Геостатичний аналіз атмогеохімічного поля в приземному шарі атмосфери Північної України (за даними біогеохімічної індикації)

а) територіальною неоднорідністю техногенезу; б) просторовою неоднорідністю діяльного шару.

Ураховуючи, що механізм утворення і особливості повітряної міграції дрібнодисперсних аерозолів Sb є абсолютно несхожим на такий для аерозолів інших ВМ, що групуються по F2 (див. вище), входження у F2 сурми зі знаком "+" виглядає закономірним.

На біплоті (рис. 1) добре простежується протилежність променю Sb променям Cd і Pb. Натомість з останніми добре групуються промені Co і Cu, водночас промінь Ni відхиляється дещо вбік від групи променів Pb, Cd, Cu, Co, хоч його зв'язок саме з групою важких металів усе ж таки простежується.

По F3 маємо два достеменні і близькі за значеннями КФН: для Ti і V. У геохімії ці елементи вважаються спорідненими, наголошується на їхній змінній валентності (додатній), належності до групи літофілів (Перельман, 1989), деякій спорідненості в техногенезі (виготовлення і використання титаново-алюмінієво-ванадієвих сплавів, спільне використання в електронному приладобудуванні та ін.). Але на дослідженій території титан і ванадій, на нашу думку, маркують перш за все високі викиди, що надходять в атмосферу через димові труби. V є відомим маркером теплоенергетичних (ТЕС, котельні) атмосферних викидів. Роль титану специфічна, можна сказати, вузько регіональна. Він надходить в атмосферу дослідженої території через труби збагачувальної фабрики Ір- шанського ГЗК (виробництво ільменітового концентрату), а також від паперових фабрик, розміщених у Житомирі, Києві, Коростишеві, Малині, Мирополі, Обухові, смт Понінці (Полонський р-н Хмельницької обл.), с. Чижівці (Новоград-Волинський р-н Житомирської обл.) і дрібніших виробництв.

На жаль, промінь "V" на графіку біплоту не простежується (рис. 1), оскільки має напрямок, перпендикулярний до площини проекції.

Фактор F4 легко інтерпретується як чинник біогенезу. Достеменні додатні КФН мають лише S і P, спільне між ними в даному випадку лише те, що вони - потужні мак- роелементи-біогени. Звертає на себе увагу також не достеменний, але помітний від'ємний КФН для Na: очевидно це "натяк" на протилежний геохімічний процес - "боротьбу" рослин з надходженням до їхніх організмів надмірної кількості фізіологічно небажаних або шкідливих елементів. F5 ми теж інтерпретуємо як чинник біогенезу, але такий, що маркується вже не макро-, а мікроелементами - бором, міддю і з меншою імовірністю кобальтом. F6 - фактор досить слабкий, по ньому взагалі немає явних достеменних КФН (0,7 і більше), є лише два "допоміжні", трохи більші 0,6: для Mn i Cr. Це - показники впливу на повітряну міграцію та накопичення хімічних елементів мохами Eh - pH параметрів атмосферних опадів і гідрометеорів. Вплив слабкий, але все ж таки є підстави говорити про нього.

На біплоті S і P (F4) відбиваються погано, оскільки промінь "S" спрямований "углиб" площини проекції й тому виражений на ній недостатньо. Не можна простежити і групування променів "B" та "Cu" (F5), а також "Mn" і "Cr" (F6). Із цього можна зробити висновок, що модель біплот, принаймні у графічному варіанті, є слабкочут- ливою щодо моделювання геохімічної причинності в областях дії геохімічних факторів, потужність дії яких невисока.

Регіональний геостатистичний аналіз. Під регіональним геостатистичним аналізом розуміємо розподіл точок пробовідбору у просторі (гіперпросторі) геохімічних чинників, а також розподіл геохімічних факторів по точках пробовідбору та в їхньому околі.

Розмістивши точки пробовібору на діаграмі біплоту, можна відстежити їхню кластеризацію в різних частинах діаграми, що окреслюються тими чи іншими променями- маркерами. Цей прийом раніше нами застосовувався (Тютюнник и др., 2007), але в цій роботі ми вдамося до більш наочного. Скоротимо розмірність гіперпростору геохімічних чинників до трьох і використаємо трикутні діаграми, підбираючи для їхнього створення хімічні елементи таким чином, щоб вони служили найбільш характерними маркерами найважливіших геохімічних факторів і умов. Для запобігання впливу на розташування на діаграмах точок пробовідбору абсолютних концентрацій хімічних елементів приведемо трикутні діаграми до центрованого вигляду (Martin-Fernandez et al., 2004). Спираючись на маркери основних процесів формування атмогеохімічного поля, що були нами виявлені вище, дослідимо розподіл точок пробовідбору в трикутних діаграмах (рис. 2).

З розподілу точок на діаграмі Al/Ca/Ti можемо зробити висновок, що чинник теригенного пилопідйому в межах дослідженої території є досить неоднорідним у своїх проявах, розпорошеним. Це свідчить про відносну просторову строкатість умов пилоутворення. Вона обумовлюється відмінами в гранулометричному складі четвертинних відкладів, ступені задернованості й розорано- сті ґрунтів, різницями в приземних швидкостях вітрів. На всій території дослідження переважна більшість площ представлена пухкими ґрунтами. На Поліссі їхній гранулометричний склад крупніший, ніж у лісостепу, але й зв'язність слабша. Вітровий режим напруженіший і розораність вища в лісостепових ландшафтах. На "лісостеповій" діаграмі помітна тенденція до кластеризації точок пробовідбору: у Поліссі - "Al/Са", у лісостепу - "Ті". Імовірно, це говорить про прояв екотонного ефекту, що виражається у збільшенні розмаїття четвертинних відкладів на межі "зона мішаних лісів - лісостеп".

Рис. 2 Розподіл точок відбору проб моху Pleurozium schreberi (Brid.) Mitt. на центрованих трикутних діаграмах Al/Ca/Ti, К/S/Zn, Fe/S/Pb і Cd/V/Pb.

Діаграма K/S/Zn утворюється біогенними елементами, але такими, що мають дуже відмінні техногенно-, атмо- і біогеохімічні властивості. Незважаючи на ці відміни, куп- ність точок на діаграмі K/S/Zn найвища. Це говорить про невисоку просторову варіабельність такого геохімічного чинника, як "біогенез" (який у нашому випадку є біологічним механізмом поглинання, накопичення і утримання в тканинах P.schreberi хімічних елементів). Водночас звертає на себе увагу відносна розпорошеність точок на лісостеповій діаграмі. Це можна інтерпретувати як свідчення більшого різноманіття екологічних умов зростання і життєдіяльності P.schreberi в умовах лісостепового екотону, оскільки тут він зустрічається не лише в рівнинних шпилькових лісах, як переважно на Поліссі, а й у терасових борах, у різновікових меліоративних посадках на плакорах і в яружно-балкових місцинах, а також зустрічається у шпильково-листяних насадженнях.

Розподіл точок на діаграмі Fe/S/Pb може бути інтерпретований як такий, що зумовлюється просторовою неоднорідністю фактора техногенезу. Fe, S і Pb маркують складові техногенезу, різні складові процесів атмосферної міграції його продуктів, а також різні нюанси накопичення їх у рослинах моху. Тому розпорошеність точок на діаграмі, що є показником територіальних варіацій техногенезу і процесів міграції його продуктів, значна. Вона майже така, як і на діаграмі теригенного пилопідйому. Помітна тенденція до кластеризації поліських точок зі здви- гом до "Pb". Це можна трактувати як підсилення ролі автомобільного транспорту в забрудненні повітряних мас в умовах слабопересіченого рельєфу Полісся, де рух повітряних мас порівняно з лісостеповими ландшафтами дещо уповільнений через вищу залісненість території.

Діаграма V/Cd/Pb інтерпретується також як діаграма перерозподілу у просторі техногенезу, але у вужчому колі його проявів, які маркуються лише дрібнодисперсними аерозолями конденсації. І цей фактор, як показує розподіл точок на діаграмі, досить широко варіюється у просторі. Помітно, що на загальній і поліській діаграмах має місце тенденція до кластеризації точок "у бік" кожної із складових техногенезу, які маркуються відповідно V, Cd і Pb. Кластер "у бік" кадмію складається з точок пробовідбору, щоі зазнають забруднення переважно через глобальну і регіональну міграцію аерозолів конденсації.

Кластер "у напрямку" ванадію утворюється точками пробовідбору, на які й діють здебільшого регіональні й локальні забруднені повітряні маси. А в кластері, який утворюється точками, що тяжіють до свинцю, найкраще відбивається локальний та імпактний вплив атмосферного забруднення, викликаного процесами пірогенезу. Для лісостепової вибірки кластеризація точок на діаграмах не простежується - можливо через їхню недостатню кількість, можливо через кліматичні відміни у формуванні атмогеохімічного поля. Питання потребує подальшого дослідження.

Рис. 3 Картосхема розподілу по території дослідження кореляцій значущих факторів (F1- F4) у точках пробовідбору моху Pleurozium sehr. (Brid.) Mitt

На рис. 3 у вигляді діаграм зображено значення КФН для перших чотирьох факторів (Fi - F4), обрахованих для кожної точки пробовідбору. Якщо стовпчик діаграми, що відповідає певному фактору, розміщується вище "нульової" горизонталі, це означає, що в даній точці сила дії цього фактора зростає; і чим вищим є стовпчик, тим ін- тенсивнішим є прояв дії фактора. Якщо стовпчик "іде" вниз від "нульової" горизонталі, то, навпаки, говоримо про пропорційне послаблення в даній точці дії відповідного йому чинника.

Найчастіше високі значення КФН по F1 спостерігаються на територіях гірничих розробок Житомирщини та прилеглих до них районів, на околицях і в радіусі впливу міст (Бердичів, Київ, Малин, Миронівка), а також біля військових полігонів Житомирщини і Чернігівщини. Зменшення інтенсивності дії Fi спостерігається у фонових районах, причому як у Поліссі (особливо в Чернігівському), так і у деяких районах лісостепу, зокрема в По- россі (можливо, це пов'язано з близьким заляганням тут твердих кристалічних порід Українського щита).

Чинник F2 загалом у регіональному плані виявляє себе помірно. З найбільшою силою він виявляється на фонових і напівфонових територіях Житомирського і Київського Полісся, а в Чернігівському, навпаки - з найменшою інтенсивністю. Імовірно, тут слід говорити про провінційні відмінності щодо міграції й седиментації з приземної атмосфери дрібнодисперсних продуктів техногенезу. Тяжіння F2 до Полісся може вказувати на більшу значущість у межах цих територій мікрокліматичних умов міграції й седиментації дрібних аерозолів, пов'язаних, зокрема, з більшою залісне- ністю і відповідно шорсткістю денної поверхні.

Високі значення F3 приурочені до західної, центральної й південної частин Житомирщини - місць найбільшого розвитку паперової промисловості й видобутку та збагачення ільменітових руд. Про їхнє значення у формуванні F3 ішлося вище. Привертає до себе увагу, що F3 практично не виявляє себе у зоні впливу Київського ме- гаполісу і Трипільської ТЕС. Але це не означає, що він тут не діє. Його дію можна було б побачити, якби ми враховували також дані по моху Brachythecium oedipodium, зразки якого були відібрані в репрезентативних точках впливу енергетичних джерел високих викидів. На жаль, на даному етапі роботи в силу зазначених вище причин ми вимушені були відмовитися від використання даних по моху B.oedipodium. Знижена інтенсивність дії F3 спостерігається в Поліссі, причому в Чернігівському, знов- таки, виразніше, аніж у Житомирському і Київському.

Коливання сили прояву F4 у межах обстеженої території гарно виражене. Найбільші значення F4 фіксуються на сході Житомирського і у Київському Поліссі, у Пороссі й лісостеповому Лівобережжі. Про прояв низьких значень F4 з більшою або меншою достеменністю можна говорити лише для північної частини Житомирського Полісся. У багатьох точках F4 виявляє себе мінімально, не подає ознак ні до зростання, ні до зниження інтенсивності. Вважаємо, що територіальний розподіл сили вияву F4 відбиває, перш за все, зміни і коливання локальних екологічних умов зростання моху P.schreberi (різновид фітоценозу, експозиція схилу, умови зволоження тощо). Там, де вони помітно змінюються, маємо зростання і зниження величини останнього стовпчика діаграми. Там, де вони відносно стабільні у просторі, маємо малі відстані четвертого стовпчика діаграми від "нульової" горизонталі.

Висновки

1. Бріогеохімічна індикація є добрим методом оцінки і моніторингу атмосферного забруднення великих і різноманітних за природними і техногенними умовами територій. Ряд накопичення хімічних елементів, що надходять з атмосферного повітря, мохом Pleurozium schreberi (Brid.) Mitt. у Поліссі й північному лісостепу є таким: К> Ca> Mg> S> Al> Fe> Mn> Na> P> Zn> Ba> Sr> Ti> B> Cu> Pb> Ni> Cr> V> Se> Cd> Co> Sb. Залежно від місцевих умов деякі хімічні елементи в ряду накопичення можуть мінятися місцями (але не на великі "відстані"). 2. Геостатистичні методи обробки даних щодо вмісту хімічних елементів у моху-індикаторі є продуктивними і дозволяють ефективно аналізувати стан атмосферного забруднення великої території та причини його формування. Доцільно поєднання різних геос- татистичних методів, а саме: факторного аналізу, картографування просторових кореляцій значущих факторів, методу центрованих трикутних діаграм, композиційного біплоту. 3. Основними чинниками формування атмогеохімічного поля у межах Житомирської, Київської та північно-східної частини Чернігівської областей є такі: природний теригенний пилопідйом і техногенне пилове навантаження крупнодисперними аерозолями дезінтеграції (F1 ); техногенне дрібнодисперсне аерозольне навантаження, яке складається із часточок конденсаційного та дезінтегративного походження, що надходять в приземну атмосферу на різних, але здебільшого малих, висотах, а також шляхом дальнього трансграничного перенесення (F2); техногенне пилоаерозольне, яке формується високими (через димові труби) атмосферними викидами (F3). 4. Фактор F1 найвиразніше виявляє себе на територіях гірничих розробок Житомирщини та прилеглих до них районів, на околицях і в радіусі впливу деяких міст, а також біля військових полігонів Житомирщини і Чернігівщини. F2 з найбільшою силою дає себе взнаки на фонових і напівфонових територіях Житомирського і Київського Полісся. Фактор впливу F3 найбільш високі значення має у західній, центральній, південній частинах Житомирщини.

Список використаних джерел

1. Ворончихина, Е.А., Щукин, А.В., Щукина, Н.И. (2014). К оценке геохимического состояния урбоэкосистемы Перьми в связи с использованием противогололёдных реагентов. Географический вестник, 2(29), 79-94.

2. Дьяченко, В.В., Матасова, И.Ю. (2015). Загрязнение и динамика микроэлементов в почвах Юга России. Геоэкология, 4, 324-332.

3. Кист, А.А. (1987). Феноменология биогеохимии и бионеорганической химии. Ташкент: Фан.

4. Перельман, А.И. (1989). Геохимия. Москва: Высш. школа.

5. Сает, Ю.Е., Ревич, Б.А, Янин, Е.П., Смирнова, Р.С., Башаркевич И.Л., Онищенко, Т.Л., Павлова, Л.Н., Трефилова, Н.Я., Ачкасов, А.И., Саркисян, С.Ш. (1990). Геохимия окружающей среды. М.: Недра.

6. Тютюнник, Ю.Г., Блюм, О.Б., Шабатура, А.В. (2005). Атмосферное загрязнение мышьяком и тяжелыми металлами Украинских Карпат и предгорных территорий. География и природные ресурсы, 1, 138-146.

7. Тютюнник, Ю.Г., Горлицький, Б.А. (2000). Техногенне забруднення міських грунтів України (феноменологічний аналіз). Доповіді НАН України, 6, 208-211.

8. Тютюнник, Ю.Г., Даунис-и-Эстаделья, Дж., Блюм, О.Б., Мартин-Фернандес, Дж.-А. (2012). Исследование генетически различных полей загрязнения охраняемой территории: геостатистический анализ данных биоиндикации. Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология, 4, 336-343.

9. Тютюнник, Ю.Г., Мартин-Фернандес, Дж.-А., Даунис-и-Эстаделья, Дж. (2007). Оценка загрязнения приземного слоя атмосферы городских территорий с применением методов математической статистики. География и природные ресурсы, 4, 145-153.

10. Тютюнник, Ю.Г., Толосана-Дельгадо, Р., Павловски-Глан, В., Блюм, О.Б. (2006). Тяжелые металлы - индикаторы причин атмосферного загрязнения в Украинских Карпатах (геостатистический анализ). Геоэкология, 5, 433-439.

11. Aitchison, J. (2003). The Statistical Analysis of Compositional Data, Monographs on Statistics and Applied Probability. (London: Chapman & Hall Ltd, 1986). Reprinted with additional material. Caldwell, N.J: The Blackburn Press.

12. Aitchison, J., Greenacre, M. (2002). Biplot of compositional data. Applied Statistics, 51,375-392.

13. Anicic, M. et al. (2018). Environmental implication indices from elemental characterisations of collocated topsoil and moss samples. Ecological Indicators, 90, 529-539.

14. Angelovska, S., Stafilov, T., Sajn, R., Balabanova, B. (2016). Geogenic and anthropogenic moss responsiveness on lithological elements distribution around Pb-Zn ore deposit. Archives of Environmental Contamination and Toxicology, 70. doi - 10.1007/s00244-015-0251-7.

15. Balabanova, B., Stafilov, T., Sajn, R., Tanaselia, C. (2016). Multivariate extraction of dominant geochemical markers for 69 elements deposition in Bregalnica river basin, Republic of Macedonia (moss biomonitoring). Environmental Science and Pollution Research, 23, 22852-22870.

16. Cox, R., Lowe, D.R., Cullers, R.L. (1995). The influence of sediment recycling and basement composition on evolution of mudrock chemistry in the Southwestern United States. Geochim. Cosmochim. Acta, 59, 2919-2940.

17. Culicov, O.A., Frontasyeva, M.V., Steinnes, E., Okina, O.S., Santa, Zs., Todoran, R. (2002). Atmospheric deposition of heavy metal around the lead and copper-zinc smelters in Baia Mare, Romania, studies by the moss biomonitoring technique, neutron activation analysis and flame atomic absortion spectrometry. Preprint E-14-2002-102. Dubna, 12.

18. Dimovska, B., Sajn R., Stafilov, T., Baceva, K., Tanaselia, C. (2014). Determination of atmospheric pollution around the thermoelectric power plant using a moss biomonitoring. Air Quality Atmosphere & Health, 7, 541-557.

19. Harmens H., Norris D.A., Sharps, K., Mills. G., Alber. R., Aleksiayenak, Y., Blum, O., Cucu-Man, S-M., Dam, M., De Temmerman, L., Ene, A., Fernandez, J.A., Martinez-Abaigar, J., Frontasyeva, M., Godzik, B., Jeran, Z., Lazo, P., Leblond, S., Liiv, S., Magnьsson, SH., Mankovskо, B., Pihl Karlsson, G., Piispanen, J., Poikolainen, J., Santamaria, J.M., Skudnik, M., Spiric, Z., Stafilov, T., Steinnes, E., Stihi, C., Suchara, I., Thцni, L., Todoran, R., Yurukova, L., Zechmeister, HG. (2015). Heavy metal and nitrogen concentrations in mosses are declining across Europe whilst some “hotspots” remain in 2010. Environ Pollut., (200), 93-104.

20. Heavy Metals, Nitrogen and POPs in European Mosses. (2015). 2015 - Survey Monitoring Manual: International Cooperative Programme on Effects of Air Pollution on Natural Vegetation and Crops. Working Group on Effects Convention on Long-range Transboundary Air Pollution.

21. Hofer, G., Wagreich, M., Neuhuber, S. (2013). Geochemistry of finegrained sediments of the upper Cretaceous to Paleogene Gosau Group (Austria, Slovakia): implications for paleoenvironmental and provenance studies. Geosc. Front., 4, 449-468.

22. Huisman, J.D., Klaver, T.G., Veldkamp, A., van Os, H.J.B. (2000). Geochemical compositional changes at the Pliocene-Pleistocene transition in flu- viodeltaic deposits in the Tegelen-Reuver area (southeastern Netherlands). Int. J. Earth Sci., 89, 154-169.

23. Frontasyeva, M.V., Sminrov, L.I., Steinnes, E., Lyapunov, S.M., Cherchintsev, V.D. (2012). A heavy metal atmospheric deposition study in the South Ural mountains. Preprint D14-2002-69. Dubna, 14.

24. Lazo, P., Steinnes, E., Qarric, F., Allajbeuc, S., Kanec, S., Stafilov, T., Frontasyeva, M.V., Harmens, H. (2018). Origin and spatial distribution of metals in moss samples in Albania: A hotspot of heavy metal contamination in Europe. Chemosphere, 190, 337-349.

25. Martin-Fernandez, J.A., Daunis-i-Estadella J., Tyutyunnik Y.G. (2004). Es- periencia del estudio geoestadоstico de composition qrnmica de suelos, de los ^d^dares de factores y de las cGndiciones geoqrnmicas. Report de Recerca IMA 04-01-RR. Girona: Universitat de Girona.

26. Stain, O.A., Licaciu, A., Frontasyeva, M.V., Steinnes, E. (2001). New results from air pollution studies in Romania. Radionuclides and Heavy Metals in Environment. NATO Science Series (Series IV: Earth and Environmental Series). Dordrecht: Springer, 5, 179-90.

Размещено на Allbest.ru