gscienceMining Science and Technology (Russia)Горные науки и технологии2500-0632The National University of Science and Technology MISiIS (NUST MISIS)10.17073/2500-0632-2023-12-188gscience-583Research ArticleSAFETY IN MINING AND PROCESSING INDUSTRY AND ENVIRONMENTAL PROTECTIONТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОМ КОМПЛЕКСЕ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫGeoenvironmetal assessment of different types of cryolithic soils in Western Yakutia under the conditions of diamond-mining operationsГеоэкологическая оценка разных типов почв криолитозоны Западной Якутии в условиях функционирования алмазодобывающих предприятийhttps://orcid.org/0009-0005-0157-4609ТитовА. С.TitovA. S. 

Антон Сергеевич Титов – инженер-эколог

г. Москва

 

Anton S. Titov – Environmental Engineer

Moscow

Titov.A@ecostandard.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7759-2831ТороповА. С.ToropovA. S. 

Андрей Сергеевич Торопов – кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник химического факультета

Scopus ID 57693206900

г. Москва

Andrey S. Toropov – Cand. Sci. (Geolog. and Mineral.), Researcher at the Faculty of Chemistry

Scopus ID 57693206900

Moscow

torop990@gmail.comООО «ЭКОСТАНДАРТ «Технические решения»РоссияECOSTANDARD Technical Solutions LLCRussian FederationМосковский государственный университет им. М. В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian Federation20241706202492Online First170182Copyright © Titov A.S., Toropov A.S., 20232023Титов А.С., Торопов А.С.Titov A.S., Toropov A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mst.misis.ru/jour/article/view/583

The problems of geoenvironmental consequences of mining operations are especially acute in the arctic and subarctic regions, where the spread of permafrost significantly reduces the buffering capacity of landscapes. The article presents data on the content of heavy metals in the soil cover of the transient zone between the middle taiga and north taiga landscapes of Western Yakutia under the conditions of mining operations and assesses the resistance of different types of soils to heavy metals pollution. Field and laboratory works were carried out in August 2022. The heavy metals content was determined by atomic absorption spectrometry. Specialized software was used for analysis, such as MS Excel 2013, Statistica 12.0, and QGis 3.26.1. Calculation of organic forms of heavy metals in soil solutions was performed using the NICA-Donnan model. In the course of studies, the structure of the soil cover in the Nakyn kimberlite field in the conditions of the mining industrial complex operation was determined and a sketch map of the soil cover of the territory was compiled. The geochemical series of the studied heavy metals is as follows according to the degree of concentration of heavy metals in cryolithic soils: Pb > Zn > Ni > Cu > Cd > As > Hg. Positive correlations between humus and Cd, Pb, Zn, as well as the occurrence of synergism in the Pb–Cd, Zn–Pb, Zn–Cu pairs were revealed. The soils organic matter enhances migration of heavy metals. The man-made input of Ni and Zn in cryolithic soils will lead to increase of mobile fraction. Cd is more mobile in pale-yellow carbonate and cryogenic soils. The regional background level of heavy metals for these types of soils was calculated, which can be used in future works when the intensity of mining operations increases.

Проблемы геоэкологических последствий горнодобывающих предприятий стоят особенно остро в арктических и приарктических районах, где распространение вечной мерзлоты значительно сокращает буферные способности ландшафтов. В статье представлены данные о содержании тяжелых металлов в почвенном покрове переходной зоны от среднетаежных к северотаежным ландшафтам Западной Якутии в условиях функционирования горнодобывающего производства и предложены подходы к оценке устойчивости разных типов почв к загрязнению тяжелыми металлами. Полевые и лабораторные работы проведены в августе 2022 г. Определение содержания тяжелых металлов проводилось методом атомно-абсорбционной спектрометрии. Для анализа использовалось специализированное программное обеспечение – MS Excel 2013, Statistica 12.0, QGis 3.26.1. Расчет органических форм нахождения тяжелых металлов в почвенных растворах выполнен с помощью модели NICA-Donnan. В ходе исследования определена структура почвенного покрова Накынского кимберлитового поля в условиях функционирования горнопромышленного комплекса и составлена карта-схема почвенного покрова территории. Геохимический ряд изученных тяжелых металлов по степени концентрирования тяжелых металлов в почвах криолитозоны: Pb > Zn > Ni > Cu > Cd > As > Hg. Выявлены положительные зависимости между гумусом и Cd, Pb, Zn, а также проявление синергизма в парах Pb–Cd, Zn–Pb, Zn–Cu. Органическое вещество почв усиливает миграцию тяжелых металлов. Техногенное поступление в почвы криолитозоны Ni и Zn приведет к росту доли их подвижных форм. В палево-карбонатных и криоземах в большей степени подвижен Cd. Рассчитан региональный фоновый уровень тяжелых металлов для данных типов почв, который может быть использован в будущих работах при увеличении интенсивности горнодобывающих работ.

тяжелые металлызагрязнение почвтаежно-мерзлотные почвыкриозёмыалмазодобычанюрбинское кимберлитовое полемышьяк (As)кадмий (Cd)ртуть (Hg)свинец (Pb)медь (Cu)никель (Ni)цинк (Zn)Западная Якутияформы миграциигеохимиятермодинамическое моделированиеNICA-Donnanheavy metalssoil pollutiontaiga-frozen soilscryogenic soilsdiamond miningNyurba kimberlite fieldarsenic (As)cadmium (Cd)mercury (Hg)lead (Pb)copper (Cu)nickel (Ni)zinc (Zn)Western Yakutiaspeciationgeochemistrythermodynamic modelingNICA-DonnanАвторы благодарят коллектив испытательной лаборатории ООО «ЭКОСТАНДАРТ «Технические решения» за предоставление тары, реагентов и выполнение аналитических исследований, а также руководство ООО «ЭКОСТАНДАРТ «Технические решения» за организацию полевых работ. Работа по изучению миграционных форм тяжелых металлов выполнена при поддержке гранта РНФ 23-27-00140.The authors thank the team of the testing laboratory of ECOSTANDARD Technical Solutions LLC for providing containers, reagents and performing analytical studies, as well as the management of ECOSTANDARD Technical Solutions LLC for arranging the field work. The work on the study of migration forms of heavy metals was supported by the RSF grant No. 23-27-00140.ReferencesГололобова А. Г., Легостаева Я. Б. Экогеохимический мониторинг почвенного покрова на участках алмазодобычи в Западной Якутии. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2020;331(12):146–157. https://doi.org/10.18799/24131830/2020/12/2948Gololobova A. G., Legostaeva Ya. B. Ecogeochemical monitoring of soil cover on diamond mining site in Western Yakutia. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2020;331(12):146–157. (In Russ.) https://doi.org/10.18799/24131830/2020/12/2948Demkova L., Jezny T., Bobulska L. Assessment of soil heavy metal pollution in a former mining area – before and after the end of mining activities. Soil & Water Research. 2017;12(4):229–236. https://doi.org/10.17221/107/2016-SWRDemkova L., Jezny T., Bobulska L. Assessment of soil heavy metal pollution in a former mining area – before and after the end of mining activities. Soil & Water Research. 2017;12(4):229–236. https://doi.org/10.17221/107/2016-SWRЕлсукова Е. Ю., Опекунова М. Г., Опекунов А. Ю. Техногенная трансформация потоков тяжелых металлов в почвах в зоне воздействия медно-никелевого производства. Международный научно-исследовательский журнал. 2019;(12):118–124. https://doi.org/10.23670/IRJ.2019.90.12.024Elsukova E. Yu., Opekunova M. G., Opekunov A. Yu. Technogenic transformation of heavy metal streams in soils in regions under influence of copper-nickel production. International Research Journal. 2019;(12):118–124. (In Russ.) https://doi.org/10.23670/IRJ.2019.90.12.024Высоцкая Н. А., Пискун Е. В. Основные факторы неблагоприятного воздействия на окружающую среду деятельности калийного производства и способы ее защиты. Горные науки и технологии. 2019;4(3):172–180. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2019-3-172-180Vysotskaya N. A., Piskun E. V. The Main Factors of Adverse Environmental Impact of Potash Production and Methods of Environmental Protection. Mining Science and Technology (Russia). 2019;4(3):172–180. (In Russ.) https://doi.org/10.17073/2500-0632-2019-3-172-180Сорокина О. А., Киселев В. И. Химическое загрязнение почв в зоне освоения Джалиндинского россыпного и рудного месторождений золота. Экология и промышленность России. 2005;(7):24–28.Sorokina O. A., Kisselev V. I. Chemical pollution of soils in the area of development of Dzhalindinsky alluvial and ore deposits of gold (Amur region). Ecology and Industry of Russia. 2005;(7):24–28. (In Russ.)Басова И. А., Иватанова Н. П., Копылов А. В. Оценка экологического состояния почв в регионах развитой горной промышленности. Известия Тульского государственного университета. Естественные науки. 2012;(1–2):14–16.Basova I. A., Ivatanova N. P., Kopylov A. V. Assessment of the ecological state of soils in regions of developed mining industry. Proceeding of Tula State University. Natural Sciences. 2012;(1–2):14–16. (In Russ.)Gololobova A. G., Legostaeva Ya. B. The stability of frozen soils in conditions of development of mining industry. In: 17 th International Multidisciplinary Scientific GeoConference, SGEM 2017. Water Resources. Forest, Marine and Ocean Ecosystems Conference Proceedings. Albena, Bulgaria. 2017;17:655–662.Gololobova A. G., Legostaeva Ya. B. The stability of frozen soils in conditions of development of mining industry. In: 17 th International Multidisciplinary Scientific GeoConference, SGEM 2017. Water Resources. Forest, Marine and Ocean Ecosystems Conference Proceedings. Albena, Bulgaria. 2017;17:655–662.Легостаева Я. Б., Попов В. Ф., Козлова И. Г. и др. Тектоническая обстановка и эколого-геохимическая ситуация Накынского кимберлитового поля. В: Геология и минерально-сырьевые ресурсы Северо-Востока России: материалы XI Всероссийской научно-практической конференции. 5–7 апреля 2021 г. Якутск: Изд. дом СВФУ; 2021. С. 388–390. https://doi.org/10.52994/9785751331399_2021_103Legostaeva Ya., Popov V., Kozlova I. et al. Tectonic and eco-geochemical situation of the Nakyn Kimberlite Field. In: Geology and Mineral Resources of the North-East of Russia: Materials of the XI All-Russian Scientific and Practical Conference. April 5–7, 2021. Yakutsk: North-Eastern Federal University Publ. House; 2021. Pp. 388–390. (In Russ.) https://doi.org/10.52994/9785751331399_2021_103Зверева В. П., Фролов К. Р., Лысенко А. И. Формирование рудничных вод в Дальневосточном регионе России и их влияние на экосферу и здоровье населения. Горные науки и технологии. 2022;7(3):203–215. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-3-203-215Zvereva V. P., Frolov K. R., Lysenko A. I. Formation of mine drainage in the Far Eastern region and its impacton the ecosphere and public health. Mining Science and Technology (Russia). 2022;7(3):203–215. https://doi.org/10.17073/2500-0632-2022-3-203-215Серебряков Е. В., Гладков А. С., Кошкарев Д. А. Трехмерные структурно-вещественные модели формирования кимберлитовых трубок Нюрбинской и Ботуобинской (Якутская алмазоносная провинция). Геодинамика и тектонофизика. 2019;10(4):899–920. https://doi.org/10.5800/GT-2019-10-4-0448Serebryakov E. V., Gladkov A. S., Koshkarev D. A. Three-dimensional structural-material models of the formation of the Nurbinskaya and Botuobinskya kimberlite pipes. Geodynamics & Tectonophisics. 2019;4(4):899–920. (In Russ.) https://doi.org/10.5800/GT-2019-10-4-0448Килижеков О. К., Толстов А. В. Новые возможности прироста запасов алмазов в Средне-Мархинском районе Якутии. В: Труды рабочего совещания. Месторождения алмазов: процессы формирования, закономерности локализации, методы прогнозирования и поисков. Материалы встречи. Новосибирск; 2016. С. 54–60.Kilizhekov O. K., Tolstov A. V. New opportunities for the growth of diamond reserves in the Sredne-Markhinsky district of Yakutia. In: Proceedings of the Workshop. Diamond Deposits: Formation Processes, Localization Patterns, Forecasting and Prospecting Methods. Materials of the Meeting. Novosibirsk; 2016. Pp. 54–60. (In Russ.)Ершов Ю. И. Криогенные почвы на породах трапповой формации Центральной Сибири. Почвоведение. 2022;(6):657–672. https://doi.org/10.31857/S0032180X22060053 (Пер. вер.: Yershov Y. I. Cryogenic soils on the trappean rocks of Central Siberia. Eurasian Soil Science. 2022;55(6):695–709. https://doi.org/10.1134/S1064229322060059)Yershov Y. I. Cryogenic soils on the trappean rocks of Central Siberia. Eurasian Soil Science. 2022;55(6):695–709. https://doi.org/10.1134/S1064229322060059 (Orig. ver.: Yershov Y. I. Cryogenic soils on the trappean rocks of Central Siberia. Pochvovedenie. 2022;(6):657–672. (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0032180X22060053)Мотузова Г. В. Устойчивость почв к химическому воздействию. М.: Изд-во МГУ; 2000. 57 с.Motuzova G. V. Soil resistance to chemical effects. Moscow: Moscow State University Publ. House; 2000. 57 p. (In Russ.)Легостаева Я. Б., Шадрина Е. Г., Солдатова В. Ю., Дягилева А. Г. Эколого-геохимическая и биоиндикационная оценка трансформации экосистем при разработках коренных месторождений алмазов в Якутии. Современные проблемы науки и образования. 2011;(6).Legostaeva Ya. B., Shadrina E. G., Soldatova V. Yu., Dyagileva A. G. Ecogeochemical and bioindication assessment of transformation of ecosystem in process drafting of primary deposits of diamonds in Yakutia. Modern Problems of Science and Education. 2011;(6). (In Russ.)Феклистов П. А. Определение зоны воздействия автодороги «Вахтовый поселок Накын-Промзона» Нюрбинского месторождения алмазов методом биоиндикации. Arctic Enviromental Research. 2012;(3):48–53.Feklistov P. A. Estimation of the impact area of the Nyurbinsk diamond deposit road rotational settlement Nakyn-Industrial zone by means of bioindication. Arctic Enviromental Research. 2012;(3):48–53. (In Russ.)Jaishankar M., Tseten T., Anbalagan N. et al. Toxicity, mechanism and health effects of some heavy metals. Interdisciplinary Toxicology. 2014;7(2):60–72. https://doi.org/10.2478/intox-2014-0009Jaishankar M., Tseten T., Anbalagan N. et al. Toxicity, mechanism and health effects of some heavy metals. Interdisciplinary Toxicology. 2014;7(2):60–72. https://doi.org/10.2478/intox-2014-0009Гололобова А. Г., Легостаева Я. В. Влияние горнодобывающей и перерабатывающей деятельности на содержание тяжелых металлов и микроэлементов в мерзлотных почвах. В: Геология и минерально-сырьевые ресурсы Северо-Востока России: материалы XI Всероссийской научно-практической конференции. 5–7 апреля 2021 г. Якутск: Изд. дом СВФУ; 2021. С. 367–370. https://doi.org/10.52994/9785751331399_2021_97Gololobova A. G., Legostaeva Ya. V. Influence of mining and processing activities on frozen soils of the khannya-nakyn interfluves (Western Yakutia). In: Geology and Mineral Resources of the North-East of Russia: Materials of the XI All-Russian Scientific and Practical Conference. April 5–7, 2021. Yakutsk: North-Eastern Federal University Publ. House; 2021. Pp. 367–370. (In Russ.) https://doi.org/10.52994/9785751331399_2021_97Дину М. И., Шкинев В. М. Комплексообразование ионов металлов с органическими веществами гумусовой природы: методы исследования и структурные особенности лигандов, распределение элементов по формам. Геохимия. 2020;65(2):165–177. https://doi.org/10.31857/S001675252002003X (Перев. вер.: Dinu M. I., Shkinev V. M. Complexation of metal ions with organic substances of humus nature: methods of study and structural features of ligands, and distribution of elements between species. Geochemistry International. 2020;58(2):200–211. https://doi.org/10.1134/S0016702920020032)Dinu M. I., Shkinev V. M. Complexation of metal ions with organic substances of humus nature: methods of study and structural features of ligands, and distribution of elements between species. Geochemistry International. 2020;58(2):200–211. https://doi.org/10.1134/S0016702920020032 (Orig. ver.: Dinu M. I., Shkinev V. M. Complexation of metal ions with organic substances of humus nature: methods of study and structural features of ligands, and distribution of elements between species. Geohimiya. 2020;65(2):165–177. (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S001675252002003X)Gololobova A. G., Legostaeva Ya. V. Heavy metals in cryozems of Western Yakutia. In: 19 th International Multidisciplinary Scientific GeoConference, SGEM 2019. Water Resources. Forest, Marine and Ocean Ecosystems Conference Proceedings. Albena, Bulgaria. 2019;19(3.2):239–246.Gololobova A. G., Legostaeva Ya. V. Heavy metals in cryozems of Western Yakutia. In: 19 th International Multidisciplinary Scientific GeoConference, SGEM 2019. Water Resources. Forest, Marine and Ocean Ecosystems Conference Proceedings. Albena, Bulgaria. 2019;19(3.2):239–246.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.