CC BY
12
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2018 Геология Том 17, №3
ГИДРОГЕОЛОГИЯ
УДК 556.314
Современный химический состав вод озер Мазуевской карстовой депрессии
И.А. Крутик, Ю.А. Килин
Пермский государственный национальный исследовательский университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15 E-mail: [email protected], [email protected]
(Статья поступила в редакцию 23 января 2018 г.)
Проведен анализ современного гидрохимического состояния вод Мазуевской карстовой депрессии, расположенной в Кишертско-Суксунском карстовом районе. Район является зоной разгрузки карстовых вод Уфимского вала (брахиантиклина-ли). Полученные данные позволяют проследить изменения химического состава карстовых озер во времени, а также дополнить гидрохимическую модель этого района.
Ключевые слова; карст, карстовые озера, химический состав. DOI: 10.17072/psu.geol.17.3.245
Введение
Карстовые озера - уникальные водные объекты, отличающиеся от других генетических типов озер большим разнообразием условий питания и стока, морфомет-рическими и генетическими характеристиками озерных котловин, водным и гидрохимическим режимом. Эволюция их протекает достаточно быстро, часто рядом располагаются озера на различных стадиях развития, что позволяет охарактеризовать процессы формирования озерных котловин и химического состава их вод.
Согласно карстологическому районированию, Мазуевская карстовая депрессия является частью Кишертского (Кишерт-ско-Суксунского) района преимущественно гипсового и карбонатно-гипсового карста, включает в себя карстовую р. Мазу-евку и Мазуевскую озерную депрессию. Депрессия протягивается с северо-запада на юго-восток почти на три километра и имеет ширину около 400 м. В районе Мазуевской депрессии насчитывается большое количество карстово-спелеологи-ческих объектов. Впервые депрессия обследована В.А. Варсанофьевой в 1911 г. Кафедра динамической геологии и гидро-
геологии Пермского государственного университета изучает депрессию с 1957 г. Последние обследования проводились в 2014 и 2017 гг. Схема отбора проб представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема опробования озер Мазуевской депрессии
Геологические, гидрогеологические и карстологические условия территории
Кишертско-Суксунский карстовый район расположен в зоне сочленения Уфимского вала и Юрюзано-Сылвенской депресии (Горбунова, 1965; Горбунова и др., 1992).
Мазуевская озерная карстовая депрессия образовалась на восточном крыле Уфимского вала за счет выщелачивания
© Крутик И.А., Килин Ю.А., 2018
сульфатных отложений (гипсов и ангидритов) поповской свиты и частично фи-липповского горизонта кунгурского яруса пермской системы. Формирование депрессии продолжается в настоящее время, об этом свидетельствуют свежие провалы.
Исходя из особенностей геологического строения, в пределах Мазуевской депрессии выделяются следующие подразделения:
• сульфатно-карбонатные отложения кунгурского яруса (Р^);
• терригенные породы соликамской свиты уфимского яруса - (Р2и эР),
• карстово-обвальные и элювиально-делювиальные отложения (edQ).
Кунгурский ярус сложен мергелями, доломитизированными мергелями, глинами, глинистыми известняками, песчаниками с прослоями и линзами гипса и ангидрита. В терригенном комплексе уфимской свиты распространены мергели с прослоями алевролитов, аргиллиты с прослоями песчаников. Карстово-обвальные и элювиально-делювиальные отложения представлены глиной щебнистой с прослоями суглинка щебнистого.
Таблица 1. Морфометрические характеристики озерных котловин
Номер озера (название) Форма в плане Морфометрические характеристики,м Примечание
длина ширина глубина
№1 круг 34,0 34,0 4,0 Озеро в карстовом чашеобразном понижении. Борта умеренно пологие, заросли кустарником
№2 эллипс 30,0 60,0 0,8 Карстовое озеро в блюдцеобразном понижении. Борта пологие, дно плоское
№3 круг 30,0 30,0 0,5 Карстовое озеро в блюдцеобразном понижении. Борта заросли кустарником, сглаженные, дно плоское
№4 круг 50,0 50,0 1,5-2 Озеро в карстовом чашеобразном понижении. К.А. Горбуновой (1957 г.) отмечено как озеро Малое
№5 эллипс 215,0 80,0 6,0 Озеро в карстовом чашеобразном понижении. К.А. Горбуновой в 1958 г. отмечено как озеро Большое. В 2014 г. экспедицией кафедры отмечено как Светлое
№6 (Черная Яма) овал 60,0 50,0 4,5 Дно плоское, северный и северо-восточный склоны крутые, южный - пологий
№7 (Озеро со сплавиной) круг 65,0 65,0 - Озеро затянуто сплавиной, заросло молодым лесом
№8 (Карасье) 400 до 110 4,5 Озеро полностью затянуто сплавиной, открытые участки имеются у северо-западного и частично восточного берега
Исследуемая территория расположена в зоне разгрузки карстовых вод Уфимского вала. Воды, сформированные в его пределах, образуют единый водоносный горизонт пресных, гидрокарбонатно-кальциевых вод. Сток подземных вод сконцентрирован в наиболее закарстован-ных и трещиноватых зонах, а также по литологическим контактам пород. Разгрузка вод горизонтальной и сифонной циркуляции Уфимского вала осуществляется в виде нисходящих и восходящих источников, фильтрации в аллювий и карстовые брекчии, а также в выветрелые гипсы, что создает условия для образования сульфатно-кальциевых вод с минерализацией до 3 г/дм3.
В районе преобладают закрытый и по-даллювиальный типы карста, который характеризуется разнообразными формами проявления. Мазуевский участок относится ко второй стадии развития гипсового карста - это озерная депрессия с сульфатными источниками. Морфометрические параметры озерных котловин представлены в табл. 1.
Рис. 2. Схема движения подземных вод и расположения карстовых озер
Депрессия протягивается с северо-запада на юго-восток почти на три километра и имеет ширину около 400 м. В ней развиты такие поверхностные формы карста, как воронки, карстовые озера, поно-ры, восходящий сульфатный источник.
Сток подземных вод внутри депрессии направлен с северо-запада от зоны поглощения к зоне восходящей сифонной разгрузки в долине р. Мазуевка, являющейся притоком основной дрены - р. Сылвы (рис. 2).
По гидрологической классификации р.Сылва относится к транзитным нейтральным рекам. Соотношение дождевого и подземного питания 85 и 15% соответственно (без учета талых вод) (Максимович, 1969). Пересекая различные районы и участки, сложенные карстующимися сульфатными и карбонатными породами, р. Сылва имеет сбалансированное и стабильное содержание основных макрокомпонентов, что позволяет использовать химический состав речных вод как «эталон» для определения преобладающего источника питания (атмосферного, поверхностного, подземного) для различных водо-проявлений района (Катаев, 2017). Химический состав и минерализация р.Сылва по результатам опробования в 2014 г. выше и ниже впадения р. Мазуевка следующие: минерализация 332 и 379 мг/дм3 соответственно, содержание НСО3- - 180 и 210 мг/дм3, SО42- - 103 и 131 мг/дм3, Са2+ - 80 и 93 мг/дм3.
Характеристика вод покровных отложений
Верховодка и грунтовые воды в тонких проницаемых прослоях на водоразделах и их склонах формируются только в корот-
кие периоды интенсивного снеготаяния и при продолжительных обильных ливнях. По фондовым данным воды верховодки гидрокарбонатно-кальциевые, магниевые, с минерализацией от 0,1 до 1,0 г/л. Глубина залегания верховодки в д. Мазуевка, выявленная скважинами и колодцами, колеблется от 0,2 до 7,0 м, чаще всего составляет 1-3 м.
Характеристика вод коренных отложений
Высокая водообильность закарстован-ных пород поповской свиты объясняется благоприятными условиями питания подземных вод за счет инфильтрации и ин-флюации атмосферных осадков через трещины, поноры и воронки. Коэффициент фильтрации достигает 100-200 м/сут.
Химический состав подземных вод кун-гурской карбонатно-сульфатно-терриген-ной свиты характеризуется разнообразием и пестротой. По анионному составу выше вреза эрозионной сети формируются гидрокарбонатные, гидрокарбонатно-сульфат-ные, сульфатно-гидрокарбо-натные, реже сульфатные воды с различным сочетанием катионов. Ниже уровня местных дрен получили развитие сульфатные, сульфат-но-хлоридные и хлоридные воды. Режим подземных вод свиты тесно связан с выпадением атмосферных осадков, амплитуда колебания УГВ не превышает 3-4м (Килин и др., 2015).
Химический состав озерных вод
По результатам экспедиции кафедры в 2014 и 2017 гг. было опробовано восемь карстовых озер, а также восходящий сульфатный карстовый источник подземных вод. Опробование проводилось с целью выявления изменений в химическом составе вод. Пробы отбирались как с поверхности озер, так и с глубины (о. Карасье). Химический состав озерных вод определяется тремя гидрохимическими фациями: гидрокарбонатно-кальциевой, гидрокарбонатно-кальциево-сульфатной и сульфатно-гидрокарбонатно-кальциевой (Крутик, 2016). Сравнение данных о современном фациальном составе с данными прошлых лет приведено в табл. 2.
Таблица 2. Фациальный состав озерных вод Мазуевской депрессии (по Г.А. Максимовичу)
Год Источник Номер и название озера
№1 №2 №3 №4 №5 Большое/ Светлое №6 Черные ямы №7 Озеро со сплавиной №8 Карасье
1958 Максимович, 1969 - - - - S042--Са2+-НС03- НС03- -Ca2+-Mg2+ НС03-- Ш+-Са2+ НС03--S042--Ca2+
1969 Ященко, 1973 - - - - S042--Са2+-НС03- НС03--Са2+ НС03--Са2+ НС03--Са2+
2006 фонды НС03"-Са2+ НС03--S042--Ш+- Са2+ НС03--S042--Са2+ - - - - -
2007 фонды НС03"-Са2+ НС03--Са2+-Mg2+ НС03--Са2+-Na+ - S042--НС03--Са2+ - - -
2008 фонды НС03--Са2+ НС03--Са2+ (№+) - - НС03-^042--Са2+ - - -
2009 фонды НСО3--Са2+- S042- НС03--Са2+ (№+) НС03--S042--Na+ - НС03- S042--Са2+ - - -
2010 фонды НСО3--Са2+-Ыа+ НС03--Са2+ (№+) - - - - - -
2014 фонды кафедры НС03--Са2+ НС03--Са2+ НС03--Са2+ НС03--Са2+-S042- S042--Са2+-НС03- НС03--Са2+-S042- НС03--Са2+ НС03--Са2+
2017 фонды кафедры НС03--Са2+ НС03--Са2+ НС03--Са2+ - S042--Са2+-НС03- - НС03--Са2+ НС03--Са2+
По генетической классификации (Максимович, 1969) на исследуемой территории выделены два типа озер - карстовые озера зоны вертикальной нисходящей циркуляции, озера зоны горизонтальной циркуляции карстовых вод.
По характеру питания (Катаев, 2000) все исследованные озера относятся к двум типам: озера-воронки поверхностного питания, озера-воронки со смешанным питанием.
Карстовые озера зоны вертикальной нисходящей циркуляции (область поглощения) формируются в коррозионных и коррозионно-суффозионных воронках и котловинах, днища которых находятся выше уровня карстовых вод.
Постепенно гидродинамическая связь с горизонтом карстовых вод исчезает в результате кольматации трещин и поноров на дне озерной котловины, и она заполняется талыми, дождевыми и отчасти грунтовыми водами. По условиям питания такие озера относятся к типу озера-воронки
поверхностного питания и характеризуются содержанием основных анионов и катионов в следующих диапазонах значений: НТОз" (50-180 мг/дм3), SO42" (1-160 мг/дм3), Са (25 -70 мг/дм3) и низкой минерализацией (150-350 мг/дм3) (Катаев, 2017).
Карстовые озера-воронки поверхностного питания водами атмосферных осадков и поверхностного стока
Озеро №3 (период исследований 20062017) - воды от ультрапресных до пресных, с 2006 г. минерализация уменьшается, в 2010 г. озеро полностью пересохло, а в последующие годы наблюдается очень низкая минерализация - 97-113 мг/дм3, что говорит о преимущественном питании талыми и дождевыми водами.
Озеро №4 (период исследований 2014). Воды озера пресные, в химическом составе преобладают гидрокарбонат-ионы и катионы кальция.
Озеро №6 (Черные ямы) (период исследований 1958, 1969, 2014) - воды от ультрапресных до пресных, с преоблада-
нием гидрокарбонат-ионов и катионов кальция.
Озеро №7 (Озеро со сплавиной) (период исследований 1958, 1969, 2014, 2017) -воды от ультрапресных до пресных, в 2017 г. зафиксирована минерализация 74 мг/дм3, а в предыдущие годы она составляла не менее 170 мг/дм3.
Озеро №8 (Карасье) (период исследований 1958, 1969, 2014, 2017) - самое большое озеро депрессии. Является геологическим памятником природы, входит в список ООПТ регионального значения. Расположено в юго-восточной части, замыкая собой цепочку озер. Практически полностью затянуто сплавиной. В 2014 г. проведено опробование в южной оконечности озера на открытом участке воды с трех глубин - 1,5; 2 и 4,5 м, изменений химического состава с глубиной не зафиксировано. Воды за весь период опробования ультрапресные, с преобладанием гидрокарбонат-ионов и катионов кальция.
Среднее содержание Mg2+ для всех озер этого типа 12,8 (5,1-46,2) мг/дм3, С1- - 6,5 (0,5-10) мг/дм3.
Стоит отметить, что высокое содержание катионов натрия и калия характерно для периода с 2006 по 2010 г., а в последующие годы не превышает 5 мг/дм3. Повышенное содержание Mg2+ встречается спорадически.
Карстовые озера зоны горизонтальной циркуляции карстовых вод (область подземного стока) формируются в воронках и котловинах различного генезиса, представляют собой гидрогеологические окна. Дно этих озер вскрывает горизонт подземных карстовых вод. В таких условиях основное питание озер осуществляется за счет подземных и грунтовых вод, в меньшей степени за счет атмосферных осадков. Химический состав озер определяется характером доминирующего питания. Так для озер с преобладающим питанием водами покровных отложений характерны следующие диапазоны содержаний основных анионов и катионов: НСОэ- (250600 мг/дм3), Б042- (1-150 мг/дм3), минерализация от 350 до 1100 мг/дм3. Для озер с
доминирующим питанием водами коренных карстующихся сульфатных отложений характерно преобладание БО42- (300700 мг/дм3) при невысоком содержании НСОэ- (50-150 мг/дм3) (Катаев, 2017).
Карстовые озера-воронки смешанного питания с доминирующим питанием водами покровных отложений
Озеро №1 - за весь период исследований (2006-2017) воды пресные, в химическом составе преобладают гидрокарбонат-ионы и катионы кальция.
Озеро №2 (период исследований 20062017) - воды от пресных до пресных с относительно повышенной минерализацией. В 2007 г. зафиксирована наибольшая минерализация за весь период наблюдений -1012 мг/дм3 (в остальные годы не более 630 мг/дм3) за счет гидрокарбонат-ионов (750 мг/дм3) и катионов кальция (152 мг/дм3).
Озера-воронки с доминирующим питанием водами коренных карстующихся сульфатных отложений
Озеро №5 (Большое/Светлое) на протяжении всего периода исследований (1958, 1969, 2007-2009, 2014, 2017) имеет относительно стабильный химический состав, гидрохимическая фация определяется сульфат-ионами, гидрокарбонат-ионами и катионами кальция. Однако в 2008-2009 гг. зафиксировано снижение содержания сульфат-ионов и катионов кальция, в результате чего произошла смена формации с сульфатной на гидрокарбонатную.
Источники зоны горизонтальной циркуляции разгружаются в аллювий речных долин или подрусловые пустоты.
Родниковая яма с грифонами (№11) Относится к типу расширенных устьев восходящих карстовых источников, питающихся напорными пластовыми водами (Горбунова, 1968). Расположена в пойме р. Мазуевка, западнее оз. Карасье. Воды родника солоноватые, с сульфатно-кальциевой фацией. Содержание основных компонентов за 2014-2017 гг. колеблется в следующих пределах: НСО3- -284-311 мг/дм3, БО42- - 939-1032 мг/дм3,
Са2+ - 404-449 мг/дм3, Ш+К - 1-4,5 мг/дм3, Mg2+ - 29-35 мг/дм3. Минерализация - 1669-1695 мг/дм3, жёсткость - 25,3
мг-экв/дм3, водородный показатель - 7,3. Содержание основных макрокомпонентов представлено в табл. 3.
Таблица 3. Содержание основных макрокомпонентов в озерных водах Мазуевской депрессии
Озеро Среднее содержание основных анионов и катионов (Min-Max значение), мг/дм3
НСОэ" SO42" Са2+ Минерализация
Карстовые озера-воронки поверхностного питания водами атмосферных осадков и
поверхностного стока
№3 146 (70-220) 46 (1-120) 35 (18-84) 267 (97-468)
№4 285 165 49 58
№6 159 (134-183) 8,5 (1-16) 40 (28-53) 226 (200-264)
№7 124 (54-172) 3,5 (0,7-9) 27 (16-45) 165 (74-229)
№8 109 (85-140) 17 (1-33) 25 (16-32) 167 (143-180)
Карстовые озера-воронки смешанного питания с доминирующим питанием водами
покровных отложений
№1 316 (268-366) 15,5 (1,2-52) 67 (54-82) 449 (386-531)
№2 390 (262-750) 27 (0,6-115) 81 (60-152) 562 (368-1012)
Озера-воронки с доминирующим питанием водами коренных карстующихся сульфат-
ных отложений
№5 221 (119-373) 360 (110-778) 181 (60-435) 813 (514-1600)
Выводы
Таким образом, по результатам исследований воды озерных котловин Мазуевской депрессии характеризуются двумя гидрохимическими формациями - гидрокарбонатной и сульфатной. Формацион-ный состав на протяжение всего периода наблюдений практически не изменялся.
Фациальный состав вод более изменчив, он находится в прямой зависимости от количественного содержания основных компонентов - НСО3", SO42" и Са2+, а также связан с эпизодическим увеличением таких элементов, как Mg2+ и №+К. Это в основном обусловлено эволюцией озерных котловин, дно которых со временем заполняется осадками, происходит коль-матация придонных трещин, в результате чего уменьшается подток карстовых вод и усиливается влияние состава атмосферных осадков и сезонных вод поверхностного стока. Кроме того, фациальная изменчивость может быть связана с годовым ходом осадков в регионе, уменьшение которых способствует снижению уровня подземных вод и, как следствие, -сокращению их доли в питании озер.
Полученные данные позволили уточнить характер питания озер, а также до-
полнить гидрохимическую модель указанного района.
Кроме того, авторами были исследованы ранее не изученные озера в северозападной части депрессии, что позволило более полно охарактеризовать химизм и морфологию карстовых озер.
Библиографический список
Горбунова К.А. Особенности гипсового карста: путеводитель по Кишертско-Суксунскому карстовому району. Пермь, 1965.119с.
Горбунова К.А. Гидрогеологическая классификация карстовых озер // Карст Урала и Приуралья. Пермь, 1968. Горбунова К.А., Андрейчук В.Н., Костарев
B.П., Максимович Н.Г. Карст и пещеры Пермской области. Пермь: Изд-во Перм. ун-та, 1992. 200 с.
Катаев В.Н. Гидрогеологические условия Красноясыльского полигона: типы вод, во-допроявления и их химизм // Гидрогеология и карстоведение: межвуз. сб. науч. тр. / Перм. гос. ун-т. Пермь, 2000. Вып. 13.
C. 127-136.
Катаев В.Н. Современный химический состав вод озер зоны сочленения Уфимского вала и Предуральского прогиба // Вестник Пермского университета. Геология. 2017. Т. 16, вып 3. С. 332-346. Килин Ю.А., Минкевич И.И., Клецкина О.В. Кишертский карстовый район - зона раз-
грузки карстовых вод // Экологическая безопасность и строительство в карстовых районах: матер. Междунар. симпозиума / Перм. гос. ун-т. Пермь, 2015. С. 312-316.
Крутик И.А. Фациальный состав озерных вод Мазуевской карстовой депрессии // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: сб. ст. юбил. конф., посвящ. 100-летию Перм. ун-та и 85-летию геол. ф-та/ Перм. гос. ун-т. Пермь, 2016. С. 159-161.
Максимович Г.А. Основы карстоведения. Т.2: Вопросы гидрогеологии карста, реки и озера карстовых районов, карст мела, гидротермокарст: учеб. пособие / Геогр. о-во СССР; Ин-т карстоведения и спелеологии; Перм. гос. ун-т. Пермь, 1969. 529 с.
Ященко Р. В. Генезис котловин и химическая география карстовых озер равнинной части Пермской области : дис... канд. геогр. наук / Перм. гос. ун-т. Пермь,1973. Т. 1. 280 с.
The Modern Chemical Composition of the Waters of the Lakes at the Mazuevskaya Karst Depression
I.A. Krutik, Yu.A. Kilin
Perm State University, 15 Bukireva Str., Perm 614990, Russia E-mail: [email protected], [email protected]
An analysis of the current hydrochemical state of the waters of the Mazuevskaya karst depression located in the Kusherstko-Suksunskiy karst region was carried out. The area is a zone of discharge of karst waters of the Ufimskiy Swell (brachiantikline). The obtained data provided an opportunity to trace changes in the chemical composition of karst lakes in time, as well as to supplement the hydrochemical model of this region. Key words: karst; karst lake; chemical composition.
References
Gorbunova K.A. 1965. Osobennosti gip-sovogo karsta: putevoditel po Kishertsko-Suksunskomu karstovomu rayonu [Gypsum karst features: guide of Kishert-Suksunskiy karst region]. Perm, p. 119. (in Russian) Gorbunova K.A. 1968. Gidrogeologicheskaya klassifikatsiya karstovykh ozer [Hydrogeolog-ical classification of karst lakes]. In Karst Urala i Priuralya. Perm. (in Russian) Gorbunova K.A., Andreychuk V.N., Kostarev V.P., Maksimovich N.G. 1992. Karst i pesh-chery Permskoy oblasti [Karst and caves of the Perm region]. PSU, Perm, p. 200. (in Russian)
Kataev V.N. 2000. Gidrogeologicheskie usloviya Krasnoyasylskogo poligona: tipy vod, vodoproyavleniya i ikh khimizm [Hydrogeo-logical conditions of Krasnoyasylskiy area: water types, water occurrences, and their chemistry]. Gidrogeologiya i karstovedenie. 13: 127-136. (in Russian) Kataev V.N. 2017. Sovremennyy khimicheskiy sostav vod ozer zony sochleneniya Ufimsko-go vala i Preduralskogo progiba [The contemporary chemical composition of the lakes waters at zone of juncture of the Ufimian Swell and Pre-Urals Foredeep]. Vestnik Permskogo
universiteta. Geologiya. 16(4): 340-353. (in Russian)
Kilin Yu.A., Minkevich I.I., Kletskina O.V. 2015. Kishertskiy karstovyy rayon - zona razgruzki karstovykh vod [Kishertskiy karst region -zone of karst water discharge]. In Ekologicheskaya bezopasnost i stroitelstvo v karstovykh rayonakh. PSU, Perm, pp. 312316. (in Russian)
Krutik I.A. 2016. Fatsialnyy sostav ozernykh vod mazuevskoy karstovoy depressii [Facies composition of lake waters of the Mazuevskaya karst depression]. In Geologiya i poleznye is-kopaemye Zapadnogo Urala. PSU. Perm, pp. 159-161. (in Russian)
Maksimovich G.A. 1969. Osnovy karstovedeniya. T.2: Voprosy gidrogeologii karsta, reki i ozera karstovykh rayonov, karst mela, gidrotermo-karst [Fundamentals of ... T.2. Problems of karst hydrogeology, rivers and lakes of karst regions, chalk karst, and hydrothermokarst]. PSU, p. 529. (in Russian)
Yashchenko R.V. 1973. Genezis kotlovin i khimicheskaya geografiya karstovykh ozer ravninnoy chasti Permskoy oblasti [Genesis of depressions and chemical geography of karst lakes of the Perm region plain areas]. Dis. kand. geogr. nauk. PSU, Perm, p. 280. (in Russian)
