ارزیابی میزان غلظت فلزات سنگین و میزان آلودگی در رسوبات، منطقه افیولیتی آلمه جوق (شمال شرق ایران)

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه زمین شناسی، واحد مشهد، دانشگاه آزاد اسلامی، مشهد، ایران.

2 استادیار، گروه زمین شناسی، واحد مشهد، دانشگاه آزاد اسلامی، مشهد، ایران. *(مسوول مکاتبات)

3 دانشیار، گروه زمین شناسی، واحد مشهد، دانشگاه آزاد اسلامی، مشهد، ایران.

10.22034/jest.1970.14653

چکیده

چکیده
زمینه و هدف: فلزات سنگین می­توانند با غلظت­های پایین در خاک وجود داشته باشند و خاک را آلوده نمایند و با توجه به این که منطقه مورد مطالعه از نظر سنگ شناسی افیولیتی می­باشد، می­تواند باعث افزایش غلظت فلزات سنگین در منابع آب و خاک منطقه شود. در این مقاله به بررسی غلظت فلزات سنگین و ارزیابی آلودگی در رسوبات منطقه آلمه جوق (افیولیت فریمان) پرداخته شده است.
روش بررسی: به منظور بررسی میزان غلظت فلزات سنگین و نیز وضعیت آلودگی رسوبات درمنطقه مورد مطالعه، تعداد 9 نمونه از رسوبات منطقه از عمق 30- 20 سانتی­متری برداشت گردید. نمونه­ها به آزمایش گاه زیست محیطی دانشگاه آزاد اسلامی واحد مشهد انتقال داده شد و مقادیر پارامترهای pH و EC خاک اندازه گیری گردید.هم چنین مقدار10 گرم از خاک منطقه (مواد عبوری از الک200 مش) به آزمایش گاه  ACMEکانادا انتقال داده شد تا به روش پلاسمای القایی – اسپکترومتری جرمی (ICP-OES) برای تعیین میزان فلزات سنگین مورد آنالیز قرار گیرند.
بحث و نتیجه­گیری : بررسی هم بستگی فلزات سنگین توسط ضریب پیرسون، آنالیز خوشه­ای و تحلیل مولفه اصلی نشان داد، دو منشاء متفاوت برای توزیع ژئوشیمیایی فلزات سنگین در رسوبات منطقه وجود دارد. مجموعه افیولیتی ،توزیع عناصر کبالت، نیکل و کروم و مجموعه پیروکلاستیک و ولکانیکی، توزیع عناصر آهن، مولیبدن، وانادیوم، مس، آرسنیک و سرب ،پتاسیم و کادمیوم را کنترل کرده­اند. pH خاک­های منطقه مورد مطالعه بر اساس طبقه بندی انجمن علوم خاک آمریکا، در محدوده نسبتاً قلیایی قرار می­گیرند. ارزیابی عامل غنی شدگی نشان داد، نیکل غنی شدگی بی نهایت شدید دارد و عناصر آرسنیک و کروم در منطقه غنی شدگی شدید را نشان می­دهند. غنی شدگی فوق نشانه منشاء آنتروپوژنیک می­باشد. ضریب آلودگی نیز نشان می دهد، نیکل بالاترین آلودگی را در منطقه دارا است. شاخص زمین انباشتگی نیز نشان از آلوده بودن رسوبات منطقه به نیکل دارد.  

کلیدواژه‌ها

موضوعات


 

 

 

 

 

علوم و تکنولوژی محیط زیست، دورهبیست و یک، شماره چهار، تیرماه 98

 

ارزیابی میزان غلظت فلزات سنگین و میزان آلودگی در رسوبات، منطقه افیولیتی آلمه جوق (شمال شرق ایران)

محجوب حق پرست [1]

حبیب الله ترشیزیان [2]*

h.torshizian@yahoo.com

رحیم دبیری [3]

تاریخ دریافت: 11/07/1394

تاریخ پذیرش:17/03/96

چکیده

زمینه و هدف: فلزات سنگین می­توانند با غلظت­های پایین در خاک وجود داشته باشند و خاک را آلوده نمایند و با توجه به این که منطقه مورد مطالعه از نظر سنگ شناسی افیولیتی می­باشد، می­تواند باعث افزایش غلظت فلزات سنگین در منابع آب و خاک منطقه شود. در این مقاله به بررسی غلظت فلزات سنگین و ارزیابی آلودگی در رسوبات منطقه آلمه جوق (افیولیت فریمان) پرداخته شده است.

روش بررسی: به منظور بررسی میزان غلظت فلزات سنگین و نیز وضعیت آلودگی رسوبات درمنطقه مورد مطالعه، تعداد 9 نمونه از رسوبات منطقه از عمق 30- 20 سانتی­متری برداشت گردید. نمونه­ها به آزمایش گاه زیست محیطی دانشگاه آزاد اسلامی واحد مشهد انتقال داده شد و مقادیر پارامترهای pH و EC خاک اندازه گیری گردید.هم چنین مقدار10 گرم از خاک منطقه (مواد عبوری از الک200 مش) به آزمایش گاه  ACMEکانادا انتقال داده شد تا به روش پلاسمای القایی – اسپکترومتری جرمی (ICP-OES) برای تعیین میزان فلزات سنگین مورد آنالیز قرار گیرند.

بحث و نتیجه­گیری : بررسی هم بستگی فلزات سنگین توسط ضریب پیرسون، آنالیز خوشه­ای و تحلیل مولفه اصلی نشان داد، دو منشاء متفاوت برای توزیع ژئوشیمیایی فلزات سنگین در رسوبات منطقه وجود دارد. مجموعه افیولیتی ،توزیع عناصر کبالت، نیکل و کروم و مجموعه پیروکلاستیک و ولکانیکی، توزیع عناصر آهن، مولیبدن، وانادیوم، مس، آرسنیک و سرب ،پتاسیم و کادمیوم را کنترل کرده­اند. pH خاک­های منطقه مورد مطالعه بر اساس طبقه بندی انجمن علوم خاک آمریکا، در محدوده نسبتاً قلیایی قرار می­گیرند. ارزیابی عامل غنی شدگی نشان داد، نیکل غنی شدگی بی نهایت شدید دارد و عناصر آرسنیک و کروم در منطقه غنی شدگی شدید را نشان می­دهند. غنی شدگی فوق نشانه منشاء آنتروپوژنیک می­باشد. ضریب آلودگی نیز نشان می دهد، نیکل بالاترین آلودگی را در منطقه دارا است. شاخص زمین انباشتگی نیز نشان از آلوده بودن رسوبات منطقه به نیکل دارد.  

واژه­های کلیدی: فلزات سنگین، ژئوشیمی، ضرایب آلودگی، افیولیت فریمان.

 

J. Env. Sci. Tech., Vol 21, No.4, June, 2019

 

 

 

 

 


Assessment of heavy metals concentrations and pollution in sediments of Almejogh Ophiolite Region (North-East of Iran)

 

Mahjoob Haghparast [4]

Habiballah Torshizian [5]*

h.torshizian@yahoo.com

Rahim Dabiri [6]

 

Admission Date: June 7, 2017

Date Received: October 3, 2015

 

Abstract

Background and Objective: Heavy metals can be present at low concentrations in the soil and contaminate it. Since the study area is ophiolite in terms of lithology, it can increase the concentration of heavy metals in soil and water resources. In this study, the concentration of heavy metals has been investigated and the pollution in sediments of Almejogh region (Fariman ophiolite) is evaluation.

Method: To study the concentration of heavy metals and sediment pollution in the study area, 9 samples of sediment were taken from depth of 30 to 20 cm. The samples were transferred the environmental laboratories of Islamic Azad University of Mashhad and the amounts of pH and EC in soil were measured. 10 grams of soil (material passing through a 200-mesh sieve) was transferred to the ACME Laboratories of Canada in order to be analyzed for determining the amount of heavy metals by the induction plasma-mass spectrometry (ICP-OES) method.

Discussion and Conclusion: Study of the correlation of heavy metals by Pearson coefficient, cluster analysis and principal components analysis showed that there are two different origins for geochemical distribution of heavy metals in sediment of the region. Ophiolite set of distribution of Cobalt, Nickel, Chromium and Pyroclastic and volcanic set as well as distribution of Iron elements, Molybdenum, Vanadium, Copper, Arsenic, Lead, Potassium and Cadmium were controlled. The pH of the soil in the study area fell within the pretty alkaline limit based on the classification of American soil science society. Evaluation of enrichment factor showed that Nickel has a very high enrichment and Arsenic and Chromium were in a high enrichment region. The above enrichment is indicative of anthropogenic origin. The pollution coefficient also showed that Nickel has the highest pollution in the region. The index of accumulation (of earth) also indicates t contamination of the sediment with Nickel in the region.

Keywords: Heavy metals, Geochemistry, Pollution factors, Fariman Ophiolite.

 

مقدمه

 

فلزات سنگین می­توانند با غلظت­های پایین در خاک وجود داشته باشند و خاک را آلوده نمایند (1). فلزات سنگین می­توانند بر اثر فرایند­های مختلف زمین شناسی از سنگ­ها آزاد شده و وارد محیط می­شوند (2). فعالیت­هایی از قبیل معدن کاری، صنعتی و کشاورزی از جمله مواردی هستند که خاک را به عناصر سنگین آلوده می­کنند (3). هم چنین افیولیت­ها ممکن است حاوی مقادیر بالایی از فلزات سنگین مانند کروم، سرب، نیکل و کبالت باشند که منشا زمین زاد آلودگی خاک، آب و محصولات کشاورزی و در نتیجه آن، انسان به فلزات سنگین می­باشند. به عنوان مثال عنصر کروم که در مجموعه­های افیولیتی به وفور یافت می­شود در طبیعت دارای ۴ ایزوتروپ می‌باشد. هم چنین این فلز دارای دو ظرفیت ۳ و ۶ بوده که Cr+3 دارای پایداری بیش تری است و در طبیعت نیز فلز کروم تقریباً همیشه با این ظرفیت ظاهر می‌شود.  Cr+6 تنها درمحیط‌های قلیایی قوی (pH بالا) موجود است. در بدن انسان نیز کروم سه ظرفیتی به طور طبیعی وجود دارد و به عنوان یک ماده مغذی در تنظیم قند خون مورد نیاز است. اما فرم شش ظرفیتی آن به عنوان ماده سرطان زا می تواند به طور گسترده آب، خاک و در نتیجه انسان را تحت تاثیر قرار دهد .از طرفی بر روی بافت بدن انسآن ها اثرات مخربی دارد و استنشاق آن ها در دراز مدت می تواند باعث ایجاد سرطان شود (4 و 5). کروم از نوع سه ظرفیتی آن، در سنگ­های سرپانتینیتی وجود دارد (6) و پس از آزاد سازی می­تواند به کروم 6 ظرفیتی تبدیل گردد (4 و 5). افزایش مقدار غلظت آهن در خون می­تواند باعث رسوب گذاری در رگ خون وافزایش بیماری­های قلبی گردد (7). در این مقاله با استفاده از عوامل غنی شدگی، ضریب آلودگی و ضریب بار آلودگی و شاخص زمین انباشتگی به ارزیابی آلودگی فلزات سنگین در رسوبات منطقه مورد مطالعه پرداخته شده است.

زمین شناسی منطقه

منطقه مورد مطالعه در نقشه زمین شناسی 1:100000 فریمان (منطقه آلمه جوق) قرار دارد. این منطقه بخشی از زون افیولیتی فریمان به شمار می­رود. مجموعه افیولیتی فریمان در شمال شرقی خرد قاره ایران مرکزی قرار گرفته است. این مجموعه افیولیتی با گستره­ای به وسعت حدود 1700 کیلومتر مربع، بخشی از افیولیت­های تربت حیدریه است. مجموعه افیولیتی تربت حیدریه در نواحی ریفتی، به علت کشش پوسته اقیانوسی حاصل گردیده است. واحد­های افیولیتی در ایران در اثر کافتی شدن به وجود آمده­اند (8). ضخامت مجموعه افیولیتی در حدود 4000 تا 5000 متر متغیر می­باشد. بخش­های مخلتف یک واحد افیولیتی از پایین به بالا شامل پریدوتیت­ها و سنگ­های الترامافیک، گابرو، دولریت، دیاباز و پیلو لاوا است که در سطح فوقانی مجموعه افیولیتی برون زد داشته و نشان دهنده فوران مذاب در زیر آب می­باشد (9). ازدیدگاه سنگ شناسی مجموعه افیولیتی در منطقه مورد مطالعه شامل واحد­های سنگی دونیتی، هارزبورژیتی، پریدوتیتی، گابرو، سنگ­های دیابازی و گدازه ­های بالشی و هم چنین پیروکلاستیک­ها (توف و چرت) و سنگ­های آذرآواری و آهک­های پلاژیک می­باشد (شکل1). سن مجموعه افیولیتی فریمان کرتاسه می­باشد (10).

 

 

شکل 1- نقشه زمین شناسی منطقه آلمه جوق(اقتباس با تغییراتی از نقشه 1:100000 فریمان، حدادان،1387)

Figure 1- Geological map Almejogh area (adapted with the changes of 1: 100000 map map Fariman, Hadadan, 1387)


مواد و روش­ها

 

هدف از انجام این تحقیق، بررسی میزان غلظت فلزات سنگین و نیز وضعیت آلودگی رسوبات درمنطقه مورد مطالعه می­باشد. برای این منظورنمونه برداری از رسوبات منطقه در مرداد ماه 1393 انجام گرفت. بنابراین 9 نمونه از رسوبات منطقه از عمق 30- 20 سانتی­متری برداشت گردید. نمونه­ها به آزمایش گاه زیست محیطی دانشگاه آزاد اسلامی واحد مشهد انتقال داده شد و مقادیر پارامترهای pH و EC  خاک اندازه گیری گردید. برای تعیین pH نمونه­های رسوب 10 گرم رسوب که پس از خشک کردن در هوای آزاد از الک 2 میلی متری عبور داده شده مورد استفاده قرار گرفت. نمونه­های خاک در بشر CC 100  ریخته شد و به مقدار 25 میلی لیتر آب یونیزه به آن اضافه گردید. نمونه­ها به مدت 16 ساعت برای حصول تعادل در جای خود باقی ­ماند، در حالی که در ابتدای کار به طور منظم با یک هم زن شیشه­ای به هم زده شده بود. پس از گذشت 16 ساعت با استفاده از  pH متر (مدل Extech) قرائت نمونه­ها انجام شد (11). برای اندازه گیری املاح خاک در این منطقه از نسبت­های معین وزن به رسوب و آب (1 به 5) استفاده گردید، به طوری که 10 گرم از رسوبی که در هوای آزاد خشک شده و از الک 2 میلی متری عبور داده شده بود، در یک بشر CC 250 ریخته شده و 150 میلی لیتر آب مقطر اضافه شد و به مدت 5 دقیقه روی استیرر قرار گرفت و پس از عبور از کاغذ صافی با استفاده از EC متر قرائت صورت پذیرفت. هم چنین مقدار10 گرم از خاک منطقه (مواد عبوری از الک200 مش) به آزمایش گاه  ACMEکانادا انتقال داده شد تا به روش پلاسمای القایی – اسپکترومتری جرمی (ICP-OES) برای تعیین میزان فلزات سنگین مورد آنالیز قرار گیرند (جدول1). برای تعیین هم بستگی داده­ها، از ضرایب هم بستگی پیرسون با به کارگیری نرم افزار SPSS 22، استفاده گردید (12). هم چنین به منظور پردازش اطلاعات و ارزیابی آلودگی، از عامل غنی شدگی عناصر، ضریب آلودگی، شاخص زمین انباشتگی وضریب بارآلودگی استفاده گردید.

 

 

جدول 1- مقادیر پارامتر­های ژئوشیمیایی و نتایج ICP-OES در نمونه­های رسوبات منطقه مورد مطالعه (بر حسب ppm)

Table 1- ICP-OES geochemical parameters and results in sediment samples studied (in ppm)

 

As

Cd

Co

Cr

Cu

Fe

Mo

Ni

Pb

V

Al

 

1/0

01/0

1/0

5/0

01/0

01/0 %

01/0

1/0

01/0

2

01/0 %

f-65

7/2

06/0

2/61

9/402

23

35300

33/0

9/895

44/4

34

10600

f-66

3/3

09/0

7/44

6/307

59/38

35000

43/0

708

48/4

56

16700

f-67

3/4

1/0

5/39

4/214

68/31

34700

34/0

1/701

58/6

62

16100

f-68

4/5

09/0

7/32

7/257

7/30

37500

34/0

1/498

17/7

57

16300

f-69

6/5

1/0

31

2/193

43/29

32300

4/0

5/414

63/7

80

18000

f-71

4/3

07/0

4/59

8/471

63/28

38800

5/0

1018

09/5

62

15000

f-72

3

07/0

4/47

1/181

27/34

36800

29/0

5/784

87/4

67

15800

f-78

1/18

1/0

4/24

4/155

41/44

62600

61/1

1/103

99/23

255

12900

f-79

5/9

15/0

2/12

1/67

02/30

24100

76/0

4/67

86/12

65

13200

 


بحث


بررسی خصوصیات شیمیایی خاک

پارامتر­هایpH  و EC از عوامل مهمی هستند که در کنترل و تحرک پذیری عناصر نقش ایفا می­نمایند. به عبارت دیگر عامل pH و EC بر جذب و واجذب عناصر موثر هستند (13). خاک­های منطقه مورد مطالعه بر اساس طبقه بندی انجمن علوم خاک آمریکا، در محدوده 20/7 تا 5/8 (نسبتاً قلیایی) قرار می­گیرند (شکل2). بیش­ترین میزان غلظت pH مربوط به نمونه 2 می­باشد که از برون زد ­های سنگی اولترامافیکی برداشت گردیده است. هم چنین بررسی مقادیر EC نشان می­دهد که هدایت الکتریکی در خاک­های منطقه از 291 تا 642 ms/cm است که به احتمال بالا بودن مقدار غلظت نیکل در منطقه باعث بالا بودن تغییرات EC گردیده است (شکل2).

 

 

شکل 2- نمودار میزان غلظت عامل pH و EC (مقادیر EC بر اساس ms/cm)

Figure 2- Chart of concentration, pH and EC (EC values based on ms / cm)


بررسی روابط هم بستگی فلزات سنگین در خاک


ضریب پیرسون

برای تعیین ارتباط عناصر سنگین با یک دیگر از ماتریس هم بستگی استفاده گردیده است. در جدول زیر ارتباط بین عناصر نشان داده شده است. بر اساس جدول ضریب پیرسون بعضی از عناصر با یک دیگر هم بستگی داشته و نشان از منشاء مشترک دارند. بر اساس بررسی های صورت گرفته، هم بستگی مثبت و آشکاری بین آرسنیک با سرب (999/0 r=  ،(05/0p<) و وانادیوم (922/0 r=  ،(05/0p<) وجود دارد که نشان از منشا مشترک این عناصر است؛کادمیوم با پتاسیم (919/0 r=  ،(05/0p<) هم بستگی مثبت دارد، کبالت با کروم (887/0 r=  ،(05/0p<) و نیکل (961/0r=  ،(05/0p<) وکروم با نیکل (838/0 r= ،(05/0p<)، مس با آهن (682/0 r= ،(05/0p<)، مولیبدن (684/0 r=  ،(05/0p<) و سرب (64/0 r=  ،(05/0p<)، آهن با  مولیبدن (749/0 r= ،(05/0p<)، سرب (679/0 r=  ،(05/0p<)، و وانادیوم (876/0 r=  ،(05/0p<) دارای هم بستگی مثبت و مولیبدن با سرب (967/0 r= ،(05/0p<) و وانادیوم (939/0r=  ،(05/0p<)، سرب و پتاسیم (678/0 r= ،(05/0p<) و وانادیوم (925/0 r= ،(05/0p<)، هم بستگی مثبت دارند که نشان می­دهد دارای یک منشا مشترک هستند. هم چنین هم بستگی که بین کبالت با نیکل (961/0 r= ،(05/0p<) و کروم  (887/0 r=  ،(05/0p<) وجود دارد، نشانه ی منشاء مشترک برای عناصر کروم، کبالت و نیکل می­باشد. کروم با پتاسیم (973/0 r= - ،(05/0p<) و کادمیوم (770/0 r= - ،(05/0p<) و آرسنیک (547/0 r=- ،(05/0p<) هم بستگی در جهت منفی دارد. کادمیوم با نیکل (829/0 r= - ،(05/0p<) هم بستگی منفی دارد که نشان دهنده منشا متفاوت بین عنصر کادمیوم با کبالت و نیکل است (جدول2).

 

 

جدول 2- ماتریس مقادیر هم بستگی (r) پارامتر­های شیمیایی و فلزات سنگین نمونه­های خاک

Table 2- Matrix correlation values (r) and chemical parameters of heavy metals in soil samples

 

As

As

1

Pb 

Pb

999/0**

1

Mo 

Mo

966/0**

967/0**

1

V

V

922/0**

925/0**

939/0**

1

Fe 

Fe

675/0*

679/0*

749/0*

876/0**

1

Cu 

Cu

649272/0

640244/0

684/0*

771/0*

682/0*

1

Cd 

Cd

496739/0

485438/0

364689/0

189007/0

-26484/0

201057/0

1

 K

K

688/0*

678/0*

529843/0

447105/0

002934/0

323664/0

919/0**

1

 Co

Co

-681/0*

-667/0*

-51105/0

-43265/0

-00719/0

-3938/0

-912/0**

-973/0**

1

 Ni

Ni

-818/0**

-805/0**

-675/0*

-5918/0

-18725/0

-4492/0

-829/0**

-929/0**

961/0**

1

 Cr

Cr

-54745/0

-54773/0

-37246/0

-37284/0

031324/0

-41025/0

-770/0*

-838/0**

887/0**

838/0**

1

**. Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).

*. Correlation is significant at the 0.05 level (2-tailed).

 

 

 


نمودار آنالیز خوشه­ای (CA)

 

آنالیز خوشه­ای، مواد مورد بررسی را بر حسب میزان شباهت یا تفاوت آن ها طبقه بندی می­کند. بر اساس شکل (3)، دو خوشه اصلی می توان در نظر گرفت. خوشه اول که بر اساس هم بستگی عناصر به 2 زیر خوشه تقسیم شده است. در زیر خوشه اول عناصر آرسنیک، سرب، مولیبدن، وانادیوم، آهن و مس قرار دارد. بر اساس درجه وابستگی آرسنیک، سرب و مولیبدن در یک خوشه قرار گرفته­اند. زیر خوشه دوم عناصر کادمیوم و پتاسیم در آن جای دارد. در خوشه اصلی دوم عناصر کبالت، نیکل و کروم جای دارند. کبالت و نیکل وابستگی بیش تری به هم دارند. بر اساس نمودار آنالیز خوشه­ای حداقل دو منشاء متفاوت برای ورود عناصر به خاک می­توان ارایه کرد. این دو منشاء شامل 1- مجموعه افیولیتی 2- مجموعه ولکانیکی و واحد­های پیروکلاستیک می­باشند.  

 

 

  

 

 

 

 

شکل 3- نمودار خوشه­ای سلسله مراتبی حاصل از تحلیل خوشه­ای فلزات سنگین در نمونه­های منطقه مورد مطالعه

Figure 3- Cluster diagram hierarchical cluster analysis of heavy metals in the samples studied

 

 


 

استفاده ازتحلیل مؤلفه اصلی (PCA)

 

برای تفسیر بهتر روابط عناصر از روش تحلیل مولفه اصلی به عنوان مکمل استفاده می­گردد. این روش بر ماتریس هم بستگی بین متغیر­ها استوار است (14). روش فوق، روش آماری برای تعیین متغیر­های کنترل کننده اصلی در یک سری داده­ها می­باشد (15). بر اساس شکل (4)، در این نمودار 3 عامل اصلی ایجاد می­شود: عامل اول: این عامل بیش تر تحت تاثیر فلزات سنگین آهن، مولیبدن، وانادیوم، مس، آرسنیک و سرب است. عامل دوم: تحت تاثیر فلزات سنگین پتاسیم و کادمیوم است. عامل سوم: این عامل نیز بیش تر تحت تاثیر فلزات سنگین کروم، نیکل و کبالت است. عواملی که شامل انواع سنگ منشأ و خاک می­باشند فرآیندهای هوازدگی، پدیده­های جذب سطحی و مشخصات محیط­های رسوب گذاری هستند و تاثیر به سزایی در توزیع فلزات موجود در رسوبات دارند. این تقسیم بندی توسط نتایج آنالیز خوشه­ای و ضرایب پیرسون نیز تایید می­شود.

 

   

شکل 4- نمودار سه بعدی و نتایج حاصل از تحلیل مولفه اصلی برای عناصر مورد مطالعه در خاک منطقه

Figure 4- Three-dimensional graph of the results of principal component analysis for the study elements in soil

 


ارزیابی ژئوشیمیایی فلزات سنگین

 

برای ارزیابی میزان غلظت آلودگی به فلزات سنگین در رسوبات منطقه مورد مطالعه معمولاٌ از مقایسه میزان عناصر در منطقه با استاندارد­های بین المللی و از عوامل غنی شدگی، ضریب آلودگی و ضریب بار آلودگی و شاخص زمین انباشتگی بهره می­گیرند. در جدول (3) میزان غلظت عناصر در میانگین پوسته زمین و شیل جهانی نشان داده شده است.

 

 

جدول3- میانگین عناصر در پوسته زمین و شیل جهانی(برگرفته از سازمان حفاظت محیط زیست آمریکا؛ )13 و16(

Table 3- Average global shale elements in the Earth's crust (from the EPA America)

عنصر

As

Cd

Co

Cr

Cu

Fe

Mo

Ni

Pb

V

Al

میانگین عناصر در پوسته زمین )13(

120

5/12

50

5/1

41000

55

102

25

2/0

8/1

82300

شیل جهانی )16(

68

6/2

47200

45

100

19

3/0

13

130

20

80000


 

 

عامل غنی شدگی عناصر (Enrichment factor)

 

از عامل غنی شدگی (EF) برای بیان میزان تاثیر عامل خارجی بر رسوبات استفاده می­گردد (17). ارزیابی این عامل روش مناسبی برای تعیین تاثیر منشاء لیتوژنیک و آنتروپوژنیک آلودگی فلزی می­باشد (18). برای ارزیابی عامل فوق غلظت عناصر نمونه را با غلظت آن عنصر در نمونه زمینه مقایسه می­کنند. ضریب غنی شدگی طبق روش زیر محاسبه می­گردد (19).

 

در رابطه فوق، EF عامل غنی شدگی، Cx1 غلظت عنصر مورد بررسی، Cref1 غلظت عنصر مبنا (Al)، Cx2 غلظت عنصر در محیط مبنا (پوسته زمین) و Cref2 غلظت عنصر مبنا (Al) در محیط مبنا (پوسته زمین) می­باشد.

بر اساس طبقه بندی Chen (جدول4)، درخاک­های منطقه نیکل با غلظت 86/64، بیان گر غنی شدگی بی نهایت شدید
می­باشد. عناصر آرسنیک و کروم غنی شدگی شدید (8/19، 01/14) و کبالت غنی شدگی نسبتاً شدید (92/8) را در منطقه از خود نشان می­دهد. ضریب غنی شدگی کروم، آرسنیک و نیکل در منطقه بیش تر از 10 می­باشد که آن را می­توان به فعالیت­های معدنی در منطقه نسبت داد که نشان از منشاء آنتروپوژنیک آن ها دارد (20). با توجه به لیتولوژی منطقه غنی شدگی آرسنیک را می­توان به وجود کانی­های سولفیدی از قبیل پیریت و اکسید پیریت در منطقه نسبت داد (شکل5) .هم چنین مس، سرب و وانادیوم غنی شدگی متوسط و کادمیوم، مولیبدن و آلومینیوم غنی شدگی اندکی را نشان می­دهند.

 

 

جدول 4- طبقه بندی عامل غنی شدگی از  2007Chen et al (21)

Table 4- Classification enrichment factor in Chen et al 2007

بی نهایت شدید

خیلی شدید

شدید

نسبتاً شدید

متوسط

اندک

بدون غنی شدگی

شدت غنی شدگی

بیش تر از 50

بین 25 تا 50

بین 10 تا 25

بین 5 تا 10

بین 3 تا 5

بین 1 تا 3

کم تر از 1

EF

 

 

 

شکل 5- نمودار شاخص غنی شدگی

Figure 5- Chart enrichment index

   

شکل 6- نقشه پهنه بندی شاخص ضریب غنی شدگی برای عنصر نیکل در منطقه مورد مطالعه

Figure 6- Enrichment zoning map index for nickel in the region

شکل 7- نقشه پهنه بندی شاخص ضریب غنی شدگی برای عنصر کروم در منطقه مورد مطالعه

Figure 7- Enrichment zoning map index for chromium in the study area

 

 

بر اساس نقشه پهنه بندی، عامل غنی شدگی عناصر کروم و نیکل، نشان از غنی شدگی عناصر در شمال غرب و جنوب شرقی محدوده مورد مطالعه دارند که نشانه تاثیر واحدهای افیولیتی نظیر سنگ­های هارزبورژیتی، دونیت و ... بر رسوبات و منابع خاک منطقه می­باشد (شکل­های 6 و 7).

ضریب آلودگی (Contamination factor)

از ضریب آلودگی (CF) برای بیان میزان آلودگی رسوبات به فلزات سنگین استفاده می شود. شاخص فوق از تقسیم غلظت عنصر در نمونه برداشت شده به غلظت همان عنصر در نمونه زمینه به­دست می­آید (22 و 23).

 

در رابطه فوق، CF، ضریب آلودگی، Csample غلظت عنصر مورد بررسی و Cbackground غلظت عنصر در شیل جهانی می­باشد. 

بر اساس شکل (8) عناصر آرسنیک، کادمیوم، مس، آهن،
مولیبدن، سرب، وانادیم و آلومینیوم کم تر از 1 می­باشند و طبق جدول (5)، نشانه ی کم­ترین آلودگی می­باشند. عناصر کروم و کبالت آلودگی متوسطی را نشان می­دهند که احتمالاً این حجم آلودگی در عناصر کروم و نیکل دارای منشاء لیتوژنیک درمنطقه هستند. بیش ترین آلودگی مربوط به عنصر نیکل می­باشد. 

 

جدول 5- طبقه بندی ضریب آلودگی (1980Hakanson,))24(

Table 5-Classification pollution index (Hakanson, 1980)

بالا

قابل توجه

متوسط

پایین

مقدار آلودگی رسوب

بیش از 6

بین 3 تا 6

بین 1 تا 3

کم تر از 1

CF

 

 

 

شکل 8- نمودار ضریب آلودگی

Figure 8- Chart pollution index

 

   

شکل 9- نقشه پهنه بندی شاخص عامل آلودگی برای عنصر نیکل در منطقه مورد مطالعه

Figure 9- Zoning map of the contamination factor index for nickel in the region

شکل 10- نقشه پهنه بندی شاخص عامل آلودگی برای عنصر کروم در منطقه مورد مطالعه

Figure 10- Zoning map of the index factor for chromium contamination in the study area

 

 

 

 

 

نقشه پهنه بندی ضریب آلودگی عناصر کروم و نیکل، نشان داد رسوبات در محدوده شمال غرب و جنوب شرق آلوده به فلزات سنگین می باشند که به دلیل تاثیر واحد های افیولیتی و فلزات سنگین می­باشد (شکل­های 9و 10).

شاخص زمین انباشتگی(Geoaccumulation Index)

این شاخص(Igeo) برای اولین بار توسط مولر بیان گردید (25). شاخص فوق برای تعیین میزان آلودگی فلزات سنگین در رسوبات به کار می­رود (26). در این شاخص Cn غلظت عنصر در نمونه و Bn غلظت همان عنصر در نمونه زمینه می­باشد. در این شاخص ضریب 1.5 برای حذف احتمالی زمینه به علت
تاثیرات زمین شناختی اعمال می­گردد (27، 21، 28).

(29)

 

بر اساس جدول (7) بالاترین میزان زمین انباشتگی را عنصر نیکل دارا می­باشد. نیکل تقریباً در تمام نمونه­ها بر طبق جدول (6) آلودگی متوسط تا شدید را نشان می­دهد و تنها نمونه­های f-65 وf-71  دارای آلودگی شدید می­باشند. عنصر کروم و کبالت نیز در نمونه­های f-65 وf-71  آلودگی در حد متوسط نشان می­دهند. بقیه عناصر بر اساس شاخص فوق آلودگی نشان نمی­دهند.

 

 

جدول 6-  طبقه بندی شاخص زمین انباشتگی ( 2007 Luoping et al )(29)

Table 6- Category Index geo accumulation (Luoping et al 2007)

بی نهایت

شدید تا بی نهایت

شدید

متوسط تا شدید

متوسط

بدون آلودگی تا متوسط

بدون آلودگی

شدت آلودگی

بیش تر از 5

بین 4 تا 5

بین 3 تا 4

بین 2 تا 3

بین 1 تا 2

بین صفر تا 1

کم تر از صفر

Igeo

 

جدول 7- شاخص زمین انباشت نمونه­های منطقه مورد مطالعه

Table 7- The index accumulated samples in the study area

IGEO

As

Cd

Co

Cr

Cu

Fe

Mo

Ni

Pb

V

Al

f-65

-85/2

-90/2

10/1

42/1

55/1-

004/1-

56/3-

13/3

75/2-

51/2-

50/3-

f-66

-56/2

32/2-

64/0

03/1

80/0-

01/1-

18/3-

79/2

74/2-

79/1-

84/2-

f-67

-18/2

16/2-

47/0

51/0

09/1-

02/1-

51/3-

78/2

18/2-

65/1-

89/2-

f-68

-85/1

32/2-

19/0

78/0

13/1-

91/0-

51/3-

28/2

06/2-

77/1-

88/2-

f-69

-79/1

16/2-

12/0

36/0

19/1-

13/1-

28/3-

02/2

97/1-

28/1-

73/2-

f-71

-51/2

68/2-

05/1

65/1

23/1-

86/0-

96/2-

31/3

-55/2

65/1-

3-

f-72

-70/2

68/2-

73/0

27/0

97/0-

94/0-

74/3-

94/2

62/2-

54/1-

92/2-

f-78

10/0-

16/2-

22/0-

05/0

60/0-

17/0-

27/1-

01/0

32/0-

38/0

21/3-

f-79

03/1-

58/1-

22/1-

16/1-

16/1-

55/1-

35/2-

59/0-

22/1-

58/1-

18/3-

 



نتیجه گیری

 

ارزیابی هم بستگی فلزات سنگین توسط ضریب پیرسون، آنالیز خوشه­ای و تحلیل مولفه اصلی نشانه دو منشاء متفاوت برای توزیع ژئوشیمیایی فلزات سنگین در رسوبات منطقه می­باشد. مجموعه افیولیتی برای توزیع عناصر کبالت، نیکل و کروم و مجموعه پیروکلاستیک و ولکانیکی برای توزیع عناصر آهن، مولیبدن، وانادیوم، مس، آرسنیک و سرب ،پتاسیم و کادمیوم می­باشند. بر اساس طبقه بندی انجمن علوم خاک آمریکا، pH رسوبات در محدوده نسبتاً قلیایی قرار می­گیرند. ارزیابی عامل غنی شدگی نشان داد، نیکل غنی شدگی بی نهایت شدید در منطقه دارد و عناصر آرسنیک و کروم در منطقه غنی شدگی شدید را نشان می­دهند. غنی شدگی فوق نشان از منشاء آنتروپوژنیک (وجود فعالیت­های معدنی در منطقه) دارد. عنصر کبالت در منطقه غنی شدگی نسبتاً شدید را نشان می­دهد و مس، سرب و وانادیوم غنی شدگی متوسط وکادمیوم، مولیبدن و آلومینیوم غنی شدگی اندک را در منطقه نشان می­دهند. بررسی شاخص ضریب آلودگی نیز نشان داد، نیکل بالاترین آلودگی را در منطقه دارد. هم چنین کروم و کبالت آلودگی متوسط را نشان می­دهند. عناصر آرسنیک، کادمیوم، مس، آهن، مولیبدن، سرب، وانادیم و آلومینیوم کم ترین آلودگی و عناصر کروم و کبالت آلودگی متوسطی را نشان می­دهند. شاخص زمین انباشتگی نشان از آلوده بودن رسوبات به نیکل دارد.

Reference

  1. Rosazi-Boroujeni, Kh, 2009, Investigating the sources of pollution of soil and water by heavy metals in Hashtroud city with an attitude towards arsenic and its environmental effects, Master's thesis, Faculty of Sciences, Tehran University, 172 pages, (In persian).
  2. Keshavarz, B., Moor, F, 2009, Arsenic geomedicine in the gold deposit area of Muteh, Isfahan, 27th Symposium of Geosciences, Iranian Geological Society, (In persian).
  3. Misra, S. G., Dinesh Mani, 2009, Soil Pollution, Published by S.B. Nangia, New Delhi.
  4. Richard, F. C., Bourg, A.C.M., 1991. Aqueous geochemistry of chromium.a review. Wat. Res. Vol.25, pp.807–816.
  5. Robles Camacho, J. & A. M., Armineta, 2000. Natural chromium contamination of groundwater at Leo’n Valley Mexico Journal of Geochemical Exploration 68 (2000) 167–181
  6. Oze, J. C, 2003. Chromium geochemistry of serpentinite and serpentin soils. Department of Geology and Environmental Sciences and the Committee on Graduate Studies of Stanford University.
  7. Altman, L. K., 1992, High levels of iron are tied to an increased risk of heart disease, The New York times, sept8j, p2
  8. Aghanabati, A., 2004. Geology of Iran. Geological survey of Iran, 707 pages, (In persian).
  9. Darvishzadeh, A., 1991. Geology of Iran. Nashr Danesh Emrouz Publication, 705 pages, (In persian). 
  10. Haddadan, M, 2008. Geological map of Iran, Fariman sheet, scale 1: 100,000. Geological Survey of Iran. Tehran, (In persian). 
  11. Van Ranst, E., Verloo, M., Demeyer, A. and Pauwels, J.M., 1999. Manual for the soil chemistry and fertility laboratory: analytical methods for soils and plants equipment, and management of consumables.
  12. Acosta, J. A., Faz, A., Mrtinez, S. M., 2009, Identification of heavy metal sources by multivariable analysis in a typical Mediterranean city (SE Spain), Environ Monit Assess, DOI 10.1007/s10661-1194-0
  13. Kabata-Pendias., A., 2011- Trace elements in soils and plants, CRC Press Taylor & Francis Group, 534
  14. Miller, N. J., Miller, J. C., (2000). “Statistics and chemometrics for analytical chemistry.” Pearson Education, Englewood Cliffs, New Jersey, pp. 288.
  15. Yusufi, M, 2006, Application of Computer in Mine, Jahad Daneshgahi, Amirkabir Industrial University, 282 pages, (In persian). 
  16. Turekian, K. K., Wedepohl, K. H, 1961- Distribution of elements in some major units of the earth , s crust, Geol. Soc. Of American Bull,72,192-175
  17. Zhang, W., 2009, "Heavy metal contamination in surface sediments of Yangtze River intertidal zone an assessment from different indexes”, Environmental Pollution Vol.1-11
  18. Adamo, P., Arenzo, M., Imperato, M., Naimo, D., Nardi, G., Stanzione, D., 2005- Distribution and partition of heavy metal in surface and sub-surface sediments of Naples City Por, Chemosphere, v. 61, pp: 800- 809.
  19. Loska, K., Chebual, J., Pleczar, J., Wiechla, D., Kwapulinski, J., 1995-Use of environment and contamination factors together with geo accumulation indexes to elevate the content of Cd, Cu and Ni in the Rybink water reservoir in Poland” Water, Air and Soil pollution, 93,pp: 347-365.
  20. Devesa Rey, R., F. Díaz Fierros, and M. T. Barral. 2009, "Normalization strategies for river bed sediments, a graphical approach." Microchemical Journal 91.2 (2009), pp. 253- 265
  21. Chen, C.W., Kao, C.M., Chen, C.F., & Dong, C.D. 2007; "Distribution and accumulation of heavy metals in the sediments of Kaohsiung Harbor, Taiwan", Chemosphere Vol. 66, No. 8, pp. 1431- 1440  
  22. Abrahim, G. M. S., Parker, R. J., 2008, Assessment of heavy metal enrichment factors and the degree contamination in marine sediments from Tamaki. Estuary, Auckland, New Zealand, Environmental Monitoring and Assessment 136, pp. 227- 238.
  23. Adomako, D., Nyarko, B.J.B., Dampare, S.B., Serfor Armah, Y., Osae, S., Fianko, J.R., Akaho, E. H., 2008, Determination of toxic elements in waters and sediments from River Subin in the Ashanti Region of Ghana”. Environmental Monitoring Assessment 141, pp. 165- 175
  24. Hakanson L. 1980. An ecological risk index for aquatic pollution control a sedimentological approach. Water Research, 14:975-1001.
  25. Muller, G.; 1979; "Schwermetalle in den sedimenten des Rheins Veranderungenseit 1971“,Umschau Vol. 79, No. 24, pp. 778- 783
  26. Audrey, S., Schafer, J., Blanc, G., Jouanneau, JM, 2004; "Fifty year sedimentary record of heavy metal pollution (Cd, Zn, Cu, Pb) in the Lot River reservoirs (France)", Environmental Pollution Vol.132, No. 3, pp. 413- 426
  27. Gonzales, Macias, C., Schifter, I., Liuch, Cota, D. B., ,endez Rodriguez, L., & Hernandez Vazquez, S., 2006; "Distribution, enrichment and accumulation of heavy metals in coastal sediments of Salina Cruz Bay, Mexico", Environmental Monitoring and Assessment, 118, pp. 211- 230
  28. Ghrefat, H., Yusuf, N. 2006, "Assessing Mn, Fe, Cu, Zn and Cd pollution in bottom sediments of Wadi AL Arab Dam, Jordan", Chemosphere 65, pp. 2114- 2121.
  29. Luoping Zhang, X, Y., HuanFeng, Y, J., Tong Ouyang, X, Y.,Rongyuan Liang, C, G., Weiqi,C., 2007, Heavy metal contamination in western Xiamen Bay sediments and its vicinity, China, Mar Pollut Bull 54, pp. 974–982.

 

 



1- کارشناسی ارشد، گروه زمین شناسی، واحد مشهد، دانشگاه آزاد اسلامی، مشهد، ایران.

2- استادیار، گروه زمین شناسی، واحد مشهد، دانشگاه آزاد اسلامی، مشهد، ایران. *(مسوول مکاتبات)

3- دانشیار، گروه زمین شناسی، واحد مشهد، دانشگاه آزاد اسلامی، مشهد، ایران.

1- MSc, Department of Geology, Mashhad Branch, Islamic Azad University, Mashhad, Iran.

2- Assistant Professor, Department of Geology, Mashhad Branch, Islamic Azad University, Mashhad, Iran. *(Corresponding Author)

[6]- Associate Professor, Department of Geology, Mashhad Branch, Islamic Azad University, Mashhad, Iran.

Reference

  1. Rosazi-Boroujeni, Kh, 2009, Investigating the sources of pollution of soil and water by heavy metals in Hashtroud city with an attitude towards arsenic and its environmental effects, Master's thesis, Faculty of Sciences, Tehran University, 172 pages, (In persian).
  2. Keshavarz, B., Moor, F, 2009, Arsenic geomedicine in the gold deposit area of Muteh, Isfahan, 27th Symposium of Geosciences, Iranian Geological Society, (In persian).
  3. Misra, S. G., Dinesh Mani, 2009, Soil Pollution, Published by S.B. Nangia, New Delhi.
  4. Richard, F. C., Bourg, A.C.M., 1991. Aqueous geochemistry of chromium.a review. Wat. Res. Vol.25, pp.807–816.
  5. Robles Camacho, J. & A. M., Armineta, 2000. Natural chromium contamination of groundwater at Leo’n Valley Mexico Journal of Geochemical Exploration 68 (2000) 167–181
  6. Oze, J. C, 2003. Chromium geochemistry of serpentinite and serpentin soils. Department of Geology and Environmental Sciences and the Committee on Graduate Studies of Stanford University.
  7. Altman, L. K., 1992, High levels of iron are tied to an increased risk of heart disease, The New York times, sept8j, p2
  8. Aghanabati, A., 2004. Geology of Iran. Geological survey of Iran, 707 pages, (In persian).
  9. Darvishzadeh, A., 1991. Geology of Iran. Nashr Danesh Emrouz Publication, 705 pages, (In persian). 
  10. Haddadan, M, 2008. Geological map of Iran, Fariman sheet, scale 1: 100,000. Geological Survey of Iran. Tehran, (In persian). 
  11. Van Ranst, E., Verloo, M., Demeyer, A. and Pauwels, J.M., 1999. Manual for the soil chemistry and fertility laboratory: analytical methods for soils and plants equipment, and management of consumables.
  12. Acosta, J. A., Faz, A., Mrtinez, S. M., 2009, Identification of heavy metal sources by multivariable analysis in a typical Mediterranean city (SE Spain), Environ Monit Assess, DOI 10.1007/s10661-1194-0
  13. Kabata-Pendias., A., 2011- Trace elements in soils and plants, CRC Press Taylor & Francis Group, 534
  14. Miller, N. J., Miller, J. C., (2000). “Statistics and chemometrics for analytical chemistry.” Pearson Education, Englewood Cliffs, New Jersey, pp. 288.
  15. Yusufi, M, 2006, Application of Computer in Mine, Jahad Daneshgahi, Amirkabir Industrial University, 282 pages, (In persian). 
  16. Turekian, K. K., Wedepohl, K. H, 1961- Distribution of elements in some major units of the earth , s crust, Geol. Soc. Of American Bull,72,192-175
  17. Zhang, W., 2009, "Heavy metal contamination in surface sediments of Yangtze River intertidal zone an assessment from different indexes”, Environmental Pollution Vol.1-11
  18. Adamo, P., Arenzo, M., Imperato, M., Naimo, D., Nardi, G., Stanzione, D., 2005- Distribution and partition of heavy metal in surface and sub-surface sediments of Naples City Por, Chemosphere, v. 61, pp: 800- 809.
  19. Loska, K., Chebual, J., Pleczar, J., Wiechla, D., Kwapulinski, J., 1995-Use of environment and contamination factors together with geo accumulation indexes to elevate the content of Cd, Cu and Ni in the Rybink water reservoir in Poland” Water, Air and Soil pollution, 93,pp: 347-365.
  20. Devesa Rey, R., F. Díaz Fierros, and M. T. Barral. 2009, "Normalization strategies for river bed sediments, a graphical approach." Microchemical Journal 91.2 (2009), pp. 253- 265
  21. Chen, C.W., Kao, C.M., Chen, C.F., & Dong, C.D. 2007; "Distribution and accumulation of heavy metals in the sediments of Kaohsiung Harbor, Taiwan", Chemosphere Vol. 66, No. 8, pp. 1431- 1440  
  22. Abrahim, G. M. S., Parker, R. J., 2008, Assessment of heavy metal enrichment factors and the degree contamination in marine sediments from Tamaki. Estuary, Auckland, New Zealand, Environmental Monitoring and Assessment 136, pp. 227- 238.
  23. Adomako, D., Nyarko, B.J.B., Dampare, S.B., Serfor Armah, Y., Osae, S., Fianko, J.R., Akaho, E. H., 2008, Determination of toxic elements in waters and sediments from River Subin in the Ashanti Region of Ghana”. Environmental Monitoring Assessment 141, pp. 165- 175
  24. Hakanson L. 1980. An ecological risk index for aquatic pollution control a sedimentological approach. Water Research, 14:975-1001.
  25. Muller, G.; 1979; "Schwermetalle in den sedimenten des Rheins Veranderungenseit 1971“,Umschau Vol. 79, No. 24, pp. 778- 783
  26. Audrey, S., Schafer, J., Blanc, G., Jouanneau, JM, 2004; "Fifty year sedimentary record of heavy metal pollution (Cd, Zn, Cu, Pb) in the Lot River reservoirs (France)", Environmental Pollution Vol.132, No. 3, pp. 413- 426
  27. Gonzales, Macias, C., Schifter, I., Liuch, Cota, D. B., ,endez Rodriguez, L., & Hernandez Vazquez, S., 2006; "Distribution, enrichment and accumulation of heavy metals in coastal sediments of Salina Cruz Bay, Mexico", Environmental Monitoring and Assessment, 118, pp. 211- 230
  28. Ghrefat, H., Yusuf, N. 2006, "Assessing Mn, Fe, Cu, Zn and Cd pollution in bottom sediments of Wadi AL Arab Dam, Jordan", Chemosphere 65, pp. 2114- 2121.
  29. Luoping Zhang, X, Y., HuanFeng, Y, J., Tong Ouyang, X, Y.,Rongyuan Liang, C, G., Weiqi,C., 2007, Heavy metal contamination in western Xiamen Bay sediments and its vicinity, China, Mar Pollut Bull 54, pp. 974–982.