Геохимия подземных вод бассейна среднего и нижнего течения р. Катунь

Скачать 424.37 Kb.

Название	Геохимия подземных вод бассейна среднего и нижнего течения р. Катунь
страница	1/3
Дата публикации	01.07.2013
Размер	424.37 Kb.
Тип	Автореферат

100-bal.ru > География > Автореферат

1 2 3

На правах рукописи

Белова Юлия Юрьевна

ГЕОХИМИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

БАССЕЙНА СРЕДНЕГО И НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ Р. КАТУНЬ

Специальность 25.00.07 – гидрогеология

Автореферат
Диссертация на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

Томск – 2008

Работа выполнена в Томском политехническом университете

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Николай Михайлович Рассказов

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук,

профессор Виктор Семенович Кусковский

кандидат геолого-минералогических наук,

Владимир Георгиевич Иванов

Ведущая организация: ОАО «Томскгеомониторинг», г. Томск.
Защита диссертации состоится 24 декабря 2008 г. в 16³⁰ часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ 212.269.03 при Томском политехническом университете.

Адрес: 634028, г. Томск, ул. Ленина, 2/5, 20-й корпус ТПУ, 406 аудитория.

Факс: (382-2) 492-163

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ТПУ

по адресу: 634034, г. Томск, ул. Белинского, д. 55.

Автореферат диссертации разослан « 20 » ноября 2008 г.

Ученый секретарь

по защите докторских О.Е. Лепокурова

и кандидатских диссертаций

ДМ 212.269.03
общая характеристика работы

Актуальность работы. В последние годы резко возрастает значение исследований, направленных на изучение состава вод верхней гидродинамической зоны, интенсивно осваиваемой в процессе хозяйственной деятельности. При этом нередко в силу ряда причин не учитываются закономерности его формирования и миграция химических элементов, что ведет к снижению эффективности гидрогеологических работ.

Сохранение качества подземных вод и их рациональное использование без ущерба для окружающей среды является актуальным, особенно в области гидрогеоэкологии. Большое значение в решении проблем гидрогеологии принадлежит качеству подземных вод и эффективности их использования. Важность этого стала особенно ясной в последние десятилетия, когда качество подземных вод верхних горизонтов, используемых для водоснабжения, стало ухудшаться, что ведет к ухудшению и всей окружающей среды.

В связи с этим в работе основное внимание уделено выявлению закономерностей геохимического состояния подземных вод региона и особенностям формирования их состава под воздействием различных факторов, включая техногенные.

Объектом научного исследования являются подземные воды бассейна среднего и нижнего течения р. Катунь, а предметом – их химический состав, процессы и факторы его формирования.

Цель работы. Установление закономерностей распространения и формирования состава подземных вод бассейна среднего и нижнего течения р. Катунь.

Основные задачи исследований: 1) изучить состав и режим подземных вод региона; 2) выявить степень равновесия подземных вод с горными породами; 3) охарактеризовать влияние водообмена на формирование состава подземных вод; 4) выделить геохимические типы подземных вод и установить закономерности их распределения; 5) оценить современное экологическое состояние подземных вод района исследований, прежде всего, хозяйственно-питьевых.

Научная новизна. Впервые на основе мониторинговых исследований (1989 – 2007 гг.) выявлены изменения содержаний компонентов химического состава грунтовых вод региона.

Определены закономерности распределения подземных вод различного состава по территории региона. С использованием программного комплекса «HydroGeo» рассчитаны основные формы миграции химических элементов в подземных водах, проведена оценка степени их равновесия с карбонатными и алюмосиликатными минералами водовмещающих горных пород, установлена зависимость изменения состава подземных вод от интенсивности водообмена.

В работе, впервые для района исследований, выделены геохимические типы подземных вод по классификации С.Л. Шварцева, дано пространственное их распределение по территории.

Получены новые данные об экогеохимической обстановке в районе, проведена оценка качества подземных вод не только с позиции санитарно-гигиенического нормирования, но и с учетом их физиологической полноценности.

Защищаемые положения.

В характеризуемом районе исследований установлено равновесие подземных вод с карбонатами и повсеместно с вторичными алюмосиликатами (каолинит, иллит и др.), но в тоже время они неравновесны с первичными алюмосиликатами (анортит, альбит и др.).
Выявленные геохимические типы подземных вод в регионе связаны с развитием процессов в системе вода-порода-органическое вещество, протекающих в соответствии с интенсивностью водообмена и типами ландшафтов.
Подземные воды зоны активного водообмена бассейна среднего и нижнего течения р. Катунь в основном находятся на начальной стадии загрязнения. В целом район характеризуется пониженной антропогенной нагрузкой, в связи с чем состояние подземных вод ухудшается незначительно, и они классифицируются как незагрязненные, только на локальных участках, в единичных случаях, они являются слабозагрязненными.

Исходный материал. В основу диссертационной работы положены фактические данные, полученные непосредственно автором в процессе исследований в регионе (1989 – 2007 гг.), а также материалы коллективов Томского филиала Института нефтегазовой геологии и геофизики Сибирского отделения Российской академии наук (ТФ ИНГГ СО РАН) и кафедры Гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Института геологии нефтегазового дела Томского политехнического университета (ГИГЭ ИГНД ТПУ).

Всего в процессе исследований использовано свыше 350 анализов подземных вод характеризуемого района, из 82 водопунктов.

Методика исследования. Исследования проводились на основе выявленных гидрогеохимических закономерностей (С.Л. Шварцев, С.Р. Крайнов, Б.Н. Рыженко, П.А. Удодов и др.) с использованием результатов комплексного изучения геолого-структурных, гидрогеологических условий и геохимических особенностей территории. Пробы воды отобраны из 20 режимных родников и 32 скважин, а также 30 ручьев, при обязательной оценке концентраций в них быстроизменяющихся компонентов. Изучение химического состава подземных вод проводилось по количественным и качественным показателям, полученным на основе интерпретации результатов химических анализов проб воды, выполненных в аккредитованных лабораториях новейшими аналитическими методами. При обработке материалов применялась программа гидрогеохимического моделирования «HydroGeo», автор М.Б. Букаты (1999), с использованием которой выполнена количественная оценка равновесия подземных вод с основными породообразующими карбонатными и алюмосиликатными минералами. Это позволило, с новых позиций, подойти к выделению геохимических типов вод в регионе с учетом интенсивности водообмена, в изучение которого большой вклад внес В.С. Кусковский.

Для интерпретации результатов использованы пакеты программ Microsoft Exсel, Access, Statistica; при картографической обработки информации широко применялись пакеты программ: Surfer, Photoshop, CorelDRAW.

При решении поставленных в работе задач автором проанализированы результаты мониторинговых исследований с 1989 по 2007 гг.

Практическая значимость. Полученная информация об уровнях природных концентраций химических элементов может быть использована при оценке экологического состояния подземных вод. Кроме того, выявленные закономерности формирования и распространения химических типов подземных вод могут использоваться в решении водохозяйственных проблем региона.

В настоящее время материалы диссертации используются в работе ТФ ИНГГ СО РАН, а также отдельные главы в учебном процессе ТПУ.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались на следующих форумах и научных семинарах: на VI, VIII – XI международных симпозиумах им. академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2002, 2004 – 2007); на форуме: «Проблемы науки, техники и образования» (Москва, 2005); на V Международной конференции: «Геология в школе и высших учебных заведениях. Геология и цивилизация» (Санкт-Петербург, 2007).

Публикации текстов докладов (без выступления) приняты и опубликованы: на VI Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2005); на VI окружной конференция молодых ученых: «Наука и инновация XXI века» (Сургут, 2005); на конференции, посвященной 75-летию кафедры ГИГЭ ТПУ (Томск, 2005); на международной научно-практической конференции по проблемам геологии, экологии и рационального природопользования (Новочеркасск, 2005); на III межвузовской конференции молодых ученых и студентов: «Молодые ученые – наукам о Земле» (Москва, 2005); на XVIII Всероссийском совещании: «Подземные воды востока России» (Иркутск, 2006); на Международной научно-практической конференции: «Питьевая вода Сибири» (Барнаул, 2006); на Международной научно-практической конференции: «Антропогенная динамика природной среды» (Пермь, 2006); на научно-практической конференции: «Эколого-экономическая эффективность природопользования на современном этапе развития Западно-Сибирского региона» (Омск, 2006); на IV Всероссийской научно-технической конференции: «Геология и нефтегазоносноность Западно-Сибирского мегабассейна» (Тюмень, 2006); на VIII Международной конференции: «Новые идеи в науках о Земле» (Москва, 2007); на конференции: «Современные проблемы геохимии» (Иркутск, 2007); на всероссийской конференции: «Проблемы геохимии эндогенных процессов и окружающей среды» (Иркутск, 2007).

По теме диссертации всего опубликовано 29 работ (включая тезисы), в том числе в журналах рекомендованных ВАК – 3.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы, насчитывающего более 100 наименований. Материал диссертации изложен на 146 страницах, иллюстрирован 31 рисунком и содержит 33 таблицы.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю работы доктору геолого-минералогических наук, профессору Н.М. Рассказову, благодарит за ценные советы и оказанную помощь в работе д.г.-м.н., профессора С.Л. Шварцева, д.г.-м.н., профессора М.Б. Букаты, д.г.-м.н., профессора В.С. Кусковского, д.г.-м.н., профессора Е.М. Дутову, д.г.-м.н., профессора О.Г. Савичева, к.г.-м.н., директора УНПЦ «Вода» Ю.Г. Копылову и др. Особую признательность за постоянное внимание и советы автор выражает к.г.-м.н. Н.М. Шварцевой. Кроме того, за консультацию и посильную поддержку, оказанную автору в ходе данной научно-исследовательской работы автор искренне благодарит коллективы ТФ ИНГГ СО РАН и кафедры ГИГЭ ИГНД ТПУ.
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД БАССЕЙНА СРЕДНЕГО И НИЖНЕГО ТЕЧЕНИЯ Р. КАТУНЬ

В главе дается характеристика исследований по изучению подземных вод региона.

Первые упоминания о подземных водах Горного Алтая относятся к концу XIX – началу XX вв. Большой вклад в изучение подземных вод внес П.И. Бутов (1945), М.И. Кучин, А.В. Тыжнов (1948), В.С. Кусковский (1965).

В 1972 году под редакцией М.А. Кузнецовой и О.В. Постниковой вышел XVII том Гидрогеологии СССР «Кемеровская область и Алтайский край», в котором В.С. Кусковским дана характеристика гидрогеологических особенностей региона.

С 60-х годов на территории проводились исследования проблемной гидрогеохимической лабораторией ТПУ под руководством П.А. Удодова, а с 1981 г. С.Л. Шварцева. В исследованиях принимали участие многие сотрудники ТПУ (В.Я. Бычков, Е.М. Дутова, Р.Ф. Зарубина, В.Г. Иванов, Ю.Г. Копылова, З.В. Лосева, А.А. Лукин, Ю.С. Парилов, Д.С. Покровский, Н.М. Рассказов, О.Г. Савичев, Н.А. Трифонова, А.Д. Фатеев, Л.Л. Шабынин, С.Л. Шварцев и мн. др.). В отдельные периоды работы велись совместно с Объединенным институтом геологии, геофизики и минералогии СО РАН (Б.А. Воротников, В.С. Кусковский, Н.А. Росляков и др.).

С начала 1990года в этом регионе проводятся большие исследования ТФ ИНГГ СО РАН. В которых принимали участие многие исследователи (В.С. Кусковский, Н.М. Рассказов, С.Л. Шварцев, Е.В. Домрочева и мн. др.).

С 1997 года ТФ ИНГГ в рамках федерально-целевой программы «Интеграция» проводит эколого-геохимические исследования на этой территории. Этим коллективом разработана система базовых точек или пунктов наблюдений, которая облегчает решение многих фундаментальных проблем, связанных с состоянием водных ресурсов, оценкой масштаба загрязнения, накопления токсичных веществ в водах, трансформацией их химического состава. Это обеспечит возможность разработки методов долгосрочного прогноза изменений качества подземных вод.

В настоящее время, когда интерес к экологическим проблемам возрастает, а вопрос рационального использования геологической среды человеком остается открытым, актуальность изучения геохимической деятельности подземных вод может только возрастать.
Глава 2. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА

В главе приводится описание геоморфологических, гидрологических условий и поясность почвенного покрова района исследований.

Климат. Основным фактором, определяющим резко континентальный климат является продолжительная, холодная зима и кратковременное, но жаркое лето. Количество атмосферных осадков составляет 300 – 900 мм/год, достигая в среднегорье и высокогорье 1500 мм/год, при испарении в среднем 450 мм/год (Сорокина и др., 2004). Среднегодовая относительная влажность воздуха изменяется от 61 до 72 %.

В геоморфологическом плане район характеризуется наличием вертикальной поясности: низкогорья (250 – 800 м), среднегорья (800 – 2000 м).

Почвенный покров. Район исследований отличается разнообразием почвенного покрова. А.Л. Александровский (1988) и др. выделяют следующие почвенно-ландшафтные пояса: горно-луговой, горно-лесной и горно-степной.

Гидрографическая сеть. Речная система района исследований представлена р. Катунь и ее крупными притоками (Кокса, Аргут, Чуя и др.). Длина реки 688 км, площадь бассейна 60,9 тыс. км². Питание р. Катунь ледниковое и снеговое, частично дождевое. Средний годовой ее расход в устье составляет 626 м³/сек.

Такие исследователи, как А.М. Комлев, В.С. Кусковский (1992) разделяют р. Катунь по характеру течения на три участка: верхний, средний и нижний.
Глава 3. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ТЕРРИТОРИИ

В главе рассмотрено геологическое строение района, тектонические условия, история геологического развития, литолого-стратиграфическое описание пород кровли фундамента и осадочного чехла, приведена сравнительная характеристика подземных вод в зоне региональной трещиноватости коренных пород и аллювиальных отложений.

В геологическом отношении район исследований охватывает южную часть Катунского антиклинория и переходную зону между Уймено-Лебедским и Ануйско-Чуйским прогибами (синклинориями). В этом районе широко развиты эффузивно-осадочные образования венда и кембрия, а также осадочные корбонатно-терригенные породы кембрия и частично ордовика.

В морфоструктурном плане район представляет собой молодую резко расчлененную и хорошо обнаженную горную область.

В гидрогеологическом разрезе по условиям распространения выделяют в регионе Алтае-Саянскую горно-складчатую гидрогеологическую область (зону трещиноватости коренных пород, зону разрывных тектонических нарушений, к которым приурочены соответствующие типы вод по условиям залегания (грунтовые межпластовые, зон разрывных нарушений) и горизонт аллювиальных отложений) и Западно-Сибирский мегабассейн, в состав которого входит Кулдино-Барнаульский артезианский бассейн, граничащий с Алтае-Саянской областью.

Водовмещающие породы характеризуются значительной неоднородностью фильтрационных свойств и обводненностью. По характеру питания и разгрузки подземных вод на территории выделяются три типа режима: водораздельный, прибрежный и карстовый. Основной объем воды фильтруется через зону активного водообмена, которая является объектом наших исследований.

По данным режимных наблюдений в скважинах и родниках установлено, что состояние подземных вод определяется прямым влиянием гидростатических напоров (Корректировка и…, 2007). Формирование фильтрационных потоков определяется климатическим круговоротом воды. Области разгрузки приурочены к отрицательным формам рельефа, в том числе к руслам рек. Глубина залегания уровней подземных вод как правило составляет 10 – 20 м и увеличивается вглубь склонов до 50 – 100 м.

Величина модуля подземного стока зоны активного водообмена составляет в регионе 1 – 5 л/с·км² (по данным Ю.Н. Акуленко, В.С. Кусковского, Е.А. Соцкова и др.), т. е. водообмен является активным.

Полученные данные по составу подземных вод разделены применительно к типам вод: трещинные в коренных породах, поровые в аллювиальных отложениях и воды зон разрывных нарушений. Трещинный и трещинно-карстовый типы коллекторов характеризуются повышенной проницаемостью. По химическому составу воды коренных пород являются гидрокарбонатными кальциевыми, пресными с малой и средней минерализацией (от 77 до 680 мг/л), что указывает на формирование макрокомпонентного состава подземных вод под влиянием активного водообмена; рН их составляет 6,5 – 8,8. Сравнение среднего состава подземных вод поровых аллювиальных отложений и вод коренных пород показывает, что они по составу идентичны, хотя воды аллювиальных отложений более минерализованы (от 98 до 780 мг/л) и имеют в летний период несколько повышенную температуру по сравнению со вторыми. Для вод зон разрывных нарушений характерны более постоянные температуры и дебиты, по сравнению с подземными водами поровых аллювиальных отложений и вод коренных пород.