Артиллерийские полигоны
Взрывчатые вещества, используемые в артиллерийских и минометных боеголовках, обычно представляют собой либо тротил, либо смесь тротила, гексогена и воска, некоторые старые снаряды содержат тетрил. Бомбы могут содержать тротил или тритонал (тротил и алюминий), гранаты – гексоген и воск. Боеприпасы доставляются с использованием одно-, двух- и трехкомпонентного оружейного топлива, а также ракетного топлива [218].
Концентрации взрывчатых вещества в почвах артиллерийских полигонов в основном невелики, но их пространственное распределение очень неоднородно [167]. В почвах, отобранных на расстоянии друг от друга 3–4 м, концентрации октогена могут различаться на 4 порядка [156, 168, 218, 260]. В районах действия артиллерии и минометов в Форт-Льюисе (Вашингтон) концентрации взрывчатых веществ, попадающих в почвы после детонаций высокого порядка, обычно составляют менее 1 мкг/кг [167]; концентрация гексогена в среднем равна 100 мкг/кг. Анализ проб воды, отобранных из контрольных скважин, которые граничат с артиллерийским полигоном, также показал низкий уровень загрязнения гексогеном (<1 мкг/л).
В пробах поверхностных почв, отобранных вблизи снаряда калибра 155 мм, который подвергся детонации низкого порядка, концентрация тротила в почве составляла 1,5 % масс. Его содержание было высоким и в почвах, отобранных на глубине 5 и 10 см. На огневой точке гаубицы в поверхностном слое почвы артиллерийского полигона Форт-Льюис был обнаружен 2,4-динитротолуол с максимальной концентрацией 237 мг/кг.
На огневых точках орудий и минометов в почве глубиной до 30 см обнаружен 2,4-динитротолуол. Также были идентифицированы 2,6-динитротолуол, диэтилфталат, n-нитрозодифениламин и ди-н-бутилфталат [126].
Авиационные полигоны
Радиусы действия ВВС, сбрасывающих бомбы, исторически измерялись сотнями километров. Площади современных учебных полигонов намного меньше, они составляют десятках гектаров. Применяемые в авиационных боеприпасах взрывчатые вещества в основном содержат тринитротолуол, алюминиевую пудру, гексоген. Детонации фугасных авиабомб большой массы очень эффективны, поэтому в почвы попадают только микрограммы взрывчатых веществ [261]. Как и в случае с другими боеприпасами, детонации низкого порядка являются основным источником остатков взрывчатых веществ в почвах авиационных полигонов.
Полигон «Холодное Озеро» (Канада) используется для сбрасывания ракет класса «воздух-земля» уже более 40 лет. Концентрации тротила в почве у целей варьируются от 3 до 408 мг/кг, при среднем значении 86 мг/кг в радиусе 50 м. Средние концентрации гексогена, октогена, 4- и 2-аминодинитротолуола, 2,4-динитротолуола и тринитробензола составили 0,27; 0,21; 0,71; 1,2; 0,20 и 0,13 мг/кг соответственно, что ниже ПДК [218]. Основные источники гексогена и тротила – детонации низкого порядка и неразорвавшиеся боеприпасы.
На авиационном полигоне Холломана (Нью-Мексика) тротил обнаружен в высоких концентрациях в поверхностном и неглубоком приповерхностном слое почв. Гексоген, как правило, находился ниже пределов обнаружения [217].
На учебном полигоне Доннелли (Аляска) обнаружены тротил (1–314 мг/кг), гексоген (<1,4 мг/кг), октоген, 2,4-динитротолуол и нитроглицерин (<1 мг/кг). Только в четырех образцах концентрация тротила составляла менее 1 мг/кг. В образце, собранном вблизи частичной детонации бомбы весом 500 фунтов, концентрация тротила составляла 17300 мг/кг [217, 218].
Использование твердого ракетного топлива приводят к выбросу в окружающую среду десятков млн кг солей перхлората [204].
Тренировочные полигоны
Тренировки на полигонах проводится с использованием осколочных гранат, основными энергетическими веществами которых являются гексоген и тротил [164]. Разброс уровня загрязнения почв тренировочных полигонов взрывчатыми веществами существенен, их концентрации могут отличаться на 2 порядка в пробах, отобранных на расстоянии всего 1 м друг от друга [167].
На военных полигонах США и Канады, где основным видом оружия являются гранатометы, концентрация гексогена в почвах изменялась в широких пределах (от 1 до 50 мг/кг) [218]. Около гранат и на их внутренней поверхности обнаружены куски взрывчатого вещества. Самые высокие концентрации взрывчатых веществ содержатся в верхних слоях почвы (от 0 до 3 см) тренировочных полигонов. Средние концентрации гексогена и октогена были примерно в 12 раз выше в поверхностных почвах, чем на глубине 10 см. Концентрация тротила на поверхности почвы превышала его концентрацию на глубине 10 см в 49 раз.
Проведены исследования на тренировочных полигонах в Форт-Льюисе (Вашингтон), Форт-Ричардсоне (Аляска), где ежегодно используется от 6000 до 7000 гранат. Гексоген содержится во всех 96 пробах, равномерно отобранных по полигону с поверхности почв и на незначительном углублении (30–45 см). Средние и максимальные концентрации гексогена в поверхностных почвах составили 1,6 и 51,2 мг/кг соответственно [167]. В большинстве проб обнаружены также тротил и октоген со средними концентрациями 40,6 и 5,2 мг/кг.
Полигоны для утилизации боеприпасов
На полигонах зоны подрыва утилизируемых боеприпасов могут составлять несколько гектаров. Во время подрывов рассеиваются значительные выбросы взрывчатых веществ и продуктов их распада, особенно, если подрывы приводят к детонации низкого порядка [219]. В некоторых зонах открытого горения/детонации может происходить выброс невзорвавшихся боеприпасов за пределы воронки. Области открытого горения/детонации могут использовать и для утилизации промышленных отходов (красок, растворителей, смазочных материалов, топлив). Поэтому почвы полигонов для утилизации содержат более широкий спектр опасных химических веществ, чем другие военные полигоны.
Наиболее распространенное взрывчатое соединение на полигонах открытого подрыва – гексоген; далее следуют нитроглицерин и 2,4-динитротолуол [166]. Средние концентрации гексогена и октогена в почвах различных полигонов для утилизации боеприпасов в радиусе 25 м от места подрыва составляют 8,84 и 0,54; 11,4 и 1,84 мг/кг соответственно [217, 218].
Взрывчатые вещества и продукты их трансформации являются одними из основных загрязнителей подземных вод. Существующая информация о фильтрации взрывчатых веществ в почвах полигонов противоречива. Так, в пределах одного полигона установлено равномерное, скачкообразное, уменьшающееся и растущее распределения концентраций одних и тех же загрязнителей на глубине почв до 3 м [199].
Концентрации гексогена на испытательном полигоне в Абердине (США) минимальны на глубине от 1,2 до 1,8 м, самые высокие его концентрации обнаружены на глубине 2,4–3 м. Были сопоставимы по всей глубине почвы концентрации продуктов распада тротила, гексогена, октогена – гексагидро-1,3-динитрозо-нитро-1,3,5-триазина (DNX) и гексагидро-1,3,5-тринитрозо-1,3,5-триазин (TNX). Октоген также равномерно распределен по всей высоте исследуемых профилей. Тротил обнаружен только один раз на глубине 180–240 см [199].
В приповерхностных пробах почвы установлены высокие концентрации соединений, образующихся при растворении тротила (2-аминодинитротолуол и 4-аминодинитротолуол). Соотношения концентраций тринитротолуола к продуктам его распада обычно выше в поверхностном слое почвы, чем на глубине 10 см [167]. Это объясняется благоприятными условиями для биотрансформации взрывчатых веществ в более влажных глубоких слоях почвы.
Октоген и гексоген фильтруются в более глубокие слои горизонта, чем тротил, так как они хуже адсорбируются частицами почвы и характеризуются более низким коэффициентом разделения почва/вода. Установлено опасное содержание октогена и гексогена в подземных водах ниже нескольких тренировочных полигонов, тротил в этих водах обнаружен не был.
Нитрогуанидин также в большем количестве содержится на поверхности почв. На глубине 20–27 см его концентрация снижается на ~15 %, а на глубине 40–60 см остается всего ~1 % масс. от содержания в поверхностном слое почвы.
Детонация влияет на структуру почвы, а, следовательно, на процессы распространения и трансформации в ней энергетических веществ. Эта тема мало исследована, однако к настоящему времени накопились интересные результаты, заслуживающие внимание специалистов. В работе [137] изучено поведение нитроароматических и нитроаминовых соединений на поверхности нарушенных и не подвергшихся детонации почв. В качестве взрывчатого вещества применяли состав, содержащий тротил, гексоген и октоген. Было установлено, что концентрации взрывчатых веществ в пробах взорванного грунта проявляют физическую десорбцию первого порядка в течение ~10 дней, а затем наступает состояние кажущегося равновесия, которое длится 40 дней. Взорванные грунты показали меньшую интенсивность газоотдачи, чем их нетронутые аналоги. Авторы предполагают, что это связано с нанесением остатков взрывчатого вещества на детонированные поверхности почвы, ударным уплотнением, спеканием и/или частичным слиянием частиц почвы под воздействием интенсивного тепла, выделяющегося при детонации.
В другой работе [138] авторы обратили внимание на то, что минералогический и геохимический состав почвы во время взрывов не изменяется, а вот морфологические различия очевидны. В почвах после взрыва появляются частицы с угловатыми поверхностями, а также мелкозернистые частицы и микротрещины, которые отсутствуют в исходных образцах (до взрыва). Тротил, 2,4-динитротолуол, гексоген и октоген медленнее выветриваются из нарушенных почв, так как их частицы характеризуются большей удельной поверхностью адсорбции.
Для оценки прямого воздействия детонации на внутреннюю структуру почвы и ее влияние на скорость трансформации взрывчатых веществ в полевых условиях моделировали взрывы над поверхностью почвы (0,5 м) и при введении заряда в почву. Взрывчатые вещества из образцов почв экстрагировали, определяли концентрации оставшихся веществ и продуктов их деструкции. Для оценки морфологических