Формы переноса микроэлементов в речной сети и распределение их во фракциях донных отложений в районах угледобычи

Разработка угольных месторождений шахтным способом зачастую сопровождается формированием кислых вод, в которых содержится большое количество микроэлементов. При ликвидации угольных шахт способом затопления после восстановления уровня подземных вод образуются изливы кислых шахтных вод на земную поверхность. При их попадании в речную сеть происходит нейтрализация и выпадение осадка гидроксидов металлов, на котором сорбируется большинство микроэлементов. Исследования проводились на р. Косьве (Западный Урал, Россия), в которую поступают кислые воды восьми изливов Кизеловского угольного бассейна, характеризующиеся сульфатным железисто-кальциевым составом и высокой минерализацией. Задачами исследования являлись оценка масштабов образования взвеси техногенного происхождения расчетным методом по данным химического анализа воды, определение форм переноса микроэлементов в речной воде, распределение микроэлементов в системе «вода–донные отложения» и в разных химических фракциях донных отложений, ICP-MS анализом воды и экстрактов донных отложений. Основными формами переноса микроэлементов являются водорастворенная и коллоидная формы. Основное содержание микроэлементов в донных отложениях приходилось на фракцию консолидированного органического вещества, оксидов и сульфидов, а также фракцию твердого остаточного вещества. По степени подвижности в системе «вода–донные отложения» микроэлементы располагаются в следующем порядке: Mn > Co > Ni > Zn ≈ Mn > Li > Cu > Al ≈ Cr. Накопившиеся в русле техногенные отложения могут являться источником вторичного загрязнения вод реки микроэлементами в случае изменения условий окружающей среды.

Максимович Н. Г., Хмурчик В. Т., Березина О. А. Формы переноса микроэлементов в речной сети и распределение их во фракциях донных отложений в районах угледобычи // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2022. – № 11. – С. 52–66. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_11_0_52.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Пермского научно-образовательного центра «Рациональное недропользование», 2021 г.

Максимович Николай Георгиевич¹ — канд. геол.-минерал. наук, доцент, Заслуженный эколог РФ, заместитель директора по научной работе Естественнонаучного института, e-mail: nmax@psu.ru, ORCID ID: 0000-0001-6220-2730,
Хмурчик Вадим Тарасович¹ — д-р геол.-минерал. наук, ведущий научный сотрудник, Естественнонаучный институт, e-mail: khmurchik.vadim@mail.ru, ORCID ID: 0000-0001-7629-6168,
Березина Ольга Алексеевна¹ — канд. геогр. наук, доцент, e-mail: berezina.olga16@gmail.com, ORCID ID: 0000-0001-6491-0722,
¹ Пермский государственный национальный исследовательский университет.

Березина О.А., e-mail: berezina.olga16@gmail.com.

1. Гавришин А. И. Применение цифровой классификационной технологии при анализе техногенных изменений окружающей среды в восточном Донбассе // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. — 2020. — № 1. — С. 11—17. DOI: 10.17213/1560-3644-2020-1-11-17.

2. Рыбникова Л. С., Рыбников П. А. Влияние экологического ущерба, накопленного от горнодобывающей деятельности, на состояние гидросферы Среднего Урала // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. — 2013. — № 6. — С. 110—118.

3. Wright I. A., Paciuszkiewicz K., Belmer N. Increased water pollution after closure of Australia’s longest operating under-ground coal mine: A 13-month study of mine drainage, water chemistry and river ecology // Water Air Soil Pollut. 2018, vol. 229, article 55. DOI: 10.1007/ s11270-018-3718-0.

4. Фетисова Н. Ф. Исследование форм миграции металлов в реках, подверженных влиянию шахтных вод Кизеловского угольного бассейна // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. — 2021. — № 1. — С. 144—152. DOI: 10.18799/24131830/2021/1/3007.

5. Abramov S. M., Tejada J., Grimm L., Schädler F., Bulaev A., Tomaszewski E. J., Byrne J. M., Straub D., Thorwarth H., Amils R., Kleindienst S., Kappler A. Role of biogenic Fe(III) minerals as a sink and carrier of heavy metals in the Rio Tinto, Spain // Science of the Total Environment. 2020, vol. 718, article 137294. DOI: 10.1128/aem.02290-21.

6. Chen M., Li F., Tao M., Hu L., Shi Y., Liu Y. Distribution and ecological risks of heavy metals in river sediments and overlying water in typical mining areas of China // Marine Pollution Bulletin. 2019, vol. 146, pp. 893—899. DOI: 10.1016/j.marpolbul.2019.07.029.

7. Yi L., Gao B., Liu H., Zhang Y., Du C., Li Y. Characteristics and assessment of toxic metal contamination in surface water and sediments near a uranium mining area // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2020, vol. 17, no. 2, article 548. DOI: 10.3390/ijerph17020548.

8. Максимович Н. Г., Пьянков С. В. Кизеловский угольный бассейн: экологические проблемы и пути решения: монография. — Пермь: ПГНИУ, 2018. — 288 с.

9. Grande J. A., Santisteban M., Perez-Ostale E., Valente T., de la Torre M. L., Gomes P., Barrios-Parra F. Dilution versus pollution in watercourses affected by acid mine drainage. A graphic model for the Iberian Pyrite Belt (SW Spain) // Mine Water and the Environment. 2018, vol. 37, pp. 211—216. DOI: 10.3390/ijerph17020548.

10. Закруткин В. Е., Гибков Е. В., Решетняк О. С., Решетняк В. Н. Донные отложения как индикатор первичного и источник вторичного загрязнения речных вод углепромышленных территорий Восточного Донбасса // Известия РАН, серия Географическая. — 2020. — Т. 84. — № 2. — C. 259—271.

11. Li H., Yang J., Ye B., Jiang D. Pollution characteristics and ecological risk assessment of 11 unheeded metals in sediments of the Chinese Xiangjiang River // Environmental Geochemistry and Health. 2019, vol. 41, no. 3, pp. 1459—1472. DOI: 10.1007/s10653-018-0230-9.

12. Pyankov S. V., Maximovich N. G., Khayrulina E. A., Berezina O. A., Shikhov A. N., Abdullin R. K. Monitoring acid mine drainage’s effects on surface water in the Kizel Coal Basin with Sentinel-2 satellite images // Mine Water and the Environment. 2021, vol. 40, no. 3, pp. 606—621. DOI: 10.1007/s10230-021-00761-7.

13. Геоэкологическая геоинформационная система Кизеловского угольного бассейна: [сайт]. URL: http://kub.maps.psu.ru.

14. Tessier A., Campbell P. G. C., Bisson M. Sequential extraction procedure for the speciation of particulate trace metals // Analitical Chemistry. 1979, vol. 51, pp. 844—851.

15. Hakansson K., Karllson S., Allard B. Effects of pH on the accumulation and redistribution of metals in a polluted stream bed sediment // Science of the Total Environment. 1989, vol. 87/88, pp. 43—57.

16. Munk L., Faure G., Pride D. E., Bigham J. M. Sorption of trace metals to an aluminum precipitate in a stream receiving acid rock-drainage; Snake River, Summit County, Colorado // Applied Geochemistry. 2002, vol. 17, no. 4, pp. 421—430. DOI: 10.1016/S0883-2927(01)00098-1.

17. Kimball B. A., Callender E., Axtmann E. V. Effects of colloids on metal transport in a river receiving acid mine drainage, upper Arkansas River, Colorado, USA // Applied Geochemistry. 1995, vol. 10, no. 3, pp. 285—306. DOI: 10.1016/0883-2927(95)00011-8.

18. Ji H., Li H., Zhang Y., Ding H., Gao Y., Xing Y. Distribution and risk assessment of heavy metals in overlying water, porewater, and sediments of Yongding River in a coal mine brownfield // Journal of Soils and Sediments. 2018, vol. 18, pр. 624—639. DOI: 10.1007/s11368-017-1833-y.

19. Torre B. M., Borrero-Santiago A. R., Fabbri E., Guerra R. Trace metal levels and toxicity in the Huelva Estuary (Spain). A case study with comparisons to historical levels from the past decades // Environmental Chemistry and Ecotoxicology. 2019, vol. 1, pр. 12—18. DOI: 10.1016/j.enceco.2019.07.002.

20. Sojka M., Jaskuła J., Siepak M. Heavy metals in bottom sediments of reservoirs in the lowland area of Western Poland: Concentrations, distribution, sources and ecological risk // Water. 2018, vol. 11, no. 1, article 56. DOI: 10.3390/w11010056.

21. Miao X., Song M., Xu G., Hao Y., Zhang H. The accumulation and transformation of heavy metals in sediments of Liujiang River Basin in Southern China and their threatening on water security // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2022, vol. 19, article 1619. DOI: 10.3390/ijerph19031619.

22. Semenkov I., Sharapova A., Lednev S., Yudina N., Karpachevskiy A., Klink G., Koroleva T. Geochemical partitioning of heavy metals and metalloids in the ecosystems of abandoned mine sites. A case study within the Moscow brown coal basin // Water. 2022, vol. 14, no. 1, article 113. DOI: 10.3390/w14010113.