CC BY
4
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 4
Научная статья УДК 504.05:553.7
doi: 10.18522/1026-2237-2023-4-79-90
ТЕХНОГЕННЫЕ ШАХТНЫЕ ВОДЫ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА И ИХ ВЛИЯНИЕ НА МИКРОЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВ РЕЧНЫХ ВОД И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ
Евгений Викторович Гибковш, Владимир Евгеньевич Закруткин2, Григорий Юрьевич Скляренко3, Виктор Николаевич Решетняк4
1,2, з, 4 Южный федеральный университет, Ростов-на-Дону, Россия
1irvict@mail. ruя
2vezak@list.ru
3gysklyarenko@sfedu. ru
4reshetnyak@sfedu. ru
Аннотация. Представлены результаты исследований воздействия техногенных шахтных вод (ТШВ) на поверхностные воды и донные отложения малых рек Восточного Донбасса. В химическом составе ТШВ выявлен набор типоморфных микроэлементов (Fe, Mn, Li, Sr), отражающий региональную специфику техногенного процесса их формирования. Особенности поведения железа и марганца в зоне изливов ТШВ проявляются в их быстром выпадении из водной толщи - большая часть (более 95 % Fe и 82 % Mn соответственно) осаждается до первых 500 м вниз по течению, в то время как процесс осаждения лития и стронция носит более длительный характер, результатом чего является формирование обширных гидрохимических потоков рассеяния этих элементов. Массовое выпадение железа из водной толщи в 500-метровом интервале воздействия ТШВ и закрепление его главным образом в форме устойчивого магнетита способствуют увеличению концентраций металла в донных отложениях в пределах импактной зоны. В распределении марганца, стронция и лития существенную роль играет гранулометрический состав речных осадков, в частности количество пелитовой фракции, в связи с чем они при определенных гидрологических условиях могут активно вовлекаться в механическую миграцию, формируя более протяженные литогеохимические потоки рассеяния в сравнении с железом.
Ключевые слова: техногенные шахтные воды, Восточный Донбасс, поверхностные воды, донные отложения, микроэлементы
Для цитирования: Гибков Е.В., Закруткин В.Е., Скляренко Г.Ю., Решетняк В.Н. Техногенные шахтные воды Восточного Донбасса и их влияние на микроэлементный состав речных вод и донных отложений // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2023. № 4. С. 79-90.
Благодарности: исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-27-00305, https://rscf.ru/project/22-27-00305/, в Южном федеральном университете.
Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
© Гибков Е.В., Закруткин В.Е., Скляренко Г.Ю., Решетняк В.Н., 2023
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 4
Original article
TECHNOGENIC MINE WATERS OF EASTERN DONBASS AND THEIR INFLUENCE ON THE MICROELEMENT COMPOSITION OF RIVER WATERS AND BOTTOM SEDIMENTS
Eugeny V. Gibkov1B, Vladimir E. Zakrutkin2, Grigory Yu. Sklyarenko3, Victor N. Reshetnyak4
i, 2,3,4 Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia
1irvict@mail. ruB
2vezak@list.ru
3gysklyarenko@sfedu. ru
4reshetnyak@sfedu. ru
Abstract. The article presents the results of studies of the technogenic mine waters (TMW) effect on small river waters and sediments within Eastern Donbass. A set of typomorphic trace elements (Fe, Mn, Li, Sr) was identified in the chemical composition of TMW that reflects the regional specificity of the technogenic process of their formation. The behavior features of iron and manganese in the zone of TMW outflows appears in their rapid precipitation from the water column, and the most part of them (more than 95 % of Fe and 82 % of Mn) are deposited up to the first 500 m downstream. Meanwhile the process of lithium and strontium precipitation requires a longer period resulting in the formation of extensive hydrochemical dispersion fluxes of these elements. The mass precipitation of iron from the water column in the 500-meter range of TMW exposure and its fixation, mainly in the form of stable magnetite, contributes to an increase in metal concentrations in bottom sediments within the impact zone. In the distribution of manganese, strontium and lithium, the grain size distribution of river sediments, in particular, the amount of pelite fraction, plays a significant role, and therefore, under certain hydrological conditions, they can be actively involved in mechanical migration, forming longer lithogeochemical scattering flows in comparison with iron.
Keywords: technogenic mine waters, Eastern Donbass, surface waters, river sediments, trace elements
For citation: Gibkov E.V., Zakrutkin V.E., Sklyarenko G.Yu., Reshetnyak V.N. Technogenic Mine Waters of Eastern Donbass and Their Influence on the Microelement Composition of River Waters and Bottom Sediments.
Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science. 2023;(4):79-90. (In Russ.).
Acknowledgments: the study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 22-27-00305, https://rscf.ru/project/22-27-00305/, at the Southern Federal University.
This is an open access article distributed under the terms of Creative Commons Attribution 4.0 International License (CC-BY4.0).
Введение
На протяжении многих лет Восточный Донбасс, расположенный на западе Ростовской области, является одним из наиболее проблемных в экологическом отношении регионов Российской Федерации. Природный комплекс здесь уже давно подвергается интенсивному техногенному воздействию. При этом основной вклад в осложнение экологической ситуации вносят предприятия угольной промышленности. Самые типичные экологические проблемы углепромышленных районов Восточного Донбасса - это подъем уровня подземных вод, подтопление и заболачивание территории, ухудшение качества воды поверхностных и подземных водных объектов, выделение из выработок токсичных и взрывоопасных газов, активизация микросейсмических явлений, вывод из хозяйственного использования значительных площадей вследствие размещения на них отходов угледобычи, оказывающих негативное воздействие на окружающую среду.
Важно подчеркнуть, что перечисленные выше экологические проблемы резко обострились в последние 30 лет в связи с реструктуризацией угольной промышленности, которая предусматривала ликвидацию нерентабельных шахт, в основном путем их затопления. Результатом такого подхода стал повсеместный самоизлив высокоминерализованных техногенных вод на дневную поверхность, что оказывало существенное влияние на качество поверхностных вод. При этом
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 4
наиболее уязвимыми в силу невысокой самоочищающей способности оказались малые и средние реки. Многие из них практически полностью утратили свои природные функции, стали непригодными для использования не только в питьевых, но и в хозяйственных целях.
Материалы и методы исследования
Для изучения особенностей воздействия техногенных шахтных вод (ТШВ) на речные воды и донные отложения были выбраны участки на реках Малый Несветай (участок № 1), Аюта (участок № 2), Атюхта (участок № 3), Лихая (участок № 4), где происходит разгрузка (излив) ТШВ (рис. 1).
Рис. 1. Схема расположения участков исследований / Fig. 1. Layout of research sites
Выбор был обусловлен тем обстоятельством, что именно здесь представляется возможным выявить прямое влияние ТШВ на поверхностные без промежуточного звена в виде подземных вод территории или водоотливных комплексов.
Участки № 1 и 2 расположены, соответственно, южнее и юго-восточнее г. Новошахтинска в зоне поступления шахтных вод шахты № 15 ШУ Несветайского («Несветайская») в р. Малый Несветай и шахты им. Кирова в р. Аюта. Участок № 3 расположен на юго-восточной окраине г. Шахты, где изливаются воды шахты им. Красина в р. Атюхта. Участок № 4 находится в пределах хуторов Комиссаровка, Тацин и Розет, где шахтные воды ликвидированной шахты «Ко-миссаровская» поступают в р. Лихая.
Особенности влияния ТШВ на речные воды и донные отложения выявлялись на основе сопоставления геохимических данных в створах наблюдений, располагающихся в 100 и 500 м ниже изливов шахтных вод (нижние створы), а также в 500 м выше по течению рек относительно мест поступления ТШВ в речную сеть (верхние створы). Кроме того, проведены гидрохимические исследования в устьевых створах изучаемых рек, позволяющие выявить особенности поведения элементов за пределами зоны непосредственного влияния ТШВ.
Массив данных по химическому составу шахтных и речных вод, а также донных отложений был получен за период с 2006 по 2022 г. В этом же временном интервале определялись водность исследуемых рек (м3/с) и дебиты выходов шахтных вод (дм3/ч). Объем поступления шахтных вод и их химический состав позволили установить величину годового поступления (т/год) химических элементов в речную сеть.
Результаты и обсуждение
Шахтные воды, как техногенная генетическая разновидность подземных вод, формировались в горных выработках на протяжении длительного времени за счёт окисления минералов (преимущественно сульфидов), связанных с углями и вмещающими породами. Шахты им. Красина, им. Кирова и «Несветайская» введены в эксплуатацию в конце 1920-х - начале 1930-х гг., а шахта «Комиссаровская» - с конца 1940-х гг. Выработанное, занимаемое ими пространство в условиях постоянного притока воды способствовало не только аэрации глубокозалегающих горизонтов, но и увеличению площади окисляемой поверхности. Ситуация ещё более усугубилась после закрытия шахт «мокрым способом» - их затопления, разрушения крепи и обрушения кровли пластов, так как формируемые в результате зоны трещиноватости многократно превышают мощность пустот, достигая десятков метров [1].
Химический состав ТШВ, как видно из данных табл. 1, отличается высокой минерализацией (от 5 до 11 г/л), преимущественно кислой, реже нейтральной средой, значительным содержанием сульфат-ионов, в меньшей степени - гидрокарбонат- и хлорид-ионов. Среди главных катионов превалируют натрий, калий, кальций и магний.
Среди представленных в табл. 1 восьми микроэлементов типоморфными, определяющими гидрохимическую специализацию ТШВ, являются железо, марганец, стронций и литий. Они распространены повсеместно и характеризуются высокими коэффициентами концентраций, что, видимо, является следствием взаимодействия шахтных вод с угленосными отложениями в горных выработках. Для остальных четырех элементов (Al, Cu, Cd, Be) отмечаются единичные случаи превышения в шахтных водах фоновых гидрохимических параметров.
Следует отметить, что выделенные типоморфные микроэлементы обладают разной степенью токсичности. Из них наибольшей гидротоксичностью (по В.В. Иванову) обладают литий и особенно стронций (Тг , соответственно, 10 и 50). При этом, как известно [2], важнейшее биохимическое значение придается соотношению Ca/Sr в водах: сравнительно низкие величины этого отношения (менее 100) могут явиться причиной уровской эндемии (поражение костно-суставной системы, атрофия мышц, искривление позвоночника, низкорослость). В ТШВ Восточного Донбасса величина этого отношения изменяется от 36 до 80, что при смешении их с речными может вызвать неблагоприятные последствия для живых организмов, включая человека. Что касается железа и марганца, то, несмотря на их относительно невысокую токсичность, совместное поступление в организм этих металлов может также привести к ряду негативных реакций [3].
Железо в большинстве случаев является основным микрокомпонентом шахтных вод региона. Его содержание в ТШВ шахт им. Красина, им. Кирова и «Несветайская» составляет 30-40 мг/л. Количество марганца для этих объектов находится в пределах 10-16 мг/л, а стронция - 8-10 мг/л. Резко отличается состав воды шахты «Комиссаровская», где содержание железа часто превышает 400 мг/л, а марганца - 30 мг/л на фоне роста кислотности за счет сульфат-ионов, концентрация которых достигает 6,8 г/л, а pH - 6,1. На всех четырех участках железо и сульфаты, как отмечалось выше, являются продуктами выщелачивания сульфидов, растворения сульфатов и органической серы [4], но особенности миграции этих элементов, видимо, отличаются. Так, в водах на участке № 4 отмечается низкая корреляция содержания железа с сульфат-ионами и высокая (до 73 %) концентрация закисной его формы. А на участках № 1, 2 и 3 закисное железо в
пробах редко достигает 15 % от общего его содержания, но есть значимая положительная корреляционная связь Fe с кислотностью (снижением pH) шахтных вод и сульфат-ионами. Пример шахты «Комиссаровская» может иллюстрировать интенсивное окисление самородной серы, входящей в состав углей, сульфатов и сульфидов, и формирование устойчивых сульфат-ионов. В силу недостатка кислорода в затопленных горных выработках железо в шахтной воде окисляется медленнее и мигрирует в закисной форме и в виде сульфата. В шахтах им. Красина, им. Кирова и «Несветайская» процессы выщелачивания минералов стабилизируются, а степень окисления компонентов шахтных вод возрастает, что может быть объяснено большей длительностью работы этих предприятий и эволюцией гидрохимической ситуации, которую отмечал А.И. Гаври-шин [5]. Также влияние может оказывать разница в содержании серы в углях, которое для Восточного Донбасса может колебаться в пределах от 0,3 до 1,8 г/т [6].
Таблица 1 / Table 1
Химический состав шахтных вод исследуемых участков, мг/л / Chemical composition of mine waters within the study areas, mg/l
Шахта
Химический состав Красина Кирова 15 ШУ «Комиссаровская» Гидрохимический фон бассейна Тузлова [7] Гидрохимический фон бассейна Северского Донца [7]
рН 7 6,6 6,6 6,1
№+К 1322,2 759,3 1086,5 1344,2 242 129
Са 328,8 392,8 475,7 519,5 149 151
Мм 254,9 294,5 406,3 805,1 71 30
НСОз 886,5 794,9 702,3 494,9
С1 457,6 199,9 313,2 155,4 203 30
804 3017 2663 3831 6822 982 261
Минерализация 6210 5104 6890 10936 1983 1112
Fe общ 35,3 43,8 95 426,8 0,26 0,25
135,9 168,5 36,4 1707,4
Ре закис 6 13,6 н/о 313,9
Мп 3,36 84,1 9,45 236,3 16,05 401,3 29,17 224,4 0,04 0,13
8г 9,12 3,9 9,39 4.1 8,33 3,6 6,49 3,8 2,31 1,35
А1 1,42 6,5 0,08 0,4 0,14 0,6 0,06 0,4 0,22 0,14
Ы 0,22 10,8 0,17 8,4 0,07 3,4 0,13 8,6 0,02 0,015
Си 0,004 0,0018 0,005 0,002 0,002 0,002
1,0 0,9 2,5 0,8
са 0,00047 0,00027 0,00013 0,0004 0,0003 0,0004
1,6 0,9 0,4 1,0
Ве 0,0007 0,0005 0,0004 0,0009 0,0007 0,0003
1,0 0,7 0,5 3,0
Примечание. В числителе - содержание микроэлементов в ТШВ; в знаменателе - коэффициент концентрации по отношению к фоновым параметрам соответствующего речного бассейна.
Марганец в значительных количествах (максимально - до 661 г/т, чаще - до 180 г/т) встречается как в углях, так и во вмещающих породах Восточного Донбасса: отмечается высокое содержание этого элемента в породах кровли и подошвы угольного пласта к2, разрабатывавшегося всеми рассматриваемыми в рамках настоящей статьи шахтами [8]. Среднее содержание марганца в ТШВ этих предприятий колеблется в широких пределах от 3,4 до 29,2 г/л (см. табл. 1). Максимальные значения характерны для шахт «Комиссаровская» и «Несветайская», где прослеживается сильная корреляционная связь со стронцием и количеством сульфат-ионов, в соединении с которыми, очевидно, эти элементы мигрируют в шахтных водах.
Как отмечал Я.Э. Юдович, среднее содержание стронция в углях Восточного Донбасса составляет 425 г/т, а в пределах Шахтино-Несветайской синклинали достигает 873-3000 г/т [9]. Причиной этого он вслед за Ф.Ф. Таранушичем [10] счёл широкое развитие здесь интрузий среднего и основного состава и обогащения углей этим элементом благодаря гидротермальным потокам - как результат продолжения магматического процесса. Более высокое содержание стронция (в среднем до 9,1 мг/л) в водах шахт «Несветайская», им. Кирова и им. Красина, расположенных на южном крыле этой структуры, по сравнению с водами шахты «Комиссаровская» (6,49 мг/т) подтверждает эту гипотезу.
Содержание лития в углях Восточного Донбасса варьирует в пределах 2,5-11,3 г/т [8], что сопоставимо либо ниже кларковых его содержаний в каменных углях - 14 г/т, по данным М.П. Кетрис [9]. Несмотря на то что литий является одним из типоморфных микроэлементов шахтных вод, Я.Э. Юдовичем он отнесен к «слабо или умеренно углефильным элементам». По-видимому, выщелачивание Li происходит из глинистых и слюдистых минералов, широко распространенных в углевмещающих отложениях, а вариации его содержаний в шахтных водах иллюстрируют степень нарушенности породного массива и, соответственно, площади контактирующей с водой поверхности.
Как отмечалось ранее, оценка влияния ТШВ на речные системы осуществлялась путем сравнения изменений концентраций типоморфных микроэлементов в воде и донных отложениях в створах, расположенных выше и ниже по течению от мест поступления ТШВ (табл. 2, 4).
Таблица 2 / Table 2
Изменение концентраций микроэлементов в речных водах в зоне воздействия ТШВ, мг/л / Variations in the trace elements concentration in river waters within the area affected by TMW, mg/l
Исследуемый участок (река) Расстояние, м рН Fe Mn Li Sr
Участок 1 (М. Несветай) 100 8,17 6,78 0 33 633 (19,4) 4,93 (82,2) 0,19 (1,8) 4 41 ШД5 (1,8)
500 8,17 7,92 0J3 (14) 0,47 (1,4) °06 (3 7) 0,22 (3,7) 009 (17) 0,15 (1,7) 4 41 459- (1,3)
Участок 2 (Аюта) 100 8,15 7,23 0,71 ..10. 291 (41,8) 014 (29 2) 4,08 (29,2) 017 (2 2) 0,38 (2,2) Ц (1,5)
500 8,15 7,74 (0 9) 0,63 (0,9) 014 (5 3) 0,74 (5,3) 017 (14) 0,25 (1,4) 77 (13) 6,23 (1,3)
Участок 3 (Лихая) 500 8,03 7,63 0,53 „ П/1Ч 053 (1,04) ^ (9,4) °озз (13) 0,043 (1,3) 1 49 179 (1,2)
Участок 4 (Атюхта) 500 7,99 7,87 °46 (0 9) 0,41 (0,9) 0Л (2 1) 0,65 (2,1) 0,017 .. оч 0082 (4,8) 3 31 691 (2,1)
Примечание. В числителе - концентрация в створе выше сброса шахтных вод; в знаменателе - ниже сброса; в скобках - коэффициент концентрации по отношению к верхнему створу.
Как видно из представленных данных, изменение состава речных вод в створах, наименее удаленных (100 м) от мест поступления в них шахтных вод, для разных элементов проявляется неоднозначно. С одной стороны, это резкое увеличение содержания железа и марганца (соответственно, до 41 и 82 раз), с другой - слабый прирост концентраций лития и стронция (в 2,2 и 1,8 раза соответственно). При этом изменение содержания железа и марганца коррелирует с их распределением в шахтных водах: самый высокий прирост марганца фиксируется при воздействии железисто-марганцевых ТШВ, а железа - марганцево-железистых.
По мере удаления от зон непосредственного влияния ТШВ поведение элементов изменяется, поскольку снижается роль объемов поступающих загрязняющих веществ и в большей степени проявляется влияние других не менее важных факторов - миграционной способности элементов и водности рек. Как показали наши расчеты коэффициентов водной миграции (Кв) с использованием кларков изученных элементов в речных водах [11] и земной коре [12] при средней минерализации речных вод 120 мг/л, микроэлементы образуют следующий ряд:
Sr (Кв 1,4) > Li (0,8)> Mn (0,3)> Fe (0,01). Как видно из табл. 2 и рис. 2, подавляющая масса железа как наименее подвижного элемента прекращает миграцию и осаждается в первых 500 м от мест поступления ТШВ в речную сеть.
Ниже по течению, вплоть до устья (рис. 2), содержание Fe практически не меняется, оставаясь близким к тому, которое было зафиксировано в верхнем створе. Таким образом, гидрохимический поток рассеяния железа характеризуется относительно небольшой протяженностью.
.р. М. Несветай — — — р. Аюта
Рис. 2. Изменение концентраций Fe, Mn, Li и Sr в верхних и нижних створах и в устьевой зоне р. М. Несветай и р. Аюта, мг/л / Fig. 2. Concentrations variation of Fe, Mn, Li and Sr within the upper and lower sites and in the river Malyy Nesvetay and Ayuta mouth areas, mg/l
Поведение марганца в зоне непосредственного влияния ТШВ, как и следовало ожидать, в значительной степени напоминает поведение железа, поскольку основная его часть мигрирует в виде малоподвижной гидроокиси Mn4+ и соосаждается одновременно с гидрооксидами Fe3+.
Однако в отличие от железа в отдельных реках Восточного Донбасса (например, в р. М. Несветай) отмечается увеличение концентрации Mn к устьевому створу (рис. 2), что может быть связано со вторичным загрязнением водной среды этим элементом за счет поступления его из донных отложений. Более высокая степень десорбции марганца в сравнении с другими элементами, в частности с железом, литием и стронцием, установлена в ходе ранее проведенного лабораторного эксперимента, где в качестве объекта исследования были использованы донные отложения и речные воды именно р. М. Несветай [13].
Что касается стронция и лития, то распределение их содержаний по створам рек отличается от предыдущих двух элементов. Поскольку миграционная способность Sr и Li выше, чем железа и марганца, то они значительно дольше сохраняются в водной среде, не осаждаясь на дне водотока. Об этом свидетельствует рис. 3, где в виде гистограмм показана оставшаяся в речной воде часть элементов (после попадания в донные отложения) в нижнем 500-метровом створе по отношению к 100-метровому створу.
Выявлено существенное превосходство в этом плане стронция и лития в сравнении с железом и марганцем. Так, в частности, если в дальнейшей миграции участвуют всего лишь 2,1-4,3 % Fe и 4,5-18,1 % Mn, то для Sr и Li эти величины достигают 58,1-68,9 и 65,8-78,9 % соответственно. Естественно, что литий и особенно стронций будут формировать более протяженные в сравнении с предыдущей парой элементов гидрохимические потоки рассеяния.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 4
% 90
р. М. Несветай
Li
р. Аюта
Рис. 3. Остаточная доля типоморфных микроэлементов, мигрирующих в речной воде в нижнем 500-метровом створе в сравнении с менее удаленным от мест поступления ТШВ 100-метровом створе, % / Fig. 3. Residual proportionof typomorphic trace elements migrating in river water at the lower 500-meter site in comparison with those at the 100-meter site less remote from the places of technogenic mine water outflow, %
Немаловажным фактором, влияющим на содержание элементов в речных водах, является, как известно, водность рек. Она в наибольшей степени сказывается на распределении стронция и лития как наиболее подвижных среди изученных типоморфных микроэлементов. Так, в частности, как видно из данных табл. 2 и 3, при близких объемах поступления Sr и Li в реки Атюхта и Аюта прирост концентраций сильнее всего (в 2,3 раза - для стронция и в 4,8 - для лития) выражен в наименее полноводной Атюхте и существенно в меньшей степени (в 1,3 и 1,4 раза соответственно) в наиболее полноводной р. Аюте.
Таблица 3 / Table 3
Водность рек и объемы загрязняющих веществ, поступающих с ТШВ в речную сеть, т/год / Stream discharge of rivers and volumes of pollutants entering the river network from the TMW, tons per year
Исследуемый участок (река) Водность реки, м3/с Mn Fe Li Sr Всего
Участок 1 (М. Несветай) 0,19 19,4 11,4 0,08 10,1 40,98
Участок 2 (Аюта) 0,40 9,9 46,1 0,18 9,9 66,05
Участок 3 (Лихая) 0,38 30,7 448,7 0,14 6,8 486,32
Участок 4 (Атюхта) 0,13 3,5 37,2 0,23 9,6 50,5
Как отмечалось выше, определенное количество изученных микроэлементов выпадает из водной толщи, переходя в донные отложения. Последние, как известно, являются, с одной стороны, депонирующей средой, позволяющей проследить динамику загрязнения водной среды за длительный период техногенного воздействия, а с другой - потенциальным источником вторичного загрязнения речных вод при изменении гидрологического режима. Воздействие ТШВ на речные
отложения Восточного Донбасса проявляется главным образом в увеличении содержаний железа, что отмечается на всех без исключения участках исследования (табл. 4). Причем, как и в случае с поверхностными водами, максимальный рост его концентраций отмечается в створах, наименее удаленных вниз по течению от мест поступления ТШВ в речную сеть. Однако степень прироста количества данного металла в донных отложениях в сравнении с верхними створами существенно меньше, чем в речных водах. И это понятно, поскольку известно, что изначальные объемы металлов, в том числе и железа, в донных отложениях существенно превосходят их объемы в водной толще большинства рек [14]. Кроме того, стоит обратить внимание на относительно слабое изменение содержания железа в донных отложениях при сравнении между собой нижних створов.
Таблица 4 / Table 4
Изменения валовых концентраций элементов в донных отложениях в зоне воздействия ТШВ, мг/кг / Variations in total concentrations of elements in river sediments within the zone of TMW influence, mg/kg
Исследуемый участок (река) Расстояние, м Fe Mn Li Sr
Участок 1 (М. Несветай) 100 16700 (2 0) 32900 (2,0) 1408 (1 2) 1680 (1,2) 60 (10) 60 (1,0) Ж (1 17) 350 (1, )
500 16700 (1 8) 30100 (1,8) 1408 (1 03) 1450 (1, ) 60 (10) 60 (1,0) Ж (10) 300 (1,0)
Участок 2 (Аюта) 100 36300 55300 (1,5) 1387 (1 1) 1520 (1,1) S (1,0) 400 (0 75) 300 (0, )
500 36300 (1 4) 50100 (1,4) 1387 (0 5) 710 (0,5) S (1,0) 400 (0 5) 200 (0,5)
Участок 3 (Лихая) 500 40300 43600 (1,1) 1498 (1 7) 2536 (1,7) 60 (10) 60 (1,0) 400 (1 0) 400 (1,0)
Участок 4 (Атюхта) 500 26600 34300 (1,3) 448 (3 9) 1736 (3,9) 60 (13) 80 (1,3) Ж (10) 300 (1,0)
Примечание. В числителе - содержание элементов в верхнем створе; в знаменателе - в нижних створах; в скобках - коэффициент концентрации по отношению к верхнему створу.
Как известно, донные отложения являются динамической средой, и часть слагающего их материала перемещается вниз по течению рек при определенных гидрологических условиях, что, естественно, влияет на перераспределение химических элементов в речном аллювии. В результате этого происходит выравнивание содержания Ре в 500-метровой зоне воздействия ТШВ и формирование более протяженных литогеохимических потоков данного элемента (выходящих за пределы 500-метровой зоны) в сравнении с его гидрохимическими потоками.
Остальные элементы, в отличие от железа, которое уже на ранней стадии диагенеза формирует устойчивые собственные минералы в виде магнетита и в меньшей степени пирита [15], главным образом связаны с пелитовой фракцией. Это хорошо видно на рис. 4, где увеличение в осадке доли пелитовой фракции сопровождается ростом концентраций Мп, 8г и Ы.
Преимущественная связь этих элементов с пелитовой фракцией предполагает их активную вовлеченность в миграционный процесс во время взмучивания осадков при изменении гидрологических условий, что сопровождается формированием еще более протяженных по сравнению с железом литогеохимических потоков рассеивания.
Заключение
Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы:
1. Содержание изученных микроэлементов в речных водах Восточного Донбасса зависит от объемов поступления с ТШВ, их миграционной способности и водности рек. Влияние объемов в наибольшей степени проявляется на удалении до 100 м от мест поступления металлов в речную сеть, далее по течению реки все большую роль играют два других фактора.
мг/кг
450
400 350 300 250 ?oo
150 100 50 О
мг/кг
70
Sr
0-25 %
25-50 %
50-75 %
75-100 %
Li
60
50
20 10 0
мг/кг
2000
0-25 % 25-50 % 50-75 %
Mil
75-100 %
О
0-25 % 25-50 % 50-75 % 75-100 %
Рис. 4. Средняя концентрация Sr, Li и Mn в пробах донных отложений рек Восточного Донбасса с различной долей пелитовой фракции / Fig. 4. Average concentration of Sr, Li and Mn in samples of river sediments in Eastern Donbass with different share of pelitic fraction
2. Типоморфные элементы ТШВ отличаются друг от друга по степени миграционной способности. При этом наибольшая подвижность лития и особенно стронция способствует формированию наиболее протяженных гидрохимических потоков рассеивания этой пары элементов по сравнению с марганцем и тем более с железом. Следовательно, именно гидрохимические потоки 8г и Li являются наиболее информативными при выявлении скрытых мест поступления ТШВ в речную сеть.
3. Массовое выпадение железа из водной толщи в 500-метровом интервале воздействия ТШВ и закрепление его главным образом в форме устойчивого магнетита способствуют увеличению концентраций металла в донных отложениях в пределах импактной зоны. В распределении марганца, стронция и лития существенную роль играет гранулометрический состав речных осадков, в частности количество пе-литовой фракции, в связи с чем они при определенных гидрологических условиях могут активно вовлекаться в механическую миграцию, формируя более протяженные лито-геохимические потоки рассеяния в сравнении с железом.
4. Изученные типоморфные микроэлементы отличаются повышенной гидрохимической токсичностью, особенно при их совместном влиянии на живые организмы, включая человека. Данное обстоятельство необходимо учитывать при использовании речных и взаимодействующих с ними подземных вод для целей питьевого и хозяйственно-бытового водоснабжения.
Список источников
1. Мохов А.В. О гидрогеохимической структуре водного объекта в затопленных выработках каменноугольных шахт // Докл. АН. 2012. Т. 445, № 3. С. 324-326.
2. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов : в 6 кн. Кн. 1: S-элементы / под ред. Э.К. Буренкова. М.: Недра, 1994. 304 с.
3. Королев А.А., Моденова О.А. Оценка токсичности марганца и железа при раздельном и совместном поступлении в организм // Гигиена и санитария. 1991. № 11. С. 15-17.
ISSN 1026-2237 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. NATURAL SCIENCE. 2023. No. 4
4. Гавришин А.И. Закономерности формирования химического состава шахтных вод и их влияние на геоэкологическую ситуацию (ш. «Комиссаровская», Восточный Донбасс) // Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2015. № 6. С. 505-513.
5. Гавришин А.И. Шахтные воды Восточного Донбасса и их влияние на состав подземных и поверхностных вод региона // Водные ресурсы. 2018. Т. 45, № 5. С. 555-565.
6. Кизильштейн Л.Я. Экогеохимия элементов-примесей в углях. Ростов н/Д.: Изд-во СКНЦ ВШ, 2002. 296 с.
7. Закруткин В.Е., Решетняк О.С., Бакаева Е.Н. Гидроэкологические особенности поверхностных вод углепромышленных территорий Восточного Донбасса // Изв. РАН. Серия геогр. 2020. № 3. С. 451-460.
8. Левченко С.В. Геологические условия формирования и комплексное использование металлоносных углей Восточного Донбасса : автореф. дис. ... канд. геол.-мин. наук. Ростов н/Д., 2012. 24 с.
9. Юдович Я. Э., Кетрис М. П. Токсичные элементы-примеси в ископаемых углях. Екатеринбург : Ин-т геологии Коми науч. центра УрО РАН, 2005. 654 с.
10. Таранушич Ф. Ф. Элементы-примеси в углях Восточного Донбасса // Литология и полезные ископаемые. 2003. № 1. С. 97-103.
11. Gaillardet J., Viers J., Dupre B. Trace Elements in River Waters // Treatise on Geochemistry. Oxford: Elsevier, 2014. P. 195-235.
12. Григорьев Н.А. Распределение химических элементов в верхней части континентальной коры. Екатеринбург: Ин-т геологии и геохимии УрО РАН, 2009. 381 с.
13. 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 (192). С. 102-109.
14. Солдатова Е.А., Гусева Н.В. Исследование процессов перераспределения химических элементов в системе вода - донные отложения водотоков Томь-Яйского междуречья // Подземная гидросфера : материалы Всерос. совещания по подземным водам востока России. Иркутск: Географ, 2012. С. 246-249.
15. Закруткин В.Е., РешетнякВ.Н., ПоповЮ.В. Распределение и минеральные формы железа в речных отложениях Восточного Донбасса // Водные ресурсы в условиях глобальных вызовов: экологические проблемы, управление, мониторинг : сб. тр. Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Новочеркасск: Лик, 2023. Т. 1. С. 89-95.
References
1. Mokhov A.V. The Hydrogeochemical Structure of Water Bodies in Flooded Openings of Coal Mines. Doklady Earth Sciences. 2012;445(1):903-905.
2. Ivanov V.V. Ecological geochemistry of elements: in 6 books. Book 1: S-elements. Ed. E.K. Burenkov. Moscow: Nedra Publ.; 1994. 304 p. (In Russ.).
3. Korolev A.A., Modenova O.A. Assessment of the toxicity of manganese and iron during separate and joint intake into the body. Gigiena i sanitariya = Hygiene and Sanitation. 1991;(11):15-17. (In Russ.).
4. Gavrishin A.I. Regularities of formation of the chemical composition of mine waters and their influence on the geo-ecological situation («Komissarovskaya» mine, Eastern Donbass). Geoekologiya. Inzhenernaya ge-ologiya, gidrogeologiya, geokriologiya = Geoecology. Engineering geology, hydrogeology, geocryology. 2015;(6):505-513. (In Russ.).
5. Gavrishin A.I. Mine waters of the Eastern Donbass and their effect on the chemistry of groundwater and surface water in the region. Vodnye resursy = Water Resources. 2018;45(5):555-565. (In Russ.).
6. Kizilshtein L.Ya. Ecogeochemistry of trace elements in coals. Rostov-on-Don: North Caucasus Higher School Research Center Press; 2002. 296 p. (In Russ.).
7. Zakrutkin V.E., Reshetnyak O.S., Bakaeva E.N. Hydroecological features of the surface waters of the coalmining territories of the Eastern Donbass. Izv. RAN. Ser. geogr. 2020;(3):451-460. (In Russ.).
8. Levchenko S.V. Geological conditions offormation and complex use of metalliferous coals of the Eastern Donbass. Dissertation thesis. Rostov-on-Don, 2012. 24 p. (In Russ.).
9. Yudovich Ya. E., Ketris M.P. Toxic trace elements in fossil coals. Ekaterinburg: Institute of Geology of the Komi Scientific Center of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences Press; 2005. 654 p. (In Russ.).
10. Taranushich F. F. Trace elements in the coals of Eastern Donbass. Litologiya i poleznye iskopaemye = Lithology and Mineral Resources. 2003;(1):97-103. (In Russ.).
11. Gaillardet J., Viers J., Dupre B. Trace Elements in River Waters. Treatise on Geochemistry. Oxford: Elsevier Publ.; 2014:195-235.
12. Grigoriev N.A. Distribution of chemical elements in the upper part of the continental crust. Ekaterinburg: Institute of Geology and Geochemistry of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences Press; 2009. 381 p. (In Russ.).
13. Reshetnyak O.S., Zakrutkin V.E. Bottom sediments as a source of secondary water pollution by metals (according to the laboratory experiment). Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki = Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Science. 2016;(4):102-109. (In Russ.).
14. Soldatova E.A., Guseva N.V. Study of the processes of redistribution of chemical elements in the waterbottom sediment system of watercourses of the Tom-Yaya interfluve. Underground hydrosphere. Materials of the All-Russian meeting on groundwater in eastern Russia. Irkutsk: Geograf Publ.; 2012:246-249. (In Russ.).
15. Zakrutkin V.E., Reshetnyak V.N., Popov Yu.V. Distribution and mineral forms of iron in river sediments of Eastern Donbass. Water resources in the context of global challenges: environmental problems, management, monitoring. Collection of Proceedings of the All-Russian Scientific and Practical Conference with international participation. Novocherkassk: Lik Publ.; 2023;1:89-95. (In Russ.).
Информация об авторах
Е.В. Гибкое - кандидат географических наук, доцент, кафедра геоэкологии и прикладной геохимии, Институт наук о Земле.
В.Е. Закруткин - доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры геоэкологии и прикладной геохимии, Институт наук о Земле.
Г.Ю. Скляренко - кандидат геолого-минералогических наук, заведующий кафедрой геоэкологии и прикладной геохимии, Институт наук о Земле.
В.Н. Решетняк - аспирант, младший научный сотрудник, Институт наук о Земле. Information about the authors
E.V. Gibkov - Candidate of Science (Geography), Associate Professor, Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences.
V.E. Zakrutkin - Doctor of Science (Geology and Mineralogy), Professor of the Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences.
G. Yu. Sklyarenko - Candidate of Science (Geology and Mineralogy), Head of the Department of Geoecology and Applied Geochemistry, Institute of Earth Sciences.
V.N. Reshetnyak - Postgraduate Student, Junior Researcher, Institute of Earth Sciences.
Статья поступила в редакцию 26.06.2023; одобрена после рецензирования 08.07.2023; принята к публикации 30.10.2023. The article was submitted 26.06.2023; approved after reviewing 08.07.2023; accepted for publication 30.10.2023.
