ژئوشیمی زیست‎‍ محیطی آب، رسوبات و لجن چشمه های آبگرم سمنان

مقدمه

بالنئولوژی[1] علم استفاده از خاصیت شفابخشی آب‎‍های معدنی و گرم برای اهداف درمانی است و آثار زیست‎‍شناختی آب‎‍های معدنی و چشمه‎‍های گرم را بررسی می‌کند (Mirhosseini et al. 2015). این روش‌ راهکاری ساده، دلپذیر، مطبوع و بی‎‍خطر در نظر گرفته می‎‍شود که فاقد آثار جانبی زیان‎‍بار داروهای شیمیایی است. طیف وسیعی از بیماری‎‍ها از‌جمله رماتیسم، نقرس، چربی خون، پیری زودرس، دردهای مزمن ستون فقرات، آرتروز و مشکلات پوستی، با استفاده از این روش بهبود داده می‌شوند. سازوکارهای درمانی آب‎‍های معدنی، هنوز به‌خوبی شناخته نشده است، ولی احتمالاً ترکیبی از اثرهای شیمیایی، گرمایی، مکانیکی، ایمنی‎‍شناختی و روانی در این امر دخیل‌اند (Toth et al. 2015; Sukthana et al. 2005). با وجود آثار مثبت احتمالی چشمه‎‍های آبگرم در درمان یا بهبود برخی مشکلات سلامتی، احتمال دارد برخی عناصر بالقوۀ سمی در این محیط‌ها، در مقادیر‌ بیش از حد مجاز دریافت روزانه حضور داشته باشند و باید به این مسئله توجه شود.

مجموعه چشمه‎‍های آبگرم سمنان در 18 کیلومتری جنوب غرب مهدی‎‍شهر و 21 کیلومتری شمال غرب سمنان، بین عرض‎‍های 35 درجه و 39 دقیقه، 20 ثانیه تا 35 درجه، 39 دقیقه و 33 ثانیۀ شمالی و طول‎‍های 53 درجه و 11 دقیقه، 20 ثانیه تا 53 درجه و 11 دقیقه و 26 ثانیۀ شرقی واقع شده است. ارتفاع منطقه از سطح دریا 1396 متر است. دبی متوسط چشمه‎‍های آبگرم، حدود 19 لیتر بر ثانیه است که حجمی معادل با 599 هزار متر مکعب را در سال‌ تخلیه می‎‍کند. چشمه‎‍‎‍ها پس از پیوستن به یکدیگر، در پایین‎‍دست وارد مسیل آبگرم می‎‍شوند که از آن برای مصارف شرب و کشاورزی استفاده می‎‍شود. با توجه به اینکه آب‎‍های گرم حاوی مقدار زیادی جامدات حل‌شده‌اند[2]‌ و ممکن است حاوی عناصر سمی مانند آرسنیک نیز باشند، ورود این آب‎‍ها به محیط پیرامون آنها، باعث افت کیفیت منابع آب می‌شود. همچنین ممکن است مصرف آنها برای کاربردهای درمانی نیز، به بروز مخاطراتی برای سلامتی انسان منجر شود (Robinson et al. 2003). در صورت مواجهه‌شدن انسان با مقادیر بیش از حد مجاز عناصر بالقوۀ سمی مانند آرسنیک، کبالت، مس، کادمیم، مولیبدن وانادیم و سرب، احتمال بروز عوارض مختلفی شامل اختلالات عصبی، بیماری‎‍های پوستی، سرطان، بیماری‎‍های قلبی-عروقی، نارسایی کلیه، نازایی، مرده‎‍زایی، اختلالات ژنتیکی و دیگر اختلالات سلامتی افزایش می‎‍یابد (Tchounwou et al. 2004; ATSDR 2012; Debnath et al. 2019). بنابراین بررسی کیفیت آب چشمه‎‍های آبگرم، لجن و رسوبات این چشمه‎‍ها از دیدگاه سلامتی، حائز اهمیت فراوان است. هدف از این پژوهش، بررسی ویژگی‎‍های هیدروژئوشیمیایی چشمه‎‍های آبگرم سمنان و بررسی غلظت عناصر بالقوۀ سمی در آب، رسوبات و لجن این چشمه‎‍هاست.

 

زمین‎‍شناسی منطقه

منطقۀ‌ مطالعه‌شده از‌لحاظ زمین‎‍شناسی در زون ساختاری البرز قرار دارد. ارتفاعات شمالی منطقه، از سنگ‎‍آهک، کنگلومرا، ماسه‎‍سنگ و توف‎‍های سبزرنگ دوران سنوزوئیک (پالئوژن- ائوسن) و ارتفاعات شرقی از ماسه‎‍سنگ آهکی، کنگلومرا، مارن‎‍های گچ‎‍دار و آهک دولومیتی (سازند فجن، پالئوسن-ائوسن) تشکیل شده است (شکل 1). قدیمی‎‍ترین سازند منطقه، سازند آهکی-دولومیتی الیکا متعلق به دورۀ تریاس پایینی تا میانی است که بر‌ آن توالی‎‍های شیل، مارن و ماسه‎‍سنگ سازند شمشک (ژوراسیک پایینی)، که حاوی رگه‎‍های زغال‎‍سنگ است، به‌طور هم‎‍شیب و همراه با یک افق لاتریتی- بوکسیتی قرار گرفته است. سازند لار (ژوراسیک میانی تا بالایی) شامل سنگ‎‍های آهکی-دولومیتی است که بر‌ سازند شمشک قرار گرفته و به‌وسیلۀ کنگلومرا و ماسه‎‍سنگ قرمز سازند فجن (پالئوسن-ائوسن) و نهشته‎‍های عهد حاضر پوشانده شده است. نزدیک‎‍‎‍ترین برون‎‍زد به محل چشمه‎‍ها، واحدهای رسوبی متعلق به ژوراسیک پایینی (سازند شمشک) است. سازندهای الیکا و لار در ارتفاعات زیاد رخنمون دارند و واحدهای مطلوب تغذیۀ آب زیرزمینی در نظر گرفته شده‎‍اند که گرادیان هیدرولیکی ضروری برای هدایت جریان آب از ارتفاعات به‌سمت بخش‎‍های کم‌ارتفاع منطقه را فراهم می‎‍کنند (Karimi et al. 2017). با توجه به اینکه سازند ناتراوای شمشک بین دو سازند الیکا و لار قرار گرفته است، هیچ ارتباط هیدرولیکی بین این دو آبخوان کربناتی وجود ندارد. همچنین آبخوان اصلی منطقه، که در لایه‎‍های ضخیم دولومیت (واحد میانی سازند لار) قرار گرفته است، با لایه‎‍های ضخیم و کم‎‍تراوای سازند فجن پوشانده شده است، بنابراین یک آبخوان محصور در نظر گرفته می‎‍شود. روند عمومی ساختارهای زمین‎‍شناسی منطقه (شامل چین‎‍خوردگی‎‍ها، گسل‎‍ها و سازندهای سنگی)، مشابه روند عمومی زون البرز (شمال شرق-جنوب غرب) است. منطقۀ‌ مطالعه‌شده، بخشی از یک ساختار ناودیسی منطقه‎‍ای است که ناشی از تکتونیک بسیار فعال و محدودۀ مطالعه‌شده است. گسلش، مهم‎‍ترین ویژگی تکتونیکی منطقه‌ است. گسل‎‍های اصلی منطقه شامل گسل‎‍های سمنان، انزاب، دیکتاش، رودبار، بشم و چاشم‌اند.

 

روش انجام تحقیق

پس از بررسی موقعیت چشمه‎‍های آبگرم بر‌ نقشۀ زمین‎‍شناسی و کنترل‎‍های صحرایی، برای بررسی ویژگی‎‍های کیفی و هیدروژئوشیمیایی چشمه‎‍های آبگرم سمنان، در دو دورۀ زمانی شامل انتهای فصل تر (بهمن 1399) و انتهای فصل خشک (شهریور 1400)، نمونۀ آب از 5 چشمه برداشت شد. در شکل 2، نمایی از چشمه‎‍های‌ مطالعه‌شده نشان داده شده است. در هر ایستگاه، از 2 بطری یک لیتری پلی‌اتیلن (یکی برای تعیین غلظت یون‌های اصلی و جامدات حل‎‍شدۀ کل و دیگری برای اندازه‎‍گیری غلظت عناصر بالقوۀ سمی) استفاده‌ و پس از شست‌وشوی بطری‌ها با آب چشمه، نمونه‎‍برداری انجام شد.

pH، دما و هدایت الکتریکی[3] نمونه‌ها در محل، با استفاده از دستگاه pH-EC متر (مولتی‎‍متر) مدل YK-2001CT با دقت اندازه‌گیری 001/0 میکروموس ثبت شد. دستگاه قبل از نمونه‌برداری، با استفاده از محلول‌های بافر کالیبره شد و در حین نمونه‌برداری نیز، الکترودها با استفاده از آب چشمه شسته شدند. همچنین به‌منظور بررسی غلظت عناصر بالقوۀ سمی، 5 نمونه رسوب و لجن چشمه‎‍ها که برای اهداف درمانی استفاده می‎‍شوند، با استفاده از بیلچۀ فولادی ضد زنگ برداشت‌ و در کیسه‎‍های پلی‎‍اتیلنی ریخته شد. این نمونه‎‍ها تا زمان تجزیۀ شیمیایی[4] در دمای 4 درجۀ سانتی‎‍گراد نگهداری شدند.

غلظت یون‌های سدیم و پتاسیم با استفاده از نورسنجی شعله‌ای، غلظت یون‌های بی‌کربنات، کلر، کلسیم و منیزیم با استفاده از تیتراسیون و غلظت سولفات، با استفاده از دستگاه اسپکتروفتومتری تعیین شد. جامدات حل‌شدۀ کل با استفاده از روش فیلتراسیون اندازه‌گیری شد. به‌منظور ارزیابی صحت داده‌های به دست آمده و برآورد خطای نتایج حاصل از تجزیۀ یون‎‍‎‍های اصلی، از رابطۀ1 استفاده شد (Panneerselvam et al. 2021):

 

شکل Error! No text of specified style in document. نقشۀ زمین‎‍شناسی منطقۀ‌ مطالعه‌شده (برگرفته از نقشۀ 1 به 100 هزار سمنان) و موقعیت چشمه‎‍ها بر‌ تصویر گوگل‎‍ارث

Fig 1- Geological map of the study area (1:100000 geological map of Semnan) and the location of the spas on Google Earth image.

 

 

شکل 2- نمایی از چشمه‎‍های آبگرم‌ مطالعه‌شده

Fig 2- A perspective of the studied spas

 

 

رابطۀ 1)

میزان خطای اندازه‎‍گیری غلظت یون‎‍های اصلی برای تمامی نمونه‌ها، در محدودۀ پذیرفتنی (کمتر از 15% ±) قرار دارد.

نمونه‌های آب برداشت‌شده برای اندازه‌گیری عناصر بالقوۀ سمی، با فیلتر 45/0 میکرومتر و با استفاده از پمپ خلأ فیلتر‌ و پس از رساندن pH آنها به کمتر از 2، با استفاده از چند قطره اسید نیتریک خالص، به بطری‌های 200 میلی‌لیتری پلی‌اتیلن کدررنگ انتقال داده شدند. غلظت عناصر بالقوۀ سمی با استفاده از دستگاه ICP-MS آزمایشگاه مرکزی دانشگاه صنعتی اصفهان اندازه‌گیری شد. به‌منظور ارزیابی صحت نتایج تجزیه‎‍ای، همراه با هر دستۀ 5 تایی نمونه‎‍ها، یک نمونه تهی و یک نمونه با غلظت افزوده‌شده ازلحاظ شیمیایی تجزیه و همچنین غلظت عناصر در نمونه‎‍های مرجع استاندارد (SPEX series, SPEX CertiPrep, Metuchen, NJ,, CLAS2-2Y, CLCA2-2Y, CLPB2-2Y, CLZN2-2Y)، اندازه‎‍گیری شد. حد تعیین غلظت دستگاه برای عناصر آهن و آلومینیم 10 میکروگرم بر لیتر، برای عناصر باریم، کبالت، کروم، مس، لیتیم، سرب، نیکل، روی، تلوریم، تالیم، برلیم، بیسموت، کادمیم، گالیم 1 میکروگرم بر لیتر و برای عناصر آرسنیک و سلنیم، 1/0 میکروگرم بر لیتر است.

نمونه‎‍های رسوب پس از خشک‌شدن در دمای آزمایشگاه، از الک 63 میکرون عبور داده شدند و نمونه‎‍های لجن پس از خشک‌شدن در دمای 37 درجۀ سانتی‎‍گراد در آون، با استفاده از هاون سرامیکی پودر‌ و سپس از الک 63 میکرون عبور داده شدند. غلظت عناصر اصلی و جزئی در نمونه‎‍های رسوب، پس از هضم اسیدی نمونه‎‍ها با استفاده از مخلوط چهار اسید غلیظ (HF+HClO₄+HNO₃+HCl) و غلظت عناصر موجود در نمونه‎‍های لجن، پس از هضم با نیتریک اسید و پرکلریک اسید در دمای اتاق، برای 12 ساعت و سپس در دمای 100 درجۀ سانتی‎‍گراد برای 2 ساعت، با استفاده از دستگاه ICP-MS آزمایشگاه زرآزما اندازه‌گیری شد. داده‌های به دست آمده (پارامترهای فیزیکی-شیمیایی آب، غلظت یون‎‍های اصلی و عناصر بالقوۀ سمی در آب و غلظت عناصر اصلی و جزئی در نمونه‎‍های رسوب و لجن)، با استفاده از محاسبۀ شاخص‌های مختلف ژئوشیمیایی و هیدروژئوشیمیایی و ترسیم نمودارهای مورد نیاز (مانند نمودار فیکلین[5])، تجزیه و تحلیل شدند.

محاسبۀ شاخص اشباع[6] یک کانی، روش مناسبی برای بیان شرایط تعادل یک محلول نسبت‌به آن کانی است. شاخص اشباع از رابطۀ2 محاسبه می‎‍شود (Chidambaram et al. 2011 ):

رابطۀ 2

IAP، حاصل‎‍ضرب فعالیت یونی[7] و K_sat حاصل‌ضرب انحلال‌پذیری[8] است.

سختی کل[9] بر‌اساس مجموع غلظت یون‌های کلسیم و منیزیم (بر‌حسب میلی‌گرم بر لیتر)، در رابطۀ 3 محاسبه می‌شود:

رابطۀ 3

که در این رابطه M.Wt. CaCO₃، وزن اتمی کربنات کلسیم، At.Wt. Ca وزن اتمی کلسیم و At.Wt. Mg وزن اتمی منیزیم است. از‌نظر سختی، آب به چهار گروه نرم (سختی کم‌تر از 60‌)، اندکی سخت (سختی 60 تا 120)، سخت (سختی120 تا 180) و بسیار سخت (بیش‌تر از 180‌) رده‌بندی می‌شود (Sundaray et al. 2009).

با استفاده از شاخص درجۀ آلودگی[10]، کیفیت و میزان آلودگی آب ارزیابی می‎‍شود. این شاخص برای هر نمونه، جداگانه محاسبه می‎‍شود. به این ترتیب، آثار ترکیبی چندین پارامتر مؤثر، بر کیفیت نمونه مشخص می‌شود. شاخص درجۀ آلودگی با استفاده از روابط زیر محاسبه می‎‍شود (Tijani 2009):

رابطۀ 4      

رابطۀ 5          

در این روابط، C_fi ضریب آلودگی، C_Ai، مقدار پارامتر اندازه‎‍گیری‌شده و C_Ni غلظت استاندارد سازمان بهداشت جهانی برای پارامتر iام است (روی: 300، سرب: 10، نیکل: 20، منگنز: 80، آهن: 2000، مس: 2000، آرسنیک: 10 میکروگرم بر لیتر).

برای محاسبۀ شاخص خطر آب[11] از رابطۀ6 استفاده شد (Ewusi et al. 2022):

 

رابطۀ6             

بر‌اساس رده‌بندی ایوزی ((Ewusi et al. 2022، WHI < 5 نشان‌دهندۀ ‌نبود سمیت، 5 ≤ WHI < 10 نشان‌دهندۀ سمیت کم، 10 ≤ WHI < 15 نشانگر سمیت متوسط و WHI ≥ 15 نشان‌دهندۀ سمیت شدید است.

شاخص آلودگی فلزات سنگین[12]، به شکل رابطۀ 7 محاسبه می‎‍شود (Appiah-Opong et al. 2021):

رابطۀ7             

در این رابطه wi وزن پارامتر iام است که از‌طریق معکوس استاندارد ( ) محاسبه می‌شود. Q_i از‌طریق رابطۀ 8 به دست می‌آید:

رابطۀ8               

در این رابطه، M_i غلظت عنصر‌ مطالعه‌شده در نمونه و I_i مقدار ایده‌آل عنصر است که در این مطالعه، صفر در نظر گرفته شد. S_i مقدار مجاز یا استاندارد عنصر است که همان مقادیر استاندارد سازمان بهداشت و n نیز تعداد عناصر‌ مطالعه‌شده است. اگر HPI نمونۀ آب بین 0 تا 25 باشد، کیفیت آب عالی، چنانچه بین 26 تا 50 باشد، کیفیت آب خوب، در صورتی که بین 51 تا 75 باشد، کیفیت آب بد و اگر بیشتر از 75 باشد، کیفیت آب خیلی بد خواهد بود (Majhi and Keshari Biswal 2016).

برای ارزیابی شدت آلودگی نمونه‎‍های رسوب‌ مطالعه‌شده، ضریب غنی‎‍شدگی[13] عناصر بالقوۀ سمی محاسبه شد. این ضریب از نسبت غلظت عنصر بهنجار‌شدۀ مدنظر در نمونۀ‌ مطالعه‌شده، به غلظت بهنجار‌شدۀ همان عنصر در مادۀ مرجع (ترکیب شیل میانگین) به دست می‎‍آید. منظور از غلظت بهنجار‌شده، غلظت عنصر مدنظر تقسیم بر غلظت یک عنصر بهنجارکننده (آلومینیم) است (Uugwanga and Kgabi 2020):

رابطۀ9               

RE غلظت عنصر بهنجارکننده وx غلظت عنصر مدنظر است.

برای بررسی میزان زیست‎‍انباشت عناصر بالقوۀ سمی در نمونه‎‍های لجن، ضریب زیست‎‍انباشت[14] به‌صورت رابطۀ10 محاسبه شد (El-Din et al. 2014):

رابطۀ10                            

در این رابطه، C_a و C_W به ترتیب غلظت عنصر در نمونۀ لجن و آب است.

 

نتایج و بحث

در جدول 1 مقادیر دما، pH، هدایت الکتریکی، جامدات حل‎‍شدۀ کل و غلظت یون‌های اصلی در نمونه‎‍های آب ارائه شده است. هدایت الکتریکی نمونه‎‍های آبگرم بین 17230 میکروزیمنس بر سانتی‎‍متر (چشمه SP3 در فصل تر) تا 23460 میکروزیمنس بر سانتی‎‍متر (چشمۀ SP4 در فصل تر) و مقدار جامدات حل‌شدۀ کل بین 11100 میلی‎‍گرم بر لیتر (چشمۀ SP2 در فصل خشک) تا 16200 میلی‎‍گرم بر لیتر (چشمۀ SP5 در فصل تر) متغیر است. pH نمونه‎‍های آب بین 4/6 (چشمۀ SP4 در فصل تر) تا 9/7 (چشمۀ SP1 در فصل خشک) و مقدار دما نیز بین 5/21 درجۀ سانتی‎‍گراد (چشمۀ SP3 در فصل تر) تا 41 درجۀ سانتی‎‍گراد (چشمۀ SP4 در فصل خشک) تغییر می‎‍کند. با توجه به اینکه میانگین دمای سالانۀ شهر سمنان معادل 5/17 درجۀ سانتی‎‍گراد است و دمای همۀ نمونه‎‍ها در فصل خشک و دمای یک نمونه در فصل تر بیشتر از 5/36 درجۀ سانتی‎‍گراد است، بنابراین چشمه‎‍های آبگرم سمنان، جزء آب‌های گرم تا داغ محسوب می‎‍شوند.

جدول 1- ویژگی‎‍های هیدروشیمیایی نمونه‎‍های آب‌

Table 1- Hydrochemical characteristics of water samples‌

فصل تر (اسفند 1399)
	Ca (mg/L)	Mg (mg/L)	Na (mg/L)	K (mg/L)	Cl (mg/L)	SO4 (mg/L)	HCO3 (mg/L)	TDS (mg/L)	EC μS/cm	pH	T (°C)
SP1	556.1	446.5	3007.6	62.6	4863.5	484.8	210.5	11950	18384.6	6.7	35
SP2	561.1	449.6	3073.5	56.7	4970	475.2	256.3	12050	18538.5	6.6	35
SP3	526.1	428.3	3095.4	54.7	5005.5	460.8	238	11200	17230.8	6.8	21.5
SP4	496	428.3	3216.8	54.7	5200.8	516	274.6	15250	23461.5	6.4	39
SP5	551.1	461.7	3588.9	54.7	5804.3	516	256.3	16200	24923.1	6.7	30.5
									فصل خشک (مهر 1401)
	Ca (mg/L)	Mg (mg/L)	Na (mg/L)	K (mg/L)	Cl (mg/L)	SO4 (mg/L)	HCO3 (mg/L)	TDS (mg/L)	EC μS/cm	pH	T (°C)
SP1	531.1	492.1	3195.6	54.7	5147.5	499.2	164.8	12100	18615.4	7.9	36
SP2	501	388.8	3283	58.7	4970	484.8	219.7	11100	17076.9	7.4	37
SP3	561.1	267.3	3634.3	50.8	5396	499.2	201.4	13000	20000	7.4	30
SP4	450.9	382.7	3244.1	62.6	4863.5	508.8	201.4	11300	17384.6	7.3	41
SP5	551.1	334.1	4296.8	54.7	6319	532.8	219.7	15000	23076.9	7.4	32

 

 

مقایسۀ مقادیر پارامترهای دما، هدایت الکتریکی، جامدات حل‎‍شدۀ کل و pH در دو فصل نمونه‎‍برداری با یکدیگر، نشان می‎‍دهد‌ هدایت الکتریکی و جامدات حل‌شدۀ کل در نمونه‎‍های فصل خشک و تر، از روند خاصی پیروی نمی‌کند، اما همان‌گونه که انتظار می‎‍رود، مقدار دما در نمونه‎‍های فصل خشک از فصل تر بیشتر است. همچنین، مقدار pH در نمونه‎‍های فصل خشک، بیشتر از نمونه‎‍های فصل تر و ناشی از خروج گازهای اسیدی (دی‎‍اکسید کربن) در اثر افزایش دمای آب در فصل خشک است. pH از خصوصیات فیزیکی-شیمیایی آب است که نقش مهمی در انحلال و رسوب‎‍گذاری عناصر دارد. مقدار pH آب با حضور یون‎‍های اسیدی، بازی و دی‎‍اکسیدکربن حل‌شده کنترل می‌شود. همچنین مقدار pH آب تحت تأثیر تغییرات دما، تبدیل آمونیم به آمونیاک، تجزیۀ مواد آلی و تغییرات شیمیایی، نظیر تغییر پتانسیل اکسایش-کاهش نیز، تغییر می‎‍کند.

با توجه به جدول 1، یون‌های کلر و سدیم، به ترتیب غالب‎‍ترین آنیون و کاتیون در نمونه‎‍های‌ مطالعه‌شده‌اند. بر‌اساس مقادیر میانگین، ترتیب فراوانی کاتیون‌های اصلی به‌صورت Na > Ca > Mg > K و ترتیب فراوانی آنیون‌های اصلی به‌صورت Cl > SO₄ > HCO₃ تغییر می‎‍کند.

تفاوت غلظت یون‌های کلر و سدیم در دو فصل خشک و تر، بیشتر از دیگر یون‌هاست و غلظت این دو یون و تا حدی غلظت سولفات در فصل خشک، بیشتر از فصل تر است‌ که احتمالاً ناشی از افزایش دمای آب در فصل خشک نسبت‌به فصل تر است. غلظت دیگر یون‌ها در دو فصل، تفاوت درخور توجهی را نشان نمی‎‍دهد.

 

تیپ و رخسارۀ نمونه‌های‌ مطالعه‌شده

با توجه به نمودار پایپر[15] (شکل 3)، تیپ نمونه‌های آب‌ مطالعه‌شده، کلروره و رخسارۀ آنها سدیک است. یکسان‌بودن تیپ و رخسارۀ نمونه‎‍ها، نشانگر یکسان‌بودن منشأ این چشمه‎‍هاست. با توجه به نمودار پایپر، در نمونه‎‍های چشمه‎‍های آبگرم سمنان، فلزات قلیایی و اسیدهای قوی غالب‌اند. حضور اسیدهای قوی (یون کلر)، ‌باعث افزایش انحلال‎‍پذیری فلزات در نمونه‎‍های آب می‌شود. در همۀ نمونه‎‍ها غالب‌بودن یون‌های سدیم و پتاسیم نسبت‌به کلسیم و غالب‌بودن منیزیم نسبت‌به کلسیم مشهود است. غالب‌بودن یون‌های سدیم نسبت‌به کلسیم و منیزیم، بیانگر منشأ‌گرفتن سدیم از هالیت و یا هیدرولیز کانی‎‍های سیلیکاتی است (Hounslow 1995). در میان آنیون‌ها نیز، یون کلر در همۀ نمونه‎‍ها غالب است و پس از آن به ترتیب سولفات و بی‎‍کربنات قرار می‎‍گیرند‎‍. غالب‌بودن یون کلر، مؤید انحلال کانی‎‍های تبخیری است. با توجه به حضور یون سولفات و غالب‌بودن منیزیم در مقایسه با کلسیم، منشأ احتمالی این دو یون در نمونه‎‍های آب، انحلال سولفات‌های منیزیم و یا هیدرولیز سیلیکات‎‍ها است. کریمی و همکاران (Karimi et al. 2017) نشان دادند‌ منشأ کلر و سدیم چشمه‎‍های آبگرم سمنان، حضور این عناصر در شبکه بلوری کانی‎‍های سازند لار و انحلال فلدسپار سدیم و فلدسپار سازند و منشأ کلسیم و سولفات انحلال عدسی‌های ژیپس در سازند فجن است.

شکل 4، موقعیت نمونه‎‍ها را بر نمودار Cl-SO₄-HCO₃ (Giggenbach 1988) و شکل 5 موقعیت نمونه‎‍ها را بر نمودار RK-RMg (Giggenback and Glover 1992)‌ نشان می‎‍دهد. با توجه به شکل 4 الف، نمونه‎‍های‌ مطالعه‌شده از نوع بالغ و غنی از کلر است و‌ احتمالاً در طی صعود از مجرای گسل‎‍ها، تحت تأثیر فرایندهای ثانویه، مانند آمیختگی با آب‎‍های زیرزمینی نزدیک به سطح قرار نمی‌گیرد (Singh et al. 2015). با توجه به شکل 4 ب، نمونه‎‍های چشمه‎‍های آبگرم سمنان تحت تأثیر انحلال سنگ‎‍ها و رسوبات آبخوان قرار گرفته‎‍اند.

 

 

 

شکل 3- موقعیت نمونه‎‍های‌ مطالعه‌شده بر‌ نمودار پایپر

Fig 3- The location of the studied samples on the Piper Diagram

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

شکل 4- موقعیت نمونه‎‍های‌ مطالعه‌شده بر‌ نمودار Cl-SO₄-HCO₃ (Giggenbach 1988)‌

Fig 4- The position of the studied samples on the Cl-SO‎‍₄-HCO₃ diagram (Giggenbach 1988)‌

 

شکل 5- موقعیت نمونه‎‍های‌ مطالعه‌شده بر‌ نمودار RK=10C_K/(10C_K+C_Na) در مقابل RMg=10C_Mg/(10C_Mg+C_Ca) (Giggenbach and Glover 1992)‌

Fig 5- The position of the studied samples on the RK=10C_K/(10C_K+C_Na) vs R_Mg=10C_Mg/(10C_Mg+C_Ca) (Giggenbach and Glover 1992)‌

 

 

شاخص اشباع کانی‌ها

با توجه به شکل 6، چشمه‎‍های آبگرم‌ مطالعه‌شده از‌نظر شاخص اشباع کانی‌های مختلف بسیار مشابه‌اند و منشأ یکسان آب چشمه‎‍ها را نشان می‌دهند. همچنین شاخص اشباع کانی‌ها بین دو فصل تر و خشک، تفاوت چشمگیری را نشان نمی‎‍دهد. با توجه به مقادیر میانگین، شاخص اشباع کانی‌ها به ترتیب زیر کاهش می‎‍یابد: Dolomite > Calcite/Aragonite > Gypsum > Anhydrite > Halite

 

 

 

شکل 6- شاخص اشباع کانی‎‍های انیدریت، آراگونیت، کلسیت، دولومیت، ژیپس و هالیت در نمونه‎‍های آب

Fig 6- Saturation Index of anhydrite, aragonite, calcite, dolomite, gypsum and halite in water samples

 

 

شاخص اشباع دولومیت مثبت، شاخص اشباع کلسیت و آراگونیت حدود صفر و شاخص اشباع ژیپس، انیدریت و هالیت منفی است‌ که نشان می‎‍دهد آب نسبت‌به دولومیت فوق اشباع، نسبت‌به کلسیت و آراگونیت اشباع و نسبت‌به هالیت، ژیپس و انیدریت تحت اشباع است. منفی‎‍ترین شاخص اشباع، مربوط به هالیت است. دولومیتی‌بودن آب، با ترکیب سنگ‎‍شناسی آبخوان (بخش میانی سازند لار) همخوانی دارد.

سختی کل

بر‌اساس نتایج به دست آمده، سختی نمونه‌های آب‌ مطالعه‌شده در گسترۀ 2498 (نمونۀ SP3 در فصل خشک) تا 3345 (نمونۀ SP1 در فصل خشک) میلی‌گرم بر لیتر معادل کربنات کلسیم تغییر می‎‍کند و میانگین سختی نمونه‌ها، 2994 میلی‌گرم بر لیتر معادل کربنات کلسیم است؛ بنابراین تمامی نمونه‌ها در ردۀ بسیار سخت قرار دارند (شکل 7). شایان ذکر است که متوسط سختی نمونه‌های‌ مطالعه‌شده در فصل تر و خشک به ترتیب 3161 و 2826 میلی‌گرم بر لیتر، معادل کربنات کلسیم است.

 

 

 

شکل 7- سختی کل نمونه‎‍های آب

Fig 7- Total Hardness of the water samples

 

 

بررسی غلظت عناصر بالقوۀ سمی

در جدول 2، غلظت عناصر آلومینیم، آرسنیک، بور، باریم، مس، آهن، لیتیم، منگنز، نیکل، سرب، سلنیم و روی در چشمه‎‍های آبگرم سمنان ارائه شده است. غلظت عناصر تلوریم، تالیم، برلیم، بسیموت، کادمیم، کبالت، کروم و گالیم زیر حد آشکارسازی دستگاه (1 میکروگرم بر لیتر) بود. بر‌اساس مقادیر میانگین، غلظت عناصر‌ مطالعه‌شده در نمونه‎‍های آب، به‌صورت رابطۀ 11 کاهش می‎‍یابد:

رابطۀ11     B > Zn > Mn > Al > Li > Cu > Fe > Ba >As > Ni > Pb > Se

 

 

 

 

 

جدول 2- غلظت عناصر بالقوۀ سمی در نمونه‎‍های آب، در مقایسه با مقادیر میانگین در آب‎‍های غیر آلوده (برحسب میکروگرم بر لیتر)

Table 2- The concentration of potentially toxic elements in the water samples compared with mean values in unpolluted water (μg/l)

	SP1	SP2	SP3	SP4	SP5	average	Mean concentration in Unpolluted water (Markert 1994)
Al	77	70	72	80	73	74.4	200
As	0.5	38	0.5	80	0.5	23.9	0.5
B	1288	1321	1387	1372	1684	1410.4	10
Ba	25	26	28	35	26	28	10
Cu	38	36	39	37	38	37.6	3
Fe	40	26	49	32	16	32.6	500
Li	40	41	42	51	40	42.8	3
Mn	78	80	86	83	103	86	5
Ni	21	29	18	23	17	21.6	0.3
Pb	12	16	13	9	20	14	3
Se	34	0.5	0.5	3	4	8.4	0.2
Zn	360	341	466	452	678	459.4	5

 

 

با توجه به جدول 2، غلظت عناصر بور، لیتیم، روی، باریم، سرب، منگنز، سلنیم، مس، آرسنیک، منگنز و نیکل در 5 چشمۀ آبگرم‌ مطالعه‌شده، از مقدار میانگین این عناصر در آب‎‍های غیر آلوده (Markert 1994) بیشتر و غلظت عناصر آلومینیم و آهن در همۀ نمونه‎‍های‌ مطالعه‌شده، کمتر از این مقدار است. غلظت زیاد بور، لیتیم، روی، منگنز، سلنیم و مس در چشمه‎‍های آبگرم سمنان، با آثار مثبت سلامتی همراه است (Bowman and Russel 2006; Forlenza et al. 2012; Nielsen and Meacham 2011; Jurowski et al. 2014; Maret 2017)، در حالی که ممکن است مقادیر زیاد باریم، سرب، نیکل و آرسنیک در آب به بروز آثار منفی سلامتی منجر شود (Mena 1981; WHO 2012; USEPA 2013).

 

 

ارزیابی کمی شدت آلودگی نمونه‌های آب

با استفاده از مقادیر C_d، سطح آلودگی آب‌ به سه رده تقسیم می‌شود، به این ترتیب که C_d<1 آلودگی کم، 1<C_d<3 آلودگی متوسط و C_d>3 آلودگی زیاد را نشان می‌دهد. بر‌اساس محاسبات انجام‌شده، همۀ نمونه‌ها به عناصر بالقوۀ سمی آلوده‌اند و چشمۀ SP4 بیشترین میزان آلودگی به عناصر بالقوۀ سمی را نشان می‎‍دهد (شکل 8 الف). شکل 8 ب نشان می‎‍دهد ‌ نمونه‎‍های ‌ مطالعه‌شده‌ WHI < 5 دارند و فاقد سمیت‌اند. با توجه به شکل 8 ب، بیشترین مقدار شاخص خطر آب مربوط به نمونه‎‍های SP2 و SP4 است. با توجه به شکل 8 ج، مقدار عددی HPI چشمه‌های آبگرم سمنان، همگی بیشتر از 75 است؛ بنابراین نمونه‎‍ها به‌شدت به عناصر بالقوۀ سمی آلوده‎‍اند.

 

 

شکل 8- شاخص درجۀ آلودگی (C_d) (الف)، شاخص خطر آب (WHI) (ب) و شاخص آلودگی فلزات سنگین (HPI) (ج) نمونه‎‍های‌ مطالعه‌شده

Fig 8 -(a) Contamination Degree (C_d), (b) Water Hazard Index (WHI), and (c) Heavy Metal Pollution Index (HPI) values of the studied samples

 

 

رده‌بندی نمونه‌های آب برحسب pH و غلظت عناصر بالقوۀ سمی

یکی از متداول‌ترین الگوها برای رده‌بندی آب‌های معدنی، نمودار فیکلین (Ficklin et al. 1992) است. در این نمودار، pH در مقابل غلظت مجموعه‌ای از عناصر بالقوۀ سمی ترسیم می‌شود (Ficklin et al. 1992; Plumlee et al. 1999). نمودار فیکلین‌ نمونه‎‍های‌ مطالعه‌شده در شکل 9 ارائه شده است. بر مبنای این نمودار، آب‌های محدودۀ ‌ مطالعه‌شده در ردۀ نزدیک به خنثی-پر فلز قرار می‌گیرند.

 

غلظت عناصر بالقوۀ سمی در نمونه‎‍های لجن و رسوب

غلظت عناصر اصلی و جزئی در رسوبات

در شکل 10، میانگین غلظت کل عناصر بالقوۀ سمی در 5 نمونۀ رسوب با ترکیب رسوبات میانگین (Bowen 1979) و ترکیب پوستۀ میانگین (Mason and Moore 1982) مقایسه شده است.

 

 

شکل 9- موقعیت نمونه‎‍های آب بر‌ نمودار فیکلین

Fig 9- The location of the water samples on the Ficklin Diagram

 

 

شکل 10- غلظت عناصر بالقوۀ سمی در نمونه‎‍های رسوب، در مقایسه با ترکیب رسوبات میانگین و پوستۀ میانگین

Fig 10- The concentration of the potentially toxic elements in the sediment samples compared with the Mean Sediment and Mean Crust compositions

 

 

این مقایسه‌ نشان‌دهندۀ بیشتر‌بودن غلظت نقره، آرسنیک، کادمیم، سرب و روی در نمونه‌های رسوب‌ مطالعه‌شده، در مقایسه با ترکیب رسوبات میانگین و ترکیب پوستۀ میانگین است.

به‌منظور ارزیابی خطر زیست‌‌محیطی بالقوۀ عناصر‌ مطالعه‌شده، نتایج به دست آمده با دستورالعمل‌های کیفی رسوب[16] تعریف‌شده‌ای مقایسه شد که مک‌‌‌دونالد و همکاران (MacDonald et al. 2000) آنها را ارائه کردند. مقادیر SQGs شامل دو شاخص غلظت آستانۀ اثر[17] و غلظت احتمالی اثر[18] است و مبنای مطمئنی را برای ارزیابی شرایط کیفیت رسوب در اکوسیستم‌های آبی ارائه می‌دهد. TEC، غلظت‌هایی را نشان می‌دهد که کمتر از آن، احتمال مشاهدۀ آثار مضر برای آبزیان وجود ندارد، در حالی که PEC، غلظت‌هایی را نشان می‌دهد که بیشتر از آن احتمال مشاهدۀ آثار جانبی آلاینده‌ها بر‌ آبزیان وجود دارد (Zhang et al. 2020b). غلظت آستانۀ اثر عناصر روی، نیکل، سرب، مس، کروم، آرسنیک و کادمیم به ترتیب 121، 7/22، 8/35، 6/31، 4/34، 7/9 و 9/0 میلی‎‍گرم بر کیلوگرم و غلظت احتمالی اثر این عناصر، به ترتیب 459، 6/48، 128، 149، 111، 33 و 9/4 میلی‎‍گرم بر کیلوگرم است. در تمام ایستگاه‌ها، غلظت عناصر آرسنیک، کروم، مس، نیکل، سرب و روی بیشتر از غلظت آستانۀ اثر و غلظت سرب، بیشتر از غلظت احتمالی اثر است؛ بنابراین در نمونه‎‍های‌ مطالعه‌شده، حضور این عناصر با بروز آثار منفی همراه است.

در جدول 3، شدت غنی‎‍شدگی نمونه‌ها از عناصر بالقوۀ سمی، با توجه به رده‌بندی ضریب غنی‎‍شدگی (Uugwanga and Kgabi 2020) نشان داده شده است. با توجه به نتایج حاصل از محاسبۀ ضریب غنی‎‍شدگی، رسوبات‌ مطالعه‌شده نسبت‌به عناصر مولیبدن، نیکل، توریم، کبالت، کروم، منگنز، آهن و اورانیم دارای غنی‎‍شدگی اندک‌ نسبت‌به آنتیموان و مس دارای غنی‎‍شدگی متوسط‌ نسبت‌به عناصر کادمیم، آرسنیک، روی و سرب دارای غنی‎‍شدگی درخور توجه و نسبت‌به نقره دارای غنی‎‍شدگی بسیار زیادند. روی یک عنصر ریزمغذی ضروری برای انسان است، اما دریافت مقادیر زیاد این عنصر خطرناک است. باید در کنار خواص مثبت درمانی رسوبات و لجن چشمه‎‍های آبگرم، به‌صورت جدی بر آثار منفی دیگر عناصر ذکر‌شده بر سلامت انسان، توجه شود.

 

غلظت عناصر اصلی و جزئی در لجن

در جدول 4، غلظت عناصر‌ مطالعه‌شده در نمونه‎‍های لجن برداشت‌شده از چشمه‎‍های آبگرم سمنان در مقایسه با مقادیر مرجع ارائه شده است. غلظت عناصر در این نمونه‎‍ها (بر‌حسب میلی‎‍گرم بر کیلوگرم وزن خشک) به‌صورت زیر کاهش می‎‍یابد:

Cd > U > Mo > Sb > Ag > Th > Co > Ni > As > V > Cr > Cu > Pb > Mn > Zn

در مقایسه با مقادیر مرجع، غلظت عناصر آرسنیک، کادمیم، کبالت، کروم، مس، آهن، منگنز، نیکل، سرب و روی بسیار بیشتر است.

با توجه به محاسبات انجام‌شده، ضریب زیست‎‍انباشت تمامی عناصر‌ مطالعه‌شده بسیار بزرگ است (جدول 4) که نشان‎‍دهندۀ قابلیت زیست‎‍انباشت عناصر بالقوۀ سمی به‌ویژه آرسنیک، منگنز، مس، نیکل، سرب و روی در نمونه‎‍های لجن است و باید از‌نظر بالنئولوژی و اهداف درمانی به این مسئله توجه شود.

 

جدول 3- ضریب غنی‎‍شدگی عناصر در نمونه‎‍های رسوب بر‌اساس رده‎‍بندی آوگوانا و گابی (Uugwanga and Kgabi 2020)

Table 3- The enrichment factor of elements in sediment samples based on the classification of (Uugwanga and Kgabi 2020)

Studied samples	Enrichment degree	EF Class
Mo (0.7), Ni and Th (1), Co (1.1), Cr (1.2), Mn (1.3), Fe (1.4), U (1.9)	Deficiency to minimal enrichment	<2
Sb (2), Cu (2.1)	Moderate enrichment	2-5
Cd (5.4), As (7.1), Zn (11.5), Pb (17.8)	Significant enrichment	5-20
Ag (26.9)	Very high enrichment	20-40
-	Extremely high enrichment	>40

 

جدول 4- غلظت عناصر بالقوۀ سمی در نمونه‌های لجن‌ مطالعه‌شده (مقادیر بر‌حسب mg/kg) و ضریب زیست‎‍انباشت عناصر در نمونه‎‍ها

Table 4- The concentration of metals in study sediments (mg/kg) and the Bioconcentration Factor of elements in the samples

	Ag	As	Cd	Co	Cr	Cu	Mn	Mo	Ni	Pb	Sb	Th	U	V	Zn
SP1	6.2	30.5	1.1	5.9	44	180	195	1	33	219	2.1	1.61	1	35	955
SP2	3.2	28	0.6	6.6	61	114	311	<0.1	24	82	0.6	3.12	1.1	41	289
SP3	0.8	13.4	0.5	2.6	12	25	209	<0.1	8	31	<0.5	<0.1	0.3	11	80
SP4	0.8	51	0.6	7.9	64	33	270	1	26	342	0.9	3.88	1.5	47	469
mean	2.75	30.7	0.7	5.8	45.3	88	246.3	1	22.8	168.5	1.2	2.9	1	33.5	448.3
Algae guideline*	-	0.175	0.0173	3.33	4.57	23.2	-	67.5	-	0.574	-	-	-	-	128
BCF		1286	-	-	-	2340	2863	-	1053	1236	-	-	-	-	976
*IAEA-392 (2005)

 

 

نتیجه‌

نمونه‎‍های آب نسبت‌به دولومیت فوق اشباع، نسبت‌به کلسیت و آراگونیت، اشباع و نسبت‌به هالیت، ژیپس و انیدریت تحت اشباع‌اند. حضور یون‌های اسیدی مانند کلر و سولفات و دمای زیاد آب در چشمه‎‍های آبگرم‌ مطالعه‌شده، باعث افزایش انحلال‎‍پذیری عناصر بالقوۀ سمی ‎‍می‌شود. عناصر بالقوۀ سمی، دارای ویژگی‌های سمناکی، پایداری، نداشتن قابلیت تجزیه در محیط و تجمع در بافت اندام‌های انسانی‌اند. در طی استفاده از چشمه‎‍های آبگرم برای مقاصد درمانی، این عناصر از‌طریق بلع، استنشاق و تماس پوستی ‌وارد بدن انسان می‌شوند و خطراتی را برای سلامتی‌اش به وجود می‌آورند. بور، لیتیم، سلنیم، روی، مس، منگنز و آهن در محدودۀ مجاز غلظت دارای آثار مثبت برای سلامتی‌اند، در حالی که هیچ نقش مثبت شناخته‌‌شده‎‍ای برای آرسنیک، سرب، نیکل و باریم وجود ندارد. غلظت عناصر بور، لیتیم، روی، باریم، سرب، سلنیم، مس، آرسنیک، نیکل و منگنز در همۀ نمونه‎‍ها بیشتر از میانگین غلظت این عناصر در آب‎‍های طبیعی غیر آلوده است. همچنین بر‌اساس شاخص درجۀ آلودگی، همۀ نمونه‌ها به عناصر بالقوۀ سمی آلوده‌اند و چشمۀ SP4 بیشترین میزان آلودگی به عناصر بالقوۀ سمی را نشان می‎‍دهد که‌ ناشی از دمای بیشتر این چشمه و قابلیت آب برای انحلال عناصر بالقوۀ سمی است. شاخص آلودگی فلزات سنگین در همۀ نمونه‎‍ها بیشتر از 75 است؛ بنابراین نمونه‎‍ها به‌شدت به عناصر بالقوۀ سمی آلوده‎‍اند و بیشترین آلودگی مربوط به نمونۀ  SP4 است. ترسیم نمودار فیکلین نشان داد‌ آب‌های محدودۀ‌ مطالعه‌شده در ردۀ نزدیک به خنثی-پر فلز قرار می‌گیرند. نمونه‎‍های رسوب نسبت‌به عناصر نقره، سرب، آنتیموان، روی، کادمیم و آرسنیک آلوده‌اند. لجن چشمه‎‍های آبگرم نیز از عناصر روی، سرب، نیکل، مس، منگنز و آرسنیک غنی‎‍شدگی نشان می‎‍دهد‌ روی و مس عناصر ضروری‌اند و تمرکز آن در آب، رسوبات و لجن چشمه‎‍های گرم، با آثار مثبت سلامتی همراه است، در حالی که سرب و منگنز، هر دو جزء عوامل سمیت عصبی‌اند[19]‌ و دریافت مقادیر زیاد این عناصر، به آسیب‌های جدی مغز و اعصاب منجر می‌شود؛ به‌ویژه‌ سرب در بروز مشکلات سلامتی برای کودکان حائز اهمیت است و ‌باعث کاهش ضریب هوشی، اختلالات رفتاری، تأثیر منفی بر رشد مغز می‌شود. آرسنیک و نیکل نیز جزء عوامل سرطان‌زا طبقه‎‍بندی شده‎‍اند و دریافت آنها ‌با آثار جدی سلامتی همراه است. با توجه به نتایج به دست آمده، باید در کنار آثار درمانی احتمالی آب این چشمه‎‍ها، به آلودگی نمونه‎‍های‌ مطالعه‌شده نسبت‌به عناصر بالقوۀ سمی نیز توجه شود.

 

تشکر و سپاسگزاری

نویسندگان مقاله مراتب سپاس خود را از معاونت محترم پژوهشی دانشگاه صنعتی شاهرود برای فراهم‌کردن امکانات انجام این پژوهش، ابراز می‎‍دارند. همچنین از هیئت تحریریۀ محترم نشریه و داوران مقاله، قدردانی می‎‍شود.

 

[1] Balneology

[2] Total Dissolved Solids, TDS

[3] Electrical Conductivity, EC

[4] Analysis

[5] Ficklin diagram

[6] Saturation Index, SI

[7] Ion Activity Product, IAP

[8] Solubility Product

[9] Total Hardness, TH

[10] Contamination Degree, C_d

[11] Water Hazard Index, WHI

[12] Heavy Metal Pollution Index; HPI

[13] Enrichment Factor, EF

[14] Bioconcentration Factor, BCF

[15] Piper diagram

[16] Sediment Quality Guidelines, SQGs

[17] Threshold Effect Concentration: TEC

[18] Probable Effects Concentration: PEC

[19] Neurotoxic

تعداد مشاهده مقاله: 449

تعداد دریافت فایل اصل مقاله: 224