Наши журналы
Опубликовать статью Вход и регистрация
Расширенный поиск
Разделы статьи

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МИКРОЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА РЕЧНЫХ ВОД, ДРЕНИРУЮЩИХ ДОНЕЦКИЙ И КУЗБАССКИЙ УГОЛЬНЫЕ БАССЕЙНЫ

Научная статья
Хорошевская В.О.
DOI:
https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.119.5.062
Выпуск: № 5 (119), 2022
Опубликована:
2022/05/17
PDF

DOI:https://doi.org/10.23670/IRJ.2022.119.5.062

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МИКРОЭЛЕМЕНТНОГО СОСТАВА РЕЧНЫХ ВОД, ДРЕНИРУЮЩИХ ДОНЕЦКИЙ  И КУЗБАССКИЙ УГОЛЬНЫЕ БАССЕЙНЫ

Научная статья

Хорошевская В.О.*

ORCID: 0000-0002-7072-0500,

Гидрохимический институт, Ростов-на-Дону, Россия

* Корреспондирующий автор (vv.z2[at]yandex.ru)

Аннотация

С целью оценки состояния речных вод  в 2013 г. были проведены исследования особенностей состава микроэлементов в реках бассейна Нижнего Дона (рек Дон, Северский Донец, Кундрючья) и р. Миус бассейна Западного Приазовья. В пробах воды определяли валовые содержания 70 химических элементов. 

 Анализ полученных результатов позволил выявить группу микроэлементов, характерных для речных вод Донецкого угольного бассейна,  а также установить сезонную изменчивость их содержания в воде изученных рек.

Источники поступления этих металлов в поверхностные воды исследуемых рек региона  связаны с угленосной и угледобывающей территорией Восточного Донбасса.  В работе проведен сравнительный анализ характерных групп микроэлементов вод речных вод, дренирующих Донецкий  и Кузбасский угольные бассейны. Особый интерес представляют собой редкоземельные элементы, характерные для шахтных вод  Донецкого угольного бассейна и являющиеся своеобразными трассерами гидрогеохимических процессов. Установлено непосредственное влияние в летне-осеннюю межень воды затопленных шахт Восточного Донбасса на основные гидрохимические характеристики воды р. Дон в его нижнем течении.

Несмотря на сложившиеся природно-хозяйственные условия водосборных бассейнов, наиболее существенные изменения состава речных вод происходят вследствие возрастающего антропогенного влияния. Это наглядно проявляется в бассейне р. Кундрючья, где на протяжении длительного времени складывается напряженная экологическая ситуация.

Полученные экспериментальные данные, результаты которых положены в основу настоящей статьи, вошли в разработанную “Базу данных элементного состава вод Нижнего течения р. Дон и рек бассейна Западного Приазовья”, прошедшую государственную регистрацию в 2020 году  [21].

Ключевые слова: микроэлементы,  р. Дон, р. Северский Донец, р. Кундрючья, р. Миус, р. Обь и её притоки.

COMPARATIVE CHARACTERISTIC OF MICROELEMENT COMPOSITION OF RIVER WATERS DRAINING DONETSK AND KUZBASS COAL BASINS

Research article

Horoshevskaya V.O.*

ORCID: 0000-0002-7072-0500,

Hydrochemical Institute Rostov-on-Don, Russia

* Corresponding author (vv.z2[at]yandex.ru)

Abstract

In order to assess the status of river waters in 2013, studies were carried out on the characteristics of the microelements composition in the rivers of the lower Don basin (the Don, Seversky Donets, Kundryuchya rivers) and the Mius river of the Western Pryazovia basin. In the water samples, the total content of 70 chemical elements was determined.

 The results analysis revealed a group of microelements specific to river waters of the Donetsk coal basin, as well as seasonal variability of their amount in the water of the studied rivers.

Sources of these metals in the surface waters of the  rivers in the region are connected with the coal-bearing and coal mining territory of the Eastern Donbas. The article conducts a comparative analysis of characteristic groups of microelements of river waters draining Donetsk and Kuzbass coal basins. Of particular interest are the rare earth elements specific to the mine waters of the Donetsk coal basin, which are a kind of tracers of hydrogeochemical processes. The direct influence of flooded mines of the Eastern Donbass on the main hydrochemical characteristics of the Don river water in its lower reach during the time of summer-autumn low water levels was determined.

Despite the prevailing natural-economic conditions of reservoir basins, the most significant changes in the composition of river waters occur due to increasing anthropogenic influence. This is evident in the Kundriuchya river basin, where there has been a tense ecological situation for a long period of time.

The experimental data obtained, the results of which form the basis of this article, were included in the developed "Database of elemental composition of the waters of the Lower reach of the Don river and rivers of the Western Pryazovia basin", which passed state registration in 2020 [21].

Keywords: microelements, the Don River, Seversky Donets, the Kundryuchya, the Mius, the Ob River and its inflows.

Введение

Мощный геохимический поток, создаваемый речными водами, играет важную роль в общепланетарном массообмене между сушей и океаном. Речные воды представляют собой сложные растворы, которые содержат как дисперсные взвеси, так и соединения, находящиеся в истинно растворимом состоянии. В речных водах различают следующие главные формы нахождения химических элементов: ионы простые и комплексные (размер 1 нм и менее); нейтральные молекулы (1 нм и менее); частицы коллоидных размеров (0,001-0,1 мкм), на поверхности которых находятся сорбированные ионы; высокодисперсные частицы, состоящие преимущественно из глинистых минералов (0,5-2 мкм); более крупные взвешенные частицы, представленные обломочными минералами (2-10 мкм).

В речных водах содержатся также растворимые формы рассеянных элементов, не захваченные в биологический круговорот. На поверхности суши текучие воды характеризуются значениями рН от 4,5 до 8,5. Многие металлы (цинк, хром, медь, бериллий, свинец, кадмий, никель, кобальт и др.) при таких значениях рН могут находиться в растворенном состоянии, выпадать в осадок и вновь переходить в раствор [15, С.2-3]. В составе растворимых соединений в речных водах преобладают макрокомпоненты – анионы (гидрокарбонат, сульфат ихлорид) на долю, которых приходится более 50 % от суммы растворенных веществ, и катионы, среди которых присутствуют кальций – 12,5 %, натрий - 5 %, магний – 3,5 % и калий – 2 %. Все остальные элементы присутствуют в варьирующих микроколичествах [1, С.10]. К микроэлементам (микрокомпонентам) называют химические элементы, встречающиеся в природных водах в концентрациях менее 1 мг/дм3. Микроэлементы представляют собой самую большую группу элементов химического состава природных вод, в которую входят практически все элементы периодической системы Д.И. Менделеева, не относящиеся к группам растворенных компонентов (главные ионы, растворенные газы, биогенные и органические вещества). Условно микроэлементы подразделяются на: типичные катионы (литий, цезий, бериллий, стронций, барий  и др.); ионы тяжелых металлов (медь, серебро, золото, свинец, железо, никель, кобальт и др.); амфотерные комплексообразователи (хром, молибден, ванадий, марганец); типичные анионы (бром, йод, фтор, бор); радиоактивные элементы (уран, родий, торий и др.) [14, С.99-100].

Очевидно, что разнообразие растворимых форм элементов и геохимические и биоклиматические различия водосборных площадей приводят к значительной вариации концентраций микроэлементов в водах различных рек. Далее представлен анализ и сравнение характеристик компонентного состава микроэлементов речных вод, которые дренируют  Донецкий и Кузбасский  угольные бассейны.

Методика исследований микроэлементов в реках, дренирующих Донецкий угольный бассейн. В качестве объектов исследований были выбраны реки бассейна Нижнего Дона  - Дон, Северский Донец, Кундрючья) и бассейна Западного Приазовья  - р. Миус (табл. 1). Водосборы рек Северский Донец, Кундрючья и Миус находятся в районе Донецкого угольного бассейна.  Пробы воды отбирали в основные гидрологические фазы (весенний паводок, летняя, осенняя и зимняя межени). Для установления влияния стока р. Северский Донец на р. Дон пробы отбирали на участках, расположенных в 1 км ниже гидроузла г. Константиновск, выше впадения р. Северский Донец (эта проба использовалась в качестве фоновой)  и ниже по течению в районе устья [2]. Всего было отобрано 20 проб.

Таблица 1 – Географические координаты пунктов отбора проб воды в реках бассейна Нижнего Дона и р. Миус

Расположение пункта отбора проб Широта Долгота
р. Дон, г. Константиновск, 1 км ниже гидроузла 47°56ꞌ86ꞌꞌ с. ш. 41°09ꞌ91ꞌꞌ в. д.
р. Дон, устье 47°07ꞌ56ꞌꞌ с. ш. 39°30ꞌ35ꞌꞌ в. д.
р. Северский Донец, г. Каменск-Шахтинский 48°20ꞌ05ꞌꞌ с. ш. 40°16ꞌ30ꞌꞌ в. д.
р. Кундрючья,ст. Верхнекундрюченская 47°45ꞌ15ꞌꞌс. ш. 40°53ꞌ35ꞌꞌ в. д.
р. Миус, д. Андреево-Милентьево 47°30ꞌ12ꞌꞌ с. ш. 38°81ꞌ13ꞌꞌ в.д.

В нефильтрованных пробах воды определяли валовое содержание (сумму растворенных и взвешенных форм) 70 элементов. Анализы выполняли в специализированной аккредитованной лаборатории ВИМС (ФГУП “Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н. М. Федоровского” г. Москва) масс-спектральным методом (МС) с индуктивно-связанной плазмой и атомно-эмиссионным с индуктивно-связанной плазмой (АЭ), по методикам НСАМ № 480-ХС [2] и ГОСТ 31870-2012 [3]. Погрешность определений соответствует нормам погрешности по ГОСТ 27384-2002 [4]. Полученные экспериментальные данные вошли в разработанную “Базу данных элементного состава вод Нижнего течения р. Дон и рек бассейна Западного Приазовья”, прошедшую государственную регистрацию в 2020 г. [21].

Результаты исследований

В результате анализа полученных данных установлено, что в воде всех исследуемых рек, дренирующих Донецкий угольный бассейн, скандий, хром, рутений, родий, олово, палладий, серебро, индий, теллур, осмий, иридий, платина, золото, висмут находятся в следовых количествах. В р. Дон на участке в 1 км ниже гидроузла г. Константиновска также не обнаруживаются: уран, бериллий, ванадий, селен, ниобий, тулий, лютеций. Ниобий не обнаружен также и в воде р. Северский Донец. Тантал отсутствовал в воде всех рек, кроме р. Кундрючья.

Для сравнительного анализа были рассчитаны среднегодовые концентрации элементов, представляющих собой арифметические значения концентраций всех элементов, полученных для каждого пункта наблюдений как в различные сезоны (весенний паводок, летняя, осенняя и зимняя межени), так и в целом за год (табл. 2).

Рассчитанные среднегодовые концентрации сопоставлялись с опубликованными  данными других исследователей. Так, в  работе [8] приведены средние содержания взвешенных форм для 31 химического элемента в речных водах РФ.   Проведенный анализ показал, что ряд микроэлементов в течении года присутствует в воде рек Донецкого угольного бассейна в концентрациях ниже, чем в среднем в реках РФ, а концентрации других микроэлементов значительно выше [20].

Обсуждение результатов

Проведенный анализ суммарных концентраций микроэлементов в воде рек Донецкого угольного бассейна позволил выделить реки с их максимальными значениями, к ним относятся р. Кундрючья и р. Миус(рис.1).

Река Кундрючья – правобережный приток р. Северский Донец. Водосбор реки расположен в районе Донецкого угольного бассейна со сложным геологическим рельефом, ложе реки также пересекают тектонические разломы. Здесь расположены как затопленные, так и действующие угольные шахты, что не исключает воздействия шахтных вод на формирование элементного состава воды реки [20].

1

Рис.1 – Распределение суммарных концентраций микроэлементов по сезонам в воде рек, дренирующих Донецкий угольный бассейн (реки бассейна Нижнего Дона и р. Миус)

Истоки реки Миус, впадающей в Миусский лиман Азовского моря, также связаны с Донецким угольным бассейном, с угольными шахтами и тектоническими разломами. Формирование химического состава шахтных вод происходит под действием двух групп факторов – природных и антропогенных, но роль природных геологических факторов в большинстве случаев является решающей [19, С.1]. Основной источник шахтных вод – подземные воды, дренируемые горными выработками, а дополнительным источником может быть фильтрация в горные выработки атмосферных осадков и поверхностных вод из прилегающих водных объектов. Химический состав шахтных вод определяется исходным составом формирующих их подземных вод и может существенно изменяться как во времени, так и по мере отработки угольных пластов. Шахтные воды формируются путём смешения подземных вод разных горизонтов, взаимодействия их с рудничной атмосферой и породами, вскрытыми горными выработками. Химический состав и общая минерализация их отличаются от подземных вод, окружающих горные выработки, что связано с окислением шахтных вод, активизацией выщелачивания горных пород, изменением газового и бактериального состава, а также с их загрязнением нефтепродуктами, маслами и др. [19, С.2].

В 2013 г. среднегодовая водность исследуемых рек в целом за год была значительно ниже средней многолетней. Так для р. Дон  в нижнем течении  (гидропост ст. Раздорская)  она составляла 75 %; р. Северский Донец (гидропост г. Белая Калитва) – 63 %; р. Кундрючья (гидропост г. Красный Сулин) - 61 %; р. Миус (гидропост  г. Матвеев Курган) – 47 % [13]. При снижении водности уменьшается степень разбавления загрязняющих веществ в воде, а, значит, возрастают их концентрации, что позволяет сделать вывод о наличии возможных стационарных источников загрязнения.

Для большинства микроэлементов характерна сезонная изменчивость. Так в реках Северский Донец, Кундрючья и Миус повышенные концентрации  микроэлементов в воде отмечались в летнюю межень, а в р. Дон – в паводок. Повышение концентраций микроэлементов в летнюю межень вероятнее всего связано с увеличением доли грунтовых вод в питании рек, содержащих большое количество микроэлементов и  обогащающихся ими речные воды. Снижение значений суммарных концентраций микроэлементов для рек Северский Донец и Кундрючья отмечалось в осеннюю межень, что вероятнее всего является следствием  десорбции микроэлементов донными отложениями, в связи с изменением в них физико-химических параметров по окончании жизненного цикла фитопланктона и начала деструкции его биомассы [20].

Согласно литературным данным [8, С.10-11], аналогичные исследования были проведены в 1990-1994 гг. в пределах  Кузбасского угольного бассейна, на реках бассейна Средней Оби (рр. Томь, Тым, Кеть, Чулым, Васюган, Парабель, Чая). В целом содержания многих микроэлементов в водах изученных рек близки к соответствующим показателям для рек мира. Однако на этом фоне, отражающем сложившиеся природно-хозяйственные условия в водосборных бассейнах, отмечающиеся существенные изменения состава речных вод в микроэлементном составе могут быть следствием значительного антропогенного  влияния. Особенно сильно эти отклонения проявляются в бассейне р. Томь. Также отмечается  обнаруженное аномальное увеличение содержаний редких и редкоземельных элементов в водах р. Обь в нескольких пунктах на участке от г. Колпашево до г. Стрежевого. По данным Росгидромета в 1990-1993 гг. основными источниками загрязнения р. Обь в районе г. Новосибирск являлись сточные воды предприятий теплоэнергетики, металлургии, а в наибольшей степени предприятий оборонного комплекса [9], [10], [11], [12]. В створах г. Колпашево ниже по течению г. Новосибирск в 1990 - 1992 гг. не наблюдали случаев высокого и экстремально высокого загрязнения по показателям (исключая единичный случай экстремально высокого загрязнения  фенолами), определяемым на государственной сети наблюдений за состоянием и загрязнением поверхностных вод суши Росгидромета. По данным Росгидромета одним из крупных и наиболее загрязненных притоков р. Обь является р. Томь, дренирующая территорию Кузбасского угольного бассейна. Бассейн р. Томь в районе г. Междуреченск был подвержен влиянию сбросов неочищенных сточных вод угледобывающих предприятий, расположенных выше города. Кроме того, следует учитывать влияние на качество воды р. Томь ее притоков.

Приведем сравнительную характеристику микроэлементного состава речных вод, дренирующих Донецкий (реки бассейна  Нижнего Дона и Западного Приазовья) и Кузбасский (реки бассейна Средней Оби) угольные бассейны (табл. 2). В качестве основной региональной закономерности, наиболее ярко проявляющейся для рек  Кундрючья и Миус, можно выделить высокие концентрации урана, стронция, никеля, лития по сравнению как с концентрациями  в речных водах в целом, так  и в водах рек бассейна Средней Оби.

 При сопоставлении выявлено, что в воде рек,  содержится больше урана, стронция, никеля, лития по сравнению как с концентрациями  в речных водах в целом так  и в водах рек бассейна Средней Оби.

Для реки Кундрючья  характерны как повышенные суммарные концентрации микроэлементов (рис. 2), так и максимальные концентрации редкоземельных элементов, таких как лантан, церий, европий, тербий, иттербий (табл. 2).

К группе редкоземельных элементов (РЗЭ) или лантаноидов относятся элементы, входящие в 3-ю группу таблицы Менделеева от лантана  до лютеция (всего 14 элементов). Их делят на две группы: легкие РЗЭ (LREE) –лантан, церий, празеодим, неодим, самарий и тяжелые РЗЭ (HREE) – европий, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, иттербий, лютеций; иногда на три: легкие (лантан - празеодим), средние (неодим - гадолиний), тяжелые (тербий - лютеций) [22].

Интерес к исследованию РЗЭ в водах связан с тем фактом, что профиль их распределения в воде в целом повторяет профиль распределения этих элементов в водовмещающих породах. Выявлено, что характер распределения РЗЭ является важным показателем для понимания природы водных растворов в системе “вода-порода”, который в ряде случаев, может быть использован для оценки особенностей эволюции вод различного состава.Миграция РЗЭ в поверхностных водах осуществляется в виде растворенной (коллоидов) и взвешенной формы (взвеси).

1

Рис. 2 – Гистограммы распределения годовых суммарных концентраций элементов в речных водах, дренирующих  Кузбасский (реки бассейна Средней Оби) и Донецкий угольные бассейны (реки бассейна)

Примечание: 1 – р. Обь (в среднем течении), 2 – Притоки р. Обь (реки Тым, Кеть, Чулым, Васюган, Парабель, Чая); 3 – р. Томь; 4 – р. Дон (ниже г. Канстонтиновск, выше впадения р. Северский Донец); 5 – р. Дон (устье); 6 – р. Северский Донец; 7 – р. Кундрючья; 8 – р. Миус 

К растворенным формам элементов, как правило, относят содержание элементов в фильтрате, полученном на фильтрах 0,45 мкм, как наиболее часто принятое в практике разделения фаз. При этом наиболее тонкая коллоидная часть взвешенных веществ, проходит через фильтр этой размерности и может нести значительное количество РЗЭ. Из ряда работ известно, что главной формой переноса РЗЭ в реках является взвешенная форма. Содержание РЗЭ во взвеси разных рек мира могут различаться весьма значительно.

Таблица 2 – Среднегодовые валовые содержания элементов в речных водах, дренирующих Кузбасский  (реки бассейна Средней Оби) и Донецкий (реки бассейна Нижнего Дона и р. Миус) угольные бассейны

Элемент Водные объекты Концентрации взвешен-ных форм в речных водах по [8], мг/л Взвешен-ные формы от суммарно-го выноса, % по [7]
Кузбасский угольный бассейн Донецкий угольный бассейн
р. Обь (в сред нем течении), [18], мг/л Притоки р. Обь, [18], мг/л р. Томь, [18], мг/л р. Дон (фон), мг/л р. Дон (устье), мг/л р. Северский Донец, мг/л р. Кун-дрючья, мг/л р. Миус, мг/л
Концентрации микроэлементов в водах рек дренирующих Донецкий угольный бассейн выше концентраций в водах рек дренирующих Кузбасский угольный бассейн
Стронций 0,186 0,137 0,20 1,08 0,97 1,85 3,125 2,075 – –
Никель 0,001 0,0012 0,0011 0,0024 0,0024 0,0037 0,02 0,013 0,00251) –
Медь 0,0023 0,0017 0,0019 0,004 0,0025 0,00313 0,0046 0,0035 0,037 83,1
Литий 0,007 0,0088 0,0092 0,01973 0,0165 0,03025 0,14 0,145 0,0014 86,4
Рубидий 0,00248 0,00089 0,00063 0,0029 0,00252 0,0066 0,00198 0,041 0,055 98,6
Концентрации микроэлементов в водах рек дренирующих Донецкий угольный бассейн ниже концентраций в водах рек дренирующих Кузбасский угольный бассейн
Цинк 0,0302 0,0279 0,098 0,0037 0,0048 0,005 0,006 0,0043 0,143 87,7
Кадмий 0,0002 0,0002 0,0005 0,00003 0,00003 0,00004 0,00003 0,00004 0,00032 59,8
Гафний 0,0002 0,0002 0,0002 0,00003 0,00001 0,00001 0,00003 0,00002 – –
Таллий 0,0013 0,0036 0,0015 н/п н/п 0,00001 0,00002 0,00011 – –
Хром 0,0028 0,0026 0,0021 н/п н/п н/п н/п н/п – –
Скандий 0,00025 0,00014 0,00025 н/п н/п н/п н/п н/п – –
Лютеций 0,00014 0,00007 0,00013 н/п 0,00001 0,00001 0,00001 0,00001 – –
Самарий 0,00018 0,00014 0,00017 0,00003 0,00007 0,00007 0,00021 0,00005 – –
Концентрации микроэлементов в водах рек дренирующих Донецкий угольный бассейн, не сопоставимые с концентрациями в водах рек, дренирующих Кузбасский угольный бассейн
Марган-ец 0,0189 0,0431 0,0085 0,0625 0,0518 0,064 0,121 0,083 0,50 63,5
Железо 0,22 0,79 0,15 0,0888 0,228 0,142 0,433 0,187 23,5 –

Окончание таблицы 2 – Среднегодовые валовые содержания элементов в речных водах, дренирующих Кузбасский  (реки бассейна Средней Оби) и Донецкий (реки бассейна Нижнего Дона и р. Миус) угольные бассейны

Элемент Водные объекты Концентрации взвешен-ных форм в речных водах по [8], мг/л Взвешен-ные формы от суммарно-го выноса, % по [7]
Кузбасский угольный бассейн Донецкий угольный бассейн
р. Обь (в сред нем течении), [18], мг/л Притоки р. Обь, [18], мг/л р. Томь, [18], мг/л р. Дон (фон), мг/л р. Дон (устье), мг/л р. Северский Донец, мг/л р. Кун-дрючья, мг/л р. Миус, мг/л
Барий 0,0472 0,0343 0,0366 0,035 0,036 0,039 0,055 0,033 0,280 91,8
Свинец 0,008 0,0011 0,0018 0,0029 0,0025 0,0066 0,00198 0,041 – –
Кобальт 0,0006 0,0005 0,0003 0,0003 0,0003 0,0004 0,001 0,0005 0,0083 97,1
Сурьма 0,0004 0,0009 0,0004 0,00028 0,00022 0,00048 0,00069 0,00096 0,0009 50,0
Цезий 0,00013 0,00004 0,00012 0,00004 0,00002 0,0001 0,00006 0,00058 – –
Лантан 0,00047 0,00035 0,00049 0,00018 0,00031 0,00045 0,0008 0,00023 – –
Церий 0,00092 0,00068 0,00097 0,00029 0,00076 0,00036 0,0019 0,00053 – –
Европий 0,00002 0,00001 0,00001 0,00001 0,00002 0,00002 0,00005 0,00002 – –
Тербий 0,00003 0,00001 0,00001 0,00001 0,00001 0,00002 0,00004 0,00001 – –
Иттербий 0,00003 0,00002 0,00002 0,00001 0,00003 0,00002 0,00006 0,00002 – –
Концентрации остальных микроэлементов в реках, дренирующих Донецкий угольный бассейн
Алюминий – – – 0,0393 0,0988 0,077 0,352 0,099 38,2 99,8
Титан – – – 0,006 0,0079 0,0074 0,0243 0,0124 184,0 92,8
Торий – – – 0,00004 0,00004 0,00003 0,00012 0,00005 0,0046 99,6
Галлий – – – 0,00004 0,00007 0,00006 0,00014 0,00012 0,0083 98,8
Бор – – – 0,129 0,129 0,147 0,223 0,265 0,032 64,0
Мышьяк – – – 0,004 0,0034 0,0053 0,0050 0,0092 0,0023 53,4
Стронций – – – 1,08 0,97 1,85 3,125 2,075 0,069 46,3
Уран – – – 0,003 0,003 0,00425 0,0121 0,0071 0,00014 32,2
Ванадий – – – 14 0,005 0,0061 0,0133 0,095 0,0011) –
Молибден – – – 0,0024 0,0023 0,0038 0,0026 0,0083 0,00141) –

Примечание: 1) Содержание растворенных форм по данным [7]; “н/п” – ниже предела обнаружения;“–“ - данные отсутствуют

Уровень концентраций и подвижность РЗЭ в водных средах сульфатного состава значительно выше, чем в кислых гидрокарбонатных. Формирующиеся в сульфатных водах устойчивые комплексные соединения РЗЭ по степени миграционных свойств сопоставимы с легко подвижными соединениям [6, С.1-2].  В 2013 г. по данным Росгидромета среднегодовое содержание сульфатов в воде р. Северский Донец фиксировалось на уровне 3,5-15,54 ПДК, а  в воде р. Кундрючья 12-16 ПДК (ПДК -100,0 мл/л). В то время как в воде р. Оби (в средней её части) на момент  проводимых исследований количество сульфатов равнялось 14,5 мг/л, в воде её притоков 7,7 мг/л, а в воде р. Томь - 17,4 мг/л, т.е. было значительно ниже ПДК. Этими геохимическими различиями дренируемых территорий и объясняется различие в концентрациях редкоземельных металлов, в водах рек дренирующих различные угольные бассейны – Кузбасский и Донбасский. Хотя качественные составы в реках обоих дренируемых угольных бассейнов схожи и в них значительно преобладают легкие и средние группы редкоземельных элементов (табл. 2).

Чаще всего основными источниками антропогенного загрязнения поверхностных водотоков редкоземельными элементами являются фосфорные удобрения, золоотвалы крупных ТЭЦ, месторождения сульфидных руд, отходы горнодобывающих и горноперерабатывающих предприятий, а также неочищенные хозяйственно-бытовые стоки урбанизированных территорий [15].

Как известно, в 90-е годы прошлого века началась реструктуризация угледобывающей отрасли, в основу которой легла ликвидация нерентабельных шахт на Восточном Донбассе, в том числе путем затопления.  Именно р. Кундрючья, где в 2013 г. фиксировались превышения концентраций по ряду редкоземельных элементов, больше всего испытывалавлияние техногенных подземных вод ликвидируемых шахт (рис. 3) [17]. Поскольку р. Кунрючья является  притоком р. Северский Донец, а тот в свою очередь - р. Дон, то влияние шахтных вод можно проследить  в р. Дон (среднегодовой сток  р. Дон - 26,2 км3) ниже впадения р. Северский Донец (среднегодовой сток р. Северский Донец – 3,7 км3). В воде устьевой части р. Дон фиксируются возрастания относительно фонового створа концентраций тех же редкоземельных элементов, характерных для шахтных вод и являющихся своеобразными трассерами гидрогеохимических процессов (рис.4). Максимальными концентрациями отличается церий. По данным [6] для всех типов поверхностных вод обычно отмечается дефицит церия, который меньше мигрирует в растворах и задерживается в подземных водах зоны гипергенеза благодаря гидролизу. Этот факт подтвержден и другими исследователями, например, при нормировании содержаний РЗЭ на кларк речных вод Хакасии на профиле сохранялась явная положительная аномалия церия, особенно ярко проявляющаяся для пресных подземных вод (рис. 5).

1

Рис. 3 – Среднегодовые концентрации редкоземельных элементов в воде рек, непосредственно дренирующих Донецкий угольный бассейн

1

Рис. 4 – Среднегодовые концентрации редкоземельных элементов в водер. Дон

1

Рис.6 – Распределение  церия в воде р. Кундрючья  по сезонам

Кроме того, содержания церия возрастали  в 2,6 раза в целом за год и в воде  устьевой части р. Дон по сравнению фоновым створом, расположенным выше впадения р. Северский Донец.  Следует отметить, что в устье р. Дон концентрации церия  в воде имеют такую же сезонную  динамику, как и р. Кундрючья, с максимумом в летне-осеннюю межень (рис.7), что свидетельствует о непосредственном влиянии в летне-осеннюю межень воды затопленных шахт Восточного Донбасса на основные гидрохимические характеристики воды р. Дон в нижнем течении.

1

Рис.7 – Распределение церия в воде р. Дон  по сезонам

Заключение

Исследование особенностей микроэлементного состава вод являются основой для установления степени загрязнения рек региона различными микроэлементами (включая тяжелые металлы и редкоземельные элементы) и источников их поступления. На основании проведенных исследований установлено, что источники поступления этих металлов в поверхностные воды исследуемых рек региона  связаны с угленосной и угледобывающей территорией Восточного Донбасса. Поскольку в примесях углей этого региона присутствует достаточно большое количество различных элементов, с большой долей уверенности можно говорить, что микроэлементы, присутствующие в воде рек, дренирующих Донбасский и Кузбасский угольные бассейны, имеют природно - антропогенный генезис. Однако на этом фоне, отражающем сложившиеся природно-хозяйственные условия в водосборных бассейнах, отмечаются существенные изменения состава речных вод ввиду возрастающей антропогенной нагрузки, что наиболее наглядно проявляется в бассейнах р. Кундрючья  и р. Томь.  Концентрации церия, выбранного нами в качестве природного трассера, позволили  определить степень влияния вод, поступающих из затопленных шахт Восточного Донбасса на формирование гидрохимического состава  р. Дон в нижнем течении, что частично объясняет причины ряда экологических проблем, испытываемых рекой в этом районе в последние десятилетия.

Конфликт интересов Conflict of Interest
Не указан. None declared.

Список литературы / References

  1. Алекин О.А. Основы гидрохимии / О.А. Алекин. – Л.: Гидрометеоиздат, 1953. – 296 с.
  2. Методика “ICP-MS определение элементного состава природных и питьевых вод со степенью минерализации до 2000 мг/л” НСАМ №480-х. ФГУП “ВИМС”.
  3. ГОСТ 31870-2012. Вода питьевая. Определение содержания элементов методами атомной спектрометрии. Госстандарт. - 2013. – 19 с.
  4. ГОСТ 27384-2002. Вода. Нормы погрешности измерений показателей состава и свойств (с Изменением N 1).Госстандарт. - 2004. – 7 с.
  5. Гусева, Н. В. Распространенность редкоземельных элементов в природных водах Хакасии / Н. В. Гусева, Ю. Г. Копылова, С. К. Леушина // Известия Томского политехнического университета. – 2013. – Т. 322. – № 1. – С. 141-146.
  6. Вах Е.А. Редкоземельные элементы в природных и техногенных водах Дальнего Востока России: автореф. дисс …. канд. геол. мин. Наук/ Вах, Е.А- Томск: Политехнический институт. – 2012. – 22с.
  7. Геохимическое землеведение: Учебное пособие для вузов по специальности «География» / Под ред. В. В. Добровольский. – М.: Владос, 2008. – 206 с.
  8. Гордеев В.В. Речной сток в океан и черты его геохимии.- М.: Наука, 1983. - 160 с.
  9. Ежегодник качества поверхностных вод СССР за 1990 год – Изд-во: Обнинск. ВНИИГМИ – МЦД – 1991. – 466 с.
  10. Ежегодник качества поверхностных вод СССР за 1991 год – Изд-во: Обнинск. ВНИИГМИ – МЦД – 1992. – 455 с.
  11. Ежегодник качества поверхностных вод СССР за 1992 год – Изд-во: Обнинск. ВНИИГМИ – МЦД – 1993.387 с.
  12. Ежегодник качества поверхностных вод СССР за 1993 год – Изд-во: Обнинск. ВНИИГМИ – МЦД –  480 – с.
  13. Качество поверхностных вод Российской Федерации. Ежегодник / Под ред. А.М. Никанорова, 2013 – 568 с.
  14. Никаноров А.М. Гидрохимия: Учебник. /А.М. Никаноров. –Изд. 3-е, дополненное. – Ростов: Д: “НОК:, 2008. – 461 с.
  15. ДобровольскийВ.В.Основы биогеохимии: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.В.Добровольский – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 400 с.
  16. Основной солевой состав и редкоземельные элементы как индикаторы экологического состояния рек Южного Приморья / Е.А. Вах, Г.Ю. Павлова, Т.А. Михайлик и др. // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2017. – Т. 328. – № 1. – С. 39-49.
  17. Поверхностные и подземные воды в пределах техногенно - нарушенных геосистем Восточного Донбасса: монография / В.Е. Закруткин, Г.Ю. Скляренко, Е.Н. Бакаева и др. // Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2016. –172 с.
  18. Савичев О. Г. Исследование эколого-геохимического состояния речных вод бассейна Средней Оби: автореф. дисс …. канд. геогр. наук / Савичев О. Г. – Томск: Политехнический институт, – 24 с.
  19. УлицкийА. А. Геохимические особенности шахтных вод Донбасса / А. А. Улицкий // Вестник Харьковского национального университета им. В. Н. КаразинаСерия: Геология. География. Экология. –Харьков: Издательство ХНУ им. В. Н. Каразина, 2009. –№ 31. – С.79–82.
  20. Хорошевская В.О. Оценка состояния речных вод бассейнов Нижнего Дона и Западного Приазовья по содержанию микроэлементов / Хорошевская В.О. // Водные ресурсы России: современное состояние и управление: сборник материалов Всероссийской научно - практической конференции, г. Сочи, 08-14 октября 2018 г. –Том II. – Новочеркасск: Лик, 2018. – С.212-219.
  21. Хорошевская В.О.База данных элементного состава вод Нижнего течения р. Дон и рек бассейна Западного Приазовья, № 2020621440 государственной регистрации от 17 августа 2020 г. /В.О Хорошевская., А.М. Шевченко //Правообладатель: ФГБУ «ГХИ».
  22. Behavior of major and minor elements in a temperate river estuary to the coastal sea / S. Patra, C.Q. Liu, F.S. Wang et al. // International journal of Environmental Science and Technology. – 2012. – V. 9. – P. 647-654.

Список литературы на английском языке / References in English

  1. Alekin O.A. Osnovy gidrohimii [Fundamentals of hydrochemistry] / O.A. Alekin. – L.: Gidrometeoizdat, 1953.– 296 p. [in Russian]
  2. Metodika “ICP-MS opredelenie jelementnogo sostava prirodnyh i pit'evyh vod so stepen'ju mineralizacii do 2000 mg/l” [Method "ICP-MS determination of the elemental composition of natural and drinking waters with a degree of mineralization up to 2000 mg/l"] NSAM №480-h. FGUP “VIMS”. [in Russian]
  3. GOST 31870-2012. Voda pit'evaja. Opredelenie soderzhanija jelementov metodami atomnoj spektrometrii. Gosstandart. [Drinking water. Determination of the content of elements by methods of atomic spectrometry. Gosstandart]. – 2013. – 19 p. [in Russian]
  4. GOST 27384-2002. Voda. Normy pogreshnosti izmerenij pokazatelej sostava i svojstv (s Izmeneniem N 1). Gosstandart. [ Water. Standards of measurement error of indicators of composition and properties (with Change No. 1). Gosstandart].– 2004. – 7 p. [in Russian]
  5. Guseva N. V. Rasprostranennost' redkozemel'nyh jelementov v prirodnyh vodah Hakasii [The prevalence of rare earth elements in the natural waters of Khakassia] / N. V. Guseva, Ju. G. Kopylova, S. K. Leushina // Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. – 2013. – Vol. 322. – № 1. –P. 141-146. [in Russian]
  6. Vah E.A. Redkozemel'nye jelementy v prirodnyh i tehnogennyh vodah Dal'nego Vostoka Rossii [Rare earth elements in natural and technogenic waters of the Russian Far East]: avtoref. diss …. kand. geol. min. nauk/ E.A. Vah. – Tomsk: Politehnicheskij institut, 2012. – 22 p. [in Russian]
  7. Geohimicheskoe zemlevedenie: Uchebnoe posobie dlja vuzov po special'nosti “Geografija” [Geochemical geography: Textbook for universities in the specialty "Geography"] / Ed. by V. V. Dobrovol'skij. – M.: Vlados, 2008. – 206 p. [in Russian]
  8. Gordeev V.V. Rechnoj stok v okean i cherty ego geohimii [River runoff into the ocean and features of its geochemistry]. – M.: Nauka, 1983. – 160 p. [in Russian]
  9. Ezhegodnik kachestva poverhnostnyh vod SSSR za 1990 god [Yearbook of surface water quality of the USSR for 1990] – Izd - vo: Obninsk. VNIIGMI – MCD – 1991.– 466 p. [in Russian]
  10. Ezhegodnik kachestva poverhnostnyh vod SSSR za 1991 god [Yearbook of surface water quality of the USSR for 1991] – Izd - vo: Obninsk. VNIIGMI – MCD– 1992.– 455 p. [in Russian]
  11. Ezhegodnik kachestva poverhnostnyh vod SSSR za 1992 god [Yearbook of surface water quality of the USSR for 1992] – Izd - vo: Obninsk. VNIIGMI – MCD– 1993.– 387 p. [in Russian]
  12. Ezhegodnik kachestva poverhnostnyh vod SSSR za 1993 god [Yearbook of surface water quality of the USSR for 1993] – Izd - vo: Obninsk. VNIIGMI – MCD– 1994.– 480 p. [in Russian]
  13. Kachestvo poverhnostnyh vod Rossijskoj Federacii. Ezhegodnik [Quality of surface waters of the Russian Federation. Yearbook] / Pod red. A.M. Nikanorova. – 2013 – 568 p. [in Russian]
  14. Nikanorov A.M. Gidrohimija: Uchebnik [Hydrochemistry: Textbook]. /A.M. Nikanorov. – Izd. 3-e, dopolnennoe. – Rostov. – “NOK, 2008. – 461 p. [in Russian]
  15. Dobrovol'skijV.V.Osnovy biogeohimii: Uchebnik dlja stud. vyssh. ucheb, zavedenij [Fundamentals of biogeochemistry: Textbook for students. higher textbook establishments] / V. V. Dobrovol'skij. – M.: Izdatel'skij centr “Akademija”, 2003. – 400 p. [in Russian]
  16. Osnovnoj solevoj sostav i redkozemel'nye jelementy kak indikatory jekologicheskogo sostojanija rek Juzhnogo Primor'ja [Basic salt composition and rare earth elements as indicators of the ecological state of the rivers of Southern Primorye] / E.A. Vah, G.Ju. Pavlova, T.A. Mihajliket al. // Izvestija Tomskogo politehnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov. – 2017. – Vol. 328. – № 1. – P. 39-49. [in Russian]
  17. Poverhnostnye i podzemnye vody v predelah tehnogenno narushennyh geosistem Vostochnogo Donbassa: monografija [Surface and underground waters within the technogenically disturbed geosystems of the Eastern Donbass: monograph] / V.E. Zakrutkin, G.Ju. Skljarenko et al. // Juzhnyj federal'nyj universitet. – Rostov-na-Donu: Izdatel'stvo Juzhnogo federal'nogo universiteta, 2016. – 172 p. [in Russian]
  18. Savichev O. G. Issledovanie jekologo - geohimicheskogo sostojanija rechnyh vod bassejna Srednej Obi [Study of the ecological and geochemical state of river waters in the Middle Ob basin]: avtoref. diss …. kand. geogr. nauk / Savichev O. G. – Tomsk: Politehnicheskij institut, 1996. – 24 p. [in Russian]
  19. Ulickij A. A. Geohimicheskie osobennosti shahtnyh vod Donbassa [Geochemical features of Donbass mine waters] / A.A. Ulickij // Vestnik Har'kovskogo nacional'nogo universiteta im. V. N. KarazinaSerija: Geologija. Geografija. Jekologija. – Har'kov: Izdatel'stvo HNU im. V. N. Karazina, 2009. – Vol.31.– P.79-82. [in Russian]
  20. Horoshevskaja V.O. Ocenka sostojanija rechnyh vod bassejnov Nizhnego Dona i Zapadnogo Priazov'ja po soderzhaniju mikrojelementov [Assessment of the state of river waters in the basins of the Lower Don and the Western Azov region by the content of trace elements] / V.O. Horoshevskaja // Vodnye resursy Rossii: sovremennoe sostojanie i upravlenie: sbornik materialov Vserossijskoj nauchno - prakticheskoj konferencii, g. Sochi, 08-14 oktjabrja 2018 g.–Vol. II. – Novocherkassk: Lik, 2018. – P.212-219. [in Russian]
  21. Horoshevskaja V.O.Baza dannyh jelementnogo sostava vod Nizhnego techenija r. Don i rek bassejna Zapadnogo Priazov'ja [Database of the elemental composition of the waters of the Lower reaches of the river . Don and the rivers of the basin of the Western Azov Sea] / V.O.Horoshevskaja, A.M. Shevchenko // № 2020621440 gosudarstvennoj registracii ot 17 avgusta 2020 g. Pravoobladatel': FGBU “GHI”. [in Russian]
  22. Behavior of major and minor elements in a temperate river estuary to the coastal sea / S. Patra, C.Q. Liu, F.S. Wang et al. // International journal of Environmental Science and Technology. – 2012. – V. 9. – P. 647-654.