Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Гидрогеохимия Васюганского болотного массива

ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Гидрогеохимия Васюганского болотного массива"

На правах рукописи

3ДВИЖКОВ Михаил Александрович

ГИДРОГЕОХИМИЯ ВАСЮГАНСКОГО БОЛОТНОГО МАССИВА

Специальность 25.00.07 - Гидрогеология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогическнх наук

Томск 2005

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Института геологии и нефтегазового дела Томского политехнического университета

Научный руководитель; доктор геолого-минералогических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ С.Л. Шварцев

Официальные оппоненты: - доктор сельскохозяйственных наук, профессор,

член-корреспондент РАСХН Л.И. Инишева - кандидат геолого-минералогических наук В.Г Иванов

Ведущая организация: Открытое акционерное общество «Томскгеомониторинг»,

г. Томск

Защита диссертации состоится «16» декабря 2005 года в часов на заседании

диссертационного совета Д212.269 03 при Томском политехническом университете по адресу 634050, г. Томск, пр. Ленина,30

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Томского политехнического университета

Автореферат разослан «

/5; ноября 2005 г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат географических наук

1 "Актуальность. Западная Сибирь является крупнейшим регионом в мире по масштабу распространения болотных систем на ее территории. Под Васюганским болотным массивом в данной работе подразумевается территория водосборов рек Васюган, Парабель, Чая и Шегарка Несмотря на многолетние исследования указанного района, сохраняется его слабая изученность Освоение территории нефтегазовыми и лесозаготовительными предприятиями в последние годы обусловило острую необходимость более полного изучения этого региона, получения новой достоверной информации, отражающей современное состояние исследуемого объекта и позволяющей делать прогноз возможного изменения экологической ситуации под действием природных и антропогенных факторов.

Это определило основную цель исследований - комплексное изучение химического состава водной составляющей болотных ландшафтов, растительности и торфа, как основных факторов, формирующих болотную среду.

Задачи исследования 1 Исследование макро- и микрокомпонентов, биогенных элементов, тяжелых и токсичных металлов, органических микропримесей и микрофлоры в болотных, озерных и речных водах района. Расчет комплексообразования в водах болот и озер исследуемого района термодинамическими методами в системе «вода-порода-органическое вещество»;

1 Анализ равновесия болотных, озерных и речных вод с карбонатными и алюмосиликатными минералами. Выявление геохимических типов болотных, озерных и речных вод;

3 Исследование структуры залежей, видового состава торфов, состава элементов-примесей в растениях и торфах как факторов формирования состава поверхностных вод,

4 Оценка миграционных особенностей химических элементов;

5. Выявление основных факторов формирования состава болотных вод и особенностей химического выноса элементов

Исходный материал и методы исследований. В основу работы положены материалы изучения болотных, озерных и речных вод, собранные при непосредственном участии автора в экспедициях УНПЦ «Вода» ИГНД ТПУ (2000-2004 гг), ОАО «ТомскНИПИнефть ВНК» (2000-2002 гг), ТФ ИГНГ СО РАН (2002-2003 гг.) ИОМ СО РАН (2004 г.) Анализы речных вод частично получены в ТГРЭ Исследование растительности и торфа проведено совместно с В.К. Бернатонисом (кафедра ГРПИ ИГНД ТПУ, 2002-2003 гг.)

Изучение состава вод выполнено в лабораториях ТПУ, «ТомскНИПИнефть ВНК», ИХН СО РАН. Всего в работе использованы анализы 149 проб воды, 45 - растений и 306 -

торфа.

При обработке фактических данных были применены стандартные методы математической статистики и равновесной термодинамики Для интерпретации результатов использованы пакеты программ Microsoft Exel, CorelDRAW, StatSoft Statistica и др.

Научная новизна. В результате проведенных исследований получены новые данные по составу болотных вод района Васюганского болотного массива. Новизна выполненных исследований заключается в комплексном и системном подходе к эволюции болотных систем, основанном на новейших знаниях о механизмах накопления и рассеяния химических элементов в водах, растениях и торфах и участия в этих процессах органической компоненты.

Впервые для болотных вод было проведено определение содержания в них органических микропримесей, изучено равновесие в системе болотные воды - горная порода, рассчитаны формы миграции Fe, Mn, Al, Si, а также выявлены ряды водной миграции, геохимической подвижности и биофильности некоторых микроэлементов в водах, растениях и торфах исследуемого района.

Защищаемые положения:

1 Исследуемые болотные воды содержат широкий спектр разнообразных органических веществ и инфицированы бактериями, участвующими в мобилизации углерода и азота в условиях дефицита кислорода. Основная роль в образовании органоминеральных комплексов принадлежит соединениям с угольной и гуминовыми кислотами

2. Расчет равновесия вод с карбонатными минералами показал почти повсеместную ненасыщенность болотных и озерных вод и редкое насыщение речных вод относительно кальцита, все воды неравновесны с первичными алюмосиликатами, но воды болот и озер равновесны с каолинитом, а речные - с каолинитом и монтмориллонитом В условиях болот и озер формируется состав вод, соответствующий кислому кремнисто-органическому, а в реках - кремнисто-кальциевому геохимическим типам.

3. В водах болот низкая скорость водообмена и отсутствие кислорода способствует метаморфизации органического вещества, направленного частично на его гумификацию и частично на торфообразование, и определяет его слабый вынос Тем не менее, количественные соотношения составляющих поверхностного химического выноса характеризуются повсеместным преобладанием биогенной компоненты над литогенной.

Практическая значимость. Полученная информация об уровнях природных концентраций химических элементов и органических веществ, специфике химического состава вод, свойственного болотным ландшафтам, может быть использована при мониторинге экологического состояния окружающей среды в условиях техногенного пресса. Результаты исследования уже использованы в отделе экологии «ОАО ТомскНИПИнефть ВНК» (2000-2002 гг.) при оценке воздействия объектов нефтяной промышленности на

болотные ландшафты, в Институте оптического мониторинга и Томском филиале Института геологии нефти и газа СО РАН при комплексном мониторинге Большого Васюганского болота» (2001- 2005 гг.)

Апробация работы. Основные положения и отдельные разделы выполненной работы докладывались и обсуждались на научно - практических семинарах кафедры ГИГЭ ИГНД ТПУ, на VI-VIII-OM Международных симпозиумах студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М.А. Усова (г Томск 2000-2004 гг.), на Всероссийской конференции «Гидроминеральные ресурсы Восточной Сибири« (Иркутск, 2001), на Южносибирской Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири» (Абакан, 2001), на Международной научно-технической конференции «Горногеологическое образование в Сибири 100 лет на службе науке и производству» (Томск, 2001), на VII-ой международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2002), на Всероссийской научной конференции, посвященной 100-летию профессора Томского политехнического университета ПА Удодова «Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири» (Томск, 2003), на Пятом Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2003)

Работа выполнена в ПНИЛ гидрогеохимии УНПЦ «Вода» ИГНД ТПУ и является составной частью госбюджетных исследований по проблемам геологической эволюции системы вода - порода как основы решения геологических, экологических и поисковых задач (1991—2002гг.). При выполнении работы автор принимал участие в проектах по программам ФЦП «Интеграция», Минобразования РФ «Университеты Росси», в интеграционном проекте СО РАН № 137 «Комплексный мониторинг Большого Васюганского болота». По теме диссертации опубликовано 17 работ.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю, д.г.-м.н., профессору Степану Львовичу Шварцеву за высокую требовательность, объективную критику и безмерное терпение при руководстве диссертационной работой. Особую благодарность автор выражает директору УНПЦ «Вода», к.г.-м н. Ю Г Копыловой за ценные консультации и помощь в проведении аналитических исследований За выполнение лабораторных исследований автор выражает благодарность сотрудникам проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии УНПЦ «Вода» ИГНД ТПУ - к.х.н. Р.Ф Зарубиной, к г -м н НА Трифоновой, В М Марулевой, к.г.-м н. A.A. Хващевской, к.г.-м. н. Н Г Напивайко, А Н Ефимовой, Э П. Бабуровой, В.А. Шушариной; сотрудникам химической лаборатории отдела экологии ОАО «ТомскНИПИнефть ВНК»; сотрудникам лаборатории ядерно-геохимических исследований кафедры геоэкологии и геохимии ИГНД ТПУ. Большое содействие автору в сборе фактического материала оказали заведующая отделом экологии

ОАО «ТомскНИПИнефть ВНК», к х.н. Т Н. Сидоренко и к г -м.н В К. Бернатонис. За предоставление ценных научных и библиографических консультаций автор выражает благодарность д.г.-м.н,. профессору Н М. Рассказову, к г.-м н Т Я Емельяновой, к.г н О.Г. Савичеву, к г -м.н Н.А. Трифоновой. Особую благодарность автор выражает д г -м н , профессору М Б. Букаты за предоставленный программный комплекс «НускоОео», который позволил выполнить термодинамические расчеты Автор выражает благодарность И.В Сметаниной, к.г.-м.н. Т И. Романовой, к.г.-м н. А А Хващевской, к г -м н Е А Жуковской, к г.-м н Т.Н Силкиной, О.Г Токаренко за техническую поддержку на разных этапах выполнения работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 175 страницах, включая 36 рисунков, 64 таблицы и список литературы из 111 наименований Глава 1. Общие сведения об объекте исследования

В главе рассматривается краткая история исследований болот Западной Сибири, структура торфяных залежей Васюганского болотного массива и запасы торфа

Начало исследований болот и заболоченных земель Западной Сибири относится к концу XIX—началу XX столетия - периоду первых описательных характеристик Б П. Шостаковича, С У Ремезова, Н.П. Григоровского Заболоченные районы Томской губернии обследовали И. И. Жилинский (1895—1904 гг.), П Н Крылов (1913 г), Д А Драницын (1914-1915 гг.) и др.

Болота центральной части Западной Сибири изучали П Е Логинов, С.Н Тюремнов (1951-1956 гт, Гипроторфразведка), СМ. Новиков (1964 г), АП Богородицкий (1965-1968 гг.), Ю.П. Азария (1969-1974 гг.). Заболачивание района, типологию болот и их возраст изучали Н.Я. Кац и МИ. Нейштадт из Института географии АН СССР

С 60-х годов XX века особенности заболоченных районов Западной Сибири исследовали и исследуют томские ученые - Ю А Львов (ботаническое районирование), Д А Бураков (гидрологические исследования), А А Земцов (географическая, геоморфологическая характеристика), П.А. Удодов, Н.М. Рассказов, А Д. Назаров, С Л Шварцев, Т Я Емельянова (гидрогеологическая, гидрогеохимическая характеристика), Л И Инишева (формирование болот, структура, запасы торфа), О Г Савичев (мониторинговые гидрогеохимические исследования), В.А.Базанов (гидробиологические, гидрогеохимические исследования) и др Глава 2. Методика полевых и лабораторных исследований

В главе приведена методика полевого (определение быстроизменяющихся компонентов вод - рН, Ре2*, Ре3*, ИСОз, С02, NО/, НОг, Ш/) и лабораторного анализа различных компонентов химического состава вод, растений и торфов

Глава 3. Природные условия района Васюганского болотного массива

В главе описываются геологические, климатические, геокриологические, ландшафтные, почвенно-растительиые условия района исследований, подземные воды и гидрология региона

Территория района находится в юго-восточной части Западно-Сибирской эпигерцинской (эпипалеозойской) плиты. В рельефе поверхности фундамента отражены Чузикский грабен-рифт и Александрово-Васюганское межрифтовое поднятие

Объекты исследований находятся в пределах Васюганской наклонной пластово-аккумулятивной равнины с абсолютными отметками 100-166 м и горизонтальной расчлененностью - 0,6 км/км2 Ландшафт представлен в основном грядово-мочажинными комплексами и осложняется нарушениями из-за эрозии (размыв пород, оползни и др.), вертикальной и горизонтальной русловой деформации. Район исследований находится в Южной геокриологической зоне, где отсутствуют глубокозалегающие реликтовые многолетнемерзлые породы, т е криогенные процессы носят только сезонный характер

Радиационный баланс по району исследования составляет 1122-1290 МДж/м2, суммарная радиация возрастает с севера на юг. Свободная циркуляция воздуха определяет изменчивость погоды, резкие колебания температуры (в сутках, в году). Среднегодовая температура воздуха в районе (-0,6°) - (-3,5 °С). На территорию района выпадает 400-600 мм осадков в год. Испаряемость составляет 450-470 мм. Осадки испаряются не полностью из-за малого дефицита влажности, низких температур воздуха, а также свойства болотных почв и торфов задерживать влагу Фактическое испарение составляет около 350 мм в год, сохраняя избыточное увлажнение района

Район исследований расположен на юго-востоке и в центре Западно-Сибирского артезианского бассейна, в верхней части разреза развиты неоген-четвертичный, палеогеновый, и верхнемеловой водоносные комплексы. Состав вод до глубины 500 м гидрокарбонатно-кальциевый, далее - гидрокарбонатно-натриевый Модуль подземного стока 1,5-2,0 л/с*км2.

В районе формируется сеть притоков рек Оби и Иртыша - р Васюган (с Черталой, Чижапкой и Нюролькой), р Парабель (с Чузиком и Кенгой), р Чая (с Парбигом, Бакчаром и Иксой), р Шегарка, верховья рек Омь, Тара, Шиш, М.Тартас. Озера распределены неравномерно, большее их количество расположено в северной части района Заболоченность водоразделов составляет до 80%, равнин - до 50 % и более. Модуль поверхностного стока в среднем для исследуемой территории равен 4-4,5 л/с*км2 Водотоки 2-5-го порядков с шириной русла в верховьях до 10-15 м, в низовьях - 50-70 м и глубиной - 0,3-0,6 м формируют речную сеть густотой 0,2-0,7 км/км2 Уклоны водной поверхности составляют 5-10 см/км, скорость течения - 0,2-0,8 м/с. Дно рек песчаное, песчано-илистое. Поймы рек - двусторонние,

с ложбинами и старицами Долины рек слаборазработанные асимметричные, дно часто заболочено. Для русел малых рек характерно свободное завершенное и ограниченное меандрирование По водному режиму водотоки относятся к рекам с весенне-летним половодьем и паводками в тёплое время года. В питании рек на долю снегового покрова приходится около 66% стока, дождевых вод -11%, грунтовых -23% Уровень болотных вод колеблется от 0,1 до 6,0 м от поверхности и зависит от сезона, подстилающих пород и водного баланса территории

Почвы относятся к аллювиальному, озерно-аллювиальному, озерному, водно-ледниковому и эоловому типам. Для них характерен повышенный гидроморфизм, низкая температура. Выделяются автоморфные, полугидроморфные и гидроморфные почвы.

Для района характерен зональный тип растительности - равнинная полидоминантная тайга с преобладанием на юге пихты сибирской, на севере - кедра сибирского с елью В лесах развиты осина, береза, на песчаных отложениях - сосна, лиственница. Основные виды растительности - лесная, болотная и водная.

Глава 4. Геохимия поверхностных вод Васюганского болотного массива В главе рассмотрены - химический состав вод болот, озер и рек района, влияние органической компоненты на формы нахождения Ре, Мп, А1, 51 в водах, равновесие вод с карбонатными и алюмосиликатными минералами, геохимические типы вод и их изменение под влиянием антропогенных факторов

Общий химический состав болотных вод Макрокомпонентный состав. Воды верховых болот кислые, ультрапресные, содержание каждого нз основных ионов - 2-6 мг/л, в сумме они составляют 20-30 мг/л (табл 4.1) Так как в большинстве проб вода верховых болот сумма катионов преобладает над суммой анионов, разница была отнесена на счет угольной кислоты и органической составляющей углерода, что показано на диаграммах в форме Н2СОэ(р)+НСО"з. Состав вод верховых болот в среднем гидрокарбонатный (с содержанием хлор-иона до 21%) магниево-натриево-кальциевый (с наличием иона аммония до 11%) (рис. 4.1).

Рис 4 1 Средний анионный (а) и катиокный (6) состав вод верховых болот, %-экв/л

Рис 4 2 Средний анионный (а) и катионный (б) состав вод низинных болот, %-экв/л

Таблица 4.1

Среднее содержание элементов в болотных водах Васюганского болотного массива_

Компоненты, мг/л Тип болот Среднее для исследованных болотных вод Речные воды Среднее для болот Западной Сибири' Воды подстилающих пород' Атмосферные осадки (снег)2

верх перех низин

рН 4,09 5,15 6,58 5,27 7,09 5,3 6,7 5,47

Мин 27,1 76,5 226 110 202 103 555 17,9

НС03 5,15 14,4 128 49,2 145 65,2 323 7

СГ 4,94 14,7 9,18 9,62 4,03 11,5 91,1 3,23

so% 5,96 3,47 10,8 6,76 5,24 0,0 5,33 0,9

' Са5+ ' 3,01 16,3 60,8 26,7 32,1 13,2 55,3 1,57

Mg2' 2,35 17,8 7,72 9,31 7,69 5,97 48,8 0,12

K'+Na* 2,59 2,63 6,43 3,88 9,78 5,67 31,1 4,72

Fe^iu 1,91 4,31 1,28 2,33 2,72 0,58 0,83 н/о

NH/ 3,43 5,68 2,12 3,69 1,45 1,68 0,43 0,4

NO, 0,74 1Д 2,28 1,06 0,7 н/о н/о н/о

NO, 0,046 0,04 - 0,042 0,02 н/о и/о н/о

P045 0,036 0,13 0,11 0,059 0,16 н/о н/о н/о

H/n 0,18 0,14 0,168 0,1 н/о н/о н/о

no 80,9 95 54,3 79,5 31,9 н/о н/о н/о

БПК 4,38 - - 4,27 3,12 н/о н/о н/о

ХПК 159 136 51,6 139 70,9 н/о н/о н/о

Coor. 59,8 51,1 18,6 52,2 н/о 36,6 н/о н/о

co2 14,7 14,1 6,74 12,6 11,7 22,8 33,5 н/о

ФК 25,5 31,9 14,4 25,1 н/о н/о н/о н/о

ГК 7,45 4,2 9,07 7,06 н/о н/о н/о н/о

Cu ' 6,54 2,44 3,8 5,37 н/о 0,81 0,77 1,87

Zn' 25,1 15,2 14,4 21,6 н/о 7,49 30,7 3,07

Cd' 1,02 - 0,92 н/о н/о н/о н/о

Pb" 7,06 2,31 3,32 5,63 н/о 0,61 0,5 2,16

Примечание «-» - недостаточно данных для осреднения, и/о - нет определения, 1 - по С.Л Шварцеву, 1998, 2 -анализ атмосферных осадков (Нейштадт, 1977), * - мкг/л, Н/п - нефтепродукты, ПО -перм окисл-сть (мгОг/л), БПК -биологическое потребление кислорода, ХПК - химическое потребление кислорода, ФК - фульвокислоты, ГК - гуминовые кислоты

Воды низинных болот слабокислые-околонейтральные, пресные (минерализация на порядок больше вод верховых болот) (табл 4.1). Концентрации НСО"3, Са2+ увеличиваются в 20-25 раз, а содержания СГ, ЭО2'^ Mg2+, К'+Ыа* повышается в 2-3 раза по сравнению с верховыми болотами; концентрации МН/, Ре0бщ остаются на одном уровне. Состав вод гидрокарбонатный кальциевый (рис 4 2).

Воды переходных болот слабокислые, умеренно-пресные и в основном характеризуются промежуточными параметрами состава между болотами верхового и низинного типов.

С1 0,42 ( 17

0,32

Са!* 0,82 (27%)

во,1-

0,07 ( У/,)

H,СО,(р)+

нсо,

I,95(80%)

0,23 (8%)

0,19

1,4. (49%)

Рис 4 3 Средний анионный (а) и катионный (6) состав вод переходных болот, %-экв/л

Средние концентрации СГ, Mgг+, N>14* и Ре0бщ. в 1,5 - 2,5 раза превосходят таковые в водах низинных и верховых болот. Анализ распределения анионов и катионов в составе исследованных переходных болот показал, что состав вод гидрокарбонатный кальциево-матниевый (с наличием иона аммония до 10 %) (рис. 4 3)

Микрокомпонентный состав. Содержание Zn уменьшается в ряду верховые-переходные-низинные болота (табл. 4.2), его средняя концентрация уступает кларку в водах болотной зоны провинции умеренно-влажного климата Средние концентрации Си и РЬ превышают кларковые значения на 5,7% и 20,3% соответственно.

Средняя концентрация Сс1 на порядок больше кларкового значения, приведенного ранее в научных публикациях. В отдельных пробах наблюдаются высокие содержания "Л, Со, Аи, ЯЬ, ТЬ и в меньшей мере - И, I, 1л, Сг, Мп, №, Ag. Концентрация А1 снижается при переходе от верховых болот к низинным, а содержания Сг и Мо значительно не изменяются при смене типа болот. В отдельных пробах концентрации элементов аномально высоки.

Органические вещества изучены на примере распределения соединений азота и органического углерода. Концентрация ЫН/ варьирует в пределах от 0,48 до 15,6 мг/л (табл. 4.1), среднее значение в водах болот составляет 3,69 мг/л, что превышает кларковое более чем в 3 раза Максимальные концентрации N11/ установлены в переходных болотах Содержание N02 уменьшается почти до нуля при переходе от верховых болот к низинным

Органические микропримеси. В водах болот впервые идентифицированы различные углеводороды, фенолы, диалкилфталаты, карбоновые кислоты, этиловые эфиры и др Отмечается преобладание парафинов С21-С34 и стеринов, содержания которых составляют десятки мкг/л, тогда как другие соединения встречаются в десятых и сотых долях мкг/л, хотя концентрации подавляющей части примесей значительно выше, чем в пресных водах юга Западной Сибири. Показано, что содержания органических микропримесей в значительной степени контролируются количеством водорастворенного органического вещества.

Микрофлора. В исследованных пробах преобладают олиготрофные бактерии, усваивающие рассеянное органическое вещество, выделяемые на естественной воде, и разлагающие сложные азотосодержащие органические вещества аллохтонного происхождения Расчет индекса олиготрофности (I) показал, что микроорганизмы верховых и переходных болот хорошо справляются с загрязнением (/ составляет 2,54 и 4,18 соответственно) А в низинных болотах I составляет 0,98, т е. здесь бактерии практически справляются с переработкой тех органических загрязнений, которые поступают в болото Общий химический состав озерных вод Макрокомпонентный состав. Воды озер исследуемого района в основном слабокислые, ультрапресные, средняя минерализация составляет 25,4 мг/л (табл. 4 2). Содержания СГ, Г^2*, Ыа++К+ изменяются от 1 до 2 мг/л Концентрации элементов макросостава примерно в 2-5 раз меньше, чем в болотных водах Состав исследованных озерных вод - сульфатно-гидрокарбонатный кальциевый (с наличием магния, железа, аммония и натрия) (рис 4 4)

Таблица 4.2

Среднее содержание химических элементов в озерных водах Васюганского болотного массива

Компонент Содержание, мг/л

рН 4,7

Минерализация 25,4

НСОэ 9,6

СГ 1,37

5,65

Са2+ 4,54

м*" 1,46

1,84

Общая жесткость, мг-экв/л 0,35

1,54

ын/ 1,18

N0, 0,36

N0, 0,023

РО4 0,036

Нефтепродукты 0,11

Перманганатная окисляемость, мгОг/л 37,9

Химическое потребление кислорода, мгОУл 64,2

г 24,1

Фульвокислоты 8,94

Гуминовые кислоты 2,3

Си, мкг/л 9,28

Ъъ, мкг/л 34,3

С<1, мкг/л 0,34

РЬ, мкг/л 2,62

Микрокомпонентный состав. Концентрация РЬ имеет один порядок с таковой в болотах и не превышает ПДК,,Ыб т1 Концентрация С<3 находится на одном уровне со значением ПДКрь,б-хт и почти вдвое меньше, чем в водах болот. Содержания Си и Хп почти во всех пробах превышают значение ПДКрь,б-*от

Рис 4 4 Средний анионный (а) и катионный (6) состав вод озер, %-экв/л

Органические вещества. Содержание ГШ/ изменяется от 0,15 до 3,34 мг/л, средняя концентрация составляет 1,18 мг/л. Среднее значение перманганатной окисляемости равно 37,9 мгОг/л. Концентрация 1ЧОэ' находится на уровне десятых долей, а N02" - сотых долей мг/л. Содержание РО43' не превышает 0,06 мг/л.

Микрофлора. Отмечено преобладание олигонитрофильных бактерий, количество которых по сравнению с водами болот в среднем выше в 2,5 раза Затем следуют олиготрофы, усваивающие рассеянное органическое вещество, и бактерии, выделяемые на органическом веществе естественной воды. Среднее количество последних меньше по сравнению с водами болот на 29,3%, а содержание олиготрофов - почти на 18% Эта тенденция характерна также для бактерий, разлагающих сложные азотосодержащие вещества, и гетеротрофных железобактерий Их количество по сравнению с болотными водами ниже в среднем в 5 и 4 раза соответственно Наоборот, количество нефтеокисляющих бактерий выше на 52%, а аммонифицирующих бактерий, разлагающих простые азотосодержащие вещества - на 86% Индекс олиготрофности для озерных вод составляет 9,16, те. способность микроорганизмов перерабатывать органические загрязнения кратно превышает их количество Общий химический состав речных вод Макрокомпонентный состав. Речные воды исследуемого района в среднем слабощелочные, пресные (табл. 4.3). Содержания основных элементов увеличиваются от водотоков IV порядка и водотокам I порядка, за исключением БО/". Четкой закономерности распределения в этом ряду концентраций М£2+ и №++К+ не выявлено. Для всех исследованных рек характерен гидрокарбонатный кальциевый тип вод

Микрокомпоненты представлены Тп, Сй, РЬ, Си в водах рек И-1У порядков. Концентрация Хп изменяется от 2,2 до 283 мкг/л и в составляет первые десятки мкг/л. Среднее содержание равно 53,3 мкг/л, что превышает значение ПДКрыб.«ш более чем в 5 раз

Таблица 4.3

Компонент, мг/л Порядок рек Среднее для исследованных речных вод

IV III II I

РН 6,50 6,74 7,18 7,95 7,09

Минерализация 138 211 194 263 202

НС03 82 163 142 193 145

С1 2,33 3,72 4,58 5,49 4,03

во/ 13,7 4,0 3,2 - 5,2

Са" 21,1 34,6 32,2 40,6 32,1

МК" 6,85 8,70 5,79 9,42 7,69

Ка'+к* 8,9 11,0 8,5 10,7 9,8

Общая жесткость, мг-экв/л 1,6 2,5 2,1 2,8 2,2

3,41 2,87 2,58 2,00 2,72

1,83 1,36 1,17 1,46 1,45

N0,' 1,17 0,76 0,42 - 0,70

N0,' 0,01 0,02 0,02 0,03 0,02

РО< 0,09 0,17 0,22 - 0,16

Нефтепродукты 0,15 0,12 0,03 0,10

Пермакганатнал окисляемость, мЮ2/л 53,4 35,8 27,1 11,5 31,9

Биологическое потребление кислорода, мгОз/л 3,25 2,56 4,11 3,12

Химическое потребление кислорода, мЮ2/л 88,7 59,4 64,6 70,9

С02 14,4 9,9 17,2 5,5 11,7

Ъп, мкг/л 45,2 44,8 78,6 - 53,3

СЛ, мкг/л 0,5 и - 1,2

РЬ, мкг/л 2,75 4,78 4,92 - 4,31

Си, мкг/л 18,5 26,1 18,4 - 22,3

Концентрация Сс1 варьирует от 0,5 до 4 мкг/л При этом его содержание в 30% случаев превышает ПДКрЫб-хт Средняя концентрация Сс1 1,24 мкг/л, что в 2,5 раза выше ПДКрЫб-хоз Содержание РЬ изменяется от 1,2 до 10 мгк/л Средняя его концентрация в водах в 2-4 раза меньше ПДКрь,б-хоз и при отсутствии аномальных экстремумов увеличивается от рек IV порядка к рекам II порядка. Среднее содержание РЬ равно 4,31 мкг/л Содержание Си изменяется от 0,6 до 64,3 мкг/л, составляя в среднем 22,3 мкг/л, что более чем в 20 раз превышает ПДКрЫб-хю.

Органические вещества. Содержание ИН/ изменяется от 0,15 до 3,31 мг/л, при среднем значении 1,45 мг/л Содержание ИОз" изменяется от 0,1 до 3,3 мг/л, средняя концентрация равна 0,7 мг/л. Наибольшие концентрации №1/ и ЫОз' характерны для водотоков IV порядка. Содержание ЫОг" составляет сотые доли мг/л и характеризуется слабым увеличением концентрации в водах при переходе от водотоков IV порядка к I. Среднее значение перманганатной окисляемости при переходе от рек IV порядка к рекам I порядка уменьшается почти в 5 раз. Подобным образом ведут себя нефтепродукты и Ре0бш

Микрофлора. Отмечается преобладание олиготрофных бактерий, усваивающих рассеянное органическое вещество; затем по численности следуют бактерии, выделяемые на органическом веществе естественной воды Третьей по численности группой микроорганизмов являются нефтеокисляющие бактерии, содержание которых в водах рек II

порядка возрастает примерно в 2,5 раза по сравнению с водотоками IV и III порядков. Индекс олиготрофности составляет 3,24, 5,7 и 2,6 соответственно для водотоков IV, III и II порядков, т е. в водах рек всех порядков микроорганизмы успешно справляются с органическим загрязнением.

Влияние органических веществ на формы нахождения некоторых элементов в водах Железо в водах. Распределение концентраций железа в водах болот характеризуется изменением его значений от 0,3 до 12,5 мг/л, среднее его содержание составляет 2,33 мг/л, что превышает значение кларка более чем в 2,5 раза Концентрация Fe06m в озерах варьирует от 0,05 до 6,19 мг/л, среднее значение равно 1,54 мг/л Содержание железа в реках меняется от 0,85 до 9,4 мг/л,

& «

i >

4

з

* 2

Ii.

1 0

б)

г-- « * Л Ft, ш!п

50 100

Минерализация, мг/л

Рис 4 5 а) Распределение железа в болотных и озерных водах, б) Зависимость содержаний железа от минерализации болотных и озерных вод района, в) Зависимость содержаний Ре0бш и Сорг в болотных и озерных

водах района

Средняя его концентрация здесь (2,72 мг/л) превышает таковую в болотных водах почти на 17% Наиболее часто встречающиеся концентрации Реобщ составляют 2-3 мг/л (рис 4 5, а) и они практически не зависят от повышения минерализации вод (рис 4 5, б), что говорит о насыщенности воды соединениями этого элемента. Значительное влияние на его миграцию в этой системе оказывают органические вещества (рис.4.5, в)

При наличии в болотных водах Ге21" преобладает РеФК (2-47 %), с ростом рН содержания Ре(НСОз)г и РеНС03+ увеличиваются от сотых долей % до 16,6% и 9,5% соответственно, сумма РеСОз0, Ре504°, РеШО/, Ре(ФК)22", РеС1*, РеОН* при наибольшой величине рН не превышает 2%. Среди форм Ре3+ преобладает Ре(ОН)г+ (39-96%), комплексы РеГК+, РеФК+ и Ре(ФК)2 в сумме составляют 30-40%, вклад РеОН2+ достигает 23% и снижается до сотых долей % при рН более 7; доля Ре(ОН)з увеличивается с ростом рН и в слабощелочных водах составляет более 50% Согласно результатам моделирования, в болотных водах происходит осаждение из раствора минерала гетита в количестве до 0,5 мг из литра воды

В водах малых озер среди соединений Ре2+ преобладает комплекс РеФК (40-60%), вклад РеНгРО/ колеблется от 1 до 5,5 %, содержание какого-либо из остальных комплексов не превышает 1% При наличии соединений Ре3+ наибольшую роль играют Ре(ОН)2+ (92%) и

¥еОЯ2* (12%); сумма ИеФК* и РеГК* составляет более 20%; содержание Ре(НР04)г' не превышает 6%, на долю остальных соединений приходится около 3% от общего числа комплексов Ре3* Теоретическое осаждения гётита из раствора для вод малых озер составляет, как и в болотах, около 0,5 мг из литра

Марганец в водах. Содержание марганца в водах малых озер колеблется от 0,04 до 0,09 мг/л Поведение его во многом определяется кислотно-щелочными и окислительно-восстановительными свойствами вод - наибольшие содержания марганца встречены в водах с ЕЬ 100-123 шУ Наиболее часто встречающиеся его концентрации составляют 0,04-0,05 мг/л (рис 4.6-а) и контролируются, как и в случае .железа, содержанием органического вещества и, в меньшей степени, минерализацией вод (рис 4.6-6, 4.6-в).

Рис 4 6 а) Распределение Мп в водах малых озер, б) Зависимость содержания Мп от минерализации вод малых озер, в) Зависимость содержаний Мп и С„рг в водах малых озер

Марганец в водах малых озер в основном находится в виде комплекса МпГК (40% и более), содержания МпФК, Мп504, МпНгРОД МпНСОз* - 0,1-0,6%; на долю остальных комплексов приходится не более 0,01 %. Расчет насыщенности вод относительно вторичных минералов Мп показал, что равновесие с ними не достигается ни в одном типе вод

Алюминий в водах. Содержания А1 в водах колеблется от 0,02 до 0,21 мг/л, наиболее часто встречаются концентрации от 0,02 до 0,12 мг/л (рис. 4.7-а). Сравнивая с поведением марганца и железа в водах, можно сказать, что концентрации в водах А1 еще меньше зависят от минерализации вод и содержания в них органического углерода (рис. 4.7-6, 4.7-в). В водах болот среди соединений А1 при рН от 5 до 6 отмечается резкое преобладание А1г(СОз)з°, количество которого может достигать почти 94%. Увеличение рН сопровождается ростом роли комплексов А1(ОН)2+ (0,04-13%), А1(ОН)3° (0,001-15%), А1(ОН)„' (0,001-58% (последнее -при рН более 7))

Доля А1(ОН)2* достигает 43% при рН 5,5 и минимальной концентрации алюминия в болотных водах (0,015 мг/л). При рН 4, а также при рН 6, количество А1(ОН)2+ составляет 35%. Вклад комплекса А1504* составляет в кислых водах болот более 12%, при рН вод более 5 его доля составляет менее 1%, а при дальнейшем увеличении рН доля этого комплекса уменьшается еще пота на три порядка. Суммарное содержание соединений А1ФК*, А^ОдУ,

AIC1 + в водах болот не превышает 0,1%. Физико-химическое моделирование показало, что из болотных вод возможно осаждение каолинита (до 1,65 мг из литра) и монтмориллонита (до 1,12 мг из литра)

0 3

0 25 ♦

о 02 * R2 = 0,09 «к

»0,15 5 0.1 0,05 0 » * _______ 1.« < *» —, V*

so

Минерализация, иг/п

100

Рис 4 7 а) Распределение А1 в болотных и озерных водах, б) Зависимость содержания А1 от минерализации болотных и озерных вод; в) Зависимость содержаний А1 и Ссгг в болотных и озерных водах

В водах малых озер преобладает А1(ОН)2+ (7-40%); содержание А1(ОН)2+ составляет

0,1-8,2% с максимумом при рН 5, количество А150/ изменяется от 1,5 до 5,4%, на долю

комплексов А1(ОН)3, А1(ОН)4, А12(С03)з, А1ФК+, А1(804)2, А1С12+ в сумме приходится не

более 3,5% от общего содержания А13+. Моделирование показало, что возможно осаждение

монтмориллонита АЬБиО^ОН^ на уровне 1,3 мг из литра

Кремний в водах. Содержание в водах болот и озер сопоставимо с концентрацией

железа, наиболее часто встречающиеся значения - 2-2,5 мг/л (рис 4 8, а) Содержания железа и

кремния примерно в равной степени зависят от величины общей минерализации вод (рис 4 8,

б) Однако у железа в водах болот и озер связь с Сорг более тесная, чем у кремния, имеющего

Я wtn

150

0 50 100

Минерализация, мг/л

Сорт Win

Рис 4 8 а) Распределение Si в болотных и озерных водах, б) Зависимость содержания St от минерализации болотных и озерных вод, в) Зависимость содержаний Si и С^ в болотных и озерных водах

наименьший (отрицательный) среди упомянутых элементов коэффициент корреляции (рис. 4.8, в), характеризующий уменьшение содержания Si с ростом концентрации органического вещества. Кремний в водах болот и озер находится преимущественно в виде H4Si04 (70,4 %), доля SiC>2 в водах составляет 28,3-28,4 %, а вклад H4SÍ03 находится на уровне 1,21% Результаты физико-химического моделирования свидетельствуют об отсутствии равновесия Si с его оксидами и гидроксидами.

Равновесие вод с карбонатными и алюмосиликатными породами

Расчет насыщенности вод относительно кальцита показал, что болотные (кроме низинных болот с минерализацией 0,3-0,4 г/л) (рис 4 9) и озерные воды повсеместно ненасыщены относительно кальцита Насыщение речных вод карбонатами происходит при минерализации более 0,5 г/л и рН более 7,5 (рис. 4.10).

-1 -2 _ -3

и

' .4

-5 -6

'Ч -1и -а 1 -о -ч

ЩСО,1!

Рис 4 9 Степень насыщенности болотных вод относительно кальцита; ♦ - воды верховых болот, А - воды переходных болот, _ - воды низинных болот

■ * »

Рис 4 10 Степень насыщенности речных вод относительно кальцита, порядок речных долин-

4 -IV, ^ - ш,

- и, — -1

18

16

■ь 14

£ 12

с 10

и 8

9 6

4

2

1 _ _ "ЧХ- 1 С

при Р«м»"101',П» | \ С» мягтмври]

1 \

Гиббогг 1 ♦ ^^ N

-5,5

-4,5 -4 -3.5 11111.310,1

-2,5

Рис 4 11 Диаграммы равновесия в системе вода-алюмосиликаты при 1 = 25° С и Р -1015 Па с нанесением данных по составу болотных вод ^ - воды верховых болот, А - воды переходных болот, — - воды низинных болот

На диаграмме равновесия болотных вод с алюмосиликатными минералами (на

примере кальция - рис 4 11) видно, что все точки попадают в поле устойчивости каолинита,

т.е с другими минералами равновесие не устанавливается.

^(Н^О,]

Рис 4 12 Диаграммы равновесия в системе вода-алюмосиликаты при 1 = 25° С иР= I О2'Па с нанесением данных по составу речных вод, порядок речных долин ф - IV, ^-Ш, щ - II, -I

Диаграмма равновесия речных вод с алюмосиликатами показывает (рис 4 12), что практически одновременно с насыщением вод кальцитом наступает их равновесие и с монтмориллонитом С повышением рН до 7,5 (и более) и общей минерализации до 0,5 мг/л наблюдается также равновесие с калиевым полевым шпатом, а в некоторых случаях и с мусковитом.

Геохимические типы вод

Исследованные воды болот и малых озер отнесены нами к кислому кремнисто-органическому геохимическому типу (табл. 4.4), в котором наблюдается равновесие с каолинитом, речные воды отнесены к алюминиево-кремнистому и кремнисто-кальциевому геохимическим типам (Шварцев, 1998).

Таблица 4.4

Геохимические типы болотных, озерных и речных вод района_

Объект Геохимический тип вод Геохимии-ческий тип выветривай ия Контролирующие показател и Необходимое химическое условие Характеристика вод

Воды болот Кислый кремнисто-органический Подзолообразование Сорг, рН, А1, ФК, ГК Вынос А1 и Ре, равновесие с каолинитом и кварцем М, мг/л 12-80

РН 3,6-6,0

$1, мг/л 1,9-5,3

^общ, мг/л 0,18-4,35

А1, мг/л 0,01 - 0,25

ФК, мг/л 6-86

ГК, мг/л 1,5 - 16,2

Воды малых озер Кислый кремнисто-органический Подзолообразование Сдрг, РН,А1, ФК, ГК Вынос А1 и Ре, равновесие с каолинитом и кварцем М, мг/л 19-31

рН 4,0-5,1

Б1, мг/л 0,34 - 5,50

Ре0бщ, мг/л 1,9-3,1

А1, мг/л 0,02-0,21

ФК, мг/л 70-99

ГК, мг/л 2,0 - 50,5

Речны е воды а) Алюминиево-кремнистый Моно-сиаллитный А1, Б1, рН Равновесие с каолинитом М, мг/л 15,5-513,0

б) Кремнисто-кальциевый Би-сиаллитный 81, Са, К, рН Равновесие с монтмориллонит ом РН 4,0-8,4

Бг, мг/л 3,4 - 8,4

Са", мг/л 21,1-40,6

Антропогенное влияние на воды района

Антропогенное влияние на водные объекты района оценивалось на основе содержания в болотных, озерных и речных водах нефтепродуктов и СПАВ

Содержание нефтепродуктов достигает 0,9 мг/л, что больше ПДКрЬ,б.*от в 4-7 раз Коэффициент парной корреляции между концентрацией нефтепродуктов и ХПК составляет

0,59 (рис 4 13) Это позволяет предполагать, что высокие содержания органического углерода в большой мере обусловлены концентрацией нефтепродуктов естественного происхождения Воздействие объектов нефтяной отрасли на водные системы исследуемой территории можно проследить лишь в отдельных пробах, т.е.

нефтепродуктов в водах болот и озер от

технологическое загрязнение нефтепродуктами имеет локальный характер Содержание СПАВ в исследованных водах болот, озер и рек в большинстве проб составляет <0,01 мг/л, что характеризует антропогенное воздействие на водные объекты как незначительное

Глава 5. Формирование состава болотных вод

В главе охарактеризованы видовой состав и геохимические особенности растений и торфов как факторов формирования состава вод Обобщены данные по среднему содержанию химических элементов в водах, растениях и торфах Васюганского болотного массива и особенностях их миграции Охарактеризованы процессы формирования вод и источники химических элементов в них

Геохимические особенности болотных растений В ходе исследований установлено, что геохимические особенности растений-торфообразователей зависят от трофического статуса различных участков болота. Основным фактором, определяющим распределение химических элементов в торфах, является прижизненное их накопление растениями-торфообразователями; доля растительной (конституционной) золы в зольности торфов колеблется от 53,6 до 95,3%. При этом концентрации химических элементов увеличиваются в ряду олиго-мезо-евтрофные растения и во мхах всех трофических типов Мхи являются концентраторами Со, Бс, Эш, Н{, ТЬ, Сэ, Ре, вЬ, Ьа и Ей, травы - Юэ и Вг, кустарники и кустарнички - Аи, Са, Сг и Ва, деревья - Бе.

Геохимические особенности торфов В торфах различного типа установлено увеличение содержаний химических элементов в направлении от верхового к низинному типам Химические элементы накапливаются в осушенных и естественно дренируемых торфяниках, на геохимических барьерах различного

типа, в залежах с проточным режимом, а также на участках, где разгружаются подземные или поверхностные воды и привносят минеральные вещества в растворенном и взвешенном состоянии.

Средние содержания химических элементов в водах, растениях и торфах Васюганского болотного массива и их миграция

Геохимические особенности болотных систем характеризуются преобладанием элементов (Перельман, 1972) в растениях и торфах по сравнению с водной составляющей. Концентрации Са, Ре, Ыа и микрокомпонентов в исследованных водах пропорционально снижаются примерно натри порядка относительно растений и торфов.

Анализ особенностей накопления химических элементов в растениях показал, что их содержание практически не зависит от типа болота (те кислотности среды и ее насыщенности минеральными солями), в то время как в торфах в большинстве случаев оно зависит от концентрации микроэлементов в растительности (при переходе от верхового к низинному типу болот).

Перераспределение химических элементов в природной болотной системе исследовано на основе расчетов коэффициентов водной миграции К, (Перельман, 1972), биофильности и геохимической подвижности (Шварцев, 1998).

Анализ рядов водной миграции, геохимической подвижности и биофильности элементов показывает, что наибольшей подвижностью (рассеянием) в условиях влияния растительности обладают Се, Ей, Эс, ТЬ, Со, Ьа, Ре, Се, а в условиях торфообразования - КЬ, Бш, Се, Ш, Ей, Ьа, Бс, ТЬ, Со, БЬ, Сг, Се. При этом можно отметить схожесть состава этих рядов с некоторым смещением элементов в ряду подвижности, что наблюдается для Се, Ей, 5с, ТЪ, 1л, Со, Се. Высокая биофильность Эе, вЬ, Ag, Вг, Щ Ей, Эт, Сэ в условиях влияния растительности и Ag, БЬ, ве, Се, Ж, Вг, Бт, Ей, Со при торфообразовании препятствует накоплению этих элементов в водах и не способствует росту их содержания.

Процессы формирования состава вод

Воды верховых болотных массивов и дренирующих их мелких водотоков характеризуются большим количеством органических веществ, сопоставимым со значением минерализации вод (близкой к атмосферным осадкам), а в некоторых случаях кратно ее превосходят В водах болот низкая скорость водообмена и отсутствие кислорода способствуют гумификации органического вещества Этот процесс сопровождается образованием ряда водорастворимых кислот, включая гуминовые и фульвовые Все это определяет низкое значение рН верховых болот, образование комплексных органно-минеральных соединений элементов-гидролизатов (Ре, А1, Мп и др), содержание которых в водах растет.

Состав воды низинных болотных массивов зависит от степени их разбавления более щелочными и минерализованными грунтовыми водами. Разложение растительных остатков здесь находится на более ранней стадии, поэтому количество растворенных в воде органических веществ значительно меньше, чем в верховых болотах. Об этом свидетельствует снижение интенсивности образования органно-минеральных комплексов с ростом рН воды.

В составе вод рек прослеживается в основном смена восстановительной среды болот на окислительную и увеличение содержания минеральных солей и микроэлементов Это происходит по мере увеличения морфометрических характеристик водотоков, времени взаимодействия с подстилающими породами и роста доли грунтовых вод в питании рек. В соответствии с этим их средний химический состав приближается к составу вод рек Западной Сибири

Источники химических элементов в водах

Количественное соотношение составляющих поверхностного химического выноса характеризуется повсеместным преобладанием биогенной компоненты над хемогенной' в болотных водах - в четыре раза, в озерах - почти на порядок, а в реках - в два раза.

Сравнение составляющих поверхностного и подземного химического выноса показало схожесть изменения биогенной и хемогенного составляющей в разных типах вод. Однако, биогенный сток в болотных водах в среднем вдвое больше, чем в речных, а хемогенный находится примерно на том же уровне Это говорит о том, что в водах болот (даже низинных, воды которых по кислотности и макросоставу близки к речным) проходят совершенно разные биохимические процессы, связанные с непрерывным преобразованием органического вещества Скорости этого преобразования зависят от интенсивности водообмена, который контролирует разнообразие среды, микрофлоры, состава вод, антропогенного воздействия и т д.

Заключение

В районе исследований развиты верховые, переходные и низинные болота. В этом ряду происходит рост рН вод, их солености и уменьшение содержания растворенных органических веществ, концентрация которых превышает сумму минеральных веществ. Все исследованные воды характеризуются гидрокарбонатным составом и низкой минерализацией. Наличие органических соединений обусловливает комплексообразование, которое установлено на примере Ие, Мп и А1 Основная роль в образовании органоминеральных комплексов принадлежит соединениям с угольной и гуминовыми кислотами

Показано, что почти все болотные, озерные и, частично, речные воды ненасыщены относительно кальцита. Все воды неравновесны с первичными алюмосиликатами, но воды болот и озер равновесны с каолинитом, а речные - с каолинитом и монтмориллонитом В

условиях болот и озер формируется состав вод, соответствующий кислому кремнисто-органическому геохимическому типу, а в реках района - кремнисто-кальциевому

Среднее содержание химических элементов в болотных системах характеризуется преобладанием ряда водных и воздушных мигрантов в растениях и торфах по сравнению с водной составляющей примерно на три порядка Установлены ряды подвижности элементов в водах, растительности и торфах, которые показали высокую миграционную способность даже малоподвижных элементов.

Формирование состава болотных вод контролируется интенсивностью водообмена и стадией преобразования органического вещества, сменой восстановительной среды верховых болот на окислительную в низинных, степенью связи их с горными породами и долей питания подземными водами Расчет поверхностного химического выноса показал повсеместное преобладанием биогенной составляющей над хемогенной- в болотных водах - в четыре раза, в озерах - почти на порядок, а в реках - в два раза

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Здвижков М.А Гидрогеологические и гидрогеохимические особенности малых водотоков и водоемов Каргасокского района Томской области / М А.Здвижков, Т.Н.Сидоренко, Н.К Смирнова // Гидроминералькые ресурсы Восточной Сибири.-Иркутск, 2001 -С. 71-80

2. Здвижков М.А. Разработка методов оценки ресурсов и эколого-геохимического состояния природных вод (на примере бассейнов Томи и средней Оби) и подготовка кадров нового уровня / М.А Здвижков, С.Л.Шварцев, Ю Г.Копылова // Интеграция науки и высшего образования России. - Самара, 2001. -42.- С.20-22.

3. Особенности гидрологического и эколого-геохимического режима малых водотоков и болот на примере водных объектов бассейнов р Васюган и р Чая / М А Здвижков [и др ]// Экология Южной Сибири - Абакан, 2001 -С 27-28

4. Здвижков М А Гидрогеохимические особенности болотных вод на примере бассейна р Чая / М А. Здвижков // Проблемы геологии и освоения недр - Томск, 2002 - С 182183.

5. Здвижков М А Электропроводность и минерализация природных вод / М А Здвижков, Н В.Назарова // Проблемы геологии и освоения недр - Томск, 2002 - С 190-191

6. Здвижков МА Связь цветности вод с содержанием в Них железа, органических и других компонентов / М.А Здвижков, А.С Чудинов // Проблемы геологии и освоения недр. - Томск, 2002. - С 199-201.

7. Здвижков М.А Метод оценки ионной составляющей компонентов болотных вод / М.А Здвижков, Н В.Назарова // Экология России и сопредельных территорий. -Новосибирск, 2002. - С 36-38.

8. Здвижков М.А Цветность вод как индикатор классов болотных вод / М.А. Здвижков, А С.Чудинов // Экология России и сопредельных территорий. - Новосибирск, 2002 -С.67-69.

9 Районирование Васюганского болота по геохимическим условиям как основа мониторинга региона / М А Здвижков [и др.] // Большое Васюганское болото. Современное состояние и процессы развития. - Томск, 2002. - С. 80-82.

10. Геохимия растений и торфов Васюганского болота / М.А. Здвижков [и др.] // Большое Васюганское болото. Современное состояние и процессы развития. - Томск, 2002. - С. 204-215

11. Геохимия природных вод района Большого Васюганского болота / М А. Здвижков [и др.] // Большое Васюганское болото. Современное состояние и процессы развития. -Томск, 2002. - С. 139-149.

12. Здвижков М.А Микрофлора экосистем Большого Васюганского болота / М.А. Здвижков, В К. Бернатонис, Н.А Трифонова // Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири. - Томск, 2003. - С. 117-121.

13. Здвижков М.А Химический состав природных вод болотных ландшафтов с разной степенью антропогенной нагрузки / М А Здвижков, О Г Савичев, В А. Базанов // Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири. - Томск, 2003. - С.274-276.

14. Здвижков М.А Распространение типов болотных вод, выделяемых по химическому и бактериологическому составу, в различных климатических зонах Большого васюганского болота / М.А. Здвижков, Н.М. Рассказов // Пятое Сибирское совещание по климато-экологическому мониторингу. - Томск, 2003 - С. 223-225.

15 Здвижков М А Содержание редкоземельных элементов в поверхностных водах Бакчарского и Шегарского районов Томской области / М.А Здвижков // Проблемы геологии и освоения недр. - Томск, 2003 - С. 211-213

16 Здвижков М А Железо в болотных водах Васюганского болотного массива / М А. Здвижков, О Г Токаренко // Проблемы геологии и освоения недр. - Томск, 2004 - С. 187-189

17 Здвижков М А. Мараганец в водах болотных озер юга Томской области II Проблемы геологии и освоения недр. - Томск, 2004. - С 192-194

№2 5 2 3 7

РНБ Русский фонд

2006-4 28176

Тираж 100 экз. Заказ 1370 Томский политехнический университет. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30.

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Здвижков, Михаил Александрович

Введение.

1. Общие сведения об объекте исследований.

1.1 Краткая история исследований.

1.2 Структура болота, запасы и ресурсы торфа.

2. Методика полевых и лабораторных исследований вод.

2.1 Полевые исследования.

2.2 Лабораторные исследования.

3. Природные условия района.

3.1 Геологическое строение.

3.2 Климат.:.

3.3 Геокриологические условия.

3.4 Рельеф территории и ландшафтное районирование Васюганского болота.

3.5 Подземные и поверхностные воды характеристика рек, озер, подземных вод).

3.6 Почвы.

3.7 Растительность.

3.8 Гидрологическая характеристика водных объектов.

4. Геохимия поверхностных вод Васюганского болота.

4.1 Общий химический состав болотных вод.

4.1.1. Макрокомпонентный состав вод.

4.1.2 Микрокомпонентный состав вод.

4.1.3 Органические вещества в водах.

• 4.1.4 Микрофлора вод.

4.1.5 Органические микропримеси вод.

4.2 Общий химический состав озерных вод.

4.2.1. Макрокомпонентный состав вод.

4.2.2 Микрокомпонентный состав вод.

4.2.3 Органические вещества в водах.

4.2.4 Микрофлора вод.

4.3 Химический состав речных вод.

4.3.1. Макрокомпонентный состав вод. ф 4.3.2 Микрокомпонентный состав вод.

4.3.3 Органические вещества в водах.

I 4.3.4 Микрофлора вод.

4.4 Влияние органических веществ на формы нахождения химических элементов в водах болот и озер района Васюганского болотного массива на примере численного моделирования гидрогеохимических процессов.

4.4.1 Железо в водах.

4.4.2 Марганец в водах.

4.4.3 Алюминий в водах.

4.4.4 Кремний в водах.

4.5 Равновесие болотных, озерных и речных вод с карбонатными и алюмосиликатными породами.

4.6 Геохимическая типизация болотных, озерных и речных вод.

4.7 Антропогенное воздействие на состав болотных, озерных и речных вод.130 5. Формирование состава болотных вод.

5.1 Факторы формирования состава вод.

5.1.1 Геохимические особенности болотных растений.

5.1.2 Геохимические особенности торфов.

5.2 Среднее содержание химических элементов в водах, растениях и торфах Васюганского болотного массива и их миграция.

5.3 Процессы формирования состава болотных вод.

5.4 Источники химических элементов.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Гидрогеохимия Васюганского болотного массива"

Актуальность. Западная Сибирь является крупнейшим регионом в мире по масштабу распространения болотных систем на его территории. В частности, только Большое Васюганское болото (БВБ) представляет собой самый крупный на планете уникальный природный комплекс с запасами воды 400 км3 и разведанными запасами торфа более 1 млрд тонн [].

Основные функции Васюганского болотного массива как устойчивого природного образования играют важную роль в формировании региональных особенностей территории, влияние которых на глобальные изменения окружающей среды пока недостаточно изучено. Климатические функции Васюганского болотного массива связаны с его влиянием на состав «парниковых компонент» атмосферного воздуха за счет эмиссии углекислого газа и метана, с его ролью в формировании теплового и водного баланса территории бассейна р. Васюган и прилегающих районов. Существенная роль Васюганского болотного массива проявляется прежде всего через его гидрологические функции. В частности, водообмен болотной системы является основным интегрирующим фактором, регулирующим особенности ландшафта. Торфяные месторождения при этом служат гигантскими естественными фильтрами, поглощающими токсичные элементы, поступающие в результате деятельности человека. Важными также являются геоморфологические функции Васюганского болотного массива как средообразующего комплекса и заметное влияние процессов его развития на изменения биологического разнообразия и демографической ситуации. Особое значение Васюганского болотного массива среди других заболоченных районов Западной Сибири состоит в том, что он сравнительно недавно подвергся антропогенному воздействию и на данный момент существуют огромные территории, на которых имеется возможность исследовать болотные системы в естественных условиях.

В то же время на отдельных участках массива уже проложены транспортные и другие коммуникации (автодороги, ЛЭП, нефте- и газопроводы), построены объекты нефтегазодобывающей отрасли, жилые поселки и т.д. На этих участках идет интенсивное воздействие на природную среду, следствием которой может стать явная и скрытая техногенная трансформация естественной среды и, в частности, водно-болотных систем. Проявлениями такой трансформации могут стать: водно-механическая эрозия почв; изменение химического и микробиологического состава природных вод; изменение структуры, видового состава, микроэлементного состава примесей в агентах флоры и фауны; изменение химического состава атмосферного воздуха; изменения ландшафта. Непрерывная взаимосвязь всех перечисленных явлений при постоянном площадном и качественном росте антропогенной нагрузки на исследуемую территорию может стать причиной необратимой экологической катастрофы. Однако в настоящий момент техногенная трансформация среды на исследуемой территории носит в основном эпизодический и локальный характер, и это делает Васюганский болотный массив уникальным объектом для исследования болотных систем в естественных условиях.

Ситуация, сложившаяся в настоящее время в Западно-Сибирском регионе, диктует необходимость решения многих задач, направленных на устойчивое водообеспечение населения и различных отраслей хозяйствования. Рациональное решение этих задач во многом определяется наличием достоверной исходной информации, наиболее полно отражающей современное состояние водного объекта и позволяющей делать прогноз его возможного изменения под действием как естественных, так и антропогенных факторов. Наблюдаемая тенденция к сокращению источников подобной информации (уменьшение числа наблюдательных постов на водных объектах; отсутствие публикуемой исходной гидрологической и гидрогеохимической информации и др.) делает почти невозможным ее использование в научных и практических целях. На фоне этого возрастает ценность современной информации, характеризующей естественную своеобразную природную среду, особенно в труднодоступных районах. Это и определяет актуальность, основную цель и задачи исследования в данной работе.

Цель исследований - комплексное изучение химического состава водной составляющей болотных ландшафтов, растительности и торфа, как основных факторов, формирующих болотную среду.

Задачи исследования. 1. Исследование макро- и микрокомпонентов, биогенных элементов, тяжелых и токсичных металлов, органических микропримесей и микрофлоры в болотных, озерных и речных водах района. Расчет комплексообразования в водах болот и озер исследуемого района термодинамическими методами в системе «вода-порода-органическое вещество»;

2. Анализ равновесия болотных, озерных и речных вод с карбонатными и алюмосиликатными минералами. Выявление геохимических типов болотных, озерных и речных вод;

3. Исследование структуры залежей, видового состава торфов, состава элементов-примесей в растениях и торфах как факторов формирования состава поверхностных вод;

4. Оценка миграционных особенностей химических элементов;

5. Выявление основных факторов формирования состава болотных вод и особенностей химического выноса элементов.

Исходный материал и методы исследований. В основу диссертационной работы положены материалы геолого-экологических исследований ТГРЭ 1992-1993 г.г., исследований проблемной научно — исследовательской гидрогеохимической лаборатории УНПЦ «Вода» ИГНД ТПУ, проведенных 2000 - 2002 гг. в районе бассейнов рек Васюган, Чая и отдела экологии ОАО «ТомскНИПИнефть ВНК» в 20002002 г.г. Значительная часть исходных материалов получена при участии автора. Определение макрокомпонентного состава вод исследуемых районов, содержания тяжелых металлов и нефтепродуктов проведено в лабораториях ПНИЛ ГГХ УНПЦ «Вода» ИГНД ТПУ и ОАО «ТомскНИПИнефть ВНК». Микрокомпонентный состав вод, растений и торфов определялся в лаборатории ядерно-геохимических исследований кафедры геоэкологии и геохимии ИГНД ТПУ нейтронно-активационным методом на базе научно-исследовательского реактора ТПУ. Микрофлора вод и торфов, содержание органических кислот в водах определялись в ПНИЛ ГГХ УНПЦ «Вода» ИГНД ТПУ. Концентрации в водах органических микропримесей определены в лаборатории ИХН СО РАН под руководством к.х.н Ю.П. Турова. Всего в работе использовано 149 проб воды, 45 - растений и 306 — торфа.

При обработке фактических данных были применены стандартные методы математической статистики и равновесной термодинамики. Для интерпретации результатов использованы пакеты программ Microsoft Exel, CorelDRAW, StatSoft Statistica и др.

Научная новизна. Изученность района Васюганского болотного массива существенно пополнена новыми данными о современном состоянии территории и процессах формирования в ее пределах болотных вод, оказывающих большое влияние на состав озерных и речных вод района. Новизна выполненных исследований заключается в системном подходе к эволюции болотных систем и начальной оценке трансформации болотных систем, основанном на новейших знаниях о механизмах накопления и рассеяния химических элементов в водах, растениях и торфах и участия в этих процессах органической компоненты.

Впервые для болотных вод было проведено определение содержания в них органических микропримесей, изучено равновесие в системе болотные воды — горная порода, рассчитаны формы миграции Fe, Mn, Al, Si, а также выявлены ряды водной миграции, геохимической подвижности и биофильности некоторых микроэлементов в водах, растениях и торфах исследуемого района.

Защищаемые положения.

1. Исследуемые болотные воды содержат широкий спектр разнообразных органических веществ и инфицированы бактериями, участвующими в мобилизации углерода и азота в условиях дефицита кислорода. Основная роль в образовании органоминеральных комплексов принадлежит соединениям с угольной и гуминовыми кислотами.

2. Расчет равновесия вод с карбонатными минералами показал почти повсеместную ненасыщенность болотных и озерных вод и редкое насыщение речных вод относительно кальцита; все воды неравновесны с первичными алюмосиликатами, но воды болот и озер равновесны с каолинитом, а речные - с каолинитом и монтмориллонитом. В условиях болот и озер формируется состав вод, соответствующий кислому кремнисто-органическому, а в реках - кремнисто-кальциевому геохимическим типам.

3. В водах болот низкая скорость водообмена и отсутствие кислорода способствует метаморфизации органического вещества, направленного частично на его гумификацию и частично на торфообразование, и определяет его слабый вынос. Тем не менее, количественные соотношения составляющих поверхностного химического выноса характеризуются повсеместным преобладанием биогенной компоненты над литогенной.

Практическая значимость. Полученная информация об уровнях природных концентраций химических элементов и органических веществ, специфике химического состава вод, свойственного болотным ландшафтам, может быть использована при мониторинге экологического состояния окружающей среды в условиях техногенного пресса. Результаты исследования уже использованы в отделе экологии «ОАО ТомскНИПИнефть ВНК» (2000-2002 гг.) при оценке воздействия объектов нефтяной промышленности на болотные ландшафты, в Институте оптического мониторинга и Томском филиале Института геологии нефти и газа СО РАН при комплексном мониторинге Большого Васюганского болота» (2001- 2005 гг.)

Апробация работы. Основные положения и отдельные разделы выполненной работы докладывались и обсуждались на научно - практических семинарах кафедры ГИГЭ ИГНД ТПУ, на VI-VIII-ом Международных симпозиумах студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М.А. Усова (г. Томск 2000-2004 гг.), на Всероссийской конференции «Гидроминеральные ресурсы Восточной Сибири» (Иркутск, 2001), на Южносибирской Международной научной конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири» (Абакан, 2001), на Международной научно-технической конференции «Горно-геологическое образование в Сибири. 100 лет на службе науке и производству» (Томск, 2001), на VII-ой международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2002), на Всероссийской научной конференции, посвященной 100-летию профессора Томского политехнического университета П.А Удодова «Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири» (Томск, 2003), на Пятом Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2003).

Работа выполнена в ПНИЛ гидрогеохимии УНПЦ «Вода» ИГНД ТПУ и является составной частью госбюджетных исследований по проблемам геологической эволюции системы вода - порода как основы решения геологических, экологических и поисковых задач (1991-2002гг.). При выполнении работы автор принимал участие в проектах по программам ФЦП «Интеграция», Минобразования РФ «Университеты Росси», в интеграционном проекте СО РАН № 137 «Комплексный мониторинг Большого Васюганского болота». По теме диссертации опубликовано 17 работ.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю, д.г.-м.н., профессору Степану Львовичу Шварцеву за высокую требовательность, объективную критику и безмерное терпение при руководстве диссертационной работой. Особую благодарность автор выражает директору УНПЦ «Вода», к.г.-м.н. Ю. Г. Копыловой за ценные консультации и помощь в проведении аналитических исследований. За выполнение лабораторных исследований автор выражает благодарность сотрудникам проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии УНПЦ «Вода» ИГНД ТПУ - к.х.н. Р.Ф. Зарубиной, к.г.-м.н. Н.А. Трифоновой, В.М. Марулевой, к.г.-м.н. А.А. Хващевской, к.г.-м.н. Н.Г.Наливайко, А.Н. Ефимовой, Э.П. Бабуровой, В.А. Шушариной; сотрудникам химической лаборатории отдела экологии ОАО «ТомскНИПИнефть ВНК»; сотрудникам лаборатории ядерно-геохимических исследований кафедры геоэкологии и геохимии ИГНД ТПУ. Большое содействие автору в сборе фактического материала оказали заведующая отделом экологии ОАО «ТомскНИПИнефть ВНК», к.х.н. Т.Н. Сидоренко и к.г.-м.н. В.К. Бернатонис. За предоставление ценных научных и библиографических консультаций автор выражает благодарность д.г.-м.н,. профессору Н.М. Рассказову, к.г.-м.н. Т.Я. Емельяновой, к.г.н. О.Г. Савичеву, к.г.-м.н. Н.А. Трифоновой. Особую благодарность автор выражает д.г.-м.н., профессору М.Б. Букаты за предоставленный программный комплекс «HydroGeo», который позволил выполнить термодинамические расчеты. Автор выражает благодарность И.В. Сметаниной, к.г.-м.н. Т.И. Романовой, к.г.-м.н. А.А.

Хващевской, к.г.-м.н. Е.А. Жуковской, к.г.-м.н. Т.Н. Силкиной, О.Г. Токаренко за техническую поддержку на разных этапах выполнения работы.

Объемы работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения, изложенных на 175 страницах, включая 36 рисунков, 64 таблицы и список литературы из 111 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Гидрогеология", Здвижков, Михаил Александрович

Заключение

1. Исследование многокомпонентного состава в болотных, озерных и речных водах района и расчет комплексообразования на основе термодинамических расчетов в системе «вода-порода-органическое вещество» выявили специфику химического состава поверхностных природных вод района Васюганского болотного массива, которые характеризуются большими концентрациями органических компонентов, сопоставимыми со значением минерализации вод, а в некоторых случаях кратно ее превосходя.

Основной отличительной чертой макрокомпонентного состава болотных вод является то, что в большинстве проб сумма катионов преобладает над суммой анионов. Происхождение такого неравенства возможно объяснить тем, что не учитывается органическая составляющая, которая в состав анионов может быть введена как органический углерод в форме Н2СО3.

Для болотных вод впервые идентифицированы в значительных количествах различные органические микропримеси - углеводороды, фенолы, диалкилфталаты, карбоновые кислоты, этиловые эфиры и многие другие соединения. Состав большей части изученных примесей свидетельствует о том, что они в значительной степени контролируются количеством водорастворенного органического вещества.

Микрофлора болотных вод характеризуется в основном преобладанием представителей бактерий геохимического цикла углерода, также значительный вклад в общий микробиологический состав вносят бактерии геохимического цикла азота.

Воды озер в среднем похожи по показателю рН на исследованные воды верховых болот, однако еще менее минерализованы и не отягощены присутствием СГ. Вместо него У более ярко проявлено содержание SO4 правомерность признания которого одним из индикаторов антропогенного загрязнения на исследуемой территории еще определена.

Картина инфицированности озерных вод характеризуется значительным преобладанием бактерий геохимического цикла углерода.

Реки исследованной территории представлены в основном водотоками I - IV порядков, для которых большинство осредненных показателей рН, общей минерализации, НСОз", Са2+, СГ и других увеличиваются при изменении порядка рек от IV к I. В этом же ряду содержание л

SO4" значительно уменьшается. Наиболее тесным видом связи между компонентами макросостава речных вод является рН =/ (минерализация).

Воды болот и озер на исследуемой территории характеризуются содержанием железа, алюминия и кремния в концентрациях, значительно превышающих равновесные относительно их вторичных минералов - гётита, каолинита, монтмориллонита, кварца.

Расчет образования в водах болот и озер комплексов железа и марганца показал высокую долю участия в них соединений с фульво- и гуминовыми кислотами.

Основываясь на распределении содержания нефтепродуктов в водах болот и озер по отношению к параметру ХПК, антропогенное влияние на среду в виде воздействия объектов нефтяной отрасли на исследуемой территории прослеживается лишь в единичных случаях, т.е. загрязнение нефтепродуктами носит выраженный локально-техногенный характер.

2. Исследованные поверхностные воды на диаграммах равновесия с алюмосиликатами в основном располагаются в пределах полей устойчивости глинистых минералов, более кислые сдвигаются в поле каолинита, а более щелочные и минерализованные - в поле монтмориллонита. При некоторых вариантах возможно также равновесие озерных вод с гиббситом, а речных — с калиевым полевым шпатом и мусковитом.

Исследованные воды болот и малых озер отнесены к кислому кремнисто-органическому геохимическому типу вод, в котором наблюдается равновесие с каолинитом.

В речных водах происходит смена геохимического типа вод, в основном, вследствие увеличения содержания литогенных элементов (Mg, Са и др.), рН. Как показал теоретический расчет равновесия речных вод с вторичными минералами, на смену геохимического типа вод практически не оказывает влияние изменение порядка крупности водотока, так как в пробах вод рек IV-II порядков, наиболее полно представленных в работе, наблюдается как алюминиево-кремнистый, так и кремнисто-Na (Ca-Mg-K-Fe) геохимический тип вод. Кроме этого, речные воды характеризуются максимальными значениями и наибольшей амплитудой изменения параметров рН, общей минерализации, кремния, железа.

3. В ходе исследований установлено, что геохимические особенности растений-торфообразователей зависят от трофического статуса различных участков болота. Основным фактором, определяющим закономерности распределения химических элементов в торфах является прижизненное их накопление растениями-торфообразователями; доля растительной (конституционной) золы в зольности торфов колеблется от 53,6 до 95,3%. Также определено, что концентрации химических элементов увеличиваются в ряду олиго-мезо-евтрофные растения. Повышенные их содержания выявлены во мхах всех трофических типов. Они являются концентраторами Na, Со, Sc, Sm, Hf, Th, Cs, Fe, Sb, La и Eu, травы — Rb и Br, кустарники и кустарнички - Au, Са, Cr и Ba, деревья - Se.

Следует отметить, что наблюдаются некоторые закономерности накопления химических элементов растениями вне зависимости от условий водно-минерального питания. Так, мхи, имеющие промежуточные значения зольности среди других растений, большинство элемеЕггов концентрируют по безбарьерному типу. К числу биофильных элементов относятся Na, Со, Sc, Sm, Hf и Th, в меньшей степени Cs, Fe, Sb, La и Eu.

Травянистые растения в евтрофных и мезотрофных условиях концентрирует Rb и Вг. Кустарники и кустарнички всегда накапливают Au, при евтрофном и мезотрофном питании -Са и Сг, а при мезотрофном и олиготрофном — Ва. Древесные растения при богатом и среднем минеральном питании в повышенных количествах поглощают Se.

В ходе исследования торфов различного типа установлено, что максимальные содержания микроэлементов установлены в торфах низинного типа, промежуточные — переходного, минимальные - верхового. Химические элементы накапливаются в осушенных и естественно дренируемых торфяниках, на геохимических барьерах различного типа, в залежах с проточным режимом, а также на участках, где разгружаются подземные воды или поверхностные воды привносят минеральные вещества в растворенном и взвешенном состоянии.

Повышенные содержания микроэлементов наблюдаются в поверхностных слоях торфяников, в том числе в залежах верхового типа. Главный вклад в загрязнение последних, как имеющих атмосферное питание, вносят аэрозольные процессы, в силу чего они могут являться хорошими объектами экологического мониторинга.

Микроэлементный состав торфов должен учитываться при оценке потребительских качеств торфяного сырья, выборе торфяных месторождений для освоения, обосновании систем и способов их отработки, определении путей использования выработанных и мелкозалежных торфяников, эколого-геохимическом районировании территории, поисках рудных, нефтяных и газовых месторождений по вторичным ореолам рассеяния элементов в торфах, а также при решении вопроса о возможности извлечения редких и рассеянных элементов.

Среднее содержание химических элементов в болотных системах характеризуется преобладанием в растениях и торфах при наличии широкого ряда водных и воздушных мигрантов. Характерно, что концентрации в исследованных водах элементов Са, Fe, Na и микрокомпонентов пропорционально снижаются на четыре-пять порядков, относительно растений и торфа.

В растениях исследуемого района, как в живом веществе, содержание элементов практически не зависит от типа болота (т.е. кислотности среды и ее насыщенности минеральными солями), а ситуация в торфах в большинстве случаев характеризуется тенденцией накопления микроэлементов в живом веществе при переходе от верхового к низинному типу болот.

Результаты расчета подвижности железа по коэффициенту водной миграции в исследованных водах района Васюганского болотного массива показали снижение при увеличении щелочности вод и насыщенности их минеральными солями. При этом воды малых озер с кислым рН отличаются наименьшей интенсивностью миграции кальция.

Миграция кальция в исследованных водах по коэффициенту водной миграции характеризуется неоднозначно. В водах болот ее интенсивность закономерно увеличивается при росте рН и минерализации, однако, до значений больших, чем наблюдаемые в водах рек разных порядков. При этом воды малых озер с кислым рН отличаются наименьшей интенсивностью миграции кальция.

В ряду интенсивности водной миграции особенно можно выделить условно три группы. В первой группе показатели Кх элементов Ag и Вг превышают большинство остальных почти на два порядка (103 и 96,2 соответственно). Во второй группе элементы Sb и Hg характеризуются промежуточным значением интенсивности водной миграции среди исследованных элементов, Кх составляет 16,9 и12,7 соответственно. Значение Кх для всех остальных элементов убывает от 1,96 у Са до 0,24 у Th.

Расчет коэффициента геохимической подвижности Кп для растительности показал, что практически для всех элементов характерно уменьшение величины коэффициента при переходе от верхового к низинному типу болота. Геохимическая подвижность элементов характеризуется достаточно равномерным уменьшением значения от 40,1 у Се до 3,52 у Са. В последнем случае кальций закономерно наименее подвижен, т.к. является основным «строительным материалом» при образовании растений, особенно высших видов.

В случае, когда как продукт выветривания выступает торф, коэффициент К„ большинства элементов при аналогичной смене типа болот имеет заметно большую амплитуду изменения значений. В условиях торфообразования наибольшей геохимической подвижностью, согласно расчету обладает Ag (Кп = 175). Примерно в 2,5-3,5 раза менее подвижны элементы Sb и Hf, коэффициент Кп для них составляет 76,9 и 52 соответственно. Далее, интенсивность геохимической подвижности достаточно равномерно убывает в интервале значений Кп от 40 (Кп Rb = 39,7) до 10 (К„ Са = 11,6). Наименее подвижен в данных условиях элемент Hg, показатель Кп для него составляет всего 0,44.

Наиболее биофильными элементами из описываемых по коэффициенту биофильности являются Ag, Hg, Se и Вг. Из них Hg, Se и Br при расчете Б* для торфов имеют значения примерно на порядок больше, чем для растительности. В последнем случае лишь для Sb и Вг наблюдается отчетливое увеличение коэффициента биофильности при переходе от верхового типа болот к низинным.

При расчете Б* относительно торфов для большинства элементов характерно кратное увеличение значения коэффициента при переходе от верховых болот к низинным, на этом фоне особенно выделяется Со, увеличение Б* в торфах для которого составляет от 0,04 до 5,13.

По средним для болот показателям коэффициентов Кх, К„ и Бх составлены ряды водной миграции, геохимической подвижности и биофильности элементов.

Сравнение химических элементов по положению в рядах коэффициентов Кх, Кп (раст-сть) и Кп (торф) показывает, что наибольшей подвижностью (рассеянием) в условиях влияния растительности обладают Се, Eu, Sc, Th, Со, La, Fe, Cs и в условиях торфообразования — Rb, Sm, Се, Hf, Eu, La, Sc, Th, Co, Sb, Cr, Cs. При этом можно отметить близость состава этих рядов с некоторым уменьшением порядкового номера в ряду, что наблюдается для Се, Eu, Sc, Th, La, Со, Cs. Высокая биофильность Se, Sb, Ag, Hg, Br, Hf, Eu, Sm, Cs в условиях влияния растительности и Ag, Sb, Hg, Se, Cs, Hf, Br, Sm, Eu, Co в условиях торфообразования препятствует накоплению этих элементов в водах и способствует очищению вод от них.

При формировании болотных вод водообмен влияет на однородность и мощность торфяной залежи. Элементы Са, Fe с влагой, питающей корневую систему растений попадают из почв. Виды высшей растительности, которые обладают повышенной такой способностью и несущие большое количество биомассы (Сорг, Nopr) характерны в основном для низинных болот. Далее, при разрушении (отмирании) растительного материала эти элементы попадают в водный раствор.

Уменьшение интенсивности водообмена в верховых болотах влечет смену растительного покрова, сопровождается изменением ландшафта и, как следствие, изменением круговорота Са, Fe, Сорг, Nopr и микрокомпонентов.

В условиях болот интенсивность водообмена подчиняется региональным факторам: а) Географическая широта, характеризующая поступление и расходование солнечной энергии; б) Геологическое строение территории и рельеф, характеризующие горизонтальные уклоны земной поверхности; в) Особенность подстилающих пород.

На разнообразие природных условий формирования вод воздействует на локальном уровне ландшафт.

Количественное соотношение составляющих поверхностного химического выноса характеризуется повсеместным преобладанием биогенной. компоненты над литогенной. В болотных водах биогенный вынос больше в четыре раза, в озерах — почти на порядок, а в реках - в два раза.

Соотношение составляющих поверхностного и подземного химического выноса показало схожесть изменения биогенной и литогенной составляющей в исследованных типах водных объектов. Однако биогенный сток в среднем по болотам вдвое выше речного, а литогенный находится на том же уровне. Это говорит о том, что в водах болот (даже низинных, воды которых по кислотности и макросоставу близки к речным), проходят совершенно отличные биохимические процессы, связанные с непрерывным взаимодействием вод и органического вещества, скорости взаимодействия (зависимой от скорости водообмена) и наличия дополнительных факторов (ландшафт, разнообразие микрофлоры, антропогенное воздействие).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Здвижков, Михаил Александрович, Томск

1. Архипов B.C., Бернатонис В.К., Смольянинов С.И., Резчиков В.И. Микроэлементы в типичных видах торфа Томской области// Экология и практика. -Томск: ТГУ, 1989. С. 131-133.

2. Архипов B.C., Бернатонис В.К., Резчиков В.И., Зозуля Т.А. Накопление элементов группы железа в поверхностном слое торфяной залежи // Чтения памяти Ю.А. Львова: Сборник статей. Томск: ТГУ, 1995. -С. 82-87.

3. Архипов B.C., Бернатонис В.К., Резчиков В.И. Железо в торфах центральной части Западной Сибири // Почвоведение. 1997.- № 3. -С. 345-351.

4. Архипов B.C., Бернатонис В.К., Резчиков В.И. Распределение железа, кобальта и хрома в торфяных залежах центральной части Западной Сибири // Почвоведение. 2000. - № 12. -С. 1439-1447.

5. Бейли Н. Статистические методы в биологии. М.: Мир, 1964.-271с.

6. Бернатонис В.К., Архипов B.C. Микроэлементный состав торфов // Поиски и разведка месторождений полезных ископаемых Сибири: Материалы конференции. Томск: ТПУ, 2000. -С. 212-219.

7. Богоявленская О.В., Пучков В.Н., Федоров М.В. Геология СССР: М.: Недра, 1991.240 с.

8. Болота Западной Сибири, их строение и гидрологический режим / Под ред. К.Е. Иванова, С.М. Новикова-Д.: Гидрометеоиздат, 1976.-448 с.

9. Бояркина А.П., Васильев Н.В., Резчиков В.И., Тюлюпо Е.Б. Нейтронно-активационный анализ торфа как свидетеля техногенного загрязнения атмосферы // Труды НИИ ядерной физики, электроники и автоматики.-М.: Атомиздат, 1977. Вып.7. - С. 76-81.

10. Бронзов В.Я. Верховые болота Нарымского края (бассейн р.Васюган) // Труды научно-исследовательского торфяного института. — М., 1930. Вып.З. — 100 с.

11. Бронзов А.Я. Гипновые болота на южной окраине Западно-Сибирской равнинной тайги// Почвоведение.-1936. -№2.-С. 224-245.

12. Букаты М.Б. Разработка программного обеспечения для решения гидрогеологических задач //Известия ТПУ, 2002. -Вып. 6. -т. 305 -с. 348-366

13. Васюгапское болото (природные условия, структура и функционирование) /Под ред. Л.И. Инишевой. Томск: ЦНТИ, 2000.-136 с.

14. Виноградский С.Н. Микробиология почвы. М.: АН СССР, 1952. - 792с.

15. Выцлан Н.Ф. Определитель растений Томской области. — Томск: Изд-во Том. ун-та, 1994. -301 с.

16. Герасько Л.И., Пашнева Г.Е. Почвы Томского Приобья // Генезис и свойства почв Томского Приобья. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1980. - С.32-83.18. ГОСТ 14920-79. Газ сухой.

17. ГОСТ 18165-89. Вода питьевая. Методы определения массовой концентрации алюминия.

18. ГОСТ 18309-72. Вода питьевая. Метод определения содержания полифосфатов.

19. ГОСТ 18826-73. Вода питьевая. Методы определения содержания нитратов.-С.4-6.

20. ГОСТ 18963 73. Методы санитарно- бактериологического анализа.

21. ГОСТ 23268.12-78. Воды минеральные питьевые лечебные, лечебно- столовые и природные столовые. Метод определения перманганатной окисляемости. С. 70-72.

22. ГОСТ 23268.15-78. Воды минеральные питьевые лечебные, лечебно- столовые и природные столовые. Методы определения бромид-ионов.-С.86-91.

23. ГОСТ 23268.16-78. Воды минеральные питьевые лечебные, лечебно- столовые и природные столовые. Методы определения иодид-ионов.-С.92-96.

24. ГОСТ 23268.3-78. Воды минеральные питьевые лечебные, лечебно- столовые и природные столовые. Методы определения гидрокарбонат-ионов. С. 15-17.

25. ГОСТ 23268.5-78. Воды минеральные питьевые лечебные, лечебно- столовые и природные столовые. Методы определения кальция и магния. -С. 23-27.

26. ГОСТ 23781-83. Газы горючие природные. Хроматографический метод определения компонентного состава.

27. ГОСТ 23950-88. Вода питьевая. Метод определения массоой концентрации стронция.

28. ГОСТ 24481-80. Вода питьевая. Отбор проб.

29. ГОСТ 24902-81. Вода хозяйственно-питьевого назначения. Общие требования к полевым методам анализа.

30. ГОСТ 27384-87. Вода. Нормы погрешности измерений показателей состава и свойств.

31. ГОСТ 4011-72. Вода питьевая. Методы определения общего железа.

32. ГОСТ 4151-72. Вода питьевая. Методы определения общей жесткости.

33. ГОСТ 4192-72. Вода природная. Методы определения минеральных азотсодержащих веществ.

34. ГОСТ 4212-76. Реактивы. Методы приготовления растворов для колориметрического и нефелометрического анализа.

35. ГОСТ 4245-72. Вода питьевая. Методы определения содержания хлоридов.

36. ГОСТ 4386-81. Вода питьевая. Методы определения массовой концентрации фтора.

37. ГОСТ 4389-89. Вода питьевая. Методы определения содержания сульфатов.

38. Гудошников С.В. Растительность // Родной край. Томск, 1974. - С.61-74.

39. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д., Афанасьева Т.В. Таежное почвообразование в континентальных условиях. М.: Изд-во МГУ, 1981. - 216 с.

40. Дюкарев А.Г. Земельный фонд, его качественный состав и использование // Природные ресурсы Томской области. Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1991.- 440 с.

41. Евсеева Н.С. География Томской области. (Природные условия и ресурсы). — Томск: Изд-во Томского ун-та, 2001. — 223 с.

42. Евсеева Н.С., Земцов А.А. Рельефообразование в лесоболотной зоне Западно-Сибирской равнины. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1990. — 242 с.

43. Ермашова Н.А. Геохимия подземных вод зоны активного водообмена Томской области в связи с решением вопросов водоснабжения и охраны. Дис. в виде научного доклада на соискание уч.степени канд.геол.-минерал.наук.- Томск, 1998. 44 с.

44. Ермашова Н.А. Природный гидрогеохимический фон верхней гидродинамической зоны Среднего Приобья как основа оценки ее экологического состояния // Обской вестник, 1999.-№3-4.-с. 106-112

45. Земцов В.А. Воды // География Томской области. Томск: Изд-во Том. ун-та, 1988. - С. 76-96.

46. Иванов К.Е. Основы теории морфологии болот и гидроморфологические зависимости. -«Тр. ГГИ», 1965, вып. 126. с. 5-47.

47. Кац Н.Я. Болота земного шара. М.: Наука, 1971. - 295 с.

48. Кирюхин В.А., Короткое А.И., Шварцев C.JI. Гидрогеохимия.-М.:Недра, 1993.-384с.

49. Кирюхин В.А., Толстихин Н.И. Региональная гидрогеология. М.: Недра, 1987. — 382 с.

50. Конторович А.Э., • Нестеров И.И., Салманов Ф.К. Геология нефти и газа Западной Сибири. М.: Недра, 1975. - 680 с.

51. Конторович А.Э., Шварцев C.JI., Зуев В.А. и др.Органические микропримеси в пресных природных водах бассейнов Томи и Верхней Оби // Геохимия. 2000. - №5. - С.533-544.

52. Лапшина Е.Д., Королюк А.Ю., Блойтен В. и др. Структура растительного покрова западной части Большого Васюганского болота (на примере ключевого участка «Узас»)// Сибирский экологический журнал. 2000. - Т.7. - №5. - С.563-576.

53. Лисс О.Л., Березина Н.А. Болота Западно-Сибирской равнины. М.: Изд-во МГУ, 1981. -208 с.

54. Лисс О.Л., Трофимов В.Т., Кашперюк П.И. и др. Тенденция развития болотообразовательного процесса // Прогноз изменения природных условий Западной Сибири. М.: Изд-во МГУ, 1968 - 175 с.

55. Литвиненко С.Ю. Система внутрилабораторного контроля качества анализов подземных вод при гидрогеохимических работах. В сб. «Исследования в области химических и физических методов анализа минерального сырья». Алма-Ата.: Каз ИМС, 1985. - С.19-25.

56. Логинов П.Е. Разработка торфяных месторождений в районах Западно-Сибирской низменности. «Сб. статей по изучению торфяного фонда», 1958, вып. 3, С. 10-21.

57. Логинов П.Е., Хорошев П. И. Торфяные ресурсы Западно-Сибирской равнины.-М.: Геолторфразведка, 1972.-148 с.

58. Лурье Ю.Ю. Унифицированные методы анализа вод. Вып.2.-М.: Химия, 1973.

59. Львов Ю.А. К характеристике Иксинского водораздельного болота // Известия Томского отделения Всесоюзного ботанического общества. — 1959.-Т.4.-С.59-62.

60. Методы общей бактериологии. /Под ред. Ф. Герхарта. М.: Мир, 1985. - 536с.

61. Назаров А.Д., Шварцев С.Л. Подземные воды и их использование // Природные ресурсы Томской области Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние. 1991. - 440 с

62. Научные предпосылки освоения Западной Сибири / Под ред. М.И. Нейштадта. М.: Наука, 1977. -228 с.

63. Нейштадт М.И. Торфяные запасы азиатской части СССР // Труды Центральной торфяной опытной стации. М., - 1938. — Т.4. — С. 1-79.

64. Новиков С.М. Исследование гидрометеорологического режима болот бассейна р.Оби в связи с разработкой новых месторождений нефти и газа. — В. кн. Комплексное освоение водных ресурсов Обского бассейна. — Новосибирск: «Наука», 1970. — с.127-133.

65. НСАМ «Подземные воды. Внутрилабораторный контроль качества анализов, выполняемых в лабораториях Министерства геологии СССР. М., 1987.

66. НСАМ 273-Г. Нейтронно-активационное определение кобальта, сурьмы, рубидия, цезия, хрома и стронция в природных водах с использованием Ge (1л)-детектора. Методика IV-категории.М., 1987. 1

67. НСАМ 320-Г. Определение лития, рубидия и цезия эмиссионным пламенно-фотометрическим методом в воде.- М., 1990.

68. НСАМ 321-Г. Инверсионный вольтамперометрический метод определения цинка, кадмия, свинца и меди в подземных водах.-М.,1990.

69. Органическая геохимия / Под ред. Дж.Эглинтона и М.Мэрфи Пер. с англ. Л., Недра», 1974.-487с.

70. Паневин B.C., Воробьев В.Н. Лесные ресурсы и их рациональное использование // Природные ресурсы Томской области. Новосибирск, 1991. - С. 38 - 56.

71. Перельман А.И. Геохимия элементов в зоне гипергенеза. М.: Недра, 1972.

72. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М.: Высшая школа, 1975.

73. По вопросу введения в действие Государственного реестра методик, допущенных для Государственного экологического контроля. М.: ГУАК при Минприроды России, от 01.04.96.

74. Полынов Б.Б. Избранные труды. М.: Изд-во Ан СССР, 1956.

75. Посохов Е.В. Общая гидрогеохимия. М.: Недра, 1975.

76. Почвенная карта Томской области. Масштаб 1 : 1 ООО ООО. Новосибирск: 1989.

77. Предельно-допустимые концентрации (ПДК) и ориентировочные безопасные уровни воздействия (ОБУВ) вредных веществ в воде водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового использования.-М.:Минздрав СССР, 1983.-61с.

78. РД 52.24.112-91. Методические указания по определению массовой концентрации ртути в природных водах методом непламенной атомной абсорбции с использованием газортутного анализатора АГП-01 и приставки для генерации паров восстановления ртути.

79. РД 52.24.66-86. Система контроля точности результатов измерений показателей загрязненности контролируемой среды. JL: Гидрометеоиздат, 1986.

80. Ресурсы поверхностных вод СССР. Алтай и западная Сибирь. Средняя Обь. -Л.:Гидрометеоиздат,1972. Т. 15. - Вып. 2. - 406 с.

81. Розанов Б.Г. Контроль за состоянием природной среды.//Страны и народы. Земля и человечество. Глобальные проблемы.-М.:Мысль,1985.-С.304-308.

82. Романенко В.И., Кузнецов С.И. Экология микроорганизмов пресных водоёмов. Лабораторное руководство. Л.: Наука, 1974. - 193с.

83. Сан.П и Н 2.1.4.559-96. Вода питьевая и водоснабжение населённых мест. М.: Госкомсанэпиднадзор России, 1996.

84. СП ТПУ 5-ГХ. Газы, растворенные в воде. Хроматографический метод определения. -Томск, 1996.

85. СП ТПУ 6-АЭмС. Вода природная. «Метод ТПИ». Методики определения Cr,Mn,Co,Ni,Cu,As,Zr,Mo,Ag,Cd,Sn,Sb,Ba,W,Zn,Pb,Bi,Be,P,Ti,V. Атомно-эмиссионный спектрометрический метод анализа. Томск, 1996.

86. СП ТПУ 7-ИВ. Вода природная. Определение массовой концентрации висмута в природных водах методом инверсионной вольтамперометрии. Томск, 1996.

87. СП ТПУ 8-ИВ. Вода природная. Определение массовой концентрации мышьяка в природных водах методом инверсионной вольтамперометрии. -Томск, 1996.

88. Сурков B.C., Жеро О.Г. Фундамент и развитие платформенного чехла ЗападноСибирской плиты. М.: Недра, 1981. -143 с.

89. Сурков B.C., Смирнов JI.B., Девятое В.П. и др. Геологическая история формирования Западно-Сибирского нефтегазоносного бассейна. // Проблемы геологии Сибири. Т.1. — Томск: Изд-во Том. ун-та, 1996. С. 105-107.

90. Сурунов Н.Ф., Земцов А.А. Озера Томской области и генезис их котловин // Человек и вода. Томск, 1990. - 158 с.

91. СЭВ. Унифицированные методы исследования качества вод. Ч.1,т.2.-М., 1983. С. 61-62, 92-93.

92. Торфяные месторождения Томской области: Справочник / Отв. ред. В.Д. Марков.-М.: Геолторфразведка, 1971.-306 с.

93. Требования к геолого-экологическим исследованиям и картографированию. Масштаб 1:50000-25000.- 1990.-С.114-127.

94. Тюменцев Н.Ф. Почвы // Родной край. Томск: Изд-во Том ун-та, 1974. - С. 52-61.

95. Тюремное С.Н. Районирование торфяных месторождений. В. кн. Торфяные месторождения Западной Сибири. -М.: 1957. - с. 129-141.

96. Удодов П.А., Онуфриёнок И.П., Парилов Ю.С. Опыт гидрогеохимических исследований в Сибири. М.: «Высшая школа», 1962. - С.89-97.

97. Физика и химия торфа: Учебное пособие для вузов /И.И. Лиштван, Е.Т. Базин, Н.И. Гамаюнов, А.А. Терентьев.-М.: Недра, 1989.-304 с.

98. Храмов А.А., Валуцкий В.И. Лесные и болотные фитоценозы Восточного Васюганья (структура и биологическая продуктивность).- Новосибирск: Наука, 1977. 221 с.

99. Шамахов А.Ф., Земцов А.А. Многолетняя реликтовая мерзлота в Западной Сибири и ее палеогеографическое значение // Изв. ВГО. Т.З. 1979. С. 150-155.

100. Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. М.: Недра, 1978.

101. Шварцев С.Л. Общая гидрогеология . М.: Недра, 1996.

102. Шварцев C.JI. Гидрогеохимия зоны гипергенеза.- 2-е изд., исправл. и доп. М.:Недра,1998.- 366 с.

103. Штауб А.К. Воды // Родной край. Томск: Изд-во Том ун-та, 1974. - С. 40-52.

104. Щербина В.В. Основы геохимии. -М.: Недра, 1972.

105. Яснопольская Г.Г. К характеристике растительности и торфяной залежи Васюганского болота // Ученые записки Томского университета. Серия биология и почвоведение. — 1965. -№51.-С. 49-63.

106. Heller S.R., Enviijnmental Applikation of Mass Spectrometry. In: Practikal Mass Spektrometry. Plenum Press, N.-Y., 1979, p.219-240.