Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Гидрогеохимия зоны активного водообмена юго-запада Причерноморского артезианского бассейна

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора геолого-минералогических наук, Морару, Константин Ефимович, Москва

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..........................................................................................................................................5

Глава 1. Состояние, задачи и методы изучения гидрогеохимии зоны активного

водообмена...................................................................................................................12

1.1. Краткие исторические сведения....................................................................................12

1.2. Постановка проблемы и особенности методики исследований................................19

1.2.1. Постановка проблемы..........................................................................................19

1.2.2. Методика выделения зоны активного водообмена............................................20

1.3. Краткий обзор гидрогеохимических и геотермальных исследований в Республике Молдова..................................................................................................................................26

1.3.1. Гидрогеохимические исследования...................................................................26

1.3.2. Гелиевые исследования.......................................................................................31

1.3.3. Геотермические исследования............................................................................34

1.4. Методы анализа химического состава и определения температуры подземных вод Молдовы..................................................................................................................................35

1.4.1. Определение катионов.........................................................................................35

1.4.2. Определение анионов, рН и минерализации.....................................................40

1.4.3. Методы определения электропроводности подземных вод и растворенного

в них органического вещества.............................................................................43

1.4.4. Методика проведения водногелиевых исследований......................................43

1.4.5. Геотермические исследования............................................................................53

1.5. Выводы к главе 1...............................................................................................................55

Глава 2. Природные условия Республики Молдовы, влияющие на формирование

зоны активного водообмена.....................................................................................56

2.1. Физико-географические условия..................................................................................56

2.1.1. Орогидрография...................................................................................................56

2.1.2. Климат...................................................................................................................58

2.1.3. Экономические условия......................................................................................59

2.2. Геологическое строение................................................................................................63

2.2.1. Стратиграфия и литология..................................................................................63

2.2.2. Основные сведения по тектонике.......................................................................67

2.3. Гидрогеологические условия........................................................................................70

2.4. Выводы к главе 2.............................................................................................................78

Глава 3. Характеристика методов выделения зоны активного водообмена

подземных вод..............................................................................................................79

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследований. Вертикальная гидрогеодинамическая зональность подземных вод, впервые обоснованная академиком В.И.Вернадским (1933 - 1936 гг.), относится к основным закономерностям существования подземных вод и имеет глобальный характер. Несмотря на многочисленные классификации этой зональности, автор отдает предпочтение предложениям проф. И.К. Игнатовича (1948 г.) о существовании зон: активного водообмена, затрудненной циркуляции и застойного водного режима подземных вод. Зона активного водообмена - это верхняя часть гидрогеологического разреза, включающая грунтовые воды и горизонты межпластовых вод, участвующих в водообмене с атмосферой и поверхностными водами. В структурном отношении она является составной частью зоны гипергенеза.

Современные представления о зоне активного водообмена недостаточно ясны (В.В.Куренной, 2010 г.). В.А.Всеволожский (2009 г.) отмечают, что методы определения границ этой зоны еще не совершенны. Количество обобщенных работ по теме небольшое, хотя значение подземных вод этой зоны огромно. Практически, в этой зоне сконцентрированы основные запасы и ресурсы хозяйственно-питьевых подземных вод, в ней имеют место миграция, концентрирование и преобразование химического вещества, процессы термогазообмена и возобновляемости естественных ресурсов подземных вод. В свою очередь гидрогеохимия зоны активного водообмена в целом и в частности юго-запада Причерноморского артезианского бассейна изучена недостаточно.

Актуальность работы в теоретическом отношении: 1) имеет непосредственное отношение к изучению фундаментальной проблемы формирования подземных вод в зоне активного водообмена с неравновесными термодинамическими условиями и низкими температурами воды; 2) прирост новых знаний для научного направления, связанного с гидрогеохимией зоны гипергенеза.

Актуальность исследований в практическом отношении: 1) развитие экономики и существование социальной среды исследуемой территории функционально связаны с использованием подземных вод. В этой связи полученные результаты позволяют целенаправленно, системно и обоснованно эксплуатировать ресурсы зоны активного водообмена, которая по сути и является главным резервуаром кондиционной подземной воды; 2) результаты исследований используются (и будут применены) в различных составляющих инженерной гидрогеологии и геоэкологии (моделирование подземного стока в нарушенных условиях, разработка сценариев изменения в системе «климат - подземные воды», картографирование качества воды и гидродинамических параметров в техногенных условиях и ДР-)-

Таблица 1.1 Сопоставление схем гидродинамической зональности подземных вод

Схема гидродинамической зональности

(Личков, 1931, 1933; Макаренко, 1937, 1939; Игнатович, 1944, 1947) (Ходьков, Валуконис, 1966,1968) (Заварзин, 1969) (Ежов, Вдовин, 1970) (Зайцев, 1970)

Подзона аэрации Зона аэрации

Зона активного Верхний этаж

водообмена Верхняя зона Подзона фильтрации Зона свободного водообмена Гидростатическая зона

Зона затрудненного водообмена

Зона затрудненного водообмена

Зона застойных Средняя зона Зона весьма Верхняя подзона Переходная зона Нижний этаж

подземных вод Нижняя зона затрудненного водообмена Нижняя подзона Литостатическая зона

гидрогеохимии для различных провинций (многолетнемерзлых пород, тропического и субтропического климата и т.д.). Главные выводы этой важной работы относятся к основным факторам и этапам формирования химического состава в зоне гипергенеза. На огромном фактическом материале показано, что гидрогеохимия подземных вод зоны гипергенеза формируется под влиянием комплекса процессов, которые характерны только для исследуемой зоны.

Идеи С.А. Шварцева развиты и уточнены многими исследователями. Среди них можно отметить крупную работу Е.М. Дутовой, посвященную гидрогеохимии зоны гипергенеза Алтае-Саянской складчатой области [48]. Этим автором установлено, что важнейшую роль в формировании химического состава подземных вод имеет вторичное гидрогенное минералообразование.

В работе [133] Е.В. Пиннекера отдельно рассматривается вопрос вертикальной гидродинамической зональности и ее аномалии. Отмечается, что бассейнам пластовых вод свойственна хорошо выраженная вертикальная зональность, заключающаяся в последовательной смене по вертикали зон с различным темпом водообмена. Это деление выглядит следующим образом:

1. Верхняя зона называется зоной интенсивного (активного или свободного) водообмена;

2. Средняя зона представляет собой зону замедленного (затрудненного) водообмена;

3 Нижняя зона пассивного (весьма затрудненного) водообмена называется иногда зоной застойного водного режима.

Е.В. Пиннекер [133] приводит интересные данные по Ангаро-Ленскому бассейну, где хорошо прослеживаются гидродинамические вертикальные зоны водообмена. Для зоны активного водообмена (включая грунтовые воды) приведены следующие характеристики:

а) Интервал глубин (м): 0.0 - 300.0 м;

■у

б) Преобладающая скорость движения воды (м/сут): п - п -10" ;

в) Продолжительность периода водообмена (млн. лет): 0.00005 - 0.05;

г) Среднее отношение Не/Ar: < 0.0005 - 0.002;

д) Возраст подземных вод (млн. лет): < 0.05 - 0.2.

Автор [133] рассматривает существование гидродинамических зон как комплексный гидрогеологический процесс. Им отмечено, что очень редки случаи последовательной смены гидродинамических зон в идеальном виде. Как правило, гидродинамические зоны осложнены различного вида аномалиями. Такие аномалии возникают благодаря разгрузке глубоких вод по тектоническим разломам или литологическим окнам, разрядке тектонических напряжений, которые сопровождаются гидровулканизмом (грязевые вулканы) и др.

Важно отметить, что в иностранной гидрогеологической литературе (в основном США, Канады и Германии) вопросы гидродинамической зональности подземных вод практически не рассматриваются.

Косвенно понятие о вертикальной зональности подземных вод осуществляется геохимическими или гидрогеохимическими показателями. Понятие геохимия низких температур (low temperature geochemistry) очень популярно в зарубежных странах [222, 226], и во многих университетах на геологических факультетах читается предмет с аналогичным названием. Зона низких температур подземных вод является аналогом зоны активного водообмена.

гидрогеологического строения с учетом масштаба модели (логической или численной), а также использование обобщающих данных позволяют оптимизировать граничные условия нижней части зоны активного водообмена.

Вода, в общем понятии и в подземных условиях особенно, является хорошим растворителем, обладает высокой теплоемкостью и прекрасными миграционными способностями. В зоне активного водообмена количество растворенных солей и газов, а также величина температуры не являются постоянными во времени и функционально зависят от природных и антропогенных процессов. В связи с этим в дальнейшем целесообразнее понимать под термином активный водообмен зону активного водо-газо-термообмена.

1.2.2 Методика выделения зоны активного водообмена

В настоящее время не существует единой методики выделения гидродинамических зон, в частности зоны активного водообмена. Большинство авторов (см. гл. 1.1) выделяют гидродинамические зоны только по характеристикам гидрогеологического разреза (глубина залегания водоносных горизонтов, возраст водовмещающих пород и т.д.) или по общим закономерностям распространения подземных вод. Авторы [25] очень кратко попытались описать существующие принципы комплексной методики выделения гидродинамических зон. Основные идеи этой комплексной методики можно тезисно обобщить в следующем виде:

1) Первоначально для выделения гидродинамических зон использовался критерий положения базисов эрозии.

2) По мере развития информационной базы о гидродинамических зонах для их выделения привлекались сведения о величине минерализации воды, содержании химических элементов, отношении инертных газов и обобщенные величины скоростей движения подземных вод.

3) Основные предпосылки для комплексного выделения гидродинамических зон могут быть сформулированы так:

а) Гидродинамические зоны отличаются не только в количественном отношении, но и в качественном. Границы между зонами - узкие участки своеобразных качественных скачков, которые должны найти отражение в характере, взаимосвязи и изменении гидродинамических параметров (скорость фильтрации, характер пьезометрической поверхности и др.);

б) Формирование гидродинамической зональности - процесс исторический, обусловленный особенностями геологического строения и развития бассейна осадконакопления. Поэтому полезная информация может быть получена при палеогеографическом и палеогидрогеологическом анализах изучаемой территории;

в) Между аналитическими формулами тепло- и водообмена существует математическая аналогия. Тепловое поле может быть использовано для гидродинамической характеристики недр;

г) Существует функциональная связь между гидродинамическими и гидрогеохимическими закономерностями. Поэтому гидрогеохимические показатели весьма важны для выделения гидродинамических зон.

С учетом этих идей и на основе наших исследований зона активного водообмена комплексно выделяется по нижеследующим методам, которые в рамках этой главы обосновываются в общем виде.

1 .Гидрогеохимический метод В виде обобщенного показателя гидрогеохимического состояния подземных вод выбрана величина минерализации. В настоящее время существует ряд классификаций подземных вод по величине минерализации. Предлагается использовать классификацию В.И. Вернадского [Вернадский В.И., 1933 - 1936], с изменениями В.А. Приклонского [Приклонский В.А., 1933, 1949], по которой воды делятся на 4 класса: пресные - величина минерализации до 1.0 г/л; солоноватые - 1.0 - 10.0 г/л (1.0 - 3.0 г/л и 3.0 - 10.0 г/л по Приклонскому); соленые -10.0 - 50.0 г/л; рассолы - > 50.0 г/л.

Классификация В.И. Вернадского широко используется в гидрогеологии и соответствует современным гидрогеохимическим представлениям о связи минерализации с различными химическими типами подземных вод. Зона активного водообмена преимущественно содержит пресные воды с минерализацией до 1.0 г/л.

Данные о химическом составе подземных вод (тип воды, поэлементный состав и др.) также используются в пределах этого метода.

П.Гидрогеотермический метод Подземные воды образуют с окружающей средой системы физико-химического равновесия, главные из которых представлены парами: «вода-порода», «вода-газы», «вода-растворенное вещество» и «вода-живой мир» [158]. Вода как химическое вещество в системах равновесия функционально усиливает или уменьшает свое участие в химических реакциях в зависимости от величины ее (или системы) температуры.

В системе «вода-порода» главным образом происходит растворение водовмещающих пород или образование новых минералов. Анализ данных по растворимости твердых веществ в воде при различных температурах показывает следующее [104]:

а) для большинства минералов и горных пород их растворимость в воде возрастает с увеличением температуры;

б) для широко распространенных минералов и пород (халькантин - СиБС^; мелантерит -РеБО^ бишофит - Г^Ог; галит - ИаС1; мирабилит - N32804; гипс - СаБО^НгО; известняк -СаСОз; доломит - М£СОз и др.) растворимость в воде до температуры среды около 20°С происходит в малых количествах, а при температурах более 20°С количество растворенного вещества резко увеличивается.

Для системы равновесия «вода-газ» температура имеет решающее действие. Известно, что растворимость газов в воде в общем случае подчиняется закону Генри:

С = к • р,

где С - концентрация газа в воде; р - парциальное давление газа над водой и к - коэффициент Генри.

Коэффициент Генри (к) зависит от температуры и давления среды.

Анализ величин растворимости природных газов (И, Н2, О2, СН4, Н2, СОг и СгНб) в воде в интервале температур от 0°С до 100°С [174] позволяет выявить:

а) все перечисленные природные газы уменьшают значения растворимости с ростом температуры воды;

б) зависимость растворимости газов в воде в зависимости от ее температуры не имеет вида линейной функции, а апроксимируется функциями экспоненциального вида;

в) наибольший спад растворимости природных газов в воде происходит в интервале температур от 0.0 до 20°С.

Следует отметить, что не все природные газы подчиняются закону Генри и зависимости от температурного фактора. Примером может служить растворимость гелия в воде. у^Система равновесия «вода-живое вещество» имеет преимущественно большое значение только для верхней части зоны активного водообмена, которая совпадает с границами распространения грунтовых вод.

Грунтовые воды взаимодействуют с корневой системой разновидности флоры; в этих горизонтах, при антропогенном загрязнении, развита микробиологическая активность (Е-СоШ и др.). В межпластовых водах (или глубоких) живое вещество также развито (сульфатредуцирующие бактерии и др.), но его значение проявляется в течение геологического времени. Влияние температуры на живое вещество грунтовых и межпластовых вод имеет незакономерный характер.

Система «вода-растворенное вещество» стремится к химическому равновесию в зависимости от температуры. Химический состав воды определяет миграционные характеристики отдельных химических элементов или комплексов. Понятия насыщения или ненасыщения воды теми или иными химическими элементами, диссоциация и комплексообразование, а также другие важные химические реакции имеют место в

рассмотренной системе равновесия. Значение температуры огромно. Если рассматривать как пример воду гидрокарбонатного состава и растворение в ней мирабилита (Na2S04), можно отметить, что объем растворенного вещества строго зависит от температуры по экспоненциальной функции - чем выше температура, тем больше растворимость. Обобщая, можно отметить, что система «вода-растворенное вещество» имеет общие температурные характеристики с системой «вода-порода».

Таким образом, пограничной темпе