CC BY
41
УДК 556.06:551.482.212
ТРАНСФОРМАЦИЯ МИНЕРАЛЬНОГО СОСТАВА ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ОТ ИСТОКОВ К УСТЬЯМ РЕК
Савичев Олег Геннадьевич1,
Домаренко Виктор Алексеевич1,
Перегудина Елена Владимировна1,
Лепокурова Олеся Евгеньевна2,1,
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.
2 Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, Россия, 634055, г. Томск, пр. Академический, 4.
Актуальность. Эффективность поисков полезных ископаемых определяется глубиной понимания процессов аккумуляции и рассеяния вещества. Исследование этих процессов предполагает анализ минерального и химического состава коренных пород, продуктов их переработки в зоне гипергенеза и их переотложения водными потоками.
Цель работы: выявление закономерностей изменения минерального и химического состава донных отложений по длине рек. Методы исследования: методы определения минерального и химического состава донных отложений, ландшафтно-геохими-ческий и статистические методы, термодинамические расчеты, математическое моделирование.
Результаты и выводы. Проведено обобщение данных о минеральном составе донных отложений водотоков в бассейнах рек Обь (Российская Федерация: реки Томь, Актру, Правая Сарала, Киргизка, Омутная) и Хонг (Вьетнам: реки Бан Тхи, Ченгу, Дай, Намду, Фодай), полученных в 2000-2017гг. Показано, что основные закономерности изменения минерального состава донных отложений связаны с возрастанием доли кварца от истоков к устьям рек протяженностью более 1—20 км при одновременном снижении вклада минералов с показателем гипергенной устойчивости (логарифм произведения плотности и твердости) менее 1,26-1,27. Установлено, что участки с характерным минеральным составом донных отложений расположены ниже по течению от участков с условно однородным (или слабо меняющимся в многолетнем разрезе) химическим составом речных вод (смещение границ до 100 км). Сделан вывод о роли состава коренных пород и характера гипергенных геохимических процессов в формировании минерального состава донных отложений, определяющих условия разрушения частиц и аккумуляции продуктов взаимодействий в системе «вода-порода», устойчивых к химическому и физическому выветриванию.
Ключевые слова:
Донные отложения, минеральный и химический состав,
трансформация минерального состава, бассейн реки Обь, бассейн реки Хонг.
Введение
Реки представляют собой постоянно действующие каналы перемещения значительной части вещества и энергии в пределах бассейнов стока. Соответственно, возникает закономерный вопрос -возможно ли использовать характеристики состояния рек для оценки геохимических особенностей водосбора? Положительный ответ на этот вопрос в части изучения химического состава речных вод представляет собой методологическую основу экологического мониторинга и нормирования воздействий на поверхностные водные объекты. Позитивный опыт получен и при проведении гидрогеохимических поисков полезных ископаемых с использованием данных о химическом составе вод малых водотоков в меженный период, когда в речном стоке преобладает подземная составляющая. Кроме того, определенное внимание уделяется и изучению химического состава донных отло-
жений - нижней границы поверхностных водных объектов, одновременно являющихся верхней границей геологической среды, причем как в целях поисков полезных ископаемых, так и при решении геоэкологических задач [1, 2]. Все это нашло отражение в огромном количестве публикаций и серии методических и нормативно-методических документов в Российской Федерации и других странах [1-5].
Минеральный состав донных отложений рек рассматривается обычно в рамках поисков твердых полезных ископаемых в комплексе с другими методами [1, 2], в ряде случаев - при проведении геоэкологических исследований. Однако такой важный аспект изучения минерального состава донных отложений, как трансформация его по всей протяжённости водотока, исследован с нашей точки зрения недостаточно полно, что и определило цель исследования.
Объекты и методика исследования
Объектами исследования выбраны реки горных районов и прилегающих к ним территорий в Северной и Юго-Восточной Азии, отличающиеся геотектоническими обстановками (табл. 1). Водосборы этих рек сложены различными по составу и возрасту горными породами, что предопределило формирование в их пределах разнообразных полезных ископаемых, в том числе:
1) в Северной Азии:
1.1) в водосборе реки Правая Сарала в восточной части Кузнецкого Алатау (элемент речной сети «Правая Сарала - Сарала - Черный Июс - Чулым - Обь - Карское море» разрабатываются россыпные месторождения золота [6-8]); в геологическом строении этой территории принимают участие отложения венда-кембрия и девона, представленные метаморфогенно-осадочными и вулканогенными образованиями и интрузивными массивами гранитоидов кембро-ордовика и щелочными интрузивами девона;
1.2) в водосборе реки Томь (речная сеть «Томь -Обь - Карское море») и ее некоторых притоков в верхнем течении (река Бискамжа - элемент речной сети «Бискамжа - Тузухсу - Томь - Обь - Карское море») расположен ряд крупных разрабатываемых месторождений угля, черных, цветных и благородных металлов; водосбор Томи охватывает части горно-складчатых сооружений Кузнецкого Алатау, Горной Шории, Колывань-Томской складчатой зоны и Кузнецкой котловины и характеризуется значительным разнообразием геологических условий;
1.3) в водосборах реки Киргизка (элементе речной сети «Киргизка - Томь - Обь - Карское море») и ее притока - реки Омутной (Мутная), расположенных в нижнем течении Томи, в северной части Колывань-Томской складчатой зоны, находится Туганское циркон-ильменитовое месторождение и ряд проявлений полиметаллической и благородно-металльной минерализации, в том числе россыпные месторождения золота [8, 9]); водосбор сложен палеоген-четвертичными отложениями, залегающими на каменноугольных осадках, представленных песчаниками, алевролитами, глинистыми сланцами;
1.4) в горно-ледниковом бассейне Актру на северном макросклоне Северо-Чуйского хребта Центрального Алтая (элемент речной сети «Актру (Ак-Туру) - Чуя - Катунь - Обь - Карское море» выявлены рудоперспективные участки, приуроченные к Актуринской магмо-рудно-метасоматической системе [10]); водосбор реки Актру сложен грани-тоидами Актуринского массива пермо-триасового возраста;
2) в Юго-Восточной Азии - в северной низко- и среднегорной части Вьетнама, в пределах бассейна реки Хонг (Красной) - в водосборах рек Бан Тхи, Дай, Ченгу (приток реки Бан Тхи), Фодай, Намду (притоки реки Дай)), в пределах которых расположены ряд проявлений и мелких месторождений свин-
ца, цинка, железа, марганца, разрабатываемых в настоящее время или ранее; в геологическом строении бассейна рек Бан Тхи, Ченгу, Дай, Фодай, Намду принимают участие осадки ордовик-силурийского и девонского возрастов, прорванные разновозрастными интрузивами габбро-гранитной серии [11, 12].
По размеру площади водосбора (табл. 1) река Томь относится к категории «больших» (гиперзональная река, основная часть водного стока которой формируется в горных районах (южная и восточная части); северо-западная часть бассейна относится к лесостепной зоне, северная часть - к подтаежной зоне), а остальные изученные водотоки - к «малым» (река Дай - в пределах исследованного участка). При этом особенностью реки Актру является наличие в ее водосборе семи ледников общей площадью 16,7 км2 (снеговая линия на высоте 3200 м и выше), водосбора реки Правая Сарала -снежников, сохраняющихся в ряде случаев и в теплый период года, а водосборов рек Дай (в пределах исследованной части), Бан Тхи, Ченгу, Фодай, Намду - расположением в субэкваториальном поясе, в зоне переменно-влажных лесов. Таким образом, водосборы изученных рек расположены в различных природно-климатических и геологических обстановках, что позволяет охарактеризовать широкий спектр вариантов формирования донных отложений.
Методика исследования включала сбор и анализ материалов исследований, выполненных при непосредственном участии авторов в 2000, 2013, 2016, 2017 гг., и других данных. В июле 2000 г. О.Г. Са-вичевым были отобраны три пробы донных отложений реки Томь в г. Междуреченск (преобладающий тип руслового процесса - островно-осередковый), пгт. Крапивинский (пойменная многорукавность) и с. Тахтамышево (выше г. Томск; ограниченное меандрирование и русловая многорукавность) в 0,2-1,0 м от уреза воды из верхнего слоя 0,2 м. Вес каждой из проб составил около 1 кг. Лабораторные работы выполнены в Томском государственном университете (ТГУ) и Аналитическом центре Объединенного Института геологии, геофизики и минералогии (ОИГГиМ) СО РАН. Высушенные пробы были истерты и разделены на 3 группы: 1) 0,25-1,00; 2) 0,10-0,25; 3) менее 0,10 мм. В третьей группе дополнительно была отмыта фракция диаметром менее 0,02 мм. Отсортированный материал был подвергнут минералогическому, химическому (ТГУ) и рентгенофлюоресцентному анализу (ОИГГиМ СО РАН). В последнем случае навески всех фракций проб массой 3 г предварительно истирались до состояния пудры в агатовой ступке. Кроме того, выполнен рентгеноструктур-ный анализ глинистой фракции (ОИГГм СО РАН). Более подробно методика изучения проб донных отложений реки Томь, сведения об их минеральном и химическом составе изложены в [13].
Отбор проб донных отложений реки Актру выполнен В.В. Паромовым в июле-августе 2013 г. также в 0,2-1,0 м от уреза воды из слоя
0,2 м. Определение химического состава фракции до 1 мм проводилось в Томском политехническом университете (ТПУ) с использованием следующих методов: рН водной вытяжки - потенциометриче-ский; концентрации Ca2+, Mg2+, HCO3-, Cl-, углерода водорастворимых органических веществ Сорг. в водной вытяжке - фотометрический; SO42- в водной вытяжке - турбидиметрический; Na+, K+ в водной вытяжке - ионная хроматография; NO3-, NO2-, NH4+ в водной вытяжке - фотометрический; Li, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Sr, Cd, Sn, Ba, Pb - метод атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой с извлечением кислоторастворимых форм элементов. Анализ проводился для фракции до 1 мм, полученной ситовым способом. Рентгенофазовый анализ подготовленных проб донных отложений выполнен в ТГУ. Информация о методике и результатах исследования приведена в [14].
Отбор проб донных отложений малых рек в северной части Вьетнама проведен в феврале 2016 г. Нгуен Ван Луеном из верхнего слоя 0,2 с последующим отсевом фракции менее 0,5 мм. Лабораторные работы по определению химического состава водных вытяжек из донных отложений выполнены в ТПУ с использованием потенциометрического (рН), титриметрического (Ca2+, Mg2+, HCO3-, CO32-, CO2, Cl-, перманганатная и бихроматная окисляемо-сти), турбидиметрического (SO42-), фотометрического (Si, Nh4+, NO2-, NO3-, PO43-) методов, масс-спек-трометрического метода с индуктивно-связанной плазмой (с использованием масс-спектрометра Ne-xION 300D: Si, Li, Al, P, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Se, Rb, Sr, Cd, Sn, Sb, Ba, La, Ce, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu, Au, Hg, Pb, Bi), ионной хроматографии (Na+, K+). Кроме того, на исследовательском ядерном реакторе ИРТ-Т ТПУ был проведен количественный нейтронно-активационный анализ проб донных отложений на 28 химических элемента и электронная микроскопия с использованием сканирующего электронного микроскопа HITACHI S-3400N с энер-го-дисперсионной приставкой Bruker X Flash 4010. Более подробные сведения о методике и результатах изучения донных отложений малых рек в бассейне реки Хонг представлены в [15].
Отбор проб донных отложений рек Киргизка, Омутная, Сарала, Бискамжа выполнен О.Г. Сави-чевым в июле 2017 г. из слоя 0,2 м. В реках Сара-ла и Бискамжа отбор проводился в 0,2-1,0 м от уреза, в реках Киргизка и Омутная - смешанная проба из трех одинаковых частей, отобранных в точках, соответствующих 0,25; 0,5; 0,75 от ширины реки в створе. Масса пробы - 6 кг. Определение химического состава донных отложений и водных вытяжек (фракция до 1 мм) проводилось в ТПУ с использованием тех же методов, что и в случае рек Вьетнама. Рентгенофазовый анализ проб донных отложений без разделения на фракции проводился в Институте геологии и минералогии СО РАН (Мирошниченко Л.В.) на автоматизированном порошковом дифрактометре ДРОН-4 (излучение ^Ka,
графитовый монохроматор). Дифракционные картины были отсканированы в интервале 29 от 3° до 65° с шагом 0,05°, время сканирования в точке -4 с, щель 0,5 мм. Результаты изучения минерального и химического состава донных отложений рек Киргизка, Омутная, Правая Сарала, Бискамжа приведены в табл. 2.
Во всех случаях, помимо проб донных отложений, проводился отбор проб речных вод из слоя 0,3-0,5 м от поверхности. Лабораторные работы выполнены в ТПУ с использованием следующих методов: рН - потенциометрический; 8042- - турбидиметрический; Са2+, Mg2+, НС03-, С1-, бихромат-ная окисляемость - титриметрический; соединения азота, фосфаты, 81 - фотометрический; А1 -флурометрический; №+, К+, Fe - атомная абсорбция, ионная хроматография; Zn, РЬ, Си - инверси-онно-вольтамперометрический; в 2013 г. - Li, Т1, V, Сг, Мп, Со, N1, 8г, Cd, Ва - атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой; в 2016-2017 гг. - 81, Li, А1, Р, Т1, Сг, Мп, Fe, Со, N1, Си, Zn, Rb, 8г, Cd, Ва, La, Се, 8т, Аи, РЬ и ряд других микроэлементов - масс-спектрометри-ческий метод с индуктивно-связанной плазмой. Результаты изучения химического состава водных вытяжек из донных отложений и речных вод приведены в табл. 3 (показатели выбраны с учетом специфики расположенных вблизи месторождений или рудопроявлений).
Анализ результатов рассматриваемого исследования включал: 1) корреляционный и регрессионный анализ с уровнем значимости 5 % с использованием условия В2>0,36, где В2 - квадрат корреляционного отношения [16]; 2) расчет индексов насыщения г) речных вод и водных вытяжек из донных отложений относительно ряда минералов (1) методом констант с использованием уравнения Дэ-виса для определения коэффициентов активности заряженных частиц:
ц = lg па - lg Kn
(1)
где ПА - произведение активностей группы веществ; Кпе1} - константа неустойчивости, кроме ряда минералов; описание методики расчётов приведено в [13].
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ данных о минеральном и химическом составе донных отложений изученных рек проводился с учетом следующих положений.
Во-первых, изменения гранулометрического состава донных отложений в целом описываются уравнением Штенберга (2), основанным на предположении пропорциональности изменения веса частицы произведению ее веса на протяженность участка перемещения [17-19].
ал = ¿л ,0ехР( - ках1 ,(2)
где и д,^ х - диаметр частицы донных отложений в начале и конце участка длиной х; кл - коэффициент, зависящий от прочности горной породы.
Таблица 1. Общая характеристика объектов исследования Table 1. General characteristic of researched objects
Река/River Пункт (широта; долгота, °) Points of water sampling (latitude, longitude, °) Дата отбора Sampling date Источник Information source L, км (km) F, км2 (km2) FU км2 (km2) Z, м/m Qa, м3/с (m3/s) Qt, м3/с (m3/s) St, мг/дм3 (mg/dm3)
г. Междуреченск Mejdurechensk town (53,40°; 88,06°) 11.07.00 169 5880 - 242 163 - 112,3
Томь/Tom пгт. Крапивинский Krapivinsy town (55,00°; 86,48°) 13.07.00 [13] 457 42600 - 128 804 - 204,3
с. Тохтамышево Tokhtamyschevo settlement (84,89°; 56,37°) 14.07.00 739 56050 - 72 1128 452 163,9
исток/source 19.07.13 0,5 7,0 4,0 2487 0,19 1,70 63,4
альплагерь/camp (50,08°; 87,82°) 18.07.13 5,0 33,4 15,7 2127 0,91 5,20 114,4
нижняя часть поймы the bottom part of river plain 18.07.13 8,1 52,9 15,9 2056 1,44 5,30 125,6
Актру/Aktru перевалка/crossing 18.07.13 [14] 12,6 76,5 16,1 1771 2,08 5,60 153,2
устье р. Корумду the mouth of the Korumdu river 18.07.13 17,6 96,0 16,3 1582 2,62 5,70 150,1
устье р. Актру the mouth of the Aktru river 20.07.13 24,2 158,7 17,5 1487 4,32 5,80 141,8
Бискамжа выше п. Бискамжа Biskamzha settlement (53,46°; 89,57°) 18.07.17 22 95,0 5,0 655 2,63 - 214,4
Biskamzha выше п. Бискамжа Biskamzha settlement (53,46°; 89,54°) 18.07.17 23,5 100,0 5,0 621 1,89 - 199,7
10 м от выхода из озера flow out the lake (54,68°; 88,60°) 20.07.17 0,01 3,1 1,9 1100 0,05 - 39,2
Правая Сарала Pravaya Sarala выше п. Приисковый Priiskovy settlement (54,65°; 88,68°) 20.07.17 6,8 34,0 15,3 908 0,57 - 25,2
ниже п. Приисковый Priiskovy settlement (54,65° 88,74°) 20.07.17 Табл. 2, 3 10,4 48,0 20,0 804 0,81 - 68,7
Приток Саралы Sarala tributary устье/mouth (54,64°; 88,63°) 20.07.17 2,8 6,1 3,0 1009 0,10 - 28,7
с. Халдеево/Khaldeevo settlement (56,63 ; 85,61°) 24.07.17 4,4 14,0 6,2 180 0,09 0,01 585,3
Киргизка Kirgizka выше п. Семилужки Semiluzhki settlement (56,63°; 85,39°) 24.07.17 21,8 185 31 138 1,16 0,24 505,6
п. Кузовлево/Kuzovlevo settlement (56,58°; 85,04°) 24.07.17 74,5 820 35 78 5,14 0,37 514,3
Омутная Omutnaya с. Александровское Aleksandrovskoe settlment (56,38°; 85,38°) 24.07.17 14 65,0 16 151 0,41 0,01 378,3
M1604 (105,51°; 22,24°) 19.02.16 3,68 16,1 4 291 0,74 0,23 309,6
Бантхи/Ban Thi M1603 (105,49°; 22,22°) 19.02.16 7,84 71,4 20 264 3,30 0,42 315,9
M1602 (105,49°; 22,21°) 19.02.16 8,99 75,4 27 228 3,48 0,42 333,3
M1601 (105,46°; 22,21°) 19.02.16 13,14 134 27 147 6,19 0,71 318,4
Ченгу/Che Ngu M1605 (105,48°; 22,20°) 19.02.16 7,98 48,0 7 173 2,22 0,29 290,0
M1611 (105,57°; 22,13°) 20.02.16 [15] 16,12 43,8 7,7 296 2,02 0,98 277,0
Дай/Day M1609 (105,54°; 22,07°) 20.02.16 29,57 110,5 12 238 5,11 1,24 231,0
M1608 (105,53°; 22,06°) 20.02.16 32,82 164,8 13 225 7,61 3,46 224,7
M1607 (105,55°; 22,01 ) 20.02.16 41,68 182,3 23 206 8,42 4,39 193,3
Намду/Namdu M1610 (105,52°; 22,09°) 20.02.16 11,32 40,8 6 254 1,88 1,11 264,5
Фодай/Pho Day M1606 (105,56°; 22,02°) 20.02.16 32,9 129 10 215 5,96 1,53 102,6
Примечание: L - расстояние от истока реки до створа отбора пробы; F - площадь водосбора в створе отбора пробы; FU - площадь верхней части водосбора без выраженной русловой сети; Z - высота пункта отбора пробы; Qaи Qt- расходы воды в среднем и на момент отбора пробы; <jt - сумма главных ионов (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, HCO3-, CO32-, SO42-, Cl-) на момент отбора пробы; символ «-» означает отсутствие сведений.
Note: L is the distance to source; F is the basin area; FU is the area of the top part of a basin without channel networks;Z is the gauge altitude; Qa and Qt are the water discharges: annual and at the sampling moment; at is the sum of the main ions (Ca2+, Mg2+, Na+, K+, HCO3-, CO32-, SO42-, Cl-) at the sampling moment; the symbol«-» means absence of data.
Таблица 2. Гранулометрический, минеральный и химический состав донных отложений малых рек в бассейне р. Обь в июле 2017 г.
Table 2. Fractional, mineral and chemical composition of river sediments of the minor rivers in the Ob river basin in July, 2017
Бискамжа the Biskamzha river р. Правая Сарала the Pravaya Sarala river а, a р. Киргизка the Kirgizka river е ое
Показатель Index Ед. изм. Units 23,5 км от истока 23,5 km to the source 22 км от истока 22 km to the source 10 м от озера 10 m out the lake 6,8 км от озера 6,8 km out the lake 0,4 км от озера 10,4 km out the lake Приток р. Сарал. 2,8 км от исток Tributary of Saral выше с. Халдеево Khaldeevo выше п. Семилужки Semiluzhki выше п. Кузовлево Kuzovlevo р. Омутная - выи с. Александровск Omutnaya river
Гранулометрический состав/Fraction composition
>10 66,9 0,0 54,0 59,7 66,8 74,4 63,2 65,8 0,0 0,0
7-10 5,6 0,0 16,8 19,4 13,5 7,3 15,7 16,6 0,0 0,0
h F 5-7 7,9 0,0 13,5 3,7 4,4 5,1 4,7 9,0 0,0 9,7
n 3-5 % 8,6 0,0 5,9 2,7 4,6 6,6 4,6 2,5 0,0 6,0
и ПЗ 2-3 3,1 8,7 1,9 5,0 3,7 2,3 3,6 1,4 0,0 20,3
Li_ 1-2 0,5 52,6 4,1 3,5 2,9 2,3 1,7 1,9 21,1 47,8
0,25-1 7,1 3,9 3,4 3,7 2,5 1,3 2,5 1,4 48,9 12,6
cc s <0,25 0,4 34,9 0,4 2,5 1,6 0,7 4,1 1,3 30,0 3,6
^ к а Cl e Средний диаметр Average diameter мм mm 18,1 1,1 13,4 15,6 18,6 21,8 11,4 30,1 0,7 2,1
Минеральный состав/Mineral composition
nO >50 - - - - - - Qz Qz Qz Qz
С «25 -50 Pc Pc, De Pc, Cl Pc, Cl Pc, Cl Pc, Cl - - - -
С «15 -25 - - - - - - - mc - -
О ф s «5- 15 Qz, K-Fs, Ap, Cl Qz, Cl, K-Fs, Ap Qz, Ap Qz, Ap, mc Qz, Ap, mc Qz, Ap, De Pc, mc, Cl, K-Fs Pc, Cl, Ce Pc, K-Fs -
а X «3 -5 tc, mc mc, Ce mc K-Fs De mc, K-Fs, Ae Ce K-Fs, De Cl, mc Pc, K-Fs
ш et «1 -3 Ka - - - Ae tc, Ka, Ge Ka, Px Px Ap Px
и <1 Px Ka, Px Ka, Px De, Px tc, Px Px Ap, Py Ap Mg-Ce Ap, Px
Химический состав/Chemical composition
Na 0,92 0,71 0,83 0,92 - 0,80 0,97 0,90 1,01 0,97
К % 2,29 3,27 1,60 1,34 - 1,00 1,00 <1 1,00 <1
Ca 1,36 1,97 1,26 1,57 - 1,50 1,57 1,37 1,44 1,20
Fe 3,307 3,446 3,144 3,462 - 3,602 4,339 3,679 3,579 3,429
Cr 93,25 92,36 94,15 98,75 - 100,58 105,15 92,57 105,49 97,91
Zn 70,6 56,6 66,0 68,6 - 65,6 69,0 83,0 88,1 66,1
Rb 99 92 86 108 - 102 91 96 89 90
Sr <60 219 <60 105 - 60 <60 105 <60 131
Ba мг/кг mg/kg 360 388 330 421 - 429 434 398 363 337
Au 0,024 0,020 0,027 0,012 - 0,010 0,021 0,048 0,032 0,024
La 31,82 27,36 29,57 33,34 - 30,43 33,50 34,69 36,01 34,85
Ce 72,56 64,07 68,93 78,87 - 71,70 69,96 72,00 73,98 71,12
Sm 5,58 4,89 5,05 6,00 - 5,37 6,22 6,29 6,19 5,97
Th 9,75 8,56 9,45 10,94 - 9,53 10,05 9,66 10,10 9,41
U 2,49 2,45 1,85 2,85 - 2,27 2,86 3,36 2,82 2,81
Примечание: Pc - плагиоклаз; K-Ps - калиевый полевой шпат; Ap - амфибол; Px - пироксены; Qz - кварц; Cl - хлорит; Ka - каолинит; Ce - кальцит (Mg-кальцит); Ae - арагонит; De - доломит; Ge - гетит; Py - пирит; mc - слюда; tc - тальк
Note: Pc - plagioclase; K-Ps - Potassium feldspar; Ap - amphibole; Px - pyroxene; Qz - quartz; Cl - chlorite; Ka - kaolinite; Ce - calcite (Mg-calcite); Ae - aragonite; De - dolomite; Ge - Goethite; Py - pyrite; mc - mica; tc - talc.
Во-вторых, учитывалась зависимость между средней скоростью течения речных вод va и средним диаметром частиц донных отложений dsba, выражаемая формулами Шези, Маннинга и Штри-клера [17-19]:
va = CTjRJ,
1
сх=
i
П = K'dla ,
где CT - коэффициент Шези; R и ha - гидравлический радиус и средняя глубина потока; J - уклон водной поверхности; кт - коэффициент, согласно [18], £=33, а по [19] £=21,1.
В-третьих, для многих рек наблюдается постоянство или незначительное изменение скорости течения с ростом площади водосбора и расхода воды [20]. С учетом того, что уклоны водной поверхности от истоков к устью в целом снижаются, следует ожидать и одновременное уменьшение среднего диаметра частиц донных отложений.
В-четвертых, при поисках полезных ископаемых обосновано использование показателя гипергенной устойчивости KHS, предложенного Н.А. Шило при изучении россыпных месторождений и учитывающего твердость Hm и плотность минералов pm [6]:
KHS = lg(Hm pm ).
С учетом указанных выше положений можно предположить, что коэффициент kd в уравнении (2) является функцией твердости Hm минералов, а при отсутствии локальных источников вещества при перемещении твердых частиц от истоков к устью вероятно уменьшение доли содержащихся в них минералов с минимальной твердостью и увеличение доли более твердых минералов.
Результаты выполненного анализа в целом подтверждают эти предположения. Наиболее заметные изменения минерального состава проявляются при изучении рек протяженностью более 11-20 км и заключаются в общих чертах в последовательном снижении доли минералов с показателем гипергенной устойчивости менее 1,23 и твердостью менее 7 (для кварца KHS«1,26-1,27 и Hm=7) - олигоклаза, роговой обманки, мусковита, хлорита, каолинита и ряда других минералов (рис. 1). Доля кварца, напротив, увеличивается (рис. 2, 3).
Статистически значимая зависимость между твердостью минералов и коэффициентом kd в ур. (2) по данным, полученным на реке Томь, выявлена только для фракции 0,06-0,10 мм (рис. 4). Причем критическое значение твердости минерала (Hm=6,3), при которой размеры частицы практически не меняются, несколько выше твердости кварца (Hm=7), являющегося, согласно [6], репером для определения группы россыпеобразующих минералов с KHS> 1,27.
н
S I
S -
о
св
•Бан Тхи А Дай
10 20 30 40 Расстояние от истока, км
-1
50
Рис. 1.
Fig. 1.
Изменение доли каолинита во фракции донных отложений рек Бан Тхи и Дай (Вьетнам) менее 0,5 мм в 2016 г.
Change of a part of kaolinite in the fraction of river sediments of the Ban Thi and Day rivers (Viet Nam) less than 0,5 mm in 2016
100
80
£ 60
я &
Ü 40
20
•Бан Тхи А Дай
10 20 30 40 Расстояние от истока, км
-1
50
Рис. 2. Изменение доли кварца во фракции донных отложений рек Бан Тхи и Дай (Вьетнам) менее 0,5 мм в 2016 г.
Fig. 2. Change of a part of quartz in fraction of river sediments of the Ban Thi and Day rivers (Viet Nam) less than 0,5mm in 2016
Обычно предполагается, что значения kd характеризуют физическое воздействие на частицы донных отложений, максимум которого связан с истиранием мелкого гравия и дробления мелкой гальки [17]. В гидрогеохимии традиционно большое внимание уделяют растворению и выщелачиванию химических элементов из горных пород [21-23]. Общее представление о том, что значительная часть ионного состава вод (особенно ка-тионного) формируется за счет растворения и выщелачивания водовмещающих и подстилающих горных пород является базовым постулатом в гео-
Таблица 3. Химический состав водных вытяжек донных отложений и воды малых рек в бассейне р. Обь в июле 2017 г.
Table 3. Chemical composition of water extracts of river sediments and river waters in the Ob river basin at July, 2017
р. Бискамжа (выше п. Бискамжа) the Biskamzha river р. Правая Сарала the Pravaya Sarala river то то р. Киргизка/the Kirgizka river le 0 е е dr э8с
Показатель Index Ед. изм. Units 23,5 км от истока 23.5 km to source 22 км от истока 22 km to source 10 м от истока (озера) 10 m out lake 6,8 км от озера 6,8 km out lake 10,4 км от озера 10,4 km out lake Приток р. Сарал 2,8 км от исток Tributary of the Sa 2,8 km to sourc выше с. Халдеево Khaldeevo settlment выше п. Семилужки Semilujki settlment выше п.Кузовлево Kuzovlevo settlment р. Омутная - вы с. Александрова the Omutnaya - Aleksa settlment
Химический состав водных вытяжек из донных отложений / Chemical compound of water extracts from ground adjournment
рн - 8,29 7,29 5,09 6,79 7,12 6,68 7,69 8,1 7,23 7,4
мг/дм3 mg/dm3 54,5 81,1 67,5 44,4 56,6 53,0 154,7 113,7 251,5 77,2
Na 21,51 16,73 16,88 17,32 15,34 121,63 66,71 47,09 22,37 17,94
Mg 84,84 56,81 17,97 21,57 28,33 52,67 72,96 72,03 40,52 23,56
Al 177,32 45,47 61,32 41,27 38,80 96,06 43,17 91,39 38 , 63 12,30
Si 402,9 118,7 72,6 87,1 81,2 176,7 135,1 183,3 121,4 47,0
P 6,98 6,57 7,22 5,97 1,40 12,16 12,57 9,92 11,74 5,59
K 98,53 34,85 86,81 30,28 21,52 113,38 72,30 67,24 84,99 133,17
Ca 274,90 229,74 55,72 148,22 183,35 271,49 484,90 444,91 468,93 158,41
Ti 2,252 1,256 2,611 1,864 1,126 6,685 0,899 1,624 1,046 0,375
Cr 0,26902 0,07458 0,07887 0,04174 0,01795 3,49798 0,04257 0,13948 0,05499 <0,00125
Mn 2,96186 1,65268 5,06949 3,88262 3,23029 21,24060 11,28676 7,68351 5,36103 1,85538
Fe 155,893 70,549 51,299 64,462 51,629 133,256 88,170 120,012 154,789 29,859
Ni 0,30980 0,08679 0,11326 0,05290 0,04750 0,73436 0,16315 0,22485 0,11146 0,03993
Cu 0,43350 0,34649 0,15603 0,42334 0,28654 0,76533 0,33469 0,61997 0,24644 0,07795
Zn мг/кг 0,42866 0,15338 0,24293 0,28257 0,37558 0,83505 0,26477 0,30783 0,23861 0,05675
Rb mg/kg 0,14702 0,06465 0,14737 0,04414 0,02601 0,11470 0,08151 0,10340 0,08182 0,03451
Sr 1,35421 0,87506 0,29502 0,68332 1,01556 2,54314 2,71129 2,43164 2,20829 0,83579
Y 0,15595 0,13725 0,06099 0,04495 0,05048 0,09910 0,06877 0,16385 0,06956 0,01803
Zr 0,07744 0,02904 0,03322 0,02244 0,02521 0,02223 0,05918 0,14769 0,06311 0,01438
Cd 0,00231 0,00128 0,00370 0,00847 0,00449 0,02863 0,00118 0,00226 0,00123 0,00032
Ba 2,2980 0,9934 0,6562 0,4664 0,5839 1,6958 1,1516 2,3212 1,6006 0,3373
Au <0,00012 <0,00012 <0,00012 0,00018 <0,00012 0,00013 <0,00012 <0,00012 <0,00012 <0,00012
Hg 0,00207 <0,00125 <0,00125 0,00399 <0,00125 0,01941 <0,00125 <0,00125 <0,00125 <0,00125
Pb 0,11565 0,07044 0,11618 0,24274 0,10487 0,16854 0,08610 0,23116 0,14016 0,01836
La 0,16495 0,13432 0,05000 0,03582 0,03745 0,08177 0,09317 0,19172 0,08137 0,01945
Ce 0,34809 0,18927 0,08915 0,08951 0,09313 0,23001 0,19206 0,45566 0,19717 0,04020
Sm 0,03719 0,02638 0,01534 0,00983 0,01027 0,02337 0,02014 0,04732 0,02034 0,00463
Th 0,00494 0,00182 0,00360 0,00162 0,00113 0,00193 0,00305 0,01141 0,00452 0,00134
U 0,01055 0,01176 0,00624 0,00779 0,00583 0,00739 0,00309 0,00739 0,00455 0,00070
Химический состав речных вод/Chemical composition of river waters
рн - 8,35 8,30 7,75 7,46 7,83 7,31 8,18 8,20 8,11 8,02
СО2 1,5 1,5 4,4 3,5 3,5 3,5 1,5 1,5 1,5 1,5
£f(w) мг/дм3 mg/dm3 214,4 199,7 39,2 25,2 68,7 28,7 585,3 505,6 514,3 378,3
PO43- 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,144 0,121 0,201 0,092
Si 5,28 5,03 1,03 2,68 3,10 2,91 6,12 5,50 5,37 5,69
Fe 0,0764 0,0876 0,0204 0,3157 0,1678 0,5844 0,5096 0,7570 0,6879 1,1249
Al 14,4 13,1 10,8 226,9 125,7 56,3 60,2 65,8 49,0 35,0
Ti 0,85 0,74 0,21 18,38 8,01 2,85 2,91 2,64 2,35 1,98
Cr 0,73 0,65 0,26 1,83 0,03 109,98 1,83 1,67 2,83 1,28
Mn 4,36 5,55 3,35 7,69 3,71 6,26 329,42 115,67 136,61 159,36
Ni 0,19 0,21 0,11 0,55 0,03 18,91 1,54 1,53 1,57 2,15
Cu мкг/дм3 0,68 0,62 0,21 1,13 0,96 2,13 0,85 1,07 1,44 1,05
Zn mkg/dm3 0,20 0,18 0,15 1,77 1,67 3,69 0,76 0,59 1,43 1,19
Rb 0,342 0,345 0,160 0,276 0,202 0,120 0,518 0,637 2,741 0,602
Sr 161,5 142,5 17,2 24,9 52,4 16,7 529,4 494,4 413,1 330,0
Y 0,120 0,118 0,008 0,165 0,090 0,078 0,191 0,201 0,184 0,163
Zr 0,024 0,021 0,007 0 ,106 0,025 0,031 0,150 0,173 0,098 0,152
Cd 0,003 0,001 0,002 0,015 0,024 0,014 0,009 0,005 0,010 0,009
Примечание: Zt(w) и Zt(sw) - сумма главных ионов (табл. 1) в речных водах и водных вытяжках из донных отложений. Note: Et(sw) is the sum of the main ions (table 1) in river waters and water extracts from river sediments.
Окончание табл. 3 Table 3
р. Бискамжа (выше п. Бискамжа) the Biskamzha river р. Правая Сарала the Pravaya Sarala river la, га га р. Киргизка/the Kirgizka river sle rov е е dr =1 Ос
Показатель Index Ед. изм. Units 23,5 км от истока 23.5 km to source 22 км от истока 22 km to source 10 м от истока (озера) 10 m out lake 6,8 км от озера 6,8 km out lake 10,4 км от озера 10,4 km out lake Приток р. Сарал 2,8 км от исток Tributary of the Sa 2,8 km to sourc выше с. Халдеево Khaldeevo settlment выше п. Семилужки Semilujki settlment выше п.Кузовлево Kuzovlevo settlment р. Омутная - вы с. Александрова the Omutnaya - Aleks; settlment
Ba 21,720 25,23 6,94 9,71 6,83 10,63 31,99 38,71 56,86 43,13
Au <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005 <0,005
Hg <0,050 <0,050 <0,050 <0,050 <0,050 <0,050 <0,050 <0,050 <0,050 <0,050
Pb мкг/дм3 mkg/dm3 0,03 0,02 0,03 0,49 0,24 0,09 0,15 0,14 0,21 0,12
La 0,078 0,077 0,006 0,133 0,081 0,044 0,165 0,150 0,168 0,139
Ce 0,081 0,071 0,013 0,255 0,113 0,077 0,316 0,285 0,348 0,263
Sm 0,0238 0,0180 <0,0005 0,0310 0,0173 0,0139 0,0371 0,0299 0,0358 0,0318
Th <0,005 <0,005 <0,005 0,013 <0,005 <0,005 0,013 0,014 0,018 0,017
U 0,542 0,490 0,009 0,025 0,084 0,004 2,198 0,910 1,042 0,619
химии природных вод [24, 25]. Однако непосредственно с уменьшением размера частиц донных отложений эти процессы, как правило, не связываются, либо их роль не считается определяющей в предположении того, что скорость переноса частиц, их истирания и дробления больше скорости геохимических процессов.
0 200 400 600 800
Расстояние от истока, км
Рис. 3. Изменение доли кварца во фракциях 0,06-0,11, 0,10-0,25, 0,25-1,00 мм донных отложений реки Томь в 2000 г.
Fig. 3. Change of a part of quartz in fractions of 0,06-0,11, 0,10-0,25, 0,25-1,00 mm of river sediments of the river Tom in 2000
Для проверки гипотезы о возможном влиянии растворения и выщелачивания на изменение размера и состава частиц донных отложений были выполнены расчеты индексов насыщения речных вод и водных вытяжек из донных отложений изученных рек (табл. 2, 3; данные [13-15]). Химический состав водных вытяжек в первом приближении ха-
рактеризует уровень содержания наиболее подвижных форм химических элементов в донных отложениях и может использоваться в качестве характеристики условий взаимодействия донных отложений, речных наносов и вод. Анализ результатов термодинамических расчетов показал, что и речные воды, и водные вытяжки из донных отложений неравновесны относительно минералов группы полевых шпатов на всем протяжении изученных участков водотоков. В то же время речные воды и водные вытяжки близки к равновесию с кварцем и глинистыми минералами, особенно каолинитом (рис. 5). Последний минерал обнаружен во многих пробах, но присутствует обычно в небольших количествах, что объясняется выносом глинистых частиц из русла в виде взвешенных наносов и осаждением на плесах и в пойме на спаде половодья и паводков [26].
Относительно кальцита водные вытяжки более недонасыщены, чем речные воды. Так, диапазон изменения индексов насыщения ^(СаС03) для вытяжек изменяется в диапазоне от -10,1 до -0,7, а для речных вод - от -9,5 до 0,6. Характерной особенностью является то, что, во-первых, отрицательные значения ^(СаС03) чаще всего наблюдаются на участках длиной до 42 км от истока при средней протяженности 16 км, что в общих чертах согласуется с указанными выше фактами о наиболее заметных изменениях минерального состава донных отложений на участках, удаленных от истоков на 11-20 км и более. Во-вторых, значения ^(СаС03) менее -1,5с наибольшей вероятностью приурочены к участкам рек с отсутствием кальцита в минеральном составе донных частиц, а способность растворения кальцита в водных вытяжках из донных отложений сохраняется даже в случае насыщения речных вод.
0,000006
0,000004
0,000002
0,000000
-0,000002
-0,000004
-0,000006
г
5,5
"В"
¡,0 w ч6>5
7,0
ч
ч •
7,5
Hm
Рис. 4.
Fig. 4.
Зависимость коэффициента kd в ур. (2) от твердости Hm породообразующих минералов (олигоклаз, роговая обманка, пироксены, кварц) во фракции 0,06-0,10 мм донных отложениях реки Томь (2000 г.); kd=2,798-10-5-(4,440-10-6)Hm; R2=0,77
Dependence of kd factor in equation (2) on hardness Hm of minerals (oligoclase; hornblende, pyroxene, quartz) in fraction of 0,06-0,10 mm of river sediments of the Tom river (in 2000); kd=2,798-10-5-(4,44 0-10-6)Hm; RR=0,77
К
cS
О
18 16 14 12 10 8 6 4
anotrite /\
Ca-montmorillonite / 1 ✓ 1 / 1
! i albite
Г 1 'С 1 i 1 i 1 1 1
kaolinite 1 s 1 1 à 1 1 ^
тельно кварца ^(8Ю2) изменяется от -0,37 до 0,32 при среднем значении 0,08, а при содержании более 50 % - в интервале от 0,34 до 0,39 при среднем значении 0,36. Аналогичные выводы можно сделать и на основе данных, приведенных в работах Г.П. Карнауховой, Н.А. Рослякова и соавторов [27, 28].
Общее представление о механизме совместного влияния физических и геохимических процессов на изменение размеров, минерального и химического состава частиц донных отложений может быть получено при анализе структуры модели выщелачивания минералов, описанной в [29]:
Г Еа }
= k0 Aexp >f(I ).
r,t)
г," (J )
0 2 4 6 8
lg(Na+/H+)
Рис. 5. Система HCl-H2O-A2O3-CO2-CaO-SiO2-Ns2O при 25 °С, lg[H4SiO4]=-3,5 и РСО2=101,5 Па с нанесением данных по составу вод изученных рек (табл. 1, 3)
Fig. 5. System HCl-Hß-AhO-COt-CaO-SiOt-NatO at 25 °С, lg[H4SiO4]=-3,5 и РСО2=101,5 Pa with drawing data of the researched river waters (table 1, 3)
Следовательно, уменьшение размеров донных частиц, в составе которых присутствует кальцит, может быть связано не только с физическими, но и химическими процессами. Такой же вывод можно сделать и применительно к другим минералам с показателем гипергенной устойчивости меньше, чем у кварца, содержание которого, напротив, возрастает. Одновременно с этим увеличивается и степень пересыщения речных вод относительно кварца. При содержании кварца в донных отложениях в диапазоне 5-15 % индекс насыщения относи-
где ут - скорость растворения (выщелачивания) минерала в водной среде; к0 - константа скорости растворения минерала; Еа, Д, Т - энергия активации, газовая постоянная и температура среды; а -активность иона; /1(1) - функция связи vMR с ионной силой раствора I; /1 - функция, характеризующая отклонение от равновесия; п(Н+) и п(]) - параметры, по смыслу близкие к стехиометрическим коэффициентам иона водорода и других веществ, участвующих в реакции; А - площадь поверхности минерала, которая в пористой среде, согласно [30], обратно пропорциональна диаметру частиц породы, соприкасающихся с водой, и плотности минерала, в них содержащегося; по [31] величина А почв возрастает с увеличением доли глинистых частиц.
При этом следует иметь ввиду, что частицы донных отложений разной формы должны существенно отличаться друг от друга по величине скорости растворения (выщелачивания) содержащихся в них минералов не только из-за разной площади взаимодействия воды и породы (площадь поверхности куба со стороной d примерно в 1,9 раза больше площади шара такого же диаметра), но и вследствие неравномерного выщелачивания их отдельных элементов с одной массой, но разной площадью соприкосновения с раствором. Очевидно, что сглаживание граней частицы вещества будет происходить тем быстрее, чем меньше твердость породообразующих минералов и больше транспортирующая способность потока (больше количество частиц, выше скорость их перемещения и частота столкновений). Следовательно, процессы растворения (выщелачивания) минералов, входящих в состав частиц донных отложений, на первом этапе могут ослабить механическую прочность частиц, что способствует их истиранию и/или растрескиванию. Затем, после растрескивания крупных частиц и увеличения суммарной поверхности взаимодействия их водным раствором, дополнительно усиливается процесс растворения (выщелачивания), ограничением которого является образование слоя из вторичных минералов, равновесных к водному раствору. В ряде случаев продукты растворения горных пород могут образовывать не
только геохимический, но и физический барьер, например, при кольматации поверхностного слоя донных отложений.
Уравнение (8) позволяет получить только самое общее описание скорости растворения минералов в статистическом смысле, поскольку исследуемые процессы в целом являются нестационарными и случайными, часто - дискретными. Поэтому получение универсальных количественных оценок взаимосвязей между минеральным и химическим составом донных отложений, минеральным составом донных отложений, стоком наносов, речных вод и их химическим составом для всех природных зон и геологических условий сопряжено с многочисленными проблемами. Например, общая картина соотношения месторождений полезных ископаемых и рудопроявлений с содержаниями химических элементов в донных отложениях, водных вытяжках из них и, особенно, речных водах без учета геологического строения и преобладающих ландшафтов водосбора весьма неопределенная (табл. 2. 3).
Поэтому более продуктивным, по нашему мнению, является, с одной стороны, выявление общих региональных закономерностей для природных зон или крупных районов, а с другой - поиск эмпирических зависимостей на основе упрощения уравнения (8) для конкретных локальных условий. Исходя из этого, для малых водотоков в северной части Вьетнама были получены уравнения связи между концентрациями РЬ и Zn в речных водах, водных вытяжках из донных отложений, значениями скорости течения, модуля водного стока, коэффициента дисперсии, а также уравнения связи между содержанием в донных отложениях урана и каолинита [15, 32].
На региональном уровне, судя по результатам анализа данных как по северной части Вьетнама, так и в Сибири, наиболее очевидным является отмеченное выше закономерное изменение содержаний некоторых породообразующих минералов, например, увеличение вклада кварца от верховий к устьям рек и уменьшение доли минералов с меньшими, чем у кварца, значениями показателя гипергенной устойчивости. Тяжелые россыпеобра-зующие рудные минералы с КН8>1,27 накапливаются на локальных участках с линейными параметрами до 10-100 км, что в случае малых водотоков в целом совпадает с выводами, полученными в [33] для металлов платиновой группы. При этом необходимо отметить, что существенные изменения химического состава речных вод при наличии достаточно мощных источников загрязнения (сброс сточных вод предприятий гг. Новокузнецка, Кемерово, Томска в реку Томь [34], горно-обогатительных фабрик, связанных с добычей свин-цово-цинковых руд во Вьетнаме, - в реки Дай и Бан Тхи [12]) обычно наблюдаются в пределах 10-11 км, что примерно соответствует пути осаж-
дения карбонатов в случае пересыщения ими речных вод [15].
С учетом этого можно предположить, что в случае длительного функционирования источника вещества при условно однородных условиях водного стока и водного режима, определяющих общие черты выноса и аккумуляции, размеры участков с характерным изменением химического состава речных вод, минерального и химического состава донных отложений взаимосвязаны (табл. 2, 3). Как правило, участки с характерным минеральным составом донных отложений расположены ниже по течению от участков с условно однородным (или слабо меняющимся в многолетнем разрезе) химическим составом речных вод, причем смещение границ таких участков достигает 100 км.
Заключение
В результате выполненного исследования получены следующие выводы:
1) основные закономерности изменения минерального состава донных отложений связаны с возрастанием доли кварца от истоков к устьям рек при одновременном снижении вклада минералов с показателем гипергенной устойчивости менее 1,26-1,27; указанные закономерности проявляются на участках рек, удаленных от истоков на 11-20 км и более;
2) при длительном функционировании источников вещества и относительно неизменных условиях формирования гидрологического режима границы участков со сменой минерального состава донных отложений расположены в 1-100 км ниже по течению от границы участков с однородным химическим составом речных вод;
3) транспортировка и формирование россыпей тяжелых рудных минералов ограничены участками ориентировочно 10-100 км;
4) отмечена двойственная роль геохимические процессов при уменьшении размеров частиц донных отложений по длине рек: 4.1) вначале процессы растворения и выщелачивания ослабляют механическую прочность крупных частиц, причем тем сильнее, чем больше форма частиц отличается от шара; 4.2) затем, после механического разрушения частиц в результате сталкивания с другими частицами, происходит резкое увеличение площади соприкосновения воды и породы; 4.3) это, в свою очередь, приводит к усилению растворения и/или выщелачивания вплоть до момента, когда в поверхностном слое донных отложений не накапливается достаточное количество продуктов выветривания, устойчивых и к химическому, и к физическому выветриванию, в частности кварца.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ №17-05-00042.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Требования к производству и результатам многоцелевого геохимического картирования масштаба 1:200000. - М.: Институт минералогии, геохимии и кристаллографии редких элементов, 2002. - 92 с.
2. Инструкция по геохимическим методам поисков рудных месторождений. - М.: Недра, 1983. - 228 с.
3. Water Quality Assessments. A guide to use of biota, sediments and water in environmental monitoring. 2nd edition / Ed. by D. Chapman. - London: Chapman & Hall, 1996. - 651 p.
4. Guide to Hydrological Practices. V. I. Hydrology - from Measurement to Hydrological Information. WMO-No. 168. Sixth edition. - Geneva: World Meteorological Organization, 2008. -296 p.
5. РД 52.24.309-2016. Организация и проведение режимных наблюдений за состоянием и загрязнением поверхностных вод суши. Дата введения 2017-04-03. Министерство природных ресурсов и экологии РФ, Росгидромет. - Ростов-на-Дону: Росгидромет, ФГБУ «ГХИ», 2016. - 135 с.
6. Россыпные месторождения России и других стран СНГ (мира-гения, промышленные типы, стратегия развития минерально-сырьевой базы) / Н.Г. Патык-Кара, Б.И. Беневольский, Л.З. Быховский, Л.Б. Зубков, А.А. Кременецкий, Е.В. Матвеева, В.А. Мелкий, В.Е. Минорин, А.Г. Мочалов, Н.М. Рин-дзюнская, Б.В. Рыжов, Л.В. Спорыхина, Е.А. Черемисина / отв. ред. Н.П. Лавёров, Н.Г. Патык-Кара. - М.: Научный мир, 1997. - 479 с.
7. Саралинский золоторудный узел Кузнецкого Алатау / И.Н. Широких, Н.А. Росляков, В.И., Сотников А.С. Васьков / под ред. Г.В. Полякова. - Новосибирск: Изд-во СО РАН, НИЦ ОИГГМ, 1998. - 236 с.
8. Недра России. В 2 т. Т. 1. Полезные ископаемые / А.А. Смыслов, Н.В. Межеловский, А.Ф. Морозов, Е.А. Басков,
A.И. Бурдэ, К.Б. Ильин, А.В. Козлов, Л.В. Кулачков, В.С. Ли-твиненко, Ю.В. Лир, Д.В. Рундквист, И.Г. Савина, С.В. Сен-дек, Л.И. Тихомиров, М.Г. Харламов / под ред. Н.В. Межелов-ского, А.А. Смыслова. - СПб.; М.: Горный ин-т, Межрегион. Центр по геол. Картографии, 2001. - 547 с.
9. Циркон-ильменитовые россыпные месторождения как потенциальный источник развития Западно-Сибирского региона / Л.П. Рихванов, С.С. Кропанин, С.А. Бабенко, А.И. Соловьев,
B.М. Советов, Т.Ю. Усова, М.А. Полякова / под ред. Е.Н. Трибунского, М.С. Паровинчака. - Кемерово: ООО «Сарс», 2001. -214 с.
10. Магмо-рудно-метасоматическая система Актуру в Горном Алтае / А.И. Гусев, А.Ф. Коробейников, А.Я. Пшеничкин, В.А. Домаренко // Успехи современного естествознания. -2014. - № 7. - С. 75-79.
11. Nguyen Kinh Quoc. The Map of geological conditions and mineral resources in scale 1:200000 of Bac Kan province, sheet F48-XV. -Hanoi: General Department of Geology and Minerals of Vietnam, 2001. - 3 p.
12. Improved method for hydrochemical exploration of mineral resources / Nguyen Van Luyen, O.G. Savichev, V.A. Domarenko, Quach Duc Tin // Vietnam Journal of Earth Sciences. - 2017. -№ 39 (2). - P. 167-180. DOI: 10.15625/0866-7187/39/2/9703.
13. Савичев О.Г., Колоколова О.В., Жуковская Е.А. Состав и равновесие донных отложений р. Томь с речными водами // Геоэкология. - 2003. - № 2. - С. 108-119.
14. Savichev O., Matveenko I., Paromov V. Chemical Composition of Bottom Sediments in Small Mountain Rivers (Altai, the Russian Federation) // MATEC Web of Conferences. - 2016. - № 85. -P. 1-7. DOI: 10.1051/matecconf/20168501031.
15. Минералого-геохимические особенности донных отложений малых рек в междуречье рек Ло и Кау (Северный Вьетнам) / О.Г. Савичев, В.А. Домаренко, Е.В. Перегудина, Нгуен Ван Луен, М.В. Шалдыбин, А.В. Канаки // Известия Томского по-
литехнического университета. Инжиниринг георесурсов. -2017. - Т. 328. - №9. - С. 102-113.
16. Nash J.E., Sutcliffe J.V. River flow forecasting through conceptual models. P. I - A discussion of principles // Journal of Hydrology. - 1970. - № 10 (3). - Р. 282-290.
17. Чалов Р.С. Русловые процессы (русловедение). - М.: ИНФРА-М, 2017. - 569 с.
18. Караушев А.В. Речная гидравлика. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - 416 с.
19. Chang H.H. Fluvial Processes in River Engineering. - Malabar, Florida: Krieger publishing, 2008. - 432 p.
20. Виноградов Ю.А., Виноградова Т.А. Математическое моделирование в гидрологии. - М.: ИЦ «Академия», 2010. - 304 с.
21. Перельман А.И. Геохимия эпигенетических процессов. - М.: Недра, 1965. - 272 с.
22. Lerman A. Geochemical Processes of Water and Sediment Environments. - New York: Wiley - Intersience Public, 1979. -481 p.
23. Shvartsev S.L. Geochemistry of fresh Groundwater in the Main Landscape Zones of the Earth // Geochemistry International. -2008. - V. 46. - № 13. - P. 1285-1398.
24. Алекин О.А. Основы гидрохимии. - Л.: Гидрометеорологическое изд-во, 1970. - 444 с.
25. Meybeck M. Global chemical weathering of surficial rocks estimated from river dissolved loads // American Journal of Science. -1987. - V. 287. - P. 401-428.
26. An integrated sedimentary systems analysis of the R'io Bermejo (Argentina): Megafan character in the overfilled southern Chaco foreland basin / M.M. McGlue, P.H. Smith, H. Zani, A. Silva,
B. Carrapa, A.S. Cohen, M.B. Pepper // Journal of Sedimentary Research. - 2016. - V. 86. - P. 1359-1377. DOI: http://dx.doi.org/10.2110/jsr.2016.82.
27. Катунь: экогеохимия ртути / Н.А. Росляков, В.С. Кусковский, Г.В. Нестеренко, С.Л. Шварцев, А.В. Геря, Ю.А. Калинин, Д.Ю. Крестовоздвиженский, А.А. Лукин, С.Р. Осинцев,
C.Т. Рыбакова, А.Ю. Туровинин / под ред. Н.А. Рослякова, А.Н. Дмитриева. - Новосибирск: ОИГГиМ СО РАН, 1992. -180 с.
28. Карнаухова Г.А. Цикличность осадконакопления и физические свойства донных осадков в искусственных водоемах // Доклады академии наук. - 2016. - Т. 471. - № 5. - С. 567-570.
29. Lasaga A.C. Fundamental approaches in describing mineral dissolution and precipitation rates // Reviews in Mineralogy. Chemical Weathering Rates of Silicate Minerals / Mineralogical Society of America. - 1995. - V. 31. - P. 23-86.
30. White Ar.F. Chemical weathering rates of silicate minerals in soils // Reviews in Mineralogy. Chemical Weathering Rates of Silicate Minerals. - 1995. - V. 31. - P. 405-462.
31. Coupled modeling of biospheric and chemical weathering processes at the continental scale / C. Roelandt, Y. Godderis, M.-P. Bonnet, F. Sondag // Global Biogeochemical Cycles. - 2010. -V. 24. - № 2. - P. 6357-6374. DOI: 10.1029/2008GB003420.
32. Нгуен Ван Луен. Эколого-геохимическое состояние подземных и речных вод, донных отложений водотоков в северной части Вьетнама (на примере уезда Чодонь, провинция Баккан): авто-реф. дис. ... канд. геол.-минерал. наук. - Томск, 2017. - 22 с.
33. Минералы металлов платиновой группы из аллювия - индикаторы коренной минерализации (на примере россыпей юга Сибири) / С.М. Жмодик, Г.В. Нестеренко, Е.В. Айриянц, Д.К. Белянин, В.В. Колпаков, М.Ю. Подлипский, Н.С. Карманов // Геология и геофизика. - 2016. - Т. 57. - № 10. -C. 1828-1860. DOI: 10.15372/GiG20161005.
34. Савичев О.Г. Водные ресурсы Томской области. - Томск: Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2010. - 248 с.
Поступила 31.01.2018 г.
Информация об авторах
Савичев О.Г., доктор географических наук, профессор отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Домаренко В.А., кандидат геолого-минералогических наук, доцент отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Перегудина Е.В., аспирант отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Лепокурова О.Е., кандидат геолого-минералогических наук, заведующая лабораторией Томского филиала Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН; доцент отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов Национального исследовательского Томского политехнического университета.
UDC 556.06:551.482.212
TRANSFORMATION OF MINERAL COMPOSITION OF RIVER SEDIMENTS FROM SOURCES TO MOUTH OF RIVERS
Oleg G. Savichev1,
Viktor A. Domarenko1,
Elena V. Peregudina1,
Olesya E. Lepokurova2,1,
1 National Research Tomsk Polytechnic University, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050, Russia.
2 Tomsk Branch of the Trofimuk institute of petroleum geology and geophysics of SB RAS, 4, Academichesky avenue, Tomsk, 634055, Russia.
Relevance. The efficiency of mineral exploration is determined by the depth of understanding a matter accumulation and scattering. The study of these processes involves an analysis of mineral and chemical composition of bedrock, the products of their processing in the zone of hypergenesis and their redeposition by water streams.
The aim of the research is to reveal the trends of change in mineral and chemical composition of river sediments along the length of rivers.
Methods: landscape-geochemical and statistical methods, methods of definition of chemical and mineral composition of river bottom sediments, mathematical modelling.
Results and conclusions. The authors have generalized the data on mineral composition of river sediments in basins of the Ob river (in the Russian Federation: the Tom, Aktru, Pravaya Sarala, Kirgizka, Omutnaya rivers) and the Red river (Viet Nam: the Ban Thi, Che Ngu, Day, Namdu, Pho Day rivers), received in 2000-2017. It is shown that the main regularities of changes in the mineral composition of bottom sediments are associated with an increase in the share of quartz from the sources to the mouths of rivers with a length of more than 11-20 km, while reducing the contribution of minerals to the hypergenic resistance index (logarithm of factum of density and hardness) less than 1,26-1,27. It is established that the sites with a characteristic mineral composition of bottom sediments are located downstream from the sites with a conditionally uniform (or slightly variable in long-time period) chemical composition of river water (displacement of the boundaries to 100 km). A conclusion is drawn on the role of composition of bedrocks and the nature of hypergenic geochemical processes in formation of mineral composition of bottom sediments, which determine the conditions for destruction of particles and accumulation of products of interaction in the water-rock system resistant to chemical and physical weathering.
Key words:
River sediments, mineral and chemical composition, transformation of mineral composition, the Ob river basin, the Red river basin. The research was financially supported by the RFBR grant no.17-05-00042.
REFERENCES
1. Trebovaniya k proizvodstvu i rezultatam mnogotselevogo geokhi-micheskogo kartirovaniya masschtaba 1:200000 [Requirements to multi-purpose geochemical mapping of scale 1:200000 and its results]. Moscow, IMGRE Press, 2002. 92 p.
2. Instruktsiya po geokhimicheskim metodam poiskov rudnykh mes-torozhdeniy [The instruction on geochemical methods of searching ore deposits]. Moscow, Nedra Publ., 1983. 228 p.
3. Water Quality Assessments. A guide to use of biota, sediments and water in environmental monitoring. 2nd ed. Ed. by D. Chapman. London, Chapman & Hall, 1996. 651 p.
4. Guide to Hydrological Practices. Vol. I. Hydrology - From Measurement to Hydrological Information. WMO-No. 168. Sixth edition. Geneva, World Meteorological Organization, 2008. 296 p.
5. RD 52.24.309-2016. Organizatsiya i provedeniye rezhimnykh nablyudeniy za sostoyaniem i zagryazneniem poverkhnostnykh vod sushi. Data vvedeniya 2017-04-03 [Organization and regime observations of state and pollution of surface waters of the land. Introduction 2017-04-03]. Moscow, Rostov-on-Don, Ministry of
Natural Resources and Ecology of the Russian Federation, Roshy-dromet. Roshydromet, FGBU «SCI», 2016. 135 p.
6. Patyk-Kara N.G., Benevolskiy B.I., Byhlovskiy L.Z., Zub-kov L.B., Kremenetskiy A.A., Matveev E.V., Melkiy V.A., Minorin B.E., Mochalov A.G., Ridzyunskaya N.M., Ryzhov B.V., Spo-rykhina L.V., Cheremisina E.A. Rossypnye mestorozhdeniya Ros-sii i drugikh stran SNG (minerageniya, promyshlennye tipy, stra-tegiya razvitiya mineralno-syrevoy bazy) [Placer deposits of Russia and other CIS countries (Minerageny of places, geological and commercial types and development of raw materials base)]. Eds. N.P. Laverov, N.G. Patyk-Kara. Moscow, Nauchny mir Publ., 1997. 479 p.
7. Shirokikh I.N., Roslyakov N.A., Sotnikov V.I., Vaskov A.S. Sa-ralinskiy zolotorudny uzel Kuznetskogo Alatau [Saralinsky gold ore cluster of the Kuznetsk Alatau]. Ed. by G.V. Polyakov. Novosibirsk, SB RAS Publ., 1998. 236 p.
8. Smyslov A.A., Mezhelovskiy N.V., Morozov A.F., Baskov E.A., Burde A.I., Ilin K.B., Kozlov A.V., Kulachkov L.V., Litvinen-ko V.S., Lir Yu.V., Rundkvist D.V., Savina I.G., Sendek S.V.,
Tikhomirov L.I., Kharlamov M.G. Nedra Rossii. V2t. T. 1. Polez-nye iskopayemye [The bowels of Russia. In 2 vol. Vol. 1. Minerals]. Eds. N.V. Mezhelovsky, A.A. Smyslov. St-Petersburg, Moscow, Mining Institute, Center for geol. cartography, 2001. 547 p.
9. Rikhvanov L.P., Kropanin S.S., Babenko S.A., Solovyev A.I., So-vetov V.M., Usova T.Yu., Polyakova M.A. Tsirkon-ilmenitovye rossypnye mestorozhdeniya hah potentsialny istochnik razvitiya Zapadno-Sibirskogo regiona [Zirkon-ilmenite placer deposits as a potential source of development of the West Siberian region]. Eds. E.N. Tribunsky, M.S. Parovinchak. Kemerovo, Sars LLC Publ., 2001. 214 p.
10. Gusev A.I., Korobeynikov A.F., Pshenichkin A.Ya., Domaren-ko V.A. Magmo-rudno-metasomaticheskaya sistema Akturu v Gornom Altaye [Magmo-ore-metasomatic system of Akturu in the Gorny Altai]. Uspekhi sovremennogo yestestvoznaniya - Successes of modern natural science, 2014, no. 7, pp. 75-79.
11. Nguyen Kinh Quoc. The Map of geological conditions and mineral resources in scale 1:200000 of Bac Kan province, sheet F48-XV. Hanoi, General Department of Geology and Minerals of Vietnam, 2001. 3 p.
12. Nguyen Van Luyen, Savichev O.G., Domarenko V.A., Quach Duc Tin. Improved method for hydrochemical exploration of mineral resources. Vietnam Journal of Earth Sciences, 2017, no. 39 (2), pp. 167-180. DOI: 10.15625/0866-7187/39/2/9703.
13. Savichev O.G., Kolokolova O.V., Zhukovskaya E.A. Sostav i rav-novesie donnykh otlozheniy r. Tom s rechnymi vodami [Composition and balance of river sediments of the Tom river with river waters]. Geoekologia - Geoecology, 2003, no. 2, pp. 108-119.
14. Savichev O., Matveenko I., Paromov V. Chemical Composition of Bottom Sediments in Small Mountain Rivers (Altai, the Russian Federation). MATEC Web of Conferences, 2016, no. 85, pp. 1-7. DOI: 10.1051/matecconf/20168501031.
15. Savichev O.G., Domarenko V.A., Peregudina E.V., Nguyen Van Luyen, Shaldybin M.V., Kanaki A.V. Mineral-geochemical features of the minor river sediments in the interfluve area of the Lo and Kau rivers (Northern Vietnam). Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2017, vol. 328, no. 9, pp. 102-113. In Rus.
16. Nash J.E., Sutcliffe J.V. River flow forecasting through conceptual models. P. I - A discussion of principles. Journal of Hydrology, 1970, no. 10 (3), pp. 282-290.
17. Chalov R.S. Ruslovyeprotsessy (ruslovedenie) [Channel processes (course study)]. Moscow, INFRA-M Publ., 2017, 569 p.
18. Karaushev A.V. Rechnaya gidravlika [River hydraulics]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1969. 416 p.
19. Chang H.H. Fluvial Processes in River Engineering. Malabar, Florida, Krieger publishing, 2008. 432 p.
20. Vinogradov Yu.A., Vinogradova T.A. Matematicheskoe modeliro-vanie v gidrologii [Mathematical modeling in hydrology]. Moscow, Academiya Publ., 2010. 304 p.
21. Perelman A.I. Geokhimiya epigeneticheskikh protsessov [Geochemistry of epigenetic processes]. Moscow, Nedra Publ., 1965. 272 p.
22. Lerman A. Geochemical Processes of Water and Sediment Environments. New York, Wiley - Intersience Public, 1979. 481 p.
23. Shvartsev S.L. Geochemistry of fresh Groundwater in the Main Landscape Zones of the Earth. Geochemistry International, 2008, vol. 46, no. 13, pp. 1285-1398.
24. Alekin O.A. Osnovy gidrokhimii [Bases of hydrochemistry]. Leningrad, Gidrometeoizdat Publ., 1970. 444 p.
25. Meybeck M. Global chemical weathering of surficial rocks estimated from river dissolved loads. American Journal of Science, 1987, vol. 287, pp. 401-428.
26. McGlue M.M., Smith P.H., Zani H., Silva A., Carrapa B., Cohen A.S., Pepper M.B. An integrated sedimentary systems analysis of the R'io Bermejo (Argentina): Megafan character in the overfilled southern Chaco foreland basin. Journal of Sedimentary Research, 2016, vol. 86, pp. 1359-1377. DOI: http://dx.doi.org/10.2110/jsr.2016.82.
27. Roslyakov N.A., Kuskovskiy V.S., Nesterenko G.V., Shvartsev S.L., Gerya A.V., Kalinin Yu.A., Krestovozdvizhen-skiy D.Yu., Lukin A.A., Osintsev S.R., Rybakova S.T., Turovi-nin A.Yu. Katun: ekogeokhimiya rtuti [the Katun river: ecology geochemistry of mercury]. Eds. N.A. Roslyakov, A.N. Dmitriev. Novosibirsk, SB RAS Publ., 1992. 180 p.
28. Karnaukhova G.A. Cyclicity of sedimentation and physical properties of bottom sediments in artificial reservoirs. Doklady aka-demii nauk - Doklady Earth Sciences, 2016, vol. 471, no. 5, pp. 567-570.
29. Lasaga A.C. Fundamental approaches in describing mineral dissolution and precipitation rates. Reviews in Mineralogy. Chemical Weathering Rates of Silicate Minerals. Mineralogical Society of America, 1995, vol. 31, pp. 23-86.
30. White Ar.F. Chemical weathering rates of silicate minerals in soils. Reviews in Mineralogy. Chemical Weathering Rates of Silicate Minerals / Mineralogical Society of America, 1995, vol. 31, pp. 405-462.
31. Roelandt C., Godderis Y., Bonnet M.-P., Sondag F. Coupled modeling of biospheric and chemical weathering processes at the continental scale. GlobalBiogeochemical Cycles, 2010, vol. 24, no. 2, pp. 6357-6374. DOI: 10.1029/2008GB003420.
32. Nguen Van Luen. Ekologo-geokhimicheskoe sostoyanie podze-mnykh i rechnykh vod, donnykh otlozheniy vodotokov v severnoy chasti Vetnama (na primere uezda Chodon, provintsiya Bakkan). Dis. Kand. Nauk [Ecological and geochemical condition of ground and river waters, river sediments of the minor rivers in the Northern part of Vietnam (by the example of Chodon district, Baccan province). Cand. Diss.]. Tomsk, 2017. 22 p.
33. Zhmodik S.M., Nesterenko G.V., Ayriyants E.V., Belyanin D.K., Kolpakov V.V., Podlipskiy M.Yu., Karmanov N.S. Minerals of platinum group metals from alluvium are indicators of indigenous mineralization (on the example of placers of southern Siberia). Russian Geology and Geophysics, 2016, vol. 57, no. 10, pp. 1828-1860. DOI: 10.15372/GiG20161005.
34. Savichev O.G. Vodnye resursy Tomskoy oblasti [Water resources of the Tomsk region]. Tomsk, TPU Publ. house, 2010. 248 p.
Received: 31 January 2018.
Information about the authors
Oleg G. Savichev, Dr. Sc., professor, National Research Tomsk Polytechnic University.
Viktor A. Domarenko, Cand. Sc., associate professor, National Research Tomsk Polytechnic University.
Elena V. Peregudina, post-graduate student, National Research Tomsk Polytechnic University.
Olesya E. Lepokurova, Cand. Sc., head of Laboratory, Tomsk Branch of the Trofimuk institute of petroleum geology and geophysics of SB RAS; associate professor, National Research Tomsk Polytechnic University.
