Комплексный геохимический и минералогический анализ поверхностных отложений на урбанизированной территории (на примере г. Екатеринбурга)

Екатерина Илгашева

Комплексный геохимический и минералогический анализ поверхностных отложений на урбанизированной территории (на примере г. Екатеринбурга)

В дипломной работе изучены пробы поверхностных отложений, отобранные в разных районах г. Екатеринбурга в период с 2016 по 2019 гг. Приведены результаты гранулометрического, химического, минералогического, термического анализов проб, результаты исследования техногенных частиц и минералов с помощью методов сканирующей электронной микроскопии. Установлен вещественный состав проб. Описаны основные характеристики поверхностного осадка как элемента городской среды. Ключевые слова: урбанизированная территория, современный седиментогенез, техногенез, поверхностные отложения, минеральный состав, техногенные частицы, геоэкология.

Геология

Дипломы

Вуз: Уральский государственный горный университет (УГГУ)

ID: 60584a57ccefde0001e8dd1d

UUID: 0b7e2150-6d10-0139-2ef0-0242ac180002

Язык: Русский

Опубликовано: около 3 лет назад

Просмотры: 20

10.4

Екатерина Илгашева

Уральский государственный горный университет (УГГУ)

Комментировать 0

Рецензировать 0

Скачать - 9,0 МБ

Поделиться работой

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уральский государственный горный университет Факультет геологии и геофизики Кафедра минералогии, петрографии и геохимии Илгашева Екатерина Олеговна «Комплексный геохимический и минералогический анализ поверхностных отложений на урбанизированной территории (на примере г. Екатеринбурга)» Выпускная квалификационная работа студента гр. МПГ-14 Специальность 21.05.02 – «Прикладная геология» Специализация №4 – «Прикладная геохимия, минералогия, петрология» Руководитель дипломной работы: к. ф.-м. н. И. В. Ярмошенко г. Екатеринбург 2019

Аннотация Илгашева Е. О. Комплексный геохимический и минералогический анализ поверхностных отложений на урбанизированной территории (на примере г. Екатеринбурга). В дипломной работе изучены пробы поверхностных отложений, отобранные в разных районах г. Екатеринбурга в период с 2016 по 2019 гг. Приведены результаты гранулометрического, химического, минералогического, термического анализов проб, результаты исследования техногенных частиц и минералов с помощью методов сканирующей электронной микроскопии. Установлен вещественный состав проб. Описаны основные характеристики поверхностного осадка как элемента городской среды. Объем дипломной работы составляет 115 страниц, на которых размещено 88 рисунков, 37 таблиц. Дипломная работа включает в себя 20 приложений. При написании дипломной работы было использовано 34 источника. Ключевые слова: урбанизированная территория, современный седиментогенез, техногенез, поверхностные отложения, минеральный состав, техногенные частицы, геоэкология. 2

Оглавление Введение ............................................................................................................... 4 1. Современный седиментогенез ....................................................................... 7 2. Характеристика района исследования (город Екатеринбург) ................... 16 2.1. Физико-географическая характеристика .............................................. 16 2.2. Геологическая характеристика .............................................................. 20 3. Методика опробования поверхностных отложений .................................. 23 4. Физико-химические характеристики твердого осадка............................... 26 4.1. Гранулометрический анализ проб поверхностного осадка ................. 26 4.2. Химический анализ проб поверхностного осадка ............................... 36 4.3. Оптические методы исследований ........................................................ 48 4.4. Минеральный анализ проб поверхностного осадка ............................. 58 4.5. Синхронный термический анализ проб поверхностного осадка......... 65 4.6. Сканирующая электронная микроскопия ............................................. 69 Заключение ......................................................................................................... 89 Список используемых источников .................................................................... 92 Графическое приложение 1.1–1.10. Дифрактограммы Графическое приложение 2.1 – 2.10. Дериватограммы 3

Введение В настоящее время на урбанизированных территориях активно происходят процессы современного седиментогенеза. Развитие промышленности, строительство дорог, зданий и сооружений, увеличение количества автомобильного транспорта привели к изменению гидрогеологических и геологических, преобразованию метеорологических условий и, как следствие, возникновению уникальных, не имеющих природных аналогов, седиментационных процессов. Подсчитано, что более 50% населения живет или работает в городах [ООН, 2016] и этот процент увеличивается ежегодно. Городская среда является главным риском, влияющим на здоровье человека. Основными факторами влияния являются: качество воздуха, наземных и подземных вод, запыление, наличие и тип геохимических барьеров, биоразнообразие. Поэтому, проблемы загрязнения окружающей среды привели к множеству исследований в области изучения качества городского воздуха, подземных и поверхностных вод. Однако, исследований состава и состояния поверхностных отложений на урбанизированных территориях до сих пор остается существенно меньше. Важным аспектом геоэкологических исследований на урбанизированных территориях является изучение транспорта и накопления загрязняющих веществ в компонентах городской среды. В городах проводятся литогеохимические исследования, изучение снежного покрова и атмосферных выпадений. Перспективным является также исследование современных антропогенных отложений и геохимических барьеров, формирующихся в результате природно-антропогенных процессов. Поверхностные отложения участвуют в миграции и накоплении загрязнения, поэтому их использование в качестве геоиндикаторов позволяет получить дополнительную информацию о путях поступления и накопления загрязнения в урбанизированной среде. Перспективным объектом при проведении опробования для изучения загрязнения урбанизированной территории является поверхностный осадок. 4

Актуальность дипломной работы заключается в том, что комплексное изучение поверхностных отложений на урбанизированной территории ранее не проводилось. Исследования, которые были проведены в ходе выполнения дипломной работы, позволили определить вещественный состав отложений, их генезис, потенциальную опасность для здоровья человека и экологической обстановки. Необходимо отметить, что, в целом, исследование поверхностного осадка современного города представляет собой междисциплинарную научную задачу, которая решается на основе естественнонаучных методов с привлечением подходов геоэкологии, ландшафтоведения, минералогии, почвоведения, геохимии и др. Цель дипломной работы: охарактеризовать поверхностные отложения урбанизированной территории как элемент современного седиментогенеза (на примере г. Екатеринбурга). Для достижения цели были поставлены следующие задачи: 1. Пробоподготовка образцов поверхностного осадка для проведения гранулометрического, химического, минералогического и термического анализа. 2. Анализ результатов:  гранулометрического анализа образцов,  химического анализа образцов,  минералогического анализа образцов,  термического анализа образцов. 3. Изучение техногенных частиц в составе поверхностного осадка. 4. Характеристика поверхностного осадка как элемента современного седиментогенеза. Материал для дипломной работы предоставлен Институтом промышленной экологии УрО РАН. Пробы поверхностного осадка были отобраны сотрудниками ИПЭ УрО РАН в 2016-2018 годах на территории 6 5

экспериментальных площадок в г. Екатеринбурге и зимой 2019 года в районе озера Балтым. Минералогический и термический анализы образцов, исследования с помощью методов СЭМ проведены в центре коллективного пользования «Геоаналитик» на базе ИГГ УрО РАН им. академика А. Н. Заварицкого. Комплексный химический анализ проведен в Химико-аналитическом центре ИПЭ УрО РАН. 6

1. Современный седиментогенез Седиментогенез (от лат. sedimentum – осадок и греч. γενεσισ – происхождение) - это совокупность процессов, в результате которых на поверхности Земли накапливаются осадки. Этап седиментогенеза подразделяется на три стадии, следующих друг за другом [Н. М. Страхов]: - мобилизация вещества; - перенос мобилизованного вещества; - осадконакопление. Современное осадконакопление в урбанизированной среде происходит непрерывно и обусловлено такими естественными и антропогенными процессами и факторами как: нарушение в планировке ландшафта, некачественная уборка территорий, нарушение стока атмосферных осадков, наличие понижений микрорельефа на территориях городских кварталов, эрозия почв и грунтов, выпадения из атмосферы. Сезонность и метеорологические условия также влияют на образование пыли [Сает, 1990]. Условия седиментогенеза в городской среде являются специфическими в соответствии с естественноисторической обстановкой: особенностями рельефа, заболоченностью, наличием оврагов, карьеров и других техногенных образований; а также с характером проводимых строительных мероприятий [Котлов, 1978]. Техногенная деятельность человека способствует процессам глубокого преобразования горных пород и почв, вплоть до возникновения непосредственно урбофаций (культурного слоя урбанизированных и протоурбанизированных территорий), не имеющих природных аналогов [Каздым, 2009]. Литологический состав урбофаций обусловлен как геологическими условиями местности, так и характером антропогенной деятельности. Фации могут быть неоднородны по составу, причем неоднородность проявляется как по вертикали, так и по горизонтали. Процессы формирования урбофаций в большинстве случаев дискретны во времени. 7

В целом поверхностный осадок городских территорий является зоной интенсивных процессов седиментогенеза и первых стадий диагенеза, связанных исключительно с деятельностью человека. В ряде случаев процессы седиментогенеза и диагенеза могут быть ускорены по сравнению с естественными природными процессами. Антропоцен Накопление современного поверхностного осадка началось совместно с процессами урбанизации территорий, которые затрагивают последние десятки лет, и продолжается в настоящее время. В геологической интерпретации эти события относятся к эпохе антропоцена. Термин «антропоцен» впервые был использован в 2000 году для обозначения времени глобального влияния человечества на окружающую среду. На 35-м Международном геологическом конгрессе (27.08.2016 – 04.09.2016), проходившем в Кейптауне, объявлено о начале антропоцена – геологической эпохи с изменяющим экосистему Земли уровнем антропогенного влияния [Шешнев, 2017]. В настоящее время перед исполнительным комитетом Международного союза геологических наук стоит вопрос о введении антропоцена в состав геохронологической шкалы (рис. 1). 8

Рис. 1. Сравнение текущей геохронологической шкалы с двумя альтернативными: а – текущая геохронологическая шкала (GTS-2012); альтернативные варианты: б – антропоцен следует после голоцена; в – антропоцен наступает непосредственно после плейстоцена. Границы указаны в миллионах лет. Знак вопроса показывает текущие дискуссии о начале антропоцена (по данным Lewis S. L. et al., 2015, Gradstein F. M. et al., 2012) Термин антропоцен ввел Юджин Стормер (Eugene Stoermer) для обозначения воздействия и доказательства влияния деятельности человека на планету Земля. Но термин не использовался вплоть до 2000 года, когда его популяризировал Пауль Крутцен (Paul Crutzen), который расценил влияние человечества на земную атмосферу за последнее столетие как начало новой геологической эпохи. Лучшим вариантом для определения нижней границы антропоцена считается 1950 год - дата, когда после первых ядерных испытаний 40-х годов на поверхности Земли образовался слой из радиоактивных элементов. Однако, это не единственный маркер. Ученые рассматривают другие маркеры, которые отличают антропоцен от предыдущего периода голоцена, в том числе загрязнение поверхности пластиковыми отходами, сажей от электростанций, бетонными смесями. Фактически, необратимые изменения начались еще в XIX веке, после промышленной революции. К геологически значимым 9

процессам были отнесены: эрозия почв и грунтов, перенос отложений, связанный с различными антропогенными процессами (включая сельское хозяйство, урбанизацию и глобальное потепление), изменение химического состава атмосферы, океанов и почв со значительными антропогенными нарушениями циклов таких элементов, как углерод, азот, фосфор и различные металлы, изменение условий окружающей среды, вызванные этими нарушениями, в том числе глобальное потепление, подкисление вод океана, появление и увеличение «мертвых зон» в океане. Урбанизированная среда как элемент антропоцена Территории, вступившие в антропоцен, стремительно изменяются от множества мелких точечных объектов к планетарно-линзовидным объектам, расположенным преимущественно вдоль границ Мирового океана и крупных транспортных сетей. Города, городские агломерации, мегаполисы образуют различные по форме и площади урбанизированные зоны [Шешнев, 2017]. Урбанизированные территории представляют собой сочетание различных антропогенных форм рельефа. Н. А. Флоренсов рассматривает урбанизацию как «расширение сферы антропогенного рельефа за счет естественного, идущее одновременно с большой скоростью из множества центров на всех материках и создающее формы искусственного рельефа даже более однообразные и монотонные, нежели это делают природные процессы» [Флоренсов, 1978]. Крупные города и мегаполисы являются депо концентрации значительных масс техногенных веществ, поступающих в городскую среду с промышленными, транспортными и муниципальными выбросами и стоками. Такие продукты производственно-хозяйственной деятельности человека формируют локальные и региональные техногенные геохимические аномалии загрязняющих веществ в различных компонентах ландшафта. Аномалии, в свою очередь, являются источниками вторичного поступления поллютантов в региональные миграционные потоки, тем самым увеличивая радиус действия 10

и опасность загрязнения пригородных экосистем вокруг промышленных центров [Касимов, 2013]. Каскадные ландшафтно-геохимические системы городов Городские ландшафты являются результатом взаимодействия природных и антропогенных факторов. К природным факторам относятся: природный рельеф, климат, гидрография, почвенно-растительный покров; к антропогенным – градостроительные и промышленные факторы. Поэтому, городские ландшафты должны дифференцироваться по ландшафтно- функциональным критериям с учетом природно-техногенных и техногенных региональных потоков веществ, поступающих в них с естественным и искусственным стоками (рис. 2). Рис. 2. Схема городских сред, в которых происходит накопление поверхностного осадка (Environmental Sedimentology, 2007). Street surfaces - улицы, Sewers - канализация, Gully pot – отстойники ливневой канализации, Lakes - озера, Rivers - реки, Docks and canals – доки и каналы. В пределах городов выделяются городские потоковые (каскадные) системы - особые пространственно-организованные структуры, обеспечивающие функционирование города за счет переноса, преобразования и аккумуляции вещества в результате градостроительного освоения территории [Курбатова, 2004]. Они могут быть открытыми, с поступлением 11

осадка в водотоки, и закрытыми, когда осадок аккумулируется в замкнутой форме рельефа. Термин городской осадок широко используется в современной литературе. Ранее, к городским отложениям относили осадок, образованный только на улицах за счет бытового мусора и выбросов транспорта. В настоящее время этот термин охватывает любые осадки, образованные в городской среде. К ним относятся отложения, накапливающиеся на улицах, в оврагах и в канализационных системах, а также в городских водоемах (реках, каналах, озерах). Поверхностный осадок и донные отложения Главным объектом исследования компонентов антропоцена являются поверхностные отложения городской среды и донные отложения современных водоемов. Такие отложения являются депонирующими средами, т.е. средой, в которых накапливаются и преобразуются продукты техногенеза (рис. 3). Рис. 3. Потоки загрязняющих веществ в компонентах окружающей среды в городе (по Ю.И. Пиковскому) 12

Основным источником поверхностных отложений в городской среде является автомобильный транспорт. Выбросы от автомобилей (выхлопные газы, износ шин и кузова автомобиля, тормозных систем) в сочетании с отходами строительного и почвенного материала, дорожного покрытия, фрагментов растений и опавших листьев, атмосферных выпадений формируют Road-deposited sediment (депонированный дорожный осадок) (рис. 4). Исследований, посвященных вещественному составу и механизму образования такого осадка, мало. Причиной является широкий диапазон источников в каждом конкретном участке урбанизированной среды. Однако, установлено, что главным компонентом Road-deposited sediment являются почвы и строительные материалы [Hopke et al., 1980]. Рис. 4. Схема источников отложений, формирующих осадок на дорогах (Environmental Sedimentology, 2007). Construction material – строительные материалы, Atmospheric input – атмосферные выпадения, Building wear – износ зданий, Pedestrian debris – бытовой мусор, Exhaust emissions – выхлопные газы, Vegetation - растения, Road wear – износ дорог, Tyre wear – износ шин, Vehicle wear – износ транспортных средств, Soil material – материал почв. Экологическая роль поверхностного осадка в городской среде Для оценки экологической опасности и степени загрязнения городов важно знать объем выбросов, их гранулометрический состав и содержание наиболее токсичных веществ. Основная масса микроэлементов в атмосфере входит в состав пыли и аэрозолей. Пыль - это общий термин, обозначающий 13

твердые частицы, размером до 100 мкм, способные находиться в воздухе в виде суспензии. Аэрозоль - суспензия твердых или жидких частиц, которая изза своего мелкого размера (размер частиц менее 10 мкм) имеет очень низкую скорость осаждения и может длительное время находиться в атмосфере. В зависимости от размера выделяются крупные аэрозольные частицы – 10–2,5 мкм, мелкие - 2,5-1 мкм и очень мелкие - 0.1 [Aerosol…, 2000]. Элементы с относительно высокими кларками (Fe, Mn, Zn, Cr, Cu) связаны с мелкодисперсным и крупнодисперсным аэрозолем, а наиболее токсичные элементы с низкими кларками (Cd, Pb, Sb, As, Hg) находятся преимущественно в субмикронной фракции. Подвижность тяжелых металлов в городском аэрозоле зависит от их форм нахождения. Менее подвижные Со и Сr связаны в основном с силикатной частью твердых частиц и оксидами железа и марганца, Ni, Mn, Cu и Pb находятся в обменной форме, в гидроксидах железа и марганца, связаны с органическим веществом. У самых подвижных Cd и Zn обменная форма преобладает, что определяет их дальнейшую интенсивную миграцию в городских ландшафтах, биодоступность и опасность для живых организмов [Касимов, 2013]. Примеры исследований анализа осадка на урбанизированных территориях Урбанизированная среда является основным фактором риска, воздействующим на здоровье человека. Воздействие происходит через загрязнение воздуха, водных объектов, формирования поверхностных отложений как источников поллютантов. Проблемы загрязнения окружающей среды привели ко множеству исследований в области изучения состава городского воздуха, подземных и наземных вод и, в меньшей степени, поверхностного осадка. Широко распространены исследования атмосферных взвесей, в ходе которых проводится эколого-гигиенический анализ и изучение частиц, входящих в их состав [Голохваст и др., 2013, 2014]. Исследования атмосферы 14

для установления причин превышения концентраций отдельных компонентов были проведены в штате Невада (США) зимой 2009-2010 гг. [L.-W. A. Chen et al., 2012]. Kaarle Kupiainen и Heikki Tervahattu (Финляндия) в своих работах изучали вещественный состав и механизмы образования весенней пыли на территории Финляндии. Э. Ф. Емлин в своих работах использовал два класса методов оценки загрязнения окружающей среды: исследование миграционных сред (водных потоков) и исследование депонирующих сред (почвенных горизонтов, снегового покрова, растительности, иловых отложений). В г. Екатеринбурге проводятся комплексное геохимическое и минералогическое исследования поверхностного осадка с целью определения источников и причин загрязнения городской среды [Селезнев и др., 2017, 2018 Илгашева и др., 2018, 2019]. В пределах жилой застройки были выбраны шесть экспериментальных площадок, типичных для города и равномерно распределенных по его территории. Каждая экспериментальная площадка включает внутридворовое пространство и прилегающую часть улицы. Седьмой площадкой является район озера Балтым в зимний период. Такая конфигурация позволяет исследовать полный цикл образования и отложения поверхностного осадка, связанного с локальными факторами городской среды, в том числе охарактеризовать поверхностные отложения на урбанизированных территориях как элемент современного седиментогенеза. 15

2. Характеристика района исследования (город Екатеринбург) 2.1. Физико-географическая характеристика Город Екатеринбург является крупным промышленным, научным и культурным центром, а также административными центром Уральского федерального округа и Свердловской области. Площадь муниципального образования «город Екатеринбург» составляет 1142,9 км 2. Екатеринбург расположен в восточных предгорьях Среднего Урала, на берегах реки Исеть. Город находится в зоне умеренно-континентального климата с ярко выраженной изменчивостью погодных условий и выраженными сезонами года. Холодный сезон длится обычно около пяти месяцев с ноября по апрель, теплое время года составляет примерно 65–70 дней. Средняя температура января −14 °C, средняя температура июля +19 °C [Мороков, 1981]. В районе Екатеринбурга преобладает западный перенос воздушных масс. Средний Урал, несмотря на незначительную высоту, является существенной преградой на пути воздуха, поступающего с акватории Северной Атлантики (рис. 5). В результате на западных предгорьях Среднего Урала выпадет больше атмосферных осадков, чем на восточных предгорьях, что не способствует очищению атмосферы осадками в районе Екатеринбурга [Капустин, 1998]. 16

Рис. 5. Экологическая модель г. Екатеринбурга (МНГП…, 2010) 17

Основными источниками загрязнения атмосферы в городе являются предприятия машиностроения и металлообработки, металлургии, электроэнергетики, строительной промышленности, химии и нефтехимии, предприятия по производству стройматериалов, автомобильный и железнодорожный транспорт [Ежегодник, 2016]. За чертой города находятся предприятия черной и цветной металлургии и машиностроения, месторождения Cu, которые попадают в зону действия розы ветров и также влияют на загрязнение атмосферы (рис. 6). Рис. 6. Схема размещения техногенных объектов и заказников. Лист O-41. Масштаб 1:5000000 (Государственная…, 2011) Высокая степень загрязнения воздуха обусловлена расположением города в зоне низкой рассеивающей способности атмосферы (рис. 5). По опубликованным данным [Ежегодник, 2016] за период 2011–2015 г. возросла запыленность воздуха. При определенных метеоусловиях происходит наложение выбросов предприятий г. Екатеринбурга и расположенных в его окрестностях. В течение последних лет наблюдается тенденция к увеличению выбросов от автотранспорта вследствие увеличения числа автомобилей в городе. 18

По данным пояснительной записки к Государственной геологической карте Российской Федерации территория города Екатеринбурга относится к территории с кризисной эколого-геологической ситуацией. Районы, прилегающие к городу, относятся к территории с напряженной экологогеологической ситуацией (рис. 7) Рис. 7. Схема оценки эколого-геологической обстановки. Лист O-41. Масштаб 1:5000000 (Государственная…, 2011) 19

Геологическая характеристика 2.2. Город Екатеринбург расположен на восточном склоне Среднего Урала в зоне Восточно-Уральского поднятия, сформированного в результате общей инверсии Уральской эвгеосинклинали и связанных с ней мощных складчатых и разрывных дислокаций, а также внедрения больших масс гранитной магмы в позднепалеозойское время [Государственная…, 2011]. Литогенный субстрат на рассматриваемой территории представлен следующими коренными породами и палеозойскими литологическими комплексами (рис. 8): 1. Каменноугольная система. Нижний отдел. Арамильская толща. Песчаники, гравелиты, конгломераты, алевролиты, сланцы кремнистые, углисто-кремнистые, глинистые, яшмоиды, известняки. 2. Девонская система. Нижний отдел. Медведевская толща. Базальты, андезибазальты порфировые, их туфы, туфопесчаники, кремнистые и углеродисто-кремнистые сланцы, кварциты. 3. Ордовикская система. Средний-верхний отделы. Новоберезовская толща. Базальты афировые, вариолиты, туфопесчаники, туфоалевролиты, туффиты, кремнистые сланцы, зеленые сланцы, кварциты, амфиболиты. Многочисленные интрузии представлены следующими ассоциациями:  Верх-Исетский комплекс гранодиорит-гранитовый. Граниты.  Монетнинский комплекс габбро-диорит-плагиогранитовый. Габбро.  Уктусский комплекс дунит-верлит-клинопироксенитовый. Верлиты, клинопироксениты.  Ультраосновные породы нерасчлененные: серпентиниты, тальк- карбонатные породы. 20

Рис 8. Карта доплиоценовых образований (фрагмент). Лист О-41. Масштаб 1:1000000 (Государственная…, 2011) Рыхлые четвертичные позднеплейстоценовые-голоценовые отложения практически представлены сплошным в чехлом основном перекрывают следующими коренные породы генетическими и типами [Государственная…, 2011] (рис. 9):  Элювий и делювий. Глины и суглинки с выветрелым щебнем подстилающих пород и редким гравием кварца (до 5 м);  Североуральский надгоризонт; зырянский надгоризонт. Делювий. Суглинки и супеси бурые со слабо выветрелым щебнем местных пород и редким полимиктовым гравием (до 5 м). 21

Рис. 9. Карта плиоцен-четвертичных образований (фрагмент). Лист О-41. Масштаб 1:1000000 (Государственная…, 2011) В целом Екатеринбург расположен в пределах Березовского почвенного района, где почвообразование протекает на элювиально-делювиальных и делювиальных отложениях. Ведущее место в этом районе занимают сочетания дерново-подзолистых, болотно-подзолистых и болотных низинных торфяных почв. Однако с момента основания в городе накапливаются техногенные отложения и по оценкам Емлина современная мощность техногенных грунтов и искусственных почв в среднем составляет 3 метра [Емлин, 1998]. В настоящее время техногенные насыпные грунты преобладают на территории города и образуют ненарушенный покров в жилых районах. 22

3. Методика опробования поверхностных отложений В г. Екатеринбурге выбраны следующие площадки для проведения опробования отложений: ул. Смазчиков, д. 6-8; ул. Краснолесье, д. 16/1-18/1; ул. Родонитовая, д.5; ул. Фрунзе, д. 62; ул. Маршала Жукова, д.7-9; ул. Машиностроителей, д. 67-69 - ул. Лукиных, д.8-10 и площадка в районе озера Балтым (табл. 1, рис. 10). Таблица 1. Данные экспериментальных площадок Адрес № площадки ул. Смазчиков, д. 6-8 1 ул. Краснолесья, д. 16/1-18/1 2 ул. Родонитовая, д.5 3 ул. Фрунзе, д. 62 4 ул. Маршала Жукова, д.7-9 5 ул. Машиностроителей, д. 67-69, ул. Лукиных, д.8-10 6 оз. Балтым 7 23

Рис. 10. Расположение экспериментальных площадок (карта API.2GIS). Масштаб 1:2000 Каждая площадка является типичным примером застройки для г. Екатеринбурга. Отличается год застройки, геологическое и географическое расположение площадки. Общим остается наличие следующих функциональных зон: проезжая часть улицы, тротуар и газон с наружной стороны зданий, внутренняя часть двора с внутридворовыми проездами, санкционированными и несанкционированными автостоянками, детской площадкой, зеленой зоной (рис. 11-12). Площадка в районе озера Балтым выбрана для определения уровня загрязнения, вызванного автомобильным транспортом, т.к. в зимний период на льду озера проводятся автомобильные заезды. Рис. 11. Зеленая зона (экспериментальная площадка №5) 24

Рис. 12. Несанкционированная парковка (экспериментальная площадка №5) Пробы для настоящего исследования отбирались в зимний период (декабрь и февраль) и летний период (июль-август). По литературным данным, исследования, проведенные ранее, включали в себя отбор только снеговых проб. Таким образом, настоящее исследование расширило область изучения состава и генезиса поверхностного осадка. На каждой площадке в каждый из сезонов было отобрано пять образцов осадочного материала, почв и грунтов в разных функциональных зонах микроландшафта. В зимнее время года на площадках было проведено опробование снежного покрова. 25

4. Физико-химические характеристики твердого осадка Гранулометрический анализ проб поверхностного осадка 4.1. Первым этапом изучения поверхностного осадка является гранулометрический анализ. Гранулометрический анализ включает в себя определение размеров и количественного соотношения частиц, слагающих рыхлую горную породу. Результатом гранулометрического анализа является определение гранулометрического состава образца. Гранулометрический состав - относительное содержание в почве, горной породе или искусственной смеси частиц различных размеров независимо от их химического или минералогического состава. Для определения гранулометрического состава были использованы методы гранулометрии [Вадюнина, 1986]. Гранулометрический состав образцов определялся по весовому содержанию в них частиц различной крупности, выраженному в процентах по отношению к весу сухой пробы, взятой для анализа. Каждый образец поверхностных отложений был разделен на 6 гранулометрических фракций с размером частиц: >1 мм, 0,25-1 мм, 0,002-0,01 мм, 0,01-0,05 мм, 0,05-0,1 мм, 0,1-0,25 мм. Отделение фракции >1 мм Фракция с размером частиц размером >1 мм отделялась сухим просеиванием навески через сито с диаметром отверстий 1 мм ручным способом. Задержавшийся на сите отсев высыпался в фарфоровую ступку и дополнительно растирался пестиком с резиновым наконечником, после чего вновь просеивался. На сите оставались частицы >1 мм. Отделение фракции 0,25-1 мм Навеска с размером частиц <1 мм помещалась в фарфоровую ступку. В навеску добавлялась дистиллированная вода. Полученная масса перемешивалась и растиралась пестиком с резиновым наконечником до состояния густой однородной пасты. Паста переносилась на сито с диаметром отверстий 0,25 мм. В нее добавлялась дистиллированная вода. Полученная 26

масса промывалась на сите и растиралась пестиком с резиновым наконечником до тех пор, пока с сита не шла прозрачная вода. Твердый осадок, задержавшийся на сите, относился к гранулометрической фракции 0,25-1 мм, смывали в пластиковый лоток дистиллированной водой. Раствор с фракцией 0,25-1 мм высушивался в пластиковом лотке и взвешивался. Отделение фракции 0,002-0,01 мм Затем остаток навески после отделения фракции 0,25-1 мм равномерно распределялся по стаканам объемом 1 л. В стаканы добавлялась дистиллированная вода. Полученная в стаканах суспензия взмучивалась стеклянной палочкой. Для осаждения фракции >0,01 мм суспензию оставляли на 20 минут [Вадюнина, 1986]. Время осаждения частиц размером >0,01 мм рассчитывалось по формуле Стокса. Затем раствор сливался слоем в 10 см. Такая процедура отмучивания повторялась до тех пор, пока вода в стаканах не становилась светлой. Объем дистиллированной воды составлял не более 50 л. Слитый раствор, содержащий фракцию <0,01 мм, фильтровался через мембранные фильтры «синяя лента» с размером пор 0,002 мм на приборе вакуумного фильтрования. На фильтрах задерживалась фракция 0,002-0,01 мм. Фильтры с фракцией 0,002-0,01 мм высушивались и взвешивались. Отделение фракции 0,01-0,05 мм Далее в стаканы с остатком навески, содержащим частицы размером >0,01 мм, добавлялась дистиллированная вода. Суспензия взмучивалась стеклянной палочкой. Для осаждения частиц размером >0,05 мм суспензию оставляли 2 минуты. Время осаждения частиц размером >0,05 мм рассчитывалось по формуле Стокса. Затем раствор сливался слоем в 10 см. Процедура отмучивания повторялась до тех пор, пока вода не становилась светлой. Объем дистиллированной воды составлял не более 50 л. Слитый раствор, содержащий частицы размером 0,01-0,05 мм, фильтровался через мембранные фильтры «красная лента» с размером пор 0,008 мм на приборе вакуумного фильтрования. На фильтрах задерживалась 27

фракция 0,01-0,05 мм. Фильтры с фракцией 0,01-0,05 мм высушивались и взвешивались. Отделение фракции 0,05-0,1 мм Остаток навески после извлечения фракции 0,01-0,05 мм промывался на сите с диаметром отверстий 0,1 мм. Полученный раствор с фракцией 0,05-0,1 мм высушивался. На сите задерживалась фракция 0,1-0,25 мм. Полученный материал гранулометрических фракций 0,05-0,1 мм и 0,10,25 мм высушивался и взвешивался. Фракции, полученные после разделения исходной навески, переносились в заранее взвешенные конверты. Массу всех фракций отложений складывали. Потерю материала проб при просеивании разносили по всем фракциям пропорционально их весу. Содержание каждой фракции (А, в %) вычисляли по формуле: А gф g 100% , где gф – масса данной фракции, г; g – масса всей пробы, г. Результаты гранулометрического анализа В таблицах 2-13 представлены результаты гранулометрического анализа образцов компонентов городской среды, отобранных на экспериментальных площадках №1-6. Таблицы содержат номер пробы, суммарную массу поверхностного осадка в исследованной навеске пробы и массы отдельных фракций частиц размером более 1 мм, 0,25-1 мм, 0,1-0,25 мм, 0,05-0,1 мм, 0,01-0,05 мм и 0,002-0,01 мм. 28

Таблица 2. Результаты гранулометрического анализа образцов, отобранных на экспериментальной площадке №1 в зимний период Масса фракции, г Номер пробы >1 мм 0,251 мм 0,10,25 мм 0,050,1 мм 0,010,05 мм 0,0020,01 мм Сумма 021-З 225,0 10,1 6,9 7,4 3,0 13,9 266,3 023-З 1,3 0 0 0 0 <1 >1,3 035-З 32,5 11,5 12,2 28,0 11,5 17,4 113,1 057-З 16,7 10,5 9,6 25,2 15,6 15,5 93,2 065-З 39,9 53,4 46,0 204,3 86,0 1,3 431,0 Таблица 3. Результаты гранулометрического анализа образцов, отобранных на экспериментальной площадке №1 в летний период Масса фракции, г Номер пробы >1 мм 0,250,0020,10,050,011 0,01 Сумма 0,25 мм 0,1 мм 0,05 мм мм мм 021 26,5 75,9 0 37,3 13,8 8,6 245,6 023 73,7 20,5 13,9 61,6 29,9 20,5 274,6 035 57,0 38,7 30,8 89,2 14,3 10,5 264,2 057 40,0 73,4 81,2 39,3 16,2 11,0 215,4 065 37,1 44,0 55,7 63,5 18,8 13,0 243,7 29

Таблица 4. Результаты гранулометрического анализа образцов, отобранных на экспериментальной площадке №2 в зимний период Масса фракции, г Номер пробы >1 мм 0,250,10,050,010,0021 Сумма 0,25 мм 0,1 мм 0,05 мм 0,01 мм мм 015-З 20,8 4,6 4,6 8,1 6,2 3,2 47,4 029-З 7,7 4,5 3,9 6,0 3,3 1,8 27,2 043-З 42,6 8,0 6,0 8,4 3,5 2,7 71,2 099-З 9,3 3,7 3,1 3,6 2,7 1,1 23,5 113-З 0,8 0 0 0 0 <1 >0,8 Таблица 5. Результаты гранулометрического анализа образцов, отобранных на экспериментальной площадке №2 в летний период Номер пробы Масса фракции, г >1 мм 0,251 мм 0,10,050,25 мм 0,1 мм 0,010,05 мм 0,0020,01 мм Сумма 015 0 39,6 37,2 49,5 51,6 45,0 222,9 029 190,4 59,2 57,1 29,8 20,7 19,3 262,7 043 91,5 43,1 93,7 129,4 18,3 11,4 298,1 099 44,3 67,9 81,7 47,6 14,7 19,5 284,3 113 55,7 26,8 20,9 62,0 38,3 22,7 235,5 30

Таблица 6. Результаты гранулометрического анализа образцов, отобранных на экспериментальной площадке №3 в зимний период Масса фракции, г Номер пробы >1 0,25-1 0,10,05-0,1 мм мм 0,25 мм мм 0,010,05 мм 0,0020,01 мм Сумма 001-З 6,0 2,7 4,3 7,2 3,8 <1 >23,9 003-З 6,0 4,7 4,9 24,9 10,9 3,4 54,7 059-З 1,2 1,0 1,2 2,7 0,7 <1 >6,7 071-З 0 0 0 0 0 <1 <1 085-З 0 0 0 0 1,9 <1 >1,9 Таблица 7. Результаты гранулометрического анализа образцов, отобранных на экспериментальной площадке №3 в летний период Номер пробы Масса фракции, г >1 мм 0,25-1 мм 0,10,25 мм 0,050,1 мм 0,010,05 мм 0,0020,01 мм Сумма 001 96,0 31,2 44,3 51,6 26,5 23,4 275,7 003 42,8 27,4 36,7 37,0 25,7 12,9 176,5 059 57,7 47,9 56,2 56,4 14,3 11,9 254,0 071 79,6 35,3 41,1 61,5 31,1 16,6 265,2 085 19,5 57,8 89,5 62,1 16,6 13,6 269,4 31

Таблица 8. Результаты гранулометрического анализа образцов, отобранных на экспериментальной площадке №4 в зимний период Масса фракции, г Номер пробы >1 мм 0,25-1 мм 0,10,25 мм 0,050,1 мм 0,010,05 мм 0,0020,01 мм Сумма 011-З 8,1 0,8 0,2 0,4 -0,1 <1 >9,5 031-З 11,3 11,5 16,4 48,5 8,5 3,7 99,9 037-З 27,5 22,0 21,1 66,9 32,2 53,0 222,8 045-З 0 0 0 0 0 <1 <1 051-З 260,8 14,2 8,7 23,9 9,2 6,1 322,9 Таблица 9. Результаты гранулометрического анализа образцов, отобранных на экспериментальной площадке №4 в летний период Номер пробы Масса фракции, г >1 мм 0,251 мм 0,10,25 мм 0,050,1 мм 0,010,05 мм 0,0020,01 мм Сумма 011 98,3 26,0 24,9 46,9 29,0 17,3 242,4 031 77,6 35,3 38,7 46,9 13,0 38,7 230,2 037 87,4 40,3 44,0 46,3 24,2 34,0 263,9 045 115,6 41,9 31,3 17,8 17,8 14,5 255,1 051 30,7 42,6 72,5 75,2 72,5 9,7 256,1 32

Таблица 10. Результаты гранулометрического анализа образцов, отобранных на экспериментальной площадке №5 в зимний период Масса фракции, г Номер пробы >1 мм 0,251 мм 0,10,25 мм 0,050,1 мм 0,010,05 мм 0,0020,01 мм Сумма 017-З 178,9 12,9 7,3 12,0 6,1 9,4 226,5 033-З 0 0 0 0 0 <1 <1 073-З 0 0 0 0 0 <1 <1 101-З 17,6 8,4 9,5 19,0 8,2 4,0 66,7 115-З 7,5 11,2 15,9 60,5 16,0 4,9 116,0 Таблица 11. Результаты гранулометрического анализа образцов, отобранных на экспериментальной площадке №5 в летний период Номер пробы Масса фракции, г >1 мм 0,251 мм 0,10,25 мм 0,050,1 мм 0,010,05 мм 0,0020,01 мм Сумма 017 102,8 17,7 23,0 35,2 22,8 19,8 230,4 033 187,3 24,9 48,0 68,7 21,7 13,8 262,3 073 63,5 22,7 22,4 54,3 56,8 48,3 270,3 101 98,7 40,1 29,3 45,6 21,6 11,0 257,6 115 68,9 36,2 31,0 47,5 27,9 19,2 237,0 33

Таблица 12. Результаты гранулометрического анализа образцов, отобранных на экспериментальной площадке №6 в зимний период Масса фракции, г Номер пробы >1 мм 0,250,10,050,010,002Сумма 1 мм 0,25 мм 0,1 мм 0,05 мм 0,01 мм 1 0 0 0 0 0 <1 <1 2 0 0 0 0 0 <1 <1 3 0 0 0 0 0 <1 <1 4 18,2 26,6 27,4 106,1 9,4 6,8 194,6 5 119,3 6,5 6,3 10,6 3,8 2,4 148,9 Таблица 13. Результаты гранулометрического анализа образцов, отобранных на экспериментальной площадке №6 в летний период Масса фракции, г Номер пробы По >1 мм 0,250,10,050,010,002Сумма 1 мм 0,25 мм 0,1 мм 0,05 мм 0,01 мм 026 170,6 24,0 22,2 27,6 17,3 14,4 279,1 040 99,2 36,7 67,8 43,1 21,0 35,2 287,9 054 139,7 27,6 30,9 32,7 17,8 14,5 271,4 064 49,7 45,7 64,2 53,5 19,7 11,6 281,9 079 67,1 30,4 41,7 80,2 15,8 10,0 255,0 данным гранулометрического анализа следует вывод, что распределение вещества по гранулометрическим фракциям в зимний и летний период неравномерно и неодинаково (рис. 13-14). В зимний период преобладает крупная фракция (>1 мм). Это обусловлено использованием мелкофракционного щебня и антигололедной посыпки в сезон отрицательных температур. Увеличение количества фракции 0,05-0,1 мм может быть обусловлено абразией дорожного покрытия шипами автомобилей. В летний период нет преобладания какой-либо фракции, отмечается общее увеличение 34

объема фракций. Так же преобладает фракция >1 мм. Источником частиц такого размера могут быть фрагменты зданий и сооружений, строительные материалы. Увеличение объема пылевой фракции обусловлено большим количество пылящих поверхностей на территории города Екатеринбург. Зимний сезон 60 50 40 30 20 10 0 >1 мм 0,25-1 мм 0,1-0,25 мм 0,05-0,1 мм 0,01-0,05 мм 0,002-0,01 мм Рис. 13. Гранулометрический состав отложений, отобранных в зимний сезон Летний сезон 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 >1 мм 0,25-1 мм 0,1-0,25 мм 0,05-0,1 мм 0,01-0,05 мм 0,002-0,01 мм Рис. 14. Гранулометрический состав отложений, отобранных в летний сезон 35

4.2. Химический анализ проб поверхностного осадка Химический анализ образцов проводился в Химико-аналитическом центре Института промышленной экологии. (ХАЦ ИПЭ УрО РАН) Общие концентрации элементов в гранулометрических образцах определяли с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ELAN 9000; Perkin Elmer Inc., США). Процедуры подготовки и анализа образцов проводились в соответствии с методикой измерения содержания металлов в твердых объектах с помощью спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой, сертифицированной Государственным бюро по охране окружающей среды Российской Федерации [PND F 16.1: 2.3: 3.11-98, 1998 г.]. Твердые образцы были подготовлены для определения общего содержания элементов с использованием экстракции тремя кислотами (HNO3, HClO4 и HF). Метод пробоподготовки аналогичен методу EPA-821-R-01-010 Агентства по охране окружающей среды США (US EPA) (2001). Процедура контроля качества измерений обеспечивалась использованием сертифицированных методик и аккредитации Химико-аналитического центра Института промышленной экологии Российской системой государственных аккредитационных лабораторий. Результаты химического анализа В таблицах 14-30 представлены результаты гранулометрического анализа проб, отобранных на экспериментальных площадках №1-6. Таблицы содержат номер пробы, гранулометрическую фракцию анализируемой навески и валовые содержания магния, алюминия, ванадия, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля, меди, цинка, селена, олова, сурьмы и свинца с учетом погрешности. 36

Таблица 14. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в зимний период. Экспериментальная площадка №1. № пробы Элемент 057-З Фракция, мм >1мм 0,002-0,01 0,01-0,05 0,05-0,1 0,1-0,25 0,25-1 Mg 44006±13202 99888±29966 98508±29552 89321±26796 84269±25281 72580±21774 Al 46414±12068 39772±10341 40789±10605 50202±13053 43874±11407 45515±11834 V 729±182 146±37 147±37 193±48 157±39 319±80 Cr 4407±881 473±95 544±109 729±146 1293±259 2075±415 Mn 20376±6113 868±261 889±267 1146±344 1909±573 6037±1811 Fe 117509±32903 41846±11717 44064±12338 52842±14796 45658±12784 73440±20563 Co 25±10 46±18 47±19 50±20 44±18 47±19 Ni 137±41 520±156 590±177 654±196 635±190 527±158 Cu 143±29 123±25 117±23 75±15 121±24 103±21 Zn 104±21 230±46 198±40 150±30 204±41 164±33 Se <0,10 <0,10 <0,10 <0,10 <0,10 <0,10 Sn 4±2 6±2 4±2 2±1 1±1 2±1 Sb 1±0 3±1 2±1 1±1 1±1 1±1 Pb 5±1 20±5 18±4 14±3 18±4 11±3 № пробы Элемент 065-З Фракция, мм >1мм 0,01-0,05 0,05-0,1 0,1-0,25 Mg 69705±20911 111443±33433 111233±33370 85318±25595 80807±24242 Al 64681±16817 45896±11933 47405±12325 45959±11949 46947±12206 V 231±58 169±42 164±41 134±34 160±40 Cr 1016±203 577±115 614±123 917±183 1178±236 Mn 1807±542 855±256 804±241 733±220 1201±360 Fe 51623±14455 48670±13627 49151±13762 40790±11421 53395±14951 Co 43±17 54±22 52±21 48±19 53±21 Ni 455±136 669±201 664±199 690±207 614±184 Cu 109±22 123±25 123±25 86±17 69±14 Zn 81±16 181±36 170±34 80±16 125±25 Se <0,10 <0,10 <0,10 <0,10 <0,10 Sn 1±0 5±2 4±2 1±0 1±0 Sb 1±0 3±2 2±1 1±1 1±1 Pb 7±2 17±4 17±4 12±3 6±2 0,25-1 37

Таблица 15. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в летний период. Экспериментальная площадка №1 № пробы Элемент 057 Фракция, мм >1 0,05-0,1 0,1-0,25 0,25-1 Mg 35691±10707 51148±15344 37493±11248 26244±7873 Al 59288±15415 56047±14572 53075±13800 46872±12187 V 74±19 152±38 82±21 52±13 Cr 519±104 389±78 467±93 1092±218 Mn 1035±311 871±261 714±214 702±211 Fe 38760±10853 35779±10018 38391±10750 28656±8024 Co 23±9 34±14 25±10 21±8 Ni 277±83 368±129 250±75 234±70 Cu 42±8 126±25 96±19 54±11 Zn 135±27 282±56 214±43 106±21 Se <0,10 <0,001 <0,10 <0,10 Sn 2±1 5±2 3±1 2±1 Sb 0,9±0,4 1±1 0,9±0,5 0,6±0,3 Pb 24±6 41±10 31±8 28±7 Таблица 16. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в летний период. Экспериментальная площадка №1 № пробы Элемент 065 Фракция, мм 0,05-0,1 0,1-0,25 0,25-1 Mg 71193±21358 61849±18555 61297±18389 Al 52034±13529 55699±14482 49674±12915 V 134±33 83±21 81±20 Cr 511±102 492±98 998±200 Mn 691±207 600±180 665±199 Fe 35036±9810 29220±8182 32379±9066 Co 40±16 31±13 33±13 Ni 476±167 418±125 447±134 Cu 258±52 118±24 126±25 Zn 202±40 85±17 112±22 Se <0,001 <0,10 <0,10 Sn 4±1 1±0 2±1 Sb 2±1 0,7±0,4 1±1 Pb 30±7 22±6 27±7 38

Таблица 17. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в зимний период. Экспериментальная площадка №2 № пробы Элемент 029-З Фракция, мм 0,05-0,1 0,1-0,25 0,25-1 Mg 54488±16346 48545±14563 53828±16148 Al 53572±13929 62465±16241 60208±15654 V 125±31 99±25 64±16 Cr 365±73 1461±292 1445±289 Mn 731±219 678±203 651±195 Fe 34876±9765 36018±10085 34044±9532 Co 34±13 28±11 30±12 Ni 404±121 369±111 430±129 Cu 92±18 73±15 86±17 Zn 199±40 130±26 96±19 Se <0,10 <0,10 <0,10 Sn 4±2 2±1 2±1 Sb 2±1 1±0 1±0 Pb 27±7 29±7 16±4 Таблица 18. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в зимний период. Экспериментальная площадка №2 № пробы Элемент 043-З Фракция, мм >1мм 0,05-0,1 0,1-0,25 Mg 50908±15272 52782±15835 65241±19572 Al 81998±21319 61810±16071 79923±20780 V 709±177 430±107 713±178 Cr 151±30 193±39 387±77 Mn 1226±368 887±266 1036±311 Fe 89871±25164 61968±17351 87572±24520 Co 59±23 46±19 61±24 Ni 46±14 193±58 102±31 Cu 350±70 295±59 263±53 Zn 72±14 147±29 118±24 Se <0,10 <0,10 <0,10 Sn 0±0 2±1 1±0 Sb 0±0 1±1 0±0 Pb 1±0 14±4 5±1 39

Таблица 19. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в летний период. Экспериментальная площадка №2 № пробы 029 Фракция, мм Элемент >1 0,05-0,1 0,1-0,25 0,25-1 Mg 83525±25058 52305±15691 63354±19006 68269±20481 Al 60428±15711 73298±19057 68818±17893 64854±16862 V 185±46 265±66 215±54 164±41 Cr 876±175 453±91 1016±203 841±168 Mn 2704±811 1472±441 1250±375 1528±458 Fe 53366±14942 58002±16241 55113±15432 46563±13038 Co 41±16 43±17 41±16 39±15 Ni 451±135 297±104 328±98 382±115 Cu 67±13 350±70 78±16 81±16 Zn 91±18 203±41 94±19 76±15 Se <0,10 <0,001 <0,10 <0,10 Sn 1±0 3±1 4±2 2±1 Sb 0,9±0,4 1±1 1±1 1±1 Pb 20±5 39±10 36±9 19±5 Таблица 20. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в летний период. Экспериментальная площадка №2 № пробы Элемент 043 Фракция, мм >1 0,05-0,1 0,1-0,25 Mg 60718±18215 50534±15160 53059±15918 Al 70730±18390 60953±15848 68118±17711 V 287±72 153±38 128±32 Cr 425±85 421±84 1046±209 Mn 949±285 796±239 644±193 Fe 63667±17827 38823±10870 37562±10517 Co 40±16 32±13 28±11 Ni 338±101 323±113 285±85 Cu 161±32 157±31 93±19 Zn 134±27 162±32 100±20 Se <0,10 <0,001 <0,10 Sn 1±1 3±1 2±1 Sb 1±1 1±1 1±1 Pb 14±3 22±6 22±6 40

Таблица 21. Валовые содержания элементов, мг/кг, в пробах. Отбор в зимний период. Экспериментальная площадка №3 № пробы Элемент 001-З 003-З Фракция, мм Фракция, мм 0,05-0,1 0,1-0,25 0,05-0,1 Mg 81626±24488 93908±28172 87400±26220 Al 44246±11504 44313±11522 43920±11419 V 154±39 176±44 134±33 Cr 556±111 1704±341 529±106 Mn 722±217 863±259 781±234 Fe 43348±12137 50944±14264 40815±11428 Co 44±18 52±21 50±20 Ni 610±183 657±197 692±208 Cu 180±36 213±43 163±33 Zn 286±57 217±43 181±36 Se <0,10 <0,10 <0,10 Sn 5±2 5±2 5±2 Sb 3±1 3±1 2±1 Pb 34±8 29±7 23±6 Таблица 22. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в летний период. Экспериментальная площадка №3 № пробы Элемент 001 Фракция, мм >1 0,002-0,01 0,01-0,05 0,05-0,1 Mg 61021±18306 64843±19453 57077±17123 58359±17508 Al 76542±19901 68982±17935 62235±16181 57283±14894 V 184±46 164±41 152±38 147±37 Cr 395±79 364±73 350±70 449±90 Mn 805±242 854±256 820±246 769±231 Fe 43065±12058 45899±12852 40064±11218 41459±11609 Co 32±13 42±17 39±16 36±14 Ni 254±76 480±168 443±155 387±135 Cu 74±15 329±66 274±55 313±63 Zn 82±16 383±77 309±62 206±41 Se <0,10 2±1 1±0,5 <0,001 Sn 2±1 6±2 5±2 4±2 Sb 0,6±0,3 3±2 3±1 2±1 Pb 13±3 53±13 47±12 30±8 41

Таблица 23. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в летний период. Экспериментальная площадка №3 № пробы Элемент 003 Фракция, мм >1 0,002-0,01 0,01-0,05 0,05-0,1 0,1-0,25 0,25-1 Mg 170701±51210 78277±23483 91751±27525 84659±25398 108095±32428 115600±34680 Al 43713±11365 50917±13238 59750±15535 50162±13042 51142±13297 44341±11529 V 126±32 130±33 151±38 155±39 110±27 107±27 Cr 1694±339 463±93 645±129 554±111 785±157 1431±286 Mn 985±296 924±277 1042±313 769±231 749±225 827±248 Fe 49637±13898 39944±11184 43978±12314 38674±10829 45214±12660 42138±11799 Co 67±27 47±19 56±22 47±19 43±17 48±19 Ni 1020±306 636±223 754±264 611±214 562±169 666±200 Cu 137±27 357±71 330±66 179±36 145±29 153±31 Zn 121±24 466±93 383±77 214±43 158±32 161±32 Se <0,10 <0,001 <0,001 <0,001 <0,10 <0,10 Sn 3±1 12±5 11±4 10±4 4±2 4±2 Sb 2±1 6±3 5±3 2±1 2±1 3±2 Pb 16±4 46±12 49±12 41±10 26±6 23±6 Таблица 24. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в зимний период. Экспериментальная площадка №4 № пробы Элемент 031-З 051-З Фракция, мм Фракция, мм 0,05-0,1 0,1-0,25 0,25-1 >1мм 0,05-0,1 Mg 70660±21198 85947±25784 98319±29496 48833±14650 72757±21827 Al 43901±11414 47749±12415 40559±10545 78936±20523 52518±13655 V 138±35 121±30 115±29 587±147 303±76 Cr 478±96 1047±209 1420±284 134±27 353±71 Mn 774±232 875±262 1022±307 1171±351 833±250 Fe 41898±11732 41583±11643 47365±13262 77954±21827 57948±16225 Co 42±17 49±20 56±23 54±22 47±19 Ni 528±158 604±181 697±209 60±18 389±117 Cu 104±21 117±23 91±18 384±77 277±55 Zn 176±35 141±28 113±23 88±18 222±44 Se <0,10 <0,10 <0,10 <0,10 <0,10 Sn 4±2 4±1 8±3 0±0 7±3 Sb 2±1 1±1 1±0 0±0 6±3 Pb 27±7 23±6 14±3 16±4 32±8 42

Таблица 25. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в летний период. Экспериментальная площадка №4 № пробы Элемент 011 031 Фракция, мм Фракция, мм >1 0,05-0,1 >1 0,002-0,01 0,01-0,05 0,05-0,1 Mg 105513±31654 60780±18234 127416±38225 69060±20718 66040±19812 72040±21612 Al 55898±14533 56057±14575 55892±14532 59996±15599 57385±14920 54348±14131 V 142±35 164±41 111±28 145±36 145±36 146±36 Cr 636±127 355±71 1143±229 398±80 399±80 541±108 Mn 955±287 946±284 763±229 1143±343 980±294 849±255 Fe 49081±13743 42608±11930 41901±11732 44812±12547 41349±11578 43100±12068 Co 45±18 36±15 47±19 44±18 42±17 41±16 Ni 565±169 354±124 695±208 559±196 529±185 508±178 Cu 76±15 358±72 78±16 391±78 264±53 375±75 Zn 165±33 292±58 184±37 553±111 384±77 336±67 Se <0,10 <0,001 <0,10 0,4±0,2 <0,001 <0,001 Sn 2±1 6±2 4±1 9±4 7±3 5±2 Sb 1±1 2±1 5±2 4±2 3±2 3±1 Pb 28±7 41±10 28±7 75±19 53±13 45±11 Таблица 26. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в зимний период. Экспериментальная площадка №5 № пробы Элемент 101-З Фракция, мм >1мм 0,05-0,1 0,1-0,25 Mg 86176±25853 68263±20479 71097±21329 Al 47676±12396 46422±12070 45157±11741 V 267±67 149±37 120±30 Cr 1265±253 469±94 1408±282 Mn 997±299 728±218 672±202 Fe 57217±16021 41661±11665 39286±11000 Co 54±22 41±16 38±15 Ni 622±187 508±152 503±151 Cu 234±47 118±24 106±21 Zn 63±13 182±36 173±35 Se <0,10 <0,10 <0,10 Sn 1±0 4±2 3±1 Sb 1±0 3±2 2±1 Pb 4±1 26±6 26±7 43

Таблица 27. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в зимний период. Экспериментальная площадка №5 № пробы Элемент 115-З Фракция, мм 0,01-0,05 0,05-0,1 0,1-0,25 0,25-1 Mg 105692±31708 81676±24503 89863±26959 88271±26481 Al 50421±13109 44494±11568 48004±12481 51786±13464 V 171±43 145±36 155±39 210±52 Cr 529±106 500±100 1119±224 1630±326 Mn 848±254 743±223 811±243 1323±397 Fe 47845±13397 42295±11843 43781±12259 63817±17869 Co 52±21 44±17 47±19 55±22 Ni 611±183 560±168 603±181 552±166 Cu 153±31 131±26 118±24 129±26 Zn 198±40 152±30 98±20 111±22 Se <0,10 <0,10 <0,10 <0,10 Sn 10±4 5±2 1±1 5±2 Sb 4±2 3±1 1±1 1±0 Pb 26±6 21±5 13±3 10±2 Таблица 28. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в летний период. Экспериментальная площадка №5 № пробы Элемент 017 033 Фракция, мм Фракция, мм >1 0,05-0,1 >1 0,05-0,1 Mg 141062±42319 81818±24545 176138±52841 87591±26277 Al 39976±10394 48792±12686 29537±7680 47052±12233 V 158±39 160±40 80±20 131±33 Cr 1212±242 572±114 1209±242 532±106 Mn 895±269 837±251 738±221 753±226 Fe 45049±12614 44919±12577 38674±10829 41050±11494 Co 58±23 44±18 65±26 45±18 Ni 909±273 559±196 1163±349 545±191 Cu 115±23 313±63 31±6 190±38 Zn 177±35 272±54 91±18 202±40 Se <0,10 <0,001 <0,10 <0,001 Sn 4±2 7±3 1±0 4±2 Sb 2±1 3±1 1±1 2±1 Pb 22±6 34±9 10±3 27±7 44

Таблица 29. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в зимний период. Экспериментальная площадка №6 № пробы Элемент 4 5 Фракция, мм Фракция, мм 0,002-0,01 0,01-0,05 0,05-0,1 0,1-0,25 0,25-1 >1мм Mg 120392±36118 129403±38821 95246±28574 125766±37730 136297±40889 13662±4099 Al 43301±11258 42591±11074 33911±8817 40582±10551 44003±11441 76409±19866 V 153±38 156±39 126±31 136±34 156±39 121±30 Cr 583±117 662±132 564±113 1123±225 1444±289 309±62 Mn 821±246 826±248 728±218 846±254 1283±385 425±127 Fe 47290±13241 49096±13747 41101±11508 45663±12786 59588±16685 25533±7149 Co 50±20 55±22 47±19 59±24 71±28 14±5 Ni 632±190 744±223 654±196 896±269 986±296 42±13 Cu 155±31 146±29 117±23 89±18 90±18 118±24 Zn 177±35 167±33 135±27 77±15 112±22 54±11 Se <0,10 <0,10 <0,10 <0,10 <0,10 <0,10 Sn 4±2 4±1 3±1 1±0 2±1 1±0 Sb 3±2 3±2 2±1 1±1 1±1 0±0 Pb 25±6 22±5 16±4 10±2 8±2 25±6 Таблица 30. Валовые содержания элементов, мг/кг. Отбор в летний период. Экспериментальная площадка №6 № пробы Элемент 040 Фракция, мм >1 0,002-0,01 0,01-0,05 0,05-0,1 0,1-0,25 Mg 75411±22623 21875±6563 23870±7161 23291±6987 9262±2779 Al 54493±14168 73077±19000 81696±21241 62363±16214 26152±6800 V 170±43 175±44 191±48 151±38 52±13 Cr 508±102 210±42 234±47 227±45 1128±226 Mn 1028±308 949±285 1005±301 1113±334 384±115 Fe 40912±11455 41326±11571 44923±12578 37609±10530 22872±6404 Co 42±17 24±10 26±10 24±10 11±5 Ni 488±146 165±58 180±63 138±48 84±25 Cu 61±12 334±67 427±85 240±48 51±10 Zn 204±41 527±105 594±119 357±71 68±14 Se <0,10 1±0,4 5±2 <0,001 <0,10 Sn 2±1 4±1 4±2 3±1 1±1 Sb 1±1 2±1 2±1 1±1 0,6±0,3 Pb 29±7 59±15 64±16 49±12 27±7 45

По данным химического анализа отмечена корреляция между такими парами элементов, как: Ni-Co, Fe-Cr, V-Fe (рис 15-17). Точки на графике, значительно отклоняющиеся от линии тренда, отражают антропогенное загрязнение, в том числе шлаковыми частицами. Искомой корреляции между Cu и Zn не обнаружено (рис. 18). Это связано с тем, что в поверхностном осадке отсутствуют минеральные ассоциации Cu-Zn-Pb, но присутствуют шлаковые частицы, имеющие в своем составе один из этих элементов, и латунная стружка, используемая в конструкции автомобильного транспорта. Соотношение в паре Ni-Co 800 700 600 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 Рис. 15. Соотношение элементов в паре Ni-Co Соотношение в паре Fe-Cr 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Рис. 16. Соотношение элементов в паре Fe-Cr 46

Соотношения в паре V-Fe 70000 60000 50000 40000 30000 20000 10000 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 Рис. 17. Соотношение элементов в паре V-Fe Соотношение в паре Cu-Zn 350 300 250 200 150 100 50 0 0 50 100 150 200 250 300 350 Рис. 18. Соотношение элементов в паре Cu-Zn 47

4.3. Оптические методы исследований Под бинокулярным микроскопом МБС-10 проводилось определение минерального состава фракций 0,1-0,25 мм и 0,25-1 мм, выделялись техногенные образования, фрагменты органики и минеральные монофракции. Для диагностики использовались такие внешние признаки минералов как: морфология кристаллов, строение агрегатов, блеск, цвет минерала, цвет черты, твердость, спайность и/или отдельность, магнитные свойства. Частицы и монофракции минералов фотографировались с помощью оптического микроскопа Axioplan 2 фирмы Carl Zeiss и бинокулярного микроскопа МБС10, оснащенных фотоаппаратом Olypmus C-5060. В ходе работы были выделены следующие основные минералы: 1) Кварц. Окатанные зерна, бесцветные или белого цвета. Прозрачность варьирует от непрозрачных до почти прозрачных. Зерна характеризуются наличием залеченных трещин. Неокатанные зерна характеризуются раковистым изломом. 2) Группа полевых шпатов. Зерна плагиоклазов, калиевых полевых шпатов. Зерна имеют слегка удлиненную форму, в некоторых проявляется совершенная спайность. Цвет зерен от белого до слегка розоватого. 3) Группа амфиболов. Удлиненные зерна черного или темно-зеленого цвета. Часто наблюдаются грани кристаллов и совершенная спайность. В пробах, отобранных с проезжей части или газонов, наблюдаются волокна асбеста. 4) Группа слюд. Пластинчатые кристаллы биотита и мусковита. Цвет кристаллов от светло-коричневого до черного. Пластинки обладают высокой упругостью. При исследовании с помощью СЭМ в кристаллах биотита были обнаружены включения кристаллов циркона. 5) Магнетит. Кристаллы черного цвета, часто с острыми гранями. Магнетит выделялся отдельно в магнитную фракцию с использованием магнита Сочнева. 48

6) Лимонит и гидрооксилы железа. Светло-желтые охристые образования, обладающие низкой твердостью и высокой хрупкостью. 7) Другие минералы. К ним относятся минералы, встречающиеся редко и/или не во всех пробах. Тальк – хорошо окатанные частицы светло зеленого цвета с низкой твердостью. Минералы группы гранатов – хорошо окатанные зерна красновато-коричневого цвета с высокой твердостью. Эпидот – светлозеленые слегка удлиненные кристаллы. 8) Органические включения: торф, органические остатки, листва, трава и т.п. (рис. 26-27). 9) Строительные материалы: кирпич, штукатурка, частицы гранита, мрамора, габбро, битум. 10) Зола и техногенные частицы: золошлаки, сферические частицы (рис. 28-29). На минералов, рисунках представлены монофракции монофракции темноокрашенных светлоокрашенных минералов, монофракции магнитных минералов, монофракции органического вещества, монофракции техногенных частиц (рис. 19-29). Рис 19-20. Монофракции светлоокрашенных минералов (пробы №057-3, 037-3) 49

Рис. 21-22. Монофракции темноокрашенных минералов (пробы №057-3, 037-3) Рис. 23-25. Монофракции магнитных минералов (пробы №057-З, 043-3, 054-3) Рис. 26-27. Монофракции органического вещества (пробы № 035-З, 099) 50

Рис. 28-29. Монофракции техногенных частиц (пробы № 051-3, 057) Методы оптической микроскопии и визуальной диагностики были использованы для выделения техногенных частиц из навески. С помощью методов визуальной диагностики определялись следующие внешние признаки частиц: морфология частиц (в т.ч. степень окатанности), цвет и прозрачность, размер частиц. Форма частиц определяется генезисом и временем нахождения частицы в осадке. Цвет и прозрачность частиц напрямую зависят от их химического состава и преобладания тех или иных оксидов. Размер частиц указан в мкм, верхняя граница размерности составляет 1000 мкм. Это обусловлено размером отверстий сит, используемых при гранулометрическом анализе проб. Минимальный размер частиц установлен с помощью методов СЭМ. Для обобщения полученной информации мною была составлена классификация техногенных частиц [Илгашева и др., 2018], в которой кроме внешних признаков представлен химический состав, полученный с помощью ЭДС, и уточнен генезис частиц. Генезис определяет, прежде всего, такие параметры, как температура образования частицы и химический состав сырья для ее получения. К этому критерию можно отнести скорость остывания сырья, и особенности процесса кристаллизации. Исходя из этих данных, был сделан вывод по принадлежности частиц к определенному классу (табл. 31). 51

Таблица 31. Классификация техногенных частиц в поверхностном осадке (начало) Класс Морфология Шлаковая стекловидная Частицы со стекловидной структурой и раковистым изломом, слабо или плохо окатанные обломки Шлаковая камневидная Камневидные частицы, часто с пористой структурой, кристаллизованные, обломки хорошо и средне окатанные. Микросферы силикатные Форма частиц сферическая, слегка сплюснутая или деформированная. Поверхность корродирована, видны углубления и трещины. Микросферы железистые (в т.ч. магнетитовые сферулы) Обломки строительных материалов. Кирпич Обломки строительных материалов. Штукатурка Тарное стекло Сферы, с ровной поверхностью “такырного” типа или с растресканной призматической текстурной поверхностью Хорошо или совершенно окатанные обломки, состоящие из нескольких компонентов (Q, глинистый материал, белила) Тонкие, уплощенные частицы, отличающиеся высокой хрупкостью. Степень окатанности не определяется Стекловидные обломки с раковистым изломом, в зависимости от времени нахождения в осадке степень окатанности от плохо до совершенно окатанных обломков Цвет, прозрачность Черные, темно-коричневые, темно-зеленые, серые, светложелтые до бесцветных, прозрачные и полупрозрачные Серые, темно-коричневые, темно-зеленые, просвечивают в тонких сколах или непрозрачные Черные, темно-коричневые; со стеклянным блеском, непрозрачные или бесцветные полупрозрачные с сильным стеклянным блеском. Размер (min-max), мкм 500-2000 500-800 Генезис Сжигание топлива высокой зольности, быстрое охлаждение водой или воздухом Сжигание топлива высокой зольности, медленное остывание, которое ведет к кристаллизации 450-1000 Сгорание высокозольного сырья (1500-1700°С) Стального-серого цвета, часто с тонкими пленками оксидов железа, непрозрачные. 3-800 Металлургическое производство Красно-коричневые, темнокрасные с вкрапленниками, непрозрачные. 500-700 Разрушение строительных материалов От светло-серого до белого цвета, непрозрачные, матовые. 500-800 Разрушение строительных материалов Бесцветные, желтые, голубые, зеленые, прозрачные. 500-1000 Бытовой мусор 52

Таблица 31. Классификация техногенных частиц в поверхностном осадке (окончание) Фольга Шины Угольная пыль Фрикционный материал Фрагменты тормозных систем автомобилей Тонкие, легко поддающиеся деформации пленки. Степень окатанности не определяется Гладкие частицы, характеризуются высокой упругостью Разнообразие морфологии, полуоплавленные и полуокатанные частицы Тонкодисперсные частицы силиката циркония, сульфида железа и вермикулита в общей гидрослюдистой массе Металлические обломки неправильной остроугольной формы Стальной серый цвет с сильным металлическим блеском, непрозрачные Черного цвета непрозрачные с матовым блеском Черные с сильным матовым, полуматовым или блестящим блеском, непрозрачные 900-1000 Фрагменты алюминиевой фольги 200-800 Автомобильные шины 100-1000 Сжигание древесного угля Серого или серовато-желтого цвета, неотличимы от глинистых осадков 1-10 Эксплуатация тормозных колодок Стального-серого цвета с металлическим блеском, непрозрачные 500-1000 Тормозные диски автомобилей 53

Шлаковые стекловидные частицы. Как видно на рисунках 30-31, это угловатые, полупрозрачные или непрозрачные образования черного, темнозеленого или темно-коричневого цвета. Структура таких частиц стекловидная. Характеризуются раковистым изломом. Размер частиц колеблется от 500 до 1000 мкм. За счет высокой вязкости расплава они застывают в виде аморфного тела - стекла. Рис. 30-31. Шлаковые стекловидные частицы (фото с бинокулярного микроскопа) Камневидные шлаковые частицы. Такие частицы представлены на рисунках 32-33. Это полупрозрачные до непрозрачных, хорошо или слабо окатанные образования, серого, темно-коричневого, темно-зеленого цвета. Часто с пористой или вкрапленной структурой. Размер частиц составляет 500800 мкм. Рис. 32-33. Шлаковые камневидные частицы (фото с бинокулярного микроскопа) 54

Микросферы. В зависимости от химического состава, микросферы могут быть разделены на две группы: силикатные (рис. 34-37) и железистые. Силикатные микросферы или алюмосиликатные полые микросферы (АСПМ) - это стекловидные алюмосиликатные шарики, которые образуются при высокотемпературном факельном сжигании угля или другого топлива высокой зольности. Являются самыми ценными компонентами зольных отходов тепловых электростанций [Л. Кизильштейн, 2008]. Рис. 34-37. Силикатные микросферы (слева фото с бинокулярного микроскопа) Строительные материалы. К строительным материалам относятся фрагменты керамического кирпича, штукатурки и бетона. На рисунках 38-39 приведен пример керамического кирпича, который имеет характерный красновато-коричневый цвет. Такие частицы характеризуются хорошей степенью окатанности. Размер обломков в пробах составляет 500-700 мкм. 55

Частицы штукатурки тонкие, уплощенные. Характеризуются высокой хрупкостью. Цвет частиц светло-серый до белого. Размер частиц в пробах редко превышает 800 мкм. Из-за повышенной хрупкости, при подготовке проб, более крупные частицы могли быть раздроблены. Рис. 38-39. Обломок строительных материалов: кирпич (фото с бинокулярного микроскопа) Тарное стекло. Осколки и фрагменты тарного стекла представлены на рисунках 40-41. Это бесцветные, желтые, голубые или зеленые прозрачные частицы. Размер обломков составляет 500-1000 мкм. Рис. 40-41. Тарное стекло (фото с бинокулярного микроскопа) Алюминиевая фольга. Фрагменты фольги представлены тонкими пленками стального серого цвета с сильным металлическим блеском. Размер частиц составляет 800-1000 мкм. Легко царапаются иглой и деформируются. 56

Автомобильные шины. Фрагменты автомобильных шин удлиненные, черного или темно-серого цвета, с гладкой матовой поверхностью. Размер составляет от 200 до 2000 мкм (рис. 42). Обладают хорошей упругостью. Рис. 42. Частицы автомобильных шин (фото с бинокулярного микроскопа) Угольные частицы. В пробах, отобранных в зимний период, наблюдаются угольные частицы (рис. 43). Их исследование с помощью СЭМ затруднено, т.к. точное содержание углерода установить невозможно. Однако, химический состав, характеризующийся высокими содержаниями углерода, примесями оксидов кальция, фосфора и наличием серы, указывает на происхождение частиц. Рис. 43. Частицы древесного угля (фото с бинокулярного микроскопа) 57

Минеральный анализ проб поверхностного осадка 4.4. Изучение минерального состава поверхностных отложений разделяется на два основных направления:  изучение унаследованных минералов, т.е. сохранившихся в горной породе после формирования на ее поверхности культурного слоя, или вследствие изменения горной породы техногенными процессами;  изучение новообразованных, т.е. аутигенных минералов, генезис которых связан с воздействием человека на окружающую среду (горную породу и почву), с привносом, изменением и разложением (разрушением, окислением) различных антропогенных включений. Унаследованные минералы могут дать определенную информацию о степени изменения субстрата, антропогенном воздействии на него, их изучение позволяет более точно установить «остаточный минеральный состав». Сохранность минералов в урбофациях связано с их устойчивостью к выветриванию, гидролизу, гидратации и растворению. Диагенетические минералы, характерные для ряда четвертичных горных пород, например, кальцит или гипс, обладают лишь определенной устойчивостью, и их присутствие в культурном слое зависит от климатических и/или гидрологических факторов. В большинстве случае унаследованные минералы представлены кварцем, халцедоном, полевыми шпатами, небольшим количеством пироксенов, мусковитом, глауконитом, а также минералами тяжелых фракций (магнетитом, ильменитом, оксидами и гидрооксидами железа). В ряде случаев в культурном слое присутствуют обломки различных горных пород, в основном аллювиального генезиса [Каздым, 2009]. 58

Методы минерального анализа Для определения минерального состава образцов поверхностного осадка был проведен качественный и полуколичественный минеральный анализ гранулометрических фракций. Порошковые образцы гранулометрических фракций 0,002-0,01 мм и 0,05-0,1 мм исследовались методами порошковой дифрактометрии и термического анализов (ДТА). Определялся фазовоминеральный состав образца, содержание органического вещества (ОВ). Минеральный состав гранулометрических фракций 0,25-1 мм был определен методом минерального анализа шлихов [Бакулина, 2014; Суставов, 2007] с использованием методов оптической микроскопии и методом порошковой дифрактометрии. Состав гранулометрической фракции >1 мм представлен обломками горных пород, техногенными частицами и бытовым мусором. Минеральный анализ этой фракции не проводился. Результаты рентгенодифракционного анализа образцов Порошковые пробы исследовались на рентгеновском дифрактометре XRD-7000 (Shimadzu) в фильтрованном медном излучении в области брэгговских углов 2Θ 3-700, скорость съемки - 10/мин. По полученной дифракционной картине определен фазово-минеральный состав образцов. Полуколичественный расчет проведен методом Ритвельда (метод полнопрофильного рентгенодифракционного количественного анализа пород и минералов) с использованием программы SIROQUANT V4 (Австралия). Термоаналитические исследования образцов проводились на дериватографе Diamond TG/DTA (Perkin Elmer). Содержание органического вещества (ОВ) определялось методом ДТА. Результаты исследований гранулометрических фракций проб, отобранных в зимний и летний сезоны, методами РФА и ДТА представлены в таблицах 32-34 (показано массовое процентное содержание минералов). Дифрактограммы проб 001, 012, 018 (фракции 2-10, 10-50, 50-100 и 100-250 мкм) представлены в приложении 1.1-1.10. 59

Таблица 32. Минеральный состав образцов поверхностного осадка, % (фракция 0,25-1 мм)* № пробы Минерал, % 065-3 057-3 4-3 054-3 101-3 115-3 001-3 003-3 029-3 043-3 031-З 051-3 Кварц 9 20 29 19 30 21 20 18 23 3 18 15 Плагиоклаз 17 21 20 22 15 12 17 16 25 10 20 19 КПШ 5 10 5 8 10 9 11 5 15 9 15 15 Серпентин 10 11 9 9 15 11 8 15 10 0 16 12 Хлорит 9 6 11 8 8 8 11 14 8 0 8 13 Слюда 10 4 6 9 5 6 9 5 5 25 5 8 Амфибол 20 15 5 17 10 19 12 15 8 50 7 9 Кальцит 12 7 1 4 3 6 8 3 2 0 3 4 Доломит 3 5 5 2 3 7 2 5 2 0 6 4 Пирит 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 Магнетит 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 Магнезит 4 0 8 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Эпидот 0 0 0 1 0 0 0 2 1 2 0 0 *методом рентгенодифракционного анализа 60

Таблица 33. Минеральный состав образцов поверхностного осадка, % (фракция 0,05-0,1 мм)* № пробы Минерал, % 057 065 043 029 003 001 031 051 115 101 054 4 Кварц 20 17 20 15 16 17 17 15 18 30 14 27 Плагиоклаз 27 30 25 25 25 25 17 28 19 12 17 18 КПШ 13 10 18 10 8 8 14 6 15 6 8 7 Серпентин 7 10 5 7 15 10 10 12 10 6 8 4 Хлорит 5 8 4 6 12 8 7 9 5 5 6 3 Слюда 10 8 10 5 5 10 7 8 10 9 10 10 Амфибол 11 8 10 15 7 12 8 10 10 12 7 10 Эпидот 0 0 0 5 0 0 4 0 0 0 0 0 Кальцит 1 2 3 2 2 1 2 4 1 0 2 0 Доломит 1 1 2 2 2 2 3 2 2 1 2 1 Тальк 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 0 Пирит 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 Монтмориллонит 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 5 8 Магнетит 0 0 1 1 2 1 1 1 1 1 1 1 ОВ 4 4 2 6 6 6 10 5 9 17 16 11 Торф 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 *методами рентгенодифракционного анализа и синхронного термического анализа 61

Таблица 34. Минеральный состав образцов поверхностного осадка, % (фракция 0,002-0,01 мм)* № пробы Минерал, % 003 001 031 051 4 Кварц 10 14 12 9 22 Плагиоклаз 17 18 20 17 16 КПШ 7 3 10 6 10 Серпентин 12 10 10 12 5 Хлорит 10 9 9 10 5 Слюда 10 10 8 8 10 Амфибол 10 10 8 10 5 Эпидот 0 0 0 0 0 Кальцит 2 0 0 2 0 Доломит 2 1 1 2 1 Тальк 0 0 0 0 0 Пирит 0 1 1 1 1 Монтмориллонит 5 10 5 5 10 Магнетит 1 1 1 1 1 ОВ 13 13 15 17 13 Торф 2 1 1 1 24 * методами рентгенодифракционного анализа и синхронного термического анализа 62

Результаты минералогического анализа фракций 2-10, 50-100 и 250-1000 мкм из поверхностного осадка представлены на рис. 44-46. Как показали исследования, пробы являются многофазными и близкими по минеральному составу. Во всех образцах минеральный состав представлен следующими минералами: плагиоклаз (альбит), КПШ (ортоклаз, микроклин), кварц, слюда (биотит), амфибол, серпентин, кальцит, доломит, хлорит, в некоторых образцах отмечается пирит. В целом, несмотря на то, что пробы отобраны на участках, удаленных друг от друга на значительное расстояние, минеральный состав достаточно однородный. Распределение минералов в пробах (фракция 0,25-1 мм) 065-3 057-3 4-3 054-3 101-3 115-3 001-3 003-3 029-3 043-3 031-З / 051-3 Рис. 44. Распределение минералов в пробах (фракция 0,25-1 мм) Распределение минералов в пробах (фракция 0,05-0,1 мм) 057 065 043 029 003 001 031 051 115 101 054 4 Рис. 45. Распределение минералов в пробах (фракция 0,05-0,1 мм) 63

Распределение минералов в пробах (фракция 0,002-0,01 мм) 003 001 031 051 4 Рис. 46. Распределение минералов в пробах (фракция 0,002-0,01 мм) Отдельно проведен рентгенодифракционный анализ пробы мелкофракционного щебня, используемого для антигололедной посыпки, по результатам которого в составе материала обнаружены амфибол, хлорит и незначительная примесь магнетита. Практически во всех пробах присутствуют небольшие примеси, которые трудно определить однозначно из-за низкой их концентрации в материале образцов и наложения пиков от других минеральных фаз. Все минералы, обнаруженные в составе твердого осадка, относятся к материалам, используемым в строительной отрасли, в том числе в виде щебня (гранитный, габбро, горнблендитовый, серпентинитовый). Присутствие крупной фракции в поверхностном осадке, отобранном на тротуарах снаружи дворов (до 60% объема), связано с посыпкой тротуаров мелкофракционным щебнем в зимний период. В сумме минералы, которые входят в состав строительных материалов, определяют примерно три четверти материала твердого осадка в пробах. В целом, минеральный состав крупной и мелкой фракций не различается. 64

4.5. Синхронный термический анализ проб поверхностного осадка В ходе работы было проведено исследование навесок с размером частиц 2-10, 10-50 и 50-100 мкм. Масса каждой навески составляет 120 мг. Скорость нагревания составляет 10ºС в минуту. Нагревание происходило от показателей комнатной температуры (22ºС - 25ºС) до 1000ºС. Термоаналитические исследования образцов проводились на дериватографе Diamond TG/DTA (Perkin Elmer). Содержание органического вещества (ОВ) определялось методом ДТА. Результаты, полученные в ходе работы, представлены в виде дериватограмм (приложения 2.1-2.10). Дериватограмма записывается в процессе нагрева образца автоматически при помощи самописца на миллиметровую бумагу, а также на компьютере в виде диаграммы при помощи специальной программы. В зависимости от времени нагрева записываются одновременно четыре кривые: – изменение энтальпии (кривая ДТА); – изменение массы (кривая ТГ); – скорость изменения массы (кривая ДТГ); – изменение температуры (кривая Т). После интерпретации данных делаются выводы об изменении массы вещества навески и проводится количественный анализ содержания фаз в образце, фиксируются фазовые переходы, что помогает качественно определить, какие фазы присутствуют. Расшифровка дериватограмм производится с использованием таблиц, в которых приведены данные о типе фазового перехода и температуре (ºС), соответствующей этим переходам (табл. 35). В таблице представлены данные по минералам, входящим в состав строительных материалов, органике и топливным материалам. В настоящем исследовании синхронный термический анализ необходим для определения типа органического вещества и в пробах и его количества, т.к. другие методы исследования не позволяют этого сделать. Данные по минеральному составу, полученные с помощью термических 65

методов, являются подтверждением данных порошковой рентгеновской дифрактометрии и, частично, анализов, проведенных с помощью методов СЭМ. Мною производился анализ кривых ДТА для проведения качественного анализа, т.е. установления фаз в образце. Анализ включал в себя установление температуры фазовых переходов в изучаемом образце, сопоставление температур с табличными данными и установлении типа компонента. Например, в пробах 001, 043, 051, 057, 065 и 115 присутствует кварц. Его наличие определяется по температурному пику, соответствующему 573ºС, что свидетельствует интерпретируются о переходе данные о из α наличие в β модификацию. органического Сложнее вещества, т.к. температуры их фазовых переходов накладываются друг на друга. В пробах 115, 065, 057 и 051 зафиксированы фазовые переходы при температурах от 420ºС до 435ºС. Такие переходы характерны для бурого, каменного и древесного угля. В пробах 031, 029, 003 и 001 фиксируются фазовый переход при температуре 600ºС, соответствующий сгоранию древесного угля. В диапазоне температур 652ºС - 660ºС происходит дегидратация каолинита и хлорита в пробах 001, 003, 029 и 031. Во всех пробах фиксируется переход, соответствующий диапазону температур 966ºС - 980ºС, что свидетельствует о диссоциации кальцита. Аналогично производилось уточнение других фаз в изучаемых пробах. 66

Таблица 35. Фазовые переходы некоторых веществ Минерал/соединение Кальцит Температура Природа эффекта эффекта, ºС 860 – 1010 Диссоциация (44% СО2) 600 – 780 Распад на CaCO3 и MgCO3 830 - 940 Диссоциация CaCO3 150 – 175 Удаление адсорбционной воды 500 - 900 Дегидратация Каолинит 550 - 700 Дегидратация Хлорит 570 – 640 Дегидратация Кварц 573 Переход из α в β модификацию Древесина 250 - 350 Сгорание Торф 225 - 280 Сгорание Бумага 230 Сгорание Хвоя 228 - 264 Сгорание ПВХ 391 Сгорание Древесный уголь 350 - 600 Сгорание Каменный уголь 400 – 500 Сгорание Бурый уголь 250 - 450 Сгорание Битум 368 Самовоспламенение Алит 835 Полиморфное превращение Доломит Монтмориллонит Мною были интерпретированы данные синхронного термического анализа, и сделаны выводы о качественном составе образцов. Данные по количественному составу были получены в ЦКП «Геоаналитик». Во всех исследуемых образцах содержится органическое вещество от 4 до 18%, представленное торфом, углистым веществом, древесиной, битумом и хвоей. Кроме того, обнаружены частицы бумаги, кварц, доломит, кальцит, хлорит, монтмориллонит, каолинит, тальк и галит. В пробах органическое вещество по данным ДТА представлено битумом и углистым веществом. Для более точной идентификации ОВ была приготовлена искусственная смесь, состоящая из 1% свежего асфальта (битума) и 99% кварца. Термические эффекты 67

соответствуют битуму. По характеру линий ТГ и подсчету убыли массы, можно сделать вывод, что содержание кварца в пробах колеблется от 45 до 60% (что в дальнейшем подтверждено данными рентгенофазового анализа), органическое вещество составляет от 4 до 18% (из них – 2% углистое вещество), минералы ряда доломит-кальцит составляют до 13%, меньше 1% составляют хлорит, монтмориллонит, каолинит, тальк, галит, гидрослюды. 68

4.6. Сканирующая электронная микроскопия Сканирующие или растровые электронные микроскопы (далее СЭМ) позволяют изучать образцы во вторичных или рассеянных объектом электронах. Принцип метода СЭМ заключается в последовательном сканировании участка исследуемого образца узкосфокусированным электронным зондом (пучком) и детектировании сигналов, возникающих при сканировании. Изображение строится одновременно с разверткой зонда на образце. При взаимодействии пучка электронов с образцом происходит ряд явлений: эмиссия вторичных электронов, эмиссия отраженных электронов, эмиссия Оже-электронов, рентгеновское излучение и т.д. Основные преимущества СЭМ: метод неразрушающий (не происходит нарушение структуры поверхности твердого тела, образец в дальнейшем можно анализировать другими методами), относительная простота пробоподготовки (можно изучать образцы без предварительной полировки, разного размера, вплоть до нескольких сантиметров), экспрессность (малое время, необходимое от момента загрузки образца в колонну микроскопа до получения изображения), а также широких спектр анализируемых твердых тел. Изучение техногенных частиц с помощью СЭМ Техногенные частицы были выделены вручную из гранулометрических фракций размером 100-250 и 250-1000 мкм и изучены с помощью методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Исследования проводились на сканирующем электронном микроскопе JSM-6390/6390LV (аналитики Л. В. Леонова, И. А. Готтман, Е. С. Шагалов, Н. С. Чебыкин, Е. О. Илгашева). Сканирующий электронный микроскоп оборудован приставкой для энергетической дисперсионной спектроскопии (ЭДС) INCA Energy 350 X-Max 50 с полупроводниковым детектором. В ходе изучения особенностей морфологии и установлении химического состава из исследуемых 103 частиц для 61 частицы подтверждено техногенное происхождение (силикатная промышленность, строительство зданий, 69

сооружений, дорог, обустройство городских территорий и т.д.). Такие частицы были отнесены к 12 классам. Химический состав частиц, полученный с помощью ЭДС, усредненный по количеству полученных спектров для каждого типа частиц, представлен в таблице 37. Спектры всех частиц представлены в приложении. Частицы распределены неравномерно в объеме поверхностного осадка (табл. 36) Как видно по данным таблицы, преобладают шлаковые стекловидные частицы (36%), распространены силикатные микросферы (15%) и камневидные шлаки (13%). Таблица 36. Распределение техногенных частиц в поверхностном осадке (г. Екатеринбург) Тип частицы Стекловидная шлаковая Камневидная шлаковая Микросфера силикатная Микросфера железистая Кирпич Штукатурка Тарное стекло Фольга Фрагменты шин Угольная пыль Фрагменты тормозных систем автомобилей ВСЕГО: Количество частиц 22 8 9 4 3 5 2 2 3 2 % от общего числа изученных частиц 36 13 15 7 5 8 3 3 5 3 1 2 61 100 70

Таблица 37. Химический состав техногенных частиц (вес. %) Тип частицы SiO2 42,83 61,26 32,29 40,68 35,43 99,09 Al2O3 Железистые микросферы 0,961,16 0,01 0,85 Частицы кирпича 47,46 49,82 1,64 7,74 72,71 73,81 0,58 3,44 21,08 38,54 0,05 2,06 11,05 17,19 Шлаковая, стекловидная Шлаковая, камневидная Силикатные микросферы Фрагменты штукатурки Тарное стекло Фольга Шины Угольные частицы Тормозные колодки 1,23 2,25 10,43 0,40 19,91 3,71 12,88 1,801,87 CaO 1,33 27,43 0,10 87,83 18,27 25,58 12,05 16,00 86,97 87,58 14,00 14,82 MgO 0,36 10,00 0,12 32,19 2,40 11,46 0,01 1,37 9,02 11,97 1,72 4,02 FeO 14,64 39,44 0,11 84,63 3,71 16,67 93,55 97,98 5,46 11,71 0,28 1,72 K2O 0,49 3,40 0,09 15,56 4,004,05 Содержание оксида, вес. % Na2O MnO NiO Ag P2O5 0,63 0,00 0,16 5,21 4,84 1,07 0,09 0,30 10,16 3,00 C V2O3 - 0,01 5,03 - 0,17 1,24 TiO2 0,74 2,58 0,07 10,13 S 0,00 1,86 0,14 3,05 ZnO - - - 8,22 9,29 - - - - - - - - - - - 0,01 0,62 - - - - - - - - 1,44 2,93 0,29 0,60 - - - - - - - - - - 0,12 0,88 - - - 0,67 3,47 - - - - - - - 6,00 6,08 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 97,00 97,34 - - 0,01 0,23 - - - - 0,31 0,65 - 0,21 4,73 - 6,31 7,85 - - 0,01 1,00 - - - 4,35 5,03 0,16 1,01 0,03 8,89 - - - - - - - 0,25 0,49 - - - 90,81 - - 3,99 - - - 13,48 15,06 83,66 98,87 - 3,50 4,79 0,63 1,01 - - 3,97 71

Шлаковые стекловидные частицы (рис. 47-48). В составе шлаковых частиц такого типа преобладает оксид кремния (до 49%), в меньшем количестве содержатся оксиды кальция, магния и железа. В качестве примесных выделяются оксиды алюминия и, реже, ванадия. Рис. 47-48. Шлаковые стекловидные частицы (фото и спектр СЭМ) Часто на поверхности таких частиц наблюдается результат ликвации серы. Ликвация – неоднородность химического состава, возникшая при его кристаллизации. В процессе кристаллизации образуются дендриты, поэтому такой тип ликвации называется «дендритная». Схема образования представлена на рисунке 49. 72

Рис. 49. Схема образования дендритов Дендриты практически не содержат атомов серы, эти атомы «выталкиваются» в жидкие области между двумя дендритами. Это показано на рисунке выше и подтверждается спектрами ЭДС. Шлаки, на поверхности которых наблюдается результат ликвации серы, относятся к сталеплавильным. Рис. 50-51. Результат ликвации на поверхности шлаковой частицы (фото СЭМ) Для всех шлаковых частиц был рассчитан коэффициент основности. Основность (индекс основности, коэффициент основности) - характеристика металлургического сырья, железной руды или металлургического шлака, показывающая соотношение масс основных оксидов к кислотным [Ю. С. Юсфин и др., 1973]. Коэффициент основности рассчитывается по формуле: 𝐾осн = 𝐶𝑎𝑂 𝑆𝑖𝑂2 ; 73

Шлаки сталеплавильного производства делят на три группы: 𝐾осн < 1.5 — низкоосновные; 𝐾осн = 1.6—2.5 — средний основности; 𝐾осн > 2.5 — высокоосновные. Для доменного шлака нормальной считается основность равная 1.0; шлаки c 𝐾осн > 1.0 относят к основным; с 𝐾осн < 1.0 — к кислым [Е. Ф. Вегман и др., 2004]. Шлаковые стекловидные частицы имеют коэффициент основности меньше 1.5, следовательно, такие шлаковые частицы можно отнести к кислым шлакам. Камневидные шлаковые частицы. Такие шлаковые частицы раскристаллизованы, исходя из этого, имеют неоднородный химический состав. Химический состав камневидных шлаковых частиц близок к составу шлаков первого класса. Преобладают оксиды кремния (до 42%) и железа (до 20%). Оксиды кальция, ванадия и магния находятся в подчиненном количестве. Такие частицы так же относятся к кислым шлакам. Отмечаются незначительные примеси оксидов калия, натрия, алюминия и титана. Рис. 52-53. Шлаковые камневидные частицы (фото СЭМ) 74

Рис. 54. Химический состав шлаковой камневидной частицы (спектр СЭМ) Микросферы. Размер силикатных микросфер коррелирует с содержанием в них оксида железа. Силикатные микросферы без примеси оксида железа самые крупные, имеют размеры от 490-1000 мкм. Размер силикатно-железистых микросфер колеблется от 450 до 750 мкм. Структура силикатных микросфер корродирована, на их поверхности видны каверны, углубления и трещины. Так же присутствуют гладкие микросферы. Для силикатных микросфер характерно преобладание оксида кремния (>70%). Железистые микросферы отличаются правильной шарообразной формой и небольшими размерами (3-80 мкм), имеют полигональную структуру или поверхность «такырного» типа. В составе железистых микросфер преобладает оксид железа (до 97%), отмечаются примеси оксидов кремния, алюминия, магния и марганца. 75

Рис. 55-58. Микросферы (фото СЭМ) Рис. 59. Химический состав силикатной микросферы (спектр СЭМ) 76

Рис. 60. Химический состав железистой микросферы (спектр СЭМ) Строительные материалы. К строительным материалам относятся фрагменты керамического кирпича, штукатурки и бетона. Состав керамического кирпича неоднородный: в нем встречаются зерна кварца, пленки белил, с высоким содержанием оксида титана. Основная масса сложена тонкозернистым агрегатом, состоящим из смеси гидрослюд и кварца. Химический состав штукатурки характеризуется высоким содержанием кальция, небольшими примесями оксидов кремния и магния, что характерно для состава строительных растворов и бетона. Согласно химическому составу можно сделать вывод, что частицы строительной смеси представлены алитом. Алит – трехкальциевый силикат, состав которого характеризуется вхождением в структуру Mg, Al, P и/или Fe. Он является наиболее важной составляющей всех обычных цементных клинкеров [А. В. Волженский и др., 1979]. 77

Рис. 61. Керамический кирпич (фото СЭМ) Рис. 62-63. Штукатурка (фото и спектр СЭМ) Тарное стекло. Основными компонентами тарного стекла являются оксиды кремния, кальция и натрия. В небольших количествах в составе этих 78

стекол должны быть оксиды алюминия и магния, благоприятно влияющие на основные свойства стекол. Содержание MgO в стекле может быть доведено до 3,0-4 %, а А12О3 до 3-5 %. В некоторых видах тарного стекла может присутствовать в сравнительно небольшом количестве оксид железа [ГОСТ 1103 – 55]. Рис. 64-65. Тарное стекло (фото и спектр СЭМ) Алюминиевая фольга. Химический состав полностью соответствует составу алюминиевой фольги: до 99,5% Al2O3 и незначительные (менее 1%) примеси оксидов кремния и железа. 79

Рис. 66-67. Частицы алюминиевой фольги (фото и спектр СЭМ) Автомобильные шины. При исследовании с помощью методов СЭМ был получен химический состав частицы. Он соответствует составу автомобильной резины и характеризуется наличием кремния (в составе кремниевой кислоты), технического углерода (сажи) и малого (до 2%) содержания серы. Сумма компонентов составляет менее 100%, что свидетельствует о вхождении в состав частицы водорода (в составе кремниевой кислоты). На поверхности автомобильных шин зафиксированы загрязнения в виде фрагментов, химический состав которых соответствует железу и хрому. 80

Рис. 68-70. Частицы автомобильных шин (фото и спектр СЭМ) Фрагменты тормозных систем (тормозные диски и тормозные колодки). В пробе 7 обнаружена частица неправильной формы темно-серого цвета с сильным металлическим блеском и высокой твердостью. В составе частицы преобладает железо, примесями являются цинк и марганец. 81

Рис. 71-72. Частицы тормозных колодок (фото СЭМ) Фрикционный материал. В тонкой минеральной фракции, состоящей из глинистых минералов, обнаружены частицы фрикционной смеси, размером до 15 мкм. Порошковый фрикционный материал для тормозной колодки содержит порошки графита, железа, легированную медь, оксида алюминия, сульфида железа, карбида бора, карбида кремния и асбеста прокаленного. В настоящее время используют Low-metal (низкометаллическая) NAO (безасбестовая) фрикционные смеси, где содержание металла находится между отметками 20-40%, асбест не применяется, вместо него используют вермикулит. В пробе №1 (оз. Балтым) компонентом фрикционной смеси являются частицы силиката циркония, сульфида железа, гидрослюды. Так же в пробе наблюдаются фрагменты сплава железа с титаном и ванадием. 82

Ванадий и его сплавы имеют довольно высокую температуру плавления (свыше 800°С) и могут применяться для изготовления тормозных дисков. Рис. 73-74. Фрикционный материал (тормозные колодки и диски) (фото СЭМ) 83

Рис. 75-77. Химический состав фрикционных материалов (тормозные колодки и диски) (спектры СЭМ) Угольные частицы и частицы золы. В пробах, отобранных в зимний период, наблюдаются частицы золы (рис. 78-79). Их исследование с помощью СЭМ затруднено, т.к. точное содержание углерода установить невозможно. Однако, химический состав, характеризующийся высокими содержаниями 84

углерода, примесями оксидов кальция, фосфора и наличием серы, указывает на происхождение частиц. Рис. 78-79. Частицы золы (фото СЭМ) Рис. 80. Химический состав частиц золы (спектр СЭМ) Изучение минералов с помощью СЭМ Визуальные методы диагностики характеризуются субъективной погрешностью. Этот тип погрешности возникает из-за низкой степени квалификации оператора средства измерений, а также из-за погрешности зрительных органов человека, т.е. причиной возникновения субъективной погрешности является человеческий фактор. Поэтому, в ходе работы на сканирующем электронном микроскопе кроме техногенных частиц были 85

изучены некоторые минералы, входящие в состав поверхностного осадка. К таким минералам относятся: слюды, циркон, хризотил-асбест. Проанализированные с помощью методов СЭМ слюды имеют близкий химический состав: оксид калия К2О 8,5-11,2 %, оксид магния MgO 4,3- 5,7%, оксид железа (суммарное) FeO 2,8%, оксид алюминия Al2О3 6,5-9,8%, диоксид кремния SiO2 18-22%. Сумма компонентов меньше 100%, что свидетельствует о вхождении в состав частицы воды. Исходя из данных химического анализа, можно сделать вывод, что слюды представлены биотитом. Рис. 80-81. Биотит (снимок и спектр СЭМ) Во всех изученные кристаллах биотита были обнаружены вкрапления тонких (1-2 мкм) зерен циркона. Химический состав получен с помощью ЭДС. 86

В составе циркона преобладает оксид циркония ZrO 2 - до 67%; (Zr - 49%), диоксида кремния SiO2 до 33%. Отмечается примесь гафния, но его показатели ниже предела обнаружения прибора. Рис. 82-85. Кристаллы циркона в биотите (фото и спектры СЭМ) Распространенным минералом является асбест. Он представлен удлиненными тонковолокнистыми разностями. Химический состав 87

соответствует хризотил-асбесту: оксид магния MgO до 28-30%, диоксид кремния SiO2 41-44%, оксид алюминия Al2O3 1-1,5%, оксид железа (суммарное) FeO 0,3-2%. Рис. 86-88. Волокна хризотил-асбеста (фото и спектр СЭМ) 88

Заключение По результатам, полученным в ходе исследований, сделаны следующие выводы о характеристике поверхностных отложений урбанизированной среды в г. Екатеринбурге: 1) Сложные Екатеринбург – город с интенсивной антропогенной нагрузкой. климатические и гидрогеологические условия являются дополнительным фактором, усиливающим воздействие на объекты городской среды. Результатом действия антропогенных и природных факторов является интенсивное разрушение поверхностей городского ландшафта и образование поверхностного осадка. 2) По Н.М. Страхову седиментогенез на территории г. Екатеринбурга находится на стадиях мобилизации и переноса вещества; 3) По данным Й. Вальтера [1984 г.] литогенез на территории г. Екатеринбурга находится на стадиях выветривания, денудации, транспортировки и отложения вещества. Процессов, связанных с диагенезом, не происходит. 4) В Екатеринбурге выражен сезонный характер поступления и перераспределения поверхностного осадка. В летний период года происходит образование и накопление пылевой фракции за счет большой площади пылящих поверхностей. В зимний период происходит усиленная абразия дорожных покрытий шипованными колесами автомобилей и, как следствие, увеличение объема крупной фракции. 5) В сухую погоду перенос компонентов поверхностного осадка осуществляется за счет ветра. В дождливую погоду перенос производится поверхностным стоком. Главным транспортирующим агентом является автомобильный транспорт. За счет сочетания этих факторов поверхностный осадок равномерно распределяется по всей территории города. 6) Поверхностный осадок в Екатеринбурге в значительной степени состоит из пылевой фракции (частицы размером менее 100 мкм). Это связано 89

с тем, что частицы пылевой фракции легко переносятся ветром в пределах города и за короткий период равномерно распределяются по поверхности. 7) Минеральный состав поверхностного осадка связан с гранитами, габбро, серпентинитами, горнблендитами, зелеными сланцами и другими магматическими, метаморфическими и осадочными породами. Указанные породы распространены на Среднем Урале и составляют как основу литогенного субстрата, так и ресурсную базу промышленности строительных материалов. Однако с учетом того, что в пределах жилых кварталов Екатеринбурга фактически отсутствуют неизмененные природные ландшафты, образование минеральной составляющей осадка необходимо связывать с материалами, используемыми в строительстве, в том числе дорожном. В целом до 75% поверхностного осадка в городе составляют мелкофракционные продукты разрушения щебня и других строительных материалов на основе минерального сырья. 8) Однородный минеральный состав на территории с разнообразным литогенным субстратом свидетельствует о долговременном существовании отложений. 9) высоким Использование в строительстве минеральных материалов с содержанием геохимического фона отдельных металлов городской среды. влияет на Наблюдается изменение увеличение концентрации следующих металлов в поверхностном осадке: железо, магний, хром, никель, кальций, в меньшей степени марганец. Текущие концентрации металлов в поверхностных отложениях не представляют опасности для здоровья жителей города. С точки зрения охраны окружающей среды представляет потенциальную опасность концентрирование в пылевой фракции цинка, меди, свинца. 10) Особую роль в формировании поверхностного осадка играют техногенные частицы. Их количество от общего объема отложений составляет до 25% в летний период и до 35% в зимний период. Наличие в поверхностном осадке техногенных частиц значительно влияет на геохимический фон 90

урбанизированной территории. Влияние выражено, в первую очередь, в увеличении содержания в пробах кальция (использование строительных смесей), никеля, кобальта, ванадия, хрома и железа (шлаковые частицы), хрома и железа (использование нержавеющих сталей). Таким образом, поверхностный осадок на урбанизированной территории является сложной многокомпонентной системой. Отмечается природное и антропогенное влияние на генезис, вещественный и химический состав отложений. Исследования, поверхностного осадка на контролировать геохимический в области изучения урбанизированной фон регионов, особенностей территории отслеживать позволяет скорость накопления культурного слоя, оценивать влияние окружающей среды на здоровье человека и экологию. 91

Список используемых источников 1. Бакулина Л. П. Шлиховое опробование и анализ шлиховых проб: учеб. пособие // Л. П. Бакулина. – 2-е изд., перераб. – Ухта, 2014. – 126 с. 2. Вадюнина А. Ф. Методы исследования физических свойств почв. 3-е изд., перераб. и доп. // А. Ф. Вадюнина, З. А. Корчагина – М.: Агропромиздат, 1986. – 416 с. 3. Вегман Е. Ф., Жеребин Б. Н., Похвиснев А. Н. и др. Металлургия чугуна. — Москва: Академкнига, 2004. — 774 с. 4. Волженский А. В., Буров Ю. С., Колокольников В. С. Минеральные вяжущие вещества: технология и свойства. Учебник для вузов. 3-е издание, переработанное и дополненное. Москва: Стройиздат, 1979 5. ГОСТ 1103 – 55. Бутылки для пищевых жидкостей. Технические требования 6. ГОСТ 27593-88 (2005). Почвы. Термины и определения. 7. Государственная геологическая карта Российской Федерации. Масштаб 1:1 000 000 (третье поколение). Cерия Уральская. Лист О-41. – Екатеринбург. Объяснительная записка. – СПб.: Картфабрика ВСЕГЕИ, 2011. – 492 с. 8. Ежегодник состояние загрязнения атмосферы в городах на территории России за 2015 г. [Электронный ресурс] // ФГБУ "ГГО им. А. И. Воейкова", 2016. - 255 с 9. Емлин Э. Ф. Геохимические аспекты урбанизации на Урале // Э. Ф. Емлин, Н. П. Конюхова, В. Ю. Ипанов. – Свердловск: Свердлов. обл. правл. Союза НИО СССР, 1988. – 55 с. 10. Илгашева Е. О., Ярмошенко И. В. // Техногенные частицы в составе грязевого осадка в городе Екатеринбург. Сборник докладов Международной научно-практической конференции. 2018 г. Стр: 474-475 11. Илгашева Е. О., Ярмошенко И. В., Селезнев А. А., Малиновский Г. П., Киселева Д. В., Чебыкин Н. С. Техногенные образования в поверхностном пылегрязевом осадке Нижнего Новгорода // Проблемы 92

минералогии, петрографии и металлогении. Научные чтения памяти П.Н. Чирвинского. 2019. № 22. С. 381-384. 12. Каздым А. А. Техногенное аутигенное минералообразование в культурном слое // Онтогения минералов и ее значение для решения геологических прикладных и научных задач (к 100-летию со дня рождения профессора Д. П. Григорьева) Стр.: 63-65. 2009г 13. Капустин В. Г., Корнев И. Н. Свердловская область: природа, население, хозяйство, экология. – Екатеринбург. Издательство Уральского университета, Издательство Дома учителя, 1998. – 300 с. 14. Касимов Н. С. Экогеохимия ландшафтов // Н. С. Касимов. М.: ИП Филимонов М.В., 2013. – 208 с. 15. Кизильштейн Л. Следы угольной энергетики // Наука и жизнь. — 2008. — № 5. 16. Климат Свердловска // Под ред. В.В. Морокова, Ц.А. Швер., Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 190 с. 17. Курбатова А.С. Ландшафтно-экологический анализ формирования градостроительных структур. Москва-Смоленск: Маджента, 2004, 398 с. 18. Пиковский Ю.И. Природные и техногенные потоки углеводов в окружающей среде. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1993, 208 с. 19. Сает Ю. Е. Геохимия окружающей среды // Ю. Е. Сает, Б. А. Ревич, Е. П. Янин. – М.: Недра, 1990. – 335 с. 20. Селезнев А. А., Ярмошенко И. В., Киселева Д. В., Рянская А. Д., Илгашева Е. О., Баглаева Е. М., Малиновский Г. П. Минеральный состав современных антропогенных отложений на территории г. Екатеринбурга. // Проблемы минералогии, петрографии и металлогении. Научные чтения памяти П.Н. Чирвинского. 2018. № 21. С. 436-442. 21. Селезнев А. А. Эколого-геохимическая оценка состояния урбанизированной среды на основе исследования отложений пониженных 93

участков микрорельефа (на примере г. Екатеринбурга). Автореферат… // Ур. гос. гор. ун-т. Екатеринбург, 2015 22. Суставов С. Г. Морфология, физические свойства и определитель минералов по внешним признакам: Учебно-методическое пособие – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2007. – 119 с. 23. Флоренсов Н. А. Очерки структурной геоморфологии. М. : Наука, 1978. 238 с. 24. Хромов С. П., Мамонтова Л. И. Метеорологический словарь. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 568 с. 25. Шешнев А. С. Что такое «антропоцен»? Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Науки о Земле. 2017. Т. 17, вып. 3 26. Юсфин Ю. С., Базилевич Т. Н. Обжиг железорудных окатышей. — Москва: Металлургия, 1973. — 272 с. 27. Aerosol chemical processes in the environment. Ed. by K.P. Spurng. – Boca Raton: CRC Press, 2000. – 600 p. 28. Environmental sedimentology // edited by Chris Perry and Kevin Taylor. 29. Gradstein F. M., Ogg J. G., Schmitz M. D., Ogg G. The Geologic Time Scale 2012. Oxford: Elsevier, 2012. 1144 p. 30. L.-W. A. Chen, J. G. Watson, J. C. Chow, M. C. Green, D. Inouye, and K. Dick Wintertime particulate pollution episodes in an urban valley of the Western US: a case study 31. Lewis S. L., Maslin M. A. Defining the Anthropocene // Nature. 2015. Vol. 519. P. 171–180. p. cm. 2007 32. PND F 16.1:2.3:3.11-98, 1998. The Method of Measurement of Metal Content in Solid Objects by Spectrometry with Inductively Coupled Plasma. The State Bureau for Environmental Protection of Russian Federation, Moscow (in Russian). 33. Taylor J.C. Canberra. Australia: Sietronics Pty Limited. 2004. 94

34. The effect of traction sanding on urban suspended particles in finland kaarle kupiainen and heikki tervahattu, 2003 95

Приложение 1.1 96

Приложение 1.2 97

Приложение 1.3 98

Приложение 1.4 99

Приложение 1.5 100

Приложение 1.6 101

Приложение 1.7 102

Приложение 1.8 103

Приложение 1.9 104

Приложение 1.10 105

Приложение 2.1 106

Приложение 2.2 107

Приложение 2.3 108

Приложение 2.4 109

Приложение 2.5 110

Приложение 2.6 111

Приложение 2.7 112

Приложение 2.8 113

Приложение 2.9 114

Приложение 2.10 115

Рецензии:

Авторизуйтесь, чтобы добавить рецензию

- у работы пока нет рецензий -

Отзывы:

Авторизуйтесь, чтобы оставить отзыв