Известия РАН. Серия географическая, 2021, T. 85, № 4, стр. 554-564

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, донные отложения являются важнейшим элементом аквальных ландшафтов и служат конечным звеном местных ландшафтных сопряжений. Считается, что по их составу можно судить о геохимических особенностях природной среды и степени техногенной нагрузки на ландшафты всего водосбора. В то же время донные отложения играют двоякую роль, являясь одновременно и аккумулятором загрязняющих веществ и, при определенных условиях, источником вторичного загрязнения воды (Закруткин и др., 2020а, б; Решетняк, Закруткин, 2016). В последнее время на фоне усиливающейся антропогенной нагрузки на водные экосистемы суши концентрации различных загрязняющих веществ в донных отложениях на порядок выше, чем их концентрация в водной толще, и особенно это характерно для территорий с развитой промышленностью.

Территория восточной части Донецкого угольного бассейна (сокращенно – Восточный Донбасс) с физико-географической точки зрения разделяется на три зоны: северную, соответствующую бассейну Северского Донца, центральную (водораздельный Донецкий Кряж) и южную, включающую бассейн р. Тузлов.

Бассейн Северского Донца располагается в зоне умеренно-засушливого подтипа степных ландшафтов, геологический фундамент которых образован толщей пород каменноугольного возраста – песчаниками, глинистыми сланцами, известняками и ископаемыми углями. В геоморфологическом отношении это допалеоген- и палеоген-четвертичная грядово-холмистая равнина с сильным овражно-балочным расчленением на складчатом основании. Преобладающими типами почв являются южные и обыкновенные черноземы (Закруткин и др., 2016).

В бассейне р. Тузлов основу геоморфологического строения составляет плиоценовые и четвертичные равнины с умеренным овражно-балочным расчленением на моноклинально залегающих породах палеоген-неогенового возраста, в составе которых преобладают известняки-ракушечники и аллювиальные пески. В северной части на поверхность выходят породы карбона аналогичные по литологическому составу породам бассейна Северского Донца. Малое количество осадков, наряду с высокой испаряемостью определило преобладание здесь засушливого подтипа степных ландшафтов, развивающихся на черноземах обыкновенных (Закруткин и др., 2016).

Среди перечисленных природных факторов, влияющих на распределение химических элементов в ландшафте, особого внимания заслуживает состав выходящих на дневную поверхность горных пород, определяющий региональный геохимический фон поверхностных вод и донных отложений, а также других компонентов окружающей природной среды.

С геохимической точки зрения Восточный Донбасс представляет собой природно-техногенную аномальную зону, природные комплексы которой на протяжении длительного времени испытывают значительную антропогенную нагрузку, в общей доле которой основную роль играют объекты добычи и переработки угля (Закруткин и др., 2016).

Негативное влияние на природную среду резко усилилось в последние десятилетия в связи с реструктуризацией угольной промышленности, которая предусматривала ликвидацию нерентабельных шахт. К началу реструктуризации в Восточном Донбассе действовало 59 шахт, из них большая часть (47) была закрыта. При этом 45 шахт были ликвидированы путем затопления и только 2 – способом “сухой консервации”. Закрытие шахт осуществлялось на фоне глубокого экономического кризиса 1990-х годов, в связи с чем мероприятия по снижению экологических последствий проводились крайне ограничено, без единого системного подхода. Это в конечном счете привело к тому, что вместо оздоровления экологической обстановки, ожидавшейся при реструктуризации угольной отрасли, произошло ее ухудшение. В результате затопления нерентабельных шахт массовым явлением стал самоизлив высокоминерализованных техногенных вод на дневную поверхность, что оказывало существенное влияние на качество речных вод (Гибков и др., 2020; Закруткин и др., 2016).

В большей степени подобному влиянию подвержены малые реки. С шахтными водами в реки поступает огромное количество тяжелых металлов, среди которых соединения железа, марганца, стронция, меди, а также сульфатов. При этом меняется химический состав не только водной толщи, но и донных отложений, происходит преобразование и минерального состава донных осадков.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования донных отложений рек Восточного Донбасса проводились в период 2014–2019 гг. В качестве объектов исследования выбраны реки двух бассейнов: Северского Донца (Калитва, Кундрючья, Быстрая, Лихая, Большая Гнилуша, Большая и Малая Каменка) и Тузлова (Большой и Малый Несветай, Аюта, Грушевка, Кадамовка и Атюхта), испытывающие разный уровень антропогенного воздействия.

Особое внимание уделялось малым рекам региона, так как они имеют низкую самоочищаемость и являются чувствительным индикатором общего экологического состояния водосборных территорий. Именно на водосборах малых рек начинают формироваться негативные изменения в окружающей природной среде (Закруткин и др., 2020а).

Отбор проб донных отложений проводили в створах, расположенных в верховьях рек, на участках выше влияния источников загрязнения; в низовьях рек для оценки суммарного влияния различных техногенных источников загрязнения на водосборах, а также в районах расположения объектов угледобывающей промышленности (действующие и ликвидированные шахты, места сброса шахтных вод и т.п.). Схема расположения створов представлена на рис. 1.

В связи с неоднородностью донных отложений в каждом створе производили отбор нескольких проб, обычно от 3 до 5. Опробование донных отложений осуществлялось преимущественно из верхнего слоя мощностью 10–20 см. Предполагается, что именно в этом диапазоне содержащиеся в донных отложениях загрязняющие вещества будут наиболее активно взаимодействовать с водной толщей рек. На небольших и неглубоких водотоках отбирали пробы по поперечному профилю реки, на средних – у уреза воды в местах видимой аккумуляции наносов.

Отбор проб для проведения эколого-геохимических исследований донных отложений проводили согласно нормативным документам (ГОСТ 17.1.5.01-80) с использованием дночерпателя и ручных пробоотборников. Масса отбираемых проб в каждом створе составляла от 1000 до 1500 г. После морфологического описания пробы донных осадков были высушены до воздушно-сухого состояния. Далее был произведен гранулометрический анализ осадка, определен минеральный состав выделенных фракций. Подготовленные подобным образом пробы передавались в лабораторию для определения содержания тяжелых металлов методом атомно-абсорбционной спектрометрии с использованием атомно-абсорбционного спектрометра “Квант-2АТ”.

Для оценки степени загрязненности донных отложений рек Восточного Донбасса были использованы следующие общепринятые отечественные и зарубежные показатели: суммарный показатель загрязнения Z_c (Сает и др., 1990; Янин, 2002), факторы загрязнения (contamination factors, C_f) и степень загрязнения (degree of contamination, C_d), предложенные в (Hakanson, 1980), индекс геоаккумуляции (Geoaccumulation index, I_geo) (Müller, 1969). Несмотря на то, что данные критерии разработаны много лет назад, они до сих пор не потеряли своей актуальности и широко используются в последнее время (Abrahim, Parker, 2008; Cao et al., 2014; Nasrabadi et al., 2010; Pazi, 2016; Raza et al., 2016).

Фактор загрязнения (C_f) представляет собой отношение концентрации элемента в исследуемых донных отложениях к его доиндустриальному (фоновому) содержанию или кларку элемента в определенной части литосферы или земной коры в целом (Hakanson, 1980) и рассчитывается по формуле (1):

где C_X – содержание элемента в исследуемых донных отложениях, C_b – фоновое содержание или кларк элемента.

Факторы концентрации по элементам для определенного C_d створа используются при подсчете степени загрязненности донных отложений (C_d), которая определяется по формуле (2):

Для оценки уровня загрязнения донных отложений разработана шкала (Hakanson, 1980), которая соотносит получаемые значения с уровнем загрязнения донных отложений. Если в исследовании использованы данные по 8 элементам, то критерии оценки следующие: при C_d < 8 уровень загрязнения – слабый, 8 < C_d < 16 – умеренный, 16 < C_d < 32 – значительный и при C_d > 32 – очень высокий.

Индекс геоаккумуляции (I_geo), предложенный в (Müller, 1969), позволяет оценить степень загрязнения донных отложений элементами по шкале из семи классов на основе увеличения числовых значений индекса. Этот индекс рассчитывается следующим образом согласно формуле (3):

где C_X – содержание элемента в исследуемых донных отложениях, C_b – фоновое содержание или кларк элемента.

Коэффициент 1.5 вводится для минимизации влияния возможных вариаций фоновых значений содержания элемента в донных отложениях. Шкала оценки загрязнения донных отложений рек по индексу геоаккумуляции представлена в табл. 1. Обращает на себя внимание тот факт, что в этой шкале помимо основных градаций уровня загрязненности (низкий – умеренный – высокий – чрезвычайно высокий) присутствуют также и промежуточные, характеризующие переход от одного состояния к другому. Значениям индексов геоаккумуляции изучаемых элементов по створам присваивается соответствующее значение класса I_geo, после чего по минимальному и максимальному значениям класса присваивается характеристика качества донных отложений в целом для створа (реки), например, 0–3, “от низкого до умеренного и высокого”.

В нашей стране оценка уровня загрязненности донных отложений осуществляется в основном в соответствии с рекомендациями, разработанными в Институте минералогии, геохимии и кристаллохимии редких элементов (ИМГРЭ) (Сает и др., 1990; Янин, 2002).

При этом на первом этапе для характеристики техногенных геохимических аномалий в донных отложениях рек рассчитываются коэффициенты концентрации (K_с) химических элементов (относительно их фоновых содержаний) для определения формулы геохимической ассоциации, включающей элементы со значениями K_с не менее 1.5 (предполагается, что концентрация элемента в 1.5 раза превышающая фон, превосходит природную вариацию, т.е. является минимально-аномальным содержанием). На втором этапе определяется суммарный показатель загрязнения Z_c, представляющий собой сумму коэффициентов концентрации (K_с) элементов, входящих в геохимическую ассоциацию, согласно формуле (4):

где К_с – коэффициенты концентрации элементов; n – количество элементов, входящих в геохимическую ассоциацию.

С учетом того, что донные отложения рек бассейнов Северского Донца и Тузлова характеризуются большим разнообразием гранулометрического состава, который, несомненно, оказывает существенное влияние на содержание микроэлементов, нами для сравнения степени загрязненности донных отложений в разных речных створах использованы не валовые пробы, а выделенные из них пелитовые фракции размером менее 0.01 мм. Это оправдано по ряду причин. Во-первых, пелитовая составляющая доминирует в большинстве проб донных осадков. Во-вторых, она является основным носителем большинства изученных элементов. В-третьих, именно пелитовая фракция, находясь в наиболее длительном контакте с водной средой, лучше всего сохраняет информацию о ее состоянии. И, наконец, изучая пелитовую фракцию донных отложений рек Восточного Донбасса, мы соблюдаем основное требование в сравнительной геохимии – однородность выборки (Гибков и др., 2020).

В качестве условного фона для пелитовой фракции использовались кларки глин и глинистых сланцев (Turekian, Wedepohl, 1961), поскольку определение достоверных параметров регионального фона в пределах техногенно нарушенных геосистем представляет собой чрезвычайно сложную, а иногда и нерешаемую задачу.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Как показали исследования, донные осадки большинства рек Восточного Донбасса по гранулометрическому составу представлены слабо дифференцированным псаммит-алеврит-пелитовым материалом. При этом в речных осадках бассейна Северского Донца, как правило, преобладает песчано-алевритовый компонент (12–92%, в среднем 54%), а в бассейне Тузлова – пелитовый (34–76%, в среднем 65%), что подтверждается данными на рис. 2, где демонстрируется положение фигуративных точек донных отложений в том или ином поле диаграммы Шеппарда. Из нее видно, что донные осадки бассейна Тузлова в большей степени сосредоточены в переходной от песков к глинам зоне, в то время как осадки рек Северского Донца характеризуются более разнородным составом.

Минеральный состав донных осадков отличается большим разнообразием. Пелитовая их фракция состоит преимущественно из глинистых минералов (гидрослюды с примесью монтмориллонита и каолинита). В подчиненных количествах присутствуют чешуйки слюд, современное органическое вещество, кальцит и частицы угля (Закруткин и др., 2016).

Песчано-алевритовая фракция донных отложений представлена в основном зернами кварца и полевого шпата. В отдельных реках в заметном количестве (до 10% в бассейне Северского Донца и до 18% в бассейне Тузлова) присутствуют мелкие обломки песчаника, углистых аргиллитов, алевролитов, карбонатов и кремнистых пород.

В составе тяжелой фракции преобладают терригенные минералы (ильменит, магнетит и гематит), на долю которых приходится в среднем 75% от общего состава фракции для рек бассейна Северского Донца и 80% – для бассейна Тузлова. К группе второстепенных относятся циркон, рутил, кианит, ставролит, турмалин. Существенно реже встречаются мусковит, биотит, амфиболы, хромит и хромшпинелиды (Закруткин и др., 2016).

В распределении тяжелых металлов в донных осадках изучаемых рек обнаружены как общие черты, так и некоторые различия. Так, в донных отложениях в бассейне Северского Донца установлены следующие содержания элементов (76 проб) в порядке их убывания: железа – от 5500 до 26 600 мг/кг (в среднем 17 647 мг/кг), марганца – от 170 до 4000 мг/кг (1041 мг/кг), никеля – от 13 до 300 мг/кг (75 мг/кг), цинка – от 42 до 300 мг/кг (116 мг/кг), хрома – от 36 до 150 мг/кг (79 мг/кг), меди – от 15 до 100 мг/кг (42 мг/кг), свинца – от 10 до 57 мг/кг (32 мг/кг) и кобальта – от 5 до 50 мг/кг (21 мг/кг).

В донных отложениях бассейна Тузлова (74 пробы) также доминируют железо (14 800–39 200 мг/кг, в среднем 30739 мг/кг) и марганец (414–3400 мг/кг, в среднем 1145 мг/кг), а в наименьших количествах присутствуют свинец (10–107 мг/кг, в среднем 30 мг/кг) и кобальт (7–28 мг/кг, в среднем 16 мг/кг), но иначе выглядит последовательный ряд остальных элементов: хром (91–840 мг/кг, в среднем 256 мг/кг), цинк (43–300 мг/кг, в среднем 121 мг/кг), медь (17–200 мг/кг, в среднем 58 мг/кг) и никель (22–116 мг/кг, в среднем 57 мг/кг).

Сравнивая речные бассейны между собой, следует подчеркнуть, что концентрации металлов в донных отложениях рек бассейна Тузлова выше, чем в бассейне Северского Донца. Связано это, в первую очередь, с более высокой техногенной нагрузкой в бассейне Тузлова и бóльшим негативным влиянием техногенных шахтных вод – основного источника загрязнения малых рек, о чем подробнее будет сказано ниже.

ВЫВОДЫ

1. Химический состав донных отложений техногенно нарушенных геосистем Восточного Донбасса (в пределах водосборов рр. Северский Донец и Тузлов) характеризуется схожим набором элементов (тяжелых металлов), концентрация которых варьирует в широких пределах. Наибольшее содержание металлов в донных отложениях рек обоих бассейнов принадлежит железу и марганцу, наименьшее – свинцу и кобальту. В целом концентрация металлов в донных отложениях рек бассейна Тузлова выше, чем в бассейне Северского Донца.

2. Оценка загрязненности донных отложений тяжелыми металлами с использованием различных показателей (Z_c, C_d и I_geo) позволяет отнести их преимущественно к слабому или низкому уровню. В целом же в бассейне Тузлова загрязненность металлами донных отложений выше, чем в бассейне Северского Донца, что связано с более интенсивной техногенной нагрузкой.

3. Результаты использования различных подходов оказались вполне сопоставимыми, и в целом уровень загрязненности донных отложений рек в пределах техногенно нарушенных геосистем Восточного Донбасса можно охарактеризовать как “низкий” или “от низкого до умеренного”.

Полученные результаты могут быть в дальнейшем использованы для разработки и совершенствования региональной системы оценки качества воды и донных отложений рек Восточного Донбасса, а также для оценки экологического риска для населения, активно использующего речные воды в качестве источника питьевого водоснабжения и в технических целях.