CC BY
18
УДК 556+550.845
К.Е. Питьева1, Е.И. Барановская2, Ван Пин3, Цзинцзе Юй4
ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ГРУНТОВОГО ВОДОНОСНОГО КОМПЛЕКСА АРТЕЗИАНСКОГО БАССЕЙНА ХЭЙХЭ5
Исследованы гидрогеохимические условия артезианского бассейна Хэйхэ (северо-запад КНР). Проанализирован химический состав подземных и поверхностных вод; установлено распределение компонентов в подземных водах при возрастании их суммарной минерализации, которое отражает гидрогеохимические изменения в направлении фильтрационных потоков. Выявлены закономерности распределения в плане и в разрезе подземных вод артезианского бассейна с разным химическим составом. Проведена оценка условий (источников, факторов и процессов) формирования пресных и минерализованных подземных вод артезианского бассейна Хэйхэ.
Ключевые слова: подземные воды, минерализация, геохимические характеристики, физико-химические процессы, взаимосвязь поверхностных и подземных вод.
The article describes the research of the hydrogeochemical conditions of the Heihe Artesian Basin groundwater aquifer (northwest China). The characteristics of the ground and surface water chemical compositions including their relations have been analyzed the nature reflecting the filtration flow direction of the components distribution in the ground and surface water has been determined as the result of the mineralization increase. The regularities of the area cross-sectional distributions of the groundwater aquifer with different chemical composition have been identified. The conditions (sources, factors and processes) of Heihe Artesian Basin vapid and saline groundwater have been estimated including other basins with similar terms and conditions.
Key words: groundwater, mineralization, geochemical characteristics, physico-chemical processes, correlation of surface and groundwater.
Введение. Артезианский бассейн Хэйхэ расположен в северо-западной части Китая, приурочен к долине р. Хэйхэ, характеризуется отметками рельефа (м абс.) 1300-2200. С юга и юго-запада бассейн обрамлен горами Циляньшань, вершины которых достигают 5500 м и более, а с запада, северо-запада и севера 1400-2500 м. На юго-востоке, востоке и частично на юге артезианский бассейн Хэйхэ примыкает к пустыне Бадын Джаран. Через весь бассейн площадью 8400 км2 с юга на север протекает р. Хэйхэ, берущая начало в горах Циляньшань. Климат рассматриваемой территории аридный, среднемноголетняя температура воздуха 8,1 °С [Chen Zongyu et al., 2006].
Артезианский бассейн Хэйхэ представлен в структурном отношении впадиной, относящейся к депрессии Гоби и испытавшей в четвертичное время интенсивное опускание, которое определило образование значительной по мощности толщи песчано-глинистых отложений, которая, снижаясь с юга на север от 600-800 до 100-200 м, и послужила основой мощного комплекса водоносных отложений артезианского бассейна Хэйхэ [Вэй Лэй, 2010а, б].
В статье представлены результаты гидрогеохимических исследований сложной и слабо изученной в гидрогеологическом отношении территории артезианского бассейна Хэйхэ.
Основные задачи исследования: 1) характеристика химического состава подземных и поверхностных вод и их взаимосвязей; 2) установление распределения компонентов в подземных и поверхностных водах при увеличении суммарной минерализации, что отражает направленность фильтрационных потоков; 3) выявление распределения по площади и в разрезе грунтового водоносного комплекса вод разного химического состава; 4) оценка условий (источников, факторов и процессов) формирования пресных и минерализованных подземных вод.
Общие гидрогеологические условия артезианского бассейна Хэйхэ. Знакомство с немногочисленными литературными источниками [Chen Zongyu et al., 2006; Вэй Лэй, 2010а, б; Qin Dajun et al., 2012; Wang Ping et al., 2013] позволило составить представление о гидрогеологических условиях артезианского бассейна Хэйхэ. Основное питание подземных вод артезиан-
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра гидрогеологии, профессор, докт. геол.-минерал. н.; e-mail: [email protected]
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра гидрогеологии, аспирантка; e-mail: [email protected]
3 Китайская академия наук, Институт географии и природных ресурсов, канд. геол.-минерал. н.; e-mail: [email protected]
4 Китайская академия наук, Институт географии и природных ресурсов, профессор; e-mail: [email protected]
5 Работа выполнена при финансовой поддержке Национальной программы фундаментальных исследований Китая (Программа 973) (№ 2009CB421305), Национального фонда естественных наук Китая (№ 91025023 и 41271049), Программы NSFC-RFBR 2013— 2014 (грант № 13-05-91161-ГФЕН_а).
ского бассейна Хэйхэ осуществляется за счет поверхностных водотоков и подземных вод, формирующихся в горах в результате таяния снежников, ледников, которые представляют собой также область накопления значительных запасов вод в р. Хэйхэ. Основная область питания атмосферными осадками — горная система Циляньшань с абсолютными отметками рельефа >5000 м (рис. 1), с юга и юго-запада окаймляющая территорию артезианского бассейна. Микроклимат области питания высокогорно-влажный с широко развитым оледенением и снежниками. Количество атмосферных осадков, по среднемноголетним данным метеостанции, составляет >350 мм (до 700); среднегодовая температура колеблется от -3 до +4 °С. Максимальное количество осадков приходится на высоту 2400-3000 м.
В высокогорной зоне Циляньшань к границам артезианского бассейна Хэйхэ, помимо р. Хэйхэ, выходят 15 малых рек с суммарной площадью водосбора 2920 км2. В пределах предгорий они поглощаются отложениями конусов выноса. Все реки имеют высокогорное снежно-ледниковое и дождевое питание.
Непосредственно на территории артезианского бассейна речное питание подземных вод осуществляется в паводки из р. Хэйхэ, что обеспечивается
четырехсезонным климатом с высокой (+24 °С) температурой воздуха летом.
Питание атмосферными осадками, выпадающими непосредственно в центральной части артезианского бассейна Хэйхэ, слабое; количество годовых атмосферных осадков уменьшается с юга на север, т.е. от периферийных частей бассейна к центральной, от 130 до 100 мм и далее на север до <50 мм [Вэй Лэй, 2010а, б].
Испаряемость, по среднемноголетним данным, в горной системе Циляньшань около 700 мм/год, на территории впадины Хэйхэ она повышается до 1500-2000 мм/год.
Переход от горного питания и потока подземных вод предгорного шлейфа к потоку подземных вод на равнине артезианского бассейна характеризуется уменьшением глубины залегания вод от 100-200 до 10-5 м. В центральной части равнины преобладает глубина залегания вод <5 м, а на крайнем северо-востоке она часто уменьшается до 1 -3 м.
Мощность потока подземных вод с юга на север уменьшается от 800 до 100-200 м и до полного выклинивания в четвертичных отложениях (рис. 1). В этом же направлении вследствие снижения фильтрационных свойств отложений и относительного вы-
Рис. 1. Схема формирования гидрогеохимических условий грунтового водоносного комплекса артезианского бассейна Хэйхэ
равнивания рельефа земной поверхности уменьшаются значения напорного градиента и скорости фильтрации подземных вод. Вследствие отсутствия регионально выдержанных водоупорных слоев в четвертичных отложениях напорный характер вод проявляется локально и слабо.
Скорость фильтрации подземных вод артезианского бассейна наибольшая в его южной периферийной части и существенно меньшая в равнинной центральной и северо-восточной погруженной частях бассейна. Основная разгрузка подземных вод осуществляется в р. Хэйхэ. Разгрузка в реку носит сезонный характер.
Материалы и методы исследований. Гидрогеохимические материалы для исследования взяты из работы [Wang Ping et al., 2013], в которой содержатся сведения о минерализации, макрокомпонентах и pH подземных и поверхностных вод артезианского бассейна Хэйхэ. Подземные воды отобраны с глубины до 20 м, от 20 до 100 м и >100 м (рис. 2) из скважин, рассредоточенных на всей территории артезианского бассейна Хэйхэ, кроме участка пустыни Бадын-Джаран. Химический состав поверхностных вод изучался для бассейна р. Хэйхэ, озер Восточный и Западный Цзиянь.
Основа обработки и интерпретации гидрогеохимических данных — естественно-исторический анализ, базирующийся на генетическом гидрогеохимическом классифицировании (по классификации К.Е. Питьевой), типизации подземных вод по формированию химического состава в естественно-техногенных условиях и гидрогеохимическом районировании территории бассейна по генетическим и прикладным признакам [Питьева, 1998].
Гидрогеохимическое классифицирование проведено для подземных вод, отобранных на анализ из конкретных частей вертикального разреза с глубины до 20, 20-100 и более 100 м.
Общие гидрогеохимические условия артезианского бассейна Хэйхэ. Геохимическая характеристика поверхностных вод. Состав воды в р. Хэйхэ определен для территории артезианского бассейна и его горного обрамления. Воды пресные, с минерализацией от 0,36 до 0,55 г/л. Из классификационной диаграммы (рис. 2, а) следует, что речная вода в горных истоках имеет минерализацию 0,36-0,44 г/л и компонентный состав HCO3SO4Cl-CaMgNa. Речная вода непосредственно
е
40
£ 30 ■
I
о с
г
S го
О .1 д
Mg о
so4i
* с-
О Na^,
«
0.34 0.36 0.Э6 040 042 0,44 3 40 0:48 0.50 0.52 0:54 0.S6 ÏM, г/л
Na* -п. Mg2* ЖСа3-Ж СГ V S043' • НСО,-
ÏM, г/л <0.37 0.37-0,44 0,43-0,47 0,47-0,54 >0,54
компоненты HCOjSO^CICaMgnNa HCQgCtSO^CaMgnNa HCQ^CInSO^CaMgNa □HCQjnSOiMgNaCa □HCOjMgNaCa
4,5
4,5 6,0
1М, г/л
; i :C1
*• ~ """" ~~———— M8 - --^ û
so4 •
HCO3
7,5
Ж Na~ ж мУ*
Ж Caî_ "X Cl" Ж SOj3-ш НСО,
¡[M, г/л 4,6-7,0 > 750
компоненты CISO^Na Mg SQ4CINa Mg
ï
0 О Na 0
0 & Cl * - , О • О ■
.1 . • HCOj.^ ¿H ------ Л ù 0
---
0 g 0 ^-. . . . . л . " "
X Na
" Са!" -1 . Cl" Ж SO?' Ж. НСО/
IM, г/л 0:3-0:9 0,9-1,0 1,0-1,2 > 1=2
компоненты ClSQ4HC03NanMgnCa CfS04fiHC03NanCaFiMg SO^CinHCOgNanCanMg SO^CtNanCa
Рис. 2. Диаграмма генетического классифицирования химического состава: вод, отобранных с глубины <20 м; д — подземных вод, отобранных
а — речных вод; б — озерных вод; в — родников; г — подземных с глубины 20-100 м; е — то же с глубины >100 м
на территории артезианского бассейна имеет минерализацию 0,55 г/л и CШCO3MgNaCa-состав.
Повышение минерализации речной воды от истоков артезианского бассейна к равнине происходит:
а) при сохранении высокого (~60 экв.%) содержания НС03, что свидетельствует о значительной концентрации в ней органических веществ, образующих хорошо растворимые органо-минеральные соединения;
б) при существенном увеличении количества №С1 вследствие растворения засоленных — в условиях равнины и аридности климата — береговых отложений; в) при резком снижении содержания сульфатных соединений в результате их восстановления до Н28 и других сульфидов. Последнее обеспечивается восстановительными условиями, формирующимися при снижении концентрации кислорода.
В целом гидрокарбонатно-сульфатно-хлорид-ные речные воды, формирующиеся в окислительных условиях нижних частей склонов гор и предгорий, сменяются на равнине хлоридно-гидрокарбонатными водами восстановительных условий, что подтверждается солевым составом речной воды.
Озерные воды, опробованные в северной части территории, имеют минерализацию от 4,6 до 7,5 г/л (рис. 2, б). Компонентный состав — C1SO4NaMg, главные соли — Na2SO4, MgQ2 и №С1.
Химический состав подземных вод разнообразен как по минерализации, так и по компонентам. Минерализация вод, опробованных на глубине от нескольких метров до 180 м, колеблется в диапазоне 0,4-6,0 г/л.
Геохимическая характеристика подземных вод.
Характеристика химического и солевого состава вод, отобранных с глубины <20 м. По данным гидрогеохимического классифицирования, воды, отобранные на глубине до 20 м, характеризуются минерализацией от ~0,5 до 5,0 г/л и более, в связи с чем делятся на две крупные группы: а) пресные воды (ЕМ 0,4-1,0 г/л) и б) минерализованные (ЕМ 1,0-5,8 г/л). Существенное количество среди анионов приходится на С1, меньше — на SO4. Катионы образуют по значимости содержания в рассматриваемых водах ряд № > Mg > Ca. Из них >20 экв.% приходится на № и Mg; Ca содержится от 10 до 20 экв.%.
В общем виде средний состав пресных и минерализованных вод на глубине <20 м
aHCO3SO4NaMg«Ca.
Пресные воды характеризуются значительной неоднородностью распределения анионогенных и катионогенных компонентов, выраженной, как показано на рис. 2, г, существенными отклонениями их содержания от средних значений распределения. Это объясняется влиянием на формирование состава пресных вод разнообразных факторов — рельефа, глубины залегания вод, интенсивности испарения, фильтрационных свойств пород и др. Распределение компонентов в минерализованных водах более упорядоченное (рис. 2, г).
Солевой состав вод, опробованных на глубине до 20 м, представлен: а) постоянно присутствующими в пресных и минерализованных водах СаС03, MgCOз, №С1; б) эпизодически присутствующими MgQ2, №2С03; в) точечно присутствующим MgSO4. Отсутствуют в водах Са804, СаС12.
Отличия солевого состава пресных вод от солевого состава минерализованных вод заключаются в преобладании в них карбонатных солей над сульфатными и хлоридны-ми. В минерализованных водах карбонатные соли занимают в ряду концентрации последние места.
В целом в пресных водах соли образуют, как правило, ряд СаС03 > MgCO3 > №С1 > Mga2 > в минерализованных —
> Mga2 > №С1 > СаС03.
В целом воды околонейтральные до слабощелочных: рН пресных вод 7,06-7,83; минерализованных 7,3-7,92. Это результат присутствия в водах слабой угольной кислоты и практически отсутствия сильных серной и соляной кислот.
Замеры ЕЙ отсутствуют, однако условно охарактеризовать состояние вод по ЕЙ представляется возможным на основе концентрации НС03 в водах с повышающейся минерализацией (рис. 2, г). Такое распределение НС03 в водах возможно только в случае органического генезиса углерода в них. В этом случае в результате процесса комплексообразования формируются высокорастворимые органо-минеральные карбонатные соединения, характеризующиеся существенной водной миграцией. Образование органогенного НС03 в рассматриваемых подземных водах обеспечивается их питанием речными водами, богатыми органикой, и небольшой глубиной залегания, что при окислении органики способствует удалению из вод кислорода и формированию восстановительных условий, которые необходимы для органо-минерального ком-плексообразования.
Температура пресных вод 12,5-19,6 °С; минерализованных 14,4-20,1 °С.
Характеристика химического и солевого состава вод, отобранных с глубины 20-100м. Пункты их отбора сосредоточены в пределах северного и северо-восточного участков исследованной территории. Минерализация вод 2,0-3,0 г/л. Компонентный состав, по данным гидрогеохимического классифицирования, SO4aHCO3NаMgCа (рис. 2, д).
Солевой состав подземных вод, опробованных на этой глубине, преимущественно
> MgC12 > №С1, MgSO4 > СаС03 >
100 —I-
нсо3 С|- эо Д ■ _____-7Г ' Д — —£" ■ 50д2-^ НС03- * *
Мд2< Мд2+---- .....................Са2+ У
Са2+ О
""<4 N0+ "а Мд2+ ' а Са2+ -ь О-Э042-
0 38 0 40 0 42 0 44 0.46 0 48 0.50 0.52 0.54 0.56 0 58-, НС03-ЕМ, г/л
1 2 3
ЕМ, г/л <0,36 0,36-0,44 >0.44
Компоненты, %-экв НСОзаБС^а/гМя СШСОзБС^аиМё аБС^НСОэ^МйпСа
г М
N3" 0.56
0.53
Са2~ 0.82
СГ 0.74
5042" 0.17
НС03 0.35
0.40 0.42 0 44 0 46 0 48 0 50 0.52 0.54 0.56 0.58 0 60^. НС03-Е м, г/л
1
ЕМ, г/л <0,5
Компоненты, %-экв С1804НС03ЫалМяиСа
100 90
: №+ о
-°--------__№+ о
Д С1- ■ НС03- ■ Д _____ С1- ■;~'"нсог------¿о-~-
: ЗО42-________ •
□ М9_2!
Са2+
0.45 0.25
0.42 0.44 ЕМ, г/л
Мд2+ ' . Са2+ О-
50420 50-, НС03-
1 2
ЕМ, г/л <0,42 0,42-0,5
Компоненты, %-экв ОНСОДДОа СИВДвСдатМя
Рис. 3. Диаграмма генетического классифицирования пресных вод: а — поде — подтип 1.2.1, а также и минерализованных подземных вод арте-
тип 1.1, б — подтип 1.1.2, в — подтип 1.1.1, г — подтип 1.2, д — подтип 1.2.2, зианского бассейна Хэйхэ: ж — тип II, з — подтип 11.2, и — подтип 11.1
MgCOз, рН вод 7,23-7,71; температура 11,5-16,7 °С.
Характеристика химического и солевого состава вод, отобранных с глубины >100 м. Минерализация этих вод изменяется от ~0,3 до ~1,7 г/л. По компонентному составу они образуют четыре группы, две из которых представлены пресными водами с близким процентным содержанием С1НС03804 и превышением № над Mg, Са (рис. 2, е) и две — слабоминерализованными водами с превышением 804, С1 и № над остальными компонентами. В составе вод первых двух групп наряду с соотношением С1>НС03 широко распространено соотношение НС03>С1. При минерализации >1,0 г/л содержание НС03 в отдельных пробах понижается до следовых значений. Изменчивость в компонентном составе вод при возрастании минерализации (рис. 2, е) наиболее характерна для пресных вод и заключается в уменьшении в их составе количества НС03 и увеличении С1, 804.
Солевой состав пресных вод характеризуется близким содержанием хлоридных и гидрокарбонатных соединений, преобладающих, как правило, над сульфатными, а минерализованных вод — близким содержанием хлоридных и сульфатных соединений, существенно преобладающих над карбонатными соединениями. Величина рН подземных вод главным образом нейтральная, температура 12,5-22,6 °С.
Для артезианского бассейна Хэйхэ распределение подземных вод с разной минерализацией установлено посредством их ранжирования. Ранжированный ряд составлен по увеличению величины минерализации, которая изменяется от 0,4 до 5,8 г/л, в результате сделан вывод о неоднородности подземных вод рассматриваемого артезианского бассейна по минерализации, что указывает на их разный генезис. Согласно ранжированному ряду подземные воды бассейна по минерализации составляют две группы: а) <1,0 г/л; б) >1 г/л. Но в обе группы вошли воды, отобранные на анализ с разной глубины (< 20, 20-100 и >100 м).
Для каждой группы на основе классификационного моделирования построены диаграммы зависимости распределения компонентов от минерализации (рис. 3), которые отразили гидрогеохимическую неоднородность через существенный разброс компонентов состава по их содержанию в водах близкой минерализации, что объясняет неоднозначное распределение минерализации пресных вод в ранжированном ряду.
t>
Na+ о 0
0 * 0 0 д _ * 1 4 ............д.................... ► □ о о д • ~ --___ Ф Д S042- □
S042-Ck___— О* . » о __ * о ____ ___ 9 __ оо,^--
D° 0 й * Мд 2+ "л
нсо3- д • .» - - • •
fifí?;-* □ 0 '"А "о: ......я ... Са2+ о
. U й D . с> ■ нсо3-
х.
3
Хм, г/л
Na+ Mg2+ Са2+ CI-
S042-НС03-
1 2 3 4
Ем, г/л <1 1-2 2-4,5 >4,5
Компоненты, %-экв S04ClHC03NanCanMg S04ClnHC03Na/iMgnCa ClS04nHC03NaMg/jCa CISO+MgNaMgnCa
г M
Na" 0.91
Mg2~ 0.80
Ca2' 0.68
СГ 0.87
so4" 0.59
HC03" 0.62
1 2 3
ЕМ, г/л <3,2 3,2-5 >5
Компоненты, %-экв S04ClnHC03NaMgwCa ClSO^HCOsNaMgnCa ClS04wHC03NaMg
70
I 60
¡Ё 50 I 40 30 20 10
0
Na+ 0 0 0 0 Na+
0 0 Д •
Д Д • —~ S042-;
HCO3- . - - - 1 - —" Д
• ~ , *
____o. Ca2+
e¡ ""Ъ- „ HCO3-
r M
Na+ 0.89
Mg2' 0.69
Ca2" 0.82
Cl" 0.87
so42" 0.89
HC03" -0.42
1 2
ЕМ, г/л
N4. Na+
Mg2+ ' о Са2+ >о. CI-"Ч S042-* НСО,-
1 2 3 4
ЕМ, г/л <1 1-2 2-2,7 >2,7
Компоненты, %-экв HC03ClS04Na«MgwCa ClS04HC03NawMgnCa ClSO^HCOsNawMgwCa ClSCWgNíwCawMg
Окончание рис. 3
На этом основании выделены две группы пресных вод с минерализацией <0,5 г/л и 0,5-1,0 г/л (рис. 3, а—е).
Воды с минерализацией <0,5 г/л при гидрогеохимическом классифицировании оказались сильнонеоднородными по анионному составу, что выразилось в существенном изменении соотношения между Cl, SO4, HCO3 (рис. 3, а).
Гидрогеохимическое классифицирование показало самостоятельность вод с минерализацией <0,5 г/л по отношению к компонентному составу. Вода в южной части бассейна преимущественно HCO3ClSO4Na, в восточной ClSO4HCO3Na (рис. 3, б, в).
Гидрогеохимическое классифицирование вод с минерализацией 0,5—1,0 г/л показало их значительную неоднородность по содержанию SO4. Получены средние значения распределения SO4 в водах (от 30 до 40 экв.%), выше среднего (до 50 экв.%) и ниже среднего (до 11—12 экв.%) (рис. 3, г—е). Выделились две группы вод с близкой минерализацией, но с разным составом: а) ClHCO3«SO4 и б) SO4HCO3«Cl и SO4HCO3«Cl.
Подземные минерализованные воды в общей классификационной диаграмме характеризуются существенным разбросом практически всех компонентов (рис. 3, ж—и). За основу приведения распределения в минерализованных водах компонентов к близкому по однородности состоянию выбраны две группы вод с разными значимыми факторами влияния на их химический состав. Ими оказались воды, формирующиеся: а) под влиянием испарения; б) при разгрузке во внутрибассейновую впадину. Результат классифицирования показал, что в составе первых преобладают ClHCO3SO4 и ClSO4HCO3, а вторых - SO4Cl«HCO3, ClSO4«HCO3 и ClSO4 (при минерализации >4,0 г/л).
Была проведена систематизация подземных вод артезианского бассейна Хэйхэ по минерализации, основанная на приемах, входящих в методику генетического гидрогеохимического классифицирования (рис. 4) [Питьева, 1998].
Гидрогеохимическая типизация артезианского бассейна Хэйхэ. Тип I. Пресные подземные воды, формирующиеся при поступлении в них веществ из различных источников.
Подтип 1.1. Подземные воды с минерализацией <0,5 г/л, распространенные у границ артезианского бассейна с пустыней (рис. 3, а; 4).
Подтип 1.1.1. Подземные воды в части артезианского бассейна, граничащего с пустыней. Компонентный состав ClHCO3SO4,
HCO3C1SO4(яSO4)№(№яMgяCa). Глубина залегания 1,1-1,6 м. Установившийся уровень 1032,5-1038,9 абс. м. Температура 12,5-17,6 °С; рН 7,7-7,8. Состав вод формируется за счет веществ, поступающих с водами высокогорного питания со стороны Цилянь из комплекса водоносных пролювиальных отложений. О значительном формировании состава вод этого подтипа в пределах пролювиального шлейфа свидетельствуют очень слабые изменения концентрации большинства компонентов их состава при возрастании минерализации (рис. 3, в; 4). С1, № в них сформировались в результате слабого, но уже присутствовавшего в пролювиальном комплексе засоления; НС03, № — в результате гидролитического углекислотного выщелачивания пылеватых пород, что подтверждается:
а) незначительным возрастанием минерализации вод;
б) высокими корреляционными связями большинства компонентов с минерализацией. Исходя из отрицательного значения коэффициента корреляции НС03 с минерализацией и незначительной концентрации в водах Са, Mg можно предположить частичное осаждение из вод карбонатов кальция и магния. Происходит окисление сульфатов с образованием серной кислоты и последующим сернокислотным выщелачиванием пород (рис. 3, в; 4). Подземные воды, отобранные на глубине 144 м, имеют минерализацию 0,5 г/л; в компонентном составе существенна роль всех трех макроанионов, а из катионов — №. Глубина установившегося уровня составляет 2,1 м (1041 абс. м). Этими данными подтверждается формирование подземных вод рассматриваемого участка в целом за счет перетока вод из пролювиальных отложений высокогорья Цилянь.
Подтип И.2. Подземные воды в восточной части артезианского бассейна, граничащей с пустыней. Компонентный состав С^04«НС03(НС03) (рис. 3, б; 4). Глубина залегания 1,3-2,9 м; установившийся уровень 917,2-935 абс. м. Температура 12,7-19,0 °С; рН 7,1-7,7. Процессы протекают слабо, о чем свидетельствует небольшая минерализация в потоках вод (как следует из гидрогеохимической классификационной диаграммы, увеличение минерализации связано с повышением в водах количества С1 и очень незначительным Са, Mg; концентрация НС03, SO4, № практически не изменяется). Наибольшие значения концентрации в составе вод приходятся на С1 и №. Для них, особенно для С1, характерны высокие корреляционные связи с минерализацией. Это указывает на то, что основной процесс в рассматриваемых водах — засоление. Небольшое участие в формировании состава вод НС03 и процессов углекислотного выщелачивания связано с отсутствием рек в пределах рассматриваемой для этого подтипа территории; слабое участие Са и Mg — с малой растворимостью их карбонатных соединений, а также с высокими значениями температуры, уменьшающими их растворимость. Сведения о составе глубоких подземных вод этого подтипа отсутствуют. Исходя из состава
глубоких подземных вод, свойственных в целом артезианскому бассейну Хэйхэ, можно предположить, что и на территории распространения подтипа 1.1.2 воды пресные.
Подтип Г2. Подземные воды с минерализацией 0,5-1,0 г/л, имеющие горное питание в комплексе с речным из р. Хэйхэ (рис. 3, г; 4).
Подтип I.2.1. Подземные воды состава CЩCO3яSO4№MgяCa(Mg№яCa) с минерализацией до 0,7-0,8 г/л, приуроченные к юго-западной части артезианского бассейна. Воды пресные, но с минерализацией, приближающейся к 1,0 г/л (рис. 3, е; 4). Возрастание минерализации на обширном участке распространения этих вод и увеличение при этом концентрации С1, НС03, Mg, Ca. По данным классифицирования, в подземную воду привносятся С1 (в ходе процессов засоления), НС03 (в результате процессов углекислотного выщелачивания, обусловленного углекислым газом, формирующимся при окислении речной органики), Сa и Mg (вследствие участия в процессах органо-минерального комплексообразо-вания). Эти процессы подтверждаются высокими корреляционными связями указанных компонентов с минерализацией. Из подземных вод удалены №, SO4 (рис. 3, е; 4). Это связано с сульфатредукцией, вызванной восстановительными условиями подземных вод, формирующихся при участии речных вод, которые содержат органические соединения. Глубокие подземные воды (отобранные с глубины 130 м) рассматриваемого подтипа пресные. Компонентный состав, как и состав вод, отобранных с уровневой поверхности, CЩШ3яSO4№MgяCa(Mg№яCa). Преобладают процессы засоления подземных вод этого подтипа, но засоление часто — вследствие удаления из вод Na2SO4 — приходится на MgQ2, что сказывается на катионном составе вод (рис. 3, е; 4).
Подтип Ь2.2. Подземные воды с минерализацией до 0,8-0,97 г/л и компонентным составом SO4aHCO3(SO4HCO4a)NaMgCa(«Ca). Глубина залегания 1,8-2,9 м. Установившийся уровень 921,9-991,2 абс. м. Температура 16,8-19,6 °С. Формирование состава вод осуществляется за счет горного питания с запада при незначительной скорости фильтрации, что обусловливает длительность протекания процессов поступления в воду веществ из пород. Это процессы окисления сульфидов, обусловливающие значительную концентрацию в водах сульфата. Сульфатные воды образуют поток, направленный к р. Хэйхэ. В пределах речной долины воды смешиваются с речной водой и приобретают НС03, С1, а также катионы (рис. 3, д; 4). Все компоненты, кроме С1, характеризуются значимой корреляционной связью с минерализацией (рис. 3, д; 4). Минерализация возрастает в направлении фильтрационного потока. В результате смешения с речными водами происходят процессы углекислотного выщелачивания и органо-минерального комплексообразования. Подземные воды, распространяющиеся ниже по разрезу
Рис. 4. Схематическая карта гидрогеохимических условий артезианского бассейна Хэйхэ: 1 — изоминеры, г/л; 2 — границы горного питания; 3 — границы смешения подземных вод с р. Хэйхэ; 4 — границы пустыни; 5 — гидроизогипсы, абс. м; 6 — направление движения подземных вод; 7 — отметки рельефа, абс. м; 8 — минерализация, г/л; 9 — область пустыни; 10—12 — область распространения подземных вод разного гидрогеохимического типа с минерализацией (г/х): 10 — <0,5; 11 — 0,5-1,0; 12 — >1,0; 13 — границы распространения подтипов подземных вод; 14 — компонентный состав подземных вод разного гидрогеохимического типа и подтипа; 15 — река;
16—18 — наблюдательные скважины с глубиной (м): 16 — <20, 17 — 20-100, 18 — >20; 19 — родники; 20 — номер скважины
артезианского бассейна, характеризуются меньшими величинами минерализации, так как основное питание получают из высокогорной области Цилянь.
Тип II. Минерализованные подземные воды, формирующиеся посредством процессов концентрирования (рис. 3, ж; 4).
Подтип 11.1. Подземные воды, сформировавшиеся при разгрузке путем испарения на локальных участках понижений в рельефе земной поверхности. В пределах таких участков минерализация вод составляет от 1,0 до 3,0 г/л. Состав С^04^04С1)№. В водах с относительно пониженной (до 1,0-2,0 г/л)
минерализацией повышено содержание HCO3, Ca, Mg. Глубина залегания вод 1,5-3 м. Температура до 20 °С и больше; pH 7,5. Характер залегания вод линзообразный. От окружающих подземных вод отличаются повышенным содержанием Cl, SO4, Na и пониженным HCO3, Mg, Ca. Главный процесс формирования соленых испарительных линз — концентрирование. Подтверждение этому — увеличение минерализации к центральной части линзы (рис. 3, 4); расширение с возрастанием минерализации линзы Cl, SO4 (рис. 3, и; 4); с увеличением минерализации соляной линзы осаждение слаборастворимых карбонатных соединений (Mg и др.) (рис. 3, и; 4); высокая (до 20 °С) температура соленых линз. Процесс концентрирования затрагивает практически все макрокомпоненты подземных вод на участках их формирования, о чем свидетельствуют высокие корреляционные связи (Cl, SO4, Na, Ca, Mg) с минерализацией. О процессе осаждения карбонатов свидетельствуют низкие значения коэффициента корреляции HCO3 с минерализацией и характер распределения карбонатов в зависимости от увеличения минерализации, а именно существенное удаление из вод (рис. 3, и; 4).
Подтип II.2. Минерализованные подземные воды, формирующиеся в условиях внутрибассейновой впадины, приуроченной к крайней северо-восточной части бассейна (рис. 3, з; 4). Минимальная глубина залегания подземных вод 1,9-2,9 м с установившимся уровнем 912-936 абс. м. Минерализация подземных вод 2,0-5,8 г/л. Компонентный состав SO4Cl(ClSO4) NaMgnCa. Температура 14,4-16,6 °С; pH 7,4-7,6. При глубине залегания 3,0-6,2 м (установившийся уровень 898-928 абс. м) минерализация вод, отобранных на глубине 140—180 м, составляет 2,1—3,1 г/л; компонентный состав SO4Cl(ClSO4)nHCO3NaMgnCa. Температура 11,5—16,7 °С; pH 7,2—7,7. При глубине залегания 3,1-11,9 м (установившийся уровень 901,1-1026,9 абс. м) минерализация подземных вод, отобранных на глубинах ~100 м, 1,0-1,5 г/л; компонентный состав ClSO4Na, SO4ClNanCa и SO4Cl-nHCO3NaCa. Температура 14-22,6 °С; pH 7,3-9,3. Таким образом, в пределах впадины подземные воды,
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Вэй Лэй. Формирование питания подземных вод межгорного артезианского бассейна Хэйхэ // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2010а. № 2. С. 81-84.
Вэй Лэй. Изучение условий формирования подземных вод и оценка их естественных ресурсов межгорного артезианского бассейна Хэйхэ (КНР) // Мат-лы XVII Междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2010» (12-15 апреля, МГУ). М.: Макс Пресс, 2010б.
Питьева К.Е. Гидрогеохимия. М.: Изд-во Моск. унта, 1998.
Chen Zongyu, Nie Zhenlong, Zhang Guanghui et al. Environmental isotopic study on the recharge and residence time of
отобранные на анализ с уровня залегания, характеризуются существенной минерализацией, которая уменьшается с глубиной и на глубинах ~100 м приближается к 1,0 г/л. Можно предположить, что глубже 100 м в пределах впадины распространены пресные воды. Уменьшение минерализации подземных вод с глубиной — следствие смешения соленых вод, опускающихся под влиянием тяжести вниз, с пресными водами фильтрационных потоков артезианского бассейна, дренируемых рассматриваемой внутри-бассейновой впадиной. Формирование же соленых подземных вод связано с концентрированием высокорастворимых сульфатов и хлоридов натрия (Na2SO4, №С1) в условиях интенсивного испарения. Последнее обеспечено аномально высокими для территории артезианского бассейна Хэйхэ значениями температуры и значительной длительностью испарения вследствие низких фильтрационных свойств пород, широко представленных илистыми, суглинистыми разностями. Повышение температуры существенно увеличивает растворимость высокорастворимых сульфатов и хлоридов натрия. В то же время они понижают растворимость слаборастворимых карбонатов кальция, магния, осаждение которых из вод уменьшает фильтрационные свойства пород, что способствует процессам испарения и концентрирования.
Заключение. Обосновано образование артезианского бассейна Хэйхэ как самостоятельной, четко выраженной по геолого-гидрогеологическим параметрам структуры в пределах речного бассейна Хэйхэ, оконтуренного горными массивами и пустыней Гоби.
Рассмотренные теоретические основы формирования подземных вод артезианского бассейна Хэйхэ и их химический состав позволяют прогнозировать гидрогеодинамические и гидрогеохимические процессы техногенного характера и в соответствии с их показателями планировать структуру эколого-гидрогеологического мониторинга.
В пределах межгорных артезианских бассейнов Китая с интенсивным горно-речным питанием присутствуют значительные ресурсы и запасы подземных вод хозяйственно-питьевого водопользования.
groundwater in the Heihe River Basin, northwestern China // Hydrogeology J. 2006. Vol. 14, N 8. P. 1635-1651.
Qin Dajun, Zhao Zhanfeng, Han Liangfeng et al. Determination of groundwater recharge regime and flowpath in the Lower Heihe River basin in an arid area of Northwest China by using environmental tracers: Implications for vegetation degradation in the Ejina Oasis // Appl. Geochem. 2012. Vol. 27, N 6. P. 1133-1145.
Wang Ping, Yu Jingjie, Zhang Yichi, Liu Changming. Ground-water recharge and hydrogeochemical evolution in the Ejina Basin, northwest China // J. Hydrology. 2013. Vol. 476. P. 72-86.
Поступила в редакцию 22.05.2013
