотой выпадающих осадков – чем больше количество и частота выпадения атмосферных осадков – тем чище будет атмосферный воздух, т.к. химические элементы интенсивно выводятся из атмосферы влажным вымыванием аэрозолей. Чем большая порция осадков выпадает, тем меньшие концентрации химических примесей будут отмечены в осадках, и наоборот, если выпадает малое количество осадков и происходит это редко, то атмосфера насыщена аэрозолями, которые все захватываются при конденсации, вследствие чего выпавшие осадки имеют большие концентрации химических примесей. Поэтому в года, когда осадков выпадает аномально мало, следует ожидать повышения концентраций ТМ в снеге, и наоборот, в сезоны с большим количеством и частотой выпадения осадков, содержание химических элементов в снеге будет минимальным.

Рис. 7. Концентрации Fe, Zn, Cu, Mn в поверхностном снеге ледника Гарабаши и прилегающего склона в январе 2001 г. и в свежевыпавшем снеге в мае 2001 г (только Fe)

Ледник Большой Азау. Исследования, выполненные нами в 2002 г. на леднике Большой Азау, показали, что край ледника представлен мертвым льдом, имеющим отвесную стенку высотой примерно 20 м (рис. 8).

Рис. 8. Край ледника Большой Азау в Приэльбрусье, представлен «мертвыми» льдами.

Фото Ю.Васильчука

В орографически правой части от общей стенки отделяется гребень высотой 5-10 м, из крайней нижней секции которого отбирались образцы (отбором был охвачен нижний метр мертвого льда). Лед в этой части секции имеет ярко выраженную горизонтальную слоистость, которую наследуют 3 горизонтальные трещины. Поверхность льда мокрая, идет интенсивное таяние. Здесь было отобрано 8 образцов льда, начиная с подошвы осыпи. Наиболее примечательно в этих образцах распределение железа, на высоте 1,0-1,15 м и 1,7-1,75 м концентрации Fe достигают наибольших значений – 0,21 и 0,23 мг/л соответственно. В образце льда на высоте 1,2-1,3 м измеренная концентрация Fe оказалась мала, но в нем было отмечено присутствие белого нерастворимого осадка, при взмучивании которого концентрация железа в образце достигала 1 мг/л. Скорее всего, это связано с составом осадка. Предположительно это нерастворимые или коллоидные соединения алюмо-силикатов, которые при попадании в пламя, возможно, дают завышенные значения концентрации.

Микроэлементные исследования в этой же части обнажения по всей мощности мертвого льда – 5 м показали очень малые концентрации всех измеряемых элементов. По всей мощности обнажения, все 5 м лед имеет слоистость – выделяются слои прозрачного и пузырькового льда. Во всех горизонтах льда концентрации Fe, Zn, Cu и Mn не превышают 0.005 мг/л (находятся на уровне точности метода).

Дискуссия

В научной литературе с середины 1970-х годов весьма активно обсуждалась тема антропогенного загрязнения атмосферы и влияние этого фактора на химический состав снежного покрова и ледникового льда Альп, Арктики и даже Гренландии и Антарктиды. Для ледников Альп и Норвегии отмечались сбросы кислотных талых ледниковых вод. Действительно в Гренландском льду отмечено значительное увеличение содержания сульфатов, начиная с до-индустриального периода, однако, этого нельзя сказать о содержании микроэлементов. В ледяном керне GRIP, полученного на станции Саммит в Центральной Гренландии (72°34 с.ш., 37°37 з.д., высота над уровнем моря 3238 м) в 1990-92 г. х были измерены концентрации Pb, Cu, Zn, Cd и Al для отрезка времени с 8 250 до 149 100 лет назад, характеризующего эем. Таким образом, в ледниковом керне GRIP микроэлементы имеют природное происхождение и варьируют в пределах: Pb от 0,00047 до 0,151 мг/л, Cu от 0,0017 до 0,238 мг/л, Zn от 0,018 до 0,644 мг/л и Cd от 0,00023 до 0,016 мг/л [13].

Средние концентрации этих же элементов, полученные для современного снега Центральной Гренландии [14, 15] практически в том же месте (72°20 с.ш., 38°45 з.д., высота 3270 м) не превышают концентраций, полученных по керну, и хорошо коррелируют между собой (табл. 3), что говорит о том, что никакого увеличения в концентрации микроэлементов с наступлением индустриального периода в северном полушарии не наблюдается. Однако, исследователи, получившие вышеупомянутые данные по содержанию микроэлементов в современном снеге Гренландии, рассматривая источники этих элементов, указывают на влияние антропогенного фактора в поступлении Pb, Cd и Zn [14].

Таблица 3. Диапазон концентраций микроэлементов для древнего льда и современного снега Гренландии, мг/л

Объект

Pb

Cd

Zn

Cu

Источник

Древний лед, 8 250 – 149 100 лет назад

0,00047 – 0,151

0,00023 – 0,016

0,018 – 0,644

0,0017 – 0,238

Hong et. al., 1996

Снег, весна 1990-лето 1992,

0,0006 – 0,044

0,00008 – 0,0025

0,009 – 0,194

0,0005 – 0,024

Candelone et. al., 1996

Снег, весна 1989-лето 1990

0,0025 – 0,047

0,00023 – 0,0028

0,0017 – 0,122

0,0018 – 0,047

Savarino et. al., 1994

В ледниковом керне одной из высочайших вершин Памира - Музтаг-Ата (7546 м), исследованном Ли с коллегами [16] вариации содержания Mn составили 0,33-42,7 мкг/л, Sr – 0,42-17,8 мкг/л, Ba – 0,18-10,4 мкг/л, Cs – 0,002-0,167 мкг/л минимальные значения могут отличаться от максимальных в 42-129 раз.

Ледниковый лед Шпицбергена характеризуется содержанием Fe 2,55 мг/л [17], содержание Mn во льду ледника при этом составляет 0,042 мг/л.

В ледниковом льду Итальянских Альп содержание железа составляло от 0,067 до 1,1 мг/л, а марганца от 0 до 0,173 мг/л [18]. Что касается металлов-комплексообразователей, то медианное значение содержания меди в Альпийском ледниковом льду составляет 0,28 мкг/л, (при диапазоне 0,008-29 мкг/л), медианное значение содержания цинка во льду ледника 1,7 мкг/л (при диапазоне 0,002-63 мкг/л). Медианное значение содержания кадмия в ледниковом льду составило 0,052 (при диапазоне 0,016-0,22 мкг/л), медианное значение содержания свинца составило 0,87 мкг/л (при диапазоне 0,023-33,7 мкг/л). Содержание бария в ледниках Итальянских Альп характеризуется медианным значением 0,5 мкг/л (0,009-36,5 мкг/л).

Вариации содержания микроэлементов в снеге в полярных областях и областях горного оледенения довольно значительны. Так Р.Шерелл с соавторами [19] рассмотрев 6-метровый разрез снега на территории станции Саммит в центральной Гренландии, выявили весенний максимум содержания Pb и Cd, при этом концентрации этих тяжелых металлов в снеге могут различаться в течение сезона в 30 и более раз. Еще более значимые вариации описаны на Северо-Востоке Цинхай-Тибетского плато (г.Ючжу), в снеге концентрация Pb и Cd варьирует в 80 и более раз [20].

На ледниках, подверженных локальному и антропогенному загрязнению, может наблюдаться увеличение концентраций элементов за последнее столетие. Такое антропогенное влияние зафиксировано очень заметным увеличением загрязнения (повышение концентраций) в двух ледниках в Татрах, расположенных вблизи крупных индустриальных центров. Для последнего столетия содержание частиц во льду возросло там примерно в 150 раз, радия-226 примерно в 50 раз, Pb примерно в 15 раз [21]. Но за исключением нескольких случаев, свидетельств увеличения концентраций загрязнителей в современном льду ледников, удаленных от индустриальных центров не найдено. Поэтому в Приэльбрусье снежный покров и ледниковый лед на больших высотах характеризуют фоновое гидрохимическое состояние атмосферы и практически не подвержены локальному техногенному загрязнению. Хотя Полярный Урал мог бы считаться с некоторым допущением импактным районом (близость г. Воркуты, близость железной дороги, котельная, добыча полезных ископаемых), концентрации тяжелых металлов в снеге не показывают значительного антропогенного загрязнения.

Выводы

1. Концентрации тяжелых металлов в снеге и ледниковом льду Полярного Урала малы, в среднем составляя от 0,005 до 0,02 мг/л, среди измеренных Fe, Zn, Cu, Mn наибольшие концентрации характерны для Mn (до 0,05 мг/л). В общем можно сказать, что снежный покров Полярного Урала обладает фоновыми характеристиками и не испытывает антропогенного воздействия. Также можно отметить увеличение концентраций тяжелых металлов в ряду зимний снег – летний снег – ледниковый лед. Зависимости концентрации тяжелых металлов от морфологического вида льда не обнаружено.

2. Содержание химических примесей в атмосфере изменяется по сезонам, летом атмосфера более насыщена аэрозолями. Летние горизонты снега и льда на леднике Гарабаши имеют более высокую концентрацию тяжелых металлов по сравнению с зимними горизонтами. Для снежного покрова и ледникового льда Гарабаши и прилегающего склона просматривается некоторая тенденция увеличения концентраций в ряду зимний снег – летний поверхностный снег – инфильтрационный лед.

3. Основными микроэлементами в снеге и льду ледника Гарабаши на Кавказе являются цинк и железо, концентрации которых варьируют от менее 0,02 до 0,6 мг/л (железо в инфильтрационном льду) и от 0,01 до 0,22 во льду, т.е. максимальное содержание тяжелых металлов приурочено к горизонтам инфильтрационного льда. В сезонном зимнем и летнем снеге концентрации практически всех измеренных элементов варьируют от менее 0,01 до 0,03 мг/л. Во льду ледника Большой Азау в Приэльбрусье концентрации тяжелых металлов крайне малы (менее 0,005 мг/л).

Библиография
1.
Гусакова Н.В. Химия окружающей среды. Серия «Высшее образование». Ростов-на-Дону: Феникс.-192 с.
2.
Рототаева О.В., Керимов А.М., Хмелевской И.Ф. Содержание макроэлементов в ледниках южного слона Эльбруса // Материалы гляциологических исследований. 1999. Вып. 87. С. 98-105.
3.
Colbeck S.C., Anderson, E.A. The permeability of a melting snow cover // Water Resources Research. 1982. Vol. 18(4). P. 904-908.
4.
Tranter M. Controls on the composition of snowmelt // In Seasonal Snowpacks: Processes of Compositional Change. 1991. Davies T.D., Tranter M , Jones HG (eds). Springer-Verlag: Berlin; 241-271.
5.
Cragin J.H., McGilvary R. Can inorganic chemical species volatilize from snow? // Biogeochemistry of Seasonal Snow-Covered Catchments (Proceedings of a Boulder Symposium, July 1995). IAHS Publication. 1995. No.228. P. 11-16.
6.
Летувнинкас А.И. Антропогенные геохимические аномалии и природная среда: Учебное пособие. Администрация Томской области. ОКОСиП ТГУ.-Томск: НТЛ, 2002. 92 с.
7.
Загороднов В.С., Архипов С.М., Бажев А.Б., Востокова Т.А., Королев П.А., Рототаева О.В., Синькевич С.А., Хмелевской И.Ф. Строение, состав и гидротермический режим ледника Гарабаши на Эльбрусе // Материалы гляциологических исследований. 1992. Вып. 73. С. 109-118.
8.
Бажев А.Б., Рототаева О.В., Хмелевской И.Ф. Анализ полей элементов водно-ледового баланса ледников Эльруса // Материалы гляциологических исследований. 1995. Вып.79. С.98-108.
9.
Рототаева О.В., Хмелевской И.Ф., Бажев А.Б. и др. Строение и химический состав деятельного слоя ледника Большой Азау (Эльбрус) в области питания // Материалы гляциологических исследований. 1998. Вып. 84. С. 25-33.
10.
Bazhev A.M., Rototaeva O., Heintzenberg J., Stenberg M., Pinglot J. F. Phisical and chemical studies in the region of the southern slope of Mount Elbrus, Caucasus // Journal of glaciology. 1998. Vol. 44. No 147. P. 214-222.
11.
Ильина Е.А. Естественная минерализация снега на Полярном Урале по данным электропроводимости // Материалы гляциологических исследований. 1984. Вып. 51. С. 261-264.
12.
Моисеева Г.П. Электропроводность ледниковой воды и решение некоторых задач в гляциологии // Материалы гляциологических исследований. 1976. Вып. 25. С. 90-96.
13.
Hong S., Candelone J-P., Turetta C., Boutron C.F. Changes in natural lead, copper, zinc and cadmium concentrations in central Greenland ice from 8250 to 140100 years ago: their association with changes and resultant variations of dominant source contributions // Earth and Planetary Science Letters. 1996. Vol. 143. No.1-4. P. 233-244.
14.
Саndelone J.-P., Jaffrezo J.-L., Hong S., Davidson C. I., Boutron C. F. Seasonal variations in heavy metals concentrations in present day Greenland snow // The Science of the total Environment. 1996. Vol. 193. P. 101-110.
15.
Savarino J., Boutron C.F., Jaffrezo J.-L. Short-term variations of Pb, Cd, Zn and Cu in recent Greenland snow // Atmospheric Environment. 1994. Vol. 28A. P. 1731-1737.
16.
Li Y., Yao T., Wang N., Li Z., Tian L.,Xu B., Wu G. Recent changes of atmospheric heavy metals in a high-elevation ice core from Muztagh Ata, east Pamirs: initial results // Annals of Glaciology 2006. Vol. 43 P.154-159
17.
Drbal K., Elster J., Komhrek J. Heavy metals in water, ice and biological material from Spitsbergen, Svalbard. Polar Research. 1992. I1 (2). P. 99–101.
18.
Gabrielli P., Cozzi G., Torcini S., Cescon P., Barbante C. Source and origin of atmospheric trace elements entrapped in winter snow of the Italian Eastern Alps // Atmospheric Chemistry and Physics Discussions. 2006, 6 (5), P. 8781–8815.
19.
Sherrell R. M., Boyle E. A., Harris N. R., Falkner K. K. Temporal variability of Cd, Pb, and Pb isotope deposition in central Greenland snow // Geochemistry Geophysics Geosystems. 2000. Vol. 1, N1. P. 1–22. 1002, doi:10.1029/1999GC000007
20.
Li Y., Shi X., NingLian Wang N., Pu J., Yao T. Concentration of trace elements and their sources in a snow pit from Yuzhu Peak, north-east Qinghai-Tibetan Plateau //Sciences in Cold and Arid Regions. 2011. Vol. 3(3). P. 216–222
21.
Jaworowski Z., Bysiek M., Kownacka L. Flow metals into the global atmosphere // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1981. Vol. 45. P. 2185-2199.
References (transliterated)
1.
Gusakova N.V. Khimiya okruzhayushchei sredy. Seriya «Vysshee obrazovanie». Rostov-na-Donu: Feniks.-192 s.
2.
Rototaeva O.V., Kerimov A.M., Khmelevskoi I.F. Soderzhanie makroelementov v lednikakh yuzhnogo slona El'brusa // Materialy glyatsiologicheskikh issledovanii. 1999. Vyp. 87. S. 98-105.
3.
Colbeck S.C., Anderson, E.A. The permeability of a melting snow cover // Water Resources Research. 1982. Vol. 18(4). P. 904-908.
4.
Tranter M. Controls on the composition of snowmelt // In Seasonal Snowpacks: Processes of Compositional Change. 1991. Davies T.D., Tranter M , Jones HG (eds). Springer-Verlag: Berlin; 241-271.
5.
Cragin J.H., McGilvary R. Can inorganic chemical species volatilize from snow? // Biogeochemistry of Seasonal Snow-Covered Catchments (Proceedings of a Boulder Symposium, July 1995). IAHS Publication. 1995. No.228. P. 11-16.
6.
Letuvninkas A.I. Antropogennye geokhimicheskie anomalii i prirodnaya sreda: Uchebnoe posobie. Administratsiya Tomskoi oblasti. OKOSiP TGU.-Tomsk: NTL, 2002. 92 s.
7.
Zagorodnov V.S., Arkhipov S.M., Bazhev A.B., Vostokova T.A., Korolev P.A., Rototaeva O.V., Sin'kevich S.A., Khmelevskoi I.F. Stroenie, sostav i gidrotermicheskii rezhim lednika Garabashi na El'bruse // Materialy glyatsiologicheskikh issledovanii. 1992. Vyp. 73. S. 109-118.
8.
Bazhev A.B., Rototaeva O.V., Khmelevskoi I.F. Analiz polei elementov vodno-ledovogo balansa lednikov El'rusa // Materialy glyatsiologicheskikh issledovanii. 1995. Vyp.79. S.98-108.
9.
Rototaeva O.V., Khmelevskoi I.F., Bazhev A.B. i dr. Stroenie i khimicheskii sostav deyatel'nogo sloya lednika Bol'shoi Azau (El'brus) v oblasti pitaniya // Materialy glyatsiologicheskikh issledovanii. 1998. Vyp. 84. S. 25-33.
10.
Bazhev A.M., Rototaeva O., Heintzenberg J., Stenberg M., Pinglot J. F. Phisical and chemical studies in the region of the southern slope of Mount Elbrus, Caucasus // Journal of glaciology. 1998. Vol. 44. No 147. P. 214-222.
11.
Il'ina E.A. Estestvennaya mineralizatsiya snega na Polyarnom Urale po dannym elektroprovodimosti // Materialy glyatsiologicheskikh issledovanii. 1984. Vyp. 51. S. 261-264.
12.
Moiseeva G.P. Elektroprovodnost' lednikovoi vody i reshenie nekotorykh zadach v glyatsiologii // Materialy glyatsiologicheskikh issledovanii. 1976. Vyp. 25. S. 90-96.
13.
Hong S., Candelone J-P., Turetta C., Boutron C.F. Changes in natural lead, copper, zinc and cadmium concentrations in central Greenland ice from 8250 to 140100 years ago: their association with changes and resultant variations of dominant source contributions // Earth and Planetary Science Letters. 1996. Vol. 143. No.1-4. P. 233-244.
14.
Sandelone J.-P., Jaffrezo J.-L., Hong S., Davidson C. I., Boutron C. F. Seasonal variations in heavy metals concentrations in present day Greenland snow // The Science of the total Environment. 1996. Vol. 193. P. 101-110.
15.
Savarino J., Boutron C.F., Jaffrezo J.-L. Short-term variations of Pb, Cd, Zn and Cu in recent Greenland snow // Atmospheric Environment. 1994. Vol. 28A. P. 1731-1737.
16.
Li Y., Yao T., Wang N., Li Z., Tian L.,Xu B., Wu G. Recent changes of atmospheric heavy metals in a high-elevation ice core from Muztagh Ata, east Pamirs: initial results // Annals of Glaciology 2006. Vol. 43 P.154-159
17.
Drbal K., Elster J., Komhrek J. Heavy metals in water, ice and biological material from Spitsbergen, Svalbard. Polar Research. 1992. I1 (2). P. 99–101.
18.
Gabrielli P., Cozzi G., Torcini S., Cescon P., Barbante C. Source and origin of atmospheric trace elements entrapped in winter snow of the Italian Eastern Alps // Atmospheric Chemistry and Physics Discussions. 2006, 6 (5), P. 8781–8815.
19.
Sherrell R. M., Boyle E. A., Harris N. R., Falkner K. K. Temporal variability of Cd, Pb, and Pb isotope deposition in central Greenland snow // Geochemistry Geophysics Geosystems. 2000. Vol. 1, N1. P. 1–22. 1002, doi:10.1029/1999GC000007
20.
Li Y., Shi X., NingLian Wang N., Pu J., Yao T. Concentration of trace elements and their sources in a snow pit from Yuzhu Peak, north-east Qinghai-Tibetan Plateau //Sciences in Cold and Arid Regions. 2011. Vol. 3(3). P. 216–222
21.
Jaworowski Z., Bysiek M., Kownacka L. Flow metals into the global atmosphere // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1981. Vol. 45. P. 2185-2199.