Геохимические особенности природных вод карьеров строительного камня Питкярантского района (Карелия)

Abstract

Актуальность исследования связана с важностью региональной оценки воздействия разработки месторождений строительного камня на природные воды северного Приладожья. Сохранение высокого качества воды Ладожского озера, в площадь водосбора которого входит район исследований, является критически важной задачей ввиду активного использования ресурсов озера в хозяйственно-бытовом и производственном водоснабжении, а также рыболовстве, сельском хозяйстве. Цель: изучить химический состав и выявить основные особенности поведения химических элементов в природных водах карьеров строительного камня. Объекты: природные воды и горные породы карьеров строительного камня Питкярантского района Республики Карелия. Методы. Химический состав природных вод определяли с помощью набора методов: потенциометрическое титрование, ионная хроматография, атомно-эмиссионная спектрометрия и масс-спектрометрия. Минеральный состав пород определен с помощью рентгеноспекртального анализа и порошковой рентгеновской дифракции. Оценка подвижности химических элементов проводилась по коэффициентам водной миграции (Kx) по А. И. Перельману. Формы нахождения химических элементов в природных водах рассчитаны в программном комплексе HCh. Результаты. Все изученные воды являются пресными нейтральными или слабощелочными HCO3 Ca, SO4-HCO3 Na-Ca или HCO3 Na-Ca. Анализ широкого спектра химических элементов позволил определить, что наибольшей подвижностью в рассматриваемых водах обладают S, Ca, Mg, As, Mo, U, Re. К легко подвижным и подвижным относятся металлы, источниками которых являются сульфидные минералы и полевые шпаты. Согласно термодинамическим расчетам доминирующей формой нахождения Zn, Cd, Ni, Co, Sr, Rb, Ba и Cs является ионная, Cu - карбонатная, а Pb - карбонатная и гидроксильная. Основные формы нахождения U представлены карбонатными комплексами. Вода Ладожского озера отличается от карьерных вод меньшей минерализацией и величиной pH, более низкими содержаниями металлов, для которых в еще большей степени характерно нахождение в ионной форме. Коэффициенты водной миграции в целом схожи во всех изученных пробах, однако профиль Кх для Ладожского озера несколько отличается от карьерных. Это объясняется наложением факторов и процессов, формирующих химический состав вод такого крупного озера. Для карьерных вод характерен рост концентраций некоторых микроэлементов, в особенности U, Li, Mo, Re, с увеличением времени взаимодействия и соотношения порода-вода.

The relevance of the research is related to the need for a regional assessment of the impact of the building stone deposits development on the natural waters of the Northern Ladoga region. The study area is part of the Ladoga Lake catchment basin, the preservation of the superior water quality is a crucial issue. Currently, the lake resources are used in household and industrial water supply, as well as in fish farms and agriculture. The main aim of the research is to investigate the chemical composition and identify the main features of the behavior of chemical elements in the natural waters of building stone quarries. Objects: natural waters and rocks of building stone quarries in the Pitkäranta area of the Republic of Karelia. Methods. Water chemistry was analyzed by means for a set of methods: potentiometric titration, ion chromatography, atomic emission spectroscopy and mass spectrometry. The mineral composition of the rocks was determined using an electron microscopy and powder Xray diffraction. The mobility of chemical elements was assessed by coefficients of water migration (Kx) according to A.I. Perelman. The speciation of chemical elements in natural waters were calculated using the HCh software package. Results. The considered waters are fresh neutral or slightly alkaline with HCO3 Ca, SO4-HCO3 Na-Ca or HCO3 Na-Ca types. An analysis of a wide range of chemical elements made it possible to determine that S, Ca, Mg, As, Mo, U, Re have the highest mobility in the studied waters. The sources of easily mobile and mobile metals are sulfide minerals and feldspars. According to the thermodynamic calculations dominating species for Zn, Cd, Ni, Co, Sr, Rb, Ba, and Cs are ionic species, for Cu are carbonate species, and for Pb are carbonate and hydroxyl species. The main species of U are carbonate complexes. The water of Ladoga Lake differs in lower salinity and pH value from quarry waters, lower metal contents, which are more typical of being in ionic species. The coefficients of water migration are similar in the studied samples. However, the Kx elements curve of Ladoga Lake is different from the quarry ones. This is explained by the overlap of a number of factors and processes that form the water chemistry of such a large lake. Quarry waters are characterized by enrichment with some trace elements, especially U, Li, Mo, Re, as interaction time and the rock-water ratio increase.