ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД В РАЙОНЕ ТОРЕЙСКИХ ОЗЕР (ЗАБАЙКАЛЬСКИЙ КРАЙ)

ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ИЗУЧЕННОСТЬ ТЕРРИТОРИИ И ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ 11
1.1 Гидрологическая, геологическая, гидрогеологическая изученность территории и её текущее
экологическое состояние 11
1.2 Роль взаимодействия в системе вода-порода в формирования химического состава воды 16
ГЛАВА 2. ХАРАКТЕРИСТИКА ПРИРОДНЫХ УСЛОВИЙ РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЯ ... 18
2.1 Административное положение района исследований 18
2.2 Гидрологический режим 19
2.2.1 Климатические условия 19
2.2.2 Гидрология 21
2.2.3 Роль подземных вод в водном балансе территории 24
2.2.4 Проблема аридизации климата 25
2.3 Рельеф 27
2.4 Ландшафт, почвы, вечная мерзлота и экологическая обстановка 28
2.5 Особенности экономики региона и антропогенная нагрузка 32
2.6 Геологические условия 33
2.6.1 Полезные ископаемые 37
2.7 Гидрогеологические условия 48
ГЛАВА 3. ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 60
3.1 Полевые работы 60
3.2 Лабораторные исследования 60
3.3 Камеральная обработка результатов 63
3.4 Оценка равновесия вод с вмещающими породами: методы, подходы, исходные данные 64
ГЛАВА 4. ГЕОХИМИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД РАЙОНА ТОРЕЙСКИХ ОЗЕР 66
4.1 Макрокомпонентный состав вод 66
4.2 Микрокомпоненты в составе подземных вод, их распределение и формы миграции 77
4.2.1 Бром, бор, литий и рубидий 82
4.2.2 Железо, марганец, свинец, медь, цинк, мышьяк, ванадий и уран 84
4.2.3 Стронций и барий 89
4.2.4 Редкоземельные элементы 92
ГЛАВА 5. ОЦЕНКА РАВНОВЕСИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД С ВМЕЩАЮЩИМИ ПОРОДАМИ 97
5.1 Формы миграции основных ионов в составе подземных вод 97
5.2 Оценка подвижности элементов в системе базальты - вода - вторичные отложения 100
5.3 Равновесие вод с основными минералами 103
ГЛАВА 6. ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД 113
6.1 Изотопный состав подземных вод (6D и 618О) 113
6.2 Изотопный состав углерода и кислорода гидрокарбонат-иона (613С(НСОз-) и 618О(НСОз-)).... 116
6.3 Изотопный состав водорастворенной серы (S34S(SO4)) 117
6.4 Тритий (3Н) 117
ГЛАВА 7. ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ТИПЫ И КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ
ФОРМИРОВАНИЯ СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД 120
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 130
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 132
Купить

Актуальность. Проблема засоления пресных подземных вод традиционно является насущной для регионов с засушливым климатом (Kummu и др., 2016), где эти воды нередко - единственный питьевой ресурс. Среди причин, приводящих к засолению, наиболее часто выделяют смешение с солёными поверхностными водами (Liu и др., 2019; Nisi и др., 2022), антропогенное воздействие (Sunkari, Abu, Zango, 2021), а также в последнее время все чаще указывают на роль глобального изменения климата (Давыдова, 2022; Veldkamp и др., 2016). Последний фактор проявляется в еще большей аридизации засушливых областей (Пугачева, 2020). Для России эта проблема стоит не столь остро как для других стран ввиду её географического расположения, однако, граничащий с Монголией юго-восток Забайкальского края аридизация коснулась в полной мере. Больше всего пострадал в этом отношении район трансграничных соленых озер - Зун и Барун- Торей, где затянувшаяся почти на 10 лет засуха стала причиной почти полного отсутствия воды в водоемах вплоть до 2021 года (Давыдова, 2022; Обязов, Кирилюк, Кирилюк, 2021).
Сами Торейские озера вместе с прилегающими водно-болотными угодьями являются уникальными природными объектами международного значения, т.к. они служат средой обитания для многочисленных краснокнижных видов животных, одновременно являясь и развитым сельскохозяйственным регионом, благодаря чему с 2017 г. входят в список Всемирного наследия ЮНЕСКО, и нарастающая здесь проблема аридизации может пагубно сказаться на устойчивости экосистемы. Причины снижения численности гидробионтов, сокращения водной растительности и прочие проблемы связывают с ростом солёности уникальной по своему составу содовой озерной воды (Borzenko и др., 2021), делая ее на период засухи не пригодной для обеспечения жизнедеятельности многих организмов. Между тем понимание механизмов формирования неглубокозалегающих подземных вод, во многом обеспечивающих постоянное существование этих озер благодаря гидравлической связи, может быть основой искомой устойчивости. Этой связи способствует наличие трещиноватых вулканогенных структур, представленных раннемеловыми андезитобазальтами тургинской свиты. Базальты изначально образовывали нашу планету, и как показали последние исследования (Шварцев, 2010; Шварцев, 2016), равновесие с ними в принципе невозможно. Поэтому это неравновесное состояние можно считать начальной точкой эволюции состава вод, которые уже на литогенном этапе в ходе длительного взаимодействия с вмещающими породами становятся содовыми, а значит их формирование нельзя объяснить только засушливостью климата.
Объектом исследования являются подземные воды, а также связанные с ними поверхностные воды (озерные, речные) и атмосферные осадки, отобранные на прилегающей территории озер Зун- и Барун-Торей (юго-восток Забайкальского края), формирование состава которых представляет предмет исследования.
Цель работы - разработка концептуальной модели формирования химического состава подземных вод верхней гидродинамической зоны района Торейских озер (Забайкальский край) в рамках общей теории взаимодействия воды с алюмосиликатными породами.
Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
1) обозначить природные условия региона, влияющие на формирование химического состава подземных вод района Торейских озер;
2) определить характер изменения макро- и микрокомпонентного состава подземных вод района исследования при их движении от источников питания (атмосферные осадки) через вмещающие породы к областям разгрузки (реки, озера);
3) выявить закономерности перераспределения химических элементов в системе вода-порода на основе расчётов форм миграции элементов и их геохимической подвижности, а также оценки термодинамического равновесия воды с основными минералами вмещающих пород;
4) определить источники питания подземных вод и длительность взаимодействия в системе вода-порода на основе изотопного состава воды (6D, S18O), водорастворенных элементов (S13C, S34S) и трития (3H);
5) разработать концептуальную модель формирования химического состава подземных вод района Торейских озер на основе выделенных геохимических типов (по С.Л. Шварцеву).
Фактический материал и методы исследования. В основу работы положены данные о химическом и изотопном составе 59 проб подземных вод верхней динамической зоны - родники, колодцы и скважины глубиной до 70 м, отобранных совместно с учеными из Института природных ресурсов экологии и криологии (ИПРЭК СО РАН, г. Чита) в летние полевые сезоны 2017, 2018, 2019 и 2021 гг. Для изучения источников питания подземных вод и особенностей миграции химических элементов было отобрано 6 проб атмосферных (дождевых) осадков. Для выявления возможной взаимосвязи с поверхностными водами территории дополнительно опробовали реки (9 точек) и озера разного состава (10 точек). Одновременно отбирали образцы горных пород и продуктов выветривания (25 шт.) для определения их минералогического и элементного состава. Макрокомпонентный состав воды определялся методами титриметрии, фотометрии, потенциометрии, турбидиметрии, атомно-абсорбционной и пламенной атомно-эмиссионной спектрометрией в аттестованной лаборатории геоэкологии и гидрогеохимии ИПРЭК СО РАН. Микрокомпонентный состав вод определялся масс-спектрометрическим методом с индуктивносвязанной плазмой (ICP-MS) в Проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии ТПУ (г. Томск) и в Аналитическом центре ИГХ СО РАН (г. Иркутск). Изотопный анализ кислорода и водорода воды, кислорода и углерода растворенных карбонатов, а также серы сульфатов выполнялся с помощью метода изотопной масс-спектрометрии в Аналитическом центре ДВГИ ДВО РАН (г. Владивосток), Лаборатории изотопно-аналитической геохимии ИГМ СО РАН (г. Новосибирск), и частично для изотопов воды - в лаборатории Isotope Tracer Technologies Inc (Уотерлу, Канада). Тритий в воде определялся методом жидкостно-сцинтилляционной спектрометрии в лаборатории ядерной океанологии ТОИ ДВО РАН (г. Владивосток). Пробы воды отбирались в стерильные пластиковые или стеклянные тары, предварительно трижды промытые исследуемой водой. Быстроменяющиеся показатели (температуры рН, Eh, электропроводность) измеряли в полевых условиях с использованием универсального мультиметра AMTAST AMT03 (USA). Комплексные минералого-геохимические исследования образцов водовмещающих горных пород были выполнены в Аналитическом центре геохимии природных систем ТГУ (г. Томск) петрографическим, рентгеноструктурным и рентгенофлуоресцентным методами, а также масс- спектрометрией с индуктивно связанной плазмой и растровой электронной микроскопией. Все полученные данные были статистически обработаны в программном пакете Statistica с учетом закона распределения.
Настоящее исследование базируются на сформулированной С.Л. Шварцевым концепции о геологической эволюции системы вода-порода порода (Шварцев, 1998), в рамках которой было предложено понятие о равновесно-неравновесном состоянии системы. Согласно этой теории, вода всегда не равновесна относительно эндогенных минералов основного состава, т.е. они непрерывно растворяются водой, но равновесна к определенному набору вторичных минералов, которые формируются в качестве вторичных в результате этого взаимодействия, что и обеспечивает непрерывную эволюцию состава вод. Состав подземных вод при этом определяется разностью химических элементов поступивших в раствор в результате растворения пород, и элементами, связываемыми образующимися вторичными минералами. Технически этот подход к формированию состава вод был реализован с помощью расчетов форм миграции элементов и индексов насыщения раствора относительно минералов (SI) в приложениях для физико-химического моделирования HydroGeo (Россия), и Geochemist’s Workbench (США). Оценка подвижности химических элементов на начальном этапе взаимодействия в системе вода-порода проведена на основе расчетов коэффициентов водной миграции Кх, и геохимической подвижности Кп.
Полученные результаты визуализировались с помощью программ: GWB (диаграммы полей устойчивости минералов, Eh-pH), ArcGis (площади водосбора Торейских озер, распределения химических и других типов и др.), Adobe Illustrator (концептуальная модель и графики).
Научная новизна.
1) Впервые на большом фактическом материале показано, что подземные воды района
Торейских озер представляют собой сложную единую природную систему с поверхностными (атмосферные, речные, озерные) водами, формирующуюся в условиях повышенного испарения. 2) На основе статистического анализа данных показано, что в направлении от области питания в сторону внутреннего стока меняется не только макро-, но и микрокомпонентный состав подземных вод. 3) С помощью термодинамических расчётов в современных программных комплексах (Hydrogeo, GWB) рассчитан характер равновесия вод с минералами вмещающих пород (прежде всего базальтов), что позволило выделить геохимические типы вод. 4) На основе современных данных по изотопному составу (6180, 6D, 613C, 3H) доказано, что подземные воды имеют
инфильтрационное происхождение, дана оценка длительности взаимодействия в системе вода- порода, определены источники углерода и связь с озерными водами. 5) Впервые для района исследования разработана концептуальная модель формирования химического состава подземных вод.
Научные положения, выносимые на защиту:
1) В районе Торейских озёр развиты гидрокарбонатные подземные воды с пестрым катионным составом, который поэтапно сменяется от НСОз-Са через НСОз-Mg к НСОз-Na от областей питания к области разгрузки. Локально у озер встречены соленые разновидности вод (HCO3-SO4-Cl-Na и др.). В этом же направлении растут величины pH воды, минерализация, содержания Na, K, Cl, SO 4, Br, B, Li, F, As, U, V и других элементов. Часть компонентов наоборот постепенно уходит из раствора (Са, Mg, Sr, Ba, SiO2, РЗЭ). При этом высокие значения pH и солёности являются отличительной особенностью всех природных вод региона (атмосферных осадков, речных, озерных), что указывает на единую сложную природную систему, развивающуюся в условиях повышенного испарения.
2) Все природные воды территории неравновесны относительно исходных Ca-Mg-Fe алюмосиликатных пород, особенно широко развитых здесь базальтов, что и обеспечивает эволюцию состава. При этом воды различаются по характерному набору равновесных вторичных минералов. В направлении от области питания в сторону разгрузки увеличивается количество и разнообразие равновесных вторичных фаз. При этом уменьшается интенсивность миграции основных элементов, большинство из которых на разных этапах уходят во вторичные отложения (Са, Mg, Sr, Ba, РЗЭ). Продолжают накапливаться в водах - Na, Cl и S.
3) Формирование химического состава подземных вод региона является результатом
сложного сочетания атмогенного, литогенного и испарительного этапов. По мере движения от области питания в область стока к озерам время взаимодействия со вмещающими породами растет, параллельно усиливается влияние испарения. В этом же направлении формируется три геохимических типа вод: кремнистый, содовый и солесодержащий, каждый из которых отличается по химическому составу и набору вторичных минеральных фаз. При этом осадки уже обогащены солями местного генезиса, которые поступают в атмосферу из всех компонентов ландшафта, в том числе и с акваторий обмелевших соленых озер, т. е. система всегда работает в условиях повышенной солености, способствуя развитию засоления.
Достоверность результатов работы подтверждается большим количеством данных о составе вод и пород территории, полученных с помощью современного высокоточного оборудования в аттестованных лабораториях, а также степенью проработки фактического материала и литературы по теме исследования, апробацией основных научных результатов на различных международных конференциях и публикациями в рецензируемых российских и зарубежных журналах.
Практическая значимость работы. Полученные данные по химическому составу природных вод и горных пород района Торейских озёр могут быть использованы в качестве фоновых значений организациями, осуществляющими экологический мониторинг, водоподготовку и последующее водоснабжение, инженерно-геологические, -экологические и
- гидрометеорологические изыскания на территории юго-восточного Забайкалья, а также для наблюдения за экосистемой международного российско-монгольско-китайского заповедника «Даурия». В контексте растущей аридизации данные также могут быть использованы при разработке новых механизмов адаптации экономики к климатическим изменениям с целью обеспечения экономической устойчивости и экологической безопасности региона. Кроме того, полученные результаты моделирования и выявленные факторы формирования состава воды могут быть распространены на другие природные системы в схожих условиях.
Материалы научного исследования были использованы при выполнении работ по грантам РНФ № 17-17-01158 «Механизмы взаимодействия, состояние равновесия, и направленность эволюции системы соленые воды и рассолы - основные и ультраосновные породы (на примере регионов Сибирской платформы)» (руководитель Шварцев С.Л., Лепокурова О.Е.), РФФИ № 18-0500104 А «Геохимия озер Восточного Забайкалья: гидрогеохимические условия формирования и их минеральные ресурсы» (руководитель Борзенко С.В.), РФФИ № 20-35-90040 Аспирантам «Формирование химического состава подземных вод в условиях аридного климата на примере восточного Забайкалья» (руководитель Лепокурова О.Е.), РНФ № 22-17-00035 «Экология и эволюция водных экосистем в условиях климатических флуктуаций и техногенной нагрузки» (руководитель Борзенко С.В.).
Апробация работы и публикации. Результаты исследования опубликованы в 19 научных работах, в том числе 4 из них в рецензируемых журналах, индексируемых в базах данных Scopus, Web of Science и рекомендованных перечнем ВАК. Полученные результаты были представлены на научных конференциях различного уровня как за рубежом (80th EAGE Conference and Exhibition, г. Копенгаген, 2018 и Near Surface Geoscience, г. Амстердам, 2020, онлайн) так и в России: III Всероссийская научная конференция с международным участием "Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами" (г. Чита, 2018), 16th International Symposium on WaterRock Interaction (г. Томск, 2019), Всероссийская конференция-конкурс студентов и аспирантов (г. Санкт-Петербург, 2019), XV Международный форум-конкурс студентов и молодых ученых "Актуальные проблемы недропользования" (Санкт-Петербург, 2019), IV Всероссийская научная конференция с международным участием имени профессора С.Л. Шварцева "Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами" (г. Улан-Удэ, 2020), XXIII Всероссийском совещании по подземным водам Сибири и Дальнего Востока (г. Иркутск, 2021), Всероссийская молодежная научная конференция с участием иностранных ученых "Трофимуковские чтения" (г. Новосибирск, 2019, 2021), Международный симпозиум студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова (г. Томск, 2018, 2019, 2021).
Личный вклад автора. Автор лично принимал участие в комплексном гидрогеохимическом опробовании проб воды, образцов горных пород и вторичных образований на территории восточного Забайкалья в 2017-19 и 2021 гг., а также в пробоподготовке и проведении аналитических и экспериментальных работ совместно с сотрудниками ИПРЭК СО РАН. Автором проведена самостоятельная статистическая и графическая обработка полученных данных, термодинамические расчёты в системе вода-порода, сформулированы основные защищаемые положения и предложено их доказательство.
Структура и объем диссертации. Диссертация объёмом 150 страниц машинописного текста состоит из введения, 7 глав, заключения, списка литературы из 223 наименований, содержит 69 рисунков и 22 таблицы.
Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность и благодарность д.г.- м.н, профессору Степану Львовичу Шварцеву за приобщение к работе над научными проектами, содействие в выборе темы настоящего исследования, организацию первого полевого выезда на территорию восточного Забайкалья и бесценный опыт. За проявленное терпение, отзывчивость и веру в способности автора, а также за направление хода мыслей автор глубоко благодарен своему научному руководителю д.г.-м.н. Лепокуровой Олесе Евгеньевне. Искреннюю признательность за научные идеи, неоценимую поддержку, а также организацию полевых работ д.г.- м.н. Борзенко Светлане Владимировне, благодаря которой была собрана база гидрогеохимических данных и построено исследование, а также всему коллективу лаборатории геоэкологии и гидрогеохимии ИПРЭК СО РАН и в особенности Федорову И.А. за помощь в проведении аналитических работ. Глубокая признательность выражается профессорам канадского университета Уотерлу за научные идеи, рекомендованную литературу, неравнодушное отношение, выделенное время и помощь в лабораторных исследованиях изотопного состава воды: Орфану Шуакар-Стэшу и Рэнди Стотлеру. За проявленное внимание, разносторонние и своевременные рекомендации автор благодарит д.г.-м.н. Наталью Владимировну Гусеву. Автор также выражает искреннюю признательность за помощь в работе с графическими программами, составлении карт и выполнении термодинамических расчётов кандидатам наук Никитенкову А.Н, Янкович Е.П., Пургиной Д.В. и сотруднику ИПРЭК СО РАН Усманову М.Т. За оказанную помощь на разных этапах работы автор благодарит сотрудников отделения геологии ТПУ: д.г.-м.н. Дутову Е.М., д.г.н., Савичева О.Г, к.г.- м.н.: Токаренко О.Г., Пасечник Е.Ю., Моисееву Ю.А., Воробьёву Д.А, Соктоева Б.Р. и аспиранта Мишанькина А.Ю. Автор искренне признателен коллективу лаборатории гидрогеохимии и геоэкологии ТФ ИНГГ СО РАН в лице к.г.-м.н.: Ивановой И.С., Колубаевой Ю.В., Зиппа Е.В, Домрочевой Е.В., а также всем сотрудникам организации за неоценимую моральную поддержку на протяжении всего выполнения диссертационного исследования. Также автор искренне благодарен своей семье за моральную поддержку и безграничное терпение.

Купить