Abstract
Osipenko A.B. - The geochemistry of underground waters of Donbass coal-mining deposits (on the example of Krasnoarmeysk region).In the article the estimation of macro- and microcomponential structure of mining waters of Donetsk region from the points of view of their negative influence to the environment is conducted. The estimation of distribution of the componrnts along the suits of carbon is given. The conclusions about the corelation connection of microcomponents with the quantity of miniralization are made. Contens of the chemical elements I, II and III classes of denger in the mining waters of the region ar analyzed.

Необходимость изучения химического состава подземных вод угленосных месторождений юго-западной части Донбасса связана как с использованием их населением в хозяйственно-бытовых и питьевых целях, так и с тем, что при разработке угольных месторождений эти воды могут быть источником солей, а также микроэлементов с содержаниями, отрицательно влияющими на окружающую среду, прежде всего на поверхностные воды.

Основными геологическими факторами, обуславливающими формирование химического состава подземных вод Красноармейского района, являются: наличие мощной толщи покровных отложений, 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 ходе исследований было изучены результаты химического и спектрального анализа 181 пробы подземных вод комплекса каменноугольных отложений района. В результате анализов в подземных водах района обнаружено 40 элемента.

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.

Основными макрокомпонентами подземных вод района являются сульфат- и хлорид-ионы. Повышенные содержания сульфатов ухудшают органолептические свойства воды и оказывают физиологическое воздействие на организм человека. Поскольку сульфат обладает слабительными свойствами, его предельно допустимая концентрация строго регламентируется нормативными актами. Содержание сульфатов в количествах более 500 мг/л (ПДК) в подземных водах каменноугольных отложений Красноармейского района отмечено участках Северо-Родинский, Красноармейский-Западный 2-3, Терешковский № 3, достигая 2494 мг/л.

Содержание хлоридных ионов в подземных водах практически повсеместно в превышает ПДК (350 мг/л). Максимальными величинами содержания хлоридов характеризуется участок Самарский-Капитальный, где на глубине 1424 м зафиксировано содержание хлора 73888 мг/л.

Рисунок 1 - Графики зависимости содержания отдельных компонентов подземных вод Красноармейского района от минерализации (y= - уравнение регрессии; R2 - величина достоверности апроксимации)

При увеличении минерализации воды содержание ионов хлора увеличивается (рис. 1.а), 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 Красноармейском районе, где с глубины 500 м и более г/л подземные воды с минерализацией более 3 г/л (иногда 100 и более г/л) 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 котлах, непригодна для многих отраслей промышленности. Допустимая величина общей жесткости по действующему ГОСТу 2874-82 - 7,0 мг-экв/л, по согласованию с органами санитарно-эпидемиологической службы - не должна быть более 10 мг-экв/л. Для Красноармейского района характерны высокие значения жесткости - от 0,3 до 364,9 мг-экв/л, причем встречаемость вод с величиной жесткости свыше 10 мг-экв/л составляет 77 %, и только 12 % проб воды имеют жесткость соответствующую ГОСТу (<7,0 мг-экв/л).

Таким образом, по величине общей жесткости подземные воды угольных месторождений района непригодны для хозяйственно-питьевых целей. В результате проведенных исследований выявлено, что величина общей жесткости находится в прямой зависимости от величины минерализации вод (r=0,81) (рис.1.б) и обратной зависимости от рН (r=0,39).

Величина водородного показателя рН на всей территории района находится преимущественно в пределах 6,5-8,5, что соответствует ГОСТу. Однако на участках Самарский - Капитальный, Добропольский - Капитальный, Красноармейский - Западный №2-3 на глубинах 747-1237 м скважинами вскрыты воды с рН=5,4-6,0; 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.

В Красноармейском районе Fe2+ (Fe3+ - не обнаружено) повсеместно содержится в подземных водах каменноугольных отложений на участке Добропольский-Капитальный, Северо-Родский (0,1-1 мг/л) (при ПДК=0,3 мг/л), Терешковский №3 (до 41,2 мг/л), Красноармейский - Западный № 2-3 (до 80,2 мг/л).

Распределение микроэлементов с содержаниями, превышающими ПДК, в подземных водах различных свит карбона приведено в таблице 1.

Таблица 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. 1), причем максимальное количество их сосредоточено в свите С27.

Из токсичных элементов (фтор, мышьяк, свинец, стронций, ниобий, бериллий, молибден, селен) в подземных водах района в концентрациях, превышающих ПДК, обнаружены по данным химических и спектральных анализов фтор и стронций. Остальные элементы находятся в содержаниях ниже предела чувствительности определения (не обнаружено) или же на 2-3 порядка ниже ПДК; молибден - максимальное содержание 0,168 мг/л преобладающие 0,004-0,006 мг/л, уран (по данным химического анализа) встречается повсеместно с содержанием nЧ10-7 - nЧ10-5 мг/л, с одержание свинца не превышает 0,09 мг/л, бериллий не был обнаружен.

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).

В подземных водах встречается практически повсеместно, встречаемость составляет более 85%, максимальные содержания достигают 9,3 мг/л. Связь с глубиной залегания вод и степенью их минерализации обратная. Коэффициенты корреляции содержания фтора с глубиной изменяются в пределах от 0,04 до 0,28. С увеличением минерализации уменьшается содержания фтора, коэффициенты корреляции имеют обратный знак минус. Заметная корреляционная связь наблюдается между величиной pH и содержанием фтора (r= -0,54-(-0,86)); с величиной общей жесткости связь отрицательная и очень слабая (r= -0,002-(-0,31)); Максимальные фоновые содержания фтора в подземных водах приурочены в большинстве случаев к сульфатным натриевым с минерализацией до 5 г/л и величиной pH в пределах 6,5-8,5, в шахтных водах с гидрокарбонатным натриевым (Сф=1, мг/л) с минерализацией до 1 г/л при тех же значениях pH. Заметная корреляционная связь прослеживается с содержанием рубидия и мышьяка (r=0,85). С бором и стронцием, cодержания которых находятся в прямой зависимости от минерализации и глубины, фтор имеет слабую обратную зависимость.

Стронций в каменноугольных отложений Донецкой области встречается довольно часто (встречаемость 34-40%). Особенно высокое содержание его отмечено в Красноармейском районе, достигающее по данным спектрального анализа 905,3 мг/л. Максимальное содержание стронция 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).

В подземных водах встречается повсеместно, достигая, по данным спектрального анализа, максимальных величин 905,3 мг/л в Красноармейском районе (скв.К-465, участок Добропольский-Капитальный). 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.

Распределение стронция в водах различных гидрохимических типов неравномерно. Содержание его колеблется от 0 до 625 мг/л, максимальные количества характерны для высокоминерализованных и рассольных вод. Максимальными фоновыми содержаниями (Сф) характеризуются хлоридные натриевые (магниевые) воды с минерализацией 10 и более г/л (94,41 мг/л - Красноармейский район). Установлена от слабой до умеренной корреляционная связь содержаний стронция с глубиной (r=0,22-0,49) и от умеренной до высокой с минерализацией и общей жесткостью (r от 0,22 до 0,84). В Краснодарском районе наблюдается умеренная корреляционная связь с величиной рН. С другими микроэлементами прослеживается связь различной силы, причем корреляционная связь между одинаковыми парами величин неодинакова в различных угленосных районах, что, очевидно, объясняется содержанием стронция в водовмещающих породах.

Для Красноармейского района можно выделить группы микроэлементов, для которых обнаруживается, независимо от гидрохимического типа вод, заметная корреляционная связь с содержанием стронция: Mn, Ni, Cu, Li, Rb, Br.

Связь содержания стронция с величиной минерализации приведена на рис.1.

Зависимость содержания стронция от гидрокарбонатного иона в слабоминерализованных гидрокарбонатных водах весьма изменчива, но в основном прямая, в водах других составов - обратная. Аналогичная зависимость прослеживается с сульфат - ионом, т.е. с увеличением содержания сульфат-иона в слабо- и сильноминерализованных водах при Cl- SO42- происходит уменьшение SO42-, а содержание стронция увеличивается Связь содержаний стронция относительно хлора прямая. Наблюдается также четкая прямая связь в водах различного состава с кальцием и магнием; относительно натрия и хлоридных натриево-кальциевых и хлоридных магниевых водах - обратная, в прочих - прямая. Связь содержания стронция с минерализацией для всех химических типов вод прямая, коэффициенты корреляции содержания стронция с минерализацией в подземных водах 0,54.

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

В подземных водах концентрируется преимущественно в хлоридных натриевых, сульфатных натриевых, гидрокарбонатных натриевых (кальциевых), содержание его максимально в высокоминерализованных водах на глубоких горизонтах. Фоновые содержания в хлоридных натриевых водах изменяется по угленосным районам в пределах 0,001-0,006 мг/л, что значительно выше общих фоновых содержаний 0,001-0,06 мг/л. Каких-либо явных закономерностей распределения мышьяка установить не удалось. В основном для него характерны слабые связи со степенью минерализации - коэффициенты корреляции изменяются в пределах 0,04-0,55, чаще связь положительная, примерно такие же закономерности связи мышьяка с глубиной, рН и общей жесткостью. Из других микроэлементов прослеживается умеренная корреляционная связь содержаний мышьяка с фтором (r=0,46) в подземных водах Красноармейского района).

Из проблематично-токсичных элементов в подземных водах каменноугольных отложений Донбасса в концентрациях, превышающих ПДК, обнаружены барий, марганец, бром, цинк, никель, медь, висмут, титан, ванадий, кобальт, остальные - хром и вольфрам находятся в содержаниях, значительно меньших ПДК, а ртуть, сурьма и теллур - не обнаружены.

Кадмий обнаружен в 2 пробах воды из 200. Содержание его составляет 0,03-0,035 мг/л (скв. К-362, участок Терешковский №3 глубина отбора 531 и 964 м, водоносные песчаники h8sh10 и f21sf1).

Барий определяется как спектральным, так и химическим анализом. В содержаниях более 4,0 мг/л встречен во всех районах, максимальное содержание его установлено в Красноармейском районе-664.5 мг/л (скв. К-246, участок Северо-Родинский) по данным спектрального анализа. 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. В содержаниях, нормируемых для промышленных вод (200 мг/л), определен всего в 2 пробах воды из 174. Обе пробы воды отобраны в скважинах Красноармейского района: 4219 на участке Красноармейском-Западном 2-3 (220,7 мг/л по данным химического анализа) и К-246 на участке Северо-Родинском № 2 (664,5 мг/л по данным спектрального анализа).

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 Красноармейского района (скв.4328, участок Красноармейский-Западный 2-3; К-362, участок Терешковский 3; скв.4501, участок Соленовский 3).

Ртуть в ПВ каменноугольных отложений Красноармейского района не обнаружена.

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).

Висмут определялся в 21 пробе воды, обнаружен в 16, с концентрацией, превышающей ПДК в районе не обнаружен.

Вольфрам в пробах воды определялся довольно редко - всего в 5 пробах, содержание его 0,009-0,03 мг/л, что на 2-3 порядка ниже ПДК (0,1 мг/л).

Титан по данным химических анализов в многочисленных пробах воды не обнаружен, по данным спектральных анализов он встречается повсеместно (встречаемость 100 %). Содержание титана в ПВ района колеблется от 0,001 до 13,79 мг/л. причем количество проб, в которых его содержание превышает ПДК (0,1 мг/л), составляет 80,9 %. Наиболее высокие содержания титана характерны для участков Северо-Родинский, Красноармейский-Западный 2-3, Терешковский 3.

Марганец встречается в водах довольно часто, особенно в Красноармейском районе, где 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 в Красноармейском районе.

Закономерности распределения его в водах различных химических типов (табл.36) сложные и неоднозначные. Но максимальные фоновые содержания марганца района характерны для хлоридных вод. Отношение содержаний марганца к величине минерализации не однозначно в различных гидрохимических типах вод. В хлоридных натриевых водах максимальные его содержания находятся в маломинерализованных водах, сульфатных натриевых - в среднеминерализованных. Величина рН не является определяющей для его содержания, это, как правило, часто встречаемые воды с рН от 6,5 до 8,5, однако для шахтных вод зависимость с рН обратная, т.е. максимальные его содержания тяготеют к кислым водам. Величина коэффициента корреляции между содержанием марганца и рН в шахтных водах от -0,29 до 0,71, т.е. от слабой до высокой корреляционной связи. Как в подземных, так и в шахтных водах наблюдается связь содержания марганца от слабой до заметной с минерализацией (r=0,26-0,63) и общей жесткостью (r=0,38-0,61). В подземных водах содержание марганца имеет связь: слабую - с бором (r=0,31) и хромом (r=0,34), заметную - с никелем (r=0,53-0,86), медью (r=0,37-0,61), высокую - с рубидием (r=0,71); в шахтных водах: слабую - с медью (r=0,23), заметную - с никелем (r=0,51) и стронцием (r=0,61).

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), максимальное содержание встречены в хлоридно-натриевых водах с минерализацией 90-110 г/л (участки Добропольский-Капитальный, Красноармейский-Западный 2-3).

Промышленные содержания брома в подземных и шахтных водах не обнаружены, лечебные содержания установлены в подземных и шахтных водах Красноармейского района. Максимальных содержаний 181,6 мг/л бром достигает на участке Добропольском-Капитальном (скв.К-617, песчаник m40Sm42 в интервале глубин 1317-1430 м). Встречаемые лечебные содержания брома приведены в табл.30. 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. Высокие содержания брома в подземных водах района объясняются высокой встречаемостью его с высоким содержанием, в 44 пробах воды из 159 (29 %) бром встречен с содержанием более 25 мг/л.

Встречается во всех химических типах подземных вод. Максимальных содержаний достигает в высокоминерализованных водах хлоридного натриевого состава. Так, фоновые содержания брома в высокоминерализованных водах (>10 г/л) Красноармейского района составляют 24,1 мг/л (подземные воды) и 34,52мг/л (шахтные воды). Тенденция изменения содержания брома в водах в зависимости от их минерализации не зависит от химсостава воды. Если проследить фоновые содержания брома в подземных и шахтных водах различных угленосных районов в зависимости от гидрохимических типов вод, а также от величины минерализации, можно сделать вывод, что определяющим фактором содержания брома в воде является ее минерализация. Так как хлоридные воды характеризуются высокой степенью минерализации, то высокие содержания брома в большинстве случаев приурочены к ним. Коэффициенты брома с минерализацией чаще всего положительные, т.е. связь прямая, чаще умеренная (r>0.31) или же заметная (r>0,51). Связь содержания брома с натрием, кальцием и магнием преимущественно прямая, причем коэффициент корреляции >0,5 отмечается в гидрокарбонатных и сульфатных натриевых, хлоридных натриево-кальциевых и хлоридных магниевых водах. Закономерная связь содержания брома с содержанием сульфат-иона и гидрокарбонат-иона отсутствует в водах различного химического состава, коэффициенты корреляции содержания брома с сульфат-ионом имеют обратный знак и малые величины. С другими микроэлементами, обнаруженными в подземных и шахтных водах, бром имеет слабую корреляционную связь, проявляющую не повсеместно: со стронцием r=0,69; с литием и рубидием r=0,71 и 0,61.

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.

Распределение содержаний меди в подземных и шахтных водах аналогично распределению содержаний никеля, максимальные фоновые содержания к хлоридным натриевым водам. Если проследить величины фоновых содержаний меди в пределах одной гидрохимической зоны, вырисовывается закономерное увеличение содержаний с востока на запад, максимальные содержания характерны для Красноармейского района (табл.36). Между содержанием меди и глубиной прослеживается умеренная корреляционная связь; высокая прямая связь (r=0,36-0,75) прослеживается с минерализацией; обратная, чаще умеренная, связь с величиной рН и от умеренной до высокой (r=0,30-0,76) наблюдается связь с общей жесткостью воды. В подземных водах Красноармейского района наблюдается довольно заметная и даже высокая связь содержаний меди с теми микрокомпонентами, содержание которых находится в прямой зависимости от величины минерализации воды: стронцием ((r=0,35), марганцем и никелем (r=0,59), цинком (r=0,35), хромом (r=0,36),в других районах чаще всего прослеживается связь со стронцием, марганцем, реже с никелем, хромом и цинком.

Цинк встречается довольно часто (76-88%), максимальное содержание его составляет по данным химических анализов 2,4 мг/л (Донецко-Макеевский район), по данным спектральных анализов сухих остатков воды-0,59 мг/л (Южнодонбасский район), причем максимальным количеством проб воды с содержаниями, превышающими ПДК, характеризуются подземные воды Красноармейского района. 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.

Изучение содержания цинка в подземных и шахтных водах различных химических типов показало, что закономерной принадлежности его к различному типу вод не наблюдается. Максимальные фоновые содержания характерны для гидрокарбонатных натриевых вод. Четкого закономерного изменения содержаний цинка в водах с глубиной залегания водоносных горизонтов не наблюдается, максимальные фоновые содержания в интервалах глубин, в которых получили распространение следующие химические типы вод: гидрокарбонатные натриевые - 300-500 м для подземных вод, сульфатные натриевые - от 100 до 1000 м (в различных районах на разных глубинах), хлоридные натриевые - глубже 1000 м. Такая же примерно закономерность вырисовывается при рассмотрении фоновых содержаний цинка в зависимости от минерализации и величины рН: для гидрокарбонатных натриевых вод минерализация 1-3 г/л и рН более 8,5; для сульфатных натриевых и хлоридных натриевых - 3-5 или 5-10 г/л, рН=6,5-8,5 (для Красноармейского района рН менее 6,5). Корреляционная связь между содержанием цинка, глубиной, минерализацией, величиной рН и общей жесткостью очень слабая, часто обратная (r=-0,001 ё- -0,134).

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 (Красноармейский район). По большинству проб воды содержание никеля превышает ПДК для вод рыбохозяйственного назначения и только в 12 пробах воды (11 из них в Красноармейском районе) превышает ПДК по санитарно-токсилогическому показателю вредности для вод хозяйственно-питьевого назначения.

Содержание никеля в подземных и шахтных водах невелико. Основная масса проб воды содержит никель в количестве 0,0048-0,027 мг/л. Повсеместное распространение никеля прослеживается в сульфатных натриевых водах с фоновыми содержаниями 0,005-0,09 мг/л в подземных и 0,004-0,03 мг/л в шахтных водах. Максимальные фоновые содержания приурочены к хлоридным или сульфатным натриевым водам (табл.2). Содержание никеля имеет прямую связь с минерализацией (r=0,25-0,63), глубиной (r=0,30-0,41), величиной общей жесткости (r=0,29-0,51). Умеренная положительная связь содержаний никеля в подземных водах прослеживается с медью (r=0,26-0,59), цинком (r=0,37-0,50), марганцем (r=0,36-0,86), стронцием (r=0,40-0,52), заметная связь с хромом (r=0,48-0,86).

Кроме перечисленных микроэлементов, в подземных водах каменноугольных отложений спектральным анализом определены цирконий, лантан, серебро, олово, иттербий, церий, иттрий, галлий, германий, скандий. Содержание их приведены в таблице 5. С точки зрения вредности содержание перечисленных микроэлементов не лимитируется.

В результате проведенного анализа данных о содержаниях токсичных и проблематично токсичных элементов в шахтных водах установлено:

1. Из токсичных элементов по данным химических анализов в содержаниях, превышающих ПДК выявлены фтор и стронций, по данным спектральных анализов и бериллий.

2. Из проблематично-токсичных элементов в содержаниях, превышающих ПДК, по данным химических анализов: Mn, Zn, Br, Ni, спектральных анализов: Cu, Ba, V, Co, Ti.

3. Содержание фтора, стронция, марганца, брома, бария, титана и ванадия превышают ПДК для водных объектов хозяйственно-питьевого и культурно-бытового водопользования.

4. Содержание цинка, никеля, меди и кобальта превышают ПДК для водных объектов рыбохозяйственного назначения.

Анализ микроэлементного состава подземных вод каменноугольных отложений юго-западной части Донбасса 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.

Бор в подземных и шахтных водах промышленных содержаний не достигает, фоновые содержания его в подземных водах . В 2 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 d3Sd4 на глубине 575 м, минерализация воды 46,5 г/л; скв.К-470 (участок Терешковский № 3), водоносный песчаник F21Sf1 в интервале глубин 890-916 м, минерализация воды 19,7 г/л. 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.

Встречается во всех химических типах подземных вод, максимальных содержаний достигает в высокоминерализованых хлоридных натриевых водах в интервале глубин их распространения. Максимальными фоновыми содержаниями характеризуются подземные воды Красноармейского района 90,58-1,45 мг/л). Зависимость содержания бора от минерализации содержания хлора в водах разного состава прямые. Преобладает положительное корреляционное соотношение бора с минерализацией в шахтных водах r=0,21-0,35, в подземных r=0,01-0,28. Взаимосвязь бора с кальцием и магнием прямая в хлоридных натриевых и сильноминерализованных хлоридных магниевых водах, по соотношению к натрию и хлору - прямая в водах любого состава, с гидрокарбонат-ионом и сульфат-ионом - сложная. Прослеживается преимущественно положительная слабая связь содержания бора с глубиной (r=0,26-0,28) и общей жесткостью (r=0,31-0,32) и отрицательная с рН (r=0,21+-0,85). С другими элементами химсостава связь неопределенная, а точнее не прослеживается. Прослеживается связь содержаний бора в подземных водах с марганцем (r=0,31) в Красноармейском районе.

Литий определялся в 294 пробах подземных и 262 пробах шахтных вод. Промышленные содержания его 13,0 и 12,5 мг/л определены лишь в 2 пробах подземной воды, отобранных в скважине К-617 на участке Добропольском-Капитальном в интервалах 1255-1283 м (песчаник m5Sm51В) и 1340-1341 м (песчаник m42Sm44), а также в 1 пробе воды (21,0 мг/л), отобранной из скв.91-Ю на участке Южнодонбасском № 4 в интервале 624-628 м (песчаник с43Sс61). 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 из песчаников m40Sm42 и m4Sm40, 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.

Содержание лития как в подземных, так в шахтных водах изменяется от долей до 21,0 мг/л. В максимальных количествах он содержится в высокоминерализованных хлоридных натриевых (магниевых) водах глубоких горизонтов, в водах другого состава его содержание мало. Отсюда наличие хотя и слабой тенденции лития к положительной связи с глубиной (r=0,28-0,58 в подземных и 0,44-0,65 в шахтных водах), со степенью минерализации (r=0,5-0,70 в подземных и r=0,32-0,73 в шахтных водах), с содержанием хлора, магния, натрия (рис.2). Фоновые содержания лития в подземных водах сульфатно-натриевого состава 0,04 (Красноармейский район), в хлоридных натриевых - 0,79 мг/л (Красноармейский район). В водах гидрокарбонатного состава литий встречен в единичных пробах воды с содержаниями 0,02-0,09 мг/л. Если же проследить связь содержаний лития с величиной минерализации, то прослеживается четкая зональность: с увеличением минерализации увеличивается содержание лития (рис.2г). Прослеживается также надежная корреляционная связь содержаний лития с другими микроэлементами: Sr/0,9; Rb/0,87; Br/0,81.

Хром приурочен в основном к хлоридному натриевому типу вод с минерализацией более 5 г/л.

В общем случае для Красноармейского района характерны аномальные содержания следующих элементов: бром, бор, стронций, литий, рубидий, цинк, марганец, медь, никель, причем наиболее высокие содержания большинства элементов приурочены к хлоридно-натриевым водам (табл. 3).

Таблица 3 - Фоновые и аномальные значения содержания микроэлементов для подземных вод Красноармейского района (в мг/л).

Кроме того, проанализированы закономерности микроэлементного состава зон тектонических нарушений района (табл. 2). Из таблицы следует, что зоны тектонических нарушений, независимо от глубины их вскрытия, дренируют воды хлоридного натриевого состава. Содержание меди, марганца, бора и брома превышает фоновые и ПДК в хлоридных натриевых водах, причем с увеличением минерализации содержание их увеличивается. Следовательно, в районах с интенсивной тектонической нарушенностью можно встретить высокоминерализованные хлоридные воды на незначительных глубинах, в которых содержатся в значительных концентрациях микроэлементы, присущие данному району. Отдельные водоносные горизонты содержат подземные воды, которые являются аномальными или промышленными рассолами на некоторые микроэлементы.

В зависимости от химических типов вод и степени их минерализации прослеживаются следующие ассоциации микроэлементов в порядке убывания концентраций:

1. слабоминерализованные гидрокарбонатные воды (максимальные фоновые концентрации) - Br, F, Sr, B, Mn, Li, Ni, Zn, As, Cr, Cu, Rb;

2. мало- и среднеминерализованные сульфатные (натриевые, магниевые, кальциевые) воды: Br, Sr, F, B, Mn, Zn, Li, Ni, Cu, As, Rb,Cr;

3. средне- и высокоминерализованные хлоридные (натриевые, кальциевые, магниевые) воды: Sr, Br, Mn, B, Li, F, Cu, Cr, Zn, Rb, As, Ni.

Таким образом, можно сделать вывод, что шахтные воды являются одним из основных источников загрязнения поверхностных и подземных вод Донецкой области опасными для здоровья человека химическими элементами и соединениями, что требует принятия безотлагательных мер по очистке и рациональному использованию сбрасываемых в гидрографическую сеть шахтных вод.

Библиографический список

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

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