CC BY
18
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2020. No. 1
УДК 550. 461 DOI 10.18522/1026-2237-2020-1-36-46
ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ РЕК ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА
© 2020 г. Е.В. Гибкое1, В.Е. Закруткин1, В.Н. Решетняк1, О.С. Решетняк1'2
1Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия 2Гидрохимический институт Росгидромета, Ростов-на-Дону, Россия
ECOLOGICAL AND GEOCHEMICAL FEATURES OF THE RIVER SEDIMENTS OF EAST DONBASS
E.V. Gibkov1' V.E. Zakrutkin1' V.N. ReshetnyakO.S. Reshetnyak1'2
1Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia, 2Hydrochemical Institute, Roshydromet, Rostov-on-Don, Russia
Гибкое Евгений Викторович - кандидат географических наук, доцент, кафедра геоэкологии и прикладной геохимии, Институт наук о Земле, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344103, Россия, e-mail: irvict@mail.ru
Закруткин Владимир Евгеньевич - доктор геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой геоэкологии и прикладной геохимии, Институт наук о Земле, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344103, Россия, e-mail: vezak@list.ru
Решетняк Виктор Николаевич - магистрант, Институт наук о Земле, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344103, Россия, e-mail: vnresh3@gmail. com
Решетняк Ольга Сергеевна - кандидат географических наук, доцент, кафедра геоэкологии и прикладной геохимии, Институт наук о Земле, Южный федеральный университет, ул. Зорге, 40, г. Ростов-на-Дону, 344103, Россия; старший научный сотрудник, Гидрохимический институт Росгидромета, пр. Стачки, 198, г. Ростов-на-Дону, 344090, Россия, e-mail: olgare1@mail.ru
Eugeny V. Gibkov - Candidate of Geography, Associate Professor, Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344103, Russia, e-mail: irvict@mail.ru
Vladimir E. Zakrutkin - Doctor of Geology and Mineralogy, Head of the Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344103, Russia, e-mail: vezak@list.ru
Viktor N. Reshetnyak - Magistrant, Institute of Earth Sciences, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344103, Russia, e-mail: vnresh3@gmail.com
Olga S. Reshetnyak - Candidate of Geography, Associate Professor, Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences, Southern Federal University, Zorge St., 40, Rostov-on-Don, 344103, Russia; Senior Researcher, Hydrochemical Institute, Roshidromet, Stachki Ave, 198, Rostov-on-Don, 344090, Russia, e-mail: olgare1@mail. ru
Представлены результаты исследования донных отложений рек двух основных речных бассейнов Восточного Донбасса - Северского Донца и Тузлова. Было установлено, что в реках первого из названных бассейнов распределение микроэлементов (Fe, Мп, РЬ, Си, М, Сг, 2п, V, ¡г) характеризуется большими вариациями величин, что в значительной степени связано с неоднородным гранулометрическим составом речного аллювия. В результате анализа распределения металлов в тяжелой, песчано -алевритовой и пелитовой фракциях выявлено значение последней как основного носителя микроэлементов в донных отложениях. Расчет суммарного показателя уровня загрязненности донных отложений по валовым пробам и в специально выделенной пелитовой фракции показал, что в целом для рек региона характерен слабый уровень загрязнения. Установлено, что именно пелитовая фракция, а не донные осадки в целом, несет наиболее объективную информацию о состоянии водной среды.
Ключевые слова: донные отложения, поверхностные воды, Восточный Донбасс, тяжелые металлы, уровень загрязнения.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2020. No. 1
The article presents the results of research of bottom sediments of rivers of two main river basins of East Donbass -Seversky Donets and Tuzlov. In the rivers Seversky Donets basin, the distribution of trace elements (Fe, Mn, Pb, Cu, Ni, Cr, Zn, V, Sr) was found to be characterized by large variations, largely due to the more heterogeneous granulometric composition of river alluvium. As a result of the analysis of heavy metals, distribution in heavy, sandy-aleurite and pelite fractions, the value of the latter as the main carrier of trace elements in bottom sediments was revealed. The calculation of the total level of bottom sediments contamination of gross samples and the pelite fraction showed that, in general, the rivers of the region have a weak level ofpollution. It has been established that it is the pelite fraction gives the most objective information about the aquatic environment.
Keywords: bottom sediments, surface water, East Donbass, heavy metals, pollution level.
Как известно, донные отложения (ДО) являются конечным звеном ландшафтно-геохимических сопряжений, поэтому в значительной степени отражают геохимические особенности водосборной площади. Однако изучение ДО важно само по себе, так как, являясь, по выражению В.И. Вернадского, «подводной почвой», они определяют многие экологические особенности водных систем. В частности, имеющийся литературный материал свидетельствует о том, что в ряде случаев ДО, загрязненные тяжелыми металлами (ТМ), обладают сублетальной токсичностью для многих водных организмов [1]. Кроме того, результаты натурных и экспериментальных наблюдений указывают на возможность перехода загрязняющих веществ из ДО в водную фазу. При этом, в случае интенсивного загрязнения, время их отрицательного воздействия может быть очень велико даже при прекращении поступления загрязняющих веществ в речную сеть. Вывод химического элемента из водной фазы свидетельствует лишь о временном самоочищении водной массы, но не водного объекта в целом (как экологической системы). Таким образом, ДО, будучи важнейшим компонентом аквальных экосистем, могут являться, с одной стороны, индикатором степени загрязнения водной толщи, а с другой - источником ее вторичного загрязнения [2].
Исследования ДО Восточного Донбасса (Ростовская область) проводились в период 2014-2019 гг. на реках двух основных бассейнов - Северского Донца и Тузлова, различающихся по своим природным характеристикам и особенностям хозяйственного освоения. Отбор проб для проведения геохимических исследований проводили дночерпа-телем. Масса отбираемых донных отложений составляла от 1000 до 1500 г. После морфологического описания отобранные пробы донных осадков были высушены до воздушно-сухого состояния и переданы в лабораторию для минералогического и химического анализов.
Изучение минерального состава проводилось по специально выделенным фракциям - легкой (с подразделением на пелитовую и песчано-алев-ритовую) и тяжелой (терригенные и аутигенные минералы).
Как показали исследования, донные осадки большинства рек Восточного Донбасса по гранулометрическому составу представлены слабодиффе-ренцированным псаммит-алеврит-пелитовым материалом [3]. При этом в речных осадках бассейна Северского Донца, как правило, преобладает песча-но-алевритовый компонент (12-92 %, в среднем 54 %), а в бассейне Тузлова - пелитовый (34-76 %, в среднем 65 %), что подтверждается данными на рис. 1, где демонстрируется положение фигуративных точек гранулометрического состава ДО в том или ином поле диаграммы Шепарда [4]. Из нее видно, что донные осадки бассейна Тузлова в большей степени сосредоточены в переходной от песков к глинам зоне, в то время как осадки рек Северского Донца характеризуются менее однородным составом.
Пелитовая фракция ДО исследуемых рек, как видно из табл. 1 и 2, состоит преимущественно из глинистых минералов (гидрослюды с примесью монтмориллонита и каолинита). В меньших количествах присутствуют кварц, полевой шпат, чешуйки слюд, современное органическое вещество, кальцит и частицы угля (в сумме до трети легкой фракции).
Песчано-алевритовая фракция ДО представлена в основном зернами кварца и полевого шпата. В отдельных реках в заметном количестве (до 10 % в бассейне Северского Донца и до 18 % в бассейне Тузлова) присутствует терригенный обломочный материал в виде частиц песчаника, углистых аргиллитов, алевролитов, карбонатов и кремнистых пород.
Помимо этого, часто встречаются современное органическое вещество и частицы угля (в сумме достигая 14-19 % от легкой фракции в реках Атюх-та, Быстрая и Малая Каменка). Реже обнаруживаются обломки карбонатов, опалы, глаукониты, слюды и гидроокислы железа.
В составе тяжелой фракции преобладают тер-ригенные минералы (ильменит, магнетит и гематит), на долю которых приходится в среднем 75 % от общего состава фракции для рек бассейна Северского Донца и 80 % - для бассейна Туз-лова. К группе второстепенных относятся цир-
кон, рутил, кианит, ставролит, турмалин. Существенно реже встречаются мусковит, биотит, амфиболы, хромит и хромшпинелиды. Среди аути-генных минералов доминирующая роль принад-
лежит окислам и гидроокислам железа (12 - в бассейне Тузлова и 22 % - в бассейне Северского Донца). В ДО р. Тузлов значительная доля (27 %) приходится на пирит.
Рис. 1. Гранулометрический состав ДО рек Восточного Донбасса / Fig. 1. Granulometric composition of bottom sediments of East Donbass rivers
Таблица 1
Распределение основных минералов в легкой фракции ДО рек бассейна Тузлова, % / Distribution of the main minerals in the light fraction of bottom sediments of the Tuzlov basin rivers, %
Река Пелитовая фракция Песчано-алевритовая фракция
Выход фракции Глинистое вещество Чешуйки слюд Полевой шпат Кварц Уголь Кальцит Совр. органика Выход фракции Кварц Полевой шпат Обломки осадочных пород Уголь Карбонаты Современная органика
Большой Несветай 65,4 45,9 1,0 2,9 4,2 2,0 5,0 6,4 34,6 19,6 2,9 5,2 1,6 1,4 3,5
Малый Несветай 60,4 34,7 1,5 2,1 3,7 Ред. 13,0 7,2 39,6 20,8 2,1 3,5 1,1 4,3 7,4
Аюта 75,1 47,9 2,0 1,2 3,9 1,0 9,8 9,6 24,9 11,2 1,7 2,9 1,0 2,8 6,6
Атюхта 33,5 22,1 1,0 1,1 1,4 3,0 2,8 3,8 66,5 24,6 1,1 18,0 12,3 2,6 6,9
Грушевка 75,5 47,7 2,5 2,0 5,1 1,7 4,3 14,6 24,5 15,1 2,0 1,9 1,3 1,2 3,8
Кадамов-ка 73,5 47,2 2,2 1,2 4,8 0,9 7,6 12,5 26,5 14,3 1,2 4,2 0,7 3,0 4,0
Тузлов 75,2 42,1 1,5 1,3 6,8 Ред. 8,1 6,1 24,8 11,6 0,6 7,1 1,4 4,2 7,1
Таблица 2
Распределение основных минералов в легкой фракции ДО рек бассейна Северского Донца, % / Distribution of the main minerals in the light fraction of bottom sediments of the Seversky Donets basin rivers, %
Река Пелитовая ракция Песчано-алевритовая фракция
Выход фракции Глинистое вещество Чешуйки слюд Полевой шпат Кварц Уголь Кальцит Совр. органика Выход фракции Кварц Полевой шпат Обломки осадочных пород Уголь Карбонаты Совр. органика
Большая Каменка 69,1 44,2 2,1 0,7 6,9 4,8 4,1 6,5 30,9 17,8 1,5 3,0 3,0 1,8 3,3
Малая Каменка 39,7 28,2 1,1 Ред. 2,6 2,1 3,2 2,7 60,3 32,2 3,4 10,3 6,8 4,2 7,1
Лихая 79,7 50,6 1,5 Ред. 3,1 3,2 13,2 12,9 20,3 8,3 1,5 3,1 0,7 4,4 2,4
Калитва 10,5 7,3 1,3 0,5 0,9 Ред. 1,4 1,4 89,5 73,3 3,0 5,4 0,4 3,9 4,2
Быстрая 8,2 5,2 0,2 Ред. 0,3 0,9 0,1 1,7 91,8 57,3 2,3 10,1 8,7 5,0 8,1
Большая Гнилуша 87,8 54,7 1,8 Ред. 4,9 1,8 9,8 13,1 12,2 5,0 0,6 0,8 0,3 1,5 3,2
Кундрючья 66,5 46,9 1,3 Ред. 2,7 0,7 7,6 5,6 33,5 20,3 1,8 2,7 0,9 4,0 1,8
Северский Донец 12,2 7,6 0,3 Ред. 0,6 Ред. 2,1 1,3 87,8 63,8 3,9 4,8 Ред. 8,7 4,3
В табл. 3 демонстрируется распределение валовых содержаний элементов в ДО рек Восточного Донбасса по сравнению с другими реками европейской части России. Видно, что ДО рек нашего региона обогащены широким спектром ТМ, прежде всего Mn, Pb, №, Zn. Также обращает на себя внимание, что диапазоны пределов колебаний концентраций микроэлементов в бассейне Север-ского Донца существенно шире, отражая более неоднородный гранулометрический состав отложе-
ний (рис. 1). Ниже приведены сведения о химическом составе ДО рек двух бассейнов (табл. 4).
Что касается марганца, то он распределен в ДО весьма неравномерно. Разброс его средних значений в реках бассейна Северского Донца составляет 150-2850 мг/кг, что заметно выше, чем в реках бассейна Тузлова (750-3000 мг/кг). Однако при расчете средних для бассейна концентраций картина оказывается противоположной (1475 мг/кг - для бассейна Тузлова и 871 мг/кг - Северского Донца).
Таблица 3
Распределение валовых содержаний элементов в ДО рек европейской части РФ, мг/кг / Distribution of gross content of elements in bottom sediments of rivers of the European part of the Russian Federation, mg/kg
Бассейн, реки Fe Mn Pb Cu Co Ni Cr Zn V
Бассейн Оки, реки Лопатовка, Мутенка, Свинка, Плавка [5] 900-2500 350-750 2-4 20-30 4-30 20-60 30-80 20-70 -
Бассейн Волги, реки Поля, Шерна, Гвозденка [6] 600-1300 50-210 1,5-2 3-5 2-20 0,1-5 12-50 7-20 -
Река Дон [7] - 300-340 1,0 15-20 5-8 12-21 59-73 39-49 60-71
Река Северский Донец [7] - 310 12 16-20 - 12-22 36-73 61-65 35-53
Средний фон для рек [1] - - 29 30 - 18 51 123 -
Бассейн Северского Донца [3] 9700-45000 183-2850 4-15 11-95 6-37 18-80 55-550 13-167 57-117
Бассейн Тузлова [3] 25700-39000 750-3000 9-133 33-55 11-42 40-77 93-300 70-450 73-150
Кларк осадочных пород [8] 35400 730 12 31 14 37 76,6 69 91
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2020. No. 1
Таблица 4
Среднее содержание ТМ в ДО рек Восточного Донбасса, мг/кг [3] / Average heavy metal content in bottom sediments of East Donbass rivers, mg/kg
Река Mn Ni V Cr Zn Pb Cu Sr
Бассейн Северского Донца
Большая 800 80 (40) 200 (100) 100 (150) 150 (80) 15 (15) 200 (40) 20
Каменка 400 (740) 30 100 40 60 10 40 15 (30)
Малая 700 60 (40) 133 (93) 117 (367) 133 (70) 17 (13) 167 (33) 33
Каменка 433 (533) 31 98 43 80 12 32 13 (37)
Лихая 1433 77 (67) 133 (117) 93 (110) 117 (167) 11 (13) 167 (60) 32
1367 (156/) 53 150 50 120 200 57 33 (43)
Калитва 667 Л 70 (22) 133 (57) 87 (393) 150 (13) 10 (4) 150 (11) 33
110 (183) 4 18 0 33 4 13 0 (13)
Быстрая 650 55 (18) 175 (100) 90 (210) 175 (20) 18 (5) 250 (12) 15
175 4 70 10 30 5 14 0,5 (15)
Большая 2350 80 (80) 90 (100) 115 (550) 200 (13) 14 (14) 225 (95) 25
Гнилуша 3500 45 100 65 125 14 60 80 (50)
Кундрючья 850 60 (45) 125 (100) 90 (200) 100 (90) 13 (15) 175 (40) 30
130 (750) 33 120 50 125 12 35 32 (40)
Северский 600 60 (18) 150 (50) 115 (55) 200 (95) 7 (8) 300 (15) 60
Донец 90 (150) 6 20 20 90 12 20 9 (25)
Бассейн Тузлова
Большой 1433 56 (50) 147 (80) 133 (143) 87 (100) 18 (23) 133 (43) 47
Несветай 467 30 116 63 90 8,7 33 13 (30)
Малый 4166 170 (77) 117 (73) 83 (93) 213 (103) 12 (8) 150 (33) 60
Несветай 1100 37 93 45 63 6,3 45 28 (40)
Аюта 2066 50 (47) 117 (87) 100 (117) 86 (70) 15 (18) 150 (47) 53
667 37 137 76 70 11,7 53 25 (33)
Атюхта 850 65 (45) 125 (150) 100 (300) 250 (200) 55 (45) 300 (55) 60
550 (750) 35 45 45 90 15 53 32 (45)
Грушевка 1250 58 (43) 125 (108) 137 (138) 115 (85) 14 (132) 120 (35) 33
625 21 21 31 60 14 41 20 (40)
Кадамовка 1766 60 (40) 150 (100) 116 (233) 117 (93) 17 (133) 183 (47) 37
567 27 27 27 67 9,3 43 23 (40)
Тузлов 700 55 (40) 150 (100) 100 (250) 200 (450) 18 (9) 175 (55) 50
650 25 25 25 530 23 50 40 (45)
Примечание. В числителе приведены средние значения для пелитовой фракции, в знаменателе - для песчано-алевритовой, в скобках даны валовые содержания.
Никель отличается широким разбросом валовых содержаний в реках бассейна Северского Донца -от 18 (в р. Быстрая) до 80 мг/кг (в р. Большая Гни-луша) (табл. 4). В бассейне же Тузлова содержание элемента, как правило, находится в пределах 4050 мг/кг, и только в р. Малый Несветай оно увели-
чивается до 77 мг/кг. В целом ДО рек двух бассейнов незначительно отличаются друг от друга (49 мг/кг - в бассейне Тузлова и 41 мг/кг - Север-ского Донца).
Отличительной чертой распределения хрома является его предпочтительное накопление в реч-
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2020. No. 1
ных отложениях Северско-Донецкого бассейна, где его содержание варьирует в очень широких пределах - от 55 (р. Северский Донец) до 550 мг/кг (р. Большая Гнилуша). Средняя же величина элемента для бассейна в целом составляет 254 мг/кг. Что касается речных отложений бассейна Тузлова, то в них характер распределения элемента менее контрастный (от 93 мг/кг в р. Малый Несветай до 300 мг/кг в р. Аюта) при среднем для бассейна значении 182 мг/кг.
Ванадий, в отличие от предшествующих металлов, в ДО распределен относительно равномерно. В бассейне Тузлова его среднее содержание изменяется от 73 мг/кг в р. Малый Несветай до 150 мг/кг в р. Атюхта. В бассейне Северского Донца минимальное содержание элемента обнаружено в основной водной артерии (50 мг/кг), а максимальное отмечено в р. Лихой (117 мг/кг).
По содержанию цинка ДО двух бассейнов резко отличаются друг от друга. Его концентрации в бассейне Тузлова изменяются от 70 (р. Аюта) до 450 мг/кг (р. Тузлов), а в среднем составляют 157 мг/кг. Что касается речных осадков бассейна Северского Донца, то здесь содержание элемента лежит в пределах 13 (р. Большая Гнилуша) - 167 мг/кг (р. Лихая), а среднее его значение составляет 69 мг/кг.
Характер распределения свинца во многом напоминает распределение предыдущего элемента. Он, как и цинк, преимущественно накапливается в речных осадках бассейна Тузлова, где его среднее для бассейна содержание составляет 69 мг/кг при разбросе значений от 8 мг/кг в р. Малый Несветай до 133 мг/кг в р. Кадамовка. В ДО бассейна Северского Донца свинец распределен более равномерно. Его наименьшие количества (в среднем 4 мг/кг) установлены в р. Калитва, а наибольшие (15 мг/кг) - в реках Большая Каменка и Кундрючья. Средняя для данного бассейна величина составляет 11 мг/кг, что на порядок меньше, чем в ДО рек бассейна Тузлова.
Медь и стронций отличаются весьма равномерным распределением в ДО рек бассейна Тузлова. При этом наименьшее содержание ^ (33 мг/кг) установлено в р. Малый Несветай, а наибольшее (55 мг/кг) - в р. Атюхта и Тузлов. Близкие средние значения установлены и для стронция (в среднем 30-45 мг/кг). Для ДО рек в бассейне Северского Донца характерен более широкий диапазон колебаний элементов: 11-95 мг/кг (в среднем 38 мг/кг) для меди и 13-50 мг/кг (в среднем 32 мг/кг) для стронция (табл. 3, 4).
В табл. 5-7 приведены данные о распределении изученных элементов в отдельных фракциях ДО -пелитовой, песчано-алевритовой и тяжелой. Важно подчеркнуть, что каждая из выделенных фракций представляет собой поликомпонентную систему,
включающую глинистые минералы, органическое вещество, обломки минералов и горных пород, а также аутигенные карбонаты, сульфиды и гидроокислы железа. Очевидно, что все эти составляющие могут быть в разной степени носителями изученных ТМ. Данное обстоятельство учитывалось при компоновке табличного материала.
Следует отметить, что в ДО рек Восточного Донбасса, равно как и в речных осадках других регионов, основное количество рассматриваемых элементов связано с пелитовой фракцией, представленной главным образом глинистыми минералами, что подтверждается прямой корреляцией валовых содержаний этих элементов с выходом пелитового вещества [3]. Однако, помимо глинистых минералов, доля которых во фракции варьирует в пределах от 64 до 81 %, в значительных количествах могут присутствовать в качестве примесей органическое вещество современного происхождения и хемогенные карбонаты. Для оценки указанных компонентов как носителей ТМ определены их коэффициенты концентрации относительно условного фона, при расчете которого использованы пробы, резко обедненные (менее 1 % от фракции в целом) этими примесями. Как видно из табл. 5, элементы, присутствующие в пелитовой фракции, можно сгруппировать следующим образом. Первая группа включает большинство изученных элементов (№, V, Zn, Pb), которые, судя по минимальным значениям коэффициентов концентрации, связаны практически целиком с глинистыми минералами.
Вторую группу образуют медь и стронций, в распределении которых заметную роль играют органическое вещество или хемогенные
карбонаты ^г). И, наконец, марганец в пелито-вой фракции, помимо глинистых минералов, связан в бассейне Северского Донца с органическим веществом, а в бассейне Тузлова - с обеими примесями.
В песчано-алевритовой фракции, как отмечалось ранее, помимо кварц-полевошпатовой составляющей, заметную роль играют обломки осадочных пород (аргиллиты, алевролиты, песчаники и карбонатные породы) и органическое вещество (современное и углефицированный детрит). И в этой фракции, в отличие от пелито-вой, именно второстепенные примеси являются основными носителями рассматриваемых ТМ. При этом большинство элементов преимущественно связано с обломками осадочных пород (главным образом аргиллитов и алевролитов), что особенно характерно для ДО рек бассейна Северского Донца (табл. 6).
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2020. No. 1
Таблица 5
Содержание ТМ в пробах пелитовой фракции ДО со значительным количеством органического вещества и хемогенных карбонатов, мг/кг / Heavy metals content in samples of pelite fraction of bottom sediments with significant amount of organic substance and chemogenic carbonates, mg/kg
Бассейны
Элемент Северский Донец Тузлов
Условный Органическое Карбонаты Условный Органическое Карбонаты
фон вещество (18 %) (35 %) фон вещество (17 %) (36 %)
Mn 600 2250 (3,8) 800 (1,3) 650 1500 (2,3) 1500 (2,3)
Ni 55 60 (1,1) 50 (0,9) 55 60 (1,1) 60 (1,1)
V 200 150 (0,8) 100 (0,5) 150 150 (1,0) 100 (0,7)
Cr 90 100 (1,1) 100 (1,1) 130 150 (1,2) 100 (0,8)
Zn 150 200 (1,3) 50 (0,3) 120 100 (0,8) 60 (0,5)
Pb 20 15 (0,8) 8 (0,4) 15 15 (1,0) 10 (0,7)
Cu 170 300 (1,8) 150 (0,9) 120 280 (2,3) 150 (1,3)
Sr 17 15 (0,9) 60 (3,3) 30 30 (1,0) 80 (2,6)
Примечание. В скобках приведены коэффициенты концентрации относительно условного фона.
Таблица 6
Содержание ТМ в пробах песчано-алевритовой фракции ДО со значительным количеством органического вещества и обломков осадочных пород, мг/кг / Heavy metals content in samples of sand-aleurite fraction of bottom sediments with significant amount of organic matter and debris of sedimentary rocks, mg/kg
Элемент Бассейны
Северский Донец Тузлов
Условный фон Органическое вещество (19 %) Обломки осадочных пород (37 %) Условный фон Органическое вещество (43 %) Обломки осадочных пород (34 %)
Mn 90 300 (3,3) 550 (6,1) 300 650 (2,2) 600 (2,0)
Ni 3 17 (5,7) 50 (16,7) 10 30 (3,0) 35 (3,5)
V 10 48 (4,8) 150 (15,0) 50 150 (3,0) 140 (2,8)
Cr 10 15 (1,5) 70 (7,0) 37 60 (1,6) 60 (1,6)
Zn 30 45 (1,5) 115 (3,8) 60 50 (0,8) 105 (1,8)
Pb 4 8 (2,0) 15 (3,8) 6 5 (0,8) 8(1,3)
Cu 10 23 (2,3) 40 (4,0) 20 60 (3,0) 40 (2,0)
Sr 3 9 (3,0) 25 (6,3) 15 15 (1,0) 25 (1,7)
Примечание. В скобках приведены коэффициенты концентрации относительно условного фона, для оценки которого использованы пробы с минимальным содержанием второстепенных примесей.
И лишь свинец в бассейне Тузлова выпадает из этой закономерности. Что касается органического вещества, то оно в качестве носителя элементов особенно характерно для марганца, никеля, ванадия и меди, в меньшей степени - для стронция. Для оставшихся металлов - хрома и цинка - значение органического вещества в их накоплении в речных отложениях Восточного Донбасса невелико.
Как известно, тяжелая фракция в ряде случаев в зависимости от своего минерального состава может
являться концентратором многих микроэлементов, что хорошо видно из данных табл. 7. Прежде всего, обращает на себя внимание, что подавляющее большинство элементов тяготеет к существенно ильменитовой фракции. Медь, свинец, цинк в значительной степени связаны также с окислами (магнетит, гематит) и в меньшей степени с гидроокислами железа. Что касается никеля и стронция, то они не проявляют тенденции к накоплению в тяжелой фракции ДО рек Восточного Донбасса.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2020. No. 1
Таблица 7
Содержание ТМ в тяжелой фракции ДО рек Восточного Донбасса, мг/кг / Heavy metals content in heavy fraction of bottom sediments of East Donbass rivers, mg/kg
Река Mn Ni V Cr Cu Pb Zn Sr Основные минералы, %
Ильменит Магнетит, гематит Гидро-ксиды железа
Большая Каменка 400 (0,5) 20 (0,5) 5 (0,05) 30 (0,2) 10000 (500) 2000 (133,3) 10000 (125,0) 5 (0,6) 9,5 54 25,8
Малая Каменка 8000 (15,0) 50 (1,25) 100 (1,1) 400 (1,2) 1000 (30,3) 300 (23,1) 1000 (14.3) 30 (0,8) 6,5 22,6 57,3
Калитва 2000 (10,9) 40 (1,8) 200 (3,5) 1500 (3,8) 50 (4,8) 200 (50,0) 400 (30,8) 5 (0,1) 52,6 17 6,3
Быстрая 4000 (20,0) 30 (1,67) 300 (3,0) 1000 (4,8) 50 (4,2) 150 (30,0)_ 500 25,0 5 (0,3) 58,6 9,3 14,4
Северский Донец 1500 (10,0) 15 (0,8) 500 (10,0) 2000 (40,0) 60 (4,0) 100 (12,5) 300 (3,1) 5 (0,2) 60,0 10,1 2,4
Большой Несветай 800 (0,75) 40 (0,8) 150 (1,9) 400 (2,8) 100 (4,2) 150 (6,5) 500 (5,0) 3 (0,1) 18,0 Ред. 55,7
Грушевка 1000 (0,6) 40 (0,9) 400 (3,7) 1500 (10,9) 150 (4,3) 150 (1,1) 400 (4,7) 5 (0,1) 46,3 12,8 2,9
Примечание. В скобках приведены коэффициенты концентрации относительно валовых содержаний.
в распределение элементов в осадке более существен, хотя большинство элементов, по-прежнему, концентрируется в пелитовой фракции. Что касается тяжелой фракции, то ей принадлежит в подавляющем большинстве случаев подчиненная роль в общем балансе ТМ, несмотря на весьма существенные концентрации широкого спектра химических элементов.
Оценка уровня загрязненности ДО в соответствии с рекомендациями, предложенными в работе Е.П. Янина [9], проводилась в 2 этапа. На первом этапе для характеристики техногенных геохимических аномалий в ДО рек определены коэффициенты концентрации (Кс) химических элементов, характеризующие степень их накопления (уровень аномальности) в ДО относительно фонового содержания. При этом за минимально аномальное содержание принята концентрация металла, в 1,5 раза превышающая фон, поскольку это указывает на природную вариацию содержания вещества (отсутствие аномалии). На втором этапе был определен суммарный показатель загрязнения Хс, представляющий собой сумму коэффициентов концентрации (Кс) (за вычетом фона) элементов, входящих в геохимическую ассоциацию.
При оценке загрязненности ДО ключевым моментом является установление для них фоновых геохимических параметров, что предполагает отбор фоновых проб на участках рек, удаленных от антропогенных источников. Следует напомнить, что Восточный Донбасс в геохимическом отношении представляет собой природно-техногенную анома-
В табл. 8 приведены ориентировочные результаты расчета баланса элементов в ДО. Как видно, в бассейне Тузлова основным носителем большинства элементов является пелитовая фракция, представленная в основном глинистыми минералами, и в меньшей степени - песчано-алевритовая, вклад которой в общий баланс элементов варьирует от 13 до 36 %.
Таблица 8
Ориентировочный баланс элементов в бассейнах Тузлова и Северского Донца, % / Balance of elements in bottom sediments of Tuzlov and Seversky Donets basins, %
Фракция Mn Ni V Cr Zn Pb Cu Sr
Тяжелая 0,4 0,3 1 4 1 19 3 0,1
1,0 0,3 0,7 3 5 10 2 0,1
Пелитовая 68 87 90 61 68 58 81 80
47 73 69 43 64 39 79 45
Песчано- 14 21 36 24 30 13 28 23
алевритовая 45 35 52 41 55 39 48 40
Сумма 82 108 127 89 99 90 112 103
93 108 122 87 124 88 129 85
Примечание. В числителе приведены средние значения для рек бассейна Тузлова, в знаменателе - для Северского Донца.
В бассейне Северского Донца картина несколько иная. Здесь вклад песчано-алевритовой фракции
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2020. No. 1
лию, где практически не осталось водных объектов, не испытывающих длительного антропогенного воздействия. Данное обстоятельство ставит под сомнение возможность определения корректных региональных параметров геохимического фона в ДО. В этом случае для них целесообразно использовать кларки осадочных пород.
Однако, как было показано выше (рис. 1, табл. 1 и 2), ДО рек Восточного Донбасса характеризуются большим разнообразием гранулометрического состава с преобладанием слабоотсортированных осадков. Учитывая данное обстоятельство, для сравнения степени загрязненности ДО в разных речных створах предпочтительнее использовать не валовые пробы, а выделенные из них пелитовые фракции. Это оправдано по ряду причин. Во-первых, пелитовая составляющая доминирует в
подавляющем большинстве проб донных осадков. Во-вторых, она является основным носителем большинства изученных элементов. В-третьих, именно пелитовая фракция, находясь в наиболее длительном контакте с водной средой, лучше всего сохраняет информацию о ее состоянии. И, наконец, изучая пелитовую фракцию ДО рек Восточного Донбасса, мы соблюдаем основное требование в сравнительной геохимии - однородность выборки. В качестве же условного фона для пелитовой фракции предлагается использовать кларки глин и глинистых сланцев [8].
Результаты оценки загрязнения ДО рек по интенсивности накопления металлов в пелитовой фракции с использованием общепринятой ориентировочной шкалы приведены в табл. 9 и 10.
Таблица 9
Оценка техногенного загрязнения рек бассейна Тузлова по интенсивности накопления металлов в ДО / Assessment of technogenic pollution of Tuzlov basin rivers by the intensity of metal accumulation in bottom sediments
Река Номер створа ZCваловой пробы Уровень загрязнения ZC пелитовой фракции Уровень загрязнения
Большой Несветай 1.1 2,6 Слабый 3,8 Слабый
2.1 6,4 Слабый 6,7 Слабый
2.2 3,6 Слабый 2,7 Слабый
Малый Несветай 3.1 2,8 Слабый 4,4 Слабый
4.1 4,5 Слабый 2,1 Слабый
4.2 17,3 Средний 12,4 Средний
Аюта 5.1 3,7 Слабый 6,0 Слабый
6.1 2,0 Слабый 3,2 Слабый
6.2 6,9 Слабый 12,5 Средний
Атюхта 7.1 19,5 Средний 8,1 Слабый
7.2 5,4 Слабый 5,6 Слабый
Грушевка 8.1 3,8 Слабый 9,6 Слабый
9.1 5,5 Слабый 12,8 Средний
9.2 52,2 Высокий 4,4 Слабый
25.2 8,2 Слабый 29,4 Средний
Кадамовка 10.1 8,8 Слабый 1,7 Слабый
11.1 4,2 Слабый 3,9 Слабый
11.2 4,6 Слабый 2,7 Слабый
Тузлов 12.1 3,9 Слабый 4,7 Слабый
12.2 18,5 Средний 7,1 Слабый
Среднее для бассейна 9,0 Слабый 6,5 Слабый
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2020. No. 1
Таблица 10
Оценка техногенного загрязнения рек бассейна Северского Донца по интенсивности накопления металлов в ДО / Assessment of technogenic pollution of Seversky Donets basin rivers by the intensity of metal accumulation in bottom sediments
Река Номер створа ZCваловой пробы Уровень загрязнения ZC пелитовой фракции Уровень загрязнения
Большая Каменка 15.1 5,4 Слабый 5,9 Слабый
15.2 7,5 Слабый 6,0 Слабый
Малая Каменка 16.1 5,2 Слабый 5,6 Слабый
17.1 2,9 Слабый 5,1 Слабый
17.2 11,9 Средний 4,5 Слабый
Лихая 18.1 2,9 Слабый 1,6 Слабый
19.1 10,9 Средний 7,9 Слабый
19.2 15,3 Средний 13,7 Средний
Калитва 20.1 16,1 средний 3,1 Слабый
21.1 2,0 Слабый 1,0 Слабый
21.2 1,0 Слабый 3,1 Слабый
Быстрая 22.1 6,1 Слабый 2,5 Слабый
23.1 1,0 Слабый 3,7 Слабый
Большая Гнилуша 25.1 28,4 Средний 18,4 Средний
25.3 7,5 Слабый 5,3 Слабый
Кундрючья 24.2 6,9 Слабый 4,4 Слабый
26.1 4,1 Слабый 4,1 Слабый
27.1 4,7 Слабый 7,1 Слабый
Северский Донец 28.2 1,0 Слабый 1,0 Слабый
Среднее для бассейна 4,9 Слабый 4,2 Слабый
Здесь же для сравнения дана соответствующая информация о ДО в целом. Как видно, уровень техногенного загрязнения большинства рек по интенсивности накопления металлов в ДО следует считать в основном слабым. При сравнении же двух бассейнов по величине Zc видно, что реки бассейна Тузлова загрязнены в большей степени, чем реки Северского Донца. Обращает на себя внимание несовпадение в ряде случаев уровней загрязнения валовых проб ДО и выделенных
из них пелитовых фракций (3 - в бассейне Северского Донца и 6 - в бассейне Тузлова). Данное обстоятельство служит, с нашей точки зрения, дополнительным аргументом в пользу пелитовой фракции как индикатора степени загрязнения водной среды.
Таким образом, проведенные исследования ДО рек Восточного Донбасса показали, что концентрации ТМ в них варьируют в очень широких пределах. Это связано в первую очередь с большой неоднородностью гранулометрического состава ДО.
Оценка уровня загрязненности ДО по суммарному показателю позволила отнести их преимущественно к слабозагрязненным. При этом установлено, что именно пелитовая фракция, а не донные осадки в целом, несет наиболее объективную информацию о состоянии водной среды.
Литература
1. Сает Ю.Е., Ревич Б.А., Янин Е.П. Геохимия окружающей среды. М.: Недра, 1990. 335 с.
2. Решетняк О.С., Закруткин В.Е. Донные отложения как источник вторичного загрязнения речных вод металлами (по данным лабораторного эксперимента) // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2016. № 4. С. 102-109.
3. Закруткин В.Е., Скляренко Г.Ю., Бакаева Е.Н., Решетняк О.С., Гибкое Е.В., Фоменко Н.Е. Поверхностные и подземные воды в пределах техногенно нарушенных геосистем Восточного Донбасса: формирование химического состава и оценка качества. Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2016. 171 с.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2020. No. 1
4. Shepard D. A two dimensional interpolation function for irregularly spaced data // Proc. 23rd Nat. Conf. ACM. 1968. P. 517-523.
5. Учватов В.П. Микроэлементы донных отложений субаквальных ландшафтов рек центра Европейской России // География и природные ресурсы. 1998. № 4. С. 99-103.
6. Бреховских В.Ф., Волкова З.В., Катунин Д.Н., Казмирук В.Д., Казмирук Т.Н., Островская Е.В. Тяжелые металлы в донных отложениях Верхней и Нижней Волги // Водные ресурсы. 2002. Т. 29, № 5. С. 587-595.
7. Хованский А.Д., Приваленко В.В. Геохимическая оценка состояния речной системы Нижнего Дона. Ростов н/Д.: Изд-во Рост. ун-та, 1990. 144 с.
8. Григорьев Н.А. Распределение химических элементов в верхней части континентальной коры. Екатеринбург: Ин-т геологии и геохимии УрО РАН, 2009. 381 с.
9. Янин Е.П. Экологическая геохимия и проблемы биогенной миграции химических элементов 3 -го рода // Труды биогеохимической лаборатории Ин-та геохимии и аналитической химии РАН. 2003. Т. 24. С. 37-75.
References
1. Saet J.E., Revich B.A., Yanin E.P. (1990). Environmental geochemistry. Moscow, Nedra Publ., 335 p. (in Russian).
2. Reshetnyak O.S., Zakrutkin V.E. (2016). Bottom sediments as a source of secondary water pollution by metals (according to the laboratory experiments Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki (Bulletin of
Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science), no. 4, pp. 102-109. (in Russian).
3. Zakrutkin V.E., Sklyarenko G.Yu., Bakaeva E.N., Reshetnyak O.S., Gibkov E.V., Fomenko N.E. (2016).
Surface and underground waters within technogenically disturbed geosystems of Eastern Donbass: formation of chemical composition and quality assessment. Rostov-on-Don: Southern Federal University Press, 171 p. (in Russian).
4. Shepard D. (1968). A two dimensional interpolation function for irregularly spaced data. Proc. 23rd Nat. Conf. ACM, pp. 517-523.
5. Uchvatov V.P. (1998). Microelements of bottom sediments of subaqual landscapes of rivers of the center of European Russia. Geografiya i prirodnye resursy, no. 4, pp. 99-103. (in Russian).
6. Brekhovskikh V.F., Volkova Z.V., Katunin D.N., Kazmiruk V.D., Kazmiruk T.N., Ostrovskaya E.V. (2002). Heavy metals in the bottom sediments of the Upper and Lower Volga. Vodnye resursy, vol. 29, no. 5, pp. 587-595. (in Russian).
7. Khovansky A.D., Privalenko V.V. (1990). Geo-chemical assessment of the Lower Don river system. Rostov-on-Don, Rostov University Press, 144 p. (in Russian).
8. Grigoriev N.A. (2009). Distribution of chemical elements in the upper part of the continental crust. Ekaterinburg, Institute of Geology and Geochemistry Press, Urals Branch of RAS, 381 p. (in Russian).
9. Yanin E.P. (2003). Ecological geochemistry and problems of biogenic migration of chemical elements of the 3rd kind. Trudy biogeokhimicheskoi laboratorii In-ta geokhimii i analiticheskoi khimii RAN, vol. 24, pp. 37-75. (in Russian).
Поступила в редакцию /Received
б февраля 2020 г. /February б, 2020
