CC BY
53
УДК 550.46:556.314
ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ КУЗБАССА:
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ В ПРЕДЕЛАХ РАЗЛИЧНЫХ ЛАНДШАФТНЫХ ОБЛАСТЕЙ
О.Г. Токаренко
Томский политехнический университет E-mail: tog@tpu.ru
Рассмотрен химический состав подземных вод зоны активного водообмена Кузбасса. Показаны зависимости между содержанием макро- и микрокомпонентов и соленостью вод, а также изменения их содержаний по профилю снижения высотных отметок рельефа при переходе из областей предгорий в степные. Выявлены основные геохимические процессы, характерные для степных ландшафтов, а также причины концентрирования некоторых компонентов в подземных водах.
Ключевые слова:
Химический состав, ландшафтные области, степь, предгорье, распределение компонентов.
Key words:
Chemical composition, landscape regions, steppe, foothills, distribution of components.
Введение
При рассмотрении вопросов формирования состава подземных вод, активно используемых для водоснабжения населения, особое внимание уделяют изучению природных условий района исследований, в частности, климату, геологическому и гидрогеологическому строению, особенностям рельефа. Среди них последний является одним из основных факторов, играющим важную роль при формировании специфики химического состава подземных вод. Многими авторами доказано [1, 2], что именно рельеф влияет на расположение элементарных ландшафтов, на соотношение механической и химической денудации, на интенсивность водообмена, окислительно-восстановительные процессы и многое другое. Крайне важным также является доказательная основа того, что специфика химического состава и типы подземных вод, залегающих в различных ландшафтных областях, имеют определенную особенность и носят закономерный характер при переходе из одной ландшафтной области в другую.
Распространенность химических элементов в природных водах Кузбасса изучалась ранее многими авторами [3-8]. В работе [5] показаны распределения характерных комплексов металлов в зависимости от расположения водоносного комплекса в тех или иных ландшафтных областях. Несмотря на многочисленность научных работ, как по подземным водам Кузбасса, так и по конкретным месторождениям и участкам в частности [6, 7], особенности распределения химических компонентов в подземных водах, залегающих в той или иной ландшафтной области, до настоящего времени не рассматривались с точки зрения современных представлений о геологической эволюции системы вода-порода.
Объект и методы исследований
С целью решения поставленных задач коллективом полевой экспедиции Томского филиала Института нефтегазовой геологии и геофизики СО
РАН им. А.А. Трофимука в июле-августе 2000 г. было проведено опробование подземных вод из скважин глубиной не более 100 м, расположенных вблизи или на территории населенных пунктов. Большинство из них используется для водоснабжения. Всего отобрано более 60 образцов проб воды. Также для сравнения в работе будут рассмотрены подземные воды зоны активного водообмена территории карьерных выработок угольных месторождений (шахты Полысаевская, Березовская, разрезы Котинский, Талдинский, Новоказанский), данные по которым любезно предоставлены Крас-новоярской гидрогеологической партией и Центром геологических исследований (г. Кемерово).
Анализ химического состава вод выполнен сотрудниками Западно-Сибирского испытательного центра (г. Новокузнецк), ОАО «Плазма» (г. Томск) и Проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Института природных ресурсов ТПУ Для определения химического состава вод применялись традиционные методы анализа: титриметрия, фотоколориметрия, атомная абсорбционная спектрометрия, потенцио-метрия, инверсионная вольтамперометрия, масс-спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой.
Обсуждение результатов
Принадлежность исследуемых подземных вод к зоне активного водообмена, мощность которой, по мнению авторов работ [6, 7], на территории Кузбасса составляет от 30 до 550 м глубиной от дневной поверхности, указывает на их залегание в отложениях верхнепермского возраста. Последние представлены песчаниками, аргиллитами, алевролитами, пластами угля и конгломератами. Реже среди водовмещающих пород встречается пирит, что отмечается в районах угольных карьеров [5]. Особенности гидрогеологического строения территории, которые проявляются в основном в повышенной трещиноватости пород и наличии дизъюнктивных нарушений, являются благоприятным
Рис. 1. Распределение значений общей минерализации подземных вод в различных ландшафтных областях центральной части Кузбасса
фактором формирования больших запасов пресных подземных вод высокого качества.
Действительно, при анализе данных химического состава подземных вод (таблица), явных превышений предельно допустимых концентраций по основным макро- и микрокомпонентам выявлено не было. Исключение составляет железо, концентрации которого в воде некоторых точек наблюдения достигают 24 мг/дм3. Это объясняется не только наличием железосодержащих пород, но и высоких концентраций С02 (до 3 г/дм3), как, например, в точке № 2, расположенной вблизи Терсинского месторождения углекислых минеральных вод [3]. Повышенные концентрации природной углекислоты здесь способствует более активному выщелачиванию железа из горных пород, а слабокислые условия вод являются благоприятной средой для его накопления. Поэтому при определении средних значений содержания компонентов в подземных водах различных ландшафтов аномально высокие значения Реобщ не учитывались.
С позиции особенностей ландшафта на территории центральной части Кузбасса наблюдаются три основных его типа: горно-таежный (предгорье), лесостепной и степной (рис. 1). Каждый из них характеризуется определенным, свойственным только ему, типом растительности. Так, например, для горно-таежного и лесостепного ландшафта (высотные отметки до 600 м и 250...300м соответственно) характерно наличие светлохвойных и березовых лесов на серых лесных или дерново-подзолистых почвах, а также черневой тайги предгорий на горно-таежных псевдоподзолистых почвах. Для степных ландшафтов с более спокойным рельефом (200. 250 м) свойственно произрастание березовых колков на серых лесных почвах и оподзоленных или выщелоченных черноземных аккумулятивно-эрозионных равнинах, а также разнотравная степная растительность на черноземных почвах аккумулятивной равнины [8]. Наличие открытых участков в степных и практически полное
их отсутствие в горно-таежных ландшафтах в значительной мере определяет особенности химического состава подземных вод.
Выявлено, что в исследуемых водах наблюдается увеличение их солености по мере понижения высотных отметок, т. е. при переходе из ландшафтных областей предгорий в степные (рис. 1). Так, например, средняя минерализация вод в области предгорья составляет около 430 мг/дм3при значениях ее экстремумов 330 и 575 мг/дм3 (таблица). В степях усредненная минерализация вод заметно выше - около 950 мг/дм3при максимальном значении 1800 мг/дм3. При этом кислотно-щелочные условия этих вод примерно одинаковы: от нейтральных до слабощелочных (рН 7,0...8,0). Похи-мическому типу подземные воды довольно пестрые, в большинстве своем ИС03-Са-М§ и ИС03-М§-Са (81 % точек опробования), реже ИСО-Са-Ш (10 %), ИС0 3-Ш-Са и ИС03-804-Са-№-М§ и др.
Средние значения рН и минерализации (таблица), а также общая закономерность поведения содержаний основных ионов в исследуемых водах по мере перехода из зоны тайги к зоне степи в целом сопоставимы с таковыми в водах зоны активного водообмена Кузнецкой котловины, приведенных в работе [9]. Так, усредненные значения солености вод котловины составляют 660 мг/дм3, а по результатам последних исследований для центральной ее части - 800 мг/дм3. Залегание исследуемых вод в пределах Кузнецкой котловины, в центральной части которой отмечается крупная депрессия рельефа (Чусовитино-Бунгарапская), приводит к формированию вод с более высокой минерализацией, чем в целом для вод зоны гипергенеза (470 мг/дм3).
В поведении компонентов обращает на себя внимание активный рост содержаний иона 8042-вподземных водахпомере уменьшения высоты рельефа. Темпы его накопления в водах во многом превосходят темпы накопления иона С1- (рис. 2, а).
Постепенное преобладание первого над вторым в совокупности с ростом солености подземных вод в степных ландшафтах указывает на дополнительный источник серы, которым может являться пирит. На наличие высоких концентраций сульфат-иона, достигающих 595 мг/дм3, могут влиять и процессы испарительного концентрирования.
Кроме того, в подземных водах наблюдается четкая корреляционная зависимость между отношением Ca/Naисоленостью вод (рис. 2, а), по которой видно постепенное доминирование иона Na+ и накопление его в подземных водах. Особенно четко это прослеживается при снижении высотных отметок, - при переходе из областей предгорья к степным ландшафтам. Такое поведение компонентов является закономерным для данного региона, где характерна нормальная гидрогеохимическая зональность [5]. Здесь повсеместно уже на глубине 120 м, а в степных районах и менее, распространены содовые воды, механизм формирования которых рассматривался многими учеными.
Согласно современным представлениям [9], образование содовых вод происходит с момента насыщения вод кальцитом. Такое насыщение обычно наступает при минерализации вод более 0,6 г/дм3 ипри рН более 7,4. Выявлено [7, 9], что подземные воды активного водообмена уже на небольшой глубине достигают равновесия со многими минералами (кальцитом, доломитом, Са-монтмориллони-том и др.) и по мере достижения водами состояния насыщенности могут образовывать новые карбонатные и алюмосиликатные минералы. С момента появления в составе вод вторичного СаСО3 рост иона Са2+ в водном растворе затрудняется. Таким образом, предпочтение для концентрирования получает ион Na+, содержания которого в водах непрерывно растут. Наиболее благоприятным для формирования таковых является область открытых степей с замедленным водообменом и минимальными высотными отметками рельефа.
Минерализация, г/дм3
Минерализация, г/дм3
Рис. 2. График зависимости отношений 0/SO4 и Ca/Na (а) иSiO2/LCa, Mg, Na, К (б) отсолености подземных вод зоны активного водообмена центральной части Кузбасса
Таблица. Химический состав подземных вод центральной части Кузбасса (концентрация ионов - мг/дм3)
Номер точки Сумма ионов рн K+ Na+ Ca2+ Mg2+ HCO3- SO42- Cl- ^общ SiO2
Горно-таежный ландшафт (предгорье)
168 331 7,0 3,1 9,8 45,1 15,2 232 4,9 12,8 0,5 16,8
237 441 7,3 0,6 9,5 75,0 18,5 317 7,0 6,4 0,1 14,0
232 575 7,3 1,4 80,0 40,0 22,2 415 3,5 6,8 0,2 12,7
2 377 6,7 4,0 52,3 37,1 19,7 284 4,9 10,5 24,0 13,9
Среднее 431 7,1 1,6 37,9 49,3 18,9 312 5,1 9,1 0,2 14,6
Лесостепной ландшафт
151 756 7,7 1,1 61,7 99,2 24,3 535 20,6 2,8 0,4 24,8
153 643 7,3 0,7 44,4 75,2 30,4 476 2,5 5,6 0,1 17,6
170 977 7,6 2,4 90,5 93,2 40,5 681 40,3 18,0 0,7 23,2
206 970 7,3 1,3 56,7 139 48,1 577 85,4 51,2 0,3 23,2
208 690 7,4 1,6 31,3 95,2 32,2 512 2,0 2,8 0,6 26,0
210 672 7,6 1,8 12,0 95,1 42,2 491 13,3 6,2 0,6 21,2
211 590 8,0 1,1 10,7 88,2 30,4 397 23,8 30,3 0,3 19,2
212 888 7,2 1,6 20,2 129 60,5 526 80,7 60,9 0,1 19,6
213 678 7,2 1,3 15,8 100 51,1 357 36,6 107 0,7 18,2
214 643 7,4 1,2 19,5 98,2 40,8 366 38,3 67,9 0,1 23,2
215 539 7,7 0,7 11,4 64,1 34,1 409 2,0 3,7 0,4 30,0
217 722 7,4 1,4 21,2 96,2 40,1 540 2,0 8,5 0,8 25,2
218 904 8,2 4,0 95,5 122 24,9 439 107 99,5 0,4 24,8
223 884 8 , 1 2,3 156 60,1 24,9 482 86,8 64,2 0,3 16,8
233 698 7 ,3 0,6 21,4 112 29,2 464 21,8 26,0 0,1 50,0
234 885 7,7 2,3 138 59,1 22,5 641 4,1 9,5 0,3 18,2
235 632 7,4 0,4 13,8 116 17,0 455 2,0 15,6 1,5 23,2
236 600 7,3 2,5 30,0 78,2 29,8 439 8,6 6,6 0,1 11,4
238 501 7,5 0,6 8,0 92 14,6 366 11,5 0,8 0,1 16,1
239 554 7,7 0,5 10,0 87,2 30,4 409 2,9 5,7 0,1 18,2
241 605 7, 6 1,2 10,2 110 18,9 409 15,6 29,4 2,0 18,2
242 779 8,3 1,3 106 68 24,9 552 2,0 18,0 0,2 13,8
249 679 7,3 2,2 102 50,1 23,1 442 30,0 22,3 0,3 15,6
250 665 7,4 6,0 84,5 42,1 32,3 470 2,0 20,4 0,3 16,8
305 628 7,2 2,8 37,6 88,2 26,8 384 7,8 56,8 0,2 50,0
306 585 7,2 1,3 12,6 78,2 41,3 409 6,6 24,6 0,1 25,8
307 681 7,3 1,1 13,8 84,2 49,9 500 3,7 15 ,2 0,8 25,2
308 528 7,6 0,7 14,1 78,2 30,4 375 14,1 5,7 0,1 19,0
309 727 7,3 0,7 12,4 128 32,2 500 19,0 15,2 0,2 19,0
Среднее 668 7,5 1,6 43,5 90,6 32,7 469 23,9 27,6 0,4 22,5
Степной ландшафт
154 603 7,7 0,7 40,3 70,2 30,6 445 3,3 2,3 0,08 21,6
164 1053 7,6 2,0 99,3 120 55,9 396 302 68,8 0,2 19,2
165 1107 7,4 1,7 74,9 166 48,0 610 44,9 154 0,05 16,4
166 1824 7,5 2,8 279 165 76,9 521 596 176 0,7 14,0
167 584 7,8 1,4 53,8 54,1 29,2 412 10,3 11,6 0,2 24,4
169 665 7,5 1,3 51,7 91,2 20,7 424 48,1 16,7 0,1 24,4
209 632 7,0 0,8 25,0 92,0 40,2 379 27,4 61,0 0,05 12,6
219 869 7,7 0,9 89,2 95,2 34,6 586 14,8 37,2 0,5 23,2
220 1022 7,3 1,4 97,8 113 38,9 638 105 17,7 0,3 23,2
221 1359 7,5 2,6 208 122 55,8 458 311 192 1,1 19,3
222 923 7,4 2,5 55,3 119 45,2 581 67,5 42,3 1,2 19,6
224 764 7,7 0,7 51,4 96,2 36,5 537 16,5 16,7 0,05 19,2
225 1416 7,4 1,9 185 165 71,3 631 275 75,3 0,7 21,6
226 726 7,1 1,4 54,2 85,1 35,2 431 2,0 107 1,4 18,4
227 707 7,2 1,8 50,0 90,2 32,9 455 52,3 17,3 0,1 15,6
229 622 7,8 2,0 45,5 61,1 36,5 451 4,9 11,2 0,4 19,6
231 690 8,0 0,6 62,4 74,2 29,1 494 11,9 4,7 1,2 24,4
240 728 7,3 1,7 48,4 86,2 36,5 522 9,9 13,8 0,7 19,6
243 1077 7 ,8 2,0 158 92,2 40,6 534 138 105 0,4 15,6
245 1254 7,3 1,7 166 115 55,7 571 250 85,6 0,7 16,8
246 1011 7,3 1,5 95,8 102 49,5 610 121 20,5 0,3 21,2
247 1384 7,3 2,5 154 152 69,6 526 276 186 11,2 15,6
251 752 7,3 1,3 71,5 74,2 30,4 516 36,6 13,3 0,9 19,0
Окончание таблицы
Номер точки Сумма ионов рн К+ №+ Са2+ Мд2+ НС03- БО,2- С1- ^общ бю2
252 1095 7,7 0,7 107 139 43,8 525 183 87,4 0,3 19,6
253 842 7,4 3,4 61,7 74,2 49,9 598 37,4 7,4 0,7 20,8
259 1357 7,4 2,0 85,0 180 70,5 721 195 88,1 8,0 16,8
261 761 7,2 1,1 30,3 116 25,0 567 6,4 4,5 0,9 19,5
264 624 7,9 1,5 62,0 56,0 25,6 433 34,2 6,0 0,5 11,5
266 815 7,2 1,6 21,6 120 40,5 539 65,3 19,9 0,2 14,4
267 1166 7,8 1,3 78,0 131 62,3 682 180 24,3 0,5 13,3
Среднее 948 7,5 1,6 88,7 107 43,9 526 114 55,8 1,1 18,7
Среднее по центральной части Кузбасса 0,8 7,5 1,6 64,7 96 37,2 486 65,7 39,8 0,9 20,2
Изучение поведения водорастворенного 81 по отношению к основным катионам подземных вод, - Са2+, М§2+, №+ и К+, показало явное преобладание последних в составе вод зоны открытых степей на фоне постепенного снижения первого (рис. 2, б). Это связано с тем, что при наличии соответствующей геохимической обстановки и по-ниженой скорости водообмена подвижность кремния постепенно уменьшается, т. к. он в значительной мере связывается вторичными мине-
ральными фазами, такими как каолинит, гидрослюда, монтмориллониты различного состава. В то же время для основных катионов геохимическая среда вод является благоприятной для их накопления.
По мере понижения высоты рельефа происходит увеличение концентраций многих микрокомпонентов, таких как L1, В, А1, Т1, Бг, I, 8г, 8е, Мп, Аз, 2г, Мо, Rb, и, некоторые из которых в этих водах идентифицированы впервые (рис. 3).
Минерализация,г/дм3 Минерализация, г/дм3 Минерализация, г/дм3
Рис. 3. Изменение концентраций некоторых микрокомпонентов с ростом солености подземных вод Кузбасса
Являясь геохимическим аналогом кальция, стронций так же как кальций, накапливается в воде с ростом минерализации. В природе концентрации Sr2+, как правило, в несколько раз превышают концентрации Ba2+ [9]. В подземных водах Кузбасса эта закономерность так же соблюдается: максимальная концентрация Sr2+ в водах степных ландшафтов составляет 4 мг/дм3, тогда как Ba2+ - 2,5 мг/дм3.
Выводы
По мере перехода из областей горно-таежного и лесостепного ландшафтов в степной в подземных водах активного водообмена центральной части Кузбасса возрастает роль ионной составляющей в формировании химического состава вод. Накопление в подземных водах ионов Cl- и SO42-с постепенным преобладанием последнего свидетельствует, прежде всего, о дополнительном источнике серы в водах, которым выступает пирит. Вялотекущее накопление в водах ионов кремния по сравнению с основными катионами подземных вод указывает на низкую способность к его кон-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Перельман А.И. Геохимия ландшафта. - М.: Высшая школа, 1975. - 341 с.
2. Shvartsev S.L. Geochemistry of Fresh Groundwater in the Main Landscape Zones of the Earth // Geochem. Int. - 2008. - V. 46. -№ 13. - Р. 1-114.
3. Копылова Ю.Г., Лепокурова О.Е., Токаренко О.Г Условия формирования химического состава Терсинских углекислых минеральных вод // Водные ресурсы. - 2009. - Т. 36. - № 5. -С. 606-614.
4. Рассказов Н.М. Исследования сотрудников кафедры ГИГЭ ТПУ в бассейне р. Томи, включая Кузбасс // Проблемы геологии и освоения недр: Труды XIV Междунар. симп. им. акад. М.А. Усова, в 2-х томах. - г. Томск, ТПУ, 5-9 апр. 2010. -Томск: Изд-во ТПУ, 2010 - Т 1. - С. 205-206.
центрированию в данных геохимических условиях в пределах зоны активного водообмена, что связано с процессами образования вторичных алюмоси-ликатных минералов. В пределах степных ландшафтов в условиях затрудненного водообмена и более длительного времени взаимодействия с водовмещающими породами подземные воды накапливают многие элементы. В результате этого формируются более минерализованные воды (выше 1 г/дм3), которые требуют особого внимания при рассмотрении их в качестве источника водоснабжения.
Автор выражает благодарность Евгении Витальевне Домрочевой, к.г.-м.н., старшему научному сотруднику Томского филиала Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, начальнику полевой экспедиции, в предоставлении результатов проведенных работ и данных химического состава подземных вод.
Работа выполнена в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы» (№16.740.11.0627) и Государственного задания «Наука» (№ 5.4573.2011).
5. Рогов Г.М. Гидрогеология и геоэкология Кузнецкого угольного бассейна. - Томск: Изд-во ТГАСУ, 2000. - 167 с.
6. Аникин А.И., Людвиг В.М., Шварцев С.Л. Геохимия подземных вод давсонитоносных пород Березовоярского участка (Кузбасс) // Обской вестник. - 2001. - № 1. - С. 65-69.
7. Шварцев С.Л., Домрочева Е.В., Огнетова М.П. Мощность и состав подземных вод зоны активного водообмена юга Кузбасса // Матер. VI Сибир. совещ. по климато-экологич. мониторингу. - Томск, 2005. - С. 534-537.
8. Атлас Кемеровской области / под ред. В.Н. Гнатишина и С.Д. Тивякова. - М.: Роскартография, 1998. - 32 с.
9. Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. - М.: Недра, 1998. - 366 с.
Поступила 08.02.2012 г.
