Известия РАН. Серия географическая, 2020, T. 84, № 5, стр. 715-727

ВВЕДЕНИЕ

Понимание процессов и условий формирования геохимических ореолов – областей со статистически значимым повышенным (относительно средних значений для изучаемого геологического пространства) содержанием химических элементов, генетически связанных с процессами формирования и преобразования рудных объектов [7], имеет большое научное и практическое значение. Их исследованию посвящены многие публикации, но ряд вопросов остается до сих пор недостаточно раскрытым [16, 17, 27]. В частности, не достаточно понятны палеогидрологические условия формирования первичных и вторичных геохимических ореолов месторождений полезных ископаемых и механизмы фракционирования и переноса определенных фракций речных наносов, содержащих рудные минералы. Это снижает эффективность геохимических и геоэкологических исследований на разных этапах недропользования [2, 25].

В связи с существованием указанной проблемы нами проведено исследование пространственно-временных изменений химического и минерального состава донных отложений и химического состава вод малого водотока – р. Омутной – элемента речной системы “Омутная–Киргизка–Томь–Обь” в районе Южно-Александровского участка Туганского россыпного узла. Площадь ее водосбора F_b составляет 180 км², общая протяженность L_r – 28 км, среднемноголетний модуль водного стока M_Q,a – 6.27 л/(с ⋅ км²) (расчет выполнен по реке-аналогу Киргизке у п. Кузовлево за период наблюдений Росгидромета с 1982 по 1996 г., пункт 4 на рис. 1).

Река Омутная пересекает Южно-Александровский участок с северо-востока на юго-запад в районе с. Александровское (Томский административный район Томской области). Химический состав ее вод и донных отложений изучен слабее, чем других участков Туганского узла, что определяет, во-первых, необходимость организации мониторинга водного объекта до начала промышленной эксплуатации Южно-Александровского участка, намеченной на период после 2019 г. Во-вторых, синхронное сопоставление данных о химическом составе речных вод, донных отложений и рудных песков, одновременно являющихся водовмещающими отложениями, потенциально позволяет оценить направление и масштаб выноса различных форм миграции некоторых химических элементов. Все это и определило цель, содержание и методику исследования, направленного на выявление пространственно-временных изменений химического состава речных вод и донных отложений реки Омутной в районе ожидаемой разработки Южно-Александровского участка с учетом задач эффективности природопользования и важности изучения донных отложений для решения экологических и геологических задач [9, 21, 25].

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

На водосборной и прилегающей к ней территориях расположены Северный, Малиновский, Южно-Александровский, Кусковско-Ширяевский и Чернореченский участки Туганского россыпного узла комплексных руд (ильменит, циркон, рутил, кварцевые пески, каолин), формирование которых генетически связано со становлением шельфовой части эоцен-олигоценового водного бассейна, расположенного в юго-восточной части Западной Сибири. Наиболее перспективным для отработки является Южно-Александровский участок, в пределах которого рудный пласт мощностью 5 м залегает на глубине около 7 м с содержанием в песках ильменита 30 кг/м³, циркона – 11 кг/м³, рутила и лейкоксена – 4.6 кг/м³. Спорадически встречаются монацит и алмазы [13, 17]. Кроме оксидов титана, циркония, кварцевой и каолиновой составляющих песков рассматривается возможность получения и других продуктов, включая благородные металлы и редкоземельные элементы [23].

Методика исследования включала отбор и анализ проб воды и донных отложений р. Омутной в трех створах, расположенных в 11.6 (окраина с. Александровское, створ I в табл. 1, см. рис. 1), 13.5 (ниже по течению от с. Александровское, створ II), 18.4 км (с. Малиновка, створ III) от истока в основные фазы водного режима – в начале летне-осенней (23 июня) и зимней (3 ноября) межени 2018 г. и в весеннее половодье (10 мая) 2019 г. Подобное расположение створов позволяет оценить вынос вещества из центральной части Южно-Александровского участка (створ I) и по мере удаления от него вниз по течению, изменение химического состава донных отложений и речных вод в разные гидрологические сезоны, а в перспективе – влияние разработки участка на состояние реки. Карьер пробной эксплуатации расположен между селами Александровское и Малиновка (между створами II и III).

Отбор проб проводился одновременно с измерением расходов воды с учетом требований [4, 12, 22]: 1) отбор проб воды – на стрежне из верхнего слоя глубиной до 0.5 м от поверхности (в зависимости от глубины); 2) отбор проб донных отложений – интегральная проба из трех точек по створу (0.25, 0.50, 0.75 ширины в створе) из верхнего слоя толщиной до 0.2 м общим весом около 6 кг. По результатам гранулометрического анализа, включавшего построение кумулятивной кривой (гранулометрического состава) согласно [6], определены значения диаметра частиц донных отложений средневзвешенные (D_sb,a) и соответствующие вероятности 10% (D_sb,10%). При проведении полевых работ использовались гидрометрическая вертушка ГМЦМ-1, батометр-бутылка ГР-16М и дночерпатель ГР-91.

Лабораторные работы по определению гранулометрического и химического состава донных отложений и речных вод проводились в аккредитованной гидрогеохимической лаборатории Томского политехнического университета. Из донных отложений отбиралась фракция с диаметром частиц менее 1 мм, в кислотных вытяжках из которой (навеска пробы 0.2–0.5 г помещалась в полиэтиленовую пробирку с добавлением 3 мл азотной кислоты, а затем в микроволновую печь и прогревалась на мощности 100–300 W в течение 10 мин без закипания раствора, затем объем полученного раствора доводился деионизованной водой до 50 мл), а также в речной воде выполнялось определение содержаний ряда химических элементов с использованием масс-спектрометрического метода с индуктивно связанной плазмой (масс-спектрометр NexION 300D). Кроме того, в речной воде при определении гидрогеохимических показателей использовались следующие методы: рН – потенциометрический; ${\text{SO}}_{{\text{4}}}^{{{\text{2}} - }}$ – турбидиметрический; Ca²⁺, Mg²⁺, ${\text{HCO}}_{{\text{3}}}^{ - },$ Cl^–, перманганатной окисляемости (ПО), СО₂ – титриметрический; Na⁺, K⁺, ${\text{NO}}_{{\text{3}}}^{ - },$ ${\text{NO}}_{{\text{2}}}^{ - },$ ${\text{NH}}_{{\text{4}}}^{ + },$ ${\text{PO}}_{{\text{4}}}^{{{\text{3}} - }}$ – метод ионной хроматографии.

Основное внимание было уделено уровням содержания в донных отложениях и речной воде Ca, Mg, Na, K, Cl, S (Cl, S в воде – в виде ионов Cl^– и ${\text{SO}}_{{\text{4}}}^{{{\text{2}} - }}$), P, Si, Fe, Al, Ti, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, As, Y, Zr, Cd, Ba, Au, Hg, Pb, La, Ce, Sm, Th, U с учетом геохимической специализации района исследования и наличия соответствующих ранее выполненных исследований в пределах Туганского месторождения, позволяющих сопоставить материалы разных лет [18, 23]. Более подробно методика пробоподготовки, анализа химического состава речных вод и донных отложений изложена в [18, 20].

Дополнительно выполнено изучение: 1) форм миграции химических элементов в речных водах 26.06.18 г.; 2) геохимических показателей пойменных и долинных отложений 03.11.18 г. В первом случае химический состав определялся в нефильтрованной воде и после фильтрации через мембранный фильтр с диаметром пор 0.45 мкм. При этом было сделано допущение, что вещества в фильтрате представлены растворенной и коллоидной формами, а разница между валовым содержанием и фильтратом соответствует коллоидной и взвешенной формам. Во втором случае выполнен отбор проб твердого материала согласно [5] в пойме примерно в 5 м от бровки меженного русла и долине – в 20–30 м (в створе I – в левобережной части, в створах II и III – в правобережной). Пробы – интегральные (из трех точечных отобранных по вершинам равнобедренного треугольника стороной 1 м из слоя 0.0–0.2 м от поверхности) общим весом около 6 кг.

При анализе данных проводились расчеты коэффициентов корреляции r, погрешностей их определения δ_r и индекса насыщения SI с использованием программного комплекса Solution+ [19]:

где N – объем выборки; ПА – произведение активностей группы веществ; K_ns – константа неустойчивости. Связь между исследуемыми величинами принимается статистически значимой, если выполняется условие |r| > 2δ_r. Отрицательные значения SI свидетельствуют о возможном недосыщении, а положительные – о пересыщении водного раствора относительно рассматриваемых минералов.

Для контроля термодинамических расчетов для фракции донных отложений с диаметром частиц до 1 мм выполнено определение минерального состава: рентгенофазовый анализ – в Институте геологии и минералогии СО РАН (Л.В. Мирошниченко) на автоматизированном порош-ковом дифрактометре ДРОН-4; электронная микроскопия с использованием сканирующего электронного микроскопа HITACHI S-3400N – в ТПУ (С.С. Ильенок). Методика анализа минерального состава донных отложений изложена в [18].

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Воды р. Омутной в 2018–2019 гг. оцениваются как слабощелочные и нейтральные, по классификациям О.А. Алекина [1] – пресные со средней (в межень) и малой (в половодье) минерализацией, гидрокарбонатные кальциевые первого и второго типов, по [3] – мезо- (в межень) и олигосапробные (в половодье). Содержание главных ионов в речных водах в целом увеличивается от весеннего половодья до зимней межени (рис. 2а) и по мере уменьшения расходов воды, однако содержание взвешенных веществ, концентрации Fe, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Pb, La, Ce, Sm, Eu, Th, напротив, снижаются. Величина рН достигает минимальных значений весной, а максимальных – в летне-осеннюю межень (см. табл. 1, рис. 2б).

В течение всех гидрологических сезонов сумма отношения фактических и предельно-допустимых концентраций (ПДК_хп) веществ первого и второго классов опасности, нормируемых для хозяйственно-питьевого водопользования, больше единицы (1.20–1.84), хотя концентрации соответствующих отдельных веществ нормативы не превышали. По состоянию на 23.06.18 г. основные формы миграции: Ca, Mg, Na, K, Cl, S, Si, Cr, Mn, Ni, Cu, Zn, Cd, Ba, Au, Th, U – растворенная и коллоидная (тонкодисперсная); P, Fe, Al, As, Y, Hg, La, Ce – коллоидная и взвешенная; Ti, Zr, Pb, Sm представлены разными формами без явного преобладания какой-либо из них (табл. 2).

По длине реки валовое содержание большинства изученных элементов в речных водах изменяется без ярко выраженных тенденций, хотя нельзя не отметить, что от истока к устью в среднем наблюдается некоторое увеличение концентраций Na, K, P, Fe, Al, Ti, Cr, Mn, Zn, As, Cd, Pb, Th, уменьшение – U и максимум в створе II – Cl^–, ${\text{SO}}_{{\text{4}}}^{{{\text{2}} - }},$ ${\text{NO}}_{{\text{2}}}^{ - },$ Si, Ni, Cu, Y, Zr, Hg, La, Ce, Sm, а также перманганатной окисляемости (см. табл. 1). При этом по мере движения водных масс доли взвешенных и коллоидных форм миграции сульфатов и калия снижаются, а доли растворенных и коллоидных форм – возрастают.

Доля взвешенной и коллоидной форм миграции фосфора, напротив, увеличивается вниз по течению. Тенденции изменения по длине реки форм миграции прочих изученных элементов либо не выявлены, либо отмечено определенное увеличение доли взвешенной формы в створе II (Ca, Si, Fe, Al, Ti, Mn, Ni, Y, Zr, La, Ce, Sm, U), где наблюдались наибольшие значения средней по сечению скорости течения и характерных диаметров донных частиц (скорость течения, м/с: I – 0.27; II – 0.39; III – 0.26; средневзвешенный диаметр донных частиц D_sb,a, мм: I – 2.47; II – 4.74; III – 3.26; диаметр донных частиц по кумулятивной кривой гранулометрического состава с вероятностью 10% D_{sb, 10%}, мм: I – 0.06; II – 0.08; III – 0.03).

Корреляционный анализ позволил в первом приближении (вследствие малого количества проб) выявить статистически значимую связь между расходами воды и содержаниями взвешенных веществ, с одной стороны, и валовыми концентрациями ряда веществ: 1) обратную – с главными ионами; 2) прямую – с P, Si, Fe, Al, Ti, Cr и рядом других элементов. С учетом этого и принимая во внимание указанные выше данные о пространственно-временных изменениях химического состава речных вод, можно предположить, что вероятность увеличения валовых концентраций веществ с высокой долей миграции во взвешенной и коллоидной формах возрастает с увеличением содержаний и стока взвешенных веществ. Это может быть связано с увеличением общего выноса взвешенных частиц и сорбции на них ряда элементов вследствие роста площади взаимодействия твердого вещества и воды.

Для веществ с преобладанием растворенной формы миграции, судя по данным о химическом составе подземных вод рассматриваемой территории [10, 26], пространственно-временные изменения в значительной мере связаны с соответствующими изменениями соотношений поверхностной и подземной составляющих водного стока и химическим составом последней. Для малых рек данной территории химический состав часто повторяет состав подземных вод [10], особенно у истоков, где воды питаются родниками. Наблюдается небольшое превышение суммы главных ионов вод в створе I относительно створа II, где воды уже более разбавлены, а далее по движению от створа II к III увеличение минерализации связано уже с большим временем взаимодействия вод с подстилающими и вмещающими отложениями (см. рис. 2), поскольку влияние подземных вод здесь уже ослаблено в результате их разбавления и реакций растворения – осаждения. В частности, в летне-осеннюю и зимнюю межень возрастает насыщенность речных вод относительно кальцита (рис. 3а) при том, что остается общая недонасыщенность относительно первичных алюмосиликатов, например, альбита и, особенно, анортита (рис. 3б). Это потенциально может привести к ограничению роста главных ионов [11, 24, 26]. Определенное влияние, видимо, оказывает и увеличение площади взаимодействия в системе “вода–порода” при одновременном увеличении концентрации взвешенных веществ и скорости течения (см. табл. 1).

Сопоставление средних (по 9 пробам) содержаний химических элементов в речных водах и кислотных вытяжках из донных отложений (фракция с диаметром частиц меньше 1 мм) показало, что между ними существует определенная связь, которая для 29 элементов (Ca, Mg, Na, K, Cl, S, P, Si, Fe, Al, Ti, Cr, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, As, Y, Zr, Cd, Ba, Au, Hg, Pb, La, Ce, Sm, Th, U) имеет вид:

где C_w,a и C_s,a – средние содержания в речных водах и кислотной вытяжке из донных отложений; квадрат корреляционного отношения R² составляет 0.87.

В течение года и по длине реки химический состав кислотных вытяжек из донных отложений изменяется значительно слабее, чем в речных водах. Наиболее заметные тенденции – увеличение концентраций Ca, Mg, Na, K, Fe, Ti, Ba от спада половодья 2018 г. до пика половодья 2019 г. Хорошо выраженные тенденции для всех створов – снижение концентраций от весеннего половодья к зимней межени – отмечены для Cl.

Нельзя не отметить и достаточно резкое увеличение содержаний серы в кислотных вытяжках в начале зимней межени и их снижение в начале летне-осенней межени. Причем в зимнюю межень одновременно возрастают и содержания сульфатов в речной воде. Можно предположить, что это связано как с увеличением доли подземной составляющей водного стока с более высокими концентрациями ${\text{SO}}_{{\text{4}}}^{{{\text{2}} - }},$ так и с растворением сульфидов металлов и биогеохимическими процессами в донных отложениях (время и общая площадь взаимодействия воды с частицами донных отложений возрастают по мере размыва отложений, которые аккумулируются на спаде весеннего половодья).

Это предположение подтверждается и материалами других авторов [15, 23], и результатами изучения минерального состава донных отложений, позволившего выявить 23.06.19 г. зерна халькопирита в створе II (фракция 0.1 мм) и пирита – в створе III (фракции 0.1 и 0.04 мм). Для прочих изученных элементов состав подстилающих и водовмещающих пород (их основных источников поступления в водный поток и донные отложения) меняется от истоков к устью р. Омутной не столь выраженно (см. табл. 1).

В целом, данные о химическом составе кислотных вытяжек из донных отложений р. Омутной соответствуют ранее полученным следующим выводам [18]. Во-первых, основные закономерности, связанные с постепенным снижением содержания минералов с показателем гипергенной устойчивости (по [17], логарифмом произведения плотности и твердости) менее 1.26–1.27, характерны для рек с протяженностью более 11–20 км.

Во-вторых, относительно однородный минеральный и условно постоянный химический состав донных отложений обычно формируется в 1–100 км ниже по течению от границы участков с однородным химическим составом речных вод.

В-третьих, обе вышеуказанные закономерности обусловлены тем, что требуются определенные время и энергия для последовательного разрушения частиц горных пород за счет последовательно повторяющихся и взаимно обусловливающих процессов их растворения и выщелачивания, сорбции и десорбции и механического разрушения до момента, когда будут достигнуты максимальная сорбционная способность донных отложений и их химическое и динамическое равновесие с потоком [18]. Для рассматриваемого участка р. Омутной (11.6–18.4 км от истока) указанные условия соблюдаются не в полной мере, что и определяет изменения состава донных отложений по длине реки.

В сравнении с долиной в русловых отложениях уровень содержания изученных химических элементов заметно меньше (табл. 3). Пойменные отложения в целом занимают промежуточное положение между русловыми и долинными и в целом соответствуют промежуточным (между руслом и долиной) значениям интенсивности водообмена. Хотя в створе II концентрации ряда элементов в пойменных и долинных отложениях примерно равны или близки друг к другу, а минимальные содержания Cl и S в среднем приурочены к пойме. Это объясняется дополнительным усилением разрушения хлор- и серосодержащих соединений при чередовании затопления поймы весной и контакта твердого материала с атмосферным воздухом и растительностью в летне-осеннюю межень (см. табл. 3).

Анализ химического состава фракций пойменных и долинных отложений не проводился. Но были выявлены степенные обратные зависимости между диаметрами частиц вероятностью 10% и содержанием железа и титана (R² = 0.42 и 0.67, соответственно) во фракции до 1 мм с максимумами для частиц с диаметром 0.02 мм и менее, что согласуется с выводами о распределении химического состава почв овражной сети [8].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Внутригодовые изменения химического состава вод р. Омутной в пределах Южно-Александровского участка Туганского россыпного узла в целом характеризуются увеличением от весеннего половодья до зимней межени содержаний веществ, для которых характерна, прежде всего, растворенная форма миграции – Ca, Mg, Na, K, Cl, S. Напротив, для веществ с преобладанием взвешенной формы миграции (Fe, Y, La, Ce) отмечены максимумы валового содержания весной и минимумы – в зимний период. Уровень содержания прочих веществ, миграция которых осуществляется в виде коллоидов, либо существенно зависит от геохимической среды и влияния биоты (P, Si, Ni, Cu, Zn, Pb и ряд других элементов), изменяется в течение года менее заметно.

В изменении химического состава вод в пределах рассмотренного участка 11.6–18.4 км от истока сначала заметна роль подземных вод, заключающаяся в увеличении суммы главных ионов и подкислении среды. Затем, по мере продвижения по руслу, большую роль оказывают процессы взаимодействия в системе “вода–порода”, проявляющиеся в увеличении минерализации, подщелачивании среды, при увеличении и органических веществ. Также от истока к устью прослеживается рост взвешенной формы миграции веществ при увеличении содержания взвешенных частиц и твердого стока.

Пространственно-временные изменения химического состава кислотных вытяжек из донных отложений (фракция с диаметром менее 1 мм) в целом проявляются слабее, чем соответствующие изменения химического состава речных вод. Это объясняется нелинейной связью геохимических показателей речных вод и донных отложений [14]. Для относительно заметного проявления этих связей для рек Сибири требуется время, примерно соответствующее движению водных масс на участке не менее 11–20 км [18].

Для малых рек протяженностью менее 20 км, как в случае р. Омутной, химический и минеральный состав донных отложений часто изменяется в зависимости от сочетания локальных гидрологических и геологических условий – увеличения размыва дна и берегов в сужениях русла, выщелачивания подстилающих коренных пород в результате речной эрозии, поступления в русло подземных вод с повышенным (или пониженным) содержанием тех или иных химических элементов и так далее.

Все эти факторы определяют специфические для малых рек конкретных геохимических провинций площадь и время взаимодействий в системе “вода–порода”. В рассматриваемом случае (р. Омутной) они способствуют: 1) аккумуляции многих химических элементов на участках с наименьшей интенсивностью водообмена (участки долины, в настоящее время практически не затапливаемые, но подверженные затоплению ранее); 2) максимальной изменчивости концентраций целого ряда веществ в пойменных отложениях. С учетом этого можно предположить, что наибольшие концентрации рудных элементов в пределах ореолов россыпных месторождений будут формироваться при относительно устойчивом (в геологическом отношении) снижении интенсивности водообмена.