Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 512, № 2, стр. 332-340

ПОДЗЕМНАЯ ВОДА БАЙКАЛА (СКВАЖИНЫ)

В питьевых водах уран нормируется по химической токсичности. В России предельно допустимая концентрация (ПДК) урана в питьевых водах принята равной 15 мкг/л [12], в Соединенных Штатах Америки равным – 30 мкг/л. Всемирная организация здравоохранения рекомендует норматив 15 мкг/л.

Распределение содержаний урана изучено в скважинах, расположенных в западной береговой части Байкала и на острове Ольхон (рис. 1). На Ольхоне пробы воды отбирались в скважинах глубиной до 70 м и анализировались в разное время 2018 и 2020 г. (весна, осень, зима).

Рис. 1.

Карта-схема отбора проб воды Байкальской экосистемы. Красным цветом показаны скважины.

В подземной воде Ольхона установлены самые высокие концентрации урана (рис. 2), однако особых различий в содержаниях в зависимости от года отбора проб и сезона не отмечено: 8.2–12.6 мкг/л. Повышенные содержания урана в подземных водах Ольхона могут быть обусловлены наличием в породах не только обнаруженного В.И. Вернадским урансодержащего “менделеевита”, позднее диагностированного как оксиуранобетафит надгруппы пирохлора [13], но и урансодержащего ортита в пегматоидных жилах, характерных для субщелочных габброидов и древних гранитоидов Ольхона [2].

Рис. 2.

Блок-диаграмма распределения концентраций урана в воде Байкальской экосистемы.

В береговой части Байкала в районе пос. Сахюрта (переезд через пролив Ольхонские ворота с острова Ольхон на противоположный западный берег Байкала) анализ подземной воды из 2 скважин глубиной 60–70 м показал близкие к подземной воде о. Ольхон значения концентраций урана – 3.2–5.1 мкг/л.

Южнее Ольхона на берегу Байкала в пос. Еланцы в скважине глубиной около 30 м содержание урана на порядок ниже и составляет 0.74 мкг/л. В юго-западной береговой части Байкала (примерно 200–250 км от п. Еланцы) опробование подземных вод выполнено в двух местах. В пос. Листвянка в береговой части на расстоянии 5 км перед истоком Ангары опробовано 8 скважин разной глубины (5–130 м) (рис. 1). В геологическом разрезе здесь представлены четвертичные аллювиально-деллювиальные отложения и протерозойские магматические породы (граниты, гранодиориты) [14]. Содержание урана в подземной воде п. Листвянка изменяется от 0.03 до 5.5 мкг/л и не коррелируется с глубиной скважин.

В 4 км южнее Байкала в пос. Никола в роднике на берегу Ангары содержание урана изменяется в пределах 0.7–1.9 мкг/л (в разное время 2019–2020 гг., анализ выполнен в 8 пробах). В воде скважины глубиной 60 м, расположенной недалеко от этого источника, содержание урана в воде составляет 0.65 мкг/л.

Для сравнения, в пользующемся большим спросом у жителей Иркутска в роднике пос. Худяково (около 70 км на север от южного Байкала за пределами Байкальской рифтовой зоны), содержание урана в воде стабильное и почти не изменяется – 0.04–0.05 мкг/л (в разное время в 2019–2020 гг. взято 5 проб).

Таким образом, повышенные содержания урана в подземных водах отмечены только на острове Ольхон и на противоположном берегу через пролив рядом с ним.

ПРИТОКИ БАЙКАЛА

Вода притоков Байкала отбиралась и анализировалась несколько раз: летом 2007 г., весной-осенью 2018–2020 гг. и осенью 2022 г. Из значительного числа притоков Байкала (>360) опробовались устья в основном крупных и доступных для изучения притоков, всего исследовано 35–40 притоков. Анализы выполнены в 228 пробах воды (рис. 2, 3). Соответственно, в связи с неоднократным опробованием анализ в некоторых притоках на определение урана выполнялся 3–7 раз в разное время года на протяжении последних 15 лет.

Рис. 3.

Распределение концентраций урана в поверхностной воде Байкала и в устьях некоторых притоков летом 2007 г., весной 2018 и 2020 г.

Полученные данные показали сходимость повышенных концентраций урана в воде некоторых притоков в независимости от сезона и года опробования. К притокам Байкала с повышенным содержаниям урана в воде относится вода устьев следующих рек: р. Анга (взято 7 проб), содержания урана находятся в пределах 1.5–2.6 мкг/л, р. Рыты (1 проба) – 2.5 мкг/л, р. Селенга (8 проб) – содержания 1.3–1.6 мкг/л, р. Бугульдейка (3 пробы) – 1.3–1.7 мкг/л (рис. 3, 4). В остальных изученных притоках содержание урана в воде меньше 1 мкг/л.

Рис. 4.

Распределение урана в глубинной воде Байкала весной (зеленое) и осенью (оранжевое) в 2018–2022 гг.

В зависимости от места нахождения рек установлено, что максимальные концентрации урана всегда при опробовании отмечались на западном берегу Байкала в устьях р. Анги и на СЗ в р. Рыты. В устьях этих рек в породах зафиксированы палеопротерозойские граниты [3] и найдены урансодержащие минералы [13]. В нескольких близлежащих к р. Анге притоках (Кучелга, Курма, Шида, Бугульдейка и ключ Смородиновый) концентрации урана также повышены и составляют 1.2–2 мкг/л (рис. 3).

В притоках восточной части Байкала повышенные концентрации урана (до 1–2 мкг/л) отмечены в устьях рек Селенга, Усть-Баргузин и Томпуда. В этой береговой части Байкала расположен крупнейший (площадь более 300 кв. км.) Ангаро-Витимский батолит, сложенный ранне- и познепалезойскими гранитоидами. Главным носителем урана являются монцонитоидные породы батолита и более поздние щелочные граниты и сиениты [4]. Источником урана в воде устьев восточных притоков Байкала также может быть его поступление в притоки при дренировании небольших штоков альбитизированных гранитов, расположенных вблизи восточного берега Байкала, с урансодержащими минералами – фергусонитом и самарскитом [15].

Из восточных притоков Байкала в р. Селенге за последние 15 лет всегда отмечалось повышенное содержание урана в воде. Селенга вместе с многочисленными притоками занимает большую территорию с восточной стороны Байкала, и играет ведущую роль в его водосборе. Содержание урана в воде Селенги заметно выше, чем в других восточных притоках. Известно, что в одном из притоков Селенги расположено урановое месторождение, разведка которого приводит к выщелачиванию урана из руд, поступление его в воду и дальнейшему переносу Селенгой в Байкал. Кроме этого, промышленные предприятия Монголии также могут оказывать негативное влияние на воду Селенги. Однако дельта Селенги представляет собой обширный геохимический барьер, где большая часть токсичных компонентов осаждается в литоральной части Байкала, и не может оказывать серьезного загрязнения воды Байкала.

ВОДА БАЙКАЛА

В течение 2011–2022 гг. в самом озере Байкал опробование глубинной и поверхностной воды проводилось преимущественно в глубокой центральной котловине (1642 м), реже в южной. Всего анализ воды на определение урана выполнен в 140 проб воды, из них 80 – глубинных проб и 60 – поверхностных проб, отобранных в пелагиальной части на всем протяжении Байкала. Содержание урана в воде Байкала довольно стабильно: его медиана и среднее значение различаются в небольших пределах 0.52–0.59 мкг/л. Такие же слабые различия характерны для его распределения в поверхностной воде Байкала на всем протяжении с севера на юг озера (рис. 2, 3) и на глубину в центральной котловине в спокойное время года. Не установлено зависимости концентраций урана в воде Байкала и от сезонов года (весна-осень), они остаются стабильными и близкими (рис. 4, 2018–202 гг., весна-осень).

В 2018 г. в поверхностной воде Байкала повышенных содержаний урана не установлено. В отличие от урана в это время зафиксировано повышение ртути в 2 раза выше ПДК рыбохозяйственных водоемов [17]. Однако в начале июня 2020 г. после землетрясения в поверхностной пелагиальной воде Байкала были зафиксированы повышенные в 2–4 раза содержания урана. Повышение отмечалось только в трех местах Байкала: от Листвянки-Танхоя до Хобой-Крестовый, т.е. на расстоянии более 200 км. При этом севернее и южнее этой линии содержание урана, т.е. на севере и юге в центре пелагиальной части Байкала концентрации урана были минимальными 0.1–0.3 мкг/л, т.е. даже ниже среднего значения по Байкалу – 0.54 мкг/л. Эта информация отчетливо фиксируется на графике (рис. 3) как максимальными (4 крайних верхних точки), так и минимальными (3 крайних нижних точки) значениями урана, как и на рисунке (рис. 4, весна). Такого повышения урана в поверхностной воде в центральной части Байкала за все годы исследований ранее не отмечалось.

О.А. Склярова [16] отмечает, что содержание урана в воде Байкала приближается к максимальным значениям для чистых поверхностных вод Мира и характеризует геохимический фон в озере Байкал. Многие другие микроэлементы в воде либо близки к средним мировым значениям воды, либо находятся на уровне минимальных показателей. Разница между минимальными и максимальными значениями концентраций некоторых микроэлементов в чистых поверхностных водах достигает нескольких порядков, как и в воде Байкала [17]. Максимальные содержания урана (примерно в 1.5–2 раза), превышающие среднее (0.56 мкг/л) и медиану (0.55 мкг/л), отмечаются за время исследования только в июне 2020 г. преимущественно в южной части Байкала от острова Ольхон до Листвянки-Танхоя (рис. 3) (выделено на карте красным пунктиром). На этом расстоянии (примерно 200–250 км) содержания урана в поверхностной воде Байкала в 3 местах достигали значений 1.3–1.5–2.0 мкг/л, что в 2–4 раза выше средних и медианных значений для воды Байкала в целом.

Отмеченный период – 2020 г. совпадает с многочисленными сейсмическими событиями, происходящими в районе озера Хубсугул, которые менее интенсивно отразились на событиях в Байкале. Такие подвижки были ощутимы для жителей Иркутска. Возможно, что отсутствие более сильных движений в Байкале привели к перемещению и частичному воздействию на придонные железомарганцевые конкреции Байкала, характеризующиеся повышенным содержанием урана в них [18]. Заметные изменения в придонной части Байкала происходили в его наиболее глубинной центральной части, что зафиксировалось в повышении в воде урана, а также других элементов (Th, Nb, Ta, W), характерных для конкреций Байкала. Последнее свидетельствует о том, что во время землетрясений в Прибайкалье уран мог дополнительно поступать в Байкал с водой притоков, а также при разрушении Fe–Mn-конкреций, возможен также и глубинный привнос, что отмечается исследователями в сейсмоактивных регионах России [19].

ИСТОК АНГАРЫ

В истоке Ангары отбор и анализ проб на микроэлементы, в том числе и на определение урана в воде проводились ежемесячно, иногда чаще, начиная с 1997 г. (рис. 5). За прошедшие годы (2006–2022 гг.) всего выполнено в воде истока 194 анализа. Содержания урана находятся в пределах одного порядка значений – от 0.1 до 0.96 мкг/л, среднее – 0.54 мкг/л, медиана – 0.55 мкг/л. Максимальные концентрации урана в воде истока за весь период исследований отмечены только 3 раза: март 2008 г., январь 2011 г. и февраль 2020 г., когда его содержание увеличивалось почти в 2 раза (рис. 5). Возможно, высокий уровень воды в Байкале, который отмечался в перечисленные годы, способствовал размыву и разрушению берегов Байкала, а соответственно, разрушению и выщелачиванию элементов из вмещающих пород с последующим растворением в воде, выносом их из устьев притоков в Байкал и лишь частичному захоронению на геохимических барьерах. Поскольку течения в Байкале направлены против часовой стрелки и только затем подходят к истоку Ангары, то повышенные значения урана в воде притоков могут фиксироваться и в воде истока, но уже в разбавленном виде – меньшие концентрации. Получается, что исток Ангары фиксируется концентрациями, точнее остатками концентраций в воде, включая повышенные значения в западных притоках Байкала (Анга, Бугульдейка и др.), благодаря течению вдоль берегов против часовой стрелки.

Рис. 5.

График распределения значений концентрации U в воде истока Ангары в 2006–2022 гг. 1 – среднее значение; 2 – сигма; 3 – 2 сигмы; 4 – область значений графика, превышающих сигму; 5 – землетрясения с Mb ≥ 5; значения концентрации в притоках: 6 – р. Анга; 7 – р. Турка; 8 – р. Селенга.

Сильные геодинамические воздействия под воздействием глобальных сил могут приводить к кратковременному раскрытию локальных участков зоны глубинных разломов, поступлению мантийных флюидов в кору, проницаемость которой повышается в результате деструкции литосферы и, принимая во внимание разломно-блоковую структуру Байкальской рифтовой зоны, способствуют сейсмогеодинамической активизации блоков литосферы. Эти факторы могут приводить к поступлению урана на поверхность по зонам раскрытых разломов.

С учетом этих представлений, приведем результаты анализа изменения концентраций урана в воде Байкала, беря за основу пункт замеров в истоке р. Ангары в соотношении с сейсмическим процессом, на примере сильных землетрясений (М ≥ 5) в районе озера Байкал (рис. 5).

В 2006 г. было отмечено 3 пика концентрации урана, что может корреспондировать с активизацией блоков литосферы в районе центрального Байкала, где произошел ряд умеренных землетрясений. В следующем году в июле были сделаны замеры в притоках Байкала (рис. 3). Были отмечены повышенные значения урана на севере Байкала, где в это время произошло Томпудинское землетрясение 4 июля 2007 г. с К_Р = 14.2, Mw = 5.4, I₀ = 7–8. Повышенные значения урана отмечались в притоках Рыты, Анга, Бугульдейка, Святой Нос, Селенга, что может подчеркивать активизацию блоков в центре Байкала. В истоке Ангары максимальное значение было зафиксировано в 8 августа (0.74 мкг/л), корреспондирующее с наиболее сильным в районе землетрясением 19 августа с К_Р = 11.7. В 2008 г. была зафиксирована максимальная концентрация урана в истоке за время наблюдений (0.96 мкг/л). Проба была взята 14 февраля, за три месяца до Максимихинского землетрясения 20 мая 2008 г. с Mw = 5.3, I₀ = 7 (Центральный Байкал, около 300 км от истока) и за 6 мес до Култукского землетрясения 27 августа с Mw = 6.3, I₀ = 8–9 (Южный Байкал, около 60 км от истока). В июле концентрация снизилась (0.57 мкг/л), а в сентябре и ноябре повысилась до максимальных значений (0.83 и 0.75 мкг/л). Максимальные значения, зафиксированные в 2008 г., превышают 2 сигмы, что статистически свидетельствует о связи повышенных концентраций урана в воде с Култукским землетрясением, сильнейшим за исследуемый период в районе озера Байкал, а возможно и с Максимихинским землетрясением.

В следующем, 2009 г. сейсмическая активность значительно снизилась, сильных землетрясений в регионе не происходило. Уровень концентрации урана в истоке значительно уменьшился, большую часть года был ниже среднего значения. Лишь в конце года был небольшой всплеск (0.69 мкг/л), за два месяца до землетрясения, зарегистрированного в Южном Байкале к востоку от бухты Песчаной. Несмотря на умеренный энергетический уровень, оно отчетливо ощущалось на территории Южного Прибайкалья. В 2010 г. уровень концентрации урана был ниже среднего значения. Следующий пик (0.84 мкг/л), превышающий 2 сигмы, был зафиксирован в начале январе 2011 г., за 6 мес до сильного Туркинского землетрясения 16 июля с К_Р = 14.5, Mw = 5.2, I₀ = 7–8 (Центральное Прибайкалье, более 250 км от истока). Вероятно, это свидетельствовало о геодинамической активизации блоков литосферы в центральном Байкале, где также произошел ряд умеренных землетрясений и увеличилась общая сейсмическая активность. В следующий период времени до середины 2013 г. уровень концентрации урана значительно понижается, опустившись ниже средних значений. Сильных землетрясений в этот период не произошло.

С мая 2013 г. до апреля 2017 г. мониторинговые наблюдения не проводились. С апреля 2017 г. до марта 2020 г. уровень концентрации урана в воде истока р. Ангары фиксировался в районе среднего уровня с небольшими флуктуациями. Сильных землетрясений в исследуемом районе не происходило. Пик концентрации урана в истоке р. Ангары был зафиксирован 17 марта 2020 г. за 6 мес до Быстринского землетрясения с Mw = 5.4 (100 км от истока) и за 9 мес до Кударинского землетрясения 9 декабря с Mw = 5.5 (130 км от истока). С 2018 г. раз в полгода стали проводиться измерения на притоках Байкала. На рис. 3 показаны высокие значения концентрации урана в притоках и глубинной воде в районе центра Байкала, свидетельствующие о сеймогеодинамической активизации блоков литосферы с последующей реализацией Кударинским землетрясением. В 2022 г. максимальные значения концентрации урана были зафиксированы в притоках рек Анга и Селенга за полмесяца до второго Голоустенского землетрясения 14 октября с Mw = 5.4.

Полученные результаты позволяют заключить, что со всеми сильными землетрясениями (М ≥ 5), произошедшими в районе Южного и Центрального Байкала, связаны значимые увеличения концентрации урана в воде Байкала. В отдельных случаях это подтверждено и для севера Байкала. Причем повышения уровня концентрации происходили за несколько месяцев до события (в трактовке изложенных выше представлений это свидетельствует о сейсмогеодинамической активизации блоков литосферы, которая приводит к реализации сильных землетрясений). В ряде случаев наблюдалось увеличение концентрации непосредственно перед землетрясением и сразу после него (несколько дней), но учитывая большие перерывы между наблюдениями, это зафиксировать удавалось не всегда.

Таким образом, можно утверждать, что стабильные содержания урана в воде Байкала и его стока Ангары поддерживаются как его поступлением с глубинной водой во время частых сейсмогеодинамических активизаций блоков литосферы, так и дополнительным выщелачиванием из урансодержащих вмещающих Байкал пород и рудопроявлений. Достоверность этой связи подтверждена статистически – всем значимым максимумам урана в воде Байкальской экосистемы соответствуют сильные сейсмогеодинамические воздействия. Проведенные исследования показали, что состояние воды Байкала зависит не только от состава вмещающих пород, но и от природных катаклизмов. В связи с этим необходимо продолжение постоянных геохимических и сейсмогеодинамических исследований в мониторинговом режиме в Байкальской экосистеме.

Сравнительный анализ распределения концентраций урана в воде в сопряженных компонентах Байкальской экосистемы позволил выявить различия в концентрациях между подземными водами вокруг Байкала и водой устьев притоков, при этом установить близкие концентрации урана в глубинной и поверхностной воде Байкала с его единственным стоком – водой реки Ангары. На фоне отмеченных различий отчетливо просматривается возможность дополнительного поступления в Байкал и его обновления глубинной (ювенильной) воды при многочисленных землетрясениях в Байкальской рифтовой зоне.