Необходимость изучения химического состава подземных вод каменноугольных отложений юго-западной части Донбасса обусловлена как использованием их в хозяйственно-бытовых и питьевых целях, так и тем, что при разработке угольных месторождений эти воды могут быть источником химических элементов и соединений в содержаниях, отрицательно влияющих на окружающую среду.

Основными геологическими факторами, влияющими на формирование химического состава подземных вод Красноармейского углепромышленного района, являются наличие мощной толщи покровных отложений и распространение трещинно-поровых вод. Интенсивная нарушенность продуктивной толщи сбросами, надвигами и флексурными складками осложняет гидрогеологическую обстановку и способствует распространению высокоминерализованных хлоридных вод на сравнительно небольших глубинах.

В основу данных исследований положены результаты химического и спектрального анализа 181 пробы, отобранной из водоносного комплекса каменноугольных отложений района.

Подземные воды водоносного комплекса каменноугольных отложений Красноармейского района преимущественно средне- и высокоминерализованные (М 5-10 и 10-35 г/л), на некоторых участках (Красноармейский-Западный 2-3, Терешковский № 3 и др.) встречаются рассольные воды с М 35-150 г/л. Величина массовой концентрации сухого остатка подземных вод каменноугольных отложений по всей площади района превышает 1000 мг/л. Таким образом, по величине минерализации подземные воды разведанных месторождений, будущих полей шахт превышают предельно-допустимые нормы и будут оказывать отрицательное влияние на окружающую среду.

Содержание сульфатов в количествах более 500 мг/л (ПДК) в подземных водах каменноугольных отложений отмечено повсеместно по площади угленосной части области в интервалах глубин распространения зоны сульфатно-гидрокарбонатных и сульфатных вод (100-300 м), а также на локальных участках, где воды названных зон залегают значительно глубже. В Красноармейском районе подземные воды с высоким содержанием сульфатов имеются на участках Северо-Родинский, Красноармейский-Западный 2-3, Терешковский № 3, достигая 2494 мг/л.

Содержание хлоридных ионов в подземных водах изменяется в самых широких пределах от 50 до 73888 мг/л. Практически повсеместно в интервалах глубин распространения зоны хлоридных натриевых вод содержание хлоридов превышает ПДК (350 мг/л). Максимальными величинами содержания хлоридов в подземных водах характеризуется Красноармейский район, где на участке Самарский-Капитальный на глубине 1424 м зафиксировано содержание хлора 73888 мг/л.

При увеличении минерализации воды содержание ионов хлора увеличивается, это объясняется тем, что "прочие анионы, достигая величины произведения растворимости с соответствующими катионами, обычно начинают переходить в осадок, уступая место хлору" [1]. Исходя из вышеизложенного, в юго-западной части Донбасса, где с глубины 500 м и более г/л, подземные воды с минерализацией более 3 г/л, а в некоторых достигающей 100 и более г/л, подземные воды по содержанию хлоридов могут быть отнесены к вредным.

Жесткость воды обуславливается содержанием в них солей кальция и магния. Жесткая вода плохо взмыливается, образует накипь в паровых котла, непригодна для многих отраслей промышленности. "Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными" жесткость в сбрасываемых водах не нормируется. Допустимая величина общей жесткости по действующему ГОСТу (ГОСТ 2874-73)- 7,0 мг-экв/л, по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы не должна быть более 10 мг-экв/л.

По величине общей жесткости подземные воды угольных месторождений непригодны для хозяйственно-питьевых целей. Величина общей жесткости находится в прямой зависимости от величины минерализации вод (r=0,3-0,90) и обратной зависимости от рН (r=0,22-0,44).

Величина водородного показателя рН на всей территории области находится преимущественно в пределах 6,5-8,5. В Красноармейском районе на участках Самарский-Капитальный, Добропольский-Капитальный, Красноармейский-Западный №2-3 на глубинах 747-1237 м вскрыты скважинами воды с рН=5,4-6, на этих же участках, а также на участке Терешковский №3 в интервале глубин 240-450 вскрыты щелочные воды с величиной рН=8,6-12,4.

Оценка вредности подземных вод по содержанию железа осуществлялась в соответствии с требованиями ГОСТ 2874-73, на предельно допустимую концентрацию принято содержание Fe 2+,3+-0.3 мг/л

Железо Fe 3+ в подземных водах области не обнаружено, Fe 2+ определено во многих пробах воды. В Красноармейском районе Fe 2+ повсеместно содержится в подземных водах каменноугольных отложений на участке Добропольский-Капитальный, Северо-Родский (0,1-1 г/л), Терешковский №3 (достигает концентрации 41,2 мг/л), Красноармейский-Западный №2-3 до 80,2 мг/л. Воды, содержащие железо в значительном количестве, имеют обычно кислую реак-цию рН<7.

Магний (Mg 2+) существующими нормативными документами и ГОСТами в водах хозяйственно-питьевого назначения не нормируется, для вод водных объектов, используемых для рыбохозяйственных целей, "Правилами охраны поверхностных вод от загрязнения сточными водами" установлена предельно допустимая концентрация Mg 2+-50 мг/л. В настоящем отчете проведена оценка подземных вод по содержанию магния с точки зрения использования воды для рыбохозяйственных целей.

В подземных водах каменноугольных отложений магний встречается повсеместно, в большинстве случаев в концентрации превышающей предельно допустимую. В пробах воды концентрация ионов магния достигает нескольких сот мг/л.

Алюминий в подземных водах встречается крайне редко. Источником его служат продукты выветривания алюмосиликатов. Ионный алюминий становится неустойчивым уже при рН=4.

В 50% проб воды определено содержание Al2O3, содержание его не превышало 0,4 мг/л.

Таким образом, подземные воды разведанных угольных участков с точки зрения отрицательного влияния на окружающую среду содержат массовую концентрацию сухого остатка, рН общую жесткость, SO4, Cl, Fe2+, Mg в кон-центрациях, превышающих предельно допустимые.

Из элементов I класса опасности фтор, свинец и кадмий, в подземных водах Красноармейского района в концентрациях, превышающих ПДК, обнаружены по данным химических и спектральных анализов. Не обнаружены ртуть, бериллий фосфор. Мышьяк и цинк в концентрациях, превышающих ПДК не выявлены.

Фтор в подземных водах каменноугольных отложений встречается довольно часто, однако, содержание его очень редко достигает ПДК.

Так, в Красноармейском районе встречаемость фтора 88% и только в 8 пробах из 70 содержание его более 2 мг/л, максимальное содержание (9,3 мг/л) отмечено в пробе воды из скважины 4450 на глубине 745 м (участок Соленовский 1-2).

Ртуть в ПВ каменноугольных отложений Красноармейского района не обнаружена.

Мышьяк встречается в подземных водах каменноугольных отложений повсеместно. Встречаемость мышьяка до 50%. В содержаниях, превышающих предельно допустимые, мышьяк в подземных водах каменноугольных отложений юго-западной части Донбасса не встречен.

Цинк встречается довольно часто (76-88). Предельно допустимых содержаний (5,0 мг/л) для питьевых вод нормируемых ГОСТ 2874-73, цинк не достигает, но в некоторых пробах воды превышает ПДК по общесанитарному показателю вредности для вод хозяйственно-питьевого и культурно-бытового значения. В большинстве проб воды как по данным химических, так по данным спектральных анализов содержание цинка превышает норму для вод рыбохозяйственного назначения.

Из элементов II класса опасности, в концентрациях, превышающих предельно допустимые, в подземных водах Красноармейского района обнаружены: бром, бор, литий, никель и медь. Содержания молибдена, кобальта, хрома и висмута не превышают ПДК, содержание сурьмы и теллура не достигает порога чувствительности определения.

Бром относится к элементам, широко распространенным в Донбассе, встречаемость его 89-99%,содержание достигает 181,6 мг/л (Красноармейский район). В большинстве случаев содержание брома превышает предельно допустимую концентрацию (0,2 мг/л), максимальные содержания встречены в хлоридно-натриевых водах с минерализацией 90-110 г/л (участки Добропольский-Капитальный, Красноармейский-Западный 2-3).

Медь встречается в подземных водах области по данным химических анализов в 2-16% проб с содержанием от 0,0 до 0,01 мг/л, что значительно ниже предельно допустимой концентрации для вод хозяйственно-питьевого назначения. В некоторых пробах, в основном в скважинах участка Красноармейского Западного 2-3, содержание меди более 0,01 мг/л, что превышает ПДК для вод рыбохозяйственных целей.

Встречаемость меди по данным спектральных анализов 94-100%, содержания достигают 1,36 мг/л (Красноармейский район), т.е. превышают ПДК (1,0 мг/л) по органолептическому показателю вредности для вод хозяйственно-питьевого назначения, а во многих пробах для рыбохозяйственных целей.

Никель по данным химических анализов встречается в 7-20% проб воды. По данных спектральных анализов встречаемость никеля 84-100%, максимальное содержание 0,21 мг/л. По большинству проб воды содержание никеля превышает ПДК для вод рыбохозяйственного назначения и только в 11 пробах воды превышает ПДК по санитарно-токсилогическому показателю вредности для вод хозяйственно-питьевого назначения.

Бор максимальных содержаний достигает в высокоминеральзованных хлоридных натриевых водах. в 41% проб воды его содержание превышает ПДК (0,5мг/л).

Литий выявлен в 74% проб воды. В максимальных количествах он сдержится в высокоминерализованных хлоридных натриевых водах глубоких горизонтов.

Кобальт в пробах воды выявлен только лишь спектральным анализом. В содержаниях более 0,01 мг/л (ПДК для водоемов рыбохозяйственных целей) кобальт обнаружен также в 4 пробах (скв.4328, участок Красноармейский-Западный 2-3; К-362, участок Терешковский 3; скв.4501, участок Соленовский 3).

Из элементов III класса опасности в содержаниях, превышающих ПДК, в подземных водах выявлены: барий, марганец, стронций, титан, ванадий. Однако даже фоновые содержания большинства элементов (бария, марганца, стронция, титана) значительно превышают предельно допустимые.

Стронций в каменноугольных отложенях Красноармейского района встречается довольно часто (встречаемость 34-40%). Максимальное содержание стронция (по данным спектрального анализа 905,3 мг/л) характерно для рассольных подземных вод. Так, минерализация воды с содержанием стронция 575 мг/л составляет 106 г/л (скв. К-617, глубина 1317-1340 м, участок Допропольский-Капитальный).

Барий определяется как спектральным, так и химическим анализом. В Красноармейском районе в подземных водах участков Терешковский №3 (скв.К-40, К-609) и Красноармейский-Западный 2-3 (скв. 4219, 4216, 4200) обнаружен барий в содержаниях 4,0-220,7 мг/л.

Барий определяется как спектральным, так и химическим анализом. В Красноармейском районе в подземных водах участков Терешковский №3 (скв.К-40, К-609) и Красноармейский-Западный 2-3 (скв. 4219, 4216, 4200) обнаружен барий в содержаниях 4,0-220,7 мг/л.

Содержание ванадия по данным спектрального анализа в ПВ Красноармейского района изменяется в пределах 0,006 до 0,197 мг/л (по 33 анализам), только в 5 случаях в 2 скважинах (К-470 на участке Терешковский № 3 и К-500 на участке Добропольский-Капитальный) - содержание ванадия отмечено в концентрациях, превышающих ПДК (0,111-0,197 мг/л).

Марганец встречается в водах довольно часто. Его встречаемость 21-48 % по данным химических анализов и 72-100 % по данным спектральных анализов. Содержания марганца, превышающие ПДК, характерны для вод Красноармейского района. Особенно высокие содержания встречаются на участке Красноармейский-Западный 2-3 по данным химических анализов от 0,55 до 4,4 мг/л (скв.4219), а также на участке Срибное, Удачное и Кураховский. По данным спектральных анализов содержание марганца достигает значительных величин: 6,3 мг/л.

Кроме перечисленных микроэлементов, в подземных водах каменноугольных отложений спектральным анализом определены цирконий, лантан, серебро, олово, иттербий, церий, иттрий, галлий, германий, скандий. С точки зрения вредности содержание перечисленных микроэлементов не лимитируется.

Анализ микроэлементного состава подземных вод каменноугольных отложений Красноармейского углепромышленного района и сопоставление микроэлементов с предельно допустимыми их концентрациями, разрешающими сбрасывание вод в открытые водоемы различного народнохозяйственного назначения, показали что шахтные воды будущих шахтных полей, ныне подземные воды угольных участков, по содержанию целого ряда микроэлементов (брома, стронция, цинка, фтора, марганца, бария, меди, титана, ванадия, никеля) могут быть источником загрязнения окружающей среды.

2 ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ-ЗАГРЯЗНИТЕЛЕЙ В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ.

2.1Распределение элементов-загрязнителей по свитам карбона.

Распределение микроэлементов с содержаниями, превышающими ПДК, в подземных водах различных свит карбона приведено в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Распределение микроэлементов с содержаниями, превышающими ПДК, в подземных водах различных свитах карбона

На микроэлементный состав подземные воды водоносного комплекса отложений верхнего карбона в Красноармейском районе опробованы на участках разведки подземных вод с целью водоснабжения (участок Кураховский). В этих водах повсеместно прослеживается наличие брома и цинка, в среднеминерализованных водах – стронция, в маломинерализованных сульфатных и хлоридных водах – марганца и меди, превышающих ПДК.

Подземные воды водоносного комплекса среднего карбона опробованы в пределах всех свит: С₂¹-С₂⁷. Так же как и для водоносного комплекса верхнего карбона содержание брома и цинка прослеживается по всем свитам, независимо от геохимического типа воды, глубины опробования и площади. Высокие содержания стронция характерны для высокоминерализованных вод, причем в значительных концентрациях (575-905 мг/л). Титан, медь, никель, марганец, барий могут быть встречены во всех геохимических типах вод, независимо от их минерализации. Ванадий и кобальт встречены только в хлоридных высокоминерализованных водах.

Водоносный комплекс отложений нижнего карбона на микроэлементный состав изучался в районе по свитам С₁²-С₁⁵. Закономерности распределения микроэлементов в подземных водах нижнего карбона аналогичны описанным выше. Характерной особенностью отдела является повсеместное распространение бария в содержаниях, превышающих ПДК.

Из вышеприведенного видно, что в пределах угленосных свит аномальные содержания элементов распределены довольно неравномерно (см.табл. 4.1), причем максимальное количество их сосредоточено в свите С₂⁷.

2.2 Площадные закономерности распределения компонентов-загрязнителей в подземных водах района

Для подземных вод Красноармейского района выделена группа элементов, поведение которых в водах аналогично изменению минерализации. Для изучения площадных закономерностей распределения этих элементов были построены карты. Анализ карт показал, что основные площадные закономерности распределения этих элементов аналогичны.

Минерализация. Практически на всей территории района минерализация вод превышает ПДК (1г/л). увеличение минерализации происходит с юго-запада на северо-восток. Вся юго-западная часть района - это воды средне минерализованные. Рассольные воды занимают практически всю северо-восточную часть.

Жесткость. Допустимая величина общей жесткости по действующему ГОСТу (ГОСТ 2874-73)- 7,0 мг-экв/л. По величине общей жесткости подземные воды угленосной части Донецкой области распределилось следующим образом:

Согласно этим данным, практически на всей территории района концентрации жесткости превышают ПДК и находятся в прямой зависимости от величины минерализации вод (увеличение концентрации происходит с юго-запада на северо-восток).

Хлор. 80% проб подземных вод превышает ПДК (350мг/л). наибольших концентраций хлор достигает на севере района (более 100ПДК) максимальное значение - 73888 мг/л. наблюдается четкая взаимосвязь роста концентрации хлорид-иона с ростом минерализации.

Стронций. Встречается в 37% проб и практически вовсех превышает ПДК (7мг/л). Отмечается четкая связь содержания стронция с величиной минерализации, т.е. наибольшие концентрации стронция в подземных водах встречены на северо-востоке участка (более 120ПДК).

Бром. Относится к элементам, широко распространенным в Красноармейском районе, встречаемость его - 99%, содержание достигает 181,6 мг/л. В большинстве случаев содержание брома превышает предельно допустимую концентрацию (0,2 мг/л). Максимальные фоновые содержания (24,1 мг/л) приурочены к высокоминерализованным водам, что вызвано наличием зависимости между содержанием брома и величиной минерализации.

Литий. Выявлен в 74 % проб воды химическим анализом, согласно которому максимальное его содержание достигает 21,0 мг/л (при предельно допустимой концентрации 0,03мг/л). максимальных значений достигает в северо-западной части района (50-250 ПДК), что обусловлено положительной связью со степенью минерализации.

Сульфат-ион. На 60% территории района превышает ПДК (300мг/л). на всей территории сдержание его в подземных водах колеблется в пределах 1-10ПДК. Только в центре района встречена единичная аномалия (концентрация 7774 мг/л). По карте видно, что связь сульфат-иона с величиной минерализации обратная.

Бор. В подземных водах района достигает концентрации 15,07 мг/л при встречаемости 88 %. В 41 % проб воды его содержание превышает ПДК (0,5 мг/л). В 2 пробах подземных вод содержание бора достигает 15,067 мг/л и 11,979 мг/л. связи распространения бора с величиной минерализации не обнаружено.

Железо. Оценка вредности подземных вод по содержанию железа осуществлялась в соответствии с требованиями ГОСТ 2874-73, на предельно допустимую концентрацию принято содержание Fe 2+-0.3 мг/л. Повсеместно содержится в подземных водах каменноугольных отложений. Более чем на 80% территории превышает предельно допустимую концентрацию (0,3мг/л). На 50% территории концентрации колеблются в пределах 1-100ПДК, а на юго-востоке района встречена единичная аномалия, с концентрацией Fe2+ 200,5 мг/л (668ПДК). Связи с величиной минерализации не наблюдается.

Анализируя карты, можно сделать следующие выводы:

• для подземных вод Красноармейского района характерны высокие содержания таких элементов: бром, стронций, бор, литий, железо;

• для показателя жесткости, стронция, лития и брома прослеживается четкая зависимость увеличения концентраций элементов с увеличением минерализации;

• сульфат-ион имеет ратную связь с величиной минерализации;

• нет связи распределения концентраций элементов с тектоническими нарушениями.

3 ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В КАЧЕСТВЕ ГИДРОМИНЕРАЛЬНОГО СЫРЬЯ

В соответствии с принятой методикой выполнена оценка пригодности вод угольных месторождений в качестве гидроминерального сырья.

Сравнивая фоновые или средние содержания всех определенных в данной работе элементов с кондиционными содержаниями в промышленных и лечебных водах, можно сделать вывод, что содержание в подземных и шахтных водах стронция, бора, брома, лития и бария представляет интерес с точки зрения гидроминерального сырья.

Стронций Высокие содержания стронция, достигающие лечебных концентраций, встречены в Красноармейском районе в скважинах всех характеризуемых в данной работе участков (Добропольский-Капитальный, Самарский-Капитальный, Северо-Родинский, Красноармейский-Западный 2-3, Терешковский № 3), промышленными содержаниями стронция (более 300 мг/л) отличаются подземные воды каменноугольных отложений участка Добропольский-Капитальный: К-465 - 905,8 мг/л, скв. К-624 - 400-450 мг/л, К-617 - 525-575 мг/л и др. Фоновые содержания стронция в подземных водах Красноармейского района по данным химического анализа 21,18 мг/л, для хлоридно-натриевых вод на глубинах свыше 1000 м с минерализацией более 10 г/л - 44,0-94,4 мг/л. Содержание, достигающее норм для лечебных вод (10 мг/л), встречено в 30 % проб воды, промышленных (300 мг/л) - в 6 % проб воды.

Таким образом, промышленных концентраций в шахтных водах стронций не достигает, лечебных концентраций достигает в 17 шахтах области с суточным притоком воды 90641 м3. Промышленные содержания стронция следует ожидать в шахтных водах участка Добропольского-Капитального, лечебные содержания - на многих угольных месторождениях области.

Бор в подземных водах промышленных содержаний не достигает, фоновые содержания его в подземных водах различных районов от 0,26 (Д-М) до 1,452 мг/л (Ю-Д). В 3 пробах подземных вод из 392 содержание бора составило более 10 мг/л, т.е. достигло концентраций для вод лечебных целей: скв.4219 (участок Красноармейский-Западный), водоносный песчаник на глубине 575 м, минерализация воды 46,5 г/л; скв.К-470 (участок Терешковский № 3), водоносный песчаник в интервале глубин 890-916 м, минерализация воды 19,7 г/л; скв.54-Ю (участок Южнодонбасский № 3). При проходке воздухоподающего ствола шахты "Красноармейская-Западная" № 1 из песчаника d3Sd4 на глубине 420 м была отобрана проба воды с содержанием бора 10,571 мг/л.

Перечень вышеприведенных фактов свидетельствует о том, что могут быть встречены шахтные воды с содержанием бора, достигающим нормативных показателей для лечебных вод.

Бром. Промышленные содержания брома в подземных водах не обнаружены, лечебные содержания установлены в подземных водах Красноармейского района. Максимальных содержаний 181,6 мг/л бром достигает на участке Добропольском-Капитальном. Фоновые содержания брома в подземных водах Красноармейского района 5,03 мг/л, для хлоридных натриевых вод с минерализацией более 10 мг/л - 24,1 мг/л. В лечебных содержаниях бром определен в шахтных водах шахт: "Краснолиманская" - 52,7 мг/л ; "Новатор" - 28,9 мг/л (; им.Стаханова - 42,3 мг/л; "Красноармейская-Западная" № 1 --33,5 мг/л (воздухоподающий ствол, глубина 420 м). Таким образом, содержание брома, особенно в подземных водах Красноармейского района представляет интерес с точки зрения использования этих вод для лечебных целей.

Литий определялся в 294 пробах подземных вод. Промышленные содержания его 13,0 и 12,5 мг/л определены лишь в 1 пробах подземной воды, отобранных в скважине К-617 на участке Добропольском-Капитальном в интервалах 1255-1283 и 1340-1341 м. В трех скважинах (К-614, К-624, К-626) на участке Добропольском-Капитальном вода, отобранная в интервалах глубин 1236-1237, 1214-1235 и 1314-1316 м, содержит литий в концентрациях, характерных для лечебных литиевых вод 7,8; 8,0 и 6,0 мг/л. Следовательно, в будущие шахты вышеназванных участков на глубоких горизонтах могут поступать воды с промышленными и лечебными содержаниями лития.

Барий в содержаниях, нормируемых для промышленных вод (200 мг/л), определен всего в 2 пробах воды из 174: скважина 4219 на участке Красноармейском-Западном 2-3 (220,7 мг/л по данным химического анализа) и скважина К-246 на участке Северо-Родинском № 2 (664,5 мг/л по данным спектрального анализа).

Германий по данным спектральных анализов также встречен в подземных водах в концентрациях, превышающих промышленные, однако встречаемость его очень низкая, всего 2 - 4 %. Содержания германия, достигающие кондиционных, установлены в подземных и шахтных водах Красноармейского районов.

ВЫВОДЫ

Таким образом в ходе исследований была проведена статистическая обработка данных химического и спектрального анализов, построена матрица парной корреляции компонентов подземных вод. Распределение компонентов, содержание которых превышает ПДК, изучено как по ветрикали (по свитам карбона), так и по горизонтали. Построены карты площадного распространения отдельных химических элементов и соединений, анализ которых показал, что практически на всей территории района содержания большинства компонентов превышают предельно допустимые.

Выявлены зависимости между содеражаниями отдельных компонентов и их макросоставом, что позволило по результатам химического анализа воды хотябы приблизительно определить ее экологическое состояние. Это позволяет оценить перспективы использования подземных вод Красноармейского района.

Библиографический список

1.       Крайнов С.Р., Швец В.М. Гидрогеохимия. - М.: Недра, 1992. - 463 с.

2.       Лукашев К.И. Геохимическое поведение элементов в гипергенном цикле миграции. - Минск: Наука и техника,1964. - 463 с.

3.       Вредные химические вещества. Неорганические соединения элементов I-IV групп: Справочное издание/ Под ред. Филова В.А. – Л.: Химия, 1988 – 512 с.