zintegrowane metody magnetyczno- geochemiczne w - Eko-DOk

magnetometria glebowa, metale ciężkie,
zanieczyszczenia glebowe
Marcin SZUSZKIEWICZ, Małgorzata WAWER,
Tadeusz MAGIERA*
ZINTEGROWANE METODY MAGNETYCZNOGEOCHEMICZNE W OCENIE ZANIECZYSZCZEŃ
GLEBOWYCH NA OBSZARACH
PRZEMYSŁOWO-MIEJSKICH
Badania gleb na obszarach potencjalnie skażonych, w wyniku depozycji pyłów o charakterze
przemysłowo-miejskim, prowadzone były w oparciu o metodę magnetometrii glebowej w połączeniu
z analizą geochemiczną i miały na celu ocenę stanu ich zanieczyszczenia. Tereny potencjalnie
skażone charakteryzują się znacznie podwyższoną koncentracją technogenicznych cząstek
magnetycznych (TMP) oraz stosunkowo wysoką zawartością metali ciężkich. Niniejsze metody
zastosowano na obszarze trzech różnych kompleksów leśnych Aglomeracji Górnośląskiej,
a każdy z nich zdominowany był przez inne źródło zanieczyszczeń: miejskie (w głównej mierze
związane z działalnością elektrowni i niską emisją), metalurgiczne oraz koksownicze. Analizowane
obszary leśne występują na glebach o różnym stopniu przekształceń antropogenicznych. Analizy
pionowego rozkładu wartości objętościowej podatności magnetycznej (κ) prowadzone były w oparciu
o rdzenie glebowe pobrane z wierzchnich poziomów glebowych zlokalizowanych na obszarze badań.
Ponadto, spośród rdzeni wybrane zostały próbki glebowe z poziomów o podwyższonej wartości
κ (w głównej mierze z poziomów próchnicznych A) oraz poziomów mineralnych (rozpatrywanych
jako tło). Wytypowane próbki glebowe poddane zostały badaniom metodą rentgenowskiej
spektroskopii fluorescencyjnej (XRF), w celu określenia zawartości wybranych metali ciężkich (Fe,
Mn, Cu, Zn, Cd oraz Pb). Najwyższe wartości κ > 1250 × 10-5 SI zaobserwowano w bliskim
sąsiedztwie huty żelaza, przy jednocześnie niskim współczynniku korelacji pomiędzy wartością
κ a zawartością metali ciężkich. Z kolei najwyższe współczynniki korelacji pomiędzy wartością
κ i zawartością metali ciężkich odnotowane zostały dla obszarów badań znajdujących się pod
wpływem zanieczyszczeń koksowniczych oraz miejskich.
________
*
Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk, ul. M. Curie-Skłodowskiej 34, 41819 Zabrze, [email protected].
628
M. SZUSZKIEWICZ i in.
1.WSTĘP
Substancje zanieczyszczające środowisko, szczególnie wprowadzane do atmosfery
pyły i aerozole (emisja) związane z różnymi gałęziami przemysłu [8] oraz ich
depozycja w przypowierzchniowych warstwach ziemi (imisja), niekorzystnie
wpływają na poszczególne elementy ekosystemu (glebę, powietrze, wodę, rośliny,
ludzi czy zwierzęta) [3, 9]. Badania nad wykorzystaniem parametru geofizycznego,
jakim jest podatność magnetyczna, do badań wielkości i zasięgu emisji i imisji
przemysłowych związanych z depozycją pyłów przemysłowo-miejskich, prowadzone
są w Polsce od 1988 roku [11]. Inspiracją do wspomnianych badań było stwierdzenie
występowania magnetycznych form związków żelaza w aerozolach i pyłach
przemysłowych [1, 5].
Wykorzystanie magnetometrii glebowej w badaniach środowiskowych oparte jest
na założeniu, że: magnetyczne tlenki żelaza występują w rozmaitych pyłach
przemysłowych, a ich obecność w glebie można w prosty, szybki, tani i nieinwazyjny
sposób wykryć za pomocą pomiarów podatności magnetycznej. Technogeniczne
cząstki magnetyczne (TMP), występujące w popiołach lotnych, powstają podczas
spalania paliw stałych (węgiel kamienny i brunatny), jak również w pyłach
przemysłowych, jako produkt wysokotemperaturowych procesów technologicznych
m.in. w przemyśle metalurgicznym czy koksowniczym [6, 8]. Cząstki te są emitowane
do atmosfery, a następnie transportowane na różne odległości w zależności od
wielkości ziarna, warunków atmosferycznych czy parametrów emitora, aż do
momentu depozycji na powierzchni gleby. Wieloletni proces akumulacji TMP
w wierzchniej warstwie gleby, (głównie w poziomach próchnicznych gleb leśnych)
pozwala na wykrycie ich za pomocą pomiarów podatności magnetycznej (κ)
powierzchni gleby [2, 4, 10].
Celem niniejszych badań jest wskazanie przydatności i skuteczności
zintegrowanego układu, jakim jest magnetometria glebowa (pomiary podatności
magnetycznej) i analizy geochemiczne (określenie zawartości wybranych metali
ciężkich), do oceny i wstępnej charakterystyki zanieczyszczeń środowiska glebowego.
2.OBIEKT BADAŃ
Obszar badań stanowiły trzy różne kompleksy leśne zlokalizowane na terenie
Aglomeracji Górnośląskiej w bezpośrednim zasięgu różnych źródeł emisji. Pierwszy
kompleks znajdował się w zasięgu oddziaływania emisji miejskich, w głównej mierze
związanej ze spalaniem paliw stałych (energetyka miejska i niska emisja z palenisk
domowych), a drugi w bliskim sąsiedztwie huty żelaza, natomiast ostatni z nich
w pobliżu koksowni.
Zintegrowane metody magnetyczno-geochemiczne w ocenie zanieczyszczeń glebowych na…
629
Kompleks I (miejski), na który w przeważającym stopniu oddziałują procesy
związane ze spalaniem paliw kopalnych, porośnięty jest głównie przez sosnę
(występującą na glebach inicjalnych terenów zrekultywowanych po eksploatacji
piasku oraz częściowo na glebach bielicowych). Domieszkowo rosną, także drzewa
liściaste – głównie brzoza i topola (na obszarze po eksploatacji piasku
o nieprzepuszczalnym podłożu ilastym).
Kompleks II znajdujący się pod silnym i dominującym wpływem przemysłu
metalurgicznego, porasta stosunkowo młody (około dwudziestoletni) drzewostan
mieszany. Przeważająca część obszaru zdominowana jest przez sosnę i brzozę, jedynie
w północnej części występuje drzewostan iglasty (sosna i modrzew) z domieszkowo
występującymi dębami, grabami, bukami i klonami. Podłoże geologiczne stanowią
środkowotriasowe utwory reprezentowane przez wapień dolomityczny i dolomit
kruszconośny, na których rozwinęły się rędziny i gleby piaszczysto-gliniaste,
a fragmenty tych skał obecne były w wielu dolnych partiach rdzeni glebowych.
Kompleks III przylegający do koksowni porośnięty jest, na większości obszaru,
lasem iglastym (sosnowo-modrzewiowym), który pełni rolę obszaru buforowego
wokół zakładu. Południową część tego obszaru stanowi las mieszany (sosna,
modrzew, buk i dąb) rosnący bezpośrednio na składowisku odpadów metalurgicznych.
Podłożem geologicznym są tu czwartorzędowe piaski zalegające na osadach
węglanowych triasu.
3.METODYKA
Pomiary objętościowej podatności magnetycznej (κ) zostały wykonane za pomocą
aparatury pomiarowej (miernika) Bartington MS2. Do pomiarów powierzchniowych
wykorzystano terenowy czujnik MS2D, a każdemu z punktów pomiarowych
przypisano współrzędne geograficzne – wykorzystując do tego odbiornik GPS
Garmin. W każdym punkcie pomiarowym (na powierzchni 4 m2), dokonano 11
pomiarów wartości κ w odległości, co najmniej, 1 m od pnia drzewa. Ponadto,
w terenie zostały pobrane do plastikowych tub rdzenie glebowe (do głębokości około
30 cm) przy użyciu sondy glebowej Humax.
Materiał badawczy przeznaczony do analiz laboratoryjnych obejmował 41 rdzeni
glebowych. Po 15 rdzeni dla kompleksu I i II oraz 11 dla kompleksu III.
W laboratorium, rdzenie glebowe zostały poddane pomiarom pionowego rozkładu
wartości κ (przy użyciu czujnika MS2C). Po pomiarach magnetycznych rdzenie
zostały pocięte i uśredniona próbka glebowa z poziomu próchnicznego (A) oraz
mineralnego została poddana analizom geochemicznym na zawartość wybranych
metali ciężkich: Fe, Mn, Cu, Zn, Cd i Pb. Analizy chemiczne wykonane zostały
metodą EDXRF (aparat Epsilon 5 firmy Panalytical).
630
M. SZUSZKIEWICZ i in.
Do wygenerowania map przestrzennego
magnetycznej wykorzystano program Surfer 8.
rozkładu
wartości
podatności
4.WYNIKI
4.1. KOMPLEKS I
Rozkład przestrzenny wartości κ w kompleksie leśnym położonym w rejonie
miejskim (w większości na terenie zrekultywowanego wyrobiska popiaskowego),
wykonany w oparciu o pomiary powierzchniowe, pokazuje podwyższone wartości
κ w jego południowej części oraz, w mniejszym stopniu, w części wschodniej. Jest to
następstwem intensywnej urbanizacji w tych rejonach (Rysunek 1). Średnia wartość
κ dla tego kompleksu jest równa 80 × 10-5 jednostek SI.
Rys. 1. Mapa przestrzennego rozkładu wartości objętościowej podatności magnetycznej kompleksu I
Uśredniony rozkład pionowy wartości podatności magnetycznej κ badanego
obszaru jest typowy (Rysunek 2a) dla rdzeni glebowych, charakterystycznych dla
obszarów będących pod wpływem silnych emisji przemysłowo-miejskich [7].
Zintegrowane metody magnetyczno-geochemiczne w ocenie zanieczyszczeń glebowych na…
631
Rys. 2. Rozkład pionowy wartości objętościowej podatności magnetycznej na podstawie uśrednionych
wartości к dla danych obszarów badań: a – kompleksu I, b – kompleksu II, c – kompleksu III. G – górna
część rdzenia glebowego (poziom próchniczny), D – dolna część rdzenia glebowego (poziom mineralny)
Z uwagi na brak wartości dopuszczalnych (określonych aktem prawnym) dla
zawartości metali ciężkich określanych metodą EDXRF, ocena zanieczyszczenia
gleby przeprowadzona została w oparciu o stosunek zawartości metali ciężkich
w próbkach pochodzących z górnej części rdzenia glebowego (Tabela 1) do
zawartości metali ciężkich z dolnej części, którą traktowano jako naturalne tło
geochemiczne dla badanego obszaru (Tabela 2). Na obszarze tym stwierdzono
podwyższone zawartości Fe i Mn, a nawet kilkukrotnie wyższe zawartości Cu, Zn, Cd
oraz Pb w górnej części rdzenia.
Wartości κ i zawartości metali ciężkich wykazują umiarkowaną dodatnią korelację
dla Fe i Mn oraz silną dodatnią dla pozostałych metali (Tabela 3).
Tabela 1. Średnie zawartości metali ciężkich w próbkach glebowych pochodzących z górnej części
rdzenia glebowego (Fe wyliczone jako Fe2O3)
Obszar badań
Fe
Kompleks I
Kompleks II
Kompleks III
[%]
2,04
2,82
2,62
Mn
275,32
514,67
590,88
Średnia zawartość metali ciężkich
Cu
Zn
Cd
37,82
57,28
43,15
[mg/kg]
473,56
889,21
758,71
5,15
8,36
4,67
Pb
180,90
366,20
131,46
632
M. SZUSZKIEWICZ i in.
Tabela 2. Średnie zawartości metali ciężkich w próbkach glebowych pochodzących z dolnej części
rdzenia glebowego (Fe wyliczone jako Fe2O3)
Obszar badań
Fe
Mn
Kompleks I
Kompleks II
Kompleks III
[%]
1,70
2,61
2,37
221,01
630,02
557,35
Średnia zawartość metali ciężkich
Cu
Zn
Cd
5,51
48,24
27,65
[mg/kg]
91,33
1148,64
633,91
1,22
7,38
2,48
Pb
23,92
418,33
57,34
Tabela 3. Współczynnik korelacji Pearsona (*p<0,05) pomiędzy podatnością magnetyczną
κ a zawartością metali ciężkich w próbkach glebowych pochodzących z górnej części rdzenia (Fe
wyliczone jako Fe2O3)
Obszar badań
Kompleks I
Kompleks II
Kompleks III
Współczynnik korelacji pomiędzy podatnością magnetyczną a zawartością
metali ciężkich
Fe
0,46
0,21
0,43
Mn
0,49
0,00
0,39
Cu
0,74*
-0,27
0,84*
Zn
0,68*
-0,33
0,72*
Cd
0,65*
-0,24
-0,51
Pb
0,69*
-0,27
0,91*
4.2. KOMPLEKS II
Rozkład przestrzenny wartości κ (Rysunek 3) jednoznacznie wskazuje, iż cały
badany obszar znajduje się pod silnym wpływem przemysłu hutniczego. Średnia
wartość κ dla tego obszaru jest równa 150 × 10-5 jednostek SI.
Rys. 3. Mapa przestrzennego rozkładu wartości objętościowej podatności magnetycznej kompleksu II
Zintegrowane metody magnetyczno-geochemiczne w ocenie zanieczyszczeń glebowych na…
633
Średnie wartości rozkładu pionowego podatności magnetycznej κ dla
poszczególnych głębokości, występujące na obszarze będącym pod silnym wpływem
przemysłu metalurgicznego (Rysunek 2b), są dwukrotnie wyższe w porównaniu do
rdzeni glebowych pochodzących z kompleksu I (obszaru miejskiego).
Badany obszar odznacza się wyższymi zawartościami Fe, Cu, Cd w poziomie
próchnicznym w stosunku do ich zawartości w poziomie mineralnym. Wartości
κ i zawartości metali ciężkich wykazują słabą korelację dodatnią dla Fe, bądź jej
całkowity brak w przypadku Mn, a także słabą korelację ujemną dla Cu, Zn, Cd i Pb
(Tabela 3).
4.3. KOMPLEKS III
Średnia wartość podatności magnetycznej κ dla kompleksu III wynosi 75 × 10-5
jednostek SI, a jej przestrzenny rozkład uwidacznia się w centralnej i północnozachodniej części badanego obszaru (Rysunek 4).
Rys. 4. Mapa przestrzennego rozkładu wartości objętościowej podatności magnetycznej kompleksu III
634
M. SZUSZKIEWICZ i in.
Uśredniony rozkład pionowy wartości podatności magnetycznej κ dla kompleksu
III odbiega od rozkładu przedstawionego dla pozostałych obszarów badań, z uwagi na
obecność, w niektórych rejonach tego kompleksu odpadów metalurgicznych
w podłożu glebowym, stanowiących w określonych przypadkach dolną część rdzenia
glebowego (Rysunek 2c).
Przypowierzchniowa warstwa badanego obszaru wykazuje wyższe zawartości
wszystkich metali ciężkich (a dla Cu, Cd i Pb dwukrotnie wyższe) w odniesieniu do
przyjętych wartości tła (Tabela 1 i 2).
Wartości κ i zawartości Fe i Mn, podobnie jak w przypadku ich zawartości
w próbkach glebowych pochodzących z kompleksu I, wykazują umiarkowaną
korelację dodatnią oraz silną korelację dodatnią dla Cu, Zn oraz Pb (Tabela 3).
5. DYSKUSJA I WNIOSKI
We wszystkich przebadanych próbkach glebowych pochodzących z kompleksu
I i III, stwierdzono zanieczyszczenie wierzchnich warstw gleb metalami ciężkimi
(w odniesieniu do wartości tła). W kompleksie II, będącym pod dominującym
wpływem przemysłu hutniczego, wzbogacenie to było obserwowane w mniejszym
stopniu (dla Fe, Cu i Cd) lub wcale. Jest to związane z występującym na tym obszarze
podłożem geologicznym (wapień dolomityczny i dolomit kruszconośny), którego
fragmenty obecne były w dolnych partiach rdzeni glebowych. Nagromadzenie metali
kruszcowych związanych z rudami cynkowo-ołowiowymi miało więc charakter
geogeniczny, choć biorąc pod uwagę rozkład powierzchniowy wartości κ TMP były,
również obecne w poziomie próchnicznym gleby. Przemysł metalurgiczny emituje
silnie magnetyczne TMP, w których obecne są cząstki żelaza metalicznego (α-Fe)
o cechach ferromagnetycznych, które nie wiążą metali ciężkich w takim stopniu jak
tlenki żelaza [8]. Z tych względów kompleks II charakteryzował się znacznie niższymi
współczynnikami korelacji pomiędzy wartością κ a zawartością metali ciężkich.
Najwyższy poziom zanieczyszczenia oraz najwyższe wartości podatności
magnetycznej κ (uzyskane podczas pomiarów powierzchniowych) odnotowano
w najbliższym sąsiedztwie źródła (obszar zurbanizowany, huta, a także koksownia).
Charakterystyczny antropogeniczny rozkład pionowy wartości podatności
magnetycznej κ obserwować możemy dla kompleksu I i II. Obecność piku
antropogenicznego (w górnej części rozkładu pionowego) jest typowa dla rejonów
objętych imisjami przemysłowymi, natomiast przebieg krzywej w dolnej części
rdzenia glebowego wynika z niskiej zawartości ferrimagnetyków w podłożu
(naturalnym), występującym na tych obszarach. Z kolei, rozkład wartości κ w dolnej
części rdzeni glebowych pochodzących z obszaru znajdującego się pod wpływem
Zintegrowane metody magnetyczno-geochemiczne w ocenie zanieczyszczeń glebowych na…
635
koksowni (kompleks III) jest wynikiem zaburzeń związanych z obecnością odpadów
metalurgicznych, stanowiących podłoże w południowej części tego obszaru.
LITERATURA
[1]
DEDIK A.-N., HOFFMANN P., ENSLING J., Chemical characterization of iron in atmospheric
aerosols, Atmospheric Environment, 1992, Vol. 26A, Iss. 14, 2545–2548.
[2] EVANS M., HELLER F., Principles and Applications of Enviromagnetics, [w:] Environmental
Magnetism, Academic Press, An imprint of Elsevier Science, International Geophysics Series,
2003, Vol. 86.
[3] JABŁOŃSKA M., Skład fazowy pyłów atmosferycznych, w wybranych miejscowościach
Górnośląskiego Okręgu Przemysłowego, Prace Naukowe Uniwersytetu Śląskiego, Wydawnictwo
Uniwersytetu Śląskiego, Katowice 2003, Nr 2151, 7–12.
[4] JORDANOVA N., JORDANOVA D., TSACHEVA T., Application of magnetometry for
delineation of anthropogenic pollution in areas covered by various soil types, Geoderma, 2008,
Vol. 144, No. 3, 557–571.
[5] KALLIOMAKI L.-P., AITTONIEMI K., GUSTAFSSON T., KALLIOMAKI K., KOPONEN M.,
Research on industrial ferrous metal aerosols, Annals of Occupational Hygiene, 1982, Vol. 26, Iss.
2, 337–345.
[6] MAGIERA T., JABŁOŃSKA M., STRZYSZCZ Z., RACHWAL M., Morphological and
mineralogical forms of technogenic magnetic particles in industrial dusts, Atmospheric
Environment, 2011, Vol. 45, Iss. 25, 4281–4290.
[7] MAGIERA T., STRZYSZCZ Z, KAPIČKA A., PETROVSKY E., Discrimination of lithogenic and
anthropogenic influences on topsoil magnetic susceptibility in Central Europe, Geoderma, 2006,
Vol. 130, No. 3, 299–311.
[8] MAGIERA T., STRZYSZCZ Z., JABŁOŃSKA M., BZOWSKA G., Characterization of magnetic
particulates in urban and industrial dusts, [w:] Air Pollution XVIII, Transactions on Ecology and
the Environment, C.A. Brebbia & J.W.S. Longhurst ed., WIT Press, 2010, Vol. 136, 171–184.
[9] MAGIERA T., STRZYSZCZ Z., RACHWAŁ M., Mapping particulate pollution loads using soil
magnetometry in urban forests in the Upper Silesia Industrial Region, Poland, Forest Ecology and
Management, 2007, Vol. 248, 36–42.
[10] PETROVSKY E., ELWOOD B., Magnetic monitoring of air-, land- and water pollution, [w:]
Maher, B., Thompson, R. (Eds.), Quaternary climates, Environments and Magnetism, Cambridge
University Press, 1999, 279–322.
[11] STRZYSZCZ Z., TÖLLI R., KATZUR J., Zur Anwendung eines hochfrequenten Messverfahrens
für den Nachweis von ferromagnetischen Eisen im der Umwelt, Archiwum Ochrony Środowiska,
Zabrze 1988, Nr 3-4, 137–143.
THE APLICATION OF INTEGRATED MAGNETO-GEOCHEMICAL METHODS TO ASSESS
SOIL POLLUTION IN URBAN-INDUSTRIAL AREAS
The aim of a research was to assess soil pollution, related to urban-industrial dust deposition on
potentially contaminated areas. Field and laboratory measurements were carried out as a combination of
soil magnetometry and geochemical method and were applied to soil of three forest complexes.
Investigated areas are characterized by considerably high concentration of technogenic magnetic particles
636
M. SZUSZKIEWICZ i in.
(TMPs) and heavy metal contamination. During this study the magneto-geochemical method was applied
on three different areas (forest complexes). Each of them is influenced by one dominant source of
pollution: urban area (mostly related to coal combustion and low emission), metallurgical and coke
production. The three analyzed forest complexes (areas) were grown on soils with different stage of
anthropogenic transformation. Analyses of vertical distribution of magnetic susceptibility (κ) in topsoil
cores taken in investigated forest areas were performed. Additionally, soil samples were taken from
horizons with increased magnetic susceptibility (mostly humus horizons A) as well as from mineral
horizons and selected to chemical analysis of heavy metal content (Fe, Mn, Cu, Zn, Cd and Pb). X-ray
fluorescence method was applied for geochemical study. The highest κ values up to 1250 × 10 -5 SI units
were measured in the vicinity of metallurgical plant but the correlation between κ values and heavy metal
contents were very low. Whereas, the considerably high correlations between magnetic susceptibility and
heavy metals were observed in the vicinity of urban area and coke plant.