CC BY
96
УДК 556.314
ФОРМЫ МИГРАЦИИ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В ВОДАХ СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ КОЛЫВАНЬ-ТОМСКОЙ СКЛАДЧАТОЙ ЗОНЫ
Ю.В. Колубаева
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Изучены неорганические формы миграции химических элементов природных вод северной части Колывань-Томской складчатой зоны (Томский район Томской области) с использованием программного комплекса HydroGeo. Показано, что химические элементы, играющие основную роль в солевом составе вод, мигрируют преимущественно в ионной форме или нейтральных недиссоциирующих молекул, микроэлементы, наряду сионной формой миграции, образуют значительное количество комплексов различной прочности.
Ключевые слова:
Колывань-Томская складчатая зона, подземные воды, формы миграции.
Key words:
Kolyvan-Tomsk folded zone, ground waters, patterns of migration.
К основным достижениям в области геохимии природных вод за последние 40 лет относится открытие многообразных форм существования химических элементов в них. Разные соединения одного и того же элемента имеют различные термодинамические, физико-химические и гидродинамические параметры и характеристики. Поэтому процессы миграции элементов и их распределение при взаимодействии воды и пород невозможно правильно интерпретировать и прогнозировать, не зная их миграционных форм в природных водах с различным химическим составом. Установление миграционных форм элементов необходимо для решения многих гидрогеохимических задач. Уравнения закона действующих масс, с помощью которых изучают равновесия, выражены через активности индивидуальных веществ - форм их существования. Использование же в этих уравнениях аналитически определенных концентраций элемента, часто представляющих собой сумму концентраций многих его форм существования, может привести к грубым последствиям. Иначе говоря, игнорируя комплексообразование, невозможно будет правильно оценить степень насыщенности вод по отношению к тем или иным минералам.
При исследованиях в области охраны окружающей среды первостепенное значение имеет то обстоятельство, что разные миграционные формы одного и того же элемента имеют иногда резко различную токсичность. Биохимический эффект сложных состояний элементов не адекватен эффекту их простых форм. Незакомплексованные ионы тяжелых металлов являются в большинстве случаев токсичными. Связывание же металлов в комплексы, особенно с комплексообразующими веществами естественного происхождения, приводит к образованию, как правило, нетоксичных соединений [1]. Извсего сказанного вытекает актуальность данных исследований применительно к территории северной части Колывань-Томской складчатой зоны. В административном отношении
район исследований расположен в юго-восточной части Западной Сибири, в пределах Томского района Томской области (рисунок).
Рисунок. Обзорная карта изучаемого района с нанесением точек фактического материала: 1 - Томский район, 2 - участок исследований. Места опробования: 3 -скважин, 4 - колодцев, 5 - родников, 6 - рек
Материалом для проводимых исследований послужили данные, полученные проблемной научноисследовательской гидрогеохимической лабораторией Национального исследовательского Томского
политехнического университета в разные годы (1992-1993 гг., 1998-2000 гг. и в 2008 г. с участием автора). При интерпретации и обобщении данных использовались химические анализы из более чем 1000 точек опробования: родники, колодцы, скважины и реки (Киргизка, Каменка, Ушайка, Басан-дайка, Якунина, Тугояковка, Ташма, Щербак, Омутная и их притоки) [2].
Формирующиеся в этих условиях подземные и поверхностные воды являются близкими по составу, что, вероятно, обусловлено особенностями химического состава подземных вод палеозойского фундамента, выходящего на дневную поверхность и обеспечивающего родниковое питание рек. По условиям формирования подземные воды района исследований представляют собой воды выщелачивания с активной циркуляцией и сравнительно невысокой минерализацией гидрокарбонатного типа. Так, подземные воды района являются нейтральными (pH - 7,1), пресными, со средней минерализацией 523 мг/л, по составу преимущественно гидрокарбонатными кальциевыми и магниево-кальциевыми. Общая минерализация вод изменяется от 215 до 784 мг/л, pH - от 6,4 до 7,8. Речные воды по химическому составу являются преимущественно гидрокарбонатными кальцие-
выми, слабощелочными - среднее значение pH -7,6, умеренно пресными при средней минерализации 490 мг/л. Общая минерализация вод изменяется от 121 до 775 мг/л, pH - от 6,0 до 8,2.
Как известно, растворенное состояние химических элементов в водах чрезвычайно разнообразно. Среди истинно растворенных форм элементов различают нейтральные молекулы, простые и комплексные ионы [1], в том числе с органическими лигандами. Основные формы миграции элементов зависят не только от свойств самого элемента (катионы, элементы-гидролизаты или анионы), но и от внешних факторов миграции (рН-ЕИ среды, активных концентраций ионов-комплексооб-разователей).
Не останавливаясь на методике физико-химических исследований комплексообразования, отметим, что она достаточно подробно изложена в источниках [1, 3-5]. Добавим только, что комплексные соединения образуются при взаимодействии иона-комплексообразователя и лигандов (заряженных или нейтральных неорганических или органических частиц, т. е. ионов или молекул органического и неорганического происхождения), а характеристикой комплексного соединения служит мера устойчивости комплекса, называю-
Таблица 1. Примеры данных по химическому составу природных вод территории исследований, использованных в расчетах
Параметр Пункты отбора проб
Т.н. 1098 (колодец) Т.н.1277 (родник) Т.н. 1555 (колодец) Т.н. 1560 (колодец) Т.н. 1821 (родник) К і 0 I 1 к 1— р ПЗ к з’! з ? . ПЗ X и .а 1— ш р. Т.н. 1388 (р. Киргизка) а) к ^ ’?§ 1_П ^ • пз X и .а 1— |_о р. Т.н. 1537 (р. М. Ушайка)
pH 6,9 7,0 6,8 6,8 7,2 7,4 7,9 7,4 7,4 7,8
Ионная сила раствора, моль/л 0,010 0,010 0,007 0,01 0,007 0,009 0,009 0,009 0,009 0,009
нсо3- мг/л 442,0 422,0 296,0 478,0 260,0 378,2 403,0 394,0 368,0 386,0
БОг 24,0 13,68 9,98 12,3 9,31 5,5 3,2 2,66 2,0 7,05
СІ- 13,5 1,4 7,1 2,84 2,84 2,92 1,4 2,84 2,1 7,1
N0^ 0,002 0,002 0,028 0,018 0,018 0,060 0,008 0,018 0,029 0,025
N0^ 1,92 0,36 0,05 0,614 0,46 - 3,8 0,921 1,44 0,614
NH4+ 0,48 0,55 0,21 0,259 0,331 0,37 0,037 0,36 0,89 0,19
Р- 0,16 0,24 0,16 0,19 0,11 0,30 0,30 0,23 0,27 0,17
Са2+ 126,0 84,0 84,0 128,0 96,0 102,0 104,0 110,0 82,0 100,0
Мд2+ 9,70 25,6 3,66 8,54 0,50 13,42 9,80 3,66 15,90 9,76
№+ 13,5 15,0 7,0 15,0 7,0 7,0 8,5 9,5 15,0 10,0
К+ 1,5 0,7 3,0 0,8 1,5 1,2 2,1 0,6 1,3 1,3
0,2 0,1 0,2 0,1 0,2 0,5 0,1 0,2 0,1 0,3
Рез+ 0,2 0,3 0,6 0,5 0,5 1,5 0,3 0,8 0,8 0,4
БІ 6,8 3,31 7,38 9,67 5,63 5,92 9,13 7,0 4,88 7,29
А13+ 0,07 0,089 0,122 0,005 0,014 2,65 0,124 0,067 0,018 0,04
Ва2+ мкг/л 87,0 68,0 32,1 75,1 18,8 98,0 98,0 28,2 50,0 2,5
5г2+ 470,0 770,0 170,0 590,0 196,0 964,0 780,0 340,0 580,0 310,0
и+ 18,0 24,0 9,0 16,0 10,0 15,5 11,0 14,0 14,0 12 , 5
Zn2+ 58,0 1,2 69,2 10,0 70,0 8,5 2,2 13,5 4,5 25,6
са2+ 0,13 0,05 0,1 0,1 0,05 0,1 0,05 0 ,05 0,05 0,15
РЬ2+ 1,1 0,05 0,3 0,3 2,3 1,2 0,2 0,6 0,2 0,8
Си2+ 2,0 0,05 1,8 1,0 4,0 1,3 1,2 1,3 0,05 2,5
Минерализация, мг/л 634 569 413 648 403 517 540 527 503 524
щаяся константой устойчивости (наиболее устойчивые в растворах комплексные ионы имеют наибольшие значения этого показателя). Расчет кон-
центраций различных форм миграции элементов в природных водах производился автором с применением программного модуля ИуёгоОео (автор -
Таблица 2. Результаты расчетов основных форм миграции химических элементов в природных водах исследуемой территории, в % от валового содержания
Компонент Подземные воды Поверхностные воды Компонент Подземные воды Поверхностные воды
мини- мум сред- нее макси- мум мини- мум сред- нее макси- мум мини- мум сред- нее макси- мум мини- мум сред- нее макси- мум
НСОз- 75,17 86,09 93,62 81,02 91,40 94,46 ^БЮ3 2,465 2,639 2,654 2,559 2,636 2,654
Б042- 99,97 99,98 99,99 99,98 99,99 99,99 №Юз)- 0,077 0,620 7,155 0,054 0,720 3,645
С1- 99,88 99,90 99,94 99,89 99,90 99,92 А13* 0,000 0,000 0,001 0,000 0,000 0,000
N02“ 99,79 99,91 99,99 99,86 99,96 99,99 (А102)- 6,711 30,25 47,90 17,92 42,69 47,72
N0^ 98,52 98,86 99,61 98,66 98,90 99,09 А1(0Ш3 0,484 3,499 6,796 0,851 3,104 6,442
Р- 98,08 98,74 99,23 98,48 98,72 99,23 (А10(0Ю2)- 7,233 32,60 51,62 19,31 46 , 00 51,43
^4* 48,61 75,16 97,10 40,67 50,63 72,06 АЬ(С0з)з 0,000 33,66 83,36 0,001 8,204 57,95
NH4HC03 0,159 0,245 0,351 0,124 0,172 0,255 Ва2* 85,93 88,22 93,33 86,90 88,24 90,27
№4С03)- 0,001 0,006 0,034 0,003 0,010 0,017 ^Шз^ 6,31 10,52 12,54 8,62 10,56 11,87
№№ 2,205 22,72 47,90 22,90 46,31 57,42 Ba(HC03)2 0,201 0,678 1,003 0,417 0,669 0,865
NH40H 0,209 0,933 5,047 0,436 1,435 2,629 BaC0з 0,019 0,244 2,831 0,021 0,279 1,427
NH30 0,210 0,936 5,064 0,437 1,440 2,638 BaS04 0,088 0,336 0,968 0,094 0,257 0,476
Са2* 89,67 94,91 97,70 92,36 94,54 95,81 Sr2, 90,36 94,47 97,03 92,61 94,42 95,49
(CaHC03)+ 2,110 3,828 4,796 3,030 3,810 4,191 (Бжет^ 2,882 4,951 6,003 3,997 4,962 5,635
Ca(HC0з)2 0,071 0,259 0,404 0,155 0,253 0,304 БгШгазЬ 0,013 0,045 0,068 0,027 0,045 0,058
СаС03 0,098 0,971 6,387 0,279 1,343 3,707 03 и ил 0,032 0,425 4,890 0,038 0,490 2,492
Ca(C0з)22- 0,000 0,006 0,082 0,000 0,005 0,026 04 ип ип 0,028 0,110 0,319 0,031 0,083 0,154
(CaN03)+ 0,000 0,013 0,064 0,005 0,039 0,297 и* 8,103 43,19 70,18 11,32 39,97 70,04
СаС1+ 0,001 0,004 0,011 0,001 0,010 0,039 LiHC03 0,270 1,425 2,298 0,375 1,332 2,456
CaF+ 0,002 0,004 0,007 0,002 0,003 0,005 и2С0з 27,52 55,37 91,58 27,50 58,68 88,28
Мд2* 93,62 95,97 97,85 94,82 95,80 96,68 ШС0з)- 0,002 0,008 0,043 0,002 0,014 0,030
(MgHC03)+ 2,029 3,448 4,192 2,787 3,454 3,761 2п2* 4,999 58,63 83,41 9,774 44,37 78,08
Mg(HC03)2 0,039 0,134 0,202 0,081 0,131 0,157 0,395 4,682 6,937 0,776 3,579 6,364
МдС03 0,045 0,420 2,839 0,117 0,579 1,631 Zn(HC0з)2 0,320 3,942 7,234 0,624 2,960 5,272
МдС1+ 0,002 0,005 0,015 0,002 0,014 0,054 ZnC03 6,985 24,74 67,72 7,751 37,32 65,84
МдР+ 0,008 0,018 0,032 0,009 0,015 0,021 ап(С0зЬ)2- 0,001 0,179 2,427 0,002 0,169 1,127
Mg0H+ 0,001 0,004 0,025 0,001 0,005 0,014 Zn0H+ 2,855 7,403 20,46 2,293 11,26 20,07
№* 99,06 99,26 99,62 99,18 99,25 99,42 Zn(0H)2 0,005 0,269 3,658 0,003 0,264 1,775
NaHC0з 0,377 0,735 0,936 0,569 0,733 0,809 ZnF+ 0,000 0,004 0,009 0,001 0, 003 0,005
NaCl 0,001 0,002 0,005 0,001 0,004 0,017 ZnS04 0,003 0,149 0,480 0,013 0,080 0,228
№^510, 0,000 0,002 0,019 0,000 0,003 0,007 СС2* 0,575 24,06 51,36 1,437 14,54 43,06
NaHSi0з 0,000 0,004 0,030 0,001 0,005 0,012 (СМС03)+ 0,264 10,93 18,89 0,663 6,802 20,41
К* 99,03 99,23 99,61 99,16 99,23 99,40 СашшзЬ 0,043 1,841 3,993 0,108 1,137 3,427
KHC03 0,389 0,759 0,966 0,587 0,757 0,835 СаС03 32,51 58,34 77,86 32,31 71,35 82,37
(КС0з)- 0,001 0,008 0,055 0,002 0,011 0,031 (С^ШзЬ)2- 0,094 3,635 38,99 0,152 4,728 23,12
Fe2+ 82,25 91,31 96,73 78,03 85,45 89,29 С^+ 0,677 1,187 1,717 0,641 1,443 2,106
(FeHC03)+ 1,971 3,235 4,079 2,971 3,238 3,464 РЬ2* 0,212 5,333 12,07 0,420 3,274 9,147
Fe(HC0з)2 0,202 0,668 1,046 0,612 0,692 0,767 (РЫШз^ 0,815 20,11 32,00 1,621 12,81 36,20
РеС03 0,918 4,351 12,81 6,040 9,706 16,80 РЬ ШШзЬ 0,533 13,40 26,92 1,051 8,535 24,19
РеС1+ 0,001 0,005 0,013 0,001 0,003 0,007 РЬС03 15,50 27,52 44,15 13,93 34,12 43,43
Ре0^ 0,141 0,428 1,206 0,558 0,911 1,558 (РЬ(С0з)2)2- 0,001 0,063 0,773 0,002 0,064 0,363
Fe3, 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 РЬ0№ 16,68 33,57 53,52 16,53 41,20 54,20
(Fe0H)2+ 0,004 0,145 0,347 0,002 0,016 0,025 Си2* 0,108 5,774 16,61 0,247 3,118 13,36
□= О ф 1_1_ 68,33 74,51 79,76 67,74 76,09 80,35 (С^Ш^ 0,103 5,309 10,16 0,237 3,024 13,13
2,361 8,095 23,76 11,21 17,79 30,00 СиШШзЬ 0,034 1,771 4,321 0,078 1,016 4,435
(Fe(0H)2)+ 3,293 17,25 28,89 2,250 6,107 8,445 СиС03 71,87 84,45 93,10 68,56 89,71 94,05
SiO2 44,31 47,44 47,70 45,99 47,39 47,71 (Си(С0з)2)2- 0,098 2,231 23,64 0,152 2,640 12,85
^бю4 46,06 49,30 49,58 47,80 49,25 49,58 Си0№ 0,323 0,469 0,765 0,365 0,487 0,657
М.Б. Букаты, ТФ ИГНГ СО РАН), с помощью которого вычислялись количественные соотношения между вероятными для вод данного химического состава формами элементов [6, 7]. Исследованные нами формы миграции основных макро- и микрокомпонентов без учета элемент-органических форм представлены в табл. 2, примеры по химическому составу вод, использованных при расчетах, приведены в табл. 1.
Результаты исследований процессов комплек-сообразования показывают, что без учета соединений с органическими радикалами преимущественно в ионной форме мигрируют ИС03-, 8042-, С1-, N0^, N0,“, NH4+, Бе2+, Р. Доля их составляет, как правило, более 75 %, что вполне закономерно, учитывая околонейтральные значения рН вод, низкие положительные значения окислительно-восстановительного потенциала, низкую минерализацию растворов и невысокие значения их ионной силы (0,007...0,010). Среди второстепенных форм миграции макроэлементов преобладают комплексы-ас-социаты с участием доминирующих анионов ИС03-, С032-. Металлы, относящиеся к группе главных ионов химического состава природных вод - №+, К+, Са2+ и Mg2+, мигрируют преимущественно в ионно-растворенном виде, что обусловлено достаточно хорошей растворимостью многочисленных природных соединений макрокомпонентов. Одним из важных свойств натрия, калия, кальция и магния является то, что эти металлы характеризуются слабовыраженной склонностью к гидролизу в условиях природных вод. Комплексо-образование для них также мало характерно. Ионно-растворенное состояние главных ионов, как правило, свойственно маломинерализованным водам. Так, по приведенным в табл. 2 результатам расчетов основных форм миграции химических элементов в природных водах исследуемой территории, видно, что в отсутствии органических лигандов наибольший вклад в комплексообразование в случае с кальцием и магнием вносят карбонатные и гидрокарбонатные ионы: (СаИС03)+, (MgИC03)+, (СаС03)0, (MgCO3)0, однако подавляющая часть обоих металлов (более 90 %) находится в виде свободных незакомплексованных ионов. №+ и К+ в этих условиях также находятся в виде свободных ионов, доля их в процентах от валового содержания составляет 99 %.
Что касается такого элемента-гидролизата как железо, то его высокий кларк обуславливает присутствие этого металла как непременного компонента в природных водах [8]. В зависимости от окислительно-восстановительного потенциала природных вод железо проявляет характерные для него степени окисления +2 и +3. Большую роль играют щелочно-кислотные условия и биогенная миграция. Железо (II) обнаруживается в основном вводах с низкими значениями ЕЙ [5]. Основной миграционной формой железа (II) является ионная его форма Бе2+, второстепенными формами являются БеС03, (БеИС03)+. Насыщение воды кисло-
родом приводит к быстрому окислению Бе2+ до Бе3+, поэтому в водных растворах чаще всего встречаются соединения железа (III), как термодинамически более устойчивые. Бе3+ характеризуется способностью к образованию устойчивых комплексных соединений с органическими веществами гумусового ряда - фульфо- и гуминовыми кислотами, а также с некоторыми неорганическими анионами, особенно с 0И-. Так, при изучении основных форм миграции Бе3+ были идентифицированы следующие гидроокисные формы: (Бе0И)2+, Бе(0И)3, (Бе(0И)4)-, (Бе(0И)2)+, соотношение между которыми зависти от рИ и ЕЙ воды, а также от общей концентрации железа. При этом при значениях рИ, характерных для исследуемых вод, как в случае с поверхностными, так и в случае с подземными водами, доминирует форма Бе(0И)3 и составляет более 60 %, константа устойчивости этого соединения характеризуется очень высокими значениями (^^=30,0).
Для А13+ в условиях околонейтральной среды растворов значимыми миграционными формами являются (А10 (0И)2)-, (А102)- иА12(С03)3 Для кремния, как элемента, химическая связь которого с кислородом исключительно прочна и практически не нарушается, характерны две основные формы миграции: И48Ю4 и 8Ю2, содержащиеся в равном количестве.
Проведенные нами исследования форм миграции меди показали высокую степень ее закомплексованности, в отсутствии органических ком-плексообразователей, доминирующей формой которой является СиС03 (до 95 %) при наблюдаемых для исследуемых вод района рИ. В значительных количествах присутствуют формы (СиИС03)+, (Си (С03)2)2- и в небольшом - Си (ИС03)2, гидроксокомплекс меди вносит незначительный вклад в общий баланс. Однако необходимо отметить, что в приведенных расчетах не учитывается влияние органических комплексообразующих веществ, присутствие которых существенным образом сказывается на состоянии меди. Медь образует прочные комплексы со многими органическими соединениями, причем устойчивость их значительно выше таковой с другими катионами металлов со степенью окисления +2. О высокой закомплексованности меди с органическим веществом свидетельствуют расчеты многих авторов, которыми была предпринята попытка расчетным путем определить, при каких концентрациях органического вещества наблюдается преобладающее связывание меди в органические комплексы, в частности на примере озерных вод. С этой целью авторами учитывалось влияние различных концентраций фульвокислоты. По мнению одних авторов, для полного связывания меди в комплексы достаточно, чтобы в воде содержалось всего около 1 мг/л фульвокислоты [9], по мнению других, - неорганическим комплексообразованием можно пренебречь лишь в том случае, если в системе содер-
жится не менее 15 мг/л гумусовых веществ [10]. При концентрации последних около 3 мг/л максимальное количество связанной с ними меди не превышает 3 %, доминирующей формой в этих условиях являются карбонатные комплексы меди, что и наблюдается при расчетах, полученных автором. Описанные разными авторами результаты расчетов миграционных форм меди, вероятно, объясняются выбором lgKyCT органических комплексов этого металла.
Цинк образует значительное количество комплексов различной прочности, но все же около половины его приходится на свободные (незакомплексованные) ионы Zn2+, достигая 83,4 % от валового содержания в случае подземных вод и 78 % -в случае поверхностных. В отсутствии органических комплексообразователей доминирует карбонатный комплекс ZnCO3 и гидроксокомплекс ZnOH+, остальные вносят незначительный вклад в общий баланс. Изучение комплексообразования цинка (II) в водных системах с различным содержанием гумусовых веществ, по Wilson D.E. [10], показывает, что комплексообразование в ощутимых количествах происходит при высоких концентрациях гумуса, в значительной степени зависит от кислотности среды и увеличивается с возрастанием pH. Однако при небольших количествах гу-миновых кислот (порядка 3 мг/л) вод преобладают неорганические комплексы цинка, что характерно и для других металлов.
Для свинца характерным свойством является его способность к комплексообразованию. В отсутствие органических лигандов доминирующей формой свинца (II) является гидроксокомплекс PbOH+ (до 55 %), а также его карбонатные (до 45 %) и гидрокарбонатные комплексы (до 36 %). Концентрация незакомплексованных ионов Pb2+ достаточно низкая. Введение в систему органических лигандов оказывает весьма существенное влияние на поведение Pb (II).
Для кадмия, также как и для других микроэлементов, хорошо выражено комплексообразование, что можно увидеть по результатам, приведенным в табл. 2. Доминирующей в рассматриваемых условиях является форма CdCO3 (до 82 %), хотя значительная часть кадмия представлена незакомплексованными ионами Cd2+. Ощутимый вклад вносят его гидрокарбонатные комплексы. Гидроксоком-плекс кадмия, в отличие от свинца, вносит незначительный вклад в общий баланс. Связывание ионов Cd2+ гумусовыми веществами в пресных водах со средними показателями их содержания в целом мало характерно [5].
Как показывают результаты расчетов, доля незакомплексованного иона Li+ составляет как для подземных, так и для поверхностных вод в среднем около 40 % при максимальных 70 %, наибольший же клад в общий баланс вносит его карбонатный
комплекс Li2C03, вплоть до 91,5 %, характеризующийся слабой растворимостью.
Что касается такого катионогенного элемента как стронций, то в земной коре и подземных водах он является геохимическим аналогом кальция. Стронций, как и кальций (что было показано ранее), является слабым комплексообразователем. Расчеты показали, что основные состояния стронция в маломинерализованных водах представлены 8г2+ (более 90 %), (8гИС03)+, 8гС03. По мнению С.Р. Крайнова и других авторов [1], последние две формы в маломинерализованных водах могут иметь значение только в карбонатных водах при рИ более 8,5. Но даже в таких водах значимость этих карбонатных форм не высока и в условиях исследуемой территории не превышает 10 %.
Основной миграционной формой бария (металла, по своим свойствам особенно близкий к кальцию и стронцию) является также катионная форма (более 85 %) и небольшую долю дают гидрокарбонатные (около 10 %) и карбонатный комплексы.
Следует отметить, что не учтенные нами взаимодействия ионов раствора с органическими соединениями также могут влиять как на формирование форм миграции элементов, так и на процессы минералообразования. Так, например, экспериментально установлено, что осаждение кальцита не происходит, если в растворе присутствуют фуль-вокислоты в концентрациях всего 2 мг/л. Еще одним следствием присутствия в растворе органических веществ является преимущественное связывание ими микроэлементов. В общем случае введение в систему органических лигандов приводит к уменьшению концентрации незакомплексованных ионов микроэлементов раствора [5], в то время как такие макрокомпоненты как кальций и магний образуют очень слабые по прочности соединения с органикой. Необходимо также добавить, что введенные при расчетах значения ^Кст органических комплексов металлов сильно меняют результаты расчета соотношения различных их форм.
Таким образом, расчет основных неорганических форм миграции химических элементов территории северной части Колывань-Томской складчатой зоны показал, что в изучаемых пресных водах основные химические элементы солевого состава вод мигрируют преимущественно в ионной форме или в форме нейтральных недиссоциирующих молекул, среди второстепенных форм миграции макроэлементов преобладают комплексы-ассоциаты с участием доминирующих анионов ИС03-, С032-. Микроэлементы, наряду с ионной формой, мигрируют в основном с гидрокарбонатными, карбонатными и гидроксокомплексами.
Работа выполнена при финансовой поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013годы». ГК 11.519.11.6044от 20.06.2012.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты. -М.: Наука, 2004. - 677 с.
2. Колубаева Ю.В., Шварцев С.Л., Копылова Ю.Г. Геохимия вод северной части Колывань-Томской складчатой зоны // Известия вузов. Геология и разведка. - 2010. - № 2. - С. 50-58.
3. Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии / под ред. С.Р. Крайнова. - М.: Недра, 1988. -254 с.
4. Гаррелс Р.М., Крайст Ч.Л. Растворы, минералы, равновесия. -М.: Мир, 1968. - 368 с.
5. Линник П.Н., Набиванец Б.И. Формы миграции металлов в пресных поверхностных водах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1986. -272 с.
6. Букаты М.Б. Разработка программного обеспечения для решения гидрогеологических задач // Известия Томского политехнического университета. - 2002. - Т. 305. - № 6. - С. 348-356.
7. Алексеев В.А. и др. Геологическая эволюция и самоорганизация системы вода-порода. Т. 1. Система вода-порода в земной коре: взаимодействие, кинетика, равновесие, моделирование. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. - 244 с.
8. Перельман А.И. Геохимия природных вод. - М.: Наука, 1982. -154 с.
9. Leckie J.O., Davis J.A. Aqueous environmental chemistry of copper / In: Copper in the environment. P. 1. Ecological cycling / Ed. J.O. Nriagu. - N.Y.: Wiley-Interscience publ., 1979. - Р 89-121.
10. Wilson D.E. An equilibrium model describing the influence of hu-mic materials on the speciation of Cu2+, Zn2+ and Mn2+ in freshwa-ters // Limnol. Oceanogr. - 1978. - V. 23. - № 3. - Р 164-170.
Поступила 09.08.2012 г.
УДК 556.314
РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В ПРИРОДНЫХ ВОДАХ ХАКАСИИ
Н.В. Гусева, Ю.Г. Копылова, С.К. Леушина
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Исследована распространенность редкоземельных элементов в природных водах Хакасии (Ширинский район). Выявлено влияние физико-химических показателей вод на особенности поведения редкоземельных элементов. Установлены уровни накопления элементов в озерных, речных и подземных водах. Предложен новый подход к нормированию содержаний редкоземельных элементов в водах по кларкам гидросферы.
Ключевые слова:
Редкоземельные элементы, Хакасия, озера, реки, подземные воды.
Key words:
Rare earth elements, Khakassia, lakes, rivers, groundwater.
Введение
Благодаря своим свойствам, а также согласованному химическому поведению, редкоземельные элементы (РЗЭ) считаются важными микрокомпонентами в изучении различных геологических процессов, а именно генезиса магматических горных пород, эволюции коры и мантии, основанном на предположении, что эти элементы «неподвижны» во время метаморфических процессов. Хотя ряд исследований показывает, что в некоторых условиях РЗЭ растворимы и подвижны, особенно в гидротермальной среде, а также и при процессах выветривания [1].
В настоящее время поведение редкоземельных элементов в природных водах является объектом детальных исследований. Интерес к распространенности РЗЭ в природных водах связан с возможным использованием их в качестве индикаторов геохимических процессов, что требует понимания особенностей миграции и законов фракционирования отдельных редкоземельных элементов. Однозначная интерпретации поведения РЗЭ в при-
родных водах осложняется различными процессами, такими как формирование водных комплексов, коллоидный транспорт, ионный обмен и адсорбция, что приводит к фракционированию этих элементов в водных растворах по сравнению с материнской породой [2].
Исследованию химического состава природных вод Хакасии посвящено большое количество работ [3-6], но в них практически не затронуты вопросы особенностей поведения редкоземельных элементов, что во многом связано с отсутствием на тот момент необходимой аналитической базы. Благодаря использованию современного аналитического оборудования, обладающего достаточной чувствительностью для определения даже очень низких концентраций элементов непосредственно из раствора, у исследователей появилась возможность изучать распространенность широкого спектра микроэлементов, в том числе и редкоземельных.
Основной целью данной работы является исследование распространенности редкоземельных элементов в природных водах Хакасии.
