Формирование химического состава сульфатных подземных вод юго-востока татарстана

И.Л.Хархордин (МНЦ гидрогеоэкологии СпбГУ), О.И. Галумянц (Альметьевская ГРЭ)

«Проблемы изучения химического состава подземных вод». –Шестые Толстихинские чтения. –Материалы научно-методической конференции.-С-Петербург. –1997

На площади Восточно-Европейской артезианской области широко распространены сульфатные воды. Они часто занимают в гидрохимическом разрезе промежуточное положение между зоной пресных гидрокарбонатных вод и зоной хлоридных соленых вод и рассолов. Наблюдаются также переходные типы - HCO3-SO4, SO4-C1, CI-SO4. Их минерализация колеблется, как правило, от 1.5 до 20 г/л, а состав от сульфатного кальциевого до сульфатного натриевого [1,5,6,7].

Для юго-востока Татарстана многими авторами отмечалась «пестрота» химического состава подземных вод, особенно, в верхней части разреза [2,9]. В то же время между различными классами сульфатных вод на данной территории прослеживаются четкие переходы и наблюдается явная взаимосвязь. Дополнительный интерес к проблеме формирования сульфатных вод на юго-востоке Татарстана связан с их подтягиванием к водозаборным сооружениям, влекущим ухудшение качества отбираемых вод до непитьевых кондиций.

Прежде, чем перейти к описанию данных химических анализов, необходимо отметить некоторые особенности строения территории,важные для понимания процессов формирования химического состава природных вод. Во-первых, это наиболее возвышенная часть юго-востока Татарии. К ней приурочены истоки крупных рек и региональные водоразделы. В силу такого положения данная территория является областью питания для более глубоких горизонтов, а местный сток формируется преимущественно за счет верховодок и близповерхностных водоносных горизонтов. Во-вторых, наличие глубоко врезанной эрозионной сети (до 100 - 150 метров) и относительно слабопроницаемых прослоев в геологическом разрезе обусловило наличие больших разрывов уровней между отдельными водоносными слоями и существенно трехмерную картину фильтрации подземных вод. В-третьих, описываемая территория полностью находится за пределами крупных нефтяных месторождений (Ромашкинское и Ново-Елховское), что исключает загрязнение подземных вод, связанное с нефтяной промышленностью. В-четвертых, в разрезе казанского яруса верхней перми имеются гипсоносные породы, с которыми связано формирование сульфатных вод.

Описание химического состава подземных вод наиболее логично начать с данных по поисковым скважинам, т.к. они позволяют определить положение различных типов вод в гидрогеологическом разрезе, в то время как по водозаборным скважинам и родникам мы можем получить только некоторую интегральную характеристику по всему водосборному бассейну.

В верхней части разреза распространены наиболее пресные гидрокарбонатные магниево-кальциевые и кальциево-магниевые воды с минерализацией 320-550 мг/л. Концентрация сульфат-ионов обычно составляет 0.5-1.5 мг-экв/л. Это типичные воды, формирующие свой состав за счет растворения карбонатных минералов (преимущественно доломита, в меньшей степени - кальцита), мг-экв/л. Это типичные воды, формирующие свой состав за счет растворения карбонатных минералов (преимущественно доломита, в меньшей степени - кальцита).

           Под зоной пресных вод залегают слабосолоноватые воды с минерализацией от 700 до 5000 мг/л, которые по химическому составу можно условно разбить на три на три группы. На рисунке 1 показана зависимость концентраций кальция и натрия от концентрации сульфат-ионов. В области низких концентраций

рост сульфатов происходит одновременно с увеличением концентрации ионов кальция, и формирующиеся воды имеют типичный облик вод, образующихся при растворении гипса. Их минерализация достигает 1,5-2,2 г/л, в анионном составе преобладают сульфат-ионы, а в катионном -кальций резко преобладает над магнием и натрием.

Дальнейший рост концентрации сульфат-иона происходит на фоне практически постоянных и даже несколько снижающихся концентраций ионов кальция и возрастающих натрия. Воды этой группы имеют минерализацию 3-5 г/л. В их химическом составе из анионов также преобладает сульфат-ион, а в катионном составе кальций и натрий резко преобладает над магнием. В более глубоких горизонтах эти воды сменяются сульфатными и хлоридно-сульфатными натриевыми водами [3,4]. В формировании химического состава этого типа вод наряду с растворением гипса важную роль играет процесс ионного обмена ионов кальция на натрий обменного комплекса

Са2+раст  + 2Naо6м > 2Na+paст + Саобм

В.Г. Попов [8,7], изучая формирование сульфатных вод Башкирии, в лабораторном эксперименте при многократном наложении процессов растворения гипса и ионного обмена получил сульфатные натриевые воды с минерализацией до 17 г/л.

К третьей группе можно отнести сульфатные воды со смешанным катионным составом (примерно равные доли натрия, кальция и магния) и минерализацией около 3 г/л. В их формировании совместно с двумя вышеупомянутыми процессами важную роль, по-видимому, играет растворение доломита с образованием вторичного кальцита

Са2+ + CaMg(CO3)2 > Мg2++СаСОз.

Необходимо отметить, что во всех перечисленных типах вод концентрации хлорид-ионов не превышают первых десятков миллиграммов в литре, хотя в водных вытяжках их содержание достигало 100-200 мг/л на 100 г породы. Этот факт, как и наличие натрия в обменном комплексе свидетельствует о наличии зон с относительно замедленным водообменом и еще не завершившемся промыве территории инфильтрационными водами.

По данным численного моделирования установлено, что все воды с минерализацией более 2 г/л равновесны с гипсом и близки к равновесию с кальцитом. Несколько больший разброс данных по насыщенности подземных вод по отношению к кальциту обусловлен высокой чувствительностью использованных моделей к неустойчивым показателям (рН, концентрация НСО3).

В ранее проведенных исследованиях в качестве важных источников поступления в подземные воды казанских отложений сульфат-ионов назывались также окисление пирита и перетекание сульфатных вод нижележащих горизонтов. На данный момент можно с большой долей уверенности утверждать, что окисление пирита не играет существенной роли в формировании макрокомпонентного состава подземных вод, т.к., во-первых, наиболее значительные скопления пирита приурочены преимущественно к наименее проницаемым отложениям нижнеказанского и верхам уфимского ярусов, а для активного окисления пирита требуется поступление значительного количества кислорода (на образование 96 мг сульфат-иона расходуется 64 мг кислорода), во-вторых, пирит находится в слабоизмененном состоянии, отсутствуют вторичные продукты окисления (окислы и гидроксиды железа, сидерит). Перетекание сульфатных вод из нижележащих отложений также маловероятно из чисто гидродинамических соображений (пьезометрическая поверхность верхних горизонтов находится значительно выше, чем нижних).

Воды родников по химическому составу сходны с водами, вскрытыми наблюдательными скважинами в верхней части гидрогеологического разреза,-пресные гидрокарбонатные калышево-магниевые и магниево-кальциевые воды с минерализацией 300-500 мг/л.

Средние концентрации сульфат-ионов в водах родников составляют около 1 мг-экв/л. На рисунке 2 показана зависимость концентраций сульфат-ионов от абсолютных отметок родника. Четкой связи не прослеживается, однако можно отметить, что родники с содержаниями сульфат-иона более 1.5 мг/л встречаются только на абсолютных отметках ниже 220 метров.

Можно сделать вывод, что разгрузка вскрытых скважинами на водоразделах солоноватых вод фиксируются только в родниках с низкими гипсометрическими отметками и составляет не более первых процентов от общего расхода родников.

Данные по химическому составу водозаборных скважин имеют больший разброс, чем по родникам. В большинстве из них откачиваются пресные гидрокарбонатные кальциево-магниевые и магниево-кальциевые воды. Однако, в ряде скважин вода имеет повышенную минерализацию (до 1.3 г/л). Их состав соответствует разбавленным минерализованным водам, вскрытым поисковыми скважинами. Это преимущественно сульфатные кальциевые, в меньшей степени кальциево-магниевые воды.

Вероятной причиной ухудшения качества воды в водозаборных скважинах является перераспределение стока в результате откачки и подтягивание в приводораздельных площадей более минерализованных вод, ранее уходивших на питание более глубоких горизонтов.

Средняя концентрация сульфат-ионов в водах рек несколько выше, чем в родниках, что указывает на наличие скрытой разгрузки подземных вод большей минерализации. Она растет вместе с концентрацией ионов кальция. Это указывает, что их источником является растворение гипса, не осложненное другими процессами. Зависимость концентраций катионов от концентрации сульфатов показана на рисунке 3. В одной точке (р. Лесная Шешма) обнаружены сульфатные натриево-кальциевые воды.

Выводы

1. Пестрота наблюдаемого распределения химического состава подземных вод в пределах отдельных водоносных горизонтов обусловлена, в первую очередь, существенно трехмерной картиной фильтрации подземных вод.

2. Все сульфатные воды верхних водоносных горизонтов с минерализацией более 2г/л находятся в равновесии с гипсом. . По мере перехода к зонам с большим временем водообмена наблюдается изменение химического состава подземных вод в следующем направлении: SO4-Ca > SO4-Na-Ca-(Mg) > SO4-Na > SO4 -Cl - Na.

3. Причиной ухудшения качества подземных вод на водозаборах является преимущественно латеральное подтягивание некондиционных вод с водораздельных площадей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1. Афанасьев Т.П. Подземные воды Среднего Поволжья и Прикамья и гидрохимическая зональность. М.: Изд-во АН СССР, 1956.

  2. Галиев У.З., СтанкевичЕ.Ф. Подземные воды Восточного Закамья. Казань, 1964.

  3. Герасимов В.Г. Подземные воды сакмарского яруса. Татарская нефть, 1958, №2, стр. 40-41.

  4. Kaвeeв M.C., Любочка ВА„ Халикоеа ГХ. Гидрохимический режим подземных вод сакмарского яруса с. Муслюмово. Татарская нефть, 1957, № 9, стр. 22-24.

  5. КирюхинВА., ТолстихинН.И. Региональная гидрогеология. М.: Недра, 1987, 382с.

  6. Николаев Ю.В. Сульфатные натриевые воды северной части Московского артезианского бассейна. Советская геология, 1975, № 9, с. 144-147.

  7. Попов В.Г., Абдрахманов Р.Ф., Тугуши И.Н. Обменно-адсорбционные процессы в подземной гидросфере. БНЦ УрО РАН, Уфа, 1992, 156 с.

  8. Попов В.Г. Генезис подземных сульфатных натриевых вод Урало-Поволжья (по данным экспериментальных исследований). Гидрохимические материалы, т. 107, 1990, с. 30-46.

  9. Станкевич Е.Ф., Каштанов С.Г. Гидрохимическая характеристика пресных и слабосолоноватых подземных вод Татарской АССР. В кн.: Гидрогеология и геотектоника Среднего Поволжья и Енисейского кряжа, изд-во КГУ, 1972, с. 9-24.

Работа  частично поддержана Российским фондом фундаментальных исследований, коды проектов 95-05-64419 и 96-05-64338.

Тематические разделы: