В последнее столетие окружающая среда Восточного Донбасса подвергалась интенсивному антропогенному влиянию, которое существенно нарушает природный энерго-массоперенос, что связано преимущественно с деятельностью угледобывающего и углеперерабатывающего комплексов. Интенсивные потоки загрязнения формируются в природных водах, например в 60-е годы из угольных шахт региона откачивалось 75 млн м3 /год вод, с которыми на поверхность поступало 270 тыс. т растворенных веществ (в том числе сульфат-иона 131 и железа 0,1 тыс. т). В 2010 г. объем шахтных вод, несмотря на закрытие большинства шахт, составил 78 млн м3 /год и вынос растворенных веществ составил 411 тыс. т (SO4 – 211 и Fe – 6,5).
Предыдущими исследованиями [4–6] установлены четыре главных направления в формировании химического состава шахтных вод. Первое направление связано с образованием кислых сульфатных вод (рН до 3.0) с высокими содержаниями Fe, MN, Al, Cu и других металлов и обусловлено интенсивным развитием процессов окисления серы, содержащейся в углях и вмещающих породах.
Второе геохимическое направление характеризуется формированием хлоридно-сульфатных нейтральных вод, в незначительной степени обогащенных Fe и MN. Теперь, наряду с процессами окисления серы, приблизительно равную роль начинают играть процессы увеличения концентраций хлор-иона при углублении угольных шахт.
Третье геохимическое направление изменения состава шахтных вод фиксирует преобразование гидрокарбонатно-сульфатных вод в сульфатно-хлоридные, так как на первое место выходит процесс роста концентрации Cl– за счет притока хлоридных подземных вод. По четвертому геохимическому направлению формирования химического состава шахтных вод образуются оригинальные содовые гидрокарбонатно-сульфатно-хлоридные и хлоридные натриевые воды. Типоморфными компонентами четвертого направления являются содержания и Cl– (высокие содержания), а также Ca2+ и Mg2+ (низкие содержания).
В настоящей работе изучены основные закономерности и факторы формирования химического состава и загрязнения подземных вод каменноугольных отложений в Шахтинском (южном) угленосном районе Восточного Донбасса по результатам опробования источников и колодцев за 60-летний период. Оценка выполнена по результатам опробования в 50–60-е годы 20-го столетия, когда угледобывающая промышленность интенсивно развивалась (количество действующих шахт в отдельные годы доходило до 100) и по результатам анализов вод, выполненных в 2007–2009 гг., когда большинство угольных шахт было ликвидировано.
Анализ и количественное описание гидрогеохимических закономерностей выполнено с применением классических методов математической статистики и компьютерной технологии AGAT-2, реализующей G-метод многомерного классификационного моделирования (выделение однородных совокупностей), который основан на оригинальном критерии Z2 – Гавришина [1–3].
G-метод широко использован для построения классификаций и описания пространственно-временных закономерностей формирования объектов и систем на Земле, Луне, Марсе, Сатурне, астероидах и в дальнем космосе [2, 3]. G-метод характеризуется следующими важными свойствами: построение классификации многомерных наблюдений при отсутствии априорных сведений о таксономической структуре наблюдений (задача без учителя); использование зависимых признаков; выделение таксонов различного уровня детальности; оценка сходства-различия между однородными таксонами; определение информативности признаков.
В название вод ионы включаются при содержании более 25 % молей и компоненты располагаются в порядке возрастания содержаний. Типы вод приведены по классификации природных вод О.А. Алекина.
Изменение химического состава подземных вод каменноугольных отложений в Шахтинском районе
Шахтинский район является наиболее старой угледобывающей частью Восточного Донбасса, в которой в период опробования находилось значительное количество заброшенных шахт и отработанных угольных горизонтов. Большинство шахт района имеет незначительную глубину (до 400–500 м), и только отдельные шахты вели отработку глубоких угольных горизонтов на глубине более 600 м (например, шахты Глубокая, Артема, Степановская и др.). В геологическом отношении район приурочен к Несветаевской синклинальной структуре.
Параметры распределения содержаний компонентов химического состава подземных вод каменноугольных отложений Шахтинского района в рассматриваемые периоды приведены в табл. 1 и 2. В 50–60 гг. обобщение выполнено по результатам анализов вод 180 источников и колодцев и в 2007–2009 гг. по результатам 233 анализов вод. Изменения наглядно видны при сравнении средних значений: минерализация (М) увеличилась в 1,5 раза за счет роста содержаний большинства компонентов, что свидетельствует о существенном развитии процессов загрязнения грунтовых вод в Шахтинском угленосном районе.
Таблица 1
Химический состав подземных вод Шахтинского района (50–60-е годы)
Компонент |
Хср |
Ме |
Xmin |
Xmax |
S |
рН |
7,2 |
7,0 |
5,0 |
8,2 |
0,45 |
HCO3 |
374 |
366 |
134 |
744 |
110 |
SO4 |
679 |
593 |
53 |
4200 |
501 |
Cl |
118 |
61 |
18 |
1400 |
166 |
Ca |
166 |
148 |
30 |
525 |
83 |
Mg |
65 |
59 |
12 |
231 |
37 |
Na |
231 |
203 |
2 |
1360 |
187 |
M |
1566 |
1400 |
356 |
6520 |
935 |
Примечания: Хср – среднее значение; Ме – медиана; Xmin – минимальное значение; Хmax – максимальное значение; S – стандартное отклонение.
Таблица 2
Химический состав подземных вод Шахтинского района (2007–2009 гг.)
Компонент |
Хср |
Ме |
Xmin |
Xmax |
S |
рН |
7,2 |
7,2 |
6,2 |
9,8 |
0,6 |
HCO3 |
345,1 |
337 |
61,0 |
943,0 |
111,7 |
SO4 |
868,6 |
703 |
118,0 |
2804,0 |
538,2 |
Cl |
435,4 |
379 |
39,0 |
1679,0 |
327,9 |
Ca |
209 |
220 |
16,0 |
473,0 |
103,3 |
Mg |
87 |
73 |
10,0 |
292,0 |
53,8 |
Na |
443,6 |
448 |
30,0 |
1253,0 |
246,2 |
M |
2315,1 |
2016 |
558,0 |
5434,0 |
991,1 |
Но наиболее детальные и интересные результаты получены после выделения и анализа однородных гидрогеохимических видов с помощью многомерного классификационного G-метода по компьютерной программе AGAT-2 [2, 3] (табл. 3, 4).
Расположение однородных гидрогеохимических видов по мере возрастания минерализации и анализ графиков в координатах: «минерализация – содержание компонентов» позволили выделить три основных варианта закономерных изменений содержаний ионов, которые довольно существенно отличаются по своим параметрам и происхождению (к четвертому варианту отнесена одна проба А.4 содового состава).
Таблица 3
Состав однородных гидрогеохимических видов подземных вод каменноугольных отложений Шахтинского района (50–60-е годы)
Вариант |
Вид |
рН |
Компонент (мг/л и % – моль) |
||||||
НСО3 |
SO4 |
Cl |
Ca |
Mg |
Na |
М |
|||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
1 |
1.12 |
7,2 |
242 59 |
86 27 |
33 14 |
75 55 |
18 21 |
39 24 |
398 |
1.14 |
7,6 |
219 29 |
349 59 |
51 12 |
72 32 |
47 35 |
91 33 |
776 |
|
1.10 |
7,0 |
232 41 |
217 48 |
37 11 |
83 42 |
24 20 |
89 38 |
613 |
|
1.02 |
7,1 |
335 42 |
298 48 |
45 10 |
103 39 |
37 23 |
121 38 |
829 |
|
1.04 |
7,5 |
359 45 |
270 43 |
54 12 |
150 55 |
51 32 |
42 13 |
865 |
|
1.05 |
8,0 |
337 32 |
504 61 |
42 7 |
145 40 |
46 22 |
164 38 |
1080 |
|
1.03 |
7,0 |
323 29 |
483 55 |
103 16 |
135 37 |
47 21 |
188 42 |
1180 |
|
1.08 |
7,1 |
439 40 |
456 52 |
53 8 |
87 24 |
52 23 |
233 53 |
1210 |
|
1.17 |
7,3 |
393 30 |
580 57 |
94 12 |
216 50 |
61 24 |
134 26 |
1390 |
|
1.01 |
7,3 |
368 27 |
700 66 |
47 6 |
141 32 |
63 23 |
238 45 |
1470 |
|
1.11 |
7,0 |
541 36 |
613 52 |
107 12 |
125 24 |
58 19 |
349 57 |
1550 |
|
2 |
1.13 |
7,3 |
236 17 |
819 74 |
78 9 |
283 56 |
76 25 |
116 19 |
1710 |
1.16 |
6,1 |
370 23 |
820 65 |
107 12 |
160 30 |
70 21 |
317 49 |
1810 |
|
1.06 |
7,2 |
378 20 |
1050 71 |
92 8 |
177 28 |
86 23 |
362 49 |
2070 |
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
2 |
3.01 |
7,0 |
404 16 |
1460 74 |
140 10 |
303 37 |
115 23 |
391 40 |
2810 |
А.3 |
6,0 |
134 2 |
4200 95 |
70 2 |
445 25 |
122 11 |
1370 64 |
6520 |
|
3 |
1.15 |
7,1 |
392 47 |
187 28 |
123 25 |
100 35 |
26 25 |
169 50 |
855 |
1.07 |
7,0 |
350 32 |
348 40 |
177 28 |
158 43 |
58 26 |
140 31 |
1100 |
|
1.09 |
7,1 |
365 24 |
678 56 |
174 20 |
207 40 |
73 24 |
226 36 |
1720 |
|
2.01 |
7,1 |
583 24 |
989 52 |
343 24 |
203 25 |
87 18 |
556 57 |
2590 |
|
А.1 |
7,2 |
457 16 |
1230 56 |
460 28 |
295 32 |
125 22 |
506 46 |
3082 |
|
А.2 |
7,0 |
744 16 |
1390 37 |
1300 47 |
206 13 |
231 25 |
1156 62 |
5588 |
|
4 |
А.4 |
6,8 |
733 77 |
144 19 |
21 4 |
160 51 |
29 15 |
120 34 |
870 |
По первому гидрогеохимическому варианту под влиянием природных факторов наиболее существенный вклад в минерализацию вод вносят сульфат-ион, натрий и магний. На фоне общих природных закономерностей формирования среднеминерализованных вод в зоне аридного климата за счет нарастания содержаний SO4 незначительную роль в составе подземных вод начинают играть сульфатные шахтные воды. Во второй гидрогеохимический вариант вошли виды 1.13, 1.16, 1.06, 3.01 и А.3 (табл. 3), которые представляют собой по составу шахтные воды с пониженным значением рН (у вида А.3 – слабокислая среда) и очень высокими концентрациями SO4 (до 4,2 г/л).
В третьем гидрогеохимическом варианте отмечается влияние не только сульфатных шахтных вод, но также и хлоридных; содержания Cl достигают нескольких сотен миллиграмм на литр. Гидрогеохимические виды 1.09, 2.01, А.1, А.2 по составу приближаются к шахтным водам второго и третьего направлений изменения состава шахтных вод (подробное описание направлений во введении). Среди грунтовых вод района обнаружена только одна проба содового состава, которая классифицирована как аномальное наблюдение А.4 (табл. 3) и выделена в четвертый вариант.
Для Шахтинского угленосного района четко фиксируется роль сульфатных и частично хлоридных шахтных вод в формировании химического состава подземных вод каменноугольных отложений и распространении потоков загрязнения на обширные территории. К потокам загрязнения подземных вод шахтными водами в Шахтинском районе в 50–60 гг. отнесено 55 % проб из источников и колодцев.
Анализ данных опробования 2007–2009 гг. (табл. 4) показал, что по первому гидрогеохимическому варианту наиболее существенный вклад в минерализацию вносят сульфат-ион, гидрокарбонат-ион и натрий. Следовательно, гидрогеохимические виды 1.04, А1, 3.01 соответствуют общей природной закономерности формирования среднеминерализованных вод в зоне аридного климата. Во втором гидрогеохимическом варианте существенную роль начинает играть хлор-ион, за счет притока в шахты со значительных глубин подземных вод хлоридного состава. Эти шахтные воды в свою очередь оказывают влияние на состав подземных вод и повышают содержание Cl до 1,6 г/л.
В третьем варианте существенную роль в составе подземных вод играют сульфатные шахтные воды. Теперь по составу это практически шахтные воды с очень высокими концентрациями SО4, которые сформировались после массовой ликвидации угольных шахт (табл. 4). Анализ данных убедительно свидетельствует, что образуются интенсивные потоки загрязнения, к которым отнесено 90 % наблюдений.
Таблица 4
Состав однородных гидрогеохимических видов подземных вод каменноугольных отложений Шахтинского района (2007–2009 гг.)
Вариант |
Вид |
рН |
Компонент (мг/л и % – моль) |
||||||
НСО3 |
SO4 |
Cl |
Ca |
Mg |
Na |
М |
|||
1 |
1.04 |
7,5 |
348 52 |
162 31 |
66 21 |
69 32 |
37 29 |
69 39 |
632 |
А.1 |
7,8 |
306 42 |
207 37 |
88 21 |
144 62 |
29 21 |
45 17 |
742 |
|
3.01 |
7,1 |
422 31 |
483 45 |
188 24 |
180 42 |
44 17 |
197 40 |
1380 |
|
2 |
1.05 |
8,6 |
136 9 |
524 43 |
445 49 |
63 12 |
22 7 |
496 81 |
1560 |
5.01 |
9,0 |
206 12 |
419 31 |
564 57 |
38 7 |
32 9 |
561 84 |
1680 |
|
1.07 |
8,1 |
291 16 |
473 33 |
551 51 |
62 10 |
34 9 |
578 81 |
1880 |
|
1.06 |
6,9 |
357 22 |
609 47 |
306 32 |
260 48 |
67 21 |
195 31 |
1710 |
|
А.2 |
6,9 |
406 15 |
948 43 |
675 42 |
305 33 |
102 18 |
518 49 |
1848 |
|
1.01 |
7,1 |
346 18 |
701 46 |
397 36 |
196 30 |
74 19 |
377 51 |
2030 |
|
4.01 |
7,4 |
238 5 |
1360 37 |
1600 58 |
323 20 |
173 18 |
1150 62 |
4730 |
|
3 |
1.03 |
7,1 |
276 9 |
1880 79 |
205 12 |
382 38 |
142 23 |
449 39 |
3360 |
1.08 |
7,2 |
415 12 |
1590 59 |
565 29 |
221 19 |
188 27 |
709 54 |
3670 |
|
1.02 |
7,4 |
449 14 |
1940 74 |
239 12 |
367 33 |
142 21 |
590 46 |
3720 |
|
2.01 |
7,2 |
473 12 |
2270 76 |
251 11 |
395 31 |
170 22 |
679 47 |
4130 |
|
6.01 |
7,2 |
496 13 |
1990 64 |
496 23 |
307 24 |
179 24 |
745 52 |
4170 |
Заключение
Анализ формирования химического состава подземных вод каменноугольных отложений в Шахтинском районе Восточного Донбасса с помощью G-метода классификационного моделирования позволил выявить важные пространственно-временные закономерности. В связи с ликвидацией шахт процесс загрязнения подземных водоносных горизонтов значительно усилился. За период с 1950 по 2009 год минерализация вод в среднем увеличилась с 1,6 до 2,3 г/л, прежде всего за счет роста содержаний SО4 (до 2,8), Cl (до 1,7) и Na (до 1,3 г/л).
Массовая ликвидация угольных шахт привела в 2007–2009 гг. к тому, что доля вод, отнесенных к потокам загрязнения, повысилась с 55 до 90 %. Стала очевидной неотложность решения проблем охраны водных объектов от загрязнения, необходимость проведения широких реабилитационных мероприятий и строительства очистных сооружений в регионе [5, 6].
Библиографическая ссылка
Гавришин А.И., Борисова В.Е., Торопова Е.С. О ФОРМИРОВАНИИ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ШАХТИНСКОМ УГЛЕНОСНОМ РАЙОНЕ ВОСТОЧНОГО ДОНБАССА // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 5. – С. 111-115;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35908 (дата обращения: 17.08.2024).