Характеристика химического состава донных отложений источников г.Ханты-Мансийска
Характеристика химического состава донных отложений источников г.Ханты-Мансийска
Аннотация
В работе приведена характеристика эколого-геохимического состояния донных отложений источников на территории природного парка Самаровский Чугас г.Ханты-Мансийска. Изучение химического состава донных осадков обусловлено процессами взаимодействия системы вода – донные отложения, которые напрямую зависят от различных природных факторов. Для оценки степени концентрации химических элементов в твердых осадках сравнение проводилось по отношению к их средним содержаниям в горных породах (кларкам земной коры), используемые в качестве эталона как наиболее устойчивые и постоянные по составу. Химический состав донных отложений отражает экологическое состояние не только подземных вод, но и поверхностных, выявляя особенности перехода химических элементов из жидкой фазы в твердую и обратно.
1. Введение
Активная деятельность человека вносит значительный вклад в изменения природных условий окружающей среды как на уже освоенных территориях, так и на новых. В связи с этим правильная оценка эколого-геохимической обстановки водных объектов позволит заблаговременно предусмотреть неблагополучное развитие событий и своевременно принять меры по недопущению чрезвычайных ситуаций. В первую очередь внимание уделяется химическому составу природных вод, которые испытывают существенную антропогенную нагрузку в пределах г. Ханты-Мансийска [9], [10]. И, как следствие, химизм воды находит отражение в химическом составе донных осадков.
Как показали исследования [7], [8], [11] формирование химического состава природных вод, донных отложений происходит в разных геохимических обстановках и зависит от многих природных факторов. Изучение характера перераспределения химических элементов в системе вода – донные отложения дает возможность оценить масштабы воздействия человека на окружающую среду в пределах городской черты г. Ханты-Мансийска.
2. Методы исследования
Объектом исследований являются донные отложения в местах разгрузки на дневную поверхность подземных вод. В целях наиболее равномерного охвата территории лесного массива было изучено всего 5 источников из 27 обнаруженных в пределах природного парка Самаровский Чугас [6, C.51]. В ходе исследований проводилось опробование подземных вод, донных отложений и твердого осадка (окислы и продукты вторичного минералообразования на камнях в руслах ручьев), который присутствовал в месте выхода источника. Определение их химического состава происходило в аккредитованной ПНИЛ гидрогеохимии Инженерной школы природных ресурсов Томского политехнического университета методами титриметрии, потенциометрии, турбидиметрии и масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на масс-спектрометре NexION 300D.
Определение географического положения родников проводилось на основе анализа электронных карт и космоснимков. Основным инструментом для работы выступила программа SAS.Planet.Release.200606. В этом электронном ресурсе использовались карты Nokia, ESRI ArcGIS Nat.Geo. С помощью ресурсов и инструментария программы были определены координаты узловых точек.
Статистический анализ геохимических данных применен с использованием средств MS Excel.
3. Характеристика района исследований
Территория города Ханты-Мансийска представляет собой возвышенность с абсолютными отметками 120 м над уровнем моря с надпойменными террасами р.Иртыш. Ступенчатый характер надпойменных террас с предтеррасными понижениями создают густо изрезанную сеть с многочисленными ручьями и заболоченными участками. В инженерно-геологическом отношении всю территорию города условно можно разделить на районы, в основу выделения которых положена специфика ландшафтной дифференциации [1, C.7]. Объекты исследований (источники подземных вод) находятся в пределах природного парка Самаровский Чугас (табл.1), совпадающего с районом Самаровский останец или Самаровские холмы [1, C.9]. Верхняя часть этой местности характеризуется волнисто-холмистым рельефом, с отдельными лощинами, котловинами, понижениями и заболоченным участком.
Таблица 1 - Характеристика географического положения родников
Название источника | Положение на элементе рельефа | Географические координаты |
Уксовский | На склоне юго-западной экспозиции первой надпойменной террасы | N60059′08,4143′′ E68059′59,9427′′ |
Чапаевский | Склон северо-восточной экспозиции ложбины стока на второй надпойменной террасе | N60058′31,6451′′ E69002′53,1480′′ |
Стрельбищенский (правый ручей) | Начало ложбины стока с водораздельной холмистой равнины | N60059′04,2475′′ E69001′21,3971′′ |
Стрельбищенский (левый ручей) | Начало ложбины стока с водораздельной холмистой равнины | N60059′06,2707′′ E69001′24,4870′′ |
Назымский | Пологонаклонная поверхность водораздельной холмистой равнины | N60059′43,4423′′ E69003′24,7500′′ |
В геологическом отношении верхняя часть разреза представлена переслаивающимися суглинками, песками, супесями, глинами, мелкой и крупной галькой, валунами палеоген-неогенового и четвертичного возраста, происхождение которых имеет спорную точку зрения [5, C.55-56]. Осадконакопление осложнено пликативными дислокациями (смещение, наползание и выдавливание, смятие в складки и др.).
Формирование водоносных горизонтов верхнего гидрогеологического этажа происходило на небольших глубинах [6, C.8], от 0,2 м (современный озерно-болотный водоносный горизонт) до 30 м (озерно-ледниковый, озерно-аллювиальный водоносный горизонт) и ниже (под водоупорными породами мощностью в несколько десятков метров водоносный комплекс новомихайловской и атлымской свит верхнепалеогеногового возраста). Всего установлено шесть водоносных горизонтов, в основном безнапорных, уровень напорных вод установлен на глубине 1-4 м.
Гидрогеологические условия территории осложнены не только геологическим строением, но и невыдержанностью распространения водоносных горизонтов и наличием опесчаненных линз, насыщенных водой. Питаются подземные воды за счет атмосферных осадков, при этом разгрузка осуществляется в виде большого числа рассеянных малодебитных источников [6, C.9].
4. Результаты и обсуждение
Необходимость изучения донных отложений определяется процессами взаимодействия системы вода – донные отложения, механизм протекания которых обусловлен различными природными факторами [13].
Химический состав вод источников был изучен и проанализирован ранее в [9], [10], по общей минерализации воды относятся к умеренно пресным и собственно пресным, характеризуются нейтральной и слабощелочной средой.
В связи с отсутствием общепризнанной системы нормирования загрязняющих компонентов донных грунтов сравнение содержаний химических элементов в твердых осадках проводится по отношению к средним концентрациям химических элементов в водных объектах ХМАО, ЯНАО и их средними содержаниями в горных породах (кларками литосферы) [12]. Кларки химических элементов земной коры широко используются в качестве эталона для оценки степени концентрации химических элементов в ландшафтах, а также для оценки техногенной геохимической трансформации химического состава природных объектов (вода, донные отложения, почвы) [3], так как считается, что химический состав горных пород наиболее устойчив и постоянен.
Исследования донных осадков, отобранных в месте выхода подземных вод на поверхность, показали, что на территории города разгружаются воды с разных глубин, из вмещающих горных пород различного происхождения. Это нашло отражение в химическом составе не только жидкой фазы [9], но и в твердой, т.е. в донных отложениях. Они характеризуются высоким содержанием хлоридов (рис.1), в разы превышающем количество аниона в других водоемах и водотоках округа [8].
Рисунок 1 - Содержание хлоридов в донных отложениях родников г.Ханты-Мансийска
Таблица 2 - Химический состав донных отложений родников по данным 2020 года (мг/кг)
Компоненты | Название родников | Донные отложения водных объектов ХМАО (n=102) [8] | Донные отложения водных объектов ЯНАО (n= 248) [7] | ||||
Чапаевский | Уксовский | Стрельбищенский (правый ручей) | Стрельбищенский (левый ручей) | Назымский | |||
Фосфор, Р | 23388,78 | 126,96 | 5077,39 | 639,53 | 674,56 |
|
|
Хлориды, Cl- | 646,44 | 146,98 | 531,24 | 178,72 | 214,72 | 15,05 |
|
Сульфаты, SO42- | - | - | - | - | 405,16 |
|
|
Кальций, Ca2+ | 13535,21 | 797,04 | 13305,17 | 2545,65 | 2422,83 |
|
|
Магний, Mg2+ | 983,44 | 506,30 | 1177,14 | 515,77 | 1706,62 |
|
|
Натрий, Na+ | 261,10 | 17,60 | 54,38 | 10,46 | 32,71 |
|
|
Калий, К+ | 199,79 | 92,65 | 187,23 | 61,63 | 307,75 |
|
|
Литий, Li | 0,33 | 1,24 | 0,96 | 0,60 | 3,77 |
|
|
Железо общее, Fe | 200870,82 | 2561,64 | 77310,12 | 17959,53 | 11117,21 | 6048,28 | 10593,33 |
Марганец, Mn | 1614,22 | 195,52 | 9972,30 | 2186,42 | 980,97 | 135,86 | 197,00 |
Кремний, Si | 245,01 | 87,84 | 65,96 | 147,14 | 79,73 |
|
|
Алюминий, Al | 284,35 | 920,35 | 808,53 | 512,94 | 2365,20 |
|
|
Барий, Ba | 836,53 | 14,26 | 332,79 | 53,62 | 54,83 |
| 323,00 |
Стронций, Sr | 302,12 | 6,61 | 139,68 | 21,66 | 29,30 |
| 85,03 |
Свинец, Pb | 0,65 | 1,49 | 40,88 | 8,29 | 4,01 | 6,43 | 6,02 |
Медь, Cu | 0,80 | 0,97 | 7,92 | 2,73 | 3,38 | 4,49 | 4,56 |
Цинк, Zn | 4,89 | 4,93 | 125,03 | 143,26 | 13,84 | 18,15 | 16,89 |
Никель, Ni | 3,24 | 3,06 | 6,49 | 3,32 | 8,30 | 6,03 | 6,58 |
Хром, Cr | 6,20 | 2,01 | 2,90 | 1,56 | 5,79 | 9,33 | 20,95 |
Ванадий, V | 10,94 | 2,56 | 13,36 | 3,15 | 7,44 |
| 23,99 |
Ртуть, Hg | 0,002 | 0,005 | 0,023 | 0,023 | 0,027 |
|
|
Мышьяк, As | 5,62 | 0,41 | 27,07 | 5,75 | 2,16 |
|
|
Процессы взаимодействия природных вод с вмещающими отложениями, такими как карбонатные и алюмосиликатные породы оказали большое влияние на поступление железа общего в водную среду и в донные осадки. Максимальными концентрациями железа характеризуются источники Чапаевский, Стрельбищенский (правый ручей), в которых наблюдается превышение кларковых значений в 1,7-4,3 раз (рис.2). В данных источниках высокие содержания железа проявляются через вторичное минералообразование, т.е. отмечено наличие окислов ржавого цвета в большом объеме.
Рисунок 2 - Содержание железа общего в донных отложениях родников г. Ханты-Мансийска
Рисунок 3 - Содержание марганца в донных отложениях родников г.Ханты-Мансийска
Рисунок 4 - Содержание фосфора в донных отложениях родников г.Ханты-Мансийска
Донные отложения источников Стрельбищенский (правый и левый ручьи) характеризуются повышенными показателями цинка (табл.1), которые в 7-8,5 раз превышают средние содержания по округу. Особое внимание заслуживает высокотоксичный химический элемент – мышьяк, его концентрации варьируют в пределах 0,41-27,07 мг/кг. При среднем значении в горных породах (кларке) равном 1,7 мг/кг [12], наблюдается повсеместно высокие значения, исключение составляет источник Уксовский (рис.5).
Рисунок 5 - Содержание мышьяка в донных отложениях родников г.Ханты-Мансийска
Таблица 3 - Химические элементы, превышающие кларковые значения (приведены по убывающей)
Объект исследований | Название источников подземных вод | ||||
Чапаевский | Уксовский | Стрельбищенский (правый ручей) | Стрельбищенский (левый ручей) | Назымский | |
Донные отложения | P, Fe, Cl, As, Mn, Ba |
| As, Mn, P, Cl, Pb, Fe, Zn | As, Mn, Zn, Cl | As, Cl, Mn |
Примечание: жирным шрифтом выделены химические элементы, превышение по которым составляет более 10 раз
5. Заключение
Химический состав донных отложений отражает результат длительного антропогенного воздействия не только на водные объекты, но и на весь водосборный бассейн в целом. И как, показали исследования, экологическое состояние водных объектов на территории г. Ханты-Мансийска становится напряженным, испытывая на протяжении длительного времени загрязнение водосборных бассейнов и, как следствие, донных грунтов. Учитывая, что перераспределение химических элементов в системе вода – донные отложения может происходить в обе стороны, можно предположить неоднократное загрязнение вод при переходе химических элементов из твердой фазы в жидкую. Из всех изученных источников относительно благоприятная обстановка отмечена в источнике Уксовский, площадь водосбора которого находится в лесном массиве и менее всего подвержена загрязнению. Остальные источники расположены в непосредственной близости городских огородов в частном секторе города и являются источником загрязнения родников г. Ханты-Манисйска.