CC BY
54
УДК 556.551
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ВОД САПРОПЕЛЕВЫХ ОЗЕР ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ
П.В. Бернатонис, Ю.Г. Копылова, В.К. Бернатонис, В.С. Архипов, В.Г. Меркулов
Томский политехнический университет E-mail: bpv@tpu.ru
Исследован химический состав вод сапропелевых озер южной части Томской области, выявлены закономерности поведения химических элементов в ультрапресных и пресных водах восстановительной геохимической обстановки, что наиболее отчетливо проявляется по характеру распределения в них железа.
Ключевые слова:
Cапропель, химический состав вод, кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия вод, характер геохимической среды.
Key words:
Sapropel, chemical water composition, alkali acidand oxidation-reduction water conditions, geochemical environment behavior.
Введение
Первичная биопродуктивность озер зависит от соотношения общей биомассы и ежегодной продукции органического вещества в таежных ландшафтах и определяется характером геохимических процессов формирования макро- и микрокомпонентного состава вод [1]. Такие элементы как С, 8, К, Р и ряд других определяют характер биохимических процессов в водоемах. Лимитирующим фактором фотосинтеза в озерных биоценозах является концентрация фосфора. Каталитический эффект на фотосинтез оказывают Си, Со, Бе, Мо, V, Мп, 2п и некоторые другие элементы [2]. Электролитический баланс тканей поддерживают N8, К, Са, М§ и С1. Кремний и кальций используются растениями и животными на построение минерального скелета [3]. Токсичные элементы (Щ, РЬ, БЬ, Сё, Аз, Т1 и др.) подавляют биологическую активность в водоемах. Химические элементы, усваиваемые зоо- и фитопланктоном, поступают в пищевые цепи и, в конечном счете, накапливаются в са-пропелях, определяя, наряду с другими параметрами, их потребительские свойства.
Методика исследований
Исследования химического состава вод выполнены на 20 озерах Томской области (табл. 1), расположенных в поймах рек Оби, Томи, Чулыма, Кии, Шегарки и Чети. На каждом озере потенцио-метрическим методом определяли рН, ЕЙ и электропроводность вод. Пробы отбирали из приповерхностных слоев водоемов в специально подготовленную полиэтиленовую или стеклянную посуду. При отборе проб применяли методы консервирования быстро меняющихся компонентов воды: для определения окисляемости перманганатной добавляли 4 мл Н2Б04 конц. на 200 мл Н2О; натрия, калия, лития и стронция - 1 мл НК03 конц. на 100 мл Н2О; железа общего - 1 мл НК03 конц. на 100 мл Н2О; алюминия - 1 мл НС1 конц. на 200 мл Н2О; аммония, нитритов, нитратов и полифосфатов - 2 мл хлороформа на 500 мл Н2О; свинца, меди, цинка и кадмия - 1 мл НК03 конц.
на 200 мл Н2О; ртути - 0,5 мл конц. и 0,25 мл 4% К2Сг207 на 50 мл Н2О; ХПК - 0,1мл Н2Б04 конц. на 50 мл Н2О.
Анализы вод выполнены в аккредитованной проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии Томского политехнического университета В.М. Марулевой, А.А. Хващевской,
A.Н. Ефимовой, Р.Ф. Зарубиной, Н.И. Шердако-вой и Н.А. Трифоновой. Определение компонентов вод осуществляли методами титриметрии (С02, С032-, НС03-, Б042-, С1-, Са2+, М§2+, ХПК, Сорг., пер-манганатная окисляемость, общая жесткость), фотоколориметрии (Бе, А1, КН4+, Р043-, Б1, К02-, К03-, цветность), пламенной атомной абсорбции (N8, К, Ы, Бг), потенциометрии (I, Вг, Б), беспламенной атомно-абсорбционной спектрометрии по способу «холодного пара» (Щ), инверсионной вольтамперометрии (РЬ, Си, 2п, Сё), атомно-эмиссионной спектроскопии водных концентратов на гидроокиси алюминия - метод «ТПИ» (А§, N1, Аз, Бп, Мо, Т1, V, Мп), инструментального ней-тронно-активационного анализа сухих остатков вод (Бт, Се, и, ТЪ, Сг, УЬ, Ва, Бг, Сз, ЯЬ, Бс, Та, Со, Еи, Ьа, БЬ) в НИИ ядерной физики при Томском политехническом университете (исполнитель
B.Г. Меркулов).
Химический состав озерных вод
Воды озер характеризуются преимущественно слабощелочными и щелочными условиями геохимической среды (рН 6,88...8,46). Лишь в озерах АСС-48, АСС-65, АСС-14, КОС-16, ТОС-3 и КРС-36 отмечается нейтральная реакция среды. Кислотно-щелочные свойства воды определяют преобладание гидрокарбонат-иона среди всех составляющих углерода. Содержание свободной углекислоты в водах колеблется от 3,52 до 7,04 мг/л. С увеличением рН связано появление в водах карбонат-иона.
Минерализация вод изменяется от 72 до 533 мг/л, составляя в среднем 251 мг/л. Электропроводность вод варьирует от 0,079 до 0,512 мСм/см. По химическому составу воды озер гидрокарбонатные кальцие-
Таблица 1. Характеристика исследованных озер
№№ п.п. Название водоема Шифр озера Географические координаты Площадь водоема, га
Асиновский район
1 Без названия АСС-14 57о15/41.3//с.ш. 85о55/23.7// в.д 4,8
2 Озеро Чертаны (местное) АСС-15 57о93/31.9//с.ш. 85о41/20.7// в.д 6,0
3 Озеро Тургайское АСС-26 57о21/31.8// с.ш. 85о52/44.7// в.д. 10,0
4 Озеро Большое Колесниково АСС-48 57о19/04.9// с.ш. 85о54/33.4// в.д. 4,0
5 Озеро Каштык АСС-65 57о01/46.5// с.ш. 86о11/16.5// в.д. 52,0
Томский район
6 Озеро Боярское ТОС-1 56о27/05.0// с.ш. 84о55/05.7// в.д. 6,8
7 Озеро Песчаное ТОС-3 56о26/22.3// с.ш. 84о55/00.5// в.д. 2,5
8 Озеро Таяново ТОС-9 56о28/02.0//с.ш. 84о53/45.1// в.д. 16,5
Кожевниковский район
9 Без названия КОС-1 56о25/15.8// с.ш. 83о53/59.6// в.д. 6,0
10 Пруд на р. Кумлова КОС-16 56о03/11.4// с.ш. 83о44/14.0// в.д. 80,0
11 Озеро Линево КОС-26 56о44/56.9// с.ш. 83о38/24.12// в.д. 30,0
Зырянский район
12 Старица реки Четь ЗЫС-13 56о52/48.5//с.ш. 87о50/16.1// в.д. 14,0
13 Без названия ЗЫС-25 56о37/33.9// с.ш. 86о52/06.5// в.д. 8,0
14 Озеро Марчиха ЗЫС-40 56о49/18.2// с.ш. 87о41/06.5// в.д. 146,0
Кривошеинский район
15 Без названия КРС-23 57о08/15.2// с.ш. 83о58/16.0// в.д. 2,40
16 Без названия КРС-36 57о12/08.9// с.ш. 84о18/15.4// в.д. 6,0
17 Без названия КРС-42 57о10/50.7// с.ш. 84о21/05.5// в.д. 40,0
Шегарский район
18 Озеро Жарково ШЕС-3 56о40/40.0// с.ш. 84о15/40.2// в.д. 80,0
19 Без названия ШЕС-18 56о30/17.6// с.ш. 84о00/36.7// в.д. 12,0
20 Без названия ШЕС-19 56о29/55.9// с.ш. 84о00/00.9// в.д. 2,5
во-магниевые с присутствием сульфат-иона в количествах до 17экв. % и хлор-иона - до 11 экв. % (табл. 2). Увеличение концентраций хлора до 11,36...21,3 мг/л обязано, вероятнее всего, процессам загрязнения вод (озера ШЕС-3 и ЗЫС-13).
С ростом минерализации вод наблюдается увеличение рН и содержаний гидрокарбонат-иона, кремния, кальция, магния и натрия. Общая жесткость вод варьирует от 0,4 до 6,2 мг-экв/л. Для калия, как биофильного элемента, характерно снижение концентраций с ростом минерализации озерных вод. Алюминий обнаружен в маломинерализованных водах с рН около 7 и в водах с минерализацией более 300 мг/л при рН 7,4.8,6 в концентрациях от 0,060 до 0,135 мг/л. В этих водах его содержания превышают предельно-допустимые концентрации для рыбохозяйственных водоемов. Концентрации кремния в водах озер увеличиваются с ростом их минерализации и изменяются от 0,189 до 9,72 мг/л.
Геохимическая среда в водах озер характеризуется значениями ЕЙ от -82 до +237 мВ. Повышенные величины рН, значительные содержания различных органических веществ и наличие сульфат-редуцирующих бактерий, приводящих к появлению восстановительной обстановки, создают довольно специфические условия для миграции микрокомпонентов в озерных водах. В этих условиях [4-6] наиболее подвижны элементы, способные к
комплексообразованию с органическими соединениями (гуминовыми и фульвовыми кислотами, аминокислотами и др.). Металлоорганические комплексы сравнительно устойчивы и выпадают в осадок лишь в тех случаях, когда наблюдается смена геохимической обстановки, в том числе и при смешении озерных вод с подземными или поверхностными водами.
Геохимическая обстановка в озерах наиболее отчетливо влияет на поведение в них железа. В целом его концентрации изменяются от 0,17 до 4,35 мг/л. Значения ЕЙ при этом увеличиваются от -82 до +86 мВ. При отрицательных значениях ЕЙ железо обычно присутствует в водах в меньших количествах (до одного мг/л). При положительных значениях ЕЬ, околонейтральной среде и повышенных содержаниях органических веществ создаются благоприятные условия для нахождения железа в водах с минерализацией от 100 до 400 мг/л. Вместе с тем, в условиях окислительной среды при самом высоком значении ЕЙ в слабощелочных водах с относительно малым количеством органических веществ железо не обнаружено (в озере АСС-26).
Приведенные данные свидетельствуют о существенном влиянии органических веществ на миграцию железа. Они определяют характер геохимической обстановки и создают условия для его накопления в водах. Поэтому концентрации железа
Таблица 2. Химический состав вод сапропелевых озер южной части Томской области
Шифр озера pH Eh, мВ К, мСм/см Сорг., мг/л Содержание компонентов, мг/л М, мг/л Химический тип воды (по А.В. Щукареву)
СО2 своб. HCO3- CI- SO42- I Br F Na+ K+ Ca2+ Mg2+ ^общ. Si AI
ТОС-1 7,76 - 0,090 3,3 3,52 49,0 5,45 5,7 0,014 0,04 0,150 2,2 1,4 8 <0,10 0,29 0,189 <0,02 72 HCO371/Ca75
ЗЫС-25 7,80 160 0,079 27,3 3,52 61,0 2,00 5,0 0,011 0,06 0,099 0,6 2,9 8 3,66 0,51 0,567 <0,02 84 HCO377/Ca51 Mg38
АСС-48 7,20 141 0,095 10,1 3,52 6,0 0,75 11,0 0,010 0,01 0,062 1,0 1,2 10 1,22 2,46 0,670 <0,02 90 HCO374/Ca75
АСС-15 8,05 191 0,127 8,8 3,52 73,2 0,70 9,5 0,018 0,02 0,079 2,7 0,8 16 4,88 2,54 5,130 <0,02 111 HCO377/Ca60 Mg30
АСС-65 6,88 171 0,121 6,0 3,52 97,6 0,86 9,7 0,010 <0,01 0,099 2,5 1,5 10 3,66 1,56 1,620 <0,02 128 HCO383/Ca53 Mg32
АСС-14 7,06 86 0,141 18,3 7,04 97,6 1,50 12,5 0,014 0,02 0,093 2,2 2,6 20 7,32 4,35 1,890 0,060 149 HCO381/Ca57 Mg34
КОС-16 7,10 96 0,193 10,8 3,52 122,0 1,25 4,5 <0,010 <0,01 0,198 1,1 4,4 28 1,22 0,67 1,890 0,135 164 HCO391/Ca84
ТОС-3 7,27 - 0,190 14,2 3,52 122,0 2,65 12,5 0,017 0,02 0,198 4,6 2,5 16 3,66 0,51 2,090 <0,02 166 HCO381/Ca59 Mg22
АСС-26 8,21 237 0,220 4,1 <3,50 122,0 0,70 2,5 0,012 0,02 0,144 4,7 1,0 22 9,76 <0,10 6,350 <0,02 169 HCO384/Ca51 Mg38
КРС-36 7,07 -82 0,240 16,5 3,52 158,6 2,00 10,5 0,014 <0,01 0,150 4,2 2,7 32 7,32 0,17 4,050 <0,02 219 HCO387/Ca65 Mg25
КРС-42 8,10 32 0,264 16,1 <3,50 158,6 3,40 10,5 0,018 0,05 0,111 4,5 8,9 34 6,10 2,54 1,080 <0,02 233 HCO383/Ca65
ТОС-9 7,83 - 0,265 12,7 3,52 183,0 3,35 13,5 0,013 0,05 0,322 5,4 0,6 24 3,66 2,03 5,670 <0,02 237 HCO386/Ca68
КОС-26 8,46 119 0,227 15,0 <3,50 195,2 2,29 14,0 0,018 0,25 0,218 5,6 2,9 44 8,54 0,23 <0,500 <0,02 280 HCO382/Ca69 Mg22
ШЕС-19 7,40 66 0,340 16,1 3,52 231,8 0,85 6,0 0,012 0,02 0,315 7,2 2,2 44 14,64 0,39 0,490 0,113 309 HCO393/Ca58 Mg30
ЗЫС-40 8,46 119 0,392 37,5 <3,50 268,4 0,80 4,4 0,018 0,11 0,322 6,2 1,2 52 15,86 3,12 8,100 0,105 365 HCO388/Ca62 Mg31
ШЕС-3 7,65 169 0,468 8,4 <3,50 268,4 11,36 10,0 0,015 0,15 0,150 9,1 2,5 66 13,42 0,32 9,720 <0,02 388 HCO389/Ca68 Mg23
ЗЫС-13 7,76 190 0,356 7,5 <3,50 268,4 21,30 10,0 0,023 0,24 0,023 4,7 1,2 72 8,54 1,27 5,400 <0,02 391 HCO383/Ca80
ШЕС-18 8,03 -61 0,328 11,2 <3,50 305,0 0,60 2,0 0,014 0,07 0,028 6,7 1,0 70 14,64 <0,10 8,100 <0,02 413 HCO390/Ca70 Mg24
КОС-1 7,40 -43 0,512 4,5 7,04 439,2 1,50 4,0 0,013 0,03 0,150 7,9 1,4 56 12,20 0,87 7,560 <0,02 524 HCO397/Ca67 Mg24
КРС-23 7,98 35 0,460 8,2 <3,50 402,6 <0,50 2,0 0,013 0,15 0,396 8,2 1,4 92 19,52 0,31 7,290 <0,02 533 HCO397/Ca70 Mg24
Условные обозначения: К - электропроводность; М - минерализация.
в озерных водах повсеместно превышают ПДК для целей рыбохозяйственной деятельности и питьевого водоснабжения.
В водах сапропелевых озер обнаружен большой комплекс микрокомпонентов. Их концентрации в водах изменяются (мкг/л) в широких пределах: Ь1 от 1,0 до 11,0; Бг от 80,0 до 1150,0; I от <10,0 до 23,0; Вг от <10,0 до 250,0; Б от 23,0 до 396,0; гп от 4,0 до 40,0; N1 от <0,6 до 8,5; Т от 4,2 до 22,5; Мп от 4,2 до 73,0; Сг от <0,63 до 18,67 и Ва от 10,7 до 303,9. Содержания других микрокомпонентов, в том числе биологически активных (Си, Со, Мо, V и др.) и токсичных (И§, РЬ, БЬ, Сё, Аз и др.), низкие. Сравнительный анализ показывает, что большинство химических элементов присутствует в водах на уровне кларковых значений для речных вод (Бс, Мо, V, N1, Сё, Сз, Се, Бт, РЬ). В концентрациях ниже таковых находятся Со, Си, Аз, ЯЬ,
БЬ, ТИ, и. Превышают кларковые значения для речных вод содержания J, Бг, Т1, Ва, Ьа.
Выявлены тенденции увеличения содержаний Ь1, Бс, Вг, Б, Ьа и, особенно, Ва и Бг с ростом минерализации озерных вод. По содержанию микрокомпонентов создаются напряженные экологические условия для рыборазведения, поскольку в большинстве озер отмечено превышение предельно-допустимых концентраций Ь1, Мп, Щ, Сг, гп, Си, Мо и V
Выводы
1. Геохимическая обстановка в водах сапропелевых озер юга Томской области характеризуется значениями рИ от 6,88 до 8,46 и ЕИ от -82 до +237 мВ. Реакция среды обычно слабощелочная и щелочная, иногда нейтральная с окислительными условиями.
2. Повышенное содержание органических веществ и наличие сульфатредуцирующих бактерий приводят в редких случаях к появлению восстановительной обстановки, обуславливающей миграцию большинства химических элементов в водах в виде металлоорганических комплексных соединений.
3. По химическому составу воды озер гидрокарбонатные кальциево-магниевые с наличием сульфат- и хлор-ионов.
4. Минерализация вод колеблется от 72 до 533 мг/л. С ее ростом происходит повышение содержаний НС03-, 81, Са2+, М§2+, П, Бе, Вг, Б, Ьа, Ва и Бг.
5. По содержанию железа и некоторых микроэлементов (Ь1, Мп, Н§, Сг, 2п, Си, Мо и V) в водах большинства озер создаются неблагоприятные условия для рыборазведения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. - М.: Высшая школа, 1975. - 342 с.
2. Лепская Е.В. Влияние пепла вулкана Алаид на фитопланктон озера Курильского (Южная Камчатка) // Исследования биологии и динамики численности промысловых рыб Камчатского шельфа. - Петропавловск-Камчатский: Мин-во рыбного хозяйства, 1993. - Вып. 2. - С. 21-24.
3. Романкевич Е.А. Живое вещество Земли (биогеохимические аспекты проблемы) // Геохимия. - 1988. - № 2. - С. 292-306.
4. Бернатонис В.К. Роль органического вещества в процессах гипергенной миграции золота // Гидрогеохимические поиски месторождений полезных ископаемых / под ред. Е.В. Пиннекера. - Новосибирск: Наука, 1990. - С. 122-124.
5. Шварцев С.Л. Общая гидрогеология. - М.: Недра, 1996. -423 с.
6. Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Недра, 1998. - 366 с.
Поступила 18.03.2011 г.
