Гидрогеохимия зоны активного водообмена юго-запада Причерноморского артезианского бассейна (геоэкологические аспекты)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Гидрогеохимия зоны активного водообмена юго-запада Причерноморского артезианского бассейна (геоэкологические аспекты)

МОРАРУ Константин Ефимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Вертикальная гидрогеодинамическая зональность подземных вод, впервые обоснованная академиком В.И.Вернадским (1933 - 1936 г.г.), относится к основным закономерностям существования подземных вод и имеет глобальный характер. Несмотря на многочисленные классификации этой зональности, автор отдает предпочтение предложениям проф. Игнатовича И.К. (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 водоообмена недостаточно ясны (Куренной В.В., 2010 г.). Всеволожский В.А. (2009 г.) отмечает, что методы определения границ этой зоны еще не- совершенны. Количество обобщенных работ по теме небольшое, хотя значение подземных вод этой зоны огромное. Практически в этой зоне сконцентрированы основные запасы и ресурсы хозяйственно-питьевых подземных вод, в ней имеют место миграция, концентрирование и преобразование химического вещества, процессы термо-газообмена 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.).

Цель исследований: Разработка теоретических и методологических основ изучения, анализа, оценки состояния и использования подземных вод зоны активного водообмена на примере юго-запада Причерноморского артезианского бассейна (включая репрезентативную территорию Республики Молдова). подземный вода гидрогеохимия артезианский

Задачи исследования:

1.Изучить и выделить основные природные и техногенные условия, влияющие на формирование вертикальной гидродинамической зональности и на гидрогеохимию юго-запада Причерноморского артезианского бассейна.

2.Разработка и обоснование комплекса методов пространственного (3D) оконтуривания зоны активного водообмена подземных вод юго-запада Причерноморского артезианского бассейна с учетом их перспективного применения для других территорий с аналогичными гидрогеологическими условиями.

3.Теоретическое обоснование и разработка методических принципов оценки и определения верхней и нижней границ зоны активного водообмена.

4.Разработка методологического подхода к районированию подземных вод юго-запада Причерноморского артезианского бассейна по условиям вертикальной гидродинамической взаимосвязи водоносных горизонтов.

5.Выявить и количественно проанализировать закономерности формирования гидрогеохимии грунтовых и межпластовых вод как самостоятельные геоэкологические системы в пределах зоны активного водообмена.

6. Апробация основных положений, закономерностей формирования качества и существования хозяйственно-питьевых вод зоны активного водообмена под влиянием репрезентативных техногенных факторов на конкретных обьектах.

Исходные материалы. Цель и задачи исследований реализованы на основе объемного фактического материала, который был собран, систематизирован, обработан лично автором или при его непосредственном участии в качестве ответственного исполнителя. Диссертационная работа обобщает результаты автора более чем двадцатилетнего периода изучения гидрогеохимии зоны активного водообмена. Исследования были выполнены в рамках хоздоговорных и госбюджетных тематик (по заданиям Академии Наук Молдовы), международных проектов Всемирного банка, ТАСИС (1995 - 1996 гг. и 1999 -2000 гг. - с голландскими геологами, 2001 г. - с ирландскими гидрогеологами). Частично обработка данных была осуществлена в различные периоды времени в двух университетах США (г. Мемфис, 2003 - 2005 гг. и г. Жонесборо, 2006 - 2007 гг.), в одном университете Германии (г. Карлсруе, 2005 г.). Работа закончена в рамках государственной программы Академии Наук Молдовы «Научные исследования и управление качеством воды» (руководитель акад. Дука Г.Н.) в лаборатории гидрогеологии и инженерной геологии Института геологии и сейсмологии.

Кроме личных данных, в работе использованы официально опубликованные материалы и архивные неопубликованные сведения Государственного агентства по геологии Молдовы. Во всех случаях автор приводит ссылки на источник использованной информации.

Методика исследований комплексная и состоит из следующих базовых составляющих:

1) экспедиционные исследования - полевые работы для получения в основном проб подземной воды, горных пород, измерения гидрогеологических, гидрогеохимических параметров и в ряде случаев - сбора экологической, метеорологической, технической и др. информации на территории Республики Молдова и иногда в пределах междуречья Прут - Днестр, а также территорий Украины и Румынии. Во время этих работ был применен единый подход к топографической привязке, отбору проб, их обработке и анализу, что позволило в конечном счете провести сопоставление результатов.

2) аналитические работы включают лабораторные и полевые (экспресс) определения химических элементов и физико-химических параметров. В лабораторных условиях определены макро- и микроэлементы (лаборатория атомной спектроскопии Института химии АН Молдовы), гелий (прибор ИНГЕМ-1, оператор - автор диссертации). Электрическая проводимость воды, величина pH, содержание О₂ и температура воды определены в полевых условиях при помощи портативной лаборатории MultiLine F/Set (фирма WTW, Германия). Также в поле для выявления пределов содержания нитратов, нитритов, аммония, сульфатов, железа, общей жесткости, хлора и мышьяка использовались индикаторы фирмы Merck (Германия). Иногда непосредственно в полевых условиях проверялись аномалии содержания гелия. Данные о содержании трития в природных водах и температуре воды глубоких скважин позаимствованы из архивных материалов лаборатории гидрогеологии и инженерной геологии Института геологии и сейсмологии АН Молдовы.

Количество собственных химических анализов (элементоопределений) составляет около 2500 для подземных вод, более 3000 определений гелия в воде и природных газовых скоплениях. также Собраны и обобщены также геолого-гидрогеологические данные по более 1000 скважинам (стратиграфия, уровни воды, дебит и др.).

3) обработка данных проведена с использованием современных количественных методов обработки геологической информации, приемов физико-химического моделирования и картографирования. Были использованы пакеты компьютерных программ Microsoft 2003-07, SPSS10-14, AquaChem 4.0, Surfer 7.0-8.0-9.0-11.0, ModFlow (PMWin 4.1, Visual ModFlow), RockWorks 14.0, CorelDraw 12.0 и GWW.

Защищаемые положения:

1. Предлагается комплекс методов оценки и распространения зоны активного водообмена в условиях неопределенности гидрогеологической параметризации. В зависимости от степени гидрогеологической изученности обоснована следующая последовательность методов: (а) гидрогеологическая стратификация, (б) гидрогеохимический, (в) гидрогеотермический, (г) тритиевые исследования и (д) гелиевые исследования. Предложенные методы, при определенных допущениях, могут использоваться для аналогичных артезианских бассейнов платформенных областей.

2. Закономерности формирования и существования вертикальных границ зоны активного водообмена выявлены и обоснованы лабораторными и численными экспериментами, а также полевыми данными. В зоне аэрации (верхняя граница) миграция химических элементов является преимущественно квазиконечной или соответствует свойствам временных прерывистых конечных функций. Условия границы нижней части зоны активного водообмена определяются гидродинамическим влиянием разрывной тектоники. Здесь существуют геофильтрационные потоки, которые имеют восходящий пульсационный характер, сложный химический состав, вариабельность температуры воды и содержания гелия.

3. В пределах зоны активного водообмена грунтовые и межпластовые воды существуют как самостоятельные геоэкологические системы. При этом химический состав грунтовых вод преимущественно определяется влиянием верхней границы зоны и техногенными факторами. Геохимия межпластовых вод формируется в основном под влиянием природных факторов и нижней границы зоны активного водообмена; селективно и только в определенных гидрогеологических условий проявляется влияние верхней границы.

4. Методологические подходы к комплексной эколого-гидрогеохимической оценке территорий со сложным характером антропогенного воздействия на зону активного водообмена (на примере репрезентативных техногенных обьектов).

Научная новизна работы:

1. Впервые обоснована и разработана методология пространственного выделения и параметризации зоны активного водообмена подземных вод юго-запада Причерноморского артезианского бассейна и проанализирована возможность использования данной методологии для аналогичных платформенных областей.

2. Разработан принципиально новый подход к оценке миграции неорганических загрязнителей, основанный на понятии о квазиконечной миграции загрязнителя за определенный период времени в пределах зоны аэрации (верхняя граница).

3. Вследствие анализа закономерностей распределения поля гелия обосновано и доказано существование разнообразных по химическому составу пульсирующих восходящих потоков подземных вод в основании зоны активного водообмена (нижняя граница).

4. В результате комплексных исследований выявлена роль граничных условий для процесса формирования химического состава подземных вод зоны активного водообмена для региона.

5. Впервые составлена картографическая модель взаимосвязи водоносных горизонтов юго-запада Причерноморского артезианского бассейна (на примере территории Молдовы). Новизной также является применение коэффициента контрастности поля гелия (предложенного автором) в качестве количественного показателя гидравлической взаимосвязи водоносных горизонтов.

6. На основе причинно-следственных связей, с использованием приемов математической статистики и компьютерного моделирования исследовано формирование геохимии подземных вод зоны активного водообмена в репрезентативных техногенных условиях: применения пестицидов в сельском хозяйстве, мелиорации земель, влияния животноводческих комплексов, урбанизированных территорий и военного аэропорта.

Практическая значимость исследований и реализация результатов. В теоретическом плане результаты исследований позволяют: с новых позиций обосновать и оптимизировать эксплуатацию подземных водных ресурсов зоны активного водообмена региона; по-новому оценить и выделить преобладающие геохимические процессы формирования качества подземных вод; количественно моделировать эколого-гидрогеохимическое состояние водоносных горизонтов.

В практическом аспекте результаты исследований вошли в отчеты по госбюджетным, хоздоговорным и международным темам научно-исследовательских работ. Среди них наиболее значимыми являются проекты: Всемирного банка (1995 г.), Европейского сообщества ТАСИС (2000 г.), подготовки гидрогеологической карты Европы, лист Е-5 (Бухарест, 2003 г.), а также гранты: Фулбрайт (США, 2003 - 2004 г.г.), ДААД (Германия, 2004 г.), Арканзасского университета (США, 2006 - 2007 г.г.), Молдова - Россия (2008 - 2009 г.г.), Государственных программ Молдовы (2009 - 2010, 2011, 2012 гг.). Главные результаты исследований опубликованы в различных официально зарегистрированных научных изданиях.

Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на научных конференциях и совещаниях, и среди них наиболее важными являются следующие: молдавские республиканские (1982, 1983, 1984, 1985, 1986, 1988, 1989, 1992, 1995, 1998, 2003, 2005); Всесоюзный симпозиум «Изотопы в гидросфере» (Каменец-Подольский, 1985); Всесоюзная конференция «Теория и практика геохимических исследований в современных условиях» (Ужгород, 1988); Первое Всесоюзное совещание инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988); Украинская первая республиканская научная и практическая конференция (Киев, 1989); Пятая экологическая конференция (Румыния, Клуж-Напока, 1992); 18-й конгресс Румынской - Американской академии (Кишинев, 1993); 3-я международная научно-практическая конференция «Вода Молдавии» (1998); Вторая международная конференция по экологической химии (Кишинев, 2002); Третья международная конференция по экологической химии (Кишинев, 2005); Совещание НАТО «Прогноз, внимание и риск: подготовка к неожиданному» (Кишинев, 2005); Конгресс геологического общества Америки (Сан-Франциско, 2008); Международная конференция по геоэкологии и биологическим проблемам (Тирасполь, 2009, 2012); Международная конференция «Вода: история, ресурсы, перспективы» (Кишинев, 2010); Пятая международная конференция по экологической химии (Кишинев, 2012); Всеросийская научно-практическая конференция «Современные проблемы геологии, географии и геоэкологии» (Грозный, 2013).

Личный вклад автора заключается в разработке системы методов исследования гидрогеохимии зоны активного водообмена, стратегии сбора данных и их конечной обработки. Приведенные в диссертации полевые материалы, результаты теоретических и прикладных исследований получены автором, либо при его непосредственном участии и руководстве. Ему принадлежит формулировка целей и задач исследования, определение путей их решения, обобщение результатов и концепция развития научных, экспериментальных и полевых работ. Результаты исследований, проведенных в соавторстве с другими исполнителями, включены в диссертацию только при наличии совместных публикаций или научных отчетов.

Публикации. Автором опубликовано около 120 научных работ; основное содержание диссертации отражено в 72 публикациях, включая 4 коллективные и 1 монографии автора.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения и списка использованной литературы из 242 цитируемых источников. Работа иллюстрирована 132 рисунками, 99 таблицами, содержит 406 страниц текста.

Формирование научных представлений автора сложилось под влиянием первых учителей - проф. С.А. Шагоянца (учеба в Днепропетровском горном институте) и проф. В.М. Щвеца (аспирантура в Московском геологоразведочном институте).

В процессе исследований и обработки данных автор в различные периоды времени обращался за советами и консультациями, обсуждал свои идеи и готовый материал с д.г.-м.н. Зелениным И.В. (Украина), д.г.-м.н. Олянским Ю.М. (Россия), к.г.-м.н. Подражанским В.А. (Россия), д.г.-м.н. Швецом В.М. (Россия), д.г.-м.н. Крайновым С.Р. (Россия), проф. Мырляном Н.Ф. (Бразилия), к.г.-м.н. Шинкарюком В.Г. (Молдова), проф. Андерсоном Ж. [Anderson J.] (США), проф. Волдрумом Б. [Waldron B.] (США), проф. Ханниганом Р. [Hannigan R] (США), проф. Ченгом А. [Cheng A.] (США), проф. Винтером П. [Winter P.] (Германия), проф. Хотзелом П.Х. [Hotzl P.H.] (Германия), докт. Ханичем Д. [Hannich D.] (Германия), докт. Робу Л. [Robu L.] (Румыния), докт. Клостерманом Ф. [Kloosterman F.H.] (Голландия), гидрогеологом Негруцей П.Н. (Германия) и др. Светлую память автор хранит о к.г.-м.н. Бобринском В.М. и к.х.н. Милковой Л.Н. - с ними совместно выполнялись определенные исследования. За ценные критические замечания и полезные советы автор выражает всем глубокую признательность. Также автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам лаборатории гидрогеологии Института геологии и сейсмологии Академии Наук Молдовы, участвовавшим в полевых экспедициях и обработке первичной гидрогеохимической информации.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Первое защищаемое положение. Предлагается комплекс методов оценки и распространения зоны активного водообмена в условиях неопределенности гидрогеологической параметризации. В зависимости от степени гидрогеологической изученности обоснована следующая последовательность методов: (а) гидрогеологическая стратификация, (б) гидрогеохимический, (в) гидрогеотермический, (г) тритиевые исследования и (д) гелиевые исследования. Предложенные методы, при определенных допущениях, могут использоваться для аналогичных артезианских бассейнов платформенных областей.

Краткий обзор истории изученности вертикальной гидродинамической зональности подземных вод показывает, что из многообразия предложенных классификаций гидродинамической зональности подземных вод наиболее практичной и обоснованной является классификация Игнатовича Н.К. [Игнатович Н.К., 1948] (или Игнатовича - Личкова - Макаренко).

В зоне активного водообмена количество растворенных солей и газов, а также величина температуры вод не являются постоянными во времени и функционально зависят от природных и антропогенных процессов. В связи с этим целесообразнее использовать понятие «зона активного водо-газо-термообмена». В настоящее время не существует единой методики выделения гидродинамических зон подземных вод и, в частности, зоны активного водообмена. Автор обосновал и предлагает комплексную методику выделения и оконтуривания зоны активного водообмена по нижеследующим показателям.

I. Гидрогеохимический метод

Теоретическое обоснование. В виде обобщенного показателя гидрогеохимического состояния подземных вод выбрана величина минерализации. Предлагается использовать классификацию В.И. Вернадского [Вернадский В.И., 1933 - 1936], с изменениями Приклонского В.А. [Приклонский В.А., 1933, 1949]. Классификация В.И. Вернадского широко используется в гидрогеологии и соответствует современным гидрогеохимическим представлениям о связи минерализации с различными химическими типами подземных вод. Предлагается использовать величину минерализации меньше или равной 1.0 г/л для нижних и горизонтальных границ зоны активного водообмена. Данные о химическом составе подземных вод (тип воды, поэлементный состав и др.) также используются в пределах этого метода.

Практическое применение. Для изученной территории существует достаточно данных по величине минерализации разновозрастных подземных вод. В общем виде величина минерализации увеличивается с глубиной залегания водоносных горизонтов и в зависимости от возраста подземных вод. Статистически изменение минерализации воды по вертикали аппроксимируется экспоненциальной функцией, а по результатам непосредственных измерений имеет скачкообразный и не всегда закономерный характер.

Грунтовые воды формируют первый от поверхности водоносный горизонт зоны активного водообмена. Минерализация грунтовых вод не является прямым показателем принадлежности грунтового горизонта к данной зоне, т.к. она (минерализация) в этом случае не является следствием гидродинамической зональности.

Для водоносных горизонтов возраста N₂p + N₁m + N₁S_3, N₁S_2, N₁S₁ и K₂ + S были построены цифровые карты распространения величины минерализации. Обобщающие данные представлены в таб.1.

Анализ картографической информации и данных таблицы 1 позволяет отметить:

а) статистически величины минерализации водоносных горизонтов близки между собой; среднее значение (без грунтовых вод) составляет 1048,77 мг/л или приблизительно 1.0 г/л; б) точность среднего значения величины минерализации можно охарактеризовать как средней

Таблица 1. Статистические параметры величины минерализации подземных вод Молдовы (мг/л)

Параметр	Водоносный горизонт
	N2p + N1m + N1S3	N1S2	N1S1	K2 + S
Среднее	882.4	1078.2	1098.0	1136.5
Стандартное отклонение	377.6	658.8	636.6	451.5
Коэффициент вариации Вариации	0.42	0.61	0.58	0.4
Минимум	400.0	300.0	300.0	352.3
Максимум	2334.0	7200.0	6888.0	3529.1

надежности (т.к. приблизительно значения среднеквадратичного отклонения составляет 0.5 части от среднего значения); в) статистический разброс данных вокруг среднего значения существенный (коэффициент вариации имеет интервал от 0.4 до 0.61); г) такие статистические параметры характеризуют величину минерализации подземных вод водоносных горизонтов, для которых соленость воды формируется под влиянием одного главного процесса. В нашем случае это принадлежность к единой зоне активного водообмена.

Анализ данных по гидрогеохимическим типам показывает, что только воды гидрокарбонатного типа характеризуются величиной минерализации до 1.0 г/л.

2.Гидрогеотермический метод

Теоретическое обоснование. Анализ данных по растворимости твердых веществ в воде при различных температурах показывает следующее [Лурье Ю.Ю., 1947 и др.]: а) величина растворимости большинства минералов и горных пород в воде возрастает с увеличением температуры; б) растворимость широко распространенных минералов и пород (халькантин - CuSO₄; мелантерит - FeSO₄; бишофит - MgCl₂; галит - NaCl; мирабилит - Na₂SO₄; гипс - CaSO₄·2H₂O; известняк - CaCO₃; доломит - MgCO₃ и др.) в воде, до температуры среды около 20^оС, происходит в малых количествах, а при температурах более 20^оС количество растворенного вещества резко увеличивается.

Анализ величин растворимости основных природных газов (N, H₂, O₂, CH₄, CO₂ и C₂H₆) в воде в интервале температур от 0^оС до 100^оС [Справочник гидрогеолога, 1962 и др.] позволяет выявить: а) величина растворимости газов уменьшается с ростом температуры воды; б) зависимость растворимости газов в воде в зависимости от ее температуры не всегда имеет вид линейной функции, а может аппроксимироваться функциями экспоненциального вида; в) наибольший спад растворимости природных газов в воде имеет место в интервале температур от 0.0 до 20^оС.

В гидрогеотермии [Фролов Н.М., 1991] температура со значением 20^оС является «реперной температурной точкой» и в классификации подземных вод по температуре разделяет подклассы: холодная и теплая вода. Анализ распределения температуры подземных вод по глубине геологического разреза выявляет ее зависимость от климатической зональности и длительности температурного режима. Эта глубина в среднем для территории б. СССР составляет около 250 м и преимущественно оконтуривается величиной также в 20^оС.

Таким образом, можно предполагать, что пограничной температурой для основных физико-химических процессов в рамках систем равновесия и теплообмена подземных вод за счет инфильтрации является значение 20^оС. Эту величину температуры воды предлагается использовать для оконтуривания нижней границы зоны активного водообмена.

Практическое применение. Обобщенное представление о распределении температур воды различных водоносных горозонтов было получено для всей исследуемой территории.

Учитывая хорошее качество исходного фактического материала, а также разносторонность геологического строения, южная часть Молдовы выбрана для детального геотермического анализа с последующей совместной интерпретацией с другими методами. Для этого участка анализированы геотермические срезы на глубинах 250, 500, 750 и 1000 м и построена карта тепловых потоков для среза 250 м. Совместный анализ карт изотерм показывает достоверность выделенных аномалий, начиная с 25 м и кончая глубиной в 1000 м, и, по-видимому, они сохраняются вплоть до фундамента. Геотермические аномалии характеризуются повышенными значениями геотермических градиентов и пониженными значениями геотермических ступеней, а для фоновых участков - наоборот. Качественная интерпретация значений тепловых потоков с гелиеносностью этой же территории приносит дополнительную и ценную информацию об их природе и геологическом строении. В структуре температурного и гелиевого полей выделяется полоса низких значений температуры ЮВ - СЗ направления. Характерно общее увеличение значений температуры и содержания гелия от этой полосы в восточном и южном направлениях. Обнаружена связь между тепловым потоком, гелиеносностью, с одной стороны, и геофизическими полями, с другой. Выявлено, что между ними есть прямая связь: во-первых, полоса низких значений по теплу и гелию четко выделяется в гравиметрическом и магнитном полях; во-вторых, в основном аномалиям тепла и гелия соответствуют максимумы магнитных и гравиметрических полей. Представляет интерес поведение теплового потока по вертикали. Анализ данных показывает, что в большинстве случаев тепловой поток с глубиной заметно уменьшается, в то время как собственно температура увеличивается. Литературные данные свидетельствуют, что увеличение температуры с глубиной приводит к понижению теплопроводности пород и найдена эмпирическая зависимость такой связи. Этот эффект заметно влияет на величину теплового потока и дает основание предполагать, что наиболее достоверные значения тепловых потоков могут быть получены в первых нескольких сотнях метров от поверхности, т.е. в пределах зоны активного водообмена. Температура воды больше 20⁰С обнаружена в Припрутье (ниже г. Унгены) и в южной части междуречья Прут - Днестр. На остальной территории среднее значение температуры подземных вод мел-неогенового комплекса меньше 20⁰С.

3.Гелий в подземных водах

Теоретическое обоснование. Распределение содержания гелия в подземных водах контролируется следующими факторами: расположением тектонических разломов, глубинным положением кристаллического фундамента и процессами нисходящего - восходящего движения подземных вод. Последний фактор имеет непосредственное отношение к формированию зоны активного водообмена. По сути дела, отклонение содержания гелия от фонового содержания в сторону уменьшения однозначно свидетельствует о смешении вод водоносного горизонта с водами вышележащих горизонтов или с метеорными водами, которые, как правило, содержат низкие концентрации гелия или гелий в них отсутствует вообще. Данное явление лучше всего выражается через коэффициент контрастности поля гелия [Морару К.Е., 1987], который определяется выражением:

,

где С_Не - содержание гелия, мл/л; Ф - фон поля гелия, определенный математико-статистическим методом; Н - глубина точки опробования, м. Размерность - м^-1.

Бесконтрастное поле гелия может выразить пространственное положение зоны активного водообмена. Контрастное поле гелия совпадает в плане с местоположением аномалий этого элемента, флюидопроводных тектонических разломов и восходящими подтоками глубинных вод.

Практическое применение. Анализ гелиевого поля по водоносным горизонтам показал преемственность в размещении гелиевых аномалий по разрезу и в плане, что позволяет применять суммарную карту поля гелия для изучения гелиеносности водоносных горизонтов разного возраста. Это дает возможность использовать суммарную карту гелиевого поля подземных вод для изучения геологических структур вместе с геотермическими картами и другими материалами, так как она более информативна по сравнению с погоризонтными картами. Выделены 22 аномалии, которые приурочены к зонам пересечения тектонических нарушений субширотного и субмеридионального направлений.

Для территории юго-запада Причерноморского артезианского бассейна (на примере Молдовы) среднее содержание гелия в подземных водах - 224^.10^-5 мл/л и средняя глубина опробования подземных вод - 200 м. С учетом этих условий поле гелия делится на 2 класса: (а) Кк - от 0 до 5 - бесконтрастное поле гелия и (б) Кк - > 5 - контрастное поле гелия. Бесконтрастная гелиеносность соответствует областям фоновых значений водорастворенного гелия; контрастное поле гелия - аномальным значениям гелия. Анализ расположения и контрастности гелиевых аномалий позволяет дать оценку влияния восходящих подтоков подземных вод на нижнию часть зона активного водообмена.

4. Тритий в природных водах

Теоретическое обоснование. Существуют различные модели миграции трития в подземных водах [Зеленин И.В., 1984]. Нами принимается упрощенное условие: присутствие трития в подземных водах указывает на их связь с поверхностью земли и атмосферой и, наоборот, - его отсутствие является индикатором отсутствия такой связи. Предлагается выделить нижнюю границу зоны активного водообмена по нулевым (отсутствие трития) или близким к нулевым (первые единицы) содержаниям трития.

Практическое применение. Проведен анализ содержании трития в подземных водах от четвертичного до протерозойского возраста. Обобщение данных показывает, что содержание трития изменяется от 0.0 до 91.0 Т.Е. Распределение трития в подземных водах в региональном плане зависит от возраста водоносного горизонта и гидрогеологических условий (глубина залегания горизонта, приуроченность к областям питания и др.). Для наших исследований тритий интерпретируется как индикатор инфильтрации поверхностных и атмосферных вод в водоносные горизонты, без привлечения сложных моделей его миграции. Выявлена четкая зависимость содержания трития от возраста подземных вод: чем старше по возрасту воды, тем меньше содержание трития. В общем случае концентрация трития функционально убывает от грунтовых вод к подземным водам протерозойского возраста. Предложена зависимость концентрации трития в подземных водах от времени пребывания в гидрогеологической системе. Зависимость имеет вид квадратичной функции типа:

y = 2357.9 · x^-1.0211,

где y - возраст воды (годы) и х - содержание трития (Т.Е.) в подземных водах. Коэффициент корреляции между (x) и (y) r = 0.99 при индексе корреляции r² = 0.99. По предложеному уравнению в первом приближении можно определить возраст воды по модели полного смешения.

5. Гидрогеологическая стратиграфия

Теоретическое обоснование. Распространение и положение в геологическом разрезе зоны активного водообмена структурно связано и приурочено к определенным водоносным горизонтам (или комплексам) или к их частям. Потому гидрогеологическая стратиграфия может быть использована для предварительного выделения, оконтуривания и характеристики в пространстве зоны активного водообмена.

Практическое применение. Для юго-западной части Причерноморского артезианского бассейна, в пределах междуречья Прут - Днестр (территория Республики Молдова), необходимо отметить главное. Гидрогеологические условия соответствуют особенностям платформенного геологического строения. В зависимости от условий залегания и гидродинамических свойств подземные воды подразделяются на два самостоятельных типа: грунтовые и межпластовые. Грунтовые воды, как правило, безнапорные, приурочены преимущественно к различным пористым породам четвертичного возраста. Межпластовые воды приурочены к моноклинально залегающим стратиграфическим горизонтам различного возраста. В пределах Молдовы обнаружены 16 водоносных горизонтов и комплексов В зону активного водообмена включены подземные воды средне-, верхнеплиоценовых, четвертичных, понтических, мэотических, верхнесарматских, среднесарматских, нижнесарматских, тортонских, верхнемеловых и силурийских отложений. Более точное пространственное положение зоны активного водообмена определяется другими методами.

Последовательность и приоритетность применения предложенных методов зависит от степени изученности территории, геолого-гидрогеологических условий, масштаба и цели работ. В нашем случае установлена следующая последовательность: (1) гидрогеологическая стратификация, (2) гидрогеохимический метод, (3) гидрогеотермический метод (4) тритий в подземных водах и (5) гелиевые исследования.

Грунтовые воды юго-запада Причерноморского артезианского бассейна, заключенные в первые от поверхности водоносные горизонты и имеющие в основном ненапорный гидродинамический режим, являются по определению составной частью зоны активного водообмена и к ним предложенные методы не относятся.

Второе защищаемое положение. Закономерности формирования и существования вертикальных границ зоны активного водообмена выявлены и обоснованы лабораторными и численными экспериментами, а также полевыми данными. В зоне аэрации (верхняя граница) миграция химических элементов является преимущественно квазиконечной или соответствует свойствам временных прерывистых конечных функций. Условия границы нижней части зоны активного водообмена определяются гидродинамическим влиянием разрывной тектоники. Здесь существуют геофильтрационные потоки, которые имеют восходящий пульсационный характер, сложный химический состав, вариабельность температуры воды и содержания гелия.

Следует различать вертикальные и горизонтальные (с определенной условностью) размеры зоны активного водообмена.

Геометрия зоны активного водообмена. Для выделения вертикальной составляющей (нижней границы и мощности) зоны активного водообмена применены величина минерализации, температура подземных вод, содержание трития в водоносных горизонтах и гидрогеологические структурные условия. Использовано поочередное применение каждого метода. В качестве графического изображения глубины залегания и мощности зоны активного водообмена используются 10 региональных геолого-гидрогеологических разрезов, линии которых приблизительно параллельны между собой. Обобщающий разрез выбран с расположением в крест простирания параллельных линий и направлением СВ - ЮЗ через всю территорию. Выделенные значения вертикальной составляющей зоны (мощность и нижняя граница) статистически сопоставимы по всем методам

Горизонтальные или плановые размеры зоны активного водообмена выделены по величине минерализации воды, коэффициенту контрастности поля гелия, концентрации трития, температуре подземных вод и гидрогеологическим условиям. Картографическое и корреляционное сравнение выделенных площадей разными методами показывает положительное сходство. Для всех карт коэффициент корреляции (r) изменяется от 0.78 до 0.93 и соответственно индекс корреляции (r²) колеблется от 0.61 до 0.86.

Таким образом, геометрические параметры зоны активного водообмена юго-запада Причерноморского артезианского бассейна (на примере территории Молдовы) характеризуются следующими особенностями: а) мощность зоны активного водообмена колеблется неравномерно в интервале 10.0 - 550.0 м от поверхности земли. В зону активного водообмена вовлечены: на севере территории - четвертичные, неогеновые и мел-силурийские водоносные горизонты; в центре территории - четвертичные и неогеновые водоносные горизонты; на юге - четвертичные и неогеновые водоносные горизонты (до нижнего сармата); б) мощность зоны активного водообмена увеличивается в юго-западном и южном направлениях и контролируется геологическим строением и гидрогеологическими условиями межпластовых водоносных горизонтов; в) в плане распространение зоны активного водообмена совпадает с местоположением областей питания подземных вод; г) территории, занятые зоной активного водообмена, характеризуются наибольшей плотностью водозаборных скважин для питьевого водоснабжения; д) в процентном отношении от общей площади распространения водоносных горизонтов зона активного водообмена имеет следующие количественные значения: меловой горизонт - 55%, нижний сармат - 64%, средний сармат - 71%, верхний сармат - понт - 91% и четвертичные водоносные горизонты - 100%.

Граничные условия и процессы верхней части зоны активного водообмена. Граничные условия и процессы верхней части зоны активного водообмена анализированы с позиции роли зоны аэрации как пористой среды для миграции неорганических загрязнений в вертикальном направлении до уровня грунтовых вод или до первого от поверхности водоносного

горизонта. Предложено понятие о квазиконечной глубине миграции загрязнителя (l_k). Обоснование этой величины следующее. Известно, что одномерная миграция какого-либо химического элемента в пористой однородной водонасыщенной геологической среде описывается дифференциальным уравнением вида [Ogata A., Banks R.B., 1961; Рошаль А.А., 1980; Пашковский И.С., 1985]:

, (1)

где - эффективная пористость, доли единиц (, - активная пористость, доли единиц); - коэффициент распределения; - сорбционная емкость среды для определенного компонента при его концентрации в воде ); - коэффициент гидродинамической дисперсии, м²/сут; - скорость фильтрации воды, м/сут; , С - определяемая концентрация химического элемента в точке , мг/л, С_о - начальное содержание химического элемента в горных породах, мг/л, С^о - содержание химического элемента в воде на входе в исследуемую пористую среду, мг/л (если С_о = 0, то ); t - время, сут.; x - координата пространства в Декартовой системе отсчета.

При следующих граничных и начальных условиях:

, , , > 0.1

уравнение (1) имеет простое численное решение [Ogata A., Banks R.B., 1961]:

, (2)

где - обратная функция ошибок Гаусса.

Формула (2) позволяет определить содержание химического элемента-загрязнителя и величину . Для этого необходимо знать величины D и n, которые определяются экспериментально.

В данной работе предлагаются численный, статистический и экспериментальный методы определения величины (l_k) для пористых горных пород зоны аэрации.

Численное определение величины l_k

Рассмотрим формулу (2) в виде:

,

Откуда

.

Пусть ,

тогда (3)

В уравнении (3) при t = const > 0 и росте х величина А стремится к нулю и при малых ее значениях достигается условие:

(4)

Это указывает на следующее: а) миграция химического элемента с начальным содержанием C^o окончена и дальнейшее его поступление в пористую среду не будет изменять существующие геохимические условия; б) расчеты l_k имеют смысл только при С(x,t) > C_o.

Физический смысл квазиконечной миграции (за определенный период времени t) химического элемента в пористых породах в соответствии с формулами (3, 4) заключается в следующем. Когда выполняется условие , функция пересекается с в точке . Отображение этой точки на оси Х представляет собой:

(5)

Статистическое определение величины l_k

Пусть в породах зоны аэрации параметры D и n для иона хлора имеют следующие значения (таб. 2).

Выполним определения для заданных величин х из таб. 2 по формуле (3) с использованием значений v, t, C^o, С_о из условий:

v = 0.5 ^. 10^-3 м³/сут., t = 90 сут., C^o = 60 мг/л, C_o = 10 мг/л.

Таблица 2. Значения коэффициента гидродинамической дисперсии (D) и эффективной пористости (n) суглинистых пород зоны аэрации (для хлора)

№ п/п	Глубина залегания пород х, м	D, n.10-3, м2/сут.	n, усл. единицы
1 2 3 4 5	1.0 1.5 2.0 2.5 3.0	0.8 12.0 1.0 40.0 4.0	0.50 0.60 0.40 0.70 0.65

В этом случае величина l_k составляет 3.0 м при С_о = 10 мг/л. Исходя из предположения, что загрязнитель кумулятивно аккумулируется по глубине x, подсчитываем кумулятивное содержание хлора по всему разрезу зоны аэрации (сверху - вниз) следующим образом (см. рис. 1):

х = 0 С = 60 мг/л

х = 1 С¹ = С + С₁ = 88 мг/л

х = 2 С² = С¹ + С₂ = 113 мг/л

. . . . . . . . . . . . . .

х_n = m Сⁿ = C^{(n - 1)} + C_n,

где n = 1, 2, 3, …, … и m > 0.



Рис.1. Содержание хлора в породах зоны аэрации (график слева - природное состояние и график справа - кумулятивное; l_k - конечная глубина миграции загрязнителя)

График функции состоит из двух простых линейных функций (см. рис. 1). Первая функция отражает кумулятивное содержание загрязнителя (рис. 1, для х от 0.0 до 3.0 м), а вторая функция - кумулятивное содержание этого же элемента в природных условиях (рис. 1, для х > 3.0 м). Проекция точки пересечения этих функций на оси Х представляет собой величину l_k =3.0 м. Выявленные кумулятивные свойства характерны для целого ряда химических элементов и компонентов неорганического происхождения (макро- и микроэлементы и их комплексные соединения).

Экспериментальное определение величины l_k

В природных условиях на небольшой площадке проводились экспериментальные работы с целью определения величины l_k. Методика эксперимента заключалась в следующем. В пробуренной скважине были отобраны образцы пород в природном состоянии до глубины 1.2 м через каждые 10 см. В лабораторных условиях были определены фоновые концентрации хлора, общая влажность и параметры миграции n и D, соответственно равные 0.3 и 0.4 м²/сут.

На поверхности земли через металлическое кольцо с диаметром d = 0.22 и на расстоянии h = 0.245 м в породы зоны аэрации подавался раствор NaCl при условиях:

t = 0.0416 сут., v = 0.504 м³/сут., C^o = 330 мг/л, C_o = 19 мг/л.

Затем в этом же месте бурились вторая скважина и на расстоянии 0.25 м от нее третья скважина. В них также были отобраны образцы пород и в лабораторных условиях определялись содержание хлора и общая влажность. По данным распределения хлора была определена величина l_k. (l_k. = 0.58 м). Численное определение составляет l_k. = 0.63 м. По кумулятивным содержаниям хлора величина l_k = 0.58 м.

Анализ численного, экспериментального и статистического методов показывает, что результаты определения величины l_k сопоставимы между собой с хорошей точностью (расхождение до 5 %). Статистический метод является наиболее практичным и имеет следующие принципиальные преимущества: а) не нужны лабораторные и полевые определения миграционных параметров загрязнителей; б) получаемые результаты адекватны природным условиям; в) существенная временная экономичность одного определения величины l_k; г) не требуется использовать квалифицированный персонал для проведения работы.

Проведен анализ зависимости величины l_k от параметров v, t, D, n, C^o (см. формулу 1). Выявлено, что положительный рост величины l_k происходит с увеличением значений v, t, D, C^o. С увеличением значений n величина l_k уменьшается. Наибольший рост l_k имеет место при увеличении v и t. Изменение содержания C^o в источнике загрязнения практически не влияет на величины l_k. Например, если C^o изменится от 60 мг/л до 600 мг/л, то это приведет всего лишь к увеличению l_k на 0.64 м.

В общем случае параметр l_k не является постоянной величиной. Во времени и под влиянием аномальных инфильтрационных подтоков воды величина l_k имеет свойства ступенчатой функции и может соответствовать модели поршневого вытеснения.

Граничные условия и процессы нижней части зоны активного водообмена. Анализ многочисленных гидрогеологических разрезов позволяет констатировать, что нижняя граница зоны активного водообмена имеет неровную форму. Она сформировалось под влиянием разломов, которые определяют тектоническую раздробленность горизонта. Гидрогеологический смысл тектонической раздробленности выражается через флюидопроводность разломов и наличие взаимосвязи между водоносными горизонтами. В конечном итоге это определяет граничные условия нижней части зоны и, соответственно, характер гидрогеологических процессов. Нами впервые для установления гидравлической взаимосвязи горизонтов использован гелиеметрический метод. Для подтверждения информативности гелия проведен совместный анализ его содержания и распределения напоров различных водоносных горизонтов. Между этими параметрами выявлена положительная корреляция.

На основании рассмотренных закономерностей распределения гелия в подземных водах выявлено: 1) аномалии гелия являются показателями местонахождения активных зон тектонических разломов, по которым осуществляется взаимосвязь водоносных горизонтов; 2) фоновое поле гелия соответствует участкам, на которых отсутствуют водопроводящие тектонические разломы; 3) связь поля гелия с геоморфологическими структурами, температурой, химическим составом, напорами подземных вод, содержанием в них трития позволяет констатировать: 3а) аномалии гелия являются показателями местонахождения очагов разгрузки восходящих подземных вод; 3б) фоновые содержания гелия указывают на наличие площадей, благоприятных для нисходящего движения подземных вод. Эти выводы послужили основой для оценки взаимосвязи водоносных горизонтов. На картографической модели взаимосвязи водоносных горизонтов четко выделяется нижняя граница зона активного водообмена.

Для оконтуривания участков взаимосвязи между водоносными горизонтами необходимо выделить площади распространения локальных аномалий гелия. Ниже приводится схема-последовательность оконтуривания локальных аномалий поля гелия: 1) на основании гелиевого опробования подземных вод строится карта поля гелия по водоносным горизонтам. Шаг сечения изолиний выбирается в зависимости от представительности фактического материала и масштаба карты; 2) на основании математико-статистических методов выделяются аномальные (С_аном.) и фоновые (С_фон.) составляющие поля гелия; 3) для аномальных гелиевых площадей выделяются региональная аномальная составляющая (С_рег.) и локальные аномалии (С_лок.) следующим образом:

,

где - сумма аномальных содержаний гелия; n - количество С_аном.

Чисто математически С_лок. = С_аном. - С_рег. При таком преобразовании локальные гелиевые аномалии примут значения содержания гелия, отличные от исходных данных (замеренных). Поэтому выделение С_лок. эффективнее осуществлять графически, т.е. непосредственно на картах поля гелия. Локальные аномалии оконтуриваются изолиниями, значение которых выше значения С_рег.

Для достоверной оценки С_лок. вычисляются доверительные интервалы колебаний значений С_рег. Последовательность такого вычисления аналогична определению доверительных интервалов фоновых значений. Окончательно С_лок. оконтуриваются по значениям содержания гелия больше верхнего предела С_рег. (таб. 3).

На основе выявленных закономерностей геохимии гелия построены карты взаимосвязи следующих пар водоносных горизонтов: N₁S₁ - нижележащие горизонты; N₁S₂ - N₁S₁; N₁S₃ - N₁m -N₂p-N₁S₂. В каждом случае нижняя часть зоны активного водообмена характеризуется преимущественно восходящими очагами напорных вод. Эти картографические модели были использованы для районирования подземных вод по условиям взаимосвязи водоносных горизонтов.

Таблица 3. Математико-статистические расчеты региональной составляющей поля гелия по водоносным горизонтам

№ п/п	Водоносный горизонт	Количество аномальных значений	Срег. n.10-5, мл/л	Доверительные интервалы Срег., n.10-5 мл/л
1	Верхнемеловой	41	964.7	758.5 < 964.7 < 1096.5
2	Нижнесарматский	141	824.4	707.9 < 824.4 < 933.2
3	Среднесарматский	34	1282.2	1000.0 < 1282.2 < 1584.9
4	Верхнесарматско-мэотис-понтический комплекс	13	1122.0	1023.3 < 1122.0 < 1230.3

Полученные данные по оконтуриванию зоны активного водобмена позволяют впервые провести районирование юго-запада Причерноморского артезианского бассейна, включая территорию Молдовы. Такое районирование по условиям взаимосвязи водоносных горизонтов до настоящего времени не проводилось. Для районирования выбрана толща продуктивных водоносных горизонтов от понта до верхнего мела (зона активного водообмена), с выделением площадей восходящей и нисходящей фильтрации подземных вод.

Основными критериями для выделения таксономических единиц являются: а) наличие восходящего (вертикального) перетока вод из одного водоносного горизонта в другой, проявляющегося в образовании гидрогеохимических и гелиевых аномалий, которые, как правило, приурочены к флюидопроводным тектоническим разломам и долинам крупных рек; б) наличие нисходящей фильтрации, характеризующейся фоновым химическим составом подземных вод и концентраций гелия, их приуроченность к водораздельным пространствам территории; в) переход (унаследование) участков восходящей фильтрации подземных вод из одного водоносного горизонта в другой по вертикали; г) при выделении таксонометрических единиц (районов, подрайонов) в качестве главного признака используется суммарная контрастность поля гелия. Гидрогеологические таксономические единицы характеризуются одинаковыми величинами коэффициентов контрастности поля гелия, приуроченностью к однотипным геолого-гидрогеологическим и структурным орографическим элементам территории. В работе приведена комплексная геолого-гидрогеологическая характеристика данной картографической модели.

Таким образом, установлено: 1) нижняя часть зоны активного водообмена характеризуется наличием мощных восходящих потоков подземных вод, местоположение которых отчетливо выделяется по содержанию гелия и коэффициенту контрастности поля гелия, а также минерализацией воды больше 1.0 г/л и типам воды от SO₄ до Cl; 2) следует предположить, что вокруг (строго говоря - на контакте) восходящих потоков существует область смешения вод, которая частично принадлежит к зоне активного водообмена; 3) граничные условия нижней части зоны активного водообмена существенно влияют на формирование химического состава подземных вод.

...