Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Геохимия подземных вод зоны активного водообмена Томской области в связи с решением вопросов водоснабжения и охраны

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Ермашова, Надежда Александровна, Томск

Томская геологоразведочная экспедиция

На правах рукописи

Ермашова Надежда Александровна

Геохимия подземных вод зоны активного водообмена Томской области в связи с решением вопросов водоснабжения и охраны

Специальность 04.00.06 - Гидрогеология

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Томск 1998

Рд&еийскАч ч'4БЛИ0ТЕКА

Wi-99

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор А.И. Короткое кандидат геолого-минералогических наук, доцент A.A. Лукин

Ведущая организация: Территориальный центр "Томскгеомониторинг"

Защита диссертации состоится "30" сентября ¡998 года в 15 часов в 111 ауд. 1 корпуса ТПУ на заседании диссертационного совета К 063.80.08 в Томском политехническом университете.

Адрес: 634034, г.Томск, пр. Ленина, 30

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.

Диссертация в виде научного доклада разослана »/г» августа 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат геолого-минералогических наук [Z, _ В.К.Бернатонис

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы Проблема пресной воды на Земле приобрела в настоящее время особую актуальность. Неравномерное распределение поверхностных водных ресурсов осложняется ухудшением их природного качества и потерей роли источника питьевого водоснабжения. В этих условиях возрастает роль подземных вод как наиболее защищенных от антропогенного воздействия. Разнообразие их состава, его изменение в процессе эксплуатации и в результате деятельности человека часто приводят к несоответствию качества санитарно-гигиеническим требованиям и к необходимости водоподготовки. В связи с этим изучение состава вод, процессов его формирования, масштабов и направленности преобразования, оценка и прогнозирование питьевых качеств являются наиболее актуальными проблемами современной гидрогеохимии, особенно геохимии питьевых подземных вод.

Цель и задачи исследования Цель - исследование пространственных геохимических особенностей и условий формирования вод верхней гидродинамической зоны региона и оценка их пригодности для хозяйственно-питьевого использования. Задачи:

- разработка методологии и методики специальных гидрогеохимических исследований и систематизации полученных материалов;

- разработка методики и построение комплекта карт, отражающих гидрогеохимические условия каждого водоносного горизонта по общей минерализации, компонентам основного состава, параметрам геохимической обстановки и газового состава, показателям качества воды;

- выявление гидрогеохимического фона и оценка направленности и степени его антропогенного преобразования,

- выявление гидрогеохимической спецификации территории и комплекса показателей, характеризующих возможности использования вод,

- выявление условий (факторов) и процессов формирования состава подеемных вод верхней гидродинамической зоны региона.

! Фактический материал В основу работы положены материалы мелкомасштабных падро-эгических съемок всей территории, выполнявшихся с 50-ых годов, среднемасштабных, прове-•тах в южных районах Томской области (17 листов), крупномасштабных съемок отдельных уча-:ов Об^Томского и Томь-Чулымского междуречий, районов г. Стрежевого - с. Александревско-, а. г. Асино - с. Первомайского, материалы поисково-разведочных работ для водоснабжения на 21 ^рождении подземных вод, расположенным преимущественно в долинах рек и на Обь-_ .ом междуречье, некоторые материалы режимных наблюдений, результаты исследований

щтационных скважин на воду. Значительная часть этих материалов получена автором при «л« в бассейнах рек Васюган, Парабель, Кепь, Обь-Томского и Томь-Чулымского междуречий,

при выполнении работ по теме «Вода -П», оценке ресурсов и качества подземных вод Александровского Приобья, разведке некоторых месторождений подземных вод Автором также проведены специальные гидрогеохимические исследования территории Томской области по широкому комплексу макро- и микрокомпонентов, водорастворенных газов, органических веществ, микрофлоры, для чего отобрано и проанализировано оксшо 500 проб подземных вод, 300 проб дождя и снега. Всего в работе использованы анализы около 2500 проб подземных вод.

Макрокомпонешный состав вод исследовался химическими методами, микрокомпонекг-ный - в соответствии с требованиями ГОСТ 2874-82 химическими, флуоромегрическим (Ве, 5е), пламенно-фотометрическим (К, Ыа, Эг, частично Са, В связи с низкой чувствительностью химических методов широко использовался спектральный анализ сухих остатков, полученных выпариванием и соосажцением по методу ТЛИ. Неустойчивые во времени компоненты анализировались на месте опробования, водорастворенные газы - в проблемной гидрохимической лаборатории ТПУ, органические вещества - в этой же лаборатории, а также в НИИ ВСЕГИНГЕО (Мелькановицкая С.Г.) и ИХН ТФ СО РАН (Туров Ю.П.).

Защищаемые положения На защиту выносятся следующие разработки:

1. Методология и методика гидрогеохимических исследований. Теоретической предпосылкой служит понимание подземных вод как элемента единой атмо-био-гео-экосистемы, состав и свойства которых формируются на всех ее уровнях (Ермашова, 1979, 1982, 1984, 1991, 1992, 1998; Шварцева, Ермашова, 1982; Ермашова, Инишева, 1984; Банковский, Ермашова и др., ¡989). Картографическая модель заключительной, литоленной, стадии в сочетании с методами математической статистики отражают особенности формирования вод и возможности их использования,

2. Мощность верхней пздрогеодинамической зоны юго-востока Западной Сибири, ее пространственные гидрогеохимические закономерности и особенности (Ермашова,1979, 1982, 1993,1994,1998; Быкова, Ермашова, 1976; Шварцева, Ермашова и др., 1979; Шварцева, Ермашова, 1982; Удодов, Ермашова, 1982; Ермашова, Инишева, 1984, Ермашова, Покровский и др., 1996). Мощность зоны убывает в направлении с юго-востока на северо-запад на порядок - от 1500-2000м в Тегульдегской впадине до 150м в среднем течении р.Васюган. Установлена нормальная гидрогеохимическая зональность, осложненная широким развитием аномалий антропогенного и глубинного происхождения

3. Масштабы и направленность преобразования естественного состава вод под влиянием ашропогенной нагрузки (Ермашова, 1992, 1995, 1998; Байковский, Ермашова и др., 1987; Ермашова, Байковский и др.,1987; Шварцев, Ермашова и др., 1990; Ермашова, Покровский и др., 1995). В наибольшей мере трансформируется состав вод образований речных долин. Начальная

стадия характеризуется отклонением от естественного фона. В дальнейшем загрязнение достигает ПДК и многократно превышает их, при этом в ряде случаев полностью трансформируется геохимический облик вод

4. Природная и антропогенная гидрогеохимическая специализация и оценка пригодности подземных вод для хозяйственно-питьевого использования (Ермашова, 1982, 1985, 1994, Быкова, Ермашова, 1976, Герасимов, Ермашова и др., 1979; Шварцева, Ермашова и др., 1982; Удодов, Ермашова, 1982; Байковский, Ермашова, 1987; Байковский, Ермашова и др., 1988, Ермашова, Назаров и др., 1991; Рогов, Ермашова и др., 1995; Покровский, Ермашова и др., 1997). Исследуемый регион - поликомпоненгная гидрогеохимическая провинция, в которой естественные условия благоприятны для накопления в водах железа, марганца, органических веществ, аммония, углекислого газа, метана, реже - бария, свинца, в южных районах - солей кальция и магния при повсеместной обея-ненносги фтором, йодом, а в северных и восточных районах - и суммой солей. Под воздействием антропогенной нагрузки в составе вод доминируют нитраты, хлориды, органические вещества, металлы различных ютассовтоюичности, а минерализация достигает 2 ПДК.

5. Факторы и процессы формирования состава подземных вод (Ермашова, 1979,1982,1994,1998; Шварцева, Ермашова и др., 1979, 1982; Удодов, Ермашова, 1982; Ермашова, Инишева, 1984; Байковский, Ермашова и др., 1987, Ермашова, Винниченюо, 1990; Бычков, Ермашова, 1990, Ермашова, Покровский и др., 1996). Агрессивные атмосферные осадки в почвенном горизонте принимают основные геохимические черты подземных вод На лигогенном этапе определяющую роль играют лтадого-минералогический состав пород и тектонические условия региона Основные формирующие процессы - минерализация органического вещества и гидролиз алюмосиликатов, растворение карбонатов и ионный обмен. Результирующие факторы - водообмен и ашропогшез.

Научная новизна. Выполненные исследования в области геохимии питьевых вод по масштабности и комплексности относятся к числу пионерных Их научная особенность - в подходе к воде как сложной системе, находящейся под влиянием эндогенных и экзогенных факторов. Исследование всех элементов этой системы позволило установить типы вод и их распространение, плановую и вертикальную гцщюгеохимическую зональность, региональный гидрогеохимический фон. Впервые составлен комплект карт, характеризующий пространственные закономерности распространения основных элементов макро- и микрососгава, показателей геохимической обстановки и водорастворенных газов всех водоносных горизонтов, содержащих пресные воды. Выявленная гидрогеохимическая специализация региона расширяет представление о гидрогеохимических провинциях, позволяет оценить качество подземных вод как источника хозяйственно-питьевого водоснабжения и районировать подземную гидросферу по вццам водоподготовки. Установление ведущей роли селитебной нагрузки в антропогенном преобразовании вод позволяет целенаправленно

решать проблему охраны грунтовых вод Приуроченность линейно вытянутых хлоридных натриевых аномалий, имеющих глубинное происхождение, к современной речной сети позволяет картировать тектонически и лигологически ослабленные зоны.

Практическая ценность. Полученные результаты позволяют оптимизировать выбор источников водоснабжения, систем водоподготовки, схем мониторинга подземных вод и мероприятия по их защите, прогнозировать изменения качества воды при эксплуатации. Частные решаемые задачи практики включают: 1. Обоснование выбора водоносных горизонтов для постановки поисково-разведочных работ на воду. 2. Обоснование комплекса и объемов гидрогеохимических исследований дня работ любой стадийности 3. Установление на базе выявленного гидрогеохимического фона масштабов и видов загрязнения подземных вод. 4. Оценка степени соответствия качества вод нормативным требованиям и необходимой водоподготовки при организации децентрализованного и индивидуального водоснабжения. 5. Обнаружение зон разгрузки глубинных соленых вод возможности их трассирования по гвдрогеохимическим показателям. 6 Поиски минеральных вод в верхней гидрогеодинамической зоне. 7. Лицензирование водопользования.

Апробация Защищаемые положения и основные результаты работ докладывались на Всесоюзных совещаниях по подземным водам Сибири и Д альнего Востока (с 1970 по 1997 годы), на двух Всесоюзных гидрогеохимических конференциях (г.Томск), на Всесоюзном гидрогеохимическом совещании (г. С-иетербург), на Международном симпозиуме по геохимии природных вод (г. Росгов-на- Дону, 1982), на третьей годичной конференции (г. Тюмень, 1982), на Всесоюзном совещании по методике гидрогеологического картографирования (г. Горький, 1982), на Всесоюзном совещании по проблемам водоподготовки (г.Томск, 1990). По положениям диссертации опубликовано более 40 работ, включая 1 монографию. Материалы и результаты исследований реализованы в 10 производственных отчетах, в том числе 5 тематических (ВГФ, ТГФ, 1965-1993г.г), в 7 научно-исследовательских отчетах (ТЛИ, ТГАСА, 1984, 1994-1997 гг.) и во Всероссийской программе «Питьевая вода» (Томская область, 1997). Научные результаты исследований внедрены в НТО «Томжнефтегазгеология» и Томскгеалюом, в ТФ СО ВНИИГиМ им Костякова, на кафедре гидрогеологии ТПУ, да кафедре водоснабжения и водоотве-дения ТГАСУ, на кафедре санитарной гигиены ТМУ.

Работа выполнена в Томской геологоразведочной экспедиции. В процессе ее выполнения автор пользовалась советами, консультациями и поддержкой докторов г -м н МПНагорского, ПАУдодова, С.ЛШварцева, НМРассказова, В.К.Кирюхина, АЖКороткова, А.НПавлова. Они привили вкус к научной работе, интерес к геохимии пресных вод ранее бывших исключительно прерогативой поисковой гидрогеохимии. На разных этапах работы автор пользовалась консультациями заведующего отделом ВСЕГИНГЕО к.г.-мн. МС.Галицына, доцентов кафедры гидрогеологии ТПУ к.г-м.н АДНазарова. Н.МШварцевой, заведующей проблемной гидрогеохимической

лабораторией ТТТУ к.г.-м.н. Ю.Г.Копыловой, старших научных сотрудников к.г.-м.н. ЕСЛСоробейниковой, Н.АТрифоновой, заведующей лабораторией института торфа доктора сельскохозяйственных наук Л.ИИнишевой, ректора ТГАСУ д.г.-м.н. Рогова Г.М., заведующего кафедрой ВиВ ТГАСУ к.г,-м.н. ДСПокровского, а также своих коллег по работе в ТГРЭ заведующего химико-аналитической лабораторией В.А.Янковского, химиков-аналиппсов ОИ.Поваренкиной, Н.И.Мархальчук, ЛПШлапак, ГГ.Олифиренко, лиголога АСКурочкиной, минералога В.Ф.Либиной. Постоянно поддерживали своим вниманием геологи А.Ф.Шамахов, А Ф.Рубцов, А.В.Кривенцов, ВЛ.Сильвестров, В.Я.Колпаков, ЕЛГорюхин, П.Т.Сазонов,

I

ПВ.Осипов, Ф.ПОсивдв. Особый ингфес к работе проявлял и оказывал моральную поддержку главный геолог ПГО «Томскнефгегазгеология» Ю Ю.Эрвье. Всем названным товарищам автор выражает глубокую искреннюю благодарность. Особая признательность за постоянную поддержку - научному руководителю - С.Л.Шварцеву.

1. Методология и методика i ид poieo химических исследований Основной методологический принцип настоящей работы - комплексность (системность) исследований. Отправной теоретической базой послужгсто представление о последовательных этапах формирования подземных вод, развиваемое С.ЛШварцевым (1974, 1978, 1982, 1996). Исходя из принципа системности, были изучены атмосферные осадки, болотные и почвенные во-

I

ды, свободные и связанные воды земных недр на глубину до 500 м, минеральный и вещественный состав пород и их обменный комплекс. Точки исследований разных природных объектов, как и анализируемые компоненты, совпадали, что позволило широко использовать сравнительный метод оценки их состава и динамики на всех этапах формирования.

В методическом плане задача сводилась к поискам и экспериментальному адаптированию к водам региона отдельных аналитических методик и оптимальных методов опробования исследуемых объектов, к разработке и оптимизации способов систематизации обширной гидрогеохимической информации Широко использовались полевые методы анализа неустойчивых компонентов (Fe2', ¥е \ рН, СОгев, Озсв, NHT, NOf, Са2*, HCOf. жесткость), но базовые методы лаборатории ПЛАВ-2 существенно модернизированы, особенно в определении железа (применен высокочувствительный и воспроизводимый метод с сулъфосалициловой кислотой), кислорода (мегод Винклера

!

для вод, содержащих органическое вещество), углекислого газа (двойное титрование). Содержание железа определялось в свободной воде до и после разрушения железоорганических комплексов (в гидрогеохимической лаборатории ТЛИ). Определение металлов в снеготалых водах в виду их малой минерализации производилось из пробы объемом 2 л. При исследовании органических веществ определялась их сумма по перманганатной окисляемости, а в ret составе - фенолы, гумино-вые- и фульвокислоты, летучие соединения , а для района г. Огрежевого - видовой состав нефге-

продуктов хроматомасс-спектрометрическим методом. Атмосферные осадки исследовались в виде снегогалых вод с отбором проб снега в конце зимы на всю мощность снежного покрова в чистых и ангтродагеннонагруженных районах. Газовый состав и ионные формы железа, а также рН определялись в самоизливающихся скважинах и эксплуатационных, оборудованных элекгрологружными насосами, что позволило минимизировать искажения природной среды опробуемых объектов. Методы отбора проб воды на другие вицы анализов соответствовали требованиям ГОСТ.

В качестве основного метода систематизации и обобщения использовалось картографирование всех основных компонентов состава, определяющих геохимический облик вод и их практическую пригодность (Ермашова, 1984). Оно производилось для всех водоносных горизонтов и атмосферных осадков. Всего построено около 200 карт м-ба 1:1 ООО ООО, в том числе 7 гидрогеохимических . На них отражены макрокомпоненгный состав вод в соответствии с классификацией О.А Алекина с дополнениями Е.В Посохова (1969), минерализация, компоненты геохимической обстановки (рН) и газового состава (СОгев, Огсв). На Других картах в изолиниях содержаний отражены макро- и микрокомпоненты, показатели физических свойств (жесткость), характеризующие основной состав и пригодность вод для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Вв�