Геохимия подземных вод бассейна среднего и нижнего течения р. Катунь

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 предметомих 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 «Нусковео» 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.

1. 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.).

2. 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.

3. 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. JI. 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 (ручьи мелкие в основном питаются подземными водами), 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 B.C. Кусковский.

Для интерпретации результатов использованы пакеты программ Microsoft Excel, Access, Statisticaпри 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 П1 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В диссертации изложены результаты геологических, гидрогеологических и гидрогеохимических исследований установлены геохимические особенности подземных вод бассейна среднего и нижнего течения р. Катунь, которые определяются степенью взаимодействия подземных вод с горными породами. Подземные воды изученной территории подчиняются нормальной поясной зональности. В работе выделены формы миграции макрои микроэлементов: Ка+, К+, Са2+, СГ, Б", N02″, N03', НСОз" и Бе2*, 1л, Си, Ъп, Сё, РЬ и Hg. Установлены геохимические типы подземных водрассмотрены и выявлены основные факторы формирования состава подземных вод зон активного водообмена.

В работе основное внимание уделено выявлению закономерностей геохимического состояния подземных вод региона и особенностям формирования их состава под воздействием различных факторов. Для решения поставленных в связи с этим различных задач использованы методы математической статистики, термодинамики и моделирования. Полученные данные позволили выявить закономерности пространственного распределения геохимических типов подземных вод и гидрогеэкологические условия района.

Основными факторами, определяющими поясную зональность территории, являются геоморфологические и ландшафтные особенности территории, а также интенсивность водообмена. Установлено, что в зоне активного водообмена распространены подземные воды, преимущественно гидрокарбонатного кальциевого состава, формирующиеся в условиях инкогруэнтного растворения алюмосиликатов с образованием вторичных минералов.

В результате полевых и камеральных исследований представилось возможным установить, что формирование состава подземных вод определяется равновесно-неравновесным состоянием системы вода-породаобщая минерализация этих вод изменяется от 0,1 до 0,9 г/л, со значениями рН от 6,0 до 8,6. Одним из важнейших факторов определяющих соленость природных вод является интенсивность водообмена: чем он выше, тем минерализация воды ниже. Такая закономерность обусловлена в основном длиной пути их фильтрации и степени испарения.

Район бассейна среднего и нижнего течения р. Катунь, в своем роде, является уникальным по уровню воздействия человека на природную среду, то есть с гидроэкологической точки зрения является достаточно чистыми. В процессе работы рассчитаны фоновые содержания микроэлементов, расчеты подтвердили, средние содержания микроэлементов для подземных вод бассейна среднего и нижнего течения р. Катунь могут считаться фоновыми для рассматриваемого района.

Изучен гидрогеохимический режим вод района на основе данных за 19-летний период наблюдений с 1989 по 2007 годавыявлено, что их состав изменялся не равномерно на разных участках изучаемого района.

Особенность химического состава подземных вод района, при снижении интенсивности водообмена, абсолютных отметок земной поверхности, уменьшении степени расчлененности рельефа и смене ландшафтных условий (горно-луговая зона сменяется горно-лесной, затем горно-степной) происходит увеличение общей минерализации подземных вод, но при этом рост содержаний большей части химических элементов не является равномерным, а носит сложный характер, свидетельствуя о наличии геохимических барьеров для различных рассматриваемых элементов. С помощью созданной физико-химической модели оценена степень равновесия подземных вод региона относительно карбонатных и алюмосиликатных минералов, выполнено моделирование взаимодействия вода-порода.

На основе полученных данных построена термодинамическая модель, включающая всевозможные в данной геохимической обстановке реакции: растворения первичных минералов и формирования вторичных. Сделан вывод о непрерывности процесса растворения первичных минералов, особенно минералов тяжелой фракции осадочных пород (роговой обманки, пироксены, биотит и прочее) и формирования новых карбонатных и глинистых минералов (каолинита, иллитов и др.). В работе проведена систематизация химического состава подземных вод бассейна среднего и нижнего течения р. Катунь и выделены четыре геохимические типы вод: кислый железисто-алюминиевый, алюминиево-кремнистый, кремнисто-Иа и щелочной карбонатнокальциевый (содовый).

В работе выполнена оценка качества вод с позиций санитарно-гигиенического нормирования. Подземные воды региона горно-луговой зоны удовлетворяют требованиям, к питьевым водам высшей категории качества (СанПиН 2.1.4.116−02). Тем не менее, содержания натрия незначительно превышают установленные пределы, а по молибдену и хрому значения на порядок ниже нормы. Концентрации компонентов в подземных водах горно-лесного пояса удовлетворяют требованиям, установленным для питьевых вод высшей категории качества, но в этом случае есть превышения по нитратам. Для подземных вод горно-степной зоны пять элементов (НСОз, С1, Иа, N03, Щ) не соответствуют требованиям, установленным для питьевых вод первой категории качества.

В работе определена «биологически значимая концентрация», что позволяет определить круг микроэлементов в анализируемой воде. Сделан вывод, что среднее содержание 5 элементов в подземных водах бассейна среднего течения р. Катунь в горно-луговой зоне превышает рассчитанные НПБЗК (Са, 81, Аэ, Б), в горнолесной 10 элементов (Ва, Сё, Са, 81, Аб, 8 г, Б, С1, Ве), а в горно-степной содержание 13 элементов (Ва, Сё, Са, 81, М§-, Си, Аб, 8 г, и, Б, С1, Хп, Ве) не соответствуют рассчитанной биологически значимой концентрации, при этом, превышения концентраций по ртути (Щ) отмечено в отдельно встречающихся пробах подземных вод района Горного Алтая.

На основании всего выше сказанного можно отметить, что абсолютно четко прослеживается изменение качества подземных вод по направлению снижения значений модуля стока бассейна среднего и нижнего течения р. Катунь.

Нами установлено, что критический (неоптимальный) состав вод, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения в районе, не выявлен ни в одном источнике, 20% проанализированных вод имеют малооптимальный состав и 80% - оптимальный. Наиболее неблагоприятным фактором качества вод по физиологической полноценности в районе является их весьма низкие содержания фтора. Обобщение всех используемых характеристик позволяет сделать вывод, что основная часть подземных вод в зоне активного водообмена района исследований относится к чистым (не загрязненным) водам, а на участках с повышенной сельскохозяйственной нагрузкой качество вод ухудшается, и они переходят в слабозагрязненные.