Стронцийсодержащие питьевые подземные воды Вологодской области и проблемы их использования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Проблема стронция в питьевых подземных водах

1.1 Обобщенная оценка состояния проблемы

1.2 Источники тематической информации

1.3 Изученность проблемы в теоретическом аспекте

1.4 Проблема стронция за рубежом и в некоторых регионах России

2. Материалы и методы исследования

2.1 Материалы исследования

2.2 Методы исследования

3. Геоэкологическая характеристика Вологодской области

3.1 Физико-географическая характеристика

3.2 Специфика населения

4. Стронций в питьевых подземных водах Вологодской области

4.1 Региональная экологическая гидрогеохимия элемента

4.2 Очистка воды с использованием природных сорбентов

Заключение

Список использованных источников

стронций подземный гидрогеохимия вода



Введение

Стронций относится к тем элементам, избыточное содержание которых в природных водах создает угрозу для их использования, прежде всего, в качестве питьевой воды. Питьевая вода играет очень важную роль в жизни всех живых организмов, ведь сама эта жизнь, как биологический процесс, обеспечивается за ее счет.

Природные и, в частности, подземные воды-источники питьевой воды, могут идти в употребление двумя известными путями [1]:

- без предварительной подготовки, в случае, если вода не содержит каких-либо опасных загрязнителей (что сейчас, к сожалению, редко);

- через предварительную подготовку, которая продиктована необходимостью очистки воды в целях сохранения здоровья населения.

Стронций, по причине своего токсического характера, попадает под категорию опасных загрязнителей (элемент и некоторые его соединения имеют классы опасности со II по IV), потому очистка воды в его случае имеет обязательный характер [2].

Высокое содержание стронция в воде имеет, как правило, естественные причины. При поступлении в организм этот биологически активный элемент вызывает деформацию костной ткани в результате изоморфной замены кальция. Если природная питьевая вода содержит отношение кальция к стронцию меньше 100, то ее употребление чревато распространением Уровской эпидемии, или стронциевого рахита. Пить такую воду уже небезопасно. Возникнет необходимость поиска незагрязненных источников, большую важность приобретет вопрос об очистке [3].

Поскольку для стронция характерно естественное превышение допустимых концентраций, он вносит наибольшие трудности в решение проблемы хозяйственно-питьевого водоснабжения. Если б загрязнение носило антропогенный характер, остановить его было бы проще, путем разъяснительных работ с предприятиям. Но когда загрязнение естественного характера, дело уже сводится к тому, чтоб изучить особенности поведения загрязнителя, которые обусловили данное загрязнение. Эта задача куда более сложная, и в ее решении должен господствовать научный подход. Только выявив особенности поведения элемента (загрязнителя), можно будет грамотно вести с ним борьбу - например, с использованием природных сорбентов, как наиболее безвредных для очистки питьевой воды.

Вологодская область имеет проблемы со стронцием в подземных водах нескольких муниципальных районов: Верховажского, Вожегодского, Грязовецкого, Междуреченского, Сокольского и Тотемского. Во всех этих районах отмечены превышения предельно допустимой концентрации стронция, равной 7 мг/л. Принимая во внимание тот факт, что подземные воды здесь являются одним из главных источников хозяйственно-питьевого водоснабжения, а значит, и активно используются, можно судить о важности разрешения вопроса.

Цель исследования - выявить основные эколого-геохимических особенностей поведения стронция в подземных водах Вологодской области и разработать с учетом этих особенностей природный сорбент для очистки питьевой воды от элемента.

Для достижения цели необходимо выполнить следующие задачи:

1. Собрать тематическую информацию по элементу стронцию и его поведению в подземных водах мира, России и Вологодской области.

2. Изучить экологическую гидрогеохимию элемента в подземных водах Вологодской области.

3. Выбрать природные сорбенты для очистки питьевой воды от стронция и обосн6овать данный выбор.

4. Приготовить и экспериментально проверить выбранные сорбенты с последующим выявлением лучшего из них.



1. Проблема стронция в питьевых подземных водах

Выявление и изучение эколого-геохимических особенностей поведения того или иного химического элемента, и, прежде всего, токсичного, в той или иной среде - это трудоемкая, но очень необходимая работа. Ее выполнение - есть залог решения многих практических вопросов, актуальных на сегодняшний день, связанных с улучшением экологической обстановки и здравоохранения, увеличением минерально-сырьевой базы, сельскохозяйственного производства и так далее [4].

В выполнении этой работы заинтересованы ученые-геохимики. Геохимия - в общем-то, экологическая наука, так как ее предметом являются связи и отношения в разных системах. Соответственно, и геохимики - ученые экологического направления; они изучают поведение элементов в этих геохимических системах, являющихся в то же время экологическими - воздухе, воде, почвах и земных недрах [Там же].

Каждую геохимическую систему рекомендуется изучать одновременно: лучше делать что-то в отдельности, но синхронно, чем вместе, но последовательно - двигаясь по такой схеме, можно добиться всеобщей выгоды, максимального эффекта в достижении поставленной цели [Там же].

Выбор данного исследования пал на систему «вода», точнее, на ее подсистему - «подземные воды». К подземным водам относят все воды планеты, залегающие ниже поверхности суши (в различных горных породах). Практически все подземные воды можно использовать в качестве питьевых, при необходимости перед этим выполнив очистку. Выбор в пользу именно подземных вод продиктован, с одной стороны, личным интересом исследователя, а с другой - актуальностью их изучения и существованием реальных возможностей для проведения работы.

По части элемента выбор тоже небезоснователен. Задача заключалась в том, чтобы выбрать, во-первых, обязательно токсичный элемент. Ведь изучение токсикантов сегодня не лишено актуальности и, к тому же, придает работе больше смысла; можно, например, не только выявить особенности элемента, но и разработать методы его удаления. Во-вторых, надо было выбрать такой элемент, содержание которого в подземных водах области, хотя бы в нескольких пунктах, превышало установленные нормативы. Излишне говорить о том, что работа теряет смысл, если в ней не рассматриваются именно «проблемные» элементы, такие как стронций.

1.1 Обобщенная оценка состояния проблемы

Достаточно сложно судить об изученности стронция в подземных водах планеты в целом. Если взять дальнее зарубежье, то там, по причине мизерного количества найденных книг, ситуация почти неизвестна. Однако, если дать оценку на основе того что есть, можно сказать, ученые успешно решают проблему; качество информации здесь убедительнее количества [5].

Относительно хорошая ситуация складывается в некоторых российских и прирубежных регионах, где есть проблемы с элементом. В качестве примера можно привести Архангельскую область, которая граничит с Вологодской. В первой, нужно отметить, проблема имеет более отчетливый, серьезный характер. Но она также вполне раскрыта. Число публикаций здесь оптимальное и оно соответствует качеству [3].

Вологодская область, как уже было сказано в Ведении, имеет проблемы со стронцием в подземных водах шести муниципальных районов: Верховажского, Вожегодского, Грязовецкого, Междуреченского, Сокольского, Тотемского. Диапазон наблюдаемых высоких концентраций здесь - от 7 до 23 мг/л. И есть еще два района, где обнаружены значения, близкие к ПДК - Вологодский и Харовский (от 5 до 7 мг/л) [6]. Существующие проблемы имеют свои причины, связанные с определенными особенностями.

Но что это за особенности, до конца не ясно. Вологодские ученые мало заинтересованы данной проблемой, поэтому ситуация в регионе пока напряженная. Существующая «литература» представлена в основном ежегодными докладами, справочниками-бюллетенями Департамента природных ресурсов, а также работами молодых исследователей в рамках вуза. Но во всех этих источниках простая констатация фактов доминирует над объяснениями причин, и работы такого уровня раскрывают вопрос очень медленно, постепенно - не так как, например, монографии. Вологодские источники будут отдельно упомянуты в главе 4, в этой же главе они не рассматриваются.

1.2 Источники тематической информации

Все доступные источники - и российские, и вологодские, и зарубежные - можно с некой условностью разделить на три группы:

- базовые,

- избранные;

- дополнительные.

К базовым источникам относятся, во-первых, «Методические рекомендации по оформлению выпускных квалификационных работ…» [2]. Согласно им были разработаны структура и стилистика дипломной работы, выполнено оформление. Во-вторых, Гигиенические нормативы ГН 2.1.5.1315-03 «Предельно-допустимые концентрации химических веществ в воде водных объектов…» [7]. Этот документ возглавляет список тематических источников и содержит информацию о ПДК стронция в питьевой воде - 7 мг/л.

Избранные источники содержат в себе основной объем информации по вопросу, и именно они рассматриваются в литературном обзоре. Всего таких источников одиннадцать. Некоторые имеют схожее содержание или взаимно дополняют друг друга - такие упоминаются одновременно, составляют своеобразную тематическую группу.

Дополнительные источники (их большинство) будут упомянуты в других главах. Они, за исключением некоторых, в том числе вологодских, не несут никакой определенно важной для вопроса информации, но позволяют более детально его раскрыть.

В совокупности, имеющихся в распоряжении источников относительно немного. Тех, которые неизвестны и к которым нет доступа, вероятно, гораздо больше. Но малочисленность имеющихся компенсируется их гармонией и отсутствием противоречий. Об этом можно судить, исходя из обзора.

Единственный, вероятно, существенный «минус» источников - их вторичность. Нет сомнений в том, что первоисточники, которые в них упомянуты, но которые, к сожалению, недоступны, содержат в себе больше полезной и актуальной информации.

1.3 Изученность проблемы в теоретическом аспекте

Физико-химическая сторона. Работы Н. Чертко, В. Копейкина и В. Макрыгиной излагаются вместе, так как они идейно дополняют друг друга и воспринимаются как единое целое. Эти работы посвящены краткому рассмотрению общих, исходных моментов. Приводятся данные по свойствам химического элемента, особенностям миграции, концентрации, содержанию в различных земных средах (а не только в подземных водах) и в организме человека. Коротко излагаются некоторые экологические аспекты [8-10].

Каждый автор начинает свою речь с описания химической стороны вопроса. Стронций - химический элемент, находящийся в Периодической системе, в главной подгруппе второй группы, в пятом периоде. Порядковый номер его - 38. Стронций окружают такие элементы, как калий, кальций, барий; это его ближайшие «геохимические родственники» - с ними он может встречаться в различных системах [Там же].

Простое вещество, стронций представляет собою мягкий и пластичный щелочноземельный металл серебристо-белой окраски. Химически высоко активен, полиморфен. Известны три его модификации, существующие при различных температурах: кубическая гранецентрированная, гексагональная, кубическая объемно-центрованная [9].

Атомная масса стронция равна 87,6 г/моль. Электронная конфигурация следующая: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2. 38 электронов располагаются на пяти электронных оболочках, первые три из них укомплектованы, на четвертой имеется десять свободных мест, на пятой - два валентных электрона. Радиус атома стронция - 215 пикометров [10].

Нецелое число атомной массы говорит о наличии изотопов. У стронция имеется четыре стабильных изотопа: Sr84, Sr86, Sr87, Sr88. Последний встречается в природе значительно чаще. Кроме них получено еще 14 искусственных изотопов, самый известный из которых - Sr90, представляющий собой побочный продукт ядерных взрывов [9].

Стронций образует соединения с довольно многими элементами, всегда проявляя двухвалентную связь. Очень хорошо он реагирует с водой, образует гидроксид. Взаимодействуя с кислотами, может вытеснять из их солей тяжелые металлы. В целом хорошо реагирует со всеми кислотами за исключением некоторых концентрированных (например, азотной). Со щелочами же реакции почти не имеет. Энергичны реакции с серой, фосфором и другими неметаллами, галогенами. При высоких температурах возможно взаимодействие с водородом, азотом углекислым газом (при последнем образуется карбид). В нормальных условиях, реагируя с воздухом, металлический стронций быстро покрывается оксидной пленкой [10].

В описании также приводятся некоторые другие свойства элементарного стронция (теплофизические и электрохимические) [8-10]:

Плотность - 2,54 г/см2;

Температура плавления - 1042 К;

Теплопроводность - 300 К;

Молярная теплоемкость - 26,8 Дж/К·моль;

Молярный объем - 34 см3/моль;

Электроотрицательность - 0,95;

Электродный потенциал - -2,89;

Эколого-геохимическая сторона. В геохимическом отношении стронций характеризуется как литофильный (иногда также литохалькофильный) элемент, относительно широко распространенный в природе. Его кларк в земной коре равен 3,4 · 10-2 или 0,034 %. Из этого количества [10]:

в ультраосновных породах - 0,001 %;

в основных породах - 0,044 %;

в средних породах - 0,08 %;

в кислых породах - 0,03 %;

в осадочных породах - 0,045 %.

Известно около 30 стронцийсодержащих минералов. Главные - это целестин (SrSO4) и стронцианит (SrCO3); они имеют очень важное промышленное значение, поскольку именно из них получают большую часть элемента и его солей. В России месторождения стронциевых минералов находятся в Архангельской области, регионах Верхнего и Среднего Поволжья, республиках Башкортостан, Якутия и Крым. За пределами России добыча идет в Великобритании («родина» стронцианита), Германии, Испании, Соединенных Штатах Америки и Мексике [8].

В виде изоморфного включения стронций может входить и в минералы других, «родственных» элементов: калия, кальция, бария. С двумя последними в одном минерале отмечается совершенный изовалентный изоморфизм, а с первым - несовершенный [Там же].

Физические и химические свойства стронция предопределили его особенность накапливаться на многих геохимических барьерах. В системе «природные воды» определяющими из них являются [Там же]:

сульфатный;

карбонатный;

испарительный;

термодинамический.

Первый и второй барьер характеризуется наличием в водах сульфатных и карбонатных ионов, с которыми элемент склонен образовывать комплексы. Третий барьер - испарительный - возникает при недостаточной увлажненности. Стронцийсодержащая вода поднимается вверх и, постепенно превращаясь в пар, высвобождает из себя элемент. При этом могут образоваться некоторые его соли (хлориды или сульфаты). Миграция ранее растворенных в воде соединений прерывается. Интерес представляет нижний тип данного барьера, возникающий на уровне грунтовы0х вод, а также экологическое последствие его работы, проявляющееся в виде засоления почв, а также угнетения обитающих в почве организмов [8].

Термодинамический барьер формируется на участках, где есть резкие перепады температуры или давления. С ними, перепадами, тесно связан газовый состав природных вод. Один из признаков термодинамического барьера - распространенное накопление карбонатов стронция при перемещении растворов гидрокарбонатов из холодных слоев в более теплые, в результате чего выпадает соль SrCO3 (из-за потери CO2) [Там же].

Чертко, Копейкин и Макрыгина единодушны во мнении: стронций проявляет очень высокую подвижность в любой геохимической обстановке; указанные барьеры относятся лишь к подземным водам - если рассматривать все системы, их число будет много больше.

Каждый из авторов трех указанных работ имеет собственную предпочтительную точки зрения, согласно которой рассматривается вопрос. У Чертко она больше эколого-геохимическая, у Копейкина - физико-геохимическая, у Макрыгиной - историко-геохимическая. Благодаря такой разнонаправленности взглядов целостная картина, в конечном счете, получается слаженной и гармоничной, лишенной каких-либо внутренних противоречий.

В справочнике В. Иванова также рассматриваются общие моменты, но уже более подробно, и каждая сторона (геохимическая, экологическая или физико-химическая) отражена в равной степени. Поведение стронция изучено в разных условиях и на разных уровнях, на количественной основе [11].

Иванов на протяжении всей своей речи о стронции постоянно ссылается на кальций, пытаясь подчеркнуть их геохимическое родство. Первый считается геохимическим аналогом последнего. Отмечается и аналогичность некоторых солей этих элементов. Важные кислородсодержащие соли, карбонаты и сульфаты (как кальция, так и стронция), относятся к слаборастворимым в воде. Намного лучше растворяются нитраты, хлориды и гидрокарбонаты. А гидроксид кальция и стронция в воде ведет себя по-разному. Последние растворяются хуже - 8 г/л, при температуре 20 °С. Все из перечисленных стронциевых соединений токсичны (III-IV классы опасности) [11].

Автор приводит данные В. Буркова, из которых следует, что в некоторых маломинерализованных водах (прежде всего, сульфатных, гидрокарбонатных) распределение элемента регулируется произведением растворимости SrCO3 и SrCO4. Приводятся некоторые закономерности. В гидрокарбонатных водах содержание стронция уменьшается с ростом концентрации ионов карбонатов. Высокое содержание ионов сульфатов способствует быстрому осаждению целестина. В хлоридных водах высокое содержание стронция предполагает высокое содержание кальция [Там же].

По данным М. Галицина (приводит, опять же, Иванов), основная форма стронция в грунтовых водах - это ион Sr2+. Сульфаты и карбонаты тоже распространены, но имеют значение только в соответствующих водах (сульфатных и карбонатных), и то при pH > 7,5. Установлено, что в маломинерализованных подземных водах величины стронция изменяются обычно от менее 1 мг/л в зоне достаточного увлажнения до 7,0 и более в аридной зоне. При этом вместе со стронцием растет содержание кальция [Там же].

Таблица 1.3 - Способность стронция к осаждению на геохимических барьерах

Геохимический барьер	Неорганические формы миграции стронция, способствующие его осаждению на данном барьере	Формы осаждения
Сульфатный	Sr2+, SrSO40	SrSO4
Щелочной карбонатный	Sr2+, SrCO30	SrCO30,соосаждение с CaCO3
Сорбционный карбонатный	Sr2+	Соосаждение с CaCO3

Галицин и Крайнов выделяют геохимические области стронцийсодержащих подземных вод, ограниченных по площадям распространения гидрокарбонатно-кальциевых и сульфатно-кальциевых вод (последние имеют повышенную минерализацию и жесткость). В пример приведена Казахстанская провинция, где при незначительной общей минерализации величина стронция достигает 10 мг/л, Молдавская провинция - 25 мг/л, Московская - до 20 мг/л. Повышенные концентрации (5-15 мг/л) отмечены также и в подземных водах пермских гипсовых пород Предуралья и, что важнее, Русской равнины, куда входит Вологодская область [11].

Иванов дает понять, что концентрация стронция в воде напрямую связана с ее соленостью. Во всех речных водах содержание этого элемента много ниже ПДК как раз по причине того, что они пресные или имеют малую соленость. Во всех же соленых и в частности подземных водах стронция обычно много. Максимальные содержания при этом характерны для сульфатных и хлоридных подземных вод [Там же].

Большое внимание, по мнению автора, должно быть уделено изучению биохимического аспекта. Сравнительно низкие отношения кальция к стронцию (менее 100) говорят о возможности возникновения Уровской эпидемии, или «стронциевого рахита», которая проявляется в искривлении позвоночника, выпадении зубов, размягчении и снижении прочности костей у животных и так далее. А очень низкие отношения могут свидетельствовать об активной минерализации целестина - основного стронциевого минерала [Там же].

В. Самарина и А. Никаноров, так же как и Иванов, указывают на то, что стронций в ряде параметров имеет много общего с кальцием. Например, указывается, что стронций, как и его геохимический родственник, - это слабый комплексообразователь. Но «в ряде» не означает «везде». Говорится, что первый имеет несколько меньший, чем у кальция, кларк и больший радиус иона. Сравнительно небольшой кларк стронция определяет и его небольшую роль в подземных водах [12, 13].

Называются и еще кое-какие отличия: стронций имеет меньшую энергию гидратации, а следовательно, и несколько большую сорбционную и ионообменную способность. Главное же и весьма существенное, отличие - биологическое - стронций опасен для живых организмов, а кальций, напротив, полезен для них [13].

Самарина называет несколько источников поступления стронция в подземные воды. Все они являются природными образованиями [12]:

- магматические горные породы - например, пегматиты;

- осадочные горные породы - в первую очередь, гипсово-ангидритовые, где имеется целестин, и карбонатные, где есть стронцианит;

- глины - в них стронций находится в сорбированном состоянии.

Автор приводит диапазон содержания стронция в подземных водах - от нескольких единиц мг/л до 200 мг/л - и констатирует его существенный разброс. При этом отмечается, что верхние пределы диапазона обнаруживают в районах распространения изверженных и осадочных горных пород (естественно, обогащенных стронцием) [Там же].

Большой акцент Самарина делает на проблеме распространения в подземных водах радиоактивного изотопа стронция - Sr90. Период его полураспада - примерно 28,5 лет. Неблагоприятное воздействие проявляется в поражении (разрушении, деформации) костной ткани, костного мозга, нарушениях функционирования клеток. Питьевая подземная вода рассматривается как уязвимое звено, то есть она подвержена заражению. По нормам в воде должно быть не более 4 · 10-10 мг/л Sr90 [Там же].

Весомый вклад в изучение гидрогеохимических особенностей стронция внесли ученые С. Крайнов и В. Швец. Их совместные работы посвящены рассмотрению, главным образом, вопросов миграции, распределения элемента в подземной воде. Уделено внимание человеческой составляющей: показано, как могут меняться физико-химические условия миграции под влиянием загрязнения и водоизъятия [14,15].

В речи о стронции авторы обращают, кроме того, и некоторое внимание на процессы перехода его из пород в подземные воды. Занимая изоморфные положения в кристаллической решетке минералов, стронций при взаимодействии воды с породами переходит в первые в результате селективного выщелачивания. Собственные минералы стронция, контактируя с водой, при этом растворяются. И хотя минерал стронцианит является плохо растворимым, его растворимость может весьма увеличиться при понижении pH и увеличении концентрации углекислого газа, так же как и растворимость CaCO3 [14].

Немного лучше растворяется целестин - именно он обуславливает наивысшие концентрации элемента в сульфатных водах. Если говорить в общем, то растворимость целестина растет при наличии в воде катионов и анионов, образующих со стронцием и сульфатом устойчивые комплексы - речь идет о Fe3+ и катионе фульвокислот [14,15].

Ученые приходят к мысли о том, что содержание стронция прямо пропорционально содержанию сульфатов: чем выше вторые, тем выше и первый. Правда, этот закон действует только до некоторого предела: если концентрация вторых превышает 1000 мг/л, то концентрация первого, достигнув некоторой краевой величины, уже не вырастет, а, наоборот - будет опускаться до уровня ПДК (согласно правилу произведения растворимости) [15].

По мнению Крайнова, превышение ПДК стронция в питьевых подземных водах не является чем-то редким. Напротив, это достаточно распространенное явление. Он формулирует две главных причины накопления стронция в подземной воде. Первая связана с испарительной концентрацией грунтовых вод в аридных областях, а вторая - с увеличением минерализации вод при их взаимодействии со стронциевыми минералами [14,15].

Поскольку эти причины-явления хорошо распространены, существует много гидрогеохимических провинций, в которых подземные воды содержат превышения по стронцию. Провинции ранее уже назывались. Характерными чертами их являются распространенность целестина и карбонатных рифовых массивов, породы которых обогащены стронцием.

1.4 Проблема стронция за рубежом и в некоторых регионах России

До сих пор приводились данные преимущественно общетеоретических российских источников. В завершении обзора следует еще указать хотя бы на несколько практических примеров: во-первых, на зарубежье, и, во-вторых, на конкретные регионы России.

Зарубежье. О ситуации за рубежом рассказано фактически только в книге Белицкого и Дубровского «Проектирование разведочных эксплуатационных скважин для водоснабжения» [4]. Хотя книга отечественная и, как можно судить уже по названию, не совсем связана с темой, в ней все же есть некоторая полезная для работы информация.

Авторы привели данные исследований В. Книжникова и Н. Новиковой, в ходе которых обнаружены высокие величины элемента в питьевых подземных водах бывших советских республик. Так, например, в городе Баку установлен концентрация 0,8 мг/л, в Кишиневе - от 8 до 12, в Вильнюсе - 0,8, в Киеве - от 0,8 до 1,3 [4]. Все приведенные концентрации приурочены к водам карбонатных пород и обусловлены причинами, о которых ранее говорилось в предыдущих пунктах.

Главная ценность книги заключается в дальнем зарубежье. Авторы указали на то, что значительные величины стронция в некоторых подземных водах характерны для США. Приведены данные М. Николса и Д. Макнолла, согласно которым в водах 380 коммунальных водозаборов Висконсина содержание элемента колеблется от 0,1 до 39 мг/л. Аномальные значения обнаружены на восточном побережье штата [Там же].

Регионы России. В заключении необходимо еще обратить внимание на некоторые из регионов РФ, где существует проблема стронция в питьевых подземных водах. Об одном примере - Архангельской области - уже упоминалось. Теперь рассмотрим его подробнее.

В Архангельской области проблема была достаточно хорошо раскрыта в ряде работ А.И. Малова. Одна из них - статья «Формирование стронцийсодержащих подземных вод в Беломорье» [3] - оказалась доступной для более подробного изучения. Выделена своеобразная геохимическая «микропровинция» - Юго-Восточное Беломорье.

Территория Юго-Восточного Беломорья охарактеризована как неоднородная с точки зрения распределения изучаемого элемента в горных породах и подземных водах. Самые низкие содержания стронция наблюдаются в песчано-глинистых отложениях венда, карбонатных породах среднего и верхнего карбона и в четвертичных образованиях (10-70 мг/кг). Самые высокие содержания отмечены в пермских отложениях (300-2400 мг/кг) [3].

Установлена четкая взаимосвязь между содержаниями элемента в подземных водах и водовмещающих породах. Подземные воды венда и карбона обладают минимальными концентрациями стронция - от 0 до 2 мг/л, воды же пермских отложений, особенно карбонатных казанского яруса - максимальными, примерно до 20 мг/л (в нижнем течении реки Мезень). Можно проследить закономерность: чем выше залегают породы и чем, соответственно, моложе породы, тем больше концентрация элемента и наоборот. Отмечается его тенденция к перераспределению из более древних краевых частей Мезенской синеклизы в более молодые верхнепермские бассейны [Там же].

Были предположены и сформулированы другие факторы, за счет которых идет образование высоких значений стронция в подземных водах Юго-Восточного Беломорья. Помимо возраста и состава пород среди них: фильтрационные свойства пород, мощность четвертичных отложений, химический состав вод, интенсивность подземного стока, карбонатного карста [Там же].

В этом обзоре не случайно рассмотрена именно Архангельская область. Учитывая то, что она граничит с Вологодской, можно делать выводы хотя бы о некотором их геохимическом сходстве, а значит и о возможности применения в исследовании метода аналогий.

Теперь рассмотрим другой пример - Калужскую область, находящуюся на другом краю Московского артезианского бассейна. Ситуация по проблеме хорошо отражена в статье А. Ершова и других авторов под названием «Аномалии природного стронция в питьевых водах Калужской области» [16]. Там описан интересный и довольно редкий случай - в связи с тем и решено было привести данный пример.

Аномальные концентрации элемента (от 15 до 45 мг/л) найдены в южных и северных районах и приурочены к озерско-хованскому комплексу, откуда через так называемые «гидравлические окна» загрязненная вода переливается в более высокие горизонты. Питание водоносного комплекса осуществляется путем инфильтрации атмосферных осадков и разгрузки речных вод. Последняя, вместе с активной эксплуатацией некоторых водозаборов, оказывает существенное влияние на формирование пьезометрической поверхности и напора водоносного комплекса [16].

Интенсивная, если не сказать чрезмерная эксплуатация водозаборов таких городов, как Калуга, Обнинск и Малоярославец привела к отработке емкостных запасов водоносного комплекса и образованию депрессивных воронок, понизивших уровень воды до 40 м. Понижение пьезометрического уровня ниже кровли водоносного горизонта явилось причиной интенсивного растворения минерала целестина [Там же].

Если учесть, что Калужская область относится к Московской «целестиновой провинции», выходные значения элемента действительно получаются аномально высокие. Подземные воды Вологодской области вряд ли обладают этими же особенностями, они достаточно удалены от провинции, но все-таки это не значит, что сами причины аномалий не могут быть похожими.

Одиннадцатый избранный источник (либо тринадцатый в общем счете) был последним в обзоре, теперь его можно закончить. Приведены все известные в науке особенности поведения стронция в различных подземных водах. Стало известно немало, но будет еще больше. Впереди решение самой сложной и в то же время интересной задачи - выяснить, какие же из особенностей имеют проявление на территории Вологодского региона. Лишь учитывая региональные особенности, можно будет судить о восприимчивости элемента к тем или иным сорбентам.

Исходя из всего изложенного, нужно сделать следующие выводы. Вологодская область имеет некоторые места, в которых отмечаются превышения ПДК стронция в подземных водах. И все эти превышения имеют природное происхождение. Естественные превышения ПДК элементов в том или ином регионе напрямую связаны с эколого-геохимическими особенностями их поведения в этом регионе. Изучение особенностей поспособствует накоплению новых знаний об элементах, раскрытию их «сильных» и «слабых» сторон, и это должно быть учтено при выработке методов очистки, в рамках решения проблемы хозяйственно-питьевого водоснабжения. Принимая во внимание тот факт, что вопрос весьма актуален для Вологодской области, однако при этом (исходя из малого количества литературных источников) практически никак в ее рамках не решается, можно делать вывод о целесообразности проводить исследование в данной области.



2. Материалы и методы исследования

2.1 Материалы исследования

Прежде всего, стоит подчеркнуть, что объектом данного исследования, в узком смысле, являются все питьевые подземные воды Вологодской области, имеющие в составе стронций, а в более широком смысле - сама область и ее отдельные «проблемные» районы, где отмечены превышения ПДК.

Материалы, задействованные в ходе исследования, можно разделить на две группы. Первая группа - это материалы Департамента природных ресурсов и охраны окружающей среды Вологодской области. Они изложены в одном бюллетене и шести «районных» отчетах, содержащих данные по загрязнению воды стронцием:

1. Информационный бюллетень о состоянии недр территории Вологодской области Российской Федерации за 2014 год [5];

2. Отчет о результатах анализа возможности обеспечения потребности в питьевых подземных водах с. Верховажье Вологодской области [17];

3. Отчет по результатам оценочных работ на подземные воды для питьевого водоснабжения по действующим скважинам пос. Вожега Вожегодского района Вологодской области [18];

4. Отчет о результатах анализа возможности обеспечения потребности в питьевых подземных водах населенных пунктов Грязовецкого муниципального района за счет действующих артезианских скважин [19];

5. Отчет о результатах оценки запасов питьевых подземных вод по действующим скважинам для водоснабжения с. Шуйское Междуреченского района Вологодской области [20];

6. Отчет о результатах анализа возможности обеспечения потребности в питьевых подземных водах населенных пунктов Сокольского муниципального района за счет действующих артезианских скважин [21];

7. Отчет о результатах поисково-оценочных работ на питьевые подземные воды для водоснабжения г. Тотьмы Тотемского района [22].

В бюллетене содержатся краткие сведения об участках загрязнения и их местоположению. Указываются сами загрязняющие вещества с измеренными концентрациями. В отчетах же приводятся, главным образом, протоколы испытаний с указанием дат и мест отбора проб, химических веществ и их обнаруженных концентраций.

Вторая группа - материалы кафедры Геоэкологии и инженерной геологии Вологодского государственного университета оригинальные результаты экспедиционных исследований содержания стронция в подземных водах области за 1999-2010 года, изложенные в табличном виде (указаны даты и места отбора, величины концентраций).

2.2 Методы исследования

Любое исследование предполагает использование определенных методов, за счет которых осуществляется движение к поставленной цели, выполнение задач. Существуют две группы методов - общенаучная и специальная. Методы первой используют во всех областях науки и в ней различают теоретическую и практическую подгруппы. Теоретические методы, используемые в работе, - анализ, синтез, аналогия, индукция и дедукция. Практические методы - сравнение и эксперимент.

В действительности, теоретические методы - не совсем корректное название. Те из методов, которые включены в эту условную подгруппу, следует называть общелогическими, потому что они одинаково применяются и в теории, и в практике. Но в случае данной работы такие методы как анализ и аналогия задействованы только в теории, поэтому так и называются.

Специальная группа характерна лишь для конкретной научной области. Ее методы в некоторой мере уникальны и не могут встречаться сразу во всех сферах, так как имеют ограниченное использование. К специальным методам относятся описательный географический, картографический и методы ретроспективного анализа и атомно-абсорбционной спектрометрии.

Теоретические методы. Рассмотрим каждый из методов применительно к теме - сначала общенаучные теоретические методы. Анализ представляет собой разложение единой системы на составляющие ее части с последующим изучением каждой в отдельности [23]. Аналитический метод, в любом исследовании, является самым глобальным, используется на протяжении всего периода работ. По сути, он начинается уже с момента формулировки цели. Любая цель всегда содержит в себе некоторые задачи, выполнение которых способствует ее достижению. Если принять цель за систему, то задачи будут ее составными частями - анализ в этом случае состоит в их решении. В рамках этого исследования метод анализа использовался и в менее глобальном ключе - например, при рассмотрении ситуации в отдельно взятых районах Вологодской области, с целью выяснения ее общей картины.

Если наряду с анализом в работе есть синтез, то он может быть как связан с анализом, так и нет. В первом случае, синтез направлен на объединение полученных результатов анализа, и это объединение должно привести к упорядочению имеющихся знаний или выявлению новых [Там же].

Синтез в данной работе - это второй по значимости метод, он начинает свою работу сразу после анализа. Предположим, отдельные части целого уже изучены, но не связаны, и непонятно, что они представляют собою в единстве. Задача синтетического метода - выяснить дело. Он объединяет отдельные части системы, возвращает ей прошлую целостность. Но если раньше об этой системе было известно мало, то теперь она вполне изучена. Более того, целостная картина показала что-то, чего нельзя было видеть ранее, когда она была еще нецелой, и о чем не подозревалось даже при анализе. В этой работе синтез использовался, например, при изучении поведения элемента в подземных водах, которое строится на его эколого-геохимических особенностях.

Как было предсказано, нашел свое применение и метод аналогии. Аналогия заключается в поиске сходства двух предметов по каким-то определенным признакам на основе уже найденных сходств в других [Там же]. Предметами в данном случае являются регионы России, Вологодская и Архангельская области. Они имеют общие черты в ряде природных характеристик - географическое положение, геология и рельеф, внутренние воды и сходство в наличии превышений, по элементу стронцию. Объединив известные общие признаки, можно предполагать существование иных, неизвестных. Если на территориях областей прослеживаются аналогии в геологическом строении и составе подземных вод при обязательном наличии аномалий ПДК элемента, то напрашивается новое сходство: в происхождении этих аномалий.

Индукция - мышление от частного к общему - и дедукция - от общего к частному - не играют существенной роли в работе и используются ограниченно, но все-таки используются. Рассмотрим пример индукции и дедукции в виде простого категорического силлогизма. Сначала - индукция:

- в Вологодской области обнаружены высокие концентрации стронция в подземных водах;

- кроме того, обнаружены участки распространения целестина;

- возможно, высокие концентрации элемента каким-то образом связаны с распространением целестина.

А теперь сделаем инверсию примера и получим дедукцию:

- высокие концентрации элемента в подземных водах связаны с распространением целестина;

- в Вологодской области есть участки распространения этого минерала;

- следовательно, область имеет высокие концентрации стронция в подземных водах.

Применяя индукцию, всегда нужно помнить о нестопроцентной надежности ее вывода. Использовать такой метод - значит, делать предположение, но еще не утверждение. Куда более достоверными являются заключения, выведенные дедуктивно; выводы же индукции малонадежны [23].

Не зря в индуктивном выводе указанного примера есть слово «возможно». Теоретически, нельзя быть уверенным, что большие величины стронция связаны именно с целестином. В этом может быть замешан другой фактор. И этот пример не единственный. По сути, слово «возможно» является неотъемлемым в любом из примеров, где работает метод «от частного к общему» - то есть индукции.

Проверить достоверность или надежность индуктивного вывода можно только практически, с помощью какого-то иного метода, что и было успешно сделано кем-то в нашем примере. На сегодняшний день уже вряд ли кто-либо будет сомневаться в том, что чем больше целестина, тем больше и стронция - это доказанный факт.

Практические методы. Первый из методов практической группы - это сравнение. Сравнение как метод направлен на выявление сходств и различий между отдельными предметами [23]. В этой работе сравнение тесно связано с экспериментом. По качественно-количественному показателю «степень очистки» будут выявлены сходства и различия между сорбентами. Прежде всего, стоит ожидать, конечно же, различий. Какой-то покажет большую эффективность, а какой-то, наоборот, - меньшую.

Эксперимент, или лабораторный метод, предполагает изучение явления в специально созданных контролируемых условиях. Исследователь сам активирует явление, до того, как оно случится в природе (возможно, оно вовсе не случится). Если это необходимо, вносятся изменения в естественный ход явления, например, за счет изменения самих условий или исключения некоторых из них. Специфика эксперимента заключается в активном и непосредственном взаимодействии с объектом. Это - одно из существенных отличий его от простого наблюдения [Там же].

В данной работе эксперимент - один из важнейших методов. С его помощью решается задача, связанная с проверкой на опыте выбранных сорбентов. Именно в эксперименте были созданы условия для очистки водного раствора от химического элемента стронция.

Специальные методы. Наконец, нужно сказать несколько слов о специальных методах. Описательный географический метод был применен в главе «Геоэкологическая характеристика Вологодской области». Суть данного метода заключается в последовательном и плановом изложении существующей ситуации на территории. План описания - это стандарт, поэтому изменения его либо отступления от него нежелательны. Комплексный геоэкологический подход предполагает изложение ситуации в следующей последовательности: природные, климатические условия (географическое положение, геология, рельеф, климат), население, экономика и источники антропогенной нагрузки.

Картографический метод нацелен на создание карты или же серии карт и обозначение на них какого-то явления с целью более быстрого и наглядного его познания. При помощи заранее разработанных, оговоренных условных знаков на картографическую основу наносятся элементы изученной территории. В случае данной работы это будут концентрации химического элемента в питьевых подземных водах разных муниципальных районов.

В ретроспективном анализе, в отличие от простого анализа, всегда учитывается такой фактор как время. Анализируемое явление рассматривается в историческом аспекте. Изучаются его прошлые состояния, которые привели к нынешнему. Суть метода - в установлении причинно-следственных связей. Предполагается, что прошлое состояние - это причина нынешнего, а нынешнее - есть следствие прошлого. На примере работы метод использовался при изучении истории отбора проб со стронцием из отдельных скважин (охвачен промежуток времени с 1999 по 2014 годы).

Сущность атомно-абсорбционного метода излагается в главе 4, поэтому нет необходимости подробно описывать его здесь. Метод применяется в аналитической химии и служит для определения концентраций элемента в прошедших очистку пробах раствора.

На основании изложенной информации о материалах и методах, с помощью которых выполнено исследование, можно сделать выводы о некоторой его специфичности. Специфику, уникальность любого исследования обеспечивают оригинальные и ценные материалы и особое сочетание методов, на основе которых она выполнялась. Здесь есть как первое, так и второе. С одной стороны, оригинальные, неопубликованные источники, а с другой, и что немаловажно, - большое число методов, относящихся к разным группам и подгруппам: теоретической, практической.

Специфику также определяет объект исследования. Он может рассматриваться в широком или узком смысле. Одновременно это и территория, Вологодская область, и ее составная часть, подземные воды. В настоящей главе объект и его «подобъект» были лишь упомянуты, но для успешного изучения экологической гидрогеохимии элемента простого упоминания недостаточно. Нужно сделать их полноценную характеристику.

Исходя из многообразия перечисленных в главе методов (анализа, синтеза, аналогии, эксперимента, сравнения, а также некоторых других), можно говорить о том, что указанная методика достаточна для раскрытия темы исследования, как в количественном, так и в качественном отношении.



3. Геоэкологическая характеристика Вологодской области

3.1 Физико-географическая характеристика

Географическое положение. Вологодская область - один из субъектов Российской Федерации, входит в состав Северо-Западного федерального округа и Северного экономического района. Ее территория занимает площадь 145 700 км2. Область образована 23 сентября 1937 года Постановлением Президиума ЦИК СССР «О разделении Северной области на Архангельскую область и Вологодскую область» [24].

Административный центр - город Вологда. Другими важными и крупными городами являются: Череповец, Сокол и Великий Устюг. Административно-территориальная структура региона образована муниципальными районами (26 единиц) и четырьмя городами областного значения - Вологда, Череповец, Сокол, Великий Устюг [Там же].

Рисунок 3.1 - Карта-схема муниципальных районов области.

Область находится на северо-западе Русской равнины и граничит сразу с восемью субъектами - один из наибольших показателей по стране. На севере идет граница с Архангельской областью, на востоке - с Кировской. На юге проходят границы с Костромской, Ярославской областями, на юго-западе - с Тверской и Новгородской. На западе регион граничит с Ленинградской областью и на северо-западе - с Республикой Карелия [24].

Средняя протяженность области с севера на юг равна 300 км, а с запада на восток - 650 км. Последняя весьма значительна. От крайней западной точки региона до Балтийского моря примерно 200 км, а от крайней восточной до Уральских гор не более 600 км. Такое положение области, при котором, с одной стороны не так недалеко до Балтики, а с другой - до Урала, предопределило ее важное транспортное значение [25].

Геология. Геологическое «положение» области можно описать так. Регион расположен к юго-востоку от Балтийского щита, в пределах северо-западной части Московской синеклизы, относящейся к Русской плите. Русская плита, в свою очередь, относится к древней Восточно-Европейской платформе [26].

В структуре упомянутой синеклизы выделяют два этажа. Первый представляет собой кристаллический фундамент, сложенный из архейских и нижнепротерозойских пород; второй - в виде осадочного чехла, состоит из отложений, сформировавшихся в период от верхнего протерозоя до современной, кайнозойской эры [Там же].

Поверхность этажа-фундамента медленно погружается с северо-запада на юго-восток. В районе Онежского озера глубина самая минимальная, около 300 метров. А чем дальше к востоку и юго-востоку, тем она все значительнее. На востоке области вне зоны Средне-Русского авлакогена она достигает 3500 метров, а в пределах этого авлакогена опускается на глубину еще, как минимум, одного километра [Там же].

В строении этажа выделяются обособленные блоки-ядра, различные по крупности, времени возникновения и составу слагающих пород. Между блоками расположены глубинные разломы. Блоковая структура фундамента определила сложный рельеф его поверхности, сочетающий выступы и впадины денудационно-тектонического происхождения [Там же].

Особенности строения этажа-фундамента и его развитие в послепротерозойское время оказали существенное влияние на накопление осадков, формирование второго этажа синеклизы. Вследствие наклона фундамента с северо-запада на юго-восток увеличивалась в этом направлении мощность отложений. В разное время в разных концах области произошло затухание тектонических процессов. Северо-западная окраина раньше освободилась от моря, и потому там распространены более древние отложения. На юго-востоке они значительно моложе [26].

Структуру осадочного чехла образуют несколько этажей [Там же]:

раннебайкальский, или рифейский;

средне- и позднебайкальский, или вендско-нижнекембрийский;

каледонский, или кембрийско-ордовикский;

герцинский, или среднедевонско-нижнетриасовый.

Каждый этаж отделен друг от друга поверхностями размыва и каждому соответствуют те или иные структуры чехла - прогибы, поднятия, валы. Осадочный чехол включает отложения всех возрастов, начиная с верхнепротерозойского и оканчивая четвертичным. Мощность его колеблется от 300 метров в Вытегорском районе, до 3000 и более на востоке. Как и следовало ожидать, мощность осадка обусловлена наклонным положением фундамента [Там же].

Формирование четвертичного покрова связано с периодом глобальных колебаний климата, когда на смену затяжному холоду (ледниковье) приходила длительная жара (межледниковье). В истории Русской равнины, как и Вологодской области, было пять оледенений и четыре межледниковья [Там же].

Сначала было окское оледенение, за ним шли днепровское, московское, калининское, осташковское. Первые два затронули всю территорию области, другие - только частично. После окского ледника наступило лихвинское межледниковье, а после днепровского - одинцовское. За московским ледником шло микулинское межледниковье, за осташковским - молого-шекснинское. Считается, что сейчас идет пятое межледниковье.

Рисунок 4.2 - Карта-схема мощности четвертичных отложений области.

Окские и днепровские отложения сохранились только в глубоких древних речных долинах и на Северных Увалах. Московские отложения повсеместно распространены в центральных и центрально-восточных районах. Калининские и осташковские встречаются лишь на западе [26].

Отложения, сформированные и формирующиеся в современном периоде, голоцене (который начался примерно 11,7 тысяч лет назад), представлены аллювиальными, озерными, делювиальными, эоловыми, хемогенными и наиболее новыми техногенными.

Рельеф. Вологодская область находится на севере обширной Русской равнины и имеет высоту порядка 150-200 метров над уровнем моря. Поверхность территории представляет собой низменность с многочисленными и дискретно расположенными мелкими холмами и грядами [24].

Рельеф западной части территории сформировался в период валдайского оледенения и был преимущественно связан с деятельностью Ладожского и Онежского ледниковых потоков. Он имеет озерно-моренный характер, достаточно хорошо расчленен. Выделяется Прионежская низменность, окружающие ее Мегорская гряда, Андомская, Вепсовская возвышенности. На последней находится самая высокая точка региона - 304 метра [27].

Южнее упомянутых возвышенностей простирается довольно обширная Молого-Шекснинская низменность - значительно заболоченная территория, имеющая комплексное, озерно-водно-ледниковое происхождение. Подле нее находится Андогская гряда. Выше Молого-Шексинской низины располагается Белозерская низменность, окруженная одноименной Белозерской, а также Кирилловской грядой. Восточнее пролегает Кубено-Воже-Лачинская низина.

Рельеф центральной и восточной частей сформировался во времена московского оледенения, под влиянием Онежского и Беломорского ледниковых потоков. Формы рельефа тут более сглаженные и «увалистые», чем на западе. Яркие примеры - болотистая Присухонская низменность, Верховажская, Вологодская возвышенности, Харовская гряда [Там же].

В центрально-южной части находятся участки Даниловской возвышенности, большая часть которой относится к Ярославской области, и Галичской возвышенности, относящейся к Костромской области. Восточная часть Вологодской области покрыта волнистыми, волнисто-увалистыми формами рельефа. На юго-востоке начинаются Северные Увалы.

Климат. Климат Вологодской области - умеренно-континентальный с довольно долгой (около пяти месяцев) холодной зимой и непродолжительным, но теплым летом. В целом, с точки зрения жизни людей, его можно назвать относительно благоприятным.