CC BY
157
УДК 550.46: 551.49
ПОЛЯКОВА Елена Викторовна, научный сотрудник лаборатории экологической радиологии Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН. Автор 7 научных публикаций
МАЛОВ Александр Иванович, доктор геоло-го-минералогических наук, главный научный сотрудник лаборатории экологической радиологии Института экологических проблем Севера Уральского отделения РАН. Автор более 100 научных публикаций, в т. ч. трех монографий
ФОРМИРОВАНИЕ СТРОНЦИЙ-СОДЕРЖАЩИХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В БЕЛОМОРЬЕ
Стронций, подземные воды, водоснабжение, карбонатные породы, гипсы
В последние годы установлена довольно широкая распространенность стронция в подземных водах Архангельской области. Концентрации его в водных источниках, используемых для водоснабжения значительного количества городов и районных центров (Мезень, Каменка, Карпогоры, Двинской Березник, Шенкурск, Вельск), существенно превышают предельно допустимые нормы (по Сан-ПиН 2.1.4.1074-01 «Вода питьевая» - 7 мг/л для пресных вод).
Стронций является биологически активным элементом. Попадая в организм человека, он изоморфно замещает кальций в костной ткани, что приводит к деформации костной системы в целом. Особенно опасно по-
требление подземных вод с кальций-стронци-евым отношением меньше 100, что является гидрогеохимической предпосылкой Уровской эндемии (болезни Кашина-Бека). В связи с этим возникают проблемы использования данных вод для питьевых и лечебных целей. Появляется необходимость нахождения участков с минимальными содержаниями стронция в водах или же способов очистки подземных вод от этого компонента. Изучение проблемы формирования стронций-содержащих вод способствует появлению более обоснованных представлений о способах ее разрешения и определяет актуальность данного направления.
На территории Юго-Восточного Беломо-рья (ЮВБ) наблюдается неравномерность
распределения стронция в горных породах. Наиболее низкие содержания характерны для областей развития песчано-глинистых отложений венда, карбонатных пород среднего и верхнего карбона и ассельского яруса нижней перми, а также для четвертичных образований. Для этих отложений средние значения содержаний стронция составляют: в породах венда - 10 мг/кг, карбона - 71 мг/кг, ассельского яруса нижней перми - 363 мг/кг. Кларк стронция в осадочных породах составляет 450 мг/кг, в песчаниках - 200 мг/кг, в карбонатных породах - 610 мг/кг. Для пермских отложений средние значения содержаний стронция в породах следующие: в породах сакмар-ского яруса нижней перми, представленных доломитами и известняками с прослоями гипсов и ангидритов - 1006 мг/кг, в алевролито-мергелевых отложениях уфимского яруса верхней перми - 452 мг/кг, в известняках казанского яруса верхней перми - 2400 мг/кг и в мергелях и алевролитах татарского яруса верхней перми - 2000 мг/кг.
На рис. 1 показана карта распределения стронция в подземных водах зоны активного водообмена. Здесь отчетливая взаимозависимость содержаний стронция в подземных водах и водовмещающих породах. Минимальные содержания стронция (0-2 мг/л) характерны для подземных вод, развивающихся в отложениях венда, карбона и ассельского яруса нижней перми. В пермских породах, распространенных восточнее показанной на рисунке границы сакмарского яруса нижней перми, содержания стронция существенно возрастают: от 2-7 мг/л вблизи границы сакмарского яруса до 7-50 мг/л на правобережье р. Кулой, на площадях развития отложений верхней перми. Аномально высокие значения стронция -до 50 мг/л - отмечаются в районе нижнего течения р. Мезень (г. Мезень, пос. Каменка).
Здесь развиты карбонатные отложения казанского яруса верхней перми с максимальными содержаниями стронция [1].
2
Рис. 1. Распределение стронция в подземных водах зоны активного водообмена: 1 - граница сакмарского яруса нижней перми, 2 -изолинии содержаний стронция, мг/л
Обобщенные данные по содержаниям стронция в горных породах, подземных и поверхностных водах сведены в таблице.
Среди факторов, контролирующих формирование стронций-содержащих подземных вод на территории ЮВБ, можно выделить следующие: состав и возраст водовмещающих пород, мощность перекрывающих отложений, состав атмосферных осадков, химический состав подземных вод, интенсивность подземного стока, фильтрационные свойства пород, интенсивность сульфатного и карбонатного карста.
Химический макрокомпонентный состав подземных вод определяется прежде всего
Средние содержания стронция в горных породах, подземных и поверхностных водах на территории ЮВБ
В одовмещающий комплекс Литологический состав пород Средние содержания стронция, мг/л
в горных породах в подз емных водах в поверхностных водах
Р^-к^ Мергели и алевролиты с прослоями глин, известняков, песчаников 2000 7 2,6
Р2к7 Известняки с прослоями мергелей и песчаников, мергели 2400 20 4,5
р2ы Алевролиты, мергели 452 5 2,7
Р!3 Доломиты и известняки с прослоями гипсов, гипсы и ангидриты 1006 7 3,5
р^ Доломиты с прослоями известняков, гипсов и песчаников 363 2 0,5
С2+3 Известняки, доломиты 71 0,7 0,5
УрС Песчаники, аргиллиты, алевролиты 10 0,5 0,1
основным составом водовмещающих пород. В карбонатных породах преобладают гидрокарбонатные магниево-кальциевые воды, в сульфатных - сульфатно-кальциевые, в песчано-глинистых - гидрокарбонатно-натрие-вые и кальциевые.
Стронций относится к числу микрокомпонентов подземных вод. Он может встречаться в породах любого литологического состава, большей частью входит в состав карбонатных, сульфатных и песчано-глинистых пород в качестве элемента-примеси либо в виде изоморфных замещений кальция в структуре кристаллических решеток минералов: в сульфатных породах - гипса и ангидрита, в карбонатных - известняка и доломита. Он не определяет основной состав породы, но активно участвует в процессах растворения и выщелачивания, происходящих под воздействием атмосферных и подземных вод. Кроме того, стронций может образовывать самостоятельные минералы - стронцианит (8гС03) и целестин ^гё04), а также присут-
ствовать в сорбированном виде на глинистых коллоидах, откуда трудно десорбируется [2, 3].
В целом содержания стронция в подземных водах, как показано выше, непосредственно связаны с его распределением в водовмещающих породах: чем выше валовые содержания стронция в породах, тем выше и его концентрации в подземных и поверхностных водах.
В осадочных породах накопление стронция происходит в основном в процессе испарительного концентрирования морской воды в мелководных изолированных от моря солеродных бассейнах в условиях аридного климата. На территории ЮВБ подобные бассейны и условия имели место в каменноугольное и пермское время. В ходе испарительного концентрирования морской воды в первую очередь при минерализации порядка 70 г/л, осаждались карбонаты, затем, при минерализации около 140 г/л, - сульфаты. Стронций, входя в состав как карбонатных, так и суль-
фатных минералов, соосаждался и с карбонатами (известняками, доломитами), и с сульфатами (гипсами, ангидритами). Однако первоначальные максимальные его скопления в виде целестина, как правило, были приурочены к кровле карбонатных отложений.
Переход стронция в подземные воды осуществляется в процессе растворения и выщелачивания горных пород. Растворимость гипсов и ангидритов в пресной воде составляет примерно 2 г/л, целестина - 0,11 г/л, кальцита - 0,06 г/л [4]. Поэтому наиболее интенсивно происходит растворение гипсов и ангидритов с изоморфным $г2+, затем - целестина, и наименее выражен процесс растворения карбонатных пород с изоморфным Sr2+.
На рис. 2 приведен график зависимости содержаний стронция в подземных водах и горных породах от состава водовмещающих пород. Из рисунка видно, что содержания стронция в песчано-глинистых породах значительно ниже, чем в породах с преобладанием карбонатных и сульфатных разностей, так как в песчано-глинистых отложениях стронций в основном присутствует в сульфатах и карбонатах, заполняющих трещины и входящих в состав цемента. В ряду песчано-глинистые - сульфатные - карбонатные породы максимальные концентрации стронция имеют место в карбонатных породах, средние -в сульфатных, минимальные - в песчано-глинистых. Такая же зависимость отмечается и для подземных вод, приуроченных к этим отложениям.
Однако следует заметить, что в более молодых карбонатных отложениях казанского яруса верхней перми концентрации стронция достигают более высоких значений по сравнению с карбонатными породами сред-него-верхнего карбона и ассельского яруса нижней перми. То же наблюдается и в песча-
но-глинистых породах: в венде стронций практически отсутствует, в уфимском и татарском ярусах верхней перми его содержания существенно возрастают. Таким образом, можно предполагать взаимосвязь между содержанием стронция в подземных водах и возрастом водовмещающих отложений: чем древнее отложения, тем ниже в них содержания стронция (рис. 2). Это в значительной степени можно связывать с длительностью процесса извлечения стронция подземными водами. Если обозначить возраст пород в млн лет, то отложения венда существуют примерно 600 млн лет, каменноугольной системы - 340, а пермской - 285 млн лет. Естественно, что вымывание более растворимых соединений из пород венда и карбона происходило в последующие геологические периоды в связи с поднятием территории ЮВБ. В целом имеет место перераспределение стронция из более древних краевых частей Мезенской синекли-зы на восток, в более молодые бассейны верхнепермского осадконакопления.
Рис. 2. Сравнительная характеристика распределения стронция в породах с преобладанием карбонатных и сульфатных, песчаноглинистых разностей (мг/кг), а также в подземных водах (п-10, мг/л), приуроченных к этим породам
Другой важный фактор, оказывающий влияние на формирование стронций-содержа-щих подземных вод, - мощность перекрывающих отложений. На территории ЮВБ перекрывающими являются в основном че -твертичные образования. Покров их в целом маломощен, как правило, менее 20 м, часто сокращается до первых метров или отсутствует полностью. Мощности до 100 м характерны в основном для западной части краевого окаймления Беломорско-Кулой-ского плато, более 100 м - для разрезов пе-реуглубленных палеодолин неоген-четвер-тичного возраста [5]. От мощности перекрывающих отложений зависит величина химического стока стронция: чем мощнее покров четвертичных отложений, тем меньшее количество стронция выносится из пород в подземные и поверхностные воды (рис. 3), поскольку чем более открыты коренные породы с поверхности, тем благоприятнее их контакт с агрессивными водами атмосферных осадков.
Мощность четвертичных отложений, м
Рис. 3. Зависимость величины химического стока стронция (т/год-км2) от мощности перекрывающих четвертичных отложений
Жидкие атмосферные осадки принадлежат к ультрапресным водам. Концентрации лю-
бых веществ и элементов в них минимальны. Проходя через почвенный горизонт, они обогащаются СО2 биогенного генезиса, вследствие чего растворяющая способность их резко увеличивается. Таким образом, атмосферные осадки являются мощным фактором, разрушающим и растворяющим горные породы.
На содержание стронция в подземных водах оказывает влияние их химический состав. По особенностям водной миграции стронций является «спутником» кальция (термин А.И. Перельмана). Sr2+ хорошо мигрирует в гидрокарбонатных и хлоридных водах, но плохо в сульфатных [6].
В пресных гидрокарбонатных водах, развитых на площадях распространения горных пород венда, карбона, ассельского яруса нижней перми и четвертичных образований, содержания стронция незначительные. Здесь он появляется в результате подтока минерализованных вод из более глубоких горизонтов и разбавления их пресными, а также вследствие растворения немногочисленных гипсовых включений, обогащенных стронцием и целестином.
В слабосолоноватых сульфатных водах сакмарского яруса нижней перми концентрации стронция достигают 7 мг/л. Стронций появляется здесь в результате растворения гипсов и ангидритов, слагающих 40-80-метровую толщу пород соткинской свиты. Гипс принадлежит к числу сравнительно легко растворимых минералов. Процесс растворения происходит до его концентрации в воде порядка 2,2 г/л, затем сменяется осаждением. Но при содержаниях сульфат-иона в растворе более 1 г/л маломинерализованные воды становятся пересыщенными по отношению к сульфату стронция, и он в виде целестина выпадает в осадок.
Карбонаты характеризуются более низкой растворимостью. Уже при минерализации порядка 0,5 г/л процесс их растворения сменяется осаждением. При отсутствии существенных включений гипса с примесями стронция в карбонатах происходит опережающий рост содержаний растворенного сульфата стронция по сравнению с растворенными карбонатами. В этом случае концентрации стронция в растворе достигают максимальных значений (до 50 мг/л), что отмечается в пресных гидрокарбонатных подземных водах карбонатных отложений казанского яруса верхней перми [7].
При прочих равных условиях на формирование стронций-содержащих подземных вод влияют интенсивность подземного стока, фильтрационные свойства горных пород и развитие сульфатного и карбонатного карста (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость химического стока стронция (т/год-км2) от модуля подземного стока (л/с-км2)
Можно отметить, что наблюдается тенденция к росту химического стока стронция с увеличением значений модулей подземного стока с территории. Но линейной зависимости не отмечается, что связано с действи-
ем других факторов, описанных выше. Показанная тенденция объясняется тем, что максимальные содержания стронция и высокие значения модулей подземного стока характерны для карбонатных и сульфатных пород (в песчано-глинистых породах оба этих показателя минимальны), а также для участков с минимальной мощностью (либо полным отсутствием) перекрывающих отложений. Совпадение указанных двух факторов ведет к пропорциональной зависимости: при самых высоких значениях модулей подземного стока отмечается максимальный химический сток стронция (это территория интенсивно карстующихся гипсоносных пород).
В то же время эта взаимосвязь осложняется действием такого фактора, как возраст пород. В более древних карбонатных породах значения модуля подземного стока достаточно велики, а показатели химического стока стронция минимальны. В больших количествах стронций присутствует только в молодых карбонатных отложениях перми, соответственно, и значения его химического стока выше на этих участках.
Существует зависимость между фильтрационными свойствами горных пород (коэффициент фильтрации) и интенсивностью химического стока стронция: с увеличением фильтрационных свойств горных пород уменьшаются значения химического стока стронция (рис. 5). Максимальные значения коэффициента фильтрации характерны для карбонатных отложений среднего-верхнего карбона - ассельского яруса нижней перми, химический сток стронция здесь минимальный. Возможно, что при формировании данных пород стронций содержался в них в больших количествах (поскольку в более молодых карбонатных породах отмечаются высокие
концентрации стронция), но с течением времени и в связи с поднятием территории ЮВБ был вымыт.
25 50
Коэффициент фильтрации
Рис. 5. Зависимость химического стока стронция (т/год-км2) от коэффициента фильтрации (м/сут)
Таким образом, подводя итог вышесказанному, можно сделать следующие выводы. Ведущим фактором, контролирующим формирование стронций-содержащих подземных вод на территории Юго-Восточного Беломо-рья, является состав водовмещающих пород и валовые содержания в них стронция. Стронций входит в состав как карбонатных, так и сульфатных пород, но первоначальные максимальные его концентрации в виде целести-
на приурочены к кровле карбонатных отложений. При равном литологическом составе на формирование стронций-содержащих вод оказывает влияние возраст водовмещающих отложений: в пермских породах содержания стронция значительно выше, нежели в отложениях карбона и венда. В целом имеет место его перераспределение из более древних краевых частей Мезенской синеклизы на восток, в более молодые бассейны верхнепермского осадконакопления.
На содержание стронция в подземных водах оказывает влияние их химический состав: Sr2+ хорошо мигрирует в гидрокарбонатных водах, но плохо в сульфатных. Также содержание стронция зависит от мощности перекрывающих отложений: чем более открыты коренные породы с поверхности и чем благоприятнее их контакт с агрессивными водами атмосферных осадков, тем большее количество стронция вымывается из пород.
При прочих равных условиях на формирование стронций-содержащих подземных вод влияют фильтрационные свойства горных пород, интенсивность подземного стока и развития сульфатного и карбонатного карста.
Список литературы
1. Малое А.И., Тюхтина Е.В. Природное загрязнение стронцием подземных и поверхностных вод Архангельской области // Сергеевские чтения. М., 2002. Вып. 4. С. 382-385.
2. Аналитическая химия стронция. М., 1978.
3. Юдоеич Я.Э., Майдль Т.В., Иванова Т.И. Геохимия стронция в карбонатных отложениях. Л., 1980.
4. Самарина В.С. Гидрогеохимия: Учеб. пособие. Л., 1977.
5. Малое А.И. Подземные воды Юго-Восточного Беломорья: формирование, роль в геологических процессах. Екатеринбург, 2003.
6. Перельман А.И. Атомы-спутники. М., 1990.
7. Малое А.И. Экологические функции подземных вод. Екатеринбург, 2004.
Polyakova Elena, Malov Aleksandr FORMATION STRONTIUM-CONTAINING UNDERGROUND WATERS IN BELOMORYE
The major factors controlling formation of strontium-containing underground waters on the territory of South-East Belomorye are the following: structure and age of water-containing rock, capacity of overlapping deposits, structure of atmospheric precipitation, chemical composition of underground waters, intensity of groundwater flow, filtration properties of rock and intensity of karst development. The structure of rock and total contents of strontium in it are the leading factors.
Рецензент - Мискевич И.В., кандидат географических наук, заведующий лабораторией промысловой океанологии СевПИНРО
