ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2014, том 41, № 2, с. 164-179
КАЧЕСТВО И ОХРАНА ВОД, ^^^^^^^^^^^^ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
УДК 550.4
ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИЕ ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ ВЕРХНЕЙ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ЗОНЫ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ ЗАПАДНО-СИБИРСКОГО АРТЕЗИАНСКОГО БАССЕЙНА1 © 2014 г. И. С. Иванова*, **, О. Е. Лепокурова*, **, О. С. Покровский***, С. Л. Шварцев*, **
*Национальный исследовательский Томский политехнический университет 634050 Томск, просп. Ленина, 30 E-mail: IvanovaIS_1986@mail.ru **Томский филиал Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН 634021 Томск, просп. Академический, 4 ***Национальный центр научных исследований, лаборатория георесурсов и окружающей среды г. Тулузы
31400 Франция, Тулуза, авеню Эдуарда Белана, 14 Поступила в редакцию 15.06.2012 г.
Приведены новые данные по химическому составу подземных вод верхней гидродинамической зоны, в том числе болотных вод Западно-Сибирского региона. Установлено, что Fe в исследуемых водах распространено практически повсеместно. Максимальные его содержания приурочены к глубинам от нескольких до 200 м, где преобладает глеевая геохимическая среда и наблюдаются высокие содержания растворенного органического вещества. Впервые термодинамическими методами рассчитано равновесие различных вод с ведущими минералами водовмещающих пород. Показано, что подземные воды равновесны с гидроксидами Al и Fe, карбонатами Ca, Mg, Fe и глинистыми минералами, включая железистые. Болотные воды равновесны также с вивианитом и апатитом. Сделан вывод, что источниками Fe, как и других химических элементов, выступают минералы первичных алю-мосиликатных пород, с которыми воды всегда неравновесны и которые интенсивно растворяют.
Ключевые слова: железосодержащие воды, пресные подземные воды, источники железа, взаимодействие вода—порода.
Б01: 10.7868/80321059614020084
Железосодержащими (Бе-содержащими) водами, по [14], называются воды с повышенным относительно фона содержанием Бе, в отличие от железистых минеральных, оказывающих физиологическое воздействие на организм человека [20]. Бе-содержащие воды имеют концентрацию суммарного Бе от 1 до 20 (иногда до 40) мг/л. Бе-содержащие пресные и реже солоноватые воды широко распространены в зоне активного водообмена на территории с гумидным климатом: на Кольском п-ове, в Карелии, Архангельской, Вологодской и других областях севера Европейской части России, на Урале, в Западной и Восточной Сибири, на Дальнем Востоке, в Забайкальском и
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 11-05-98016-р_сибирь_а) и ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы" (ГК 11.519.11.6044 от 20.06.2012).
Приморском краях [14], Белоруссии [15], Литве [32]. Бе-содержащие воды развиты на небольшой глубине и во многих артезианских бассейнах: Московском, Припятском, Чулымском, Амурском, Минусинском и др. [14].
В Западной Сибири Бе-содержащие подземные воды широко распространены и образуют провинцию. С глубины 10 м (на территории болот с 2 м) подземные воды повсеместно обогащены Бе (концентрацией нередко 30—40 мг/л) [4, 5, 9, 11, 12, 22, 25—27]. Подземные воды используются для водоснабжения населения. Предельно допустимая концентрация (ПДК) Бе в питьевой воде — 0.3 мг/л. Бе относится к тяжелым металлам и, наряду с Мп, N1, Сг, Аз, Сё, РЬ и Си, к высокотоксичным и долго сохраняющимся в природе. Избыток Бе в питьевой воде поражает костную систему, почки, печень, увеличивает риск инфарктов, вызывает аллергическую реакцию, сухость, шелуше-
Новосибирск
И 2
• *
~4
1II5
! I 6
-50 0 50100 150 200 км
Рис. 1. Карта-схема расположения пунктов отбора проб природных вод. 1 — границы Западной Сибири, 2 — опробованные скважины, 3 — населенные пункты, 4 — точки отбора болотных вод, 5 — линия геологического разреза, 6 — участок Васюганского болота.
ние и раздражение кожи. В крупных населенных пунктах централизованное водоснабжение поставляет воду надлежащего качества, достигаемого с помощью обезжелезивания. Однако в сельской местности, где более 30% жителей пользуются водой без предварительной ее подготовки, проблема, связанная с высоким содержанием Бе в воде, остается актуальной [5].
Несмотря на широкую распространенность Бе в подземных, в том числе болотных, водах, многие причины его сосредоточения в них не известны. Для этого необходимо обладать знаниями не только о связанных с Бе гидрохимических процессах, но и об источниках этого элемента, о чем до сих пор идут дискуссии [29].
Цель данной работы — выявление источников и механизмов концентрирования Бе в подземных водах. Пресные грунтовые воды гидравлически связаны с болотными (болотные воды — это воды верховодки [21]), поэтому рассматриваются оба типа вод. На территории Западной Сибири находится самое крупное в мире болото — Васюганское. Очевидно, что столь широкое распространение
болот не могло не сказаться на формировании химического состава подземных вод в регионе.
В настоящей статье использованы материалы, полученные авторами в результате полевых исследований, а также из [5, 10, 22, 26]. Всего на исследуемой территории авторами было изучено 206 проб подземных и 47 — болотных вод, отобранных за последние 30 лет (рис. 1).
Воды исследовались в Проблемной научно-исследовательской гидрогеохимической лаборатории Томского политехнического университета, зарегистрированной в Системе аналитических лабораторий Госстандарта России, и в лаборатории георесурсов и окружающей среды г. Тулузы (Национальный центр научных исследований, Франция).
Район исследований представляет собой равнинную, сильно заболоченную территорию, сложенную неоген-четвертичными отложениями мощностью до 350 м (рис. 2). Верхняя часть разреза этих отложений на большей части территории представлена слоями торфа мощностью до 8 м (рис. 3). Ниже неоген-четвертичных отложений залегают песчано-глинистые осадки палеогена
200 100 0
-100 -200 -300 -400 -500 600
II
200 100 0
-100 -200 -300 -400 -500
-600
Глина
Песок
Суглинок
Железная руда
Горизонтальный, км -30 0 30 60 90 120 Вертикальный, м -100 0 100 200 300 400
Рис. 2. Схематический геологический разрез юго-восточной части Западной Сибири по линии 1-11. Линия разреза -на рис. 1 (по [23]).
I
а
н0
ю -2 Ь-4 ^ -6
4 V у 1 — 2 ч ч
V V X
8 10 Расстояние, км
Рис. 3. Профиль торфяных залежей участка Большого Васюганского болота (по [17]). Здесь и на рис. 6 и 7: 1 - торф, 2 - вода, 3 - минеральное основание.
мощностью 200-400 м, подстилаемые, в свою очередь, отложениями верхнего мела мощностью до 600 м.
В пределах исследуемой территории развиты два водоносных комплекса: эоцен-четвертичный и эоцен-верхнемеловой, разделенные на большей части территории мощным водоупором, представленным эоценовыми глинами. Каждый водоносный комплекс делится на несколько горизонтов, основные из них - неоген-четвертичный, па-леогенновый и верхнемеловой. Все горизонты, кроме первого, содержат напорные воды [7]. Максимальная мощность верхней гидродинамической зоны достигает 800 м, ниже нее минерализация подземных вод резко возрастает.
ные болота), ультрапресными и пресными (общая минерализация колеблется от 12 до 385 мг/л). Болотные воды также характеризуются высоким содержанием Бе, по некоторым данным - до 85 мг/л [10]. Содержания хлор- и сульфат-ионов низкие, а концентрации N03, Р04, NH4, наоборот, повышены относительно пресных вод [4, 13].
Изучаемые воды богаты растворенным органическим веществом, суммарное содержание которого иногда значительно превышает сумму минеральных солей, особенно это характерно для верховых болот. В пересчете на Сорг его количество колеблется от 11 до 165 мг/л, или составляет до 78% суммы минеральных веществ. При этом с увеличением минерализации и рН вод величина Сорг уменьшается (рис. 4). Среди органических соединений доминируют фульвокислоты (доля
ХИМИЧЕСКИИ СОСТАВ БОЛОТНЫХ ВОД _ ^ ^ о^ч
по Сорг - 25-95%). На втором месте - гуминовые
Исследование химического состава болотных вод (табл. 1) показало, что все они являются кислыми и слабокислыми (особенно верховые и переходные болота) или околонейтральными (низин-
кислоты (5-20%).
Концентрация N Н+ в болотных водах варьирует в пределах от 0.8 до 15.6 (среднее 3.7) мг/л.
6
0
2
4
3
Таблица 1. Характеристика и химический состав некоторых типов болотных вод, мг/л (здесь и в табл. 2 прочерк — отсутствие данных)
№ пробы рН НС О- в о4 С1— Са2+ МБ2+ К+ N Н+ N О- N О— Бе3+ Бе2+ С ^орг ФК ГК £*
Верховые болота
1 3.7 5.0 3.6 1.3 0.5 0.3 2.1 0.9 0.8 0.5 0.04 0.1 0.1 105 69.8 10.5 12
5 4.8 5.9 5.2 1.6 3.4 0.1 1.7 1.0 0.5 0.5 0.06 1.5 1.1 63 41.1 1.7 18
6 3.8 5.1 6.9 3.2 0.5 0.3 1.8 1.0 2.0 0.5 0.07 0.2 0.4 165 95.1 21.7 21
7 4.2 5.4 7.0 2.1 2.2 0.2 1.1 0.5 1.5 0.5 0.03 1.0 1.1 69 51.1 5.1 22
9 3.8 3.4 11.0 0.6 1.4 0.2 1.5 1.1 1.5 0.8 0.10 0.8 1.0 73 29.7 12.4 24
15 3.9 3.0 11.0 29.9 6.2 4.0 11.0 2.3 1.2 0.5 0.01 0.2 0.4 48 21.8 9.4 71
17 4.1 0.5 5.0 4.7 2.0 2.4 1.5 0.4 15.6 5.2 — 1.9 2.5 113 81.8 13.8 41
Пер еходн ые бол ота
24 4.2 5 9.2 25.0 5.2 6.0 2.2 1.0 1.6 1.1 0.01 0.8 1.1 31 26.5 4.1 57
25 5.6 12 0.5 7.1 20.0 0.3 1.7 0.6 7.8 3.1 — 1.8 0.2 17 13.6 3.0 60
26 4.6 13 7.3 10.2 11.1 3.8 0.1 0.1 7.8 1.0 0.11 8.8 3.7 46 21.7 4.2 66
27 5.4 12 2.3 8.5 20.0 24.4 1.6 0.6 3.4 0.1 — 2.1 0.1 60 55.8 3.0 75
29 5.5 12 0.5 28.4 20.0 48.8 2.5 0.4 7.7 0.1 — 3.2 0.1 46 36.6 6.6 122
Ни зинны е бол ота
30 6.1 37 5.7 5.7 14.0 1.2 1.0 0.2 2.4 1.3 — 1.5 0.2 22 11.4 10.2 77
31 6.0 85 2.0 21.3 20.0 12.0 1.0 0.7 3.7 6.9 — 0.9 0.1 31 25.8 11.6 147
32 7.2 220 4.7 1.2 52.3 9.1 6.1 1.0 1.2 0.3 0.01 2.1 — 22 7.5 1.3 297
33 7.1 171 31 8.5 156.8 8.5 5.3 2.0 1.2 0.6 — 0.3 — 12 6.0 5.4 385
*Минерализация.
Измеренные значения ЕЙ в отдельных точках составляют (—0.4)—(+0.1) В. Таким образом, в болотных водах в регионе преобладает бескислородная глеевая среда [27].
Суммарное содержание Бе в болотных водах колеблется от 0.2 до 12.5 (в среднем 3) мг/л. Наблюдается тенденция нарастания концентрации Бе от верховых боло
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.