CC BY
21
Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов
УДК 622.504.75
ВЛИЯНИЕ РУДНИЧНЫХ СТОКОВ ШТОЛЬНИ И ПРИТОКА ИНКУР НА ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ РЕКИ МОДОНКУЛЬ
DOI: 10.24411/1728-323X-2019-13042
С. С. Санжанова, кандидат технических наук, м. н. с., Геологический институт Сибирского отделения РАН (ГИН СО РАН), Sanzhanova7@rambler.ru, г.Улан-Удэ, Россия, З. И. Хажеева, кандидат геолого-минералогических наук, с. н. с., Геологический институт Сибирского отделения РАН (ГИН СО РАН), zkhazh@geo.stbur.ru, г. Улан-Удэ, Россия
Приведены результаты исследования изменения химического состава воды р. Модонкуль после впадения рудничных стоков штольни и притока Ин-кур. Показано, что после впадения рудничных стоков и притока Инкур происходит смена химического типа воды р. Модонкуль по анионному составу с гидрокарбонатного на сульфатный, по катионному — с кальций-магниевого на натрий-кальциевый и обратно при движении вниз по течению. Растворенное двухвалентное железо при повышении щелочности и растворенного кислорода окисляется и осаждается в виде гидроксидов, а сорбированные рудные элементы выводятся из миграционного потока.
The results of the study of changes in the chemical composition of the water of the Modonkul River after the inflow of the mines' water and the Inkur tributary are presented in the paper. It is shown that the chemical type of the Modonkul Rivers water changes from bicarbonate to sulphate among anions, from calcium-magnesium to sodium-calcium — cation composition and vice versa when moving downstream. The behavior of the main ions of the composition in the Modonkul River is characterized by an unequal degree of their concentration with an increase in the total salt content of the solution. The uneven growth of the content of individual elements in the solution indicates the presence of geochemical barriers that prevent their accumulation in the solution. The change in the content of calcium and sodium in equivalent terms with the growth of mineralization is controlled by the saturation of the solution. Dissolved ferrous iron with increasing alkalinity and dissolved oxygen is oxidized and precipitated as hydroxides, and adsorbed ore elements are removed from the migration stream.
Ключевые слова: химический состав воды, смена химического типа, смешение кислых рудничных и природной речной воды, щелочной барьер, осаждение и сорбция элементов-комплексообразователей.
Keywords: chemical composition of water, change of chemical type, mixture of acid mine and natural river water, alkaline barrier, precipitation of hydroxides and sorption of complex-forming elements.
Введение. Джидинский вольфрамомолибденовый комбинат (г. Закаменск, Республика Бурятия) был создан в 1934 г. В 1939—1941 гг. начали действовать подземный вольфрамовый рудник Холтосон, Первомайский молибденовый карьер. С 1973 г. начали работать Инкурский вольфрамовый карьер и обогатительная фабрика по выпуску вольфрамового концентрата. С 1997 г. Джидинский комбинат и рудники не работают [1, 2].
За весь период работы комбината в бассейне реки Модонкуль сформировалась природно-техногенная система площадью более 100 км2. Это отвалы вскрышных пород и хвосты переработки руд с общей массой более 40 млн т и изливающиеся рудничные воды из разведочных штолен. Подобные отходы горнодобывающей и перерабатывающей промышленности являются основными источниками токсичных тяжелых металлов, выносимых различными путями [3—7].
Материалы и методы. Отбор проб воды, взвешенного вещества проводился в летний период в 2009—2012 гг. Непосредственно на месте проводилось измерение температуры (Тв), рН, БИ и показателя общей минерализации (£ион) воды. Створы отбора проб воды, их перечень и места расположения представлены на рис. 1.
Химический анализ проб воды выполнен общепринятыми в гидрохимии пресных вод методами [8, 9]. Определение микроэлементов в растворах проводилось стандартными методами атомно-абсорбционного анализа и атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой ИСП-АЭ на оборудовании ЦКП «Аналитический центр минералого-геохими-ческих и изотопных исследований» ГИН СО РАН.
Результаты и обсуждение. Результаты исследований сведены в таблицу с нанесением данных на диаграмму Пайпера (рис. 2). Диаграмма Пайпера отображает изменения химического состава воды р. Модонкуль.
Природные фоновые воды в верховье р. Модонкуль у с. Холтосон (створ М1) пресные, гидрокарбонатные магний-
Створ Место расположения
М1 р. Модонкуль, с. Хшггосон, верховье
М2 р. Модонкуль, ниже впадения, рч. штольни Западная
МЗ р. Модонкуль, до г. Закаменск
М4 р. Модонкуль, ниже впадения, р. Инкур
М5 р. Модонкуль, г. Закаменск
ПМ1 рч. штольни Западная
ПМ2 устье р. Инкур
Рис. 1. Схема расположения створов отбора проб воды
кальциевые с минерализацией 178,3—181,4 мг/л, Mg2+ — от 13,4 до 14,1 (46,6—47,7 мг-экв %),
рН 7,24—7,48. Содержания гидрокарбонат-иона №+ + К+ — от 5,9 до 6,3 (10,6—11,5 мг-экв %)
НС0- варьируют от 103,2 до 107,6 при долевом мг/л. Содержания фторид ионов F- составляют
содержании 77—78,5 мг-экв %, сульфат-иона 2,72 мг/л. Катионы и анионы в порядке убывания
2_
804 — от 16,2 до 18,7 (13,8—14,8 мг-экв %), концентраций выстраиваются в следующие ряды
хлор-иона С1- — от 5,2 до 5,7 (6,8—7,1 мг-экв %) Са2+ > Mg2+ > №+ + К+ и НС0- > 802" > С1-
мг/л, Са2+ — от 21,3 до 24,6 (39,6—40,5 мг-экв %), , что характерно для природных речных вод. Точ-
Таблица
Средний химический состав воды р. Модонкуль, рч. штольни Западная и р. Инкур
Компонент, мг/л
Створы наблюдения
М1 М2 М3 М4 М5 ПМ1 ПМ2
рН 7,48 6,32 7,12 7,48 7,53 4,53 7,46
НСО- 105,3 80,1 82,8 77,1 102,8 12,46 138,6
So2- 14,2 228,4 61,7 129,3 75,2 1408,1 812,5
а- 5,9 7,9 3,8 6,5 7,8 6,9 9,4
Ca2+ 19,8 73,1 34,8 46,8 31,1 109,7 218,3
Mg2+ 14,3 25,8 8,1 15,2 15,3 298,2 87,4
+ К+ 7,15 91,7 21,5 32,4 28,3 65,7 120,1
F- 2,52 64,8 6,8 13,8 5,4 62,9 68,9
Минерализация 179,2 584,5 231,2 329,2 282,4 1972,8 1472,2
Si 3,2 4,8 3,6 4,2 3,9 7,2 5,2
N0- 3,24 5,68 3,91 4,29 5,31 8,62 6,12
Сг 0,001 0,003 0,001 0,002 0,001 0,008 0,003
Fe 0,18 0,04 0,072 0,106 0,062 2,36 0,54
Мп 0,052 0,114 0,045 0,032 0,057 5,15 0,62
Со 0,001 0,005 0,001 0,003 0,004 0,68 0,008
Ni 0,004 0,012 0,006 0,005 0,008 0,35 0,011
Си 0,009 0,028 0,015 0,021 0,014 6,8 0,014
гп 0,024 0,082 0,053 0,061 0,048 26,7 0,52
РЬ 0,006 0,019 0,008 0,012 0,009 0,108 0,021
са 0,001 0,008 0,006 0,009 0,004 0,32 0,012
0 100
'V
0 A
100
0 100 Ж
дам1 20 A3nM2t »0
40 Y0^,
г? У ~<'
-1-1-1-1-1-1-1-1-1-\B
0 20 40 60 80 100
Na+ + K+
0 100 .
Cl-
60
J? \
Рис. 2. Диаграмма Пайпера с данными состава р. Модонкуль (М1—М5), рудничной воды (ПМ1) и р. Инкур (ПМ2)
0
ка состава М1 на диаграмме катионов находится на линии АВ (Mg2+/Са2+ » 1), на треугольнике анионов — в нижней области, соответствующей максимальному содержанию гидрокарбонатов.
Ниже впадения рч. штольни Западная вода р. Модонкуль (створ М2) является результатом смешения природных речных вод и поступающих стоков ручья штольни. Вода реки на этом участке становится слабокисло-нейтральной с рН 6,9—7,2 и минерализацией 576—591 мг/л. Минерализация воды увеличивается почти в 3 раза. Содержание гидрокарбонат-иона НС0- варьируют (мг/л) от 78,2 до 79,6 при долевом содержании 19,3— 20,5 мг-экв %, сульфат-иона 80^ — от 228,7 до 230,8 (74,8—76,2 мг-экв %), хлор-иона С1- — от 7,8 до 8,2 (3,7—3,8 мг-экв %) мг/л, Са2+ — от 70,8,3 до 72,6 (34,6—36,7 мг-экв %), Mg2+ — от 25,4 до 26,3 (21,6—22,7 мг-экв %), №+ — от 91,8 до 92,6 (39,6—41,5 мг-экв %). Содержание фторид ионов F- возрастает в 24 раза и составляет 64,2—65,7 мг/л. Катионы и анионы в порядке
убывания концентраций №+ > Са2+ > Mg2+ и
2_ — _
804 > НСО3 > С1 . В абсолютных количествах
анионного состава содержания сульфат-иона возрастают почти в 14, гидрокарбонат иона НС0- уменьшаются в 1,3, в катионном составе содержания щелочного катиона №+ возрастают в 14, а концентрации катионов Са2+ и Mg2+ уменьшаются в 2—3,5 раза. На этом участке реки вода относится к сульфатно-натрий-кальциевому типу.
Вниз по течению до г. Закаменска на створе М3 вода реки становится гидрокарбонатно-суль-фатно-кальций-натриевого типа с минерализацией 228—232 мг/л и рН 7,06—7,15. При сопос-
тавлении с предыдущим створом минерализация воды уменьшается в 2,5, содержания сульфат-ионов — в 3,6, натрия — в 4,5, кальция — в 2, магния — в 3,5, фторид-ионов — в 9 и только гидрокарбонатов-ионов увеличивается в 1,1 раз.
После впадения притока Инкур на створе М4 химический тип воды меняется на сульфатно-гидрокарбонатно-кальциево-натриевый с минерализацией 329—332 мг/л. Реакция воды нейтрально-слабощелочная с рН 7,38—7,72. По сравнению с предыдущим створом минерализация воды возрастает в 1,4, содержания основных ионов кальция, магния, натрия, сульфата, хлорид-ионов и фторидов увеличиваются в 1,4—2 раза. В сопоставимых количествах остаются содержания гидрокарбонат-ионов.
Вниз по течению в г. Закаменск (створ М5) химический тип воды становится гидрокарбо-натно-сульфатно-кальций-магний-натриевый с минерализацией 281—283,5 мг/л, рН 7,53—7,78. При сравнении состава воды створов М3 и М5 содержания натрия, магния и всех анионов возрастают в 1,2—2 раза, кальция и фторидов уменьшается в 1,16.
В верхнем углу тройной диаграммы анионного состава нанесены данные составов рудничной воды штольни Западная и притока Инкур. Рудничная вода характеризуется кислой реакцией с рН 4,42—5,32 и минерализацией 1,9—2,3 г/л. Содержания гидрокарбонат-иона НС0- варьируют
(мг/л) от 1,2 до 21,6 при долевом содержании
2_
1,2—2,4 мг-экв %, сульфат-иона 804 — от 1,4 до 2,3 (99,1—99,7 мг-экв %), хлор-иона С1- — от 6,8 до 7,2 (0,6—0,71 мг-экв %), а Са2+ — от 115,3 до
Створ отбора проб
0,001
Рис. 3. Динамика изменения содержания тяжелых металлов в воде р. Модонкуль
300,6 (16,6-18,7 мг-экв %), Ме2+ - от 170 до 300 (73,6-74,7 мг-экв %), №+ - от 83,8 до 328,6 (19,6—31,5 мг-экв %). Содержания фторид-ионов F- составляют 12,8—62,7 мг/л. Как видно из приведенных данных, состав рудничной воды характеризуется большими колебаниями содержаний основных ионов.
Вода рч. Инкур нейтрально-слабощелочная с рН 7,42—7,58 и минерализацией 1,42—1,51 г/л. Содержания гидрокарбонат-иона НСО- варьируют (мг/л) от 136 до 140,1 при долевом содержа-
2_
нии 10,6—11,8 мг-экв %, сульфат-иона от 790 до 810,8 (86,1—87 мг-экв %), хлор-иона С1- — от 7,8 до 9,2 (1,2—1,41 мг-экв %), а Са2+ — от 195,3 до 220,6 (46,6—47,4 мг-экв %), Ме2+ — от 79 до 85,2 (29,6—30,7 мг-экв %), №+ — от 103,8 до 119,6 (20,6—22,5 мг-экв %). Содержание фторид ионов F- составляет 67,8—69,7 мг/л.
Смена физико-химических условий (рН-ЕИ), обусловленное смешением кислых рудничных вод и рч. Инкур с природной водой реки, повышение щелочности водной среды приводит к изменению поведения тяжелых металлов. Так, на створе М2 содержание Fe (II) уменьшилось в 4,5 раза по сравнению с рудничной водой штольни Западная. Вместе с тем растворенные концентрации Мп, N1, Си, Zn, РЬ возрастают в 2,2—3,5, Со — в 5, Сё — в 8 раза. Однако при движении вниз по течению на створе М3 их растворенные концентрации практически сопоставимы с таковыми в верховье реки. После впадения притока Инкур концентрации тяжелых металлов возрастают в 1,2—1,5 раза, отличие составляют Мп и N1, содержания которых, наоборот, снижаются в 1,2—1,4. Следует отметить, что в зоне смешения
кислых вод с природной щелочной водой реки поведение Fe отличается от других катионов металлов и остается стабильно низким вследствие его высокой способности к гидролизу и осаждению в виде гидроксида (рис. 3).
Таким образом, уменьшение концентрации анионов SO4 в воде р. Модонкуль ограничивает комплексообразование Fe, Cu, Zn, Pb, Cd, Co, Ni и соответственно их миграцию в растворенном виде. С другой стороны, осаждение гидроксидов и сорбция элементов-комплексообразователей снижает их растворенную и взвешенную концентрации в воде.
Выводы. Воды штольни Западная и притока Инкур являются постоянными источниками токсичных техногенных элементов, выносимых в окружающую среду. Их агрессивные, сульфатные воды отличаются от природной воды р. Модон-куль кислотностью, минерализацией, содержанием лидирующих макрокомпонентов, высоким содержанием рудных элементов. В зоне смешения кислых техногенных вод и нейтральной природной воды происходит смена химического типа по анионному составу с гидрокарбонатного на сульфатный, по катионному — с кальций-магниевого на натрий-кальциевый. При движении вниз по течению природный химический тип восстанавливается с изменениями в сторону повышения содержания сульфатов и натрия в воде.
Непосредственно в зоне смешения природной воды реки и впадающих притоков величины рН возрастают, создается щелочной барьер. После впадения рудничных вод штольни Западная р. Модонкуль концентрация растворенного железа снижается в 4,5 раза, содержание Cu, Zn, Pb, Cd возрастает в 2,2—3,5 раза. При движении вниз по течению реки их концентрации снижаются до фонового уровня в результате осаждения гидроксидов металлов, сорбции на них элементов-ком-плексообразователей и снижения комплексооб-разования при уменьшении концентрации сульфат-ионов.
Исследование выполнено в рамках государственного задания ТИН СО РАН по проекту 1Х.137.1.4. Взаимодействия... № гос. рег. АААА-А17-117021310076-3.
Библиографический список
1. Ананин В. А. Пути решения проблемы Джидинского вольфрамомолибденового комбината // Состояние и перспективы развития минерально-сырьевого и горнодобывающего комплексов Республики Бурятия. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 1999. с. 134-138.
2. Смирнова О. К., Плюснин А. М. Джидинский рудный район (проблемы состояния окружающей среды). Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН, 2013. 181 с.
3. Бортникова С. Б., Гаськова О. Л., Бессонова Е. П. Геохимия техногенных систем. — Новосибирск: Академическое издательство «ГЕО», 2006. 169 с.
4. Dinelly E., Lucchini F., Fabbri M., Cortecci G. Metal distribution and environmental problems related to sulfide oxidation in the Libiola copper mine area (Ligurian Apennines, Italy) // J. Geochem. Explorat. 2001. V. 74. P. 141—152.
5. Leybourne M., Goodfellow W. Geochemistry of surface waters associated with an undisturbed Zn—Pb massive sulfide deposit: Water-rock reactions, solute sources and the role of trace carbonate // Chemical Geology. 2010. V. 279. I. 1—3. P. 40—54.
6. Голева Г. А. Гидрогеохимия рудных элементов. М.: Недра. 1977. 216 с.
7. Salomons W. Environmental impact of metals derived from mining activities: processes, predictions, prevention // J. Geochem. Explorat. — 1995. — V. 52. — P. 5—23.
8. Алекин О. А., Семенов А. Д., Скопинцев Б. А. Руководство по химическому анализу вод суши. Л: Гидрометеоиздат, 1973. 270 с.
9. Государственный контроль качества воды. М.: ИПК Издательство стандартов, 2003. 776 с.
10. Bourrie G., Troland F., Genin J.-M. R. et.al. Iron control by equilibria between hydroxy Green Rusts and solution in hydromorphic soils // Geochim. et Cosmochim Acta. 1999. V.63. № 19/20. P. 3417—3427.
INFLUENCE OF THE MINES' WATER INFLOW AND THE INKUR TRIBUTARY ON THE CHEMICAL COMPOSITION OF THE MODONKUL RIVER
S. S. Sanzhanova, Ph. D. (Engineering), Junior Researcher, Geological Institute SB RAS, Sanzhanova7@rambler.ru, Ulan-Ude, Russia,
Z. I. Khazheeva, Ph. D. (Geology and Minerology), Senior Researcher, Geological Institute SB RAS, zkhazh@geo.stbur.ru, Ulan-Ude, Russia
References
1. Ananin V. A. Sostoyanie i perspektivy razvitiya mineral'no-syr'evogo i gornodobyvayushchego kompleksov Respubliki Bury-atiya. [The state and prospects of development of the mineral and mining complexes of the Republic of Buryatia]. Ulan-Ude, Izdatel'stvo BNC SO RAN, 1999. P. 134-138. [in Russian]
2. Smirnova O. K., Plyusnin A. M. Dzhidinskij rudnyj rajon (problemy sostoyaniya okruzhayushchej sredy). [The Dzhidinsky ore district (environmental issues)]. Ulan-Ude, Izdatel'stvo BNC SO RAN, 2013. 181 p. [in Russian]
3. Bortnikova S. B., Gas'kova O. L., Bessonova E. P. Geokhimiya tekhnogenny'kh sistem. [Geochemistry of man-made systems]. Novosibirsk, Akademicheskoe izdatel'stvo "GEO", 2006. 169 p. [in Russian]
4. Dinelly E., Lucchini F., Fabbri M., Cortecci G. Metal distribution and environmental problems related to sulfide oxidation in the Libiola copper mine area (Ligurian Apennines, Italy). J. Geochemistry Explorat. 2001. Vol. 74. P. 141—152.
5. Leybourne M., Goodfellow W. Geochemistry of surface waters associated with an undisturbed Zn—Pb massive sulfide deposit: Water-rock reactions, solute sources and the role of trace carbonate. Chemical Geology, 2010. Vol. 279. No. 1—2, 3. P. 40—54.
6. Goleva G. A. Gidrogeokhimiya rudny'kh e'lementov. [Hydrogeochemistry of ore elements]. Moscow, Nedra. 1977. 216 p.
7. Salomons W. Environmental impact of metals derived from mining activities: processes, predictions, prevention. J. Geochem. Explorat. 1995. Vol. 52. P. 5—23.
8. Alekin O. A., Semenov A. D., Skopinczev B. A. Rukovodstvo po khimicheskomu analizu vod sushi. [Manual on the chemical analysis of terrestrial waters]. Leningrad, Gidrometeoizdat, 1973. 270 p.
9. Gosudarstvenny'j kontrol' kachestva vody. [State control of water quality]. Moscow, Izdatel'stvo standartov, 2003. 776 p.
10. Bourrie G., Troland F., Genin J.-M. R. et al. Iron control by equilibria between hydroxy Green Rusts and solution in hydromorphic soils. Geochim. et Cosmochim Acta. 1999. Vol. 63. No. 19/20. P. 3417—3427.
