Agnieszka Gałuszka Zakład Geochemii i Ochrony Środowiska Instytut Chemii UJK w Kielcach Geochemiczne metody oceny wpływu antropogenicznego na

Transkrypt

1 Agnieszka Gałuszka Zakład Geochemii i Ochrony Środowiska Instytut Chemii UJK w Kielcach Geochemiczne metody oceny wpływu antropogenicznego na środowisko

2 Motto: Zmierzyć to znaczy wiedzieć Lord Kelvin 2

3 Treści prezentacji Antropogeniczny wpływ na środowisko przyrodnicze charakter, znaczenie, badania Badania geochemiczne w ocenie wpływu na środowisko zanieczyszczeń ze źródeł antropogenicznych: Badania tła geochemicznego Wskaźniki geochemiczne Znaczniki geochemiczne Przykłady badań z zakresu geochemii środowiska Podsumowanie 3

4 Wpływ antropogeniczny Antropocen okres dominującego wpływu człowieka na środowisko. Termin zaproponowany przez P. Crutzena w 2002 roku ZMIANY W ŚRODOWISKU WYWOŁANE DZIAŁALNOŚCIĄ CZŁOWIEKA FIZYCZNE Nasilenie erozji Zmiany klimatyczne BIOLOGICZNE Ginięcie gatunków CHEMICZNE Wprowadzanie zanieczyszczeń Przekształcenia terenu 4

5 Geoindykatory Geoindykatory (wg IUGS) są to mierzalne zmiany w środowisku (sygnały), które wynikają z naturalnych procesów geologicznych, są łatwe do obserwacji i pomiaru oraz mogą być użyte do identyfikacji przyczyn tych zmian Do geoindykatorów należą m.in.: Zmiany zasięgu lodowców Erozja wietrzna Lawiny i osuwiska Poziom mórz, jezior Jakość wód powierzchniowych i podziemnych Poziom wód podziemnych Skład chemiczny gleby 5

6 Geochemia a geoindykatory 6

7 Podpoziom Ofh jako geoindykator Poziom/ podpoziom glebowy Rok Hg (μg/kg) Pb (mg/kg) Ol Ofh ABC BC R <5 Zawartości rtęci i ołowiu w profilu glebowym z Góry Psarskiej (Góry Świętokrzyskie) 7

8 Wpływ antropogeniczny Najważniejsze źródła zanieczyszczeń antropogenicznych: Przemysł Produkcja energii Gospodarka odpadami Rolnictwo Transport ANOMALIE ANTROPOGENICZNE 8

9 Filtry w maskach dla rowerzystów po 6 godzinach użytkowania

10 Historyczne źródła metali Cu Pb Zn Epoka brązu p.n.e. Około 400 ton/rok Około 2300 ton/rok Około 1000 ton/rok Epoka żelaza Około 2000 ton/rok 650 p.n.e.-350 Okres rzymski 250 p.n.e.-350 n.e. 4-5 mln ton (średnio 7 tys. ton/rok) Średniowiecze ton/rok Początek rewolucji Około ton/rok przemysłowej (XVIII/XIX w.) Współcześnie 9 mln ton/rok Około 6 mln ton/rok 6,9 mln ton/rok Ilość wprowadzona do środowiska ton w okresie rzymskim (około 50% Cu Wskaźniki emisji zanieczyszczeń wyemitowanej w XX w.) 15% w starożytności 0,25% obecnie Starożytność 5% Hong S., Candelone J.P., Patterson C.C., Boutron C.F. (1996) Science 272: Starożytność 10%

11 Anomalia geochemiczna Nietypowo wysoka lub nietypowo niska zawartość pierwiastka lub jego związku zmierzona za pomocą technik analitycznych w danej próbce reprezentującej specyficzne środowisko ANOMALIA GEOCHEMICZNA ujemna lub dodatnia lokalna lub regionalna naturalna lub antropogeniczna 11

12 Zanieczyszczenie Substancja chemiczna występująca w danym elemencie środowiska w ilości przekraczającej naturalną zawartość Czym jest naturalna zawartość? Jak ją zmierzyć? 12

13 Tło geochemiczne W geochemii poszukiwawczej i kartografii geochemicznej: brak anomalii TG = średnia 2 odchylenia standardowe W geochemii środowiska: Naturalna zawartość składnika w naturalnej matrycy, pozbawionej wpływu antropogenicznego Teoretyczny naturalny zakres zawartości substancji w próbkach środowiskowych, oszacowany z uwzględnieniem zmienności przestrzennej i czasowej 13

14 Zainteresowanie tłem geochemicznym w XXI wieku 14

15 Metody oceny tła geochemicznego Bezpośrednie (geochemiczne) Pośrednie (statystyczne) Metoda zintegrowana (kompleksowa) 15

16 Metody bezpośrednie Badania materiałów pochodzących sprzed Ery Przemysłowej (archiwalne rdzenie, datowane osady wodne, materiały zielnikowe itp.) aspekt historyczny Badania prowadzone w ekosystemach o względnie niskiej antropopresji aspekt współczesny Założenie: Brak współczesnych antropogenicznych źródeł zanieczyszczeń umożliwia wyznaczenie naturalnych zawartości substancji w próbkach środowiskowych 16

17 Metody pośrednie Są oparte na statystycznej analizie danych geochemicznych Założenie: Wpływ antropogeniczny objawia się zmianami w składzie chemicznym (anomaliami dodatnimi lub ujemnymi) W metodach pośrednich eliminuje się wartości odstające, które reprezentują anomalie 17

18 Metoda zintegrowana Badania zawartości substancji w próbkach środowiskowych na terenach o niewielkim wpływie antropogenicznym, np. na obszarach chronionych w ekosystemach leśnych Poddanie otrzymanych wyników analizie statystycznej Próbki pobrane do badań reprezentują naturalną zmienność geochemiczną i zwykle ich rozkład jest zbliżony do rozkładu normalnego 18

19 Wartości progowe tła geochemicznego Lokalizacja/rodzaj próbki Cu Fe Hg Mn Pb S Sr Zn mg/kg ŚPN gleba poziom O , ŚPN gleba poziom A , ŚPN gleba poziom B , ŚPN igły sosny jednoroczne , ŚPN igły sosny dwuletnie , GŚW gleba poziom A GŚW gleba poziom B GŚW kwarcyt GŚW Góry Świętokrzyskie; ŚPN Świętokrzyski Park Narodowy 19

20 Austria Czechy Finlandia Włochy Litwa Holandia Polska Słowacja Wielka Brytania Dania Zanieczyszczenie gleb kluczowy problem ochrony środowiska mg/kg As Cd Cr Cu Hg Pb Ni Sn Zn Derivation methods of soil screening values in Europe. A review and evaluation of national procedures towards harmonization 20

21 Cr w glebach Europy the Geochemical Atlas of Europe; copyright 2005 the Association of the Geological Surveys of The European Union (EuroGeoSurveys)/ the Geological Survey of Finland 21

22 Sn w glebach Europy The Geochemical Atlas of Europe; copyright 2005 the Association of the Geological Surveys of The European Union (EuroGeoSurveys)/ the Geological Survey of Finland 22

23 Tło geochemiczne różne podejścia Tło geochemiczne klark pierwiastka Klark: Średnia zawartość pierwiastka w skorupie ziemskiej lub w jej części i różnych skałach, np. granitach Średnia procentowa zawartość pierwiastka w skorupie ziemskiej 23

24 Wskaźniki geochemiczne WSPÓŁCZYNNIK WZBOGACENIA (Enrichment factor, EF) A e B c EF = B e A c A e stężenie pierwiastka w próbce środowiskowej B e stężenie pierwiastka odniesienia w próbce środowiskowej A c wartość klarka oznaczanego pierwiastka B c wartość klarka pierwiastka odniesienia Jeśli EF 1 to znaczy, że pierwiastek pochodzi ze źródeł geogenicznych, pierwiastki o EF >1 (3-500) mają pochodzenie inne niż geogeniczne to założenie może być błędne 24

25 Pierwiastki odniesienia (konserwatywne) Si Al Fe Sc Cs Li Pierwiastki konserwatywne: wchodzą w skład minerałów odpornych na wietrzenie chemiczne nie uczestniczą aktywnie w cyklach biogeochemicznych, nie mają znaczących źródeł antropogenicznych Wyznaczanie EF nazywane jest normalizacją 25

26 Wzbogacenie w As, Bi, Cd, Ge, Hg, Pb, Sb, Se i Sn wynika z łatwości tworzenia przez te pierwiastki związków kompleksowych Pierwiastki posiadające ekstremalnie wysokie EF (>100) w atmosferze (np. Ag, Bi, Sb, Se), tworzą metylozwiązki, które wpływają na współczynniki wzbogacenia niezależnie od pochodzenia pierwiastka (naturalne/antropogeniczne) 26 26

27 Wskaźniki geochemiczne WSPÓŁCZYNNIK ZANIECZYSZCZENIA (Contamination Factor, CF) CF = C i C n C i średnie stężenie pierwiastka w próbkach pobranych z co najmniej 5 stanowisk badawczych (w mg/kg suchej masy) C n stężenie pierwiastka z okresu przedprzemysłowego (w mg/kg suchej masy) CF <1 niewielkie zanieczyszczenie CF = 1-3 średnie zanieczyszczenie CF = 3-6 znaczne zanieczyszczenie CF >6 bardzo silne zanieczyszczenie 27

28 Wskaźniki geochemiczne WSKAŹNIK ŁADUNKU ZANIECZYSZCZEŃ (Pollution load index, PLI) n PLI = (ConcF 1 ConcF 2 ConcF n ) gdzie: ConcF = stężenie pierwiastka w próbce tło geochemiczne pierwiastka 28

29 Wskaźniki geochemiczne WSKAŹNIK GEOAKUMULACJI (Geoaccumulation index, I geo ) I geo = log 2 C e 1,5 GB C e stężenie pierwiastka w próbce GB tło geochemiczne pierwiastka 7 klas jakości: I geo = 0 (niezanieczyszczone) I geo = 6 (ekstremalnie zanieczyszczone) 29

30 Stosunek TOP/BOT TOP/BOT = Zawartość w powierzchniowej warstwie Zawartość w głębszej warstwie Σ17 WWA w osadach z jeziora Wigry 1000 µg kg pogrzebane współczesne Migaszewski Z.M., Gałuszka A., Pasławski P Baseline versus background concentrations of trace elements in sediments of Lake Wigry, NE Poland. Limnological Review 3:

31 Znaczniki geochemiczne Ich badanie pozwala na lokalizację źródła oraz śledzenie migracji zanieczyszczeń w środowisku Bor i jego izotopy ( 10 B, 11 B) Izotopy strontu ( 86 Sr, 87 Sr) Izotopy ołowiu ( 204 Pb, 206 Pb, 207 Pb, 208 Pb) Izotopy siarki ( 32 S, 34 S) Pierwiastki ziem rzadkich (REEs) (np. gadolin, cer) Związki organiczne np. wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne 31

32 Izotopy ołowiu i siarki: Stokówka, Góry Świętokrzyskie Badane elementy Pb ppm 204/206 Pb 0, /206 Pb 0, /206 Pb 0,001 S ppm 34 S Igły 1-roczne <5 0,054 0,844 2, ,3 Igły 1-roczne <5 0,054 0,852 2, ,5 Of 139 0,054 0,848 2, ,1 A 118 0,055 0,849 2, ,0 BbrC 63 0,054 0,845 2, ,4 Cca 104 0,054 0,844 2, ,7 Wapień 26 0,054 0,848 2, ,0 Galena (PbS) 0,058 0,851 2,027-8,4 32

33 Skład izotopowy siarki w Górach Świętokrzyskich 3 0 N GLEBA N IGŁY SOSNY S 34 S deszczu 4,0 4, N PYŁY PRZEMYSŁOWE S S 33

34 WWA w mchach z Alaski i Gór Świętokrzyskich 34

35 WWA w mchach z Alaski i Gór Świętokrzyskich 35

36 Badanie pyłów Migaszewski Z.M., Gałuszka A. Starnawska E., Pasławski P The SEM studies and X-ray microanalysis the key for understanding the origin and fate of airborne particulates. Polish Journal of Environmental Studies 15 (2A), part I:

37 Kompleksowe badania geochemiczne przykład Zn w Górach Świętokrzyskich Zn (mg/kg) dolomit wapień piaskowiec Zawartości cynku w skałach osadowych 37

38 Kompleksowe badania geochemiczne przykład Zn w Górach Świętokrzyskich Zn (mg/kg) ranker brunatny gleba brunatna gleba płowa gl. bielicowordzawa rędzina brunatna Zawartości cynku w różnych typach gleb 38

39 Kompleksowe badania geochemiczne przykład Zn w Górach Świętokrzyskich Zn (mg/kg) Ol Ofh Ah AhBbrC BbrC Zawartości cynku w profilu rankeru brunatnego 39

40 Kompleksowe badania geochemiczne przykład Zn w Górach Świętokrzyskich Zn (mg/kg) igły 1-roczne igły 2-letnie igły 3-letnie Zawartości cynku w igłach sosny 40

41 Kompleksowe badania geochemiczne przykład Zn w Górach Świętokrzyskich porost z brzozy 122 porost z dębu Zn (mg/kg) 96 porost z sosny 147 kora brzozy 35 kora dębu 104 kora sosny Zawartości cynku w plechach porostu H. physodes i korze drzew 41

42 Podsumowanie Badania geochemiczne umożliwiają ilościową charakterystykę cech środowiska przyrodniczego Obliczenia geochemiczne pozwalają na wiarygodną ocenę wzbogacenia danego elementu środowiska w substancje chemiczne (wskaźniki geochemiczne, wyznaczanie tła i anomalii geochemicznych) Oznaczenia stabilnych izotopów w próbkach środowiskowych pozwalają na znalezienie źródła pochodzenia substancji 42

43 Podsumowanie (c.d.) Skład chemiczny pyłów odzwierciedla wpływ źródeł zanieczyszczeń na środowisko oraz umożliwia oszacowanie transportu zanieczyszczeń w atmosferze Dzięki zastosowaniu znaczników geochemicznych można śledzić źródła i transport zanieczyszczeń w środowisku Wyniki badań geochemicznych powinny być uwzględniane do opracowania wiarygodnych norm ochrony środowiska 43

44 Dziękuję za uwagę 44