CC BY
69
УДК 550.46:553
В. Н. Удачин 4, П. Г. Аминов 4, В. В. Дерягин 2
Химический состав техногенных вод в карьерных озерах Башкортостана
1 Институт минералогии УрО РАН 456317, г. Миасс Челябинской области, Ильменский заповедник. Тел. (3513)570659 2 Челябинский государственный педагогический университет 454080 г. Челябинск, пр. Ленина, 69. Тел. (3512)720924
Исследован химический состав воды в карьерных озерах Маканское и Куль-Юрт-Тау, сформировавшихся после отработки колчеданных месторождений. Определено, что воды карьерного озера Куль-Юрт-Тау являются кислыми с рН 2.9 и высоким содержанием металлов. В этом озере хорошо проявлены процессы стратификации с четко выраженным оксиклином, который контролирует содержание растворенного Fe и взвешенных веществ. Воды карьерного озера Маканское имеют среднее значение рН 4.2 и высокие содержания растворенных Al, Mn, Zn при отсутствии оксиклина.
Ключевые слова: карьерные озера, колчеданные месторождения, стратификация, тяжелые металлы.
После завершения эксплуатации месторождений открытым способом в условиях прекращения карьерного водоотлива в течение короткого отрезка времени котловина карьера заполняется трещинными напорными водами. В общей структуре приходной части водного баланса подземные воды играют основную роль в формировании аквальных систем техногенного происхождения. В мировой литературе за карьерными озерами прочно закрепился термин «pit lakes» (от «open pit» — карьер и «lake» — озеро) 1-8. В последние годы термин «карьерные озера», отражающий и генезис и особенности формирования, нашел отражение и в отечественных публикациях 9 10. Как правило, в связи с большими объемами водных масс, высокими концентрациями тяжелых металлов карьерные озера представляют собой объекты с высокой степенью экологического риска. Изучение особенностей формирования и условий функционирования карьерных озер имеет важное значение как для познания гидрохимии техногенных систем, так и для разработки технологических мероприятий по реабилитации горнопромышленных ландшафтов 11.
Объектами исследования являлись два карьерных озера на территории Башкортостана:
Дата поступления 10.09.08
Маканского медно-цинкового колчеданного месторождения и серноколчеданного месторождения Куль-Юрт-Тау. Маканское месторождение расположено в 6 км восточнее пос. Бурибай в Хайбулинском районе Башкортостана. Оно было открыто в 1961 г. и неглубоко залегающие рудные тела отрабатывались карьером в период с 1963 по 1981 гг. В 1982 г. верхняя отметка уреза воды карьерного озера достигла уровня зеркала подземных вод и формирование Маканского карьерного озера было завершено.
Месторождение Куль-Юрт-Тау расположено в 5 км севернее районного центра — г. Баймак. Золотоносные бурые железняки зоны окисления месторождения эпизодически разрабатывались еще в конце XIX в. Как собственно колчеданное месторождение Куль-Юрт-Тау разведывалось и в незначительных объемах разрабатывалось в 1950-ые гг. После доразведки в 1975 г. основной объем серноколчеданных руд отрабатывался карьером с 1979 по 1988 гг. Карьерное озеро было сформировано в 1990 г.
Отбор проб воды на карьерных озерах Маканское и Куль-Юрт-Тау выполнен в течение двух климатических оптимумов — ранней весной (27 марта) при ледоставе и в середине лета (7 июля) 2007 г. Измерения глубин выполнены по профилям с расстоянием точек замеров на профилях через 5 м (ультразвуковой эхолот «^агшіп») и по результатам составлены схемы батиметрии котловин карьерных озер. Максимальная глубина карьерного озера Ма-канское составляет 43 м, карьерного озера Куль-Юрт-Тау — 41 м.
Часть физико-химических параметров (рН, ЕЬ, растворенный кислород, электропроводность, температура) фиксировалась на месте отбора проб. Замеры рН и ЕЬ выполнены рН-милливольтметром «Уок^а'№а-82» (Япония). Концентрации рас-творенного кислорода и температуры фиксировались через 1 м до глубины 20 м оксиметром-термометром
«Hanna-9300» (Португалия) в режиме температурной компенсации при измерении кислорода. Электропроводность измерялась кондук-томером «Hanna-Instrument» (Португалия). В участках максимальных глубин батометром Молчанова на всю глубину водной колонны в карьерных озерах были отобраны гидрохими-чесике пробы: в карьерном озере Маканское в два климатических оптимума 16 проб; в карьерном озере Куль-Юрт-Тау 15 проб. Пробы воды помещались в 1.5-литровые емкости из полипропилена, дважды сполоснутые 0.5н HNO3 и деионизированной водой (установка «Millipore», США). В течение суток пробы были доставлены в стационарную лабораторию для выполнения анализа анионно-катионного состава и концентраций микроэлементов.
Анализ катионов и анионов выполнялся в соответствии с традиционными методами гидрохимического анализа: сульфаты гравиметрическим методом осаждением с BaCl2; хлориды титрованием с AgNO3; гидрокарбонат-ион тит-риметрией; Ca, Mg, а также высокие концентрации Cu, Zn, Fe, Al атомно-абсорбционным методом в режиме ацетилен-воздух (атомноабсорбционный спектрофотометр «Perkin Elmer 3110», США); K и Na в эмиссионном режиме на этом же спектрофотометре; микроэлементы методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (масс-спек-трометр ELAN 9000, США). Во всех химико-спектральных методах для калибровки использовали одноэлементные растворы фирмы Merck (Германия) и мультиэлементные фирмы Perkin Elmer. Относительное стандартное отклонение при определении большинства элементов не превышало 0.03%. Все аналитические исследования выполнены в Центре коллективного пользования по анализу минерального сырья Института минералогии УрО РАН, г. Миасс (аттестат аккредитации № РОСС ru. 0001.514536) и лаборатории физико-химических методов исследований Института геологии и геохимии им. А. Н. Заварицкого УрО РАН (аттестат аккредитации № 001544).
По величине водородного показателя карьерное озеро Куль-Юрт-Тау относится к кислым с колебаниями величины рН от 2.50 до 2.57. Воды карьерного озера Маканское относятся к слабокислым с рН от 4.20 до 4.31 (табл. 1 и 2). Распределение физико-химических параметров по глубине карьерных озер наиболее контрастно проявляется при анализе температуры и кислорода. В летний период в толще воды карьеного озера Куль-Юрт-Тау отмечается ярко выраженный прямой термо-
клин (интервал резкого, скачкообразного изменения температуры) с максимумом температуры от 19 до 14 оС в первых 4 м толщи воды, а ниже этой глубины температура в карьерном озере находится в пределах 5 оС (рис. 1). В зимний период температура подледной воды не превышает 1 оС, а ниже слабо проявленного обратного термоклина диапазон колебаний составляет от 3.5 до 4.8 оС (рис. 1). Характер распределения растворенного кислорода однотипен для контрастных климатических сезонов и определяется резким падением концентраций с 7—7.5 мг/л на 4 м до 1.5—1 мг/л с 7.5 м. Таким образом, в диапазоне глубин с 4 по 7.5 м в карьерном озере Куль-Юрт-Тау наблюдается четко выраженный и контрастный по значениям оксиклин. Распределение химических элементов в вертикальной колонне воды характеризуется четко выраженным увеличением содержания Fe в интервале глубин от 8 до 10 м (рис. 1). На этом интервале происходит увеличение концентраций Fe в 3.3 раза. Вторым элементом, концентрации которого увеличиваются на этом интервале в 2.5 раза, является Co (табл. 1). Очевидным отличием распределения физико-химических показателей в водах карьерного озера Куль-Юрт-Тау, по сравнению с ранее описанными карьерными
1 4-6 10
озерами , является несовпадение
по глубинам термоклина и области резкого изменения химического состава — хемоклина.
В карьерном озере Маканское летний термоклин значительно «растянут» и фиксируется летом в интервале между 3 и 10.5 м (рис. 2). Изменение температурного режима происходит при падении температуры от 21 оС выше термоклина до 5.5 оС ниже термоклина. Распределение кислорода в водах Маканского карьерного озера равномерно возрастает от 9 мг/л в верхней части колонны воды до 11 мг/л летом и плавно понижается от 11 до 9.5 мг/л зимой. Таким образом, в этом карьерном озере, независимо от климатического периода, отсутствует оксиклин. Распределение содержаний химических элементов по вертикали при отсутствии оксиклина носит равномерный характер (рис. 2, табл. 2)
Сопоставление формул Курлова, отражающих химизм фоновых вод в области дренирования и вод карьерных озер свидетельствует о глубокой трансформации химического состава вод в условиях техногенеза. В большей степени это относится к водам карьерного озера Куль-Юрт-Тау, в меньшей — Маканского. Если для фоновых вод р. Таналык характерен гидрокарбонатный кальциевый тип вод (1),
Результаты химического анализа вод карьерного озера Куль-Юрт-Тау
Номер пробы
Р 274 Р 274/1 Р 274/2 Р 274/3 Р 274/4 Р 274/5 Р 274/6 Р 274/7
1 м 4 м 8 м 16 м 25 м 33 м 37 м 40 м
Физико-химические параметры и анионно-катионный состав (мг/л)
рН 2.55 2.50 2.50 2.54 2.57 2.53 2.52 2.55
БИ, тУ 600 595 525 470 465 465 470 460
Y, ^Б 2630 2645 2890 3130 3400 3820 3915 3980
Т, єС 0.8 1.2 3.0 3.8 4.2 4.7 4.9 4.9
02 8.2 7.8 0.8 0.5 0.4 0.4 0.5 0.5
ИСОэ" — — — — — — — —
БО42' 1870 1850 1885 1950 2070 2055 2080 2170
С!' 28.4 31.2 23.7 25.5 21.4 17.6 18.4 19.0
Са 161 187 185 193 202 206 203 209
Мд 63 65 70 71 74 78 79 82
К 0.92 0.92 0.95 0.90 0.96 3.39 3.48 3.90
Ыа 33.7 35.1 34.8 34.8 37.2 39.6 41.4 50.6
Микроэлементы (мкг/л)
и 23.5 25.1 24.7 31.4 34.0 40.8 42.6 47.1
А! 39640 38445 42065 42150 46230 49350 54830 58440
Бс 16.1 16.0 15.7 15.8 14.7 11.9 12.4 12.2
V 0.75 0.64 1.18 1.40 1.32 1.95 2.56 2.61
Сг 14.0 15.0 12.7 17.2 16.9 28.1 36.9 38.3
Мп 2051 1985 2284 2265 3117 3500 3726 4628
Бе 70344 79373 87390 294560 321472 364155 395610 392138
Со 183 236 242 590 675 683 708 711
І\ІІ 196 167 195 211 237 232 242 240
Си 2045 2267 2352 2200 2178 2243 2511 2479
гп 2357 2624 2423 2318 3058 3103 3188 3211
0а 1.0 1.1 1.4 1.4 1.4 1.1 0.8 0.9
0е 0.19 0.22 0.24 0.30 0.27 0.26 0.24 0.29
Аэ 5.3 5.8 5.5 6.8 6.1 5.9 5.7 11.4
Бе 68.3 81.3 79.4 50.8 47.6 42.1 45.9 50.6
РЬ 4.5 5.7 6.2 11.9 14.2 14.2 15.1 14.7
Бг 811 924 905 1122 1231 1264 1263 1610
У 40.7 43.4 43.9 47.0 46.7 48.4 47.8 49.0
гг 0.10 0.10 0.10 0.12 0.15 0.19 0.22 0.22
ЫЬ 0.009 0.008 0.009 0.010 0.010 0.011 0.011 0.010
Мо 1.4 1.7 1.5 1.9 1.9 1.6 1.7 2.9
Сс1 10.2 12.9 11.7 12.0 14.1 12.0 11.6 12.8
Бп 0.016 0.020 0.019 0.019 0.018 0.017 0.017 0.020
БЬ 0.008 0.010 0.019 0.024 0.027 0.026 0.028 0.027
Те 3.07 3.28 3.60 3.48 3.49 3.17 3.27 2.88
Сэ 0.17 0.16 0.95 0.88 0.94 0.92 0.98 1.15
Ва 7.0 6.5 4.1 4.7 5.3 4.8 6.2 5.7
1_а 58.1 54.7 45.4 43.8 43.3 41.8 43.7 45.6
Се 124 119 103 106 110 105 102 107
Рг 17.2 14.9 12.6 12.9 12.6 11.3 11.7 11.6
ЫС 58.4 58.0 61.5 62.4 62.4 60.7 63.0 61.5
Бт 12.8 12.7 13.4 13.8 14.4 13.9 14.6 15.1
Би 1.7 1.5 1.8 1.4 1.7 1.7 1.6 1.5
0С 12.9 13.7 13.6 13.2 13.8 14.1 14.0 13.7
ТЬ 1.3 1.5 1.5 1.5 1.7 1.6 1.8 1.8
□у 7.6 7.9 8.5 8.3 8.8 8.1 8.7 9.0
Но 0.5 0.7 0.6 0.6 0.6 0.7 0.7 0.7
Бг 1.1 1.1 1.2 1.6 1.9 1.8 1.8 1.8
Тт 0.38 0.38 0.37 0.39 0.37 0.36 0.37 0.40
УЬ 0.4 0.5 1.3 1.1 1.5 1.5 1.5 1.3
1_и 0.12 0.12 0.12 0.14 0.12 0.15 0.14 0.14
Т! 0.3 0.3 0.9 0.9 0.7 0.8 0.7 0.9
РЬ 4.0 3.5 10.9 10.9 11.1 10.0 9.4 9.6
ВІ 2.3 2.3 1.9 2.0 2.3 2.4 2.3 2.7
ТИ 2.5 2.6 1.5 1.3 1.6 1.6 1.5 1.1
и 15.7 15.5 12.4 12.3 11.6 11.2 11.6 10.8
Результаты химического анализа вод карьерного озера Макан
Номер пробы
Р 273 Р 273/1 Р 273/2 Р 273/3 Р 273/4 Р 273/5 Р 273/6 Р 273/7
1 м 5 м 12 м 18 м 27 м 35 м 41 м 45 м
Физико-химические параметры и анионно-катионный состав (мг/л)
рН 4.22 4.20 4.28 4.25 4.30 4.24 4.29 4.31
БИ, тУ 420 430 425 425 435 430 425 420
Y, ^Б 4290 4295 4285 4290 4290 4280 4290 4290
Т, єС 0.8 2.1 2.1 2.1 2.1 2.1 2.2 2.6
02 11.2 11.5 10.8 10.6 10.5 10.4 10.0 9.5
НСОэ' 9.15 9.10 7.05 6.82 6.14 6.12 6.07 6.08
БО42' 2230 2218 2216 2197 2200 2245 2274 2288
С!' 375.8 372.4 376.7 378.3 382.8 379.2 381.5 385.4
Са 326.3 340.1 331.6 342.5 348.5 340.7 334.2 348.0
Мд 214.8 205.3 211.7 209.0 207.5 206.1 211.2 215.4
К 6.5 7.6 7.3 7.6 7.6 6.9 7.5 7.8
Ыа 375.2 381.4 387.5 379.1 368.0 379.9 370.3 368.4
Микроэлементы (мкг/л)
и 13.9 14.4 13.5 14.0 14.7 14.3 15.5 16.5
А! 25355 24710 23205 22535 22480 22400 22110 21672
Бс 6.3 6.3 5.8 5.8 5.5 6.0 6.3 5.9
V 1.8 2.0 2.2 2.0 2.4 2.1 2.2 2.2
Сг 4.0 3.8 4.7 3.9 3.9 4.0 3.7 5.3
Мп 14476 13381 14055 13872 13100 13744 14034 14118
Бе 14765 14683 14522 13871 14906 12832 10864 12885
Со 249 253 255 270 254 261 260 255
ІМІ 442 244 311 284 265 260 268 210
Си 10321 10445 10376 10612 10296 9978 10203 10745
гп 10408 8190 8344 8690 8543 8295 8751 8869
0а 0.6 0.7 0.6 0.6 0.6 0.6 0.7 0.7
Аэ 4.1 4.0 5.3 3.0 3.7 3.1 3.9 9.4
Бе 1.9 1.6 1.0 1.7 1.8 1.4 1.6 1.5
РЬ 0.2 0.2 0.2 0.2 0.1 0.1 0.2 0.2
Бг 2828 2908 27645 28100 2939 28350 2986 27465
У 67 68 67 67 68 69 69 72
Ад 2.7 2.7 2.3 1.9 2.6 2.0 2.3 2.1
СС 69 66 63 67 64 65 66 65
I п 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
Сэ 1.7 1.9 1.6 1.6 1.8 1.6 1.6 1.4
Ва 0.9 1.1 4.4 3.6 1.2 2.9 1.2 2.2
1_а 8 8 8 8 8 8 8 7
Се 37 38 34 38 37 33 39 37
Рг 0.26 0.25 0.26 0.30 0.18 0.26 0.21 0.23
ЫС 23.6 23.4 22.9 24.0 23.3 23.0 23.4 24.2
Бт 3.3 3.3 3.6 3.8 3.4 3.6 3.4 4.0
Би 0.11 0.12 0.12 0.12 0.12 0.12 0.12 0.12
0С 7.9 7.9 7.5 7.5 7.6 7.3 7.8 7.0
ТЬ 0.07 0.07 0.08 0.08 0.07 0.08 0.08 0.07
□у 7.4 7.5 6.9 7.1 7.2 7.0 7.4 7.2
Но 0.05 0.07 0.06 0.06 0.06 0.07 0.07 0.06
Бг 1.1 1.1 1.0 1.0 0.9 1.1 1.0 1.0
Тт 0.08 0.08 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07 0.07
УЬ 0.04 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05 0.05
1_и 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02
Т! 0.8 0.7 0.07 0.07 0.7 0.07 0.7 0.07
РЬ 4.0 3.5 3.9 3.8 4.1 4.1 4.4 4.3
ВІ 2.3 2.3 1.8 1.9 2.3 2.1 2.3 2.7
ТИ 5.5 5.6 5.5 5.2 5.6 5.8 5.5 5.4
и 1.7 1.5 1.5 1.5 1.6 1.5 1.6 1.5
Рис. 1. Схема распределения физико-химических параметров в вертикальном разрезе карьерного озера Куль-ЮртТау
Рис.2. Схема распределения значений физико-химических параметров в вертикальном разрезе карьерного озера Макан
Рис. 3. Химический состав вод карьерных озер, нормированный на средний состав поверхностных вод мира (по Martin and Whitfield, 1983).
М 0
HCQ3- 74.3 SO4 18.7C/ - б.9
Са2+ 64.8М^2+ 28.3#а + 6.8
то в карьерном озере Куль-Юрт-Тау он отвеча ет сульфатному железо-кальциево-магниево алюминиевому (2), а в карьерном озере Ма канское сульфатному кальциево-магниево-на триево-алюминиевому (3),
нены при финансовом содействии РФФИ (про-(1) ект № 07-05-96024-р_урал_а), интеграционного проекта УрО—СО РАН «Геохимия окружающей среды горнопромышленных ландшафтов Сибири и Урала», Министерства образования и науки РФ (проект РНП 2.1.1.8) и программы поддержки научных исследований Южно-Уральского государственного университета.
М
SQ2- 98.6c/ -1.3
Fe2+ 44.6Ca2+ 26.2Mg2+15.8 A/3+13.4
SQ2~ 80.9C/ -19.1
353 Єа2+ 328Mg2+ 32.3Ыа+ 30.2Л/Ъ+ 4.6 (3)
Таким образом, по сравнению с фоновыми водами в водах карьерных озер наблюдается глубокая техногенная трансформация химического состава.
Степень аномальности химического состава карьерных вод Куль-Юрт-Тау и Маканско-го демонстрируется рис. 3, на котором отражен ряд основных микроэлементов, нормированных на средний состав вод рек мира. Максимальной степенью аномальности (с коэффициентом концентрации от 100 до 7 000) характеризуются Си, С^ Мп, Бе, Со, N1, А1, Fe, Zn, а минимальной (от 2 до 10) — Ав и V.
Авторы благодарят А. С. Кайгородова и С. А. Шумских за помощь в выполнении полевых работ по отбору проб, Л. Г. Удачину и Д. В. Киселеву за выполнение анализов гидрохимических проб. Исследования выпол-
Литература
(2) 1. Bachmann T. M., Friese K., Zachmann D. W. //
J. Geoch. Explor.— 2001.— V. 73.— P. 75.
2. Castendyk D., Webster-Brown J. D. // Chem. Geology.- 2007.- V. 244.- P. 42.
3. Castendyk D., Webster-Brown J. D. // Chem. Geology.- 2007.- V. 244.- P. 56.
4. Denimal S., Bertrand C., Mudry J., Paquette Y., Hochart M., Steinmann M. // Appl. Geochem.-2005.- V. 20.- P. 825.
5. Pellicori D. A., Gammons C. H., Poulson S. R. // Appl. Geochem.- 2005.- V. 20.- P. 2116.
6. Ramstedt M., Carlsson E., Lovgren L. // Appl. Geochem.- 2003.- V. 18.- P. 97.
7. Rolland W., Wagner H., Chmielewski R., Grunewald U.//J. Geoch. Explor.-2001.-V. 73.-P. 97.
8. Kohfahl C., Greskowiak J., Pekdeger A. // Appl. Geochem.- 2007.- V. 22.- P. 1.
9. Филиппова К. А., Дерягин В. В. // Водные ресурсы.- 2005.- №4.- С. 470.
10. Удачин В. Н., Дерягин В. В. Процессы формирования состава воды в двух карьерных озерах Южного Урала // Школа эколог. геологии и рацион. недропользования. Матер. II межвуз. конф. СПб.: Изд-во СПбГУ.- 2001.- С. 100.
11. Castro J. M., Moore J. N. // Environ. Geol.-2000.- V.39.- № 11.- P. 1254.
