Біоіндікаціонние методи спостережень як елемент
геоекологічного моніторингу зон впливу гірничодобувних підприємств (на
прикладі Михайлівського ГЗК)
І.І. Косінова, М.А. Небольсина, Воронезький
державний університет
Гірничодобувні
підприємства є потужним джерелом перетворення поверхневих екосистем.
Біоіндікаціонние методи дуже ефективні для оцінки даних перетворень. У
статті представлені результати застосування біоіндікаціонних методів для вивчення
екологічної обстановки в зоні впливу Михайлівського ГЗК (Курська магнітна
аномалія).
Введення
Гірничодобувні підприємства є одним з основних об'єктів, значно
трансформують верхню частину літосфери. Як відкриті, так і закриті способи
видобутку корисних копалин кардинально змінюють всі компоненти геоекологічної
системи. Відбувається корінна трансформація рельєфу території з градієнтом
висот у кілька сотень метрів; деградує грунтовий покрив, змінюються
значення геополей; спрацьовуються і знищуються водоносні горизонти;
порушується природний напружений стан масиву, що розвиваються
інженерно-геологічні процеси та явища; відмирають малі річки та утворюються
техногенні поверхневі водотоки і т.п. [2].
Глибока
перебудова верхньої частини літосфери відбивається на стані всіх екосистем,
починаючи від рослинності і закінчуючи людиною. У зв'язку з цим об'єкти
гірничодобувного класу є одним з найбільш значущих при проведенні
еколого-геологічних досліджень території.
Михайлівський
гірничопромисловий район КМА розташований на північно-заході Курської області, займає
площу близько 500 км, приурочений до північної частини Середньоросійської височини.
На його території розробляється Михайлівське залізорудну родовище. На
базі цього родовища діє Михайлівський ГЗК, що є
підприємством по видобутку і переробці багатих руд, залізистих кварцитів.
Комбінат
веде експлуатацію родовища відкритим способом. Розкривних порід і залізні
руди відпрацьовуються по транспортній системі розробки із зовнішнім
отвалообразованіем. В даний час до складу підприємства входять наступні
основні комплексні об'єкти:
--
кар'єр, в контурах якого розробляються багаті руди, окислені і
неокисленого кварцити, розкривні породи;
--
дробильно-сортувальна фабрика;
--
дробильно-збагачувальний комплекс і фабрика грудкування;
--
відвали;
--
хвостосховище;
--
об'єкти залізничного, автомобільного транспорту, ремонтного призначення,
обслуговуючого і допоміжного призначення, теплове господарство.
В
геостуктурном відношенні дана територія розташована в межах північно-західної
частини Воронезької антеклізи, що розділяє Московську синекліза і
Дніпровсько-Донецьку западину. Виділено 2 структурних поверху. Нижній представлений
сільнодіслоцірованнимі і метаморфізованних породами архею і протерозою,
утворюють кристалічний фундамент. Верхній поверх (осадовий чохол) складний
породами палеозою, мезозою та кайнозою (середня потужність в контурі чинного
кар'єра 400-600 м).
Багаті
залізні руди приурочені до протерозойського комплексу порід. Порода
раннепротерозойского віку зазнали низький ступінь метаморфізму (фація
зелених сланців). Крім того, залізисті кварцити зазнали значних
зміни, пов'язані з процесом лужного метасоматоза. Верхня частина товщі
залізистих кварцитів (пізній протерозою) піддалася окислення різної
ступеня.
В
межах розглянутого району підземні води приурочені до всіх вікових
підрозділам осадового чохла і тріщинуватих зон кристалічного
фундаменту. Широке коло дренажних заходів, необхідний для забезпечення
нормальних умов експлуатації кар'єра, сприяє істотної зміни
режиму підземних вод в районі. Система дренажного забезпечення полягають у
поверхневому прібортовом дренажі на технологічних горизонтах для прийому і
скидання вод з подальшим відведенням системою дренажних канав і перепуском в
водоскидні свердловини. Зниження рівня грунтових вод здійснюється як
правило системою підземного дренажного комплексу і що воюють свердловин.
В
результаті техногенного впливу Михайлівського ГЗК сталося корінне
перетворення ландшафту, з'явився великий кар'єр площею 12 км2, глибиною 300
м, відвали розкривних порід, багато яри та балки засипані розкривними породами,
на великих балках створені великі техногенні водоймища, хвостоханіліще на річці
Пісочне, водоханіліще на річці СВАПО (Копенковское), система дрібних
штучних водойм на річках Річиця, Погарщина, Ряснік.
Теорія
і методика Стан біоти є індикатором екологічного благополуччя
території внаслідок міграції елементів у системі «гірські породи - підземні
води - гази - грунт - біота ». Під біотою будемо розуміти сукупність всіх живих
організмів, включаючи людину, пов'язаних за допомогою обміну енергією і
поживних речовин в єдине ціле. Це єдине ціле є екологічна
піраміда, фундаментом піраміди є автотрофні рослини, які
трофічні пов'язані з вершиною піраміди - людиною [3].
Суть
тератологіческого методу полягає у вивченні впливу геологічного середовища на
біоту, зокрема на рослинні організми, які в свою чергу є
біоіндикаторами геологічного середовища. Методика досліджень розроблена В.М.
Захаровим та ін в рамках програми «Біотест» [1].
Рослинна
біомаса швидко реагує на різні стресові впливи, на відхилення від
оптимуму умов існування. Лімітуючі фактори можуть бути як
природні (зміна температури, вологості, хімічного складу грунтів і
т.д), так і техногенні, які в порівнянні з природними відрізняються більш
катастрофічним характером прояву. Відповіддю на стрес (якщо його вплив
не виходить за межі зони гноблення, тобто не призводить до загибелі організму)
є значна зміна морфоструктури рослини (наприклад, зміна
форми, розміру листової пластини, подовження або укорочення стеблевідного
паростка, потовщення кутикули та ін) Одним з ознак природного стану
є симетрія листової пластини (вид симетрії двосторонній). Поява
асиметрії свідчить про наявність несприятливих факторів природного
середовищі.
Метод
вивчення симетричності рослин простий і характеризується однозначністю
інтерпретації. Внаслідок цього є одним з достовірних при вивченні
впливу змін в геологічному середовищі, в даному випадку забруднення, на
біоту.
В
Як об'єкт досліджень були вибрані листові пластини кульбаби
Taraxacum officinale Web. У цього виду добре виражені елементи будови
листової пластини, також він відрізняється практично повсюдним
розповсюдженням. У природному стані листя є симетричними [1].
Методика
проведення тератологіческіх досліджень передбачає виконання польових і
аналітичних робіт. В основу мережі спостереження покладено техногенно
орієнтований підхід. Центром мережі відбору рослинних проб є
хвостосховище як найбільш екологічно небезпечний об'єкт. Напрямок профілів
відповідає переважаючим вітрам за п'ять років (1996-2000 рр..), а саме
північне, західне і південне спрямування. Крок відбору проб - 1 км. при
неможливості відбору строго за профілем в тій чи іншій точці проба відбиралася в
припустимому радіусі (до 200 м) біля позначеного місця з поміткою в прив'язці.
З кожної точки відбиралося по 5 проб рослинності за методом конверта.
Лабораторна
обробка польового матеріалу зводиться до розрахунку коефіцієнта асиметрії
листової пластини.
де
S1 - площа меншої половини листа; S2 -
площа
більшої половини листа.
За
результатами п'яти коефіцієнтів з кожної проби вираховуються середні значення
коефіцієнта асиметрії для кожної проби.
За
отриманими даними виділяють такі критерії оцінки стану середовища:
Ка
> 95% - екологічна норма;
95%> Ka> 90%
- Екологічний ризик;
90%> Ka> 85%
- Екологічна криза;
Ka <85%
- Екологічне лихо [4].
Результати
експериментальних досліджень Під час обробки матеріалу були підраховані
середні коефіцієнти асиметрії по 100 точках (табл. 1). Мінімальне значення
69,76, 96,52 максимальне, середнє значення 85,15. Також була підрахована мода,
тобто таке значення ознаки, яке спостерігається більше число разів. Для
даного дискретного варіаційного ряду мода дорівнює 80,4. Це значення показника
відповідає зоні екологічного лиха.
За
отриманими коефіцієнтами асиметрії були побудовані графіки (криві)
розподілу. Розподілом випадкових величин будемо вважати будь-яке співвідношення
між можливими значеннями випадкової величини і відповідним їм
ймовірностям. При графічному зображенні розподілу в прямокутній системі
координат по осі абсцис відкладають можливі значення випадкової величини, а
по осі ординат - відповідні ймовірності, або іншими словами, кількість
попадань в значення даної випадкової величини. Потім будуються точки (xi, pi) і
з'єднуються в криву. Відстань між точками (xi-1, xi) їх значень називають
кишенями (або кроком) розподілу, задаються в кожному випадку конкретно (табл.
2).
Були
побудовані 3 графіка розподілу. По осі абсцис відкладаються значення Ка від
68 до 98 (близькі цілі значення до min і max) (малюнок).
математичний
сенс на прикладі кишені 2 буде наступний:
від
68 до 70 - 0 значень Ка;
від
70 до 72 - 1 значень Ка;
від
72 до 74 - 0 значень Ка і т.д.
Найбільш
чітко розподіл відображає комулятівная крива № 2 (з кишенею 4), яка
дає більш об'ємне зображення ситуації. При більш дрібних кишенях (1, 2)
картина видається нечітко (ряд 1, ряд 3).
Розподіл
в нашому випадку підпорядковується закону нормального розподілу (з максимумом
значення у вершині кривої і симетричності даної кривої відносно прямої,
проходить через цей максимум).
Мода
для даної. кривої розподілу буде дорівнює 88,2. У цьому випадку мода відображає
значення, при якому щільність розподілу має максимум, тобто випадкова
величина має найбільшу ймовірність. Значення 88,2 відповідає зоні
екологічної кризи. Медіана дорівнює 85,26. Медіана відображає значення
ознаки, що припадає на середину рангового дискретного ряду спостережень
[5]. Це значення також відповідає зоні екологічної кризи.
Відхилення
від значення симетрії викликаються багатьма факторами, більш-менш
незалежними один від одного (природними та техногенними). Однак, найбільшу
відхилення фіксують максимальні техногенні впливу (естественние. чинники не
змінюються протягом тривалого часу, в той час як техногенні впливи посилюються
протягом розробки родовища).
Враховуючи
вищенаведені дані, можна зробити висновок про стан геологічного середовища в
зоні впливу Михайлівського ГЗК як зони екологічної кризи (Ка
85-90 %).
Слід
відзначити часткове відхилення кривої розподілу від нормального розподілу
(значення абсциси 68-78). Це інтерпретується як тяжіння дискретних
випадкових величин до значень зони екологічного лиха (Ка <85 %).
Висновок
Біоіндікаціонние методи в цілому застосовуються при вивченні еколого-геологічних
систем як певного обсягу літосфери і геологічного компонента природного
середовища з розташованої в ній і на ній біотою [3]. Застосування біоіндікаціонних
методів обгрунтовано тим, що вони здатні дати загальну інформацію про екологічний
стан системи.
Еколого-геологічні
об'єкти гірничодобувного класу є областю найбільш ефективного
застосування цих методів. Оскільки гірничодобувні об'єкти максимально
перетворять ресурсну, геохімічну, геодинамічних функції літосфери, важливо
вивчення взаємозв'язку компонентів літосфери і біоти між собою, виявлення
принципових особливостей технологій і розробок без порушення цілісності
геологічного середовища.
Результати
еколого-геологічного моніторингу Михайлівського промрайона показали:
--
значні зміни спостерігаються в морфологічному будові листя.
По-перше, прожилки листя (центральні, бічні) часто забарвлені в
червоно-коричневий колір. Хроматофорів є з'єднання заліза. Мабуть,
високі концентрації заліза в грунтах, техногенних грунтах, грунтах зони аерації
є причиною його переважання у біогеохімічних циклах речовин.
По-друге, контурна лінія листових пластин сильно розчленована, причому
спостерігається пряма залежність між формою і коефіцієнтом асиметрії: чим
більше асиметричний лист, тим сильніше розчленована контурна лінія, тобто тим більше
проявлені деградаційні тенденції. По-третє, листові пластини з внутрішньою
сторони покриті ворсинками, які помітні на дотик і візуально. Функція
ворсинок: вони розташовані на нижній стороні листа, там же, де і устьічние
клітини, через які відбувається дихання і газообмін листя, ворсинки ж
вловлюють пил, що перешкоджає процесу газообміну. Тому підвищений
кількість ворсинок свідчить про підвищену запиленості території.
--
значення моди коефіцієнта асиметрії, тобто максимум ймовірності випадкових
величин, становить 88,2. Це значення відповідає зоні екологічного
кризи.
--
як тенденції можна відзначити тяжіння кривої розподілу в бік
зменшення значення коефіцієнта асиметрії, тобто до значень зони
екологічного лиха (Ка <85 %).
Список літератури
1.
Здоров'я середовища: методика оцінки/В.М. Захаров, А.С. Баранов, В.І. Борисов і
др. - М., 2000. - 68 с.
2.
Косинова І.І. Теоретичні основи великомасштабних еколого-геологічних
досліджень. - Воронеж, 1998. - 255с.
3.
Екологічні функції літосфери/Под ред. В.Т. Трофімова. - М., 2000. - 432с.
4.
Косинова І.І., Крутских Н.В. Еколого-геологічне районування території м. Воронежа
//Вестн. Воронеж. ун-та. Геологія. - 2001. - № 12. - С. 205-212. 5.
Математична статистика/В.М. Іванова, В.Н. Калинина и др. - М., 1981.
-371с.
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.vestnik.vsu.ru
