CC BY
55
УДК 550.84 (571.53)
ВЫДЕЛЕНИЕ ПОЛУАВТОНОМНЫХ СИСТЕМ В ОЗЕРЕ БАЙКАЛ
О.Ю. Астраханцева1, К.В.Чудненко2, О.М. Глазунов3
Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1а.
Установлено, что особенности механизма формирования качества вод озера Байкал и различие его по акватории озера (в резервуарах) обусловлены геолого-морфологическим фактором - рельефом дна озера и соответственно перепадами глубин, определяющими своеобразие гидродинамических процессов, градиентов температуры, давления, интенсивность водообмена в пяти резервуарах озера. В исследуемом водоеме проведено геохимическое районирование: выделены стационарные системы, обменивающиеся потоками вещества и энергии, различающиеся по физико-химическим условиям формирования химического состава вод озера и характеру геохимической среды. Ил. 11. Библиогр. 37 назв.
Ключевые слова: многорезервуарная система; потоки; окружающая среда; стационарные системы; морфо-метрия.
DISTINGUISHING OF SEMIAUTONOMOUS SYSTEMS IN LAKE BAIKAL Astrakhantseva O.Yu., Chudnenko K.V., Glazunov O.M.
Institute of Geochemistry named after A.P.Vinogradov SB RAS 1a Favorsky St., Irkutsk, 664033.
It is determined that features of the water quality formation mechanism of the lake Baikal and its difference along the water area of the lake (in reservoirs) are due to the geological and morphological factor - the relief of the lake bed and, respectively, differences of the depths that determine the identity of the hydrodynamic processes, the gradients of temperature, pressure, intensity of water exchange in five reservoirs of the lake. In the reservoir under the investigation the authors carried out the geochemical zoning. They distinguished stationary systems, exchanging flows of matter and energy, differing in physical and chemical conditions of formation of water chemistry and the nature of the geochemical environment. 11figures. 37 sources.
Key words: multi-reservoir system; flows; environment; stationary systems; morphometry.
Важнейшая теоретическая проблема гидрогеохимии - создание имитационных моделей процессов формирования химического состава природных вод континентальных водоемов, а также прогнозирование качества вод при различных режимах их эксплуатации. По оз. Байкал и впадающим в него потокам (рекам, взвеси речных вод, подземным водам, минеральным водам, дождю, снегу, аэрозолям) накоплен большой эмпирический материал, который является основой для перевода геохимии вод Байкала на качественно новый уровень, характеризующийся количественным познанием процессов формирования химического состава вод озера. На смену эмпирическому, качественному подходу к анализу геохимических явлений в оз.Байкал необходимы новые средства (компьютерные технологии) и методы (создание количественных моделей процессов формирования химическо-
го состава вод озера в естественных и техногенных ситуациях) на основе методов точных фундаментальных наук - химической термодинамики и физико-химической гидродинамики.
До сих пор оз. Байкал изучалось преимущественно по произвольному набору измерений и сопоставлений различных химических и физических параметров, как правило, без учета взаимодействия вещества вод с веществом потоков, впадающих в озеро. Одни исследователи делали вывод о том, что по акватории оз. Байкал содержание химических компонентов не изменяется, т.е. с точки зрения химического состава озеро представляет собой однорезервуарную систему [9, IIIS], а другие считали, что Байкал - сложная мегаси-стема, в которой внутриводный теплообмен, процессы тепло-и влагообмена с атмосферой, радиационный и тепловой баланс должны рассматриваться по мень-
1Астраханцева Ольга Юрьевна, младший научный сотрудник лаборатории физико-химического моделирования, тел.: (3952) 425512, e-mail: [email protected]
Astrakhantseva Olga Yurievna, junior research worker of the laboratory of physico-chemical modeling, tel.: (3952) 425512, e-mail: [email protected]
2Чудненко Константин Вадимович, доктор геолого-минералогических наук, зав. лабораторией физико-химического моделирования
Chudnenko Konstantin Vadimovich, Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, head of the laboratory of physico-chemical modeling
3Глазунов Олег Михайлович, доктор геолого-минералогических наук, главный научный сотрудник лаборатории геохимического и ультраосновного магматизма
Glazunov Oleg Mikhailovich, Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, central researcher of the laboratory of geochemical and ultrabasic magmatism
Выделение полуавтономных систем озера Байкал, обменивающихся потоками вещества и энергии
I
Определение химического состава независимых компонентов в потоках и системах озера Байкал (в мг/л, моль/кг) _ + _
Создание водных и химических балансовых моделей систем и потоков озера Байкал
I
Формирование базовой физико-химической модели озера Байкал (составление потенциального списка индивидуальных веществ, исходные термодинамические данные)
Формирование многорезервуарной модели озера Байкал Рис. 1. Блок-схема формирования физико-химической модели оз. Байкал
шей мере в совокупности пяти систем - резервуаров "воды оз. Байкал - атмосфера" [3, 5].
Объект нашего исследования - система "оз. Байкал - окружающая среда (потоки)", включающая совокупность геохимических процессов взаимодействия вод озера и внешних входящих и выходящих потоков, приводящих к установлению стационарного состояния мегасистемы в целом в течение исторически значимого интервала времени. Существуют средство для исследования - алгоритм физико-химического моделирования эволюции системы локально-равновесных резервуаров, связанных потоками подвижных групп фаз [19, 30] с положенной в его основу теорией стабильных стационарных мегасистем [16], и универсальный инструмент для решения широкого круга задач физико-химического моделирования - программный комплекс "Селектор". С учетом того, что комплексное исследование системы "оз. Байкал - окружающая среда (потоки)" методом компьютерного физико-химического моделирования на ЭВМ еще никем ранее не проводилось, перед исследователями встает задача создания принципов и методов подхода к формированию физико-химических моделей системы "оз. Байкал - окружающая среда (потоки)".
Общие методологические принципы моделирования водных систем предусматривают определенную последовательность в построении моделей [21]. Прежде всего необходимо построить качественную геологическую (геохимическую) модель процесса или явления, которая должна содержать граничные условия -пространственно-временные масштабы для построения модели, Т-Р - условия процесса, источники вещества и их составы, способы и характеристики переноса вещества. Далее на основе геологических (геохимических) представлений об объекте строят его физико-химическую, математическую и компьютерную модели. Следовательно, на первом этапе необходимо разработать методику для создания геолого-геохимической модели системы "воды оз. Байкал -потоки".
По водам, донным отложениям и потокам озера Байкал собран огромный эмпирический материал, но он нуждается в осмыслении и систематизации. Необ-
ходимо учитывать, что Байкал - глубокое рифтовое олиготрофное озеро, эволюцией которого управляют физико-химические законы, обусловленные рифтоген-ной структурой земной коры. Геоэкосистема озера подобна океанской, а не озерной [10]. На то, что оз. Байкал подобен океанической геоэкосистеме, указывает и наличие фронтов океанического типа [25- 27]. Отличие озера Байкал от других континентальных озер - наиболее сложное строение дна и максимальная средняя глубина (больше 500 м). Следовательно, подход к созданию геохимической модели системы "оз. Байкал - потоки" должен быть особым, индивидуальным, как к сложной системе. Создание геохимической модели озера даст реально осуществимую возможность перехода на новую технологию переработки накопленного фонда эмпирических данных по озеру Байкал и его потокам.
На рис. 1 представлена разработанная нами методика построения модели физико-химических процессов в системе "оз. Байкал - окружающая среда (потоки)", три первых пункта которой представляют план создания геохимической модели системы.
В данной статье мы рассмотрим первый пункт предлагаемой методики: в исследуемом водоеме озеро Байкал проведем геохимическое районирование -выделим стационарные системы, обменивающиеся потоками вещества и энергии, различающиеся по физико-химическим условиям формирования химического состава вод озера и характеру геохимической среды.
Состав любой поверхностной воды - результат действия многочисленных процессов в строго определенных геологических, геохимических и термодинамических условиях. Р. В. Гаррелс обосновал возможность расчета геохимического состояния системы с использованием термодинамических параметров [34]. С точки зрения постулатов химической термодинамики в изобарно-изотермической системе физические и химические превращения вещества происходят вследствие изменения воздействующих на систему температуры, давления или вследствие получения или отдачи системой энергии от потоков внешней среды.
0 50 100 кт
0 50 100 кт
1_I_I
Рис. 2. Схема районов Байкала, основанная на температурных особенностях вод [23]: 1 - прибрежный район (полоса шириной от нескольких сот метров до 3-4 км; крайняя неустойчивость, обусловленная мощными перемещениями водных масс под действием ветра, главным образом, сгонно-нагонного характера); 2 - открытый Байкал (вся поверхность озера за пределами прибрежной полосы, более устойчивое вертикальное распределение температур); 3 - прибрежные мелководья (соответствуют области береговой отмели, развитой на Байкале весьма неравномерно, шириной от нескольких десятков метров до нескольких километров и глубиной на внешнем крае до 30 м); 4 - районы влияния крупных притоков - рек Селенги, Верхней Ангары с Кичерой, Голоустной; 5 - приангарский район (температурные особенности находятся под сильным влиянием р. Ангары); 6 - обособленные районы Байкала - Малое Море, Баргузинский и Чивыркуйский заливы; 7 -соры - обособленные обширные мелководные пространства, сообщающиеся с Байкалом одной или несколькими протоками; соры-озера: Рангатуй, озеро-сор на мысе Мужинай, сор на мысе Арул, оз. Загли-Нур; соры типичные: Посольский, Верхнеангарский; соры-заливы: Провал (Дубининский сор), Истокский; закрытые губы: губа Анга (внутренняя ее часть), губа Заворотная (на западном побережье северной части Байкала)
Условно выбранное вещество и окружающая его внешняя среда, которые могут обмениваться между собой потоками вещества и энергии, образуют систему [4]. Воды оз. Байкал с частицами растворенного вещества - "жидкий минерал (Н2О), биокосное тело, насквозь пронизанное живым веществом и продуктами жизнедеятельности этого вещества" [8], обладающее несжимаемостью, текучестью и подвижностью, способное изменять свое состояние под воздействием внешних сил и температурных изменений, - вот то "вещество", которое нас интересует. Окружающая среда обменивается потоками вещества и энергии с водами оз. Байкал. Специфика исследования вод оз. Байкал определяется тем, что их нельзя рассматривать отдельно от потоков, впадающих и вытекающих из них. В результате процессов взаимодействия вод оз. Байкал с веществом потоков постоянно образуются новые соединения - возникает тот или иной равно-
весный с раствором вторичный продукт. Возникает вопрос: одинаковы или различаются на протяжении озера физико-химические условия формирования (температура, давление, химический состав) новообразованного продукта и соответственно геохимическая среда озера?
Если по физико-химическим параметрам, т.е. условиям формирования новообразованного продукта озеро Байкал является мегасистемой, необходимо установить условные границы входящих в нее взаимодействующих систем. Детально любой процесс в природе может быть рассмотрен через взаимодействие нескольких сопряженных систем, объединенных в мегасистемы [31]. Если каждую систему в мегасистеме называть резервуаром, то динамику мегасистем можно называть "резервуарной" динамикой. Для выделения в озере Байкал зон со стабильными термодинамическими параметрами, обменивающихся вещест-
вом и энергией, и соответственно стабильными физико-химическими процессами необходимо оценить состояние озера, а вернее, параметры изменения этого состояния как по акватории озера, так и в глубину. По теории И. Пригожина (1960) стационарное неравновесное состояние системы можно охарактеризовать теми же параметрами, что и равновесное: температурой, давлением, химическими потенциалами компонентов системы, - но не с постоянными для всей системы значениями, а зависящими от координат и времени.
Проведем анализ существующих работ по исследованию климатических - температурных характеристик озера Байкал. Вопросу климатического районирования Байкала в разное время уделяли внимание такие ученые, как Г.Ю.Верещагин (изучал температурные особенности озера во взаимосвязи с динамикой его вод) [3], Л.Ф.Форш (1957), А.Н.Афанасьев (1960), Л.Л.Россолимо [23] и В.И.Верболов с соавторами (1965). В последних двух работах имеются карты -схемы районов озера с температурными особенностями. Л.Л.Россолимо (1957) отметил термическую неоднородность оз. Байкал (рис. 2). Энергетический баланс вод оз. Байкал как результат обмена теплом и влагой с окружающим его пространством исследован в [5]. Установлено, что в навигационный период неравномерность в распределении величин гидрометеорологических элементов по акватории озера обуславливается процессами, которые можно разделить на
две группы: 1) различия в интенсивности тепло- и вла-гообмена на границе вода - воздух и обмена между воздухом в котловине Байкала и воздухом над сушей; 2) неоднородность гидрогеологических условий в озере. В работе приводятся средние многолетние характеристики радиационного и теплового балансов поверхности озера, процессов тепло- и влагообмена в слое воды от поверхности до глубины 200 м и установлено, что сложная система "оз. Байкал - атмосфера" состоит из пяти крупных систем - районов с индивидуальными тепловыми состояниями - температурными характеристиками вод, воздуха, получаемой и отдаваемой теплоты, причем эти районы характеризуются однородным распределением температур по горизонтали внутри районов (рис. 3). Учитывая требования, предъявляемые к системам, находящимся в стационарном состоянии (когда параметры системы не изменяются с течением времени или флуктуируют около некоторых статистических средних значений, но есть поток вещества или энергии через систему), обменивающимся потоками вещества и энергии, мы можем принять эти пять крупных районов в качестве резервуаров в модели «оз. Байкал - потоки». Однако, чтобы удостовериться в стабильности параметров, необходимо выявить факторы, обуславливающие как существование в озере Байкал именно такого количества стационарных зон с индивидуальными характеристиками, так и стабильность их физико-химических характеристик. Необходим комплексный анализ суще-
Улан-Удэ
0 50 100 km
1_I_I
Рис. 3. Схема районов оз. Байкал (на основании всего комплекса физико-географических особенностей) [5]. Южный Байкал: 1 - южная оконечность; 2 - северо-западный прибрежный район; 3 - юго-восточный прибрежный район; 4 - центральный район. Селенгинский район: 5 - северо-западный прибрежный район; 6 - юго-восточный
прибрежный район. Средний Байкал: 7 - северо-западный прибрежный район; 8 - центральный район; 9 - юго-восточный прибрежный район; 10 - Малое Море; 11 - Баргузинский залив; 12 - Чивыркуйский залив. Ушканьеост-ровский район: 13 - северо-западный прибрежный район; 14 - центральный район. Северный Байкал: 15 - северозападный прибрежный район; 16 - центральный район; 17 - юго-восточный прибрежный район; 18 - северная
оконечность
Иркутск •
50 _1_
100 кт
_I
Рис. 4. Районирование оз. Байкал по горизонтальному распределению планктона [17]: 1 - участки прибрежно-соровой зоны (закрытые и защищенные губы, бухты, заливы и предустьевые участки крупных притоков оз. Байкал; под сорами подразумеваются отчлененные от Байкала прибрежные мелководные участки, воды которых полностью изолированы от вод открытого Байкала); 2 - мелководные районы, расположенные перед впадением крупных рек; 3 - обширные заливы, губы и другие относительно мелководные участки вдоль открытого побережья; 4 - глубоководные районы
ствующих работ по зональным и азональным факторам, могущим обуславливать существующие индивидуальные градиенты температур, давлений и химического состава его вод в разных локальных районах озера Байкал.
Геохимический тип состава вод оз. Байкал определяют две группы факторов: климатические и геолого-структурные. Климат, т.е. количество осадков и температура, контролирует биологическую продуктивность озера и условия формирования вещества в озере. М.М.Кожов составил схему районирования оз. Байкал по горизонтальному распределению планктона [17], где он отделяет прибрежные воды и места впадения крупных рек в озеро от отрытых вод, но биологическая продуктивность открытых вод оз. Байкал одинакова на всем протяжении озера (рис. 4). Исходя из приведенных аргументов можно сделать вывод о том, что не климат является причиной различия геохимической среды и, следовательно, типов вод на протяжении всего оз. Байкал, а другой фактор - азональный - геолого-структурный. Кроме схем районов В.И.Верболова с соавторами (1965), существуют схема Г.Ю. Верещагина [3] - районирование оз. Байкал на основании специфики гидрологического режима каждого района (рис. 5) и Новая Батиметрическая Карта озера Байкал [36]. Все карты - схемы дают ключ
к пониманию того, какие факторы обуславливают существование мегасистемы "Оз. Байкал", состоящей из постоянных в пространстве локальных зон со стабильными в пространстве и времени индивидуальными физико-химическими характеристиками и соответственно геохимическими средами. Все авторы делят Байкал на глубоководные, мелководные (соры, заливы) и прибрежные зоны. Границы районов, выделенные Г.Ю. Верещагиным и В.И. Верболовым с соавторами, примерно совпадают.
Это свидетельствует о наличии взаимосвязанности и взаимообусловленности гидрологических и метеорологических процессов в пределах акватории Байкала - они являются следствием действия одного фактора. При наслаивании схемы этих районов на пространственные изображения рельефа дна Новой Батиметрической Карты озера Байкал [36] становится понятно, что именно морфология - сложное строение дна и глубина - влияет на своеобразие гидродинамических процессов и температурных характеристик морфологических резервуаров оз. Байкал и соответственно на механизм формирования качества вод и его изменение по акватории оз. Байкал. В озере Байкал течения представляют собой циклонические макроциркуляции, которые охватывают всю толщу до са
0 50 100 кт
1_I_I
Рис. 5. Районирование оз. Байкал на основании специфики гидрологического режима каждого района, предложенное Г.Ю.Верещагиным [3]. Крупные заливы: 1 - Малое Море; 2 - Баргузинский залив; 3 - Чивыркуйский залив. Прибрежные участки, испытывающие мощное влияние речных вод: 4 - Селенгинское мелководье; 5, 6 -район Ушканьих островов с примыкающими участками побережья п-ва Святой Нос; 7 - южная оконечность Байкала; 8 - северная оконечность Байкала; 9 - прибрежные участки Южного Байкала; 10 - прибрежные участки Среднего Байкала; 11 - прибрежные участки Северного Байкала; 12 - открытый Байкал
0 50 10 кт
Рис. 6. Схема геохимического районирования оз. Байкал (на основе гидрологических, климатических и морфологических характеристик [3, 5,36]): 1 - Южный, 2 - Селенгинский, 3 -Средний, 4 - Ушканьеостровский, 5 -Северный резервуары; 6 — Малое Море; 7 — Баргузинский залив; 8 - Чивыркуйский залив. Резервуары 1 - 5 разделены на прибрежные воды и открытый Байкал
мого дна (участвуют все слои воды). Количество энергии, приносимое теплотой и переданное водам озера, пропорционально их массе и изменению их температуры, обособляется пятью циклоническими макроцир-куляциями, внутри которых температурные характеристики в горизонтальных слоях воды выравниваются. Строение дна и соответственно перепады глубин обуславливают наличие систем в озере Байкал с индивидуальными интенсивностью водообмена, гидродинамикой, градиентами давления, температурными характеристиками.
Таким образом, геологический фактор - рельеф дна оз. Байкал является причиной наличия в озере зон с различающимися индивидуальными физико-химическими характеристиками. Все системы оз. Байкал имеют индивидуальные, зависящие от факторов, влияющих на системы озера, термодинамические параметры и соответственно разнородный индивидуальный устойчивый характер геохимических сред, характеризуемый этими параметрами. Морфометрия - сложное строение дна и соответственно разная глубина на протяжении озера Байкал - обуславливает индивидуальность водообмена, гидродинамических процессов, градиентов температуры, давления в каждом резервуаре озера. Эти индивидуальные параметры, в свою очередь, определяют последующий индивидуальный тип преобразования органических и минеральных веществ в резервуарах. Геохимическая направленность преобразования органического вещества и типа выветривания горных пород, в свою очередь, обуславливает индивидуальность характера геохимических сред в этих резервуарах. Характер геохимической среды в резервуаре контролирует и определяет продукт взаимодействия вод резервуара и впадающих в него потоков - новообразованное вещество. С.Л.Шварцев предлагает выделять геохимические типы вод по характеру их равновесия со вторич-
ными минеральными новообразованиями, формируемыми в ходе геохимической эволюции системы вода -порода [24]. В этом случае каждому формируемому минералу соответствует особый геохимический тип воды. Следовательно, разнообразие геохимических сред в водах оз. Байкал определяет разнообразие вторичных минеральных и органических образований и соответственно разнообразие геохимических типов вод. Тепло, переданное системе, идет на увеличение ее внутренней энергии. Понятно, что энергетический баланс по акватории оз. Байкал будет меняться в зависимости от перепадов глубин и соответственно массы вод, принимающих или отдающих тепло.
На основе существующих схем районирования озера Байкал по климатическим [5] и гидродинамическим характеристикам [3], можно провести геохимическое районирование озера Байкал: выделить по горизонтали озера пять систем - резервуаров со стационарным режимом распределения индивидуальных стабильных физико-химических характеристик: 1) Южный, 2) Селенгинский, 3) Средний, 4) Ушканьеостров-ский, и 5) Северный (рис. 6). Из отдельных заливов -Малое Море, Баргузинский и Чивыркуйский заливы. Каждый резервуар разделен на прибрежную зону и открытый Байкал. Прибрежные воды от пелагиали отделяет фронт океанического типа - узкая, шириной не более километра конвергентная зона опускания вод, образующаяся на расстоянии нескольких километров от берега над склоном в районе резких изломов дна или в районе перехода от склона к плоскому дну. Сформированная из мутных вод конвергентная зона начинается практически от поверхности, вертикально пересекает километровую толщу глубинных вод и переходит в придонную область повышенной мутности [26, 28].
Все исследователи оз. Байкал (Дыбовский, Годлевский, 1897; Вознесенский, 1908; Шостакович, 1913,
*
п
к////
1
Рис. 8. Схема протекания процесса взаимодействия вещества оз. Байкал и вещества потоков в мегасистеме "оз. Байкал - потоки" как совокупность последовательно связанных потоками водного раствора последовательных реакторов - резервуаров: 1- Южный, 2 - Селенгинский, 3 - Средний, 4 - Ушканьеостровский,
5 - Северный резервуары
-к.
1 2
3
Рис. 9. Схема течений в резервуарах оз. Байкал [26, 28]:
придонные воды; 5
1926; ¡оИапБеп, 1925; Базикалова и др., 1946; Россо-лимо 1957; Верещагин, 1936, Толмачев, 1957а; Кожов, 1954, 1962; 1965; Ко2^, 1958; Ветров, Кузнецова 1997) выделяют верхний слой водной массы оз. Байкал: в период прямой стратификации - в мае- июне и октябре-ноябре - от 0 до 200-250 м, в остальные месяцы - от 0 до 100 м; в период обратной стратификации - от 0 до 50-100 м, - как динамичный и наиболее подверженный климатическим (температурным) изменениям, а также глубинную и придонную области. Выделяя системы по вертикали, совпадающие пространственно, вещественно с термодинамическими резервуарами, нужно учитывать годовой цикл изменения температуры вод озера, тесно связанный с изменениями внешнего теплообмена и динамическими процессами в водной толще [30]. Необходимо толщу вод каждого из выделенных резервуаров по вертикали разделить на системы по количеству температурных слоев для каждого из восьми (этап подледного прогрева, конец этапа подледного прогрева, этап весеннего прогрева, этап гомотермии, этап летнего прогрева, этап осеннего охлаждения, этап предзимнего охлаждения, этап зимнего охлаждения) периодов года. Однако нами формируется модель со среднемного-летними содержаниями химических элементов, по-
1 - прибрежные, 2 - поверхностные, 3 - глубинные, 4 -- донные отложения
этому по вертикали каждый резервуар делится на поверхностные воды, глубинные, придонные, иловые воды (грунтовые растворы или жидкая часть донных отложений) и донные осадки (твердая часть донных отложений). Поверхностные воды - трофогенный и динамически активный верхний слой пелагиали каждого резервуара, равный около 0.3 глубины [6, 28]. Придонные воды - слой толщиной до 0.2 глубины озера в месте наблюдения, своей нижней границей имеют дно. Глубинные воды, нигде не примыкая к подводным склонам, являются своеобразной внутренней зоной вод озера (слой толщиной 0.5 глубины). Соотношение площадей прибрежной зоны, отделенной от пелагиали фронтами океанического типа, и открытой части озера составляет приблизительно 1:10 [20]. Открытый Байкал - воды озера за пределами прибрежной полосы (рис. 6, 7).
Мегасистема "оз. Байкал - потоки" состоит из пяти резервуаров со своей внешней средой: "Южный резервуар - потоки", "Селенгинский резервуар - потоки", "Средний резервуар - потоки", "Ушканьеостровский резервуар - потоки", "Северный резервуар - потоки", -каждый из которых в свою очередь содержит системы со стабильными физико-химическими характеристиками, обменивающиеся потоками вещества и энергии:
прибрежные воды, поверхностные воды, глубинные воды, придонные воды, - различающиеся по условиям формирования конечных продуктов химических реакций и, следовательно, по характеру их геохимических сред (рис. 6, 7). Следовательно, модель степени протекания процесса в глобальной мегасистеме "оз. Байкал - потоки" представляется как совокупность последовательно связанных потоками водного раствора реакторов - резервуаров (рис. 8). Учитывая схему течений в резервуарах оз. Байкал [26, 28] (рис. 9), каждый резервуар можно представить как химический реактор (рис. 10).
2 1
1
II
5 !
Рис. 10. Схема протекания процесса взаимодействия вещества систем и вещества потоков в мегасистеме "резервуар оз. Байкал - потоки" как последовательный реактор: 1- прибрежные, 2 - поверхностные, 3 -глубинные, 4 - придонные воды; 5 - донные отложения
По разработанной нами методике (рис. 11), с использованием имеющихся в научной литературе данных о водах и потоках определен среднемноголетний компонентный состав мегасистемы "Оз. Байкал - по-
токи" и создана база данных по среднемноголетним содержаниям 35 независимых химических компонентов (в мг/л и в моль/кг) вод (прибрежных, поверхностных, глубинных, придонных), донных отложений пяти резервуаров оз. Байкал и потоков, впадающих в пять резервуаров озера (реки, речная взвесь, подземные воды, минеральные воды, дождь или снег, аэрозоль) и вытекающих из него (р. Ангара) [1, 2].
Методами равновесной термодинамики исследованы формы существования элементов в водах оз. Байкал и проведено их сравнение в системах пяти резервуаров оз. Байкал. Для этого использованы составы изученных независимых компонентов систем (поверхностные, прибрежные, глубинные, придонные воды) пяти резервуаров озера Байкал - исходные векторы мольных количеств. Все термодинамические свойства газов, зависимых компонентов водного раствора и минералов, параметры состояния ИКР [32, 37] взяты из базы данных вРРОМБ [32]. Расчеты проводились с помощью программного комплекса (ПК) Се-лектор-С [35]. Физико-химическое моделирование ситем вод оз. Байкал представляло расчет химического равновесного состояния систем. Использовано 32 независимых компонента - №, К, Са, Мд, А1, Б1, Мп, Ре, Б, С, С1, N. Р, И, О, аб, В, Сг, Си, Сс1, Ид, РЬ, Бг, гп, Со, и, V, Вг, РЬ, Мо, И, е, где е обозначает электрон (электрозарядность компонента). С, N Р, Б представлены суммарным количеством минеральной и органической форм. Для всех систем использовался одинаковый набор зависимых компонентов из термодинамических баз данных: а_$ргоп$98.йВ (водные компо-
Рис. 11. Схема методики расчета химического состава независимых компонентов для физико-химической
модели "Озеро Байкал"
3
4
ненты), д_$ргоп$98.йВ (газы), $_$ргоп$98.йВ (твердые фазы). Общее число зависимых (вероятных) компонентов 246, включая Н20 как растворитель. Газовая фаза включает 6 компонентов. Твердые фазы представлены списком тех минералов, которые потенциально могут присутствовать в равновесии: карбонаты, сульфаты, оксиды и гидрооксиды. Моделирование проводилось при среднегодовых температурах каждой системы. Озеро Байкал - открытая система, обменивающаяся с атмосферой веществом и энергией. Учет в модели газов, растворенных в байкальской воде, производится исходя из следующих предположений. Кислород и углекислый газ участвуют в геологическом и биологическом круговоротах вещества. Следовательно, необходимо знать их количественные характеристики в водах оз. Байкал (аналитические данные) и использовать для построения имитационных моделей термодинамических систем. Газообразный азот важен прежде всего потому, что фиксируется циано-бактериями в водах озера и вступает в биологический круговорот. В наших базах данных он представлен как 1Морг и ЫОз". Благородные газы Ые и Аг химически инертны, в геологическом и биологическом круговоротах вещества не участвуют. Рассчитан полный компонентный состав, включая ионы, сложные нейтральные и заряженные ассоциаты поверхностных, прибрежных, глубинных, придонных вод пяти резервуаров оз. Байкал при среднемноголетних, присущих каждой системе температурах. Модели систем оз. Байкал показали, что характеристики кислотно-основных и окислительно-восстановительных состояний геохимических систем, определяемых соответственно величинами рН и Б11, для систем оз. Байкал различаются так же, как и их общая минерализация. Установлено, в виде каких
химических соединений независимые компоненты присутствуют в водных системах: все зависимые компоненты образуют ионные пары, причем в нескольких формах, только макрокомпоненты на 99 % представлены в виде свободных незакомплексованных ионов. Доминирующая форма серы - Б042", углерода - НСО3. Хлор присутствует в виде иона 01". У всех биогенных компонентов и микроэлементов, кроме Вг, основные формы нахождения в водах Байкала - ионные комплексы. Причем у таких компонентов, как А1, Си, 0г, Бе, аб, Р, Нд, и, V доминирующие формы нахождения в разных системах различаются.
Таким образом, особенности механизма формирования качества вод озера Байкал и различия его по акватории озера (в резервуарах) обусловлены геолого-морфологическим фактором - рельефом дна озера и соответственно перепадами глубин, определяющими своеобразие гидродинамических процессов, градиентов температуры, давления, интенсивность водообмена в пяти резервуарах озера: Южном, Селенгин-ском, Среднем, Ушканьеостровском, Северном. Несмотря на то что Байкал - ультрапресное озеро, оно имеет большой диапазон содержаний химических компонентов, и этот диапазон индивидуален для каждого резервуара и каждой системы в этих резервуарах. Рассчитанные химически равновесные модели поверхностных, прибрежных, глубинных и придонных вод пяти резервуаров оз. Байкал показали, что характеристики геохимических сред - общая минерализация, характеристики кислотно-основных и окислительно-восстановительных состояний, а также концентрации форм нахождения компонентов - в этих водах являются индивидуальными для каждого резервуара.
Библиографический список
1. Астраханцева О.Ю. Принципы создания модели "Метасистема "Оз. Байкал", база данных // Проблемы земной цивилизации. Сборник статей "Поиск решения проблем выживания и безопасности Земной цивилизации". Иркутск, АБРпп^ 2002. Вып.6, ч.1. С. 72-121.
2. Астраханцева О.Ю. База данных химического состава вод и потоков оз. Байкал // Экосистемы и природные ресурсы горных стран. Материалы Первого междунар. симпоз. "Байкал. Современное состояние поверхностной и подземной гидросферы горных стран". Новосибирск: Наука. 2004. С. 233-260.
3. Базикалова А.Я., Верещагин Г.Ю., Леванидова И.М. и др. Байкал (научно-промысловый очерк). Иркутск: Библиотека Лимнол. ин-та СО РАН, 1946. 7 с.
4. Булер П. Физико-химическая термодинамика вещества. СПб., 2001. 192с.
5. Верболов В.И., Сокольников В.М., Шимараев М.Н. Гидрометеорологический режим и тепловой баланс оз. Байкал. М.-Л.: Наука, 1965. 373 с.
6. Верболов В.И. Распределение и максимальные значения модуля скорости // Течения в Байкале. Новосибирск: Наука, 1977. С. 20-41.
7. Верещагин Г.Ю. Основные черты вертикального распределения водных масс на Байкале // Академику В.И. Вернадскому к 50-летию научной и педагогической деятельности. М., 1936. Ч. 2. С. 1207-1230.
8. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. М.: Наука, 1987. 374 с.
9. Ветров В.А., Кузнецова А.И. Микроэлементы в природных средах региона озера Байкал. Новосибирск: СО РАН НИЦ ОИ ГГМ, 1997. 236 с.
10. Верхозина В.А. Формирование качества пресных вод крупнейших и рифтовых озер мира и их рациональное использование (на примере озер Байкал и Ньяса): дис. ... докт. техн. наук. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2002. 344 с.
11. Вотинцев К.К. Азот и фосфор в водах оз. Байкал // Труды Всесоюз. гидробиол. об-ва. 1956. Т. 7.
12. Вотинцев К. К. Некоторые итоги гидрохимических исследований оз. Байкал // Изв. Сиб. отд. АН СССР. 1958. № 2. С. 6-12.
13. Вотинцев К.К. Гидрохимия оз. Байкал. М.: Изд-во АН СССР, 1961. 311 с.
14. Вотинцев К.К. Гидрохимия // Проблемы Байкала. Новосибирск: Наука, 1978. С. 124-145.
15. Вотинцев К.К., Глазунов И.В. Гидрохимический режим озера Байкал в районе пос. Лиственичное // Гидрохимическое исследование озера Байкал: труды Лимнолог. ин-та. М.: Изд. АН. СССР, 1963. Т. 3(23). С. 3-56.
16. Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. Новосибирск: Наука, 1981. 247с.
17. Кожов М.М. Вертикальное распределение планктона и планктоноядных рыб оз. Байкал // Вопросы ихтиологии. 1954. Вып. 2. С. 7-20.
18. Кожов М.М. Биология озера Байкал. М.: Изд. АН СССР, 1962. 313 с.
19. Кулик Д.А., Чудненко К.В., Карпов И.К. Алгоритм физико-химического моделирования эволюции системы локально-равновесных резервуаров, связанных потоками подвижных групп фаз // Геохимия. 1992. № 6. С. 858-879.
20. Ли М.Е., Неуймин Г.Г., Шерстянкин П.П. Некоторые черты динамики вод Байкала по материалам гидрооптических наблюдений. Течения и диффузия вод Байкала. Л.: Наука, 1970. С. 136-145.
21. Методы геохимического моделирования и прогнозирования в гидрогеологии / под ред. С.Р. Крайнова. М.: Недра, 1988. 254 с.
22. Пригожин И. Введение в термодинамику необратимых процессов. М.: Изд-во иностр. лит-ры, 1960. 160 с.
23. Россолимо Л.А. Температурный режим озера Байкал // Труды Байкальской лимнол. станции. М.: Изд-во АН СССР, Вост.-Сиб. филиал, 1957. Т. 16. 561 с.
24. Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. Изд. 2-е, испр. и дополн. М.: Недра, 1998. 367с.
25. Шерстянкин П.П. Присклоновые фронты показателя ослабления света на Байкале в зимний период // Докл. АН СССР. 1991. Т. 321, № 5. С. 1087-1090.
26. Шерстянкин П.П. Оптические структуры и фронты океанического типа на Байкале: дис.... докт. физ.-мат. наук (в форме научного доклада). М., 1993. 37 с.
27. Шерстянкин П.П. Байкал, питьевая вода, устойчивое развитие: сегодня и в ХХ1 веке // Химия в интересах устойчивого развития. 1997. № 5. С.443-451.
28. Шерстянкин П.П., Куимова Л.Н. Термобарическая устойчивость и неустойчивость глубоких природных вод озера Байкал // Докл. АН СССР. 2002. Т. 385, № 2. С.247-251.
29. Шерстянкин П.П., М.Де Батист. Географические открытия. Путешествия по байкальскому дну // Наука из первых рук. 2004. №1. С. 45-49.
30. Шимараев М.Н. Элементы теплового режима озера Байкал. Новосибирск: Наука, 1977. 148 с.
31. Чудненко К.В. Теория и программное обеспечение метода минимизации термодинамических потенциалов для решения геохимических задач: дис. ... докт. геол.-минералог. наук. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. 385 с.
32. Johnson J.W., Oelkers E.H., Helgeson H.C. SUPCRT 92: A software package for calculating the standard thermodynamic properties of minerals, gases, aqueous species, and reactions from 1 to 5000 bars and 00 to 10000 C // Computers and Geos-ciences. 1992. Vol. 18. N 7. P. 899-94
33. Helgeson H.C., Kirham D.H., Flowers G.C. Theoretical prediction of the thermodynamic behavior of aqueous electrolytes at high pressure and temperature. IV. Calculation of activity coefficients, and apparent molal and standard and relative partial molal proterties to 5 kb and 6000C // Geochim. Cosmochim. Acta. 1981. Vol .281. N 10. P.1241-1516.
34. Garrels R.M. Mineral equilibria at low temperature and pressure. New York: Harper, 1960. 306 p.
35. Karpov I.K., Chudnenko K.V., Kulik D.A. Modeling chemical mass transfer in geochemical processes: Thermodynamic relations, conditions of equilibria and numerical algorithms. // Amer. Journ. Sci.. 1997. Vol. 297, № 8. P. 767 - 806.
36. New Bathymetric Map of Lake Baikal. 2002. The INTAS Project 99-1669 Team, October, 2002.
37. Tanger J.C.IV, Helgeson H.C. Calculation of the thermodynamic and transport properties of aqueous species at high pressures and temperatures: Revised equations of state for standard partial molal properties of ions and electrolytes // Amer. J. Sci. -1988. - Vol. 288. N 1. P. 19-98.
УДК 551.24+551,71
ЗОНАЛЬНЫЕ РУДНЫЕ ПОЛЯ УНЧЖУЛА В ЦЕНТРАЛЬНОЙ МОНГОЛИИ
А.Н. Иванов1, Л.А. Рапацкая2
Иркутский государственный технический университет, 664083, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Среди рудных полей Унчжула в Центральной Монголии выделяются два пегматитовых поля: 1-палеозойское, являющееся производным палеозойских гранитов и соответствующее формированию соскладчатой синмета-морфической геологической системы; 2-мезозойское, соответствующее времени формирования постскладчатой геологической системы. Состав пегматитов определяют материнские граниты, а термодинамические условия их становления -- метаморфическая зональность субстрата. Ил.1. Табл.1. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: Монголия; пегматитовые поля; материнский субстрат.
UNCHZHUL ZONAL ORE FIELDS IN CENTRAL MONGOLIA A.N. Ivanov, L.A. Rapatskaya
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664083.
Two pegmatite fields are distinguished among the ore fields of Unchzhul in Central Mongolia. 1-Palaeozoic is a derivative of Paleozoic granites and corresponds to the formation of the co-folded synmetamorphic geological system; 2-Mesozoic corresponds to the time of the formation of post-folded geological system. Parent granites determine the composition of
1 Иванов Александр Николаевич, доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры геологической съемки, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, e-mail: ivanov [email protected]
Ivanov Alexander Nikolaevich, Doctor of Geological and Mineralogical Sciences, Professor of chair of Surveying, Search and Prospecting for Mineral Resources, e-mail: ivanov [email protected]
Рапацкая Лариса Александровна, кандидат геолого-минералогических наук, профессор кафедры геологической съемки, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых, e-mail: rapatskya [email protected]
Rapatskaya Larisa Alexandrovna, Candidate of geological and mineralogical sciences, Professor of the chair of Surveying, Search and Prospecting for Mineral Resources, e-mail: rapatskya [email protected]
