Геохимия подземных вод бассейна среднего и нижнего течения р. Катунь
Скачать 424.37 Kb.
|
| Глава 4. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ Использование различных методов исследований зависит от целей и задач, поставленных при выполнении диссертационной работы. Главное внимание обращено на методики, которые позволяют выявлять основные закономерности распространения геохимических типов подземных вод в регионе, а также особенности формирования их химического состава. Методические основы этого направлений разработаны, С.Л. Шварцевым, В.С. Кусковским, Е.М. Дутовой и мн. др. Формирование состава подземных вод нельзя понять, не рассматривая равновесия в системе вода-порода. В связи с этим в работе анализируется равновесие подземных вод с карбонатными и алюмосиликатными минералами, наиболее широко распространенными в данном регионе. Расчет равновесия воды с горными породами проводился по методике, изложенной в работе Р.М. Гаррелса и Ч.Л. Крайста (1968). Расчеты необходимых для вычисления квотанта реакции активных концентраций компонентов раствора определялись с использованием программного комплекса HydrоGeo (Букаты, 1999). Решение вопроса о направлении преобразования минерального вещества в сложившихся гидрогеохимических условиях проводилось с использованием полей устойчивости минералов, построенных в различных координатах (Шварцев, 1996). В настоящее время разработано большое количество методик оценки экологического состояния подземных вод. В основном, все они носят рекомендательный характер и не лишены своих достоинств и недостатков (Шитиков, 2005, Шварц, 2004 и др.). В системе общегосударственной службы наблюдений и контроля за загрязнением природной среды принято оценивать степень опасности для человека по сравнению с ПДК, хотя этого и недостаточно. Глава 5. ГЕОХИМИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД РЕГИОНА В главе рассмотрен химический состав подземных вод c ненарушенным режимом, его площадное распространение, произведен расчет равновесий в системе вода-порода, на основании чего выделены геохимические типы, определены основные формы миграции химических элементов, рассмотрены особенности формирования химического состава подземных вод бассейна среднего и нижнего течения р. Катунь и его изменения во времени. Химический состав вод региона определяется, прежде всего, их генетической природой, а также процессами в системе вода-порода (Шварцев, 1996). Пробы отбирались из скважин глубиной от 100 до 160 м, а также из родников, характеризующих типы подземных вод выделяемые по условиям залегания (табл. 1). Таблица 1. Средний химический состав подземных вод региона
Распространение химических элементов в подземных водах. Состав подземных вод в различных водопунктах зависит от интенсивности водообмена и от литологического состава водовмещающих пород. При снижении значений модуля подземного стока (снижении интенсивности водообмена), абсолютных отметок земной поверхности, уменьшении степени расчлененности рельефа и смене ландшафтных условий (от горно-луговых до горно-степных) происходит увеличение общей минерализации подземных вод, но при этом рост содержаний большей части химических элементов не является равномерным, а носит сложный характер. Изменения значений модуля подземного стока закономерно уменьшаются от горно-луговых до горно-степных. Воды с наименьшей минерализацией (менее 0,3 г/л) характерны для высокогорной части, где развит наиболее интенсивный водообмен (МПС равен более 10 л/с·км2); рН подземных вод горно-луговой зоны изменяется в пределах от 6,5 до 7,0. В горно-лесной зоне интенсивность водообмена уменьшается (МПС до 5 л/с·км2), в среднем минерализация увеличивается (до 750 мг/л); рН изменяется от 6,6 до 8,1. В горно-степной зоне минерализация находится в пределах от 616 до 1400 мг/л; рН от 7,1 до 9,6. Модуль подземного стока (МПС) до 1 – 2 л/с·км2. Подземные воды различных ландшафтных зон отличаются содержанием различных компонентов (НСО3-, Са2+, Mg2+, Fe и др.); их концентрации повышаются по направлению течения р. Катунь, но до определенного предела. Например, содержание Са2+ достигает геохимического барьера в горно-степной зоне, где он высаживается и образует кальцит. Это происходит по мере уменьшения модуля подземного стока (интенсивности водообмена), и увеличения времени взаимодействия воды с породой. Изучение временных изменений состава рассматриваемых вод проводилось с применением вероятностно-статистических методов. Выявлено, что режим подземных вод в бассейне р. Катунь определяется естественными режимообразующими факторами. На этом фоне в ряде скважин и родников минерализация, особенно в районе более активного водообмена, может понижаться за счет повышения количества выпадающих атмосферных осадков в весеннее и осеннее время. Приведенная характеристика изменения химического состава во времени подтверждает, что каждая структура имеет свои геохимические особенности, которые претерпевают изменения под влиянием многих факторов (рис. 1). С  Рис. 1. Изменение состава подземных вод во времени ледует отметить, что водоотбор из некоторых скважин (если это не самоизлив) способствует активизации гидродинамической системы, усиливает скорости движения воды и улучшает водообмен. Это ведет к уменьшению времени взаимодействия воды с горными породами, что приводит к уменьшению ее минерализации. Это относится к таким геохимическим показателям, как pH, Eh, содержание металлов, биогенных элементов и так далее. Основные формы миграции химических элементов в подземных водах региона. Формирование подземных вод невозможно рассмотреть без учета комплексообразования. Нами было рассчитано комплексообразование для 52 водопунктов. В рассматриваемом регионе, по результатам расчетов автора, с повышением минерализации воды доля мигрирующего как макро-, так и микрокомпонента от их общего количества уменьшается. Например: Ca2+, NH4+, Mn2+, Mg2+, Fe2+, F-, Сu, Pb, Cd, Li и Zn мигрируют преимущественно в ионной форме, которая составляет 95 – 99 %, а для Na+, K+, Cl, НСО3-, NO2-, NO3- и SiO2 они практически не изменяются. В то же время, для Al3+ в условиях слабощелочной среды миграционной формой является продукт диссоциации Al(OН)4-, реже Al(OН)2+, для Si4+ – H4SiO4, для Hg2+ – Hg(NH3)22+. Анализ приведенного материала показывает, что массопотоки отдельных химических элементов в подземных водах теснейшим образом связаны с интенсивностью водообмена, геолого-географическими условиями, а также с литологическим составом дренируемых горных пород. Равновесие подземных вод с карбонатными и алюмосиликатными минералами. Степень насыщения подземных вод по отношению к кальциту определяется по произведению растворимости его ионов в соответствии с реакцией: СаСО3=Са2++СО3-, константа которой для температуры 250С равна 10-8,34 (Гаррелс, Крайст, 1968). Анализ диаграмм степени насыщения показал, что пресные подземные воды горно-луговой зоны, в большинстве случаев, не насыщены по отношению к этому минералу благодаря пониженным значениям минерализации, рН и низкой активностью иона Са2+. По мере снижения активности водообмена происходит накопление кальция в подземных водах горно-лесной, а затем и горно-степной зон, где достигается насыщение относительно кальцита (рис. 2), который выпадает в осадок на образующемся карбонатном геохимическом барьере. Тогда доминирующим в растворе становится ион натрия, у которого в этих геохимических условиях нет контролирующей реакции. В  Рис. 2. Степень насыщения подземных вод относительно кальцита при 250С: 1 – горно-луговая; 2 – горно-лесная; 3 – горно-степная зона оды известняков по сравнению с водами алюмосиликатов в большей степени обогащены карбонатными солями кальция и по мере движения от горно-луговой до горно-степной ландшафтной зоны достигают равновесия с кальцитом, т. е. по мере увеличения времени взаимодействия воды с породой наступает насыщение подземных вод с кальцитом. В общем случае кальцит начинает выпадать при достижении минерализации ≈ 600 мг/л и рН ≈ 7,3 (Шварцев, 1991). В результате проведенных термодинамических расчетов установлено, что в районе исследований не все воды насыщены относительно кальцита. Пресные воды горно-луговой зоны в большинстве случаев не насыщены относительно кальцита, а подземные воды, развитые в горно-степной зоне, наоборот, практически все насыщены относительно кальцита и способны высаживать его в виде вторичного минерала. Формирование на протяжении всего времени карбонатных минералов носит закономерный характер, который определяется такими параметрами гидрогеологической среды как рН, температура, минерализация подземных вод и время взаимодействия воды с породой. Изучение характера равновесия воды с алюмосиликатными минералами показало, что независимо от выбранных координат все точки располагаются в поле устойчивости глинистых минералов (рис. 3). Степень насыщения подземных вод относительно основных породообразующих минералов алюмосиликатных пород можно выяснить посредством нанесения данных по составу вод на диаграммы устойчивости алюмосиликатов. В данном случае подтверждается принцип, обоснованный С.Л. Шварцевым (1991) о равновесно-неравновесном характере системы вода-порода. Это принципиальное положение так же свидетельствует о том, что вода независимо от глубины залегания, рН, температуры, геохимической среды, состава вмещающих пород растворяет одни минералы и формирует другие, которые выпадают из раствора. К последним в регионе, по нашим данным, относятся в подавляющем большинстве глинистые минералы и кальцит. Таким образом, пресные воды бассейна среднего и нижнего течения р. Катунь неравновесны с первичными алюмосиликатами (рис. 3), которые служат источником химических элементов и, в частности, кальция на всех этапах взаимодействия воды с горными породами. А  Рис. 3. Диаграммы равновесия систем при 25°С с нанесением средних значений для основных ландшафтных зон: а – анортит-гиббсит-каолинит-Са-монтмориллонит; б – Mg-хлорит-гиббсит-каолинит- Mg- монтмориллонит; в – альбит-каолинит-Na-монтмориллонит; г – микроклин-мусковит-гиббсит-каолинит-иллит-К-монтмориллонит. Условные обозначения см. рис. 2. нализ диаграмм (рис. 3) показал, что все подземные воды недонасыщены к первичным алюмосиликатным минералам. Так, в системе HCl-H2O-Al2O3-CaCO-CO2-SiO2 (рис. 3а) изученные нами воды достаточно разнородны по содержанию Са и H4SiO4. Большинство подземных вод располагаются в области устойчивости каолинита, только несколько точек близки к равновесию или равновесны с Са-монтмариллонитом. Такое расположение точек объясняется тем, что при высоких значениях рН растворимость кремнекислоты тоже повышается, что и способствует перемещению точек содового типа в сторону насыщения монтмориллонитом, который связывает в своем составе больше SiO2, чем каолинит. На рис. 3б приведена диаграмма полей устойчивости в зависимости от активностей в воде магния, кремнекислоты и рН. Практически все воды пресные, поэтому основная масса находится в области устойчивости с каолинитом. В системе SiO2-Al2О3-Na2O-CО2-H2O (рис. 3в) степень насыщения подземных вод относительно натриевых минералов устанавливается по равновесиям между альбитом, каолинитом, гиббситом и Na-монтмориллонитом. Подземные воды в основном находятся в равновесном состоянии по отношению к каолиниту; лишь несколько точек располагаются на границе с Na-монтмориллонитом. Однако, ни одна точка не попадает в область равновесия с альбитом. В поле устойчивости гиббсита оказывается минимальное количество проб воды, его образование возможно только на участках наиболее активного водообмена. Положение точек в системе HCl-H2O-Al2O3-K2O-SiO2 (рис. 3г) свидетельствует, что в данных гидрогеохимических условиях подземные воды формируют преимущественно каолинит и иллит. Гидрослюда устойчива в более щелочных или в более богатых калием растворах. Образованию К-монтмориллонита здесь препятствует низкая активность Н4SiO4. Относительно первичных алюмосиликатов (мусковита и микроклина) воды сильно недонасыщены. Геохимические типы подземных вод. Химический состав подземных вод региона разнообразен, поэтому существует необходимость их систематизации. В гидрогеологии обычно выделяют химические типы вод по преобладающим анионам и катионам; среди многочисленных классификаций широко известны классификации О.А. Алекина, М.Г. Валяшко, В.А. Сулина, С.А. Щукарева и др. Но по этим классификациям все воды региона однотипны, так как их специфика не проявляется. Подход к выделению геохимических типов (минералов) воды предложен С.Л. Шварцевым (1998). Он частично строится на принципах В.И. Вернадского. В основу классификации положена зависимость между составом воды (произведение активностей отдельных групп химических компонентов; значения рН и Еh) и составом продуктов выветривания. Эта зависимость определяется фундаментальными законами термодинамики. Переход одного геохимического типа в другой контролируется характером изменения параметров геохимической среды, составом водного раствора и интенсивностью водообмена. Важный новый механизм перераспределения химических элементов между твердыми фазами через водный раствор помогает выделить в рассматриваемом районе четыре геохимических типа подземных вод. В горно-луговой зоне региона под влиянием активного водообмена, где модуль подземного стока максимален, а время взаимодействия системы вода-порода минимально (в основном это склоны долин) происходит формирование кислого железисто-алюминиевого геохимического типа (табл. 2). В следующей по площадному распространению ландшафтной зоне – горно-лесной, начинает формироваться алюминиево-кремнистый геохимический тип, который имеет достаточно большое распространение в районе исследований и связан он с моносиаллитным типом выветривания. Модуль подземного стока до 3 л/с∙км2. Эта обменная система действует до тех пор, пока не приведет к достижению равновесия в растворе с глинистыми минералами (каолинит, иллит и др.), т. е. пока тип выветривания не сменится на биссиалитный, где формируется кремнисто-Na, Mg, Ca геохимический тип подземных вод; относятся эти воды к следующей горно-степной ландшафтной зоне, где МПА = 1 – 2 л/с∙км2. В отдельных районах горно-степной зоны находятся воды, которые равновесны по отношению к кальциту, это свидетельствует о начальном этапе формирования четвертого геохимического типа – щелочного карбонатно-кальциевого (содового), в условиях минимального водообмена. Таблица 2. Геохимические типы подземных вод региона
Таким образом, состав подземных вод региона формируется в определенной геохимической среде, определяемой интенсивностью водообмена и ландшафтными особенностями территории. Особенности формирования химического состава подземных вод. Этому вопросу посвящены многие работы О.А. Алекина, С.В. Алексеева, В.А. Алексеенко, Е.А. Баскова, В.И. Вернадского, А.И. Гавришина, А.Я. Гаева, К.П. Караванова, В.А. Кирюхина, С.Р. Крайнова, И.С. Ломоносова, В.М. Матусевича, А.А. Махнача, А.М. Овчинникова, Е.В. Пиннекера, К.Е. Питьевой, Б.И. Писарского, А.М. Плюснина, Е.В. Посохова, Б.Н. Рыженко, Л.С. Табаксблата, Н.И. Толстихина, О.В. Чудаева, В.М. Швеца, Л.В. Заманы, Б.И. Шестакова и мн. др. Изучение геохимических закономерностей формирования химического состава подземных вод в регионе занимались многои исследователи, прежде всего С.Л. Шварцев, В.С. Кусковский, Е.М. Дутова, Н.М. Рассказова, А.А. Лукин, Д.С. Покровский, Н.А. Росляков и др. Формирование состава подземных вод начинается в атмосфере и продолжается в почвах и горных породах до тех пор, пока вода не окажется в области разгрузки и не покинет горные породы. Основными источниками химических элементов в данном регионе являются горные породы, а также частично атмосферные осадки и почвенно-растительный слой. В районе исследований сложились гидрогеологические условия, способствующие быстрому проникновению атмосферных осадков на глубины, при которых исключается испарение, а это способствует формированию пресных подземных вод и распространению их по всему разрезу. Еще на стадии атмогенного и биогенного этапов формирования прослеживается некоторое обогащение природных вод химическими элементами. На литологическом этапе происходит взаимодействие воды с горными породами в системе вода-порода. При этом растворимость карбонатов значительно выше, чем у большинства алюмосиликатов, их растворение происходит быстрее. Параллельно идет процесс инконгруэнтного растворения нестойких в зоне гипергенеза алюмосиликатов типа анортита, роговой обманки, пироксенов и так далее. В целом, в районе установлено, что вынос солей преобладает над привносом, а это определяет значительную промытость водовмещающих пород в верхней части разреза. В этих условиях химический состав подземных вод в значительной степени определяется сравнительно малым временем взаимодействия воды с горными породами. Карбонатный состав водовмещающих пород способствует обогащению вод кальцием и появлению гидрокарбонатных кальциевых вод. Формированию этого типа вод способствует хорошая расчлененность рельефа и активный водообмен. Концентрующийся кальций постепенно достигает равновесия с ионом СО3, образуя вторичные карбонатные образования (кальцит, доломит). При увеличении времени взаимодействия с алюмосиликатными горными породами насыщенные к карбонатам подземные воды начинают в своем составе концентрировать натрий, высаживая кальций. Мигрируя по трещиноватым алюмосиликатным породам подземные воды в условиях инконгруэнтного растворения этих пород образуют вторичные минеральные продукты. В подземных водах горно-степной, горно-лесной зоны значительную роль играет взаимодействие подземных вод с алюмосиликатами и кальций вовлекается в состав вторичных глинистых алюмосиликатов из первичных алюмосиликатов при их инконгруэнтном растворении. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Похожие:
 | Рабочая программа учебной дисциплины «Кристаллография и минералогия» Специализации: «Геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых»; «Геология нефти и газа»; «Поиски и разведка... | | Оценка токсичности вод и донных отложений антропогенно загрязненных... Оценка токсичности вод и донных отложений антропогенно загрязненных экосистем методом биотестирования |
 | Мггу учебно-методический комплекс дисциплины Химические и физические свойства природных вод, круговорот воды в природе, гидрология рек, ледников, подземных вод, озер, океанов,... | | Темы рефератов по «географии» Формирование подземной гидросферы Земли и значение подземных вод для человечества |
| Рабочая программа дисциплины «гидрогеохимия» Специализация: №2 Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания | | Рабочая программа по курсу «Динамика подземных вод» Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) |
| Тематический план п/№ Тема Недели семестра Основные физико-химические процессы взаимодействия загрязненных стоков, подземных вод и пород | | Геохимия атмосферных осадков, почвенных и грунтовых вод Усть-Селенгинской... Правила подготовки к печати оригиналов, предназначенных для изданий пияф в форме препринтов, сообщений и авторефератов |
| Рабочая программа поиски и разведка подземных вод для направления 130101 «Прикладная геология» Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) | | Удк 628 03 ресурсы подземных вод красноярского края Правила подготовки к печати оригиналов, предназначенных для изданий пияф в форме препринтов, сообщений и авторефератов |
| Программа первой региональной конференции «охрана и эксплуатация подземных вод» Правила подготовки к печати оригиналов, предназначенных для изданий пияф в форме препринтов, сообщений и авторефератов | | Анализ запасов подземных вод освещает проблемные аспекты В исследованиях определяли также степень воздействия на каждый ресурс и необходимый объем подпитки для восстановления и поддержания... |
| Рабочая программа учебной дисциплины основы палеонтологии, стратиграфия... Специализации: Поиски и разведка подземных вод и инженерно- геологические изыскания | | Комментарий Руководителя направления водно-энергетических исследований... В последнее время с развитием технологий широкомасштабной добычи сланцевого газа в Европе появилась новая угроза для экологии почв... |
| Рабочая программа учебной дисциплины полевые инженерно-геологические... Специализация: «Поиски и разведка подземных вод и инженерно-геологические изыскания» | | Методические рекомендации: Оборудование для бассейна «Проведение занятий с детьми по водному поло в условиях пляжа, бассейна. Техника безопасности на воде» |
