Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 492, № 1, стр. 39-42

Химический состав торфов является важной характеристикой, в значительной мере определяющей направления их использования в теплоэнергетике, сельском хозяйстве и химической промышленности. Большое значение имеет и минеральный состав, особенно при использовании торфов в энергетике. Все это определяет постоянный интерес к минералого-геохимическим исследованиям болотных экосистем, в том числе в Западной Сибири – одном из самых заболоченных регионов мира. Цель исследования – выявление изменений минералого-геохимических условий функционирования эвтрофного долинного болота в водосборе р. Обь в условиях многолетнего сброса сточных вод.

С учетом этого выбран соответствующий объект исследования – Обское болото, в пределах которого есть участки с разной степенью и характером антропогенной нагрузки. Обское болото расположено на территории Томской области в левобережной части долины р. Оби от с. Кожевниково на юге до с. Иштан на севере в виде полосы шириной от 1.5 до 7.0 км и длиной 104 км. Торфяная залежь низинного типа, со средней мощностью 3.2 м при максимуме до 6 м. Достаточно подробная характеристика геоботанических условий и химического состава болотных вод приведена в [1, 2]. Участок с явно выраженным антропогенным влиянием расположен у с. Мельниково – административного центра Шегарского района Томской области, где в течение ряда десятилетий осуществляется сброс коммунально-бытовых сточных вод. Географические координаты пункта наблюдений (I) на этом участке: 56°.5520 с.ш.; 84°.1033 в.д.; пункт расположен в 0.75 м от выпуска стоков. Пункт для изучения условно фонового состояния (II) размещен южнее сел Мельниково и Нащеково, примерно в 6.3 км выше по уклону долины р. Оби в точке с географическими координатами: 56°.5154 с.ш.; 84°.0263 в.д. Глубина торфяной скважины в точке II (фоновой) – 4 м. Опробование проводилось поинтервально через 0.25 м, включая отбор пробы органо-минеральных отложений (ОМО) в интервале 4.00–4.25 м и минерального грунта (суглинка) по интервалам: 4.25–4.50; 4.50–4.75; 4.75–5.00 м. В точке I отбор проб торфов проводился только до глубины 3 м. Методика исследования изложена в [3, 4].

Для обоих участков Обского болота с использованием методов сканирующей электронной микроскопии и рентгенодифракционного анализа было выявлено около 20 минеральных фаз в составе торфа и базальных отложений. Все установленные минеральные фазы разделены по происхождению на детритовые (привнесенные) и аутигенные (новообразованные или in situ). Среди детритовых отмечаются следующие: кварц, полевые шпаты, слюды, ильменит, рутил, магнетит, циркон, монацит, ксенотим, чералит, апатит, висмутин. Аутигенные минералы (рис. 1) представлены окислами и гидроокислами железа, пиритом, сидеритом, галенитом, баритом, акантитом, самородным серебром и рядом других минералов. Подобные минеральные фазы были обнаружены в торфяной залежи Васюганского болота [3–5]. Распределение минеральных фаз на частицах органики в разрезе торфяной залежи в точке II имеет неравномерный характер. В верхней части торфяной залежи (0.00–2.75 м) из аутигенных минералов преобладают окислы и гидроокислы железа (рис. 1a, 1б) в виде сферических форм (микросфероидов) размером от 0.5 до 10 мкм. Среди детритовых минералов в верхних слоях разреза преобладают кварц, полевые шпаты, слюды, ильменит, магнетит, циркон, рутил. В нижней части залежи (2.75–4.50 м) заметно увеличивается содержание фрамбоидов пирита (рис. 1в, 1г), представляющих собой агрегированное скопление микрокристаллитов пирита размером до 0.5–1.2 мкм. В подстилающих болото песчанистых суглинках (на глубине 4.5–5.0 м) при том же наборе детритовых минералов относительная доля пирита постепенно снижается. Состав минеральных включений в торфе на загрязненном участке Обского болота близок к составу на фоновом участке за исключением пониженного количества фрамбоидального пирита и заметно большего присутствия в точке I магнетита (интервалы 0.00–0.50; 1.50–1.75 м), сидерита и барита (1.50–1.75 м), а также наличия таких редких обломочных минералов, как чералит и висмутин.

Рис. 1.

СЭМ-изображения аутигенных минеральных фаз: (a, б) окислы и гидроокислы железа (Fe-ox) в виде сферул в верхних слоях; (в, г) фрамбоиды пирита (Pyr) в нижних слоях торфяной залежи.

В кислотных вытяжках из минерального грунта на фоновом участке Обского болота наблюдаются более значительные концентрации Li, Be, Mg, Al, Si, K, Sc, V, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Ge, Rb, Y, Zr, Pd, Ag, Cd, In, Cs, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Tl, Pb, Bi, Th, а в вытяжках из торфов – Mo, Rh, Sb, I, W, Ir. Кроме того, в торфах заметно больше дисперсия концентраций Mo, Rh, Sn, Sb, I, Ba, W, Re, Ir, U. Содержание U весьма резко увеличивается в торфяной залежи в диапазоне глубин 2.25–3.25 м, то есть в слое, где в составе минеральных форм железа происходит смена гидроксидной специализации на сульфидную.

Сравнение химического состава кислотных вытяжек из торфов в пунктах I и II показало, что на загрязненном участке болота больше среднее содержание Li, Be, Na, Mg, Al, Si, K, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Ga, Ge, Rb, Y, Zr, Nb, Pd, Ag, Cd, In, Sb, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Hf, Tl, Pb, Bi, Th, причем максимальные концентрации указанных элементов (за исключением Na, Ti, Fe, Rb, Y, Nb, Ba) на фоновом участке приурочены к подстилающим минеральным грунтам. Более высокие содержания этих элементов в торфах загрязненного участка могут быть связаны не со сбросом сточных вод, а более высокой запыленностью территории Обского болота у с. Мельниково. Из прочих элементов наиболее очевидна связь со стоками в основном для Na, для которого отмечены и характерные изменения по глубине торфяной залежи: 1) диапазон глубин 0–1 м – среднее содержание на фоновом участке 101 мг/кг, на загрязненном 989 мг/кг; 2) глубины 1–2 м – на фоновом участке 82 мг/кг, на загрязненном 331 мг/кг; 3) глубины 2–3 м – на фоновом участке 83 мг/кг, на загрязненном 169 мг/кг. Натрий обычно присутствует в сточных водах в повышенных концентрациях, в том числе и у с. Мельниково [2]. Судя по достаточно резкому снижению на загрязненном участке концентраций Na по глубине торфяной залежи, максимальное влияние сброса сточных вод проявляется в верхнем метровом слое, достаточно заметное – до 2 м.

Наибольшие значения средних концентраций ряда элементов (Ca, Mn, As, Sr, Mo, Rh, W, Re) или их дисперсий (B, S, Ca, Mn, Sr, Mo, Rh, W, Re, Hg, U) отмечены не на загрязненном, а на фоновом участке. Корреляционный анализ позволил выявить статистически значимые связи концентраций U с содержанием пирита (коэффициент корреляции 0.64), а концентраций C_ac величиной рН водных вытяжек (0.59). Это позволяет предположить, что повышенные концентрации некоторых элементов (включая Hg и U) в отдельных слоях торфяной залежи могут быть связаны не только с действием каких-либо сосредоточенных источников (например, выпуском сточных вод или выщелачиванием подстилающих грунтов), но и с функционированием геохимических барьеров. В частности, достаточно резкое увеличение концентраций Hg (до 0,4 мг/кг) на фоновом участке приурочено к слою 1.75–2.00 м, а U (до 10.9–12.5 мг/кг) – к слою 2.50–3.25 м и связывается, согласно [6], с восстановительным барьером и, в свою очередь, деятельностью сульфатвосстанавливающих бактерий. Среднее содержание последних в слое 0.00–1.75 м составляет 20 млн. кл./мл, а в слое 2.75–4.00 м – 37.6 млн. кл./мл, причем в слое 2.50–3.25 м – 60.0 млн. кл./мл.

Корреляционный анализ во многих случаях не позволил выявить статистически значимые связи между минералогическими, геохимическими и микробиологическими показателями, что объясняется противоположной направленностью и необратимостью (или слабой обратимостью) ряда процессов в торфяном болоте. В частности, накопление ртути, видимо, приводит к резкому снижению численности сульфатвосстанавливающих бактерий, что нелинейно сказывается на содержании U. Нельзя не отметить и возможное влияние состава и концентраций органических кислот. Согласно [7], в верхней части торфяной залежи вероятно обнаружение максимальных молекулярных масс гуминовых кислот (ГК), которые состоят в основном из разветвленных алифатических цепочек с преобладанием аминокислотных, спиртовых, алкильных и углеводных фрагментов. Соответственно ниже может наблюдаться более высокое содержание низкомолекулярной фракции ГК. С учетом того, что большинство металлов образует с гуминовыми кислотами малорастворимые соединения [6], это не может не сказаться на изменении их концентраций в кислотных вытяжках по глубине торфяной залежи. Выполненное исследование может быть полезным для уточнения механизма транспорта и трансформации ГК в стоке р. Обь от верхнего течения до Обской губы [8] в контексте оценки потенциального вклада Обского болота в интегрированный ГК сигнал.

Таким образом, получены следующие основные результаты: 1) основная закономерность изменения минералого-геохимических условий по глубине заключается в преобладании в верхней части торфяной залежи гидроксидных минеральных форм, в нижней – сульфидных; 2) в нижней части эвтрофного Обского болота формируется восстановительный геохимический барьер, с функционированием которого связываются повышенные концентрации U и Hg; 3) явно выраженное влияние сбросов сточных вод заключается в увеличении в кислотных вытяжках из торфов содержаний Na; 4) антропогенное воздействие проявляется также в изменении состава образующихся в торфах аутигенных минералов (например, в формировании сидерита и барита) и дополнительной аккумуляции в болотной среде смеси взвешенных, коллоидных и растворенных форм некоторых металлов, которые в естественных условиях с большей вероятностью образовали бы минеральные формы; 5) косвенное, но вполне заметное антропогенное влияние может быть связано более высокой пылевой нагрузкой на болото вблизи населенных пунктов.

Результаты выполненного исследования минералого-геохимических условий в Обском болоте, интегрированные с результатами исследований Васюганских болот [3–5], могут быть полезны для уточнения экологической роли болот в формировании геохимического сигнала стока р. Обь в условиях современной антропогенной нагрузки, а также в интерпретации палеоусловий на “сухом” шельфе Карского моря до начала голоценовой трансгрессии.