Помощь студентам в учебе
ИЗМЕНЕНИЕ ГЕОХИМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ
|
ВВЕДЕНИЕ 3
1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 11
1.1. Обзор современных представлений о геохимии подземных вод хозяйственно -
питьевого назначения 11
1.2. Г еологическая и гидрогеологическая изученность территории
исследований 17
1.3. Постановка проблемы исследований 26
2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ, ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ
СТРОЕНИЕ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ 29
2.1. Физико-географические условия 29
2.2. Геологическое строение 30
2.3. Гидрогеологические условия 34
3. ВОДОСНАБЖЕНИЕ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ 46
4. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 60
4.1. Подготовка исходных данных химического состава подземных вод для
картографических построений и анализа региональных закономерностей 60
4.1.1. Подготовка информационной таблицы гидрогеологического содержания.. 60
4.1.2 Подготовка и актуализация картографического материала 62
4.2. Методика гидродинамического моделирования 63
4.3. Методика морфоструктурно-гидродинамического анализа 69
5. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ 86
5.1. Региональные гидрогеохимические закономерности 86
5.2. Геохимические особенности месторождений подземных вод 102
5.2.1. Геохимические условия Стрежевского месторождения подземных вод .... 104
5.2.2. Геохимические особенности Томского и Северского месторождений
подземных вод 122
5.2.2.1. Томское месторождение подземных вод 124
5.2.2.2. Северское месторождение подземных вод 143
5.2.3. Геохимические условия Академического месторождения подземных вод 157
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 170
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 173
1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 11
1.1. Обзор современных представлений о геохимии подземных вод хозяйственно -
питьевого назначения 11
1.2. Г еологическая и гидрогеологическая изученность территории
исследований 17
1.3. Постановка проблемы исследований 26
2. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ, ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ И ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ
СТРОЕНИЕ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ 29
2.1. Физико-географические условия 29
2.2. Геологическое строение 30
2.3. Гидрогеологические условия 34
3. ВОДОСНАБЖЕНИЕ ТОМСКОЙ ОБЛАСТИ 46
4. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 60
4.1. Подготовка исходных данных химического состава подземных вод для
картографических построений и анализа региональных закономерностей 60
4.1.1. Подготовка информационной таблицы гидрогеологического содержания.. 60
4.1.2 Подготовка и актуализация картографического материала 62
4.2. Методика гидродинамического моделирования 63
4.3. Методика морфоструктурно-гидродинамического анализа 69
5. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
ХОЗЯЙСТВЕННО-ПИТЬЕВОГО НАЗНАЧЕНИЯ 86
5.1. Региональные гидрогеохимические закономерности 86
5.2. Геохимические особенности месторождений подземных вод 102
5.2.1. Геохимические условия Стрежевского месторождения подземных вод .... 104
5.2.2. Геохимические особенности Томского и Северского месторождений
подземных вод 122
5.2.2.1. Томское месторождение подземных вод 124
5.2.2.2. Северское месторождение подземных вод 143
5.2.3. Геохимические условия Академического месторождения подземных вод 157
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 170
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 173
Актуальность темы исследования. Обеспечение населения качественной питьевой водой является одной из важнейших задач современности. Именно качество питьевой воды в значительной степени определяет экологическую безопасность жизни и здоровья населения. Томская область в этом отношении находится в весьма благоприятных природных условиях, имеется неограниченное количество водных ресурсов, оцененных запасов подземных вод. Водоснабжение населения Томской области организовано на достаточно хорошем уровне, практически полностью обеспечено подземными водами. Вместе с тем, они в естественном состоянии зачастую уже являются некондиционными по ряду нормируемых компонентов. В этой связи, изучение геохимических особенностей подземных вод хозяйственно-питьевого назначения в естественных и нарушенных условиях, имеет особую актуальность.
На настоящее время геохимия пресных подземных вод, использующихся зачастую как источник водоснабжения, достаточн о внимательно изучена. Благодаря работам известных ученых В.П. Зверева, Г.Н. Каменского, В.А. Кирюхина, А.И. Короткова, С.Р. Крайнова, A.M. Овчинникова,
А.И. Перельмана, Е.В. Пиннекера, Б.И. Писарского, Б.Б. Полынова, Е.В. Посохова, Б.Н. Рыженко, Ф.П. Саваренского, Н.И. Т олстихина, С.Л. Шварцева, В.М. Швеца и многих их последователей были разработаны теоретические положения о факторах и механизмах формирования химического состава подземных вод, проведены обобщения по химическому составу подземных вод зоны гипергенеза, систематизированы данные и получены средние (кларковые) содержания широкого ряда химических элементов в подземных водах основных ландшафтных зон земного шара, сформированы представления о широтной и вертикальной глубинной гидрогеохимических зональностях, выделены провинции нормируемых химических элементов, развиты фундаментальные представления о системе “вода- порода” и ее способности к самоэволюции и самоорганизации.
В границах объекта исследований гидрогеологические, гидрогеохимические условия верхней части осадочного чехла Западно-Сибирской плиты и Томского выступа отражены в работах А.А. Балобаненко, М.Б. Букаты, В.Я. Бычкова, Л.С. Бычковой Н.Н. Винниченко, Е.М. Дутовой, Н.А. Ермашовой, В.А. Зуева, В.Г. Иванова, А.Э. Конторовича, А.Р. Курчикова, Б.Ф. Маврицкого, Ю.В. Макушина, В.М. Матусевича, А.Д. Назарова, В.А. Нуднера, Г.Л. Плевако, Д.С. Покровского,
B. К. Попова, Н.М. Рассказова, А.А. Розина, Ю.К. Смоленцева, П.А. Удодова,
C. Л. Шварцева и других.
Имеющаяся в настоящее время цифровая платформа для картирования гидрогеологических и гидрогеохимических условий, гидродинамического моделирования и анализа гидрогеохимических процессов позволяют на новом уровне подойти к решению многих вопросов
Объектом исследования являются подземные воды верхней части геологического разреза, наиболее активно используемые для хозяйственнопитьевого водоснабжения населения Томской области в естественных и нарушенных в процессе эксплуатации условиях.
Цель работы заключается в выявлении геохимических особенностей и качества подземных вод хозяйственно-питьевого назначения Томской области в естественных региональных условиях и эксплуатируемых крупными водозаборами, с использованием современной цифровой платформы средств ГИС-технологий, гидродинамического и, морфоструктурно-гидрогеологического анализа.
Основные задачи:
1. Дать характеристику природных ландшафтно-климатических,
геологических, гидрогеологических условий территории и особенностей организации водоснабжения населения Т омской области.
2. Привести характеристику гидрогеологических условий районов, выбранных типовых эксплуатируемых месторождений подземных вод.
3. Обосновать методику обобщения данных гидрогеохимических региональных и детальных исследований на выбранных типовых эксплуатируемых месторождениях подземных вод.
4. Уточнить известные ранее региональные закономерности изменчивости химического состава подземных вод, использующихся для водоснабжения населения района исследований.
5. Оценить особенности изменения состава и качества подземных вод ряда эксплуатируемых месторождений подземных вод.
Материалы и методы исследований. В основу работы положены фактические материалы, собранные в ходе исследований, проводимых сотрудниками отделения геологии (в прошлом кафедры ГИГЭ Томского политехнического университета) с 2005 г. по настоящее время, где автор принимал непосредственное участие), фактические данные и фондовые материалы геологических и гидрогеологических отчётов ООО «Томскгеомониторинг».
Исследования состава подземных вод выполнены с применением современных сертифицированных аналитических методов в проблемной научноисследовательской лаборатории ТПУ, лабораториях ООО «Томскгеомониторинг» и других геологических организаций региона.
Всего для региональных исследований было использовано 1107 анализов воды, а для выявления геохимических изменений на выбранных типовых эксплуатируемых месторождениях подземных вод 500 анализов.
Хранение, обобщения и обработка аналитических и картографических данных осуществлялись с помощью методов математической статистики и ГИС-технологий, реализованных в пакетах программ Excel, Statistica, Surfer, ArcGIS 10.3. Промежуточные расчеты производились встроенными возможностями регрессионного анализа Microsoft Excel. Гидродинамические расчеты проводились с использованием GMS, FeFlow.
Личный вклад автора.
Автором осуществлен сбор, анализ и обработка фактического материала по объекту исследований (в естественных региональных условиях и в условиях эксплуатации крупными водозаборами). Выполнены картографические построения с использованием ГИС-технологий, интерпретированы результаты работы и сформулированы выводы. В работе использованы личные наблюдения автора при проведении полевых работ. Все разделы диссертации подготовлены автором лично. Подготовлена значительная часть публикаций. Основные положения и выводы диссертационной работы опубликованы в рецензируемых изданиях.
Защищаемые положения.
1. В естественных условиях химический состав подземных вод палеогеновых отложений формируется под влиянием ландшафтно-климатических условий, состава водовмещающих пород и перекрывающих толщ. На большей части территории формируются пресные подземные воды, наименее минерализованные - в условиях среднетаежных ландшафтов в отложениях континентального генезиса, перекрытых преимущественно песчаными и супесчаными осадками, а наиболее минерализованные - в условиях южнотаежных ландшафтов, в отложениях прибрежно-морского и морского генезиса, перекрытых преимущественно глинистыми и суглинистыми осадками. Локально установлено наличие благоприятных условий для разгрузки подземных вод меловых отложений, имеющих повышенную минерализацию. По результатам морфоструктурно-гидрогеологического анализа суммарная территория таких участков достигает 5%, а закартированная площадь подобных азональных аномалий не превышает 1%.
2. Эксплуатация подземных вод палеогеновых отложений приводит к изменению параметров среды и миграционной способности переменно-валентных химических элементов с привлечением некондиционных вод из смежных горизонтов, что при интенсификации водоотбора влияет на качество добываемых вод. В условиях среднетаежных ландшафтов в эксплуатируемых водах увеличиваются, а в условиях южно-таежных ландшафтов уменьшаются содержания железа, появляются индикаторы загрязнения - хлориды, атипичный микробиологический состав, активизируются перетоки вод из меловых отложений, фиксирующиеся повышенными аномалиями хлора и минерализации. Степень проявления изменений состава определяется интенсивностью вертикальных перетоков, количественная оценка которых может быть установлена с применением гидродинамических расчетов и численного моделирования.
3. Эксплуатация месторождений подземных вод, приуроченных к фундаменту артезианского бассейна на его юго-восточной окраине, при интенсификации водоотбора активизирует окисление сульфидов в зоне аэрации и в толще пиритизированных водовмещающих пород. Подкисление вод и более высокие концентрации сульфат-иона усиливают миграционную способность элементов и повышают растворимость карбонатных минералов. Это приводит к росту общей жесткости, иногда выше предельно допустимых значений.
Научная новизна.
1. Получены определенные в зависимости от основных ведущих факторов количественные оценки пространственного распределения отдельных компонентов химического состава подземных вод палеогеновых отложений.
2. Создан комплект цифровых гидрогеохимических карт масштаба 1:500 000 для меловых и палеогеновых отложений в пределах территории Т омской области: карты содержания гидрокарбонат-иона, карты общей минерализации подземных вод, карты изменчивости pH подземных вод, карты химических типов подземных вод.
3. На основе применения морфоструктурно-гидрогеологического анализа локализованы участки, где разгрузка подземных вод меловых отложений, залегающих ниже по разрезу, наиболее вероятна и определена их суммарная площадь.
4. Показано, что появление повышенных содержаний элементов в водах (иногда, превышающих нормативные значения) обусловлено как природными факторами, так и особенностями изменения состава и качества подземных вод в процессе их эксплуатации.
5. Установлено, что длительная эксплуатация подземных вод палеогеновых отложений приводит к изменению параметров среды и миграционной способности переменно-валентных химических элементов с привлечением некондиционных вод из смежных горизонтов, что влияет на содержание ионов железа и появление индикаторов поверхностного загрязнения.
6. Доказано, что интенсивная эксплуатация месторождений подземных вод, приуроченных к породам фундамента, приводит к подкислению вод, повышению растворимости карбонатных минералов и способствует росту общей жесткости.
Практическая значимость:
1. Полученный автором значительный объем современных представлений о региональной и временной изменчивости химического состава подземных вод по расширенному количеству показателей в дальнейшем может быть использован для обеспечения различных прикладных исследований.
2. На основе анализа опыта длительной эксплуатации подземных вод палеогеновых отложений показано, что часто встречающееся в практике подсчёта запасов упрощение расчётной схемы до типовых условий изолированного неограниченного напорного пласта, не оправдано с позиций снижения достоверности длительного прогноза работы водозабора в отношении стабильности качества добываемой воды, требуется дополнять прогноз учетом дополнительного питания.
3. На примерах водозаборов, находящихся в работе длительное время показано, что надежность прогноза качества подземных вод при их эксплуатации может повысить применение численного моделирования гидрогеологических условий. При этом для крупных водозаборов рекомендуется использовать постоянно действующие модели, а на одиночных водозаборах применять численное моделирование на этапе обработки опытно-фильтрационных работ с целью уточнения характера граничных условий и обоснования расчётной схемы для подсчёта запасов подземных вод.
4. Установлено, что в условиях опасности появления процессов перетекания недопустимо сокращение времени проведения опытно-фильтрационных работ для более строгой квалификации граничных условий. Ограничение продолжительности опыта только периодом наступления квазистационарного режима водопритока способствует утрате важнейшей гидрогеологической информации о характере граничных условий.
5. Доказана эффективность применения морфоструктурно-гидрогеологического анализа не только для выявления участков потенциальной разгрузки подземных вод отложений мелового возраста, но и для количественной оценки глубины залегания границы между гидродинамическими зонами активного и замедленного водообмена.
Полученные автором результаты могут быть полезны специалистам, чьи интересы связаны с проблемами экологической безопасности и решением хозяйственно-питьевых проблем, направленных на разработку перспективных планов в одоснабжения населения.
Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом фактического материала, использованием современных аналитических методов, применением в процессе обработки данных статистических методов анализа, гидродинамических и термодинамических расчетов, а также анализом широкого круга научных публикаций, фондовых материалов по теме диссертации. Теоретические построения основаны на современных представлениях о причинно-следственных связях ведущих природных факторов и закономерностях формирования химического состава вод, современных научных представлениях об эволюции системы "вода- порода".
Апробация результатов исследования и публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на конференциях, совещаниях и симпозиумах различного уровня. По результатам работы опубликованы 9 научных работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК, и в журналах, входящих в БД Scopus и Web of Science.
Апробация работы. Результаты исследований были использованы при выполнении работ в рамках х/д 2-159/05 «Составление комплекта специализированных гидрогеохимических прогнозных на уран карт по трем палеофациальным уровням (юрскому, меловому и палеоген - неогеновому) окраины Западно - Сибирской плиты в Томской, Омской областях 1: 1 500 000 масштаба на прогнозируемых перспективных площадях».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 122 наименований. Объем текста - 185 с., количество таблиц - 19, рисунков - 88.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю - профессору отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов д.г.-м.н. Е.М. Дутовой, а также д.г. -м.н. Д.С. Покровскому, к.г.-м.н. К.И. Кузеванову, к.г.-м.н. Н.Г. Наливайко и сотрудникам отделения геологии ТПУ за постоянную поддержку и всестороннюю помощь в выполнении исследований.
Автор благодарит сотрудников ФГБУ «Гидроспецгеология» и ООО «Томскгеомониторинг»: к.г. -м.н., директора филиала «Сибирский
региональный центр ГМСН» В.А. Льготина, к.г.-м.н., начальника отдела Государственного мониторинга за участками загрязнения подземных вод филиала «Сибирский региональный центр ГМСН» А.А. Балобаненко, начальника отдела Д.Н. Четвергова, ведущего гидрогеолога Г.А. Жульмину, ведущего специалиста Н.Ю. Рукс, ведущего гидрогеолога В.П. Шинкаренко за помощь и консультации по вопросам, возникавшим в ходе выполнения работы.
На настоящее время геохимия пресных подземных вод, использующихся зачастую как источник водоснабжения, достаточн о внимательно изучена. Благодаря работам известных ученых В.П. Зверева, Г.Н. Каменского, В.А. Кирюхина, А.И. Короткова, С.Р. Крайнова, A.M. Овчинникова,
А.И. Перельмана, Е.В. Пиннекера, Б.И. Писарского, Б.Б. Полынова, Е.В. Посохова, Б.Н. Рыженко, Ф.П. Саваренского, Н.И. Т олстихина, С.Л. Шварцева, В.М. Швеца и многих их последователей были разработаны теоретические положения о факторах и механизмах формирования химического состава подземных вод, проведены обобщения по химическому составу подземных вод зоны гипергенеза, систематизированы данные и получены средние (кларковые) содержания широкого ряда химических элементов в подземных водах основных ландшафтных зон земного шара, сформированы представления о широтной и вертикальной глубинной гидрогеохимических зональностях, выделены провинции нормируемых химических элементов, развиты фундаментальные представления о системе “вода- порода” и ее способности к самоэволюции и самоорганизации.
В границах объекта исследований гидрогеологические, гидрогеохимические условия верхней части осадочного чехла Западно-Сибирской плиты и Томского выступа отражены в работах А.А. Балобаненко, М.Б. Букаты, В.Я. Бычкова, Л.С. Бычковой Н.Н. Винниченко, Е.М. Дутовой, Н.А. Ермашовой, В.А. Зуева, В.Г. Иванова, А.Э. Конторовича, А.Р. Курчикова, Б.Ф. Маврицкого, Ю.В. Макушина, В.М. Матусевича, А.Д. Назарова, В.А. Нуднера, Г.Л. Плевако, Д.С. Покровского,
B. К. Попова, Н.М. Рассказова, А.А. Розина, Ю.К. Смоленцева, П.А. Удодова,
C. Л. Шварцева и других.
Имеющаяся в настоящее время цифровая платформа для картирования гидрогеологических и гидрогеохимических условий, гидродинамического моделирования и анализа гидрогеохимических процессов позволяют на новом уровне подойти к решению многих вопросов
Объектом исследования являются подземные воды верхней части геологического разреза, наиболее активно используемые для хозяйственнопитьевого водоснабжения населения Томской области в естественных и нарушенных в процессе эксплуатации условиях.
Цель работы заключается в выявлении геохимических особенностей и качества подземных вод хозяйственно-питьевого назначения Томской области в естественных региональных условиях и эксплуатируемых крупными водозаборами, с использованием современной цифровой платформы средств ГИС-технологий, гидродинамического и, морфоструктурно-гидрогеологического анализа.
Основные задачи:
1. Дать характеристику природных ландшафтно-климатических,
геологических, гидрогеологических условий территории и особенностей организации водоснабжения населения Т омской области.
2. Привести характеристику гидрогеологических условий районов, выбранных типовых эксплуатируемых месторождений подземных вод.
3. Обосновать методику обобщения данных гидрогеохимических региональных и детальных исследований на выбранных типовых эксплуатируемых месторождениях подземных вод.
4. Уточнить известные ранее региональные закономерности изменчивости химического состава подземных вод, использующихся для водоснабжения населения района исследований.
5. Оценить особенности изменения состава и качества подземных вод ряда эксплуатируемых месторождений подземных вод.
Материалы и методы исследований. В основу работы положены фактические материалы, собранные в ходе исследований, проводимых сотрудниками отделения геологии (в прошлом кафедры ГИГЭ Томского политехнического университета) с 2005 г. по настоящее время, где автор принимал непосредственное участие), фактические данные и фондовые материалы геологических и гидрогеологических отчётов ООО «Томскгеомониторинг».
Исследования состава подземных вод выполнены с применением современных сертифицированных аналитических методов в проблемной научноисследовательской лаборатории ТПУ, лабораториях ООО «Томскгеомониторинг» и других геологических организаций региона.
Всего для региональных исследований было использовано 1107 анализов воды, а для выявления геохимических изменений на выбранных типовых эксплуатируемых месторождениях подземных вод 500 анализов.
Хранение, обобщения и обработка аналитических и картографических данных осуществлялись с помощью методов математической статистики и ГИС-технологий, реализованных в пакетах программ Excel, Statistica, Surfer, ArcGIS 10.3. Промежуточные расчеты производились встроенными возможностями регрессионного анализа Microsoft Excel. Гидродинамические расчеты проводились с использованием GMS, FeFlow.
Личный вклад автора.
Автором осуществлен сбор, анализ и обработка фактического материала по объекту исследований (в естественных региональных условиях и в условиях эксплуатации крупными водозаборами). Выполнены картографические построения с использованием ГИС-технологий, интерпретированы результаты работы и сформулированы выводы. В работе использованы личные наблюдения автора при проведении полевых работ. Все разделы диссертации подготовлены автором лично. Подготовлена значительная часть публикаций. Основные положения и выводы диссертационной работы опубликованы в рецензируемых изданиях.
Защищаемые положения.
1. В естественных условиях химический состав подземных вод палеогеновых отложений формируется под влиянием ландшафтно-климатических условий, состава водовмещающих пород и перекрывающих толщ. На большей части территории формируются пресные подземные воды, наименее минерализованные - в условиях среднетаежных ландшафтов в отложениях континентального генезиса, перекрытых преимущественно песчаными и супесчаными осадками, а наиболее минерализованные - в условиях южнотаежных ландшафтов, в отложениях прибрежно-морского и морского генезиса, перекрытых преимущественно глинистыми и суглинистыми осадками. Локально установлено наличие благоприятных условий для разгрузки подземных вод меловых отложений, имеющих повышенную минерализацию. По результатам морфоструктурно-гидрогеологического анализа суммарная территория таких участков достигает 5%, а закартированная площадь подобных азональных аномалий не превышает 1%.
2. Эксплуатация подземных вод палеогеновых отложений приводит к изменению параметров среды и миграционной способности переменно-валентных химических элементов с привлечением некондиционных вод из смежных горизонтов, что при интенсификации водоотбора влияет на качество добываемых вод. В условиях среднетаежных ландшафтов в эксплуатируемых водах увеличиваются, а в условиях южно-таежных ландшафтов уменьшаются содержания железа, появляются индикаторы загрязнения - хлориды, атипичный микробиологический состав, активизируются перетоки вод из меловых отложений, фиксирующиеся повышенными аномалиями хлора и минерализации. Степень проявления изменений состава определяется интенсивностью вертикальных перетоков, количественная оценка которых может быть установлена с применением гидродинамических расчетов и численного моделирования.
3. Эксплуатация месторождений подземных вод, приуроченных к фундаменту артезианского бассейна на его юго-восточной окраине, при интенсификации водоотбора активизирует окисление сульфидов в зоне аэрации и в толще пиритизированных водовмещающих пород. Подкисление вод и более высокие концентрации сульфат-иона усиливают миграционную способность элементов и повышают растворимость карбонатных минералов. Это приводит к росту общей жесткости, иногда выше предельно допустимых значений.
Научная новизна.
1. Получены определенные в зависимости от основных ведущих факторов количественные оценки пространственного распределения отдельных компонентов химического состава подземных вод палеогеновых отложений.
2. Создан комплект цифровых гидрогеохимических карт масштаба 1:500 000 для меловых и палеогеновых отложений в пределах территории Т омской области: карты содержания гидрокарбонат-иона, карты общей минерализации подземных вод, карты изменчивости pH подземных вод, карты химических типов подземных вод.
3. На основе применения морфоструктурно-гидрогеологического анализа локализованы участки, где разгрузка подземных вод меловых отложений, залегающих ниже по разрезу, наиболее вероятна и определена их суммарная площадь.
4. Показано, что появление повышенных содержаний элементов в водах (иногда, превышающих нормативные значения) обусловлено как природными факторами, так и особенностями изменения состава и качества подземных вод в процессе их эксплуатации.
5. Установлено, что длительная эксплуатация подземных вод палеогеновых отложений приводит к изменению параметров среды и миграционной способности переменно-валентных химических элементов с привлечением некондиционных вод из смежных горизонтов, что влияет на содержание ионов железа и появление индикаторов поверхностного загрязнения.
6. Доказано, что интенсивная эксплуатация месторождений подземных вод, приуроченных к породам фундамента, приводит к подкислению вод, повышению растворимости карбонатных минералов и способствует росту общей жесткости.
Практическая значимость:
1. Полученный автором значительный объем современных представлений о региональной и временной изменчивости химического состава подземных вод по расширенному количеству показателей в дальнейшем может быть использован для обеспечения различных прикладных исследований.
2. На основе анализа опыта длительной эксплуатации подземных вод палеогеновых отложений показано, что часто встречающееся в практике подсчёта запасов упрощение расчётной схемы до типовых условий изолированного неограниченного напорного пласта, не оправдано с позиций снижения достоверности длительного прогноза работы водозабора в отношении стабильности качества добываемой воды, требуется дополнять прогноз учетом дополнительного питания.
3. На примерах водозаборов, находящихся в работе длительное время показано, что надежность прогноза качества подземных вод при их эксплуатации может повысить применение численного моделирования гидрогеологических условий. При этом для крупных водозаборов рекомендуется использовать постоянно действующие модели, а на одиночных водозаборах применять численное моделирование на этапе обработки опытно-фильтрационных работ с целью уточнения характера граничных условий и обоснования расчётной схемы для подсчёта запасов подземных вод.
4. Установлено, что в условиях опасности появления процессов перетекания недопустимо сокращение времени проведения опытно-фильтрационных работ для более строгой квалификации граничных условий. Ограничение продолжительности опыта только периодом наступления квазистационарного режима водопритока способствует утрате важнейшей гидрогеологической информации о характере граничных условий.
5. Доказана эффективность применения морфоструктурно-гидрогеологического анализа не только для выявления участков потенциальной разгрузки подземных вод отложений мелового возраста, но и для количественной оценки глубины залегания границы между гидродинамическими зонами активного и замедленного водообмена.
Полученные автором результаты могут быть полезны специалистам, чьи интересы связаны с проблемами экологической безопасности и решением хозяйственно-питьевых проблем, направленных на разработку перспективных планов в одоснабжения населения.
Достоверность полученных результатов обусловлена большим объемом фактического материала, использованием современных аналитических методов, применением в процессе обработки данных статистических методов анализа, гидродинамических и термодинамических расчетов, а также анализом широкого круга научных публикаций, фондовых материалов по теме диссертации. Теоретические построения основаны на современных представлениях о причинно-следственных связях ведущих природных факторов и закономерностях формирования химического состава вод, современных научных представлениях об эволюции системы "вода- порода".
Апробация результатов исследования и публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на конференциях, совещаниях и симпозиумах различного уровня. По результатам работы опубликованы 9 научных работ, из них 5 в изданиях, рекомендованных ВАК, и в журналах, входящих в БД Scopus и Web of Science.
Апробация работы. Результаты исследований были использованы при выполнении работ в рамках х/д 2-159/05 «Составление комплекта специализированных гидрогеохимических прогнозных на уран карт по трем палеофациальным уровням (юрскому, меловому и палеоген - неогеновому) окраины Западно - Сибирской плиты в Томской, Омской областях 1: 1 500 000 масштаба на прогнозируемых перспективных площадях».
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы, включающего 122 наименований. Объем текста - 185 с., количество таблиц - 19, рисунков - 88.
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность своему научному руководителю - профессору отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов д.г.-м.н. Е.М. Дутовой, а также д.г. -м.н. Д.С. Покровскому, к.г.-м.н. К.И. Кузеванову, к.г.-м.н. Н.Г. Наливайко и сотрудникам отделения геологии ТПУ за постоянную поддержку и всестороннюю помощь в выполнении исследований.
Автор благодарит сотрудников ФГБУ «Гидроспецгеология» и ООО «Томскгеомониторинг»: к.г. -м.н., директора филиала «Сибирский
региональный центр ГМСН» В.А. Льготина, к.г.-м.н., начальника отдела Государственного мониторинга за участками загрязнения подземных вод филиала «Сибирский региональный центр ГМСН» А.А. Балобаненко, начальника отдела Д.Н. Четвергова, ведущего гидрогеолога Г.А. Жульмину, ведущего специалиста Н.Ю. Рукс, ведущего гидрогеолога В.П. Шинкаренко за помощь и консультации по вопросам, возникавшим в ходе выполнения работы.
Основой хозяйственно-питьевого водоснабжения населения Томской области из подземных источников являются водоносный комплекс палеогеновых отложений и водоносный комплекс складчатого обрамления АСО (юг Томского района Томской области). Зональное изменение природно - климатических условий территории исследования определяет в пределах ландшафтных зон широтную гидрогеохимическую зональность подземных вод в соответствии с хорошо известными общими закономерностями, согласно которым наиболее минерализованные и щелочные подземные воды формируются в обстановках лесостепи и южной тайги, а наиболее пресные и кислые - в подзоне средней заболоченной тайги. Помимо ландшафтноклиматического фактора на состав вод оказывает влияние режим водообмена, обусловленный, в значительной степени, литологическим составом водовмещающих отложений континентального, прибрежно-морского и морского генезиса. В условиях тесной гидрогеодинамической связи вод комплекса с водами перекрывающих отложений состав этих отложений также оказывает заметное влияние на водообмен и, как следствие, геохимический состав вод.
Наряду с этим прослеживается вертикальная гидрогеохимическая зональность, в соответствии с которой в водах, приуроченных к нижележащим горизонтам комплекса увеличивается концентрация ионов хлора и натрия, повышается общая минерализация вод.
В пределах отдельных участков объекта исследования, приуроченных к долинам крупных рек, ассоциированных с тектоническими нарушениями, отмечаются значительные повышения как общей минерализации вод (до нескольких грамм на дм3), так и минерализации отдельных компонентов химического состава, сопровождаемый сменой гидрогеохимического типа вод с типичного гидрокарбонатного (с вариациями содержания кальция и магния) на хлоридный натриевый.
Длительная активная эксплуатация крупных месторождений подземных вод, приуроченных к палеогеновым отложениям в пределах распространения южно-таежных ландшафтов приводит к интенсификации разгрузки вод из нижележащих водоносных горизонтов с повышенными концентрациями компонентов химического состава. Одновременно происходит подтягивание аэрированных вод из перекрывающих отложений, приводящих к смене гидрогеохимических сред и, как следствие, ухудшению как условий эксплуатации гидротехнических сооружений, так и ухудшению качества воды.
Ведущим фактором формирования эксплуатационных запасов подземных вод является возможность их восполнения за счет емкостных запасов эксплуатационного водоносного комплекса палеогеновых отложений и привлекаемых ресурсов неоген-четвертичного водоносного комплекса, которые составляют подчиненную, но значительную часть в суммарном водоотборе эксплуатационных скважин. В свою очередь запасы подземных вод неоген-четвертичного водоносного комплекса пополняются избыточным (по сравнению с величиной испарения) количеством атмосферных осадков и обеспечены влиянием питающих границ (первого рода), представленных многочисленными (и обширными по площади) болотными массивами и другими поверхностными водоемами и водотоками. Обширные болотные массивы способствуют формированию восстановительной геохимической обстановки водной среды, которая под влиянием разницы напоров за счет создания депрессии в эксплуатационном водоносном комплексе, способна оказывать влияние на изменение условий водной среды в нижних частях гидрогеологического разреза в зоне работы фильтров водозаборных скважин. Объемы перетекания, формирующиеся под влиянием работы группового водозабора непостоянны во времени в связи с выявленными тенденциями изменения водопотребления. Количественная оценка объемов перетекания и их изменения во времени поддается количественному учету с использованием численного моделирования.
На водозаборных участках, приуроченных к зонам экзогенной трещиноватости горно-складчатого обрамления, аэрация гидрогеологического разреза на локальных участках размещения водозаборных скважин может приводить к долговременным и заметным изменениям в химическом составе подземных вод. Интенсивность влияния этого фактора контролируется изменяющимся во времени объемом водоотбора и неравномерным распределением нагрузки по объектам водозабора, что явно фиксируется на графиках изменчивости состава подземных вод. Тем не менее, общие тренды основных направлений изменчивости химического состава, такие как: снижение содержания общего железа, рост концентрации сульфат-иона, рост общей жесткости, снижение величины pH, установленные ранее проведенными исследованиями, могут сохраняться в течение длительного времени.
Эксплуатация месторождений подземных вод, водовмещающие породы которых пиритизированы, активизирует и окисление сульфидов в зоне аэрации и водосодержащей толще. Окисление сульфидов сопровождается подкислением вод, которое способствует повышение растворимости карбонатных минералов. Повышение концентраций сульфат-иона, в свою очередь, активизирует образование комплексных соединений, что усиливает миграционную способность элементов. Таким образом воды способны содержать большие количества элементов, в том числе повышающих общую жесткость и минерализацию.
Полученные автором результаты могут быть использованы при решении проблемам экологической безопасности и вопросов хозяйственно-питьевого водоснабжения, направленных на разработку его перспективных планов, при мониторинге экологического состояния окружающей среды, а также в качестве основы для районирования территории по условиям и интенсивности загрязнения.
Наряду с этим прослеживается вертикальная гидрогеохимическая зональность, в соответствии с которой в водах, приуроченных к нижележащим горизонтам комплекса увеличивается концентрация ионов хлора и натрия, повышается общая минерализация вод.
В пределах отдельных участков объекта исследования, приуроченных к долинам крупных рек, ассоциированных с тектоническими нарушениями, отмечаются значительные повышения как общей минерализации вод (до нескольких грамм на дм3), так и минерализации отдельных компонентов химического состава, сопровождаемый сменой гидрогеохимического типа вод с типичного гидрокарбонатного (с вариациями содержания кальция и магния) на хлоридный натриевый.
Длительная активная эксплуатация крупных месторождений подземных вод, приуроченных к палеогеновым отложениям в пределах распространения южно-таежных ландшафтов приводит к интенсификации разгрузки вод из нижележащих водоносных горизонтов с повышенными концентрациями компонентов химического состава. Одновременно происходит подтягивание аэрированных вод из перекрывающих отложений, приводящих к смене гидрогеохимических сред и, как следствие, ухудшению как условий эксплуатации гидротехнических сооружений, так и ухудшению качества воды.
Ведущим фактором формирования эксплуатационных запасов подземных вод является возможность их восполнения за счет емкостных запасов эксплуатационного водоносного комплекса палеогеновых отложений и привлекаемых ресурсов неоген-четвертичного водоносного комплекса, которые составляют подчиненную, но значительную часть в суммарном водоотборе эксплуатационных скважин. В свою очередь запасы подземных вод неоген-четвертичного водоносного комплекса пополняются избыточным (по сравнению с величиной испарения) количеством атмосферных осадков и обеспечены влиянием питающих границ (первого рода), представленных многочисленными (и обширными по площади) болотными массивами и другими поверхностными водоемами и водотоками. Обширные болотные массивы способствуют формированию восстановительной геохимической обстановки водной среды, которая под влиянием разницы напоров за счет создания депрессии в эксплуатационном водоносном комплексе, способна оказывать влияние на изменение условий водной среды в нижних частях гидрогеологического разреза в зоне работы фильтров водозаборных скважин. Объемы перетекания, формирующиеся под влиянием работы группового водозабора непостоянны во времени в связи с выявленными тенденциями изменения водопотребления. Количественная оценка объемов перетекания и их изменения во времени поддается количественному учету с использованием численного моделирования.
На водозаборных участках, приуроченных к зонам экзогенной трещиноватости горно-складчатого обрамления, аэрация гидрогеологического разреза на локальных участках размещения водозаборных скважин может приводить к долговременным и заметным изменениям в химическом составе подземных вод. Интенсивность влияния этого фактора контролируется изменяющимся во времени объемом водоотбора и неравномерным распределением нагрузки по объектам водозабора, что явно фиксируется на графиках изменчивости состава подземных вод. Тем не менее, общие тренды основных направлений изменчивости химического состава, такие как: снижение содержания общего железа, рост концентрации сульфат-иона, рост общей жесткости, снижение величины pH, установленные ранее проведенными исследованиями, могут сохраняться в течение длительного времени.
Эксплуатация месторождений подземных вод, водовмещающие породы которых пиритизированы, активизирует и окисление сульфидов в зоне аэрации и водосодержащей толще. Окисление сульфидов сопровождается подкислением вод, которое способствует повышение растворимости карбонатных минералов. Повышение концентраций сульфат-иона, в свою очередь, активизирует образование комплексных соединений, что усиливает миграционную способность элементов. Таким образом воды способны содержать большие количества элементов, в том числе повышающих общую жесткость и минерализацию.
Полученные автором результаты могут быть использованы при решении проблемам экологической безопасности и вопросов хозяйственно-питьевого водоснабжения, направленных на разработку его перспективных планов, при мониторинге экологического состояния окружающей среды, а также в качестве основы для районирования территории по условиям и интенсивности загрязнения.
