PIERWIASTKI ŚLADOWE W OSADACH JEZIOR SUWALSZCZYZNY

PIERWIASTKI ŚLADOWE W OSADACH JEZIOR SUWALSZCZYZNY

11
Pierwiastki śladowe w osadach jezior Suwalszczyzny
Prace i Studia Geograficzne
2012, T. 50, ss. 11-18
Izabela Bojakowska, Tomasz Gliwicz
Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa
e-mail: [email protected]
e-mail: [email protected]
PIERWIASTKI ŚLADOWE W OSADACH JEZIOR SUWALSZCZYZNY
Trace elements in Suwałki region lakes sediments
Abstract. Ag, As, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Ni, Pb, Sr, V, Zn and Ca, Fe, Mg, Mn, P,
S and Corg. concentrations were determined in sediments taken from the Suwałki region
lakes. Average contents were for: arsenic - 8 mg/kg, barium - 107 mg/kg, cadmium - 0,9
mg/kg, cobalt - 4 mg/kg, chromium - 12 mg/kg, copper - 12 mg/kg, mercury - 0,09 mg/
kg, nickel - 9 mg/kg, lead - 33 mg/kg, strontium - 81 mg/kg, vanadium - 17 mg/kg and
zinc - 82 mg/kg. The regional diversification in concentration of some trace elements in
lake sediments was noticed. Increased cobalt, chromium, copper, nickel, vanadium and
magnesium concentrations were observed in sediments of lakes situated on boulder clay.
Heighten Co, Cr, Cu, Ni, V and Mg contents are caused by lithologic factor – weathering
postglacial sediments containing erratics of magmatic and metamorphic rocks which are
trace metals source. Raise concentration of Cd, Hg, Pb, Zn and S are connected with anthropogenic factor.
Słowa kluczowe: wietrzenie, antropopresja, skały magmowe i metamorficzne, analiza
czynnikowa
Key words: weathering, anthropopressure, igneous and metamorphic rocks, factor
analysis
WSTĘP
W jeziorach osady powstają w wyniku sedymentacji składników allochtonicznych - piasków, mułków i żwirów, będących produktem erozji skał występujących na obszarze zlewni i wnoszonych do jezior wraz ze spływem powierzchniowym i dopływami oraz sedymentacji składników autochtonicznych powstałych
w środowisku jeziornym - wytrącających się z wody rozpuszczonych i koloidalnych związków chemicznych np.: krzemionki, węglanu wapnia, wodorotlenków
12
Izabela Bojakowska, Tomasz Gliwicz
żelaza i manganu, uruchomionych w procesie wietrzenia skał występujących na
obszarze zlewni oraz sedentacji szczątków organizmów roślinnych i zwierzęcych
zasiedlających dane środowisko wodne i akumulacji produktów ich rozkładu.
W warunkach naturalnych skład chemiczny osadów jest uzależniony głównie od
właściwości skał występujących na obszarze zlewni danego jeziora i warunków
klimatycznych (Wetzel 2001). Na stężenie pierwiastków w osadach jezior mają
także wpływ jego właściwości morfometryczne, takie jak wielkość zlewni jeziora,
powierzchnia i głębokość jeziora, kształt misy jeziornej, które wpływają na przebieg fizycznych, chemicznych i biologicznych zjawisk zachodzących w jeziorze.
Osady wodne charakteryzujące się wysokimi zawartościami potencjalnie
szkodliwych pierwiastków śladowych mogą negatywnie wpływać na zasoby biologiczne jezior i pośrednio na zdrowie człowieka. Obserwowany wzrost stężenia potencjalnie szkodliwych pierwiastków we współcześnie powstających lub powstałych w niedalekiej przeszłości osadach, w porównaniu do stężeń tych składników
obserwowanych w osadach nagromadzonych w okresie przedprzemysłowym,
spowodowany jest działalnością gospodarczą na terenie zlewni jeziora, depozycją
z atmosfery oraz spływem powierzchniowym z terenów osiedlowych i rolniczych
(Birch et al. 2001, Mecray et al. 2001, Lindstrom 2001). W zanieczyszczonych
osadach najczęściej odnotowywane są podwyższone stężenia metali i metaloidów
mających obecnie lub w niedalekiej przeszłości szerokie zastosowanie w gospodarce oraz uruchamianych i dostarczanych do środowiska podczas przetwarzania
kopalin. Do metali i metaloidów najczęściej przyczyniających się do zanieczyszczenia osadów i stanowiących największe zagrożenie dla biosfery należą: srebro,
arsen, beryl, cynk, chrom, miedź, rtęć, nikiel, ołów, antymon, selen, tal i cynk
(Sparks 2005).
Suwalszczyzna jest jednym z nielicznych regionów, zarówno w skali kraju jak
i Europy, gdzie udało się zachować prawie nieskażoną przyrodę i piękno naturalnego środowiska. Obszar Suwalszczyzny według podziału fizycznogeograficznego należy do Pojezierza Litewskiego (Kondracki 2002). Suwalszczyzna obejmuje
swoim zasięgiem Pojezierze Suwalskie, Równinę Augustowską, Pojezierze Ełckie,
Wzgórza Szeskie, Puszczę Romnicką i północną część Kotliny Biebrzańskiej. Obszar Suwalszczyzny pokryty jest osadowymi utworami czwartorzędowymi, przede
wszystkim glinami zwałowymi i piaskami fluwioglacjalnymi, utworami geologicznymi charakteryzującymi się niskimi zawartościami potencjalnie szkodliwych
pierwiastków śladowych. Obszar ten ma charakter rolniczo-leśny, a nieliczne zakłady przemysłowe zlokalizowane przede wszystkim w Suwałkach i Augustowie
oraz eksploatacja występujących tu surowców pospolitych (iły, gliny, piaski, żwiry,
torfy) stwarza niewielkie zagrożenie dla jakości środowiska tego obszaru.
Pierwiastki śladowe w osadach jezior Suwalszczyzny
13
ZAKRES I METODYKA BADAŃ
Badania osadów dennych rzek i jezior w Polsce wykonywane w ramach programu Państwowego Monitoringu Środowiska (PMŚ) mają na celu obserwację
zawartości potencjalnie szkodliwych pierwiastków (srebro, arsen, bar, cynk,
chrom, kadm, kobalt, miedź, nikiel, ołów, rtęć, srebro, stront i wanad) oraz trwałych zanieczyszczeń organicznych (wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, polichlorowanych bifenyli i pestycydów chloroorganicznych) w osadach powstających współcześnie w rzekach i jeziorach, a także obserwację ich
zmian w czasie. Podczas realizacji zadań wykonywanych dla PMŚ w latach 1995
– 2005 zbadano osady 67 jezior z obszaru Suwalszczyzny. W próbkach osadów
pobranych z 5 cm powierzchniowej warstwy z głęboczków jezior oznaczono zawartość Ag, As, Ba, Cd, Co, Cr, Cu, Ni, Pb, Sr, V i Zn oraz Ca, Fe, Mg, Mn, P i
S za pomocą spektrometru emisyjnego ze wzbudzeniem plazmowym ICP JY70
Plus Geoplasma firmy Jobin-Yvon, po roztworzeniu próbek w wodzie królewskiej
oraz oznaczono z próbki stałej zawartość Hg przy zastosowaniu analizatora AMA
254 firmy Altec techniką absorpcji atomowej oraz węgla organicznego - metodą
kulometryczną aparatem COULOMAT.
WYNIKI I DYSKUSJA
Uzyskane wyniki wykazały, że średnie zawartości zbadanych pierwiastków
śladowych są nieznacznie wyższe od średniej zawartości tych pierwiastków w osadach wodnych Polski. Zawierają one średnio 8 ppm arsenu, 107 ppm baru, 0,9 ppm
kadmu, 4 ppm kobaltu, 12 ppm chromu, 12 ppm miedzi, 0,09 ppm rtęci, 9 ppm
niklu, 33 ppm ołowiu, 81 ppm strontu, 17 ppm wanadu i 82 ppm cynku (tabela
1). W żadnym ze zbadanych osadów nie stwierdzono zawartości srebra powyżej
limitu detekcji zastosowanej metody (0,5 mg/kg). Podwyższone zawartości arsenu, powyżej 13 mg/kg (średnia + odchylenie standardowe), stwierdzono w osadach jezior: Kalety (Długie Augustowskie), Jaczno, Białego Wigierskiego, Perty,
Rozpudy Augustowskiej, Busznicy, Studzienicznego i Brożanego. Stężenie baru
wyższe od 150 mg/kg stwierdzono w osadach jezior: Jaczno, Garbaś, Szejpiszki,
Sejny, Krejwelek, Okrągłego, a także Szurpiły i Pomorze. Podwyższoną zawartość
kadmu, powyżej 1,6 mg/kg charakteryzują się osady jezior: Tobolinka, Białego
Wigierskiego, Botonie, Kalety i Szejpiszki, Sejwy, Boksze, Dunajewo i Białego Augustowskiego. Nieznacznie podwyższoną zawartość kobaltu (9 mg/kg) zawierają
osady jeziora Szelment Mały. Zawartość chromu, powyżej 20 mg/kg odnotowano
m.in. w osadach w jezior: Szelment Mały, Wiżajny, Gaładuś, Sejwy, Okmin, Berżniki, a podwyższoną zawartość miedzi, powyżej 17 mg/kg stwierdzono w osadach
jeziora Wiżajny, Mieruńskim Wielkim, Punia, Białym Kleszczowieckim, Gaładuś
i Szelment Mały. Stężenie rtęci, powyżej 1,4 mg/kg odnotowano w jeziorach: Bia-
14
Izabela Bojakowska, Tomasz Gliwicz
Tabela 1. Zawartość pierwiastków śladowych w osadach jezior Suwalszczyzny.
Table 1. Concentrations of trace elements in Suwałki region lakes sediments.
a
b
c
Arsen
Bar
Kadm
Kobalt
Chrom
Miedź
Rtęć
Mangan
Nikiel
Ołów
Stront
Wanad
Cynk
<5
19
0,5
1
2
3
0,023
59
2
3
14
<5
23
23
191
3,5
9
31
27
0,239
2848
22
136
230
42
246
8
105
0,9
4
12
12
0,094
876
9
34
79
17
82
Żelazo
Wapń
Magnez
Fosfor
Siarka
TOC
0,07
0,46
0,08
0,035
0,108
3,69
5,54
28,39
1,23
0,291
1,534
45,30
1,91
12,19
0,42
0,101
0,694
13,58
d
mg/kg
7
94
0,7
3
10
11
0,083
648
8
28
66
15
74
%
1,42
8,89
0,36
0,092
0,603
11,40
e
f
g
7
102
0,8
3
10
11
0,092
825
8
29
79
16
78
4,8
45,0
0,70
2,3
7,5
4,6
0,046
624
5,3
22,7
40,8
8,3
40,5
12,6
150,3
1,63
5,8
19,7
16,5
0,140
1500
14,5
56,7
119,4
25,6
122,9
1,72
12,73
0,36
0,093
0,620
10,60
1,29
7,10
0,23
0,045
0,343
8,92
3,19
19,29
0,66
0,145
1,037
22,50
a – minimum, b – maksimum, c –średnia, d - średnia geometryczna, e – mediana, f – odchylenie
standardowe, g – średnia+odchylenie standardowe
łym Augustowskim, Tobolinka, Kalety, Wiżajny, Białym Wigierskim, Jegłóweczek,
Sejwy, Mieruńskim Wielkim. Podwyższoną zawartością niklu charakteryzują się
osady jezior: Wiżajny, Szelment Mały, Mieruńskiego Wielkiego, Puni, Gaładuś,
Sejwy i Berniki. Zawartość ołowiu wyższą niż 60 mg/kg wykryto w osadach jeziora Tobolinka i Białego Wigierskiego, a także w osadach jezior Białym Wigierskim,
Kalety, Białym Augustowskim, Pieruńskim Wielkim i Białym Filipowskim. Podwyższoną zawartość strontu, wyższą niż 120 mg/kg zaob__serwowano w osadach
jezior Rospuda Filipowska, Sajno, Sajenko, Gieret, Dręstwo, Pierty , Wigry i Długie Wigierskim. Wanad w stężeniu wyższym od 26 mg/kg stwierdzono w osadach
jezior Szelment Mały, Wiżajny, Sejwy, Gaładuś, Białym Filipowskim, Berżniki,
Hołny, Punia, Szelment Wielki. Wysoką zawartością cynku, powyżej 123 mg/kg,
charakteryzują się m.in. osady pobrane z jezior Tobolinka, Białego Augustowskiego, Białego Wigierskiego, Pieruńskiego, Białego Filipowskiego i Sejwy.
Zaobserwowano przestrzenne zróżnicowanie w występowaniu pierwiastków
śladowych w osadach jezior Suwalszczyzny (ryc. 1). Podwyższone zawartości
chromu, miedzi, niklu i wanadu odnotowano w osadach jezior znajdujących się
15
Pierwiastki śladowe w osadach jezior Suwalszczyzny
na utworach morenowych, podczas gdy niższe zawartości stwierdzono w osadach
jezior położonych na utworach fluwioglacjalnych. Na niektórych histogramach
zawartości pierwiastków śladowych w osadach zaznacza się obecność dwóch populacji. W przypadku baru, chromu, strontu i kobaltu związane jest to ze zróżnicowanym występowaniem pierwiastków śladowych w utworach czwartorzędowych (gliny i piaski), zaś w przypadku ołowiu i rtęci obecnością populacji osadów
zanieczyszczonych na skutek działalności gospodarczej i turystycznej.
Stwierdzono korelację między zawartością Ca, Mg, Fe, Mn, P, S i Corg w osadach a zawartością w nich niektórych pierwiastków śladowych, m. in. zaobserwowano wysoką dodatnią korelację zawartości węgla organicznego z zawartością As,
Cd, Hg, Pb i Zn, zawartości siarki – z zawartością As, Cd, Pb i Zn, zawartości fosforu - z zawartością As, Ba, Cu i Zn, zawartości żelaza - z zawartością Ba, Co, Cr,
Cu, Ni i V, zawartości magnezu – z zawartością Ba, Co, Cr, Cu, Ni i V, zawartości
manganu – z zawartością Ba, Co, Sr i V, zawartości wapnia – z zawartością Sr oraz
stwierdzono ujemną korelację stężenia wapnia z stężeniem Co, Cr i Cu. Analiza
czynnikowa zgrupowała badane pierwiastki w trzy czynniki. Czynnik pierwszy,
którego udział wynosi 0,32, łączący kobalt, chrom, miedź, nikiel, wanad i magnez
określić można jako czynnik litologiczny, związany jest on z wietrzeniem utworów
pochodzenia polodowcowego, zawierających okruchy skał magmowych i metaTabela 2. Wyniki analizy czynnikowej.
Table 2. Results of factor analysis.
Arsen
Bar
Kadm
Kobalt
Chrom
Miedź
Rtęć
Nikiel
Ołów
Stront
Wanad
Cynk
Żelazo
Mangan
Wapń
Magnez
Fosfor
Siarka
Węgielorg.
Udział
Czynnik 1
-0,16
0,36
0,11
0,91
0,96
0,77
0,27
0,96
0,14
-0,46
0,94
0,36
0,36
0,21
-0,62
0,81
0,04
-0,23
-0,20
0,32
Czynnik 2
0,62
-0,16
0,77
-0,07
-0,02
0,35
0,83
0,09
0,83
-0,38
0,09
0,81
0,07
-0,01
-0,40
-0,27
0,54
0,70
0,55
0,25
Czynnik 3
0,22
0,82
-0,19
0,31
0,12
0,14
0,05
0,17
-0,22
0,51
0,26
-0,13
0,80
0,77
0,40
0,35
0,63
0,09
-0,53
0,18
16
Izabela Bojakowska, Tomasz Gliwicz
morficznych, które są źródłem metali ciężkich. Czynnik drugi, którego udział
wynosi 0,25, łączący kadm, rtęć, ołów, cynk i siarkę określić można jako czynnik
antropogeniczny, podwyższona zawartość tych pierwiastków w środowisku związana jest z działalnością gospodarczą człowieka. Na obszarze Suwalszczyzny pierwiastki te były i są wprowadzane do środowiska przede wszystkim w następstwie
Pierwiastki śladowe w osadach jezior Suwalszczyzny
17
Ryc. 1. Pierwiastki śladowe w osadach jezior.
Fig. 1. Trace elements in lake sediments.
spalania węgli (rtęć, cynk, siarka) i etylin (ołów, cynk, siarka) oraz korozji ocynkowanych rur wodociągowych, niszczenia materiałów budowlanych, jak również
18
Izabela Bojakowska, Tomasz Gliwicz
sprzętu pływającego (cynk, kadm, rtęć). Czynnik trzeci, którego udział wynosi
0,18, grupujący żelazo, mangan i fosfor jest czynnikiem związanym z warunkami
sedymentacji osadów w głęboczkach jezior.
WNIOSKI
1. Zaobserwowano przestrzenne zróżnicowanie w występowaniu pierwiastków śladowych w osadach jezior Suwalszczyzny. Osady jezior, których
obszar zlewni zbudowany jest z utworów morenowych, charakteryzują się
podwyższonymi zawartościami chromu, miedzi, niklu i wanadu w porównaniu do osadów jezior znajdujących się na terenach, na których występują
głównie piaski.
2. Podwyższone zawartości kobaltu, chromu, miedzi, niklu, wanadu i magnezu w osadach jezior Suwalszczyzny uwarunkowane są czynnikiem geogenicznym - wietrzeniem utworów pochodzenia polodowcowego, zawierających okruchy skał magmowych i metamorficznych, które są źródłem
metali ciężkich.
3. Wzrost zawartości kadmu, rtęci, ołowiu, cynku i siarki obserwowany w osadach niektórych jezior spowodowany jest czynnikiem antropogenicznym.
Podwyższone zawartości tych pierwiastków w środowisku są charakterystyczne dla obszarów miejskich oraz terenów rekreacyjnych.
Literatura
Kondracki J., 1998, Geografia regionalna Polski, Wyd. Naukowe PWN.
Lindström M., 2001, Urban land use influences on heavy metal fluxes and surface
sediment concentrations of small lakes, Water, Air, Soil Poll. 126 (3-4), 363-383.
Mecray E. L., King J. W., Appleby P. G., Hunt A. S., 2001, Historical trace metal accumulation in the sediments of an urbanized region of the Lake Champlain
Watershed, Burlington, Vermont, Water, Air, Soil Poll. 125 (1-4), 201-230.
Sparks D., 2005, Toxic metals in the environment: the role of surfaces, Elements 1
(4), 193-197.
Wetzel R., 2001, Limnology, Academic Press.