Химический состав подземных вод таликов долины среднего течения реки Лены

УДК 551.491.4+551.345

Химический состав подземных вод таликов долины среднего течения реки Лены

Н.П. Анисимова, Н.А. Павлова, Я.В. Стамбовская

По материалам многолетних исследований освещен химический состав подземных вод сквозных и надмерзлот-ных таликов, развитых под руслом, протоками и на низких террасах долины среднего течения р. Лены. Характеризуется изменчивость химического состава подземных вод по вертикальному разрезу и по протяженности русловых отложений в области сквозного талика под р. Леной в зависимости от изменения минерализации питающих поверхностных вод в годовом цикле и особенностей состава подстилающих коренных пород. Рассматривается роль антропогенного загрязнения и криогенных процессов в изменении состава таликовых вод.

Chemical composition of underground waters of continuous and supraperntafrost taliks that developed under the bed, channels and low terraces of the Middle Lena River is reviewed according to the materials of long-term researches. Variability of chemical composition of underground waters is described according to vertical section and extension of channel deposits at the area of continuous talik under the Lena River bed, depending on change of mineralization offeedwaters in a full-year cycle andfeatures of bedrocks composition. The role of antropogenic contamination and cryogenic processes in alteration of talik waters composition is also reviewed in this paper.

Главная водная магистраль Якутии - р. Лена -является одной из крупнейших рек в России. Наиболее густо заселен бассейн ее среднего течения, в пределах которого река из области Приленского плато переходит на Центрально-Якутскую низменность. Соответственно изменяется характер долины: от узкой с крутыми отвесными скальными берегами к обширной террасированной аккумулятивной равнине. Левобережная наиболее расширенная террасированная часть долины реки между Табагинским и Кангаласским выступами коренных пород известна под названием Туймаада. Ширина ее - 6-8 км. Здесь развиты две террасы и пойма, которая от основного русла отделена многочисленными протоками и островами. Ширина главного русла р. Лены в створе г. Якутска составляет около 3 км. Правобережные низкие террасы отделяются от четвертой (бестяхской) уступом высотой до 20 м. Глубина реки в среднем составляет 3-5 м, достигая по фарватеру до 15-20 м.

Весеннее половодье реки характеризуется быстрым и высоким подъемом уровней. Основной сток происходит в теплый период года. На долю зимнего приходится 9-11 % от общего годового объема стока. Ледостав длится с первой половины ноября до второй половины мая. Основное питание река получает от таяния снега (50 %), на дождевое при-

АНИСИМОВА Нина Петровна, д.г.-м.н., г.н.с. ИМЗ СО РАН; ПАВЛОВА Надежда Анатольевна, к.г.-м.н., н.с. ИМЗ СО РАН; СТАМБОВСКАЯ Яна Владимировна, аспирант ИМЗ СО РАН

ходится до 35 % и около 15 % составляет подземное питание.

Многолетнемерзлые породы (ММЦ) распространены повсеместно, за исключением русла р. Лены и крупных озер, под которыми существуют сквозные талики. Мощность ММП изменяется от 20 до 450 м. Наименьшие значения (20-50 м) отмечаются в пределах низкой поймы, островов и под некоторыми подозерными таликами. На первой и второй надпойменных террасах правого берега (напротив г. Покровска), отделенных от русловой части реки широкой поймой, мощность мерзлых пород достигает 250-350 м, на первой надпойменной террасе левого берега (в районе г. Якутска и пос. -Жатай) она составляет 216-270 м, увеличиваясь к северу до 475 м (пос. Хатырык). Глубина сезонного протаивания пород зависит от общеклиматических и большого числа локальных факторов: лито-логического состава пород, их влажности, водопроницаемости, затененности поверхности, типа растительности, положения участка в рельефе, температуры подстилающих пород и др. В зависимости от этих факторов мощность сезонно протаивающего слоя изменяется в значительных пределах (от 0,3 до 4,5 м).

Температура ММП в пределах надпойменных террас неоднородна. Наиболее низкими ее значениями характеризуются породы, слагающие пойму (от -2,5 до -4°С), поверхность которой в значительной степени заболочена и заторфована. Породы, слагающие первую и вторую надпойменные террасы, охлаждены меньше (от -0,9 до -2,5°С), но

на заболоченных и заторфованных участках в тыловых частях террас температура понижается до -3,6°С.

Происхождение таликов в мерзлых породах долины р. Лены связано с отепляющим воздействием речных, озерных и надмерзлотных вод. По положению в рельефе талики подразделяются на под-русловые, развитые в современных русловых отложениях и в коренных породах непосредственно под рекой, и террасовые, сформировавшиеся под пойменными и старичными озерами, а также в низинах у оснований увалов, гряд и склонов террас [1].

Сквозной подрусловой талик. Существование надмерзлотного подруслового талика под протоками р. Лены было установлено бурением экспедициями Коммунводстроя в 1932-1934 гг. и Геологического управления в 1960-1961 гг. Сквозной подрусловой талик под р. Леной был опробован в 1958 г. экспедицией Гидропроекта в районе г. Пок-ровска. Скважинами глубиной 70-200 м, пробуренными на островах и в русле реки, пройдены песча-но-галечниковые отложения мощностью до 27 м и подстилающие их трещиноватые кембрийские известняки.

Минерализация подземных вод и их химический состав по разрезу аллювиальных отложений в талике под р. Леной неоднородны. В верхних слоях русловых отложений химический состав воды изменяется в годовом цикле в соответствии с изменениями, происходящими в составе питающей их речной воды (рис. 1).

Зимой минерализация воды в реке достигает 500 мг/л при гидрокарбонатно-хлоридном составе, а в теплый период понижается до 70-150 мг/л, и преобладающими становятся гидрокарбонаты кальция и магния.

В нижних слоях аллювиальной толщи подруслового талика на химический состав воды оказывает влияние минералогический состав подстилающих коренных пород. Южнее г. Покровска, где русловые отложения залегают на кембрийских известняках, в химическом составе подземных вод нижних слоев подруслового талика преобладают гидрокарбонаты кальция и магния, а минерализация составляет 330-570 мг/л (интервал 33-70 м).

Ниже по течению реки, при погружении кембрийских известняков под юрские песчаники, в ионном составе воды в нижних слоях русловых отложений преобладающими становятся гидрокарбонаты и натрий при минерализации воды 350-490 мг/л (рис. 2).

Ледовый покров

Ледовый покров

------—-"Л

/' \ Уровень

/ \ СТ.. / \

\ /

нсо, / \

. \ Ca+Mg

II III IV V VI VII VIII IX х XI XII

5 в ti

<1

'I

2 £ , 8 1 J

05

0

Месяцы

Рис. 1. Изменение содержания главных ионов в воде р. Лены у пос. Табага в 1280 м от левого берега [2]

Рис. 2. Химический состав воды подруслового талика в среднем течении р. Лены

Температура пород под руслом р. Лены изменяется от 1 до 4°С. На старых островах породы до глубины 15-60 м мерзлые [3]. В талике под ними вода в коренных породах имеет несколько повышенную минерализацию. Так, в трещиноватых кембрийских известняках на острове напротив г. Покровска минерализация воды под мерзлыми породами на глубине 15 м была 500 мг/л при гидрокарбонатном магниево-кальциевом составе, а на острове Пономарёв напротив г. Якутска под 25-метровой толщей мерзлых пород вода, вскрытая в юрском песчанике, имела гидрокарбонатный натриевый состав при повышенном содержании хлоридов и минерализации около 1 г/л. Такой состав может быть результатом затрудненного водообмена под мерзлыми породами.

Анализ данных химического состава воды в русловых отложениях сквозного талика под р.Ле-ной в среднем течении (от с. Булгунняхтах до с. Намцы) свидетельствует об отсутствии разгрузки в русло реки подземных минерализованных вод, залегающих в коренных породах. Химический состав воды, вскрытой скважиной под 173-метровой толщей ММП в юрских песчаниках на пойме левого берега у Табагинского мыса), по формуле Кур-лова:

w стнсолА

м --—

1,6 (Na + K)98 '

Подмерзлотные воды среднекембрийских отложений, вскрытые скважиной на правом берегу (п. Красный ручей) на глубине 350 м, имеют следующий состав:

w cmso.32Hco,30

М -2-i-

2'° {Na + K)14Mg\ 5Са\ 0

Вводы высоконапорные, но разгрузка их на поверхность затруднена наличием в разрезе вышеза-легающей толщи пород водоупорных слоев [4]. В разрезе майского яруса среднего кембрия (в пределах южной части рассматриваемого района) водоупорная пачка из мергелей с прослоями доломитов и известняков мощностью более 100 м пройдена скважинами начиная с глубины 50-75 м.

Надмерзлотные талики. Широкая аккумулятивная пойма р. Лены характеризуется множеством проток и озер, затапливаемых в весенний паводок.

Под протоками р. Лены в районе долины Туй-маада талики несквозные, а их мощность в русловых отложениях достигает 40 м. Химический состав подземных вод определяется составом речной воды и стоками поверхностных и надмерзлотных таликовых вод с террас.

Минерализация поверхностной воды в Табагинс-кой, Хатасской, Городской, Жатайской и Даркылахс-кой протоках, находящихся у левого берега реки напротив города Якутска, в июне составляет 50-60 мг/ л, с преобладанием в ионном составе гидрокарбонатов кальция. В конце лета она повышается до 170-180 мг/л, а в ионном составе повышается роль хлоридов и сульфатов натрия (таблица). Наиболее высокие значения минерализации воды в протоках, как и в главном русле реки, отмечаются в конце зимнего периода (до 500 мг/л) с преобладанием в составе хлоридов натрия. В подрусловом талике Адамовс-кой протоки, находящейся напротив г. Якутска, состав и минерализация подземных вод зимой (февраль) несколько изменяется по его разрезу: в

верхней части (глубина - 6-9 м) минерализация воды около 620 мг/л с преобладанием в ионном составе гидрокарбонатов натрия и магния, а глубже (в интервале 12-15 м) она несколько ниже (470 мг/л) при гидрокарбонатном натриевом составе.

Таликовые воды в Адамовской протоке:

неодет

м ---

06 (Ыа + К)4Шё35'

В талике под Даркылахской протокой, находящейся ниже по течению р. Лены, в верхней части толщи аллювиальных отложений на глубине 1-9 м минерализация подземных вод в апреле около 500 мг/л при гидрокарбонатно-хлоридном составе, смешанном по катионам.

Таликовые воды в Даркылахской протоке:

>г НСОЛ6С144БОЛО

М -^---

05 Мё40Са37(Ма + К)23'

На химический состав воды надмерзлотные таликов под протоками, находящимися вблизи города, оказывает влияние поступление в аллювий загрязненных надмерзлотных стоков с городской территории. Это подтверждается повышенным содержанием в воде талика ионов хлора.

Более высокое накопление загрязняющих веществ в аллювиальных отложениях проток происходит в условиях затрудненного водообмена. Так, например, при строительстве 202 квартала города Якутска после намыва на ее поверхность песка минерализация воды в русловых отложениях засыпанных проток повысилась до 1-2 г/л при преобладании в ионном составе ионов хлоридов и сульфатов натрия, поступающих с загрязненными над-мерзлотными водами с первой надпойменной террасы.

В отложениях, слагающих надпойменные террасы р. Лены, широкое распространение имеют надмерзлотные водоносные талики под малыми притоками р. Лены и под озерами. В нижнем течении малых правобережных притоков р. Лены (Там-ма, Лютенка, Менда, Суола) мощность подрусло-вых таликов в хорошо фильтрующих песчанико-во-галечниковых отложениях составляет 30-60 м и иногда распространяется глубже в подстилающие коренные породы. Наибольшая водоносность таких проточных таликов отмечается под малыми притоками в пределах Бестяхской террасы. Даже при сравнительно небольшой ширине русла (10-20 м) и непостоянном поверхностном стоке подрусловые талики здесь сохраняются, что объясняется повышенной фильтрацией в них воды и

АНИСНМОЫ, ПАВЛОВА, СТАМЬЖ'КАЯ

сравнительно высокой отрицательной температурой окружающих ММП. Так, например, вода в талике под сухим руслом р. Там мы в апреле (до паводка) на глубине 3-13 м имеет минерализацию 200-300 мг/л. Химический состав ее гидрокарбонатный магниево-кальциевый.

Повышенная мощность подрусловых таликов под правобережными малыми притоками р. Лены отмечается на участках залегания песчано-галеч-ных отложений на трещиноватых коренных породах. Так, например, в нижнем течении р. Менды мощность водоносного талика достигает 60 м. При опробовании его в августе дебит скважины составил 1,8 л/сек., минерализация воды 200 мг/л, а в химическом составе преобладали гидрокарбонаты кальция. Разгрузка подрусловых вод малых правобережных притоков происходит в подрусловой талик Лены. Иногда на приустьевых участках таких рек формируются наледи.

Левобережные малые притоки р. Лены в долине Туймаада (Шестаковка, Хатыннах, Мархинка, Золотинка) не имеют круглогодичного стока, поэтому в зимний период небольшие подрусловые талики сохраняются лишь на отдельных более углубленных участках их русел. В одном из таких подрусловых таликов в нижнем течении р. Мар-хинки в конце зимы (апрель) на глубине 1,5 м вода имела минерализацию 238 мг/л, гидрокарбонатный I натриево-магниево-кальциевый состав и высокое | содержание органики. Подрусловые талики р. Ше-стаковки развиты под озеровидными расширениями ее русла в нижнем течении.

На первой и второй террасах р. Лены распространены также надмерзлотные водоносные талики под озерами и старицами. Глубина залегания подземных вод в подозерной части таликов определяется глубиной озера, а на обсохших промерзающих участках котловины соответствует мощности новообразованных ММП. Мощность таликов под \ небольшими мелководными озерами не превыша-I ет 20 м, а при глубине воды 2-3 м и ширине 100-I 200 м она увеличивается до 30-40 м.

В таликах под постоянно или периодически ; проточными озерами минерализация подземных , вод не превышает 400-700 мг/л. В ионном их составе преобладают гидрокарбонаты, кальций, магний, иногда натрий. Под небольшими непроточными озерами, глубиной менее 1 м, талики маломощны (0,5-1,5 м). Минерализация воды в них часто больше 1 г/л.

Несмотря на то, что большинство старичных озер на низких террасах, располагающихся цепоч-

кой, в высокий паводок соединяются, связь между их подозернымм таликами в настоящее время нарушена вследствие образования мерзлых пород между озерами на обсыхающих участках, по которым проходят дороги.

На низких левобережных террасах р. Лены, при широком распространении засоленных почвенных горизонтов (солончаки), под обсыхающими котловинами часто встречаются небольшие промерзающие подозерные талики с минерализацией воды 2,5-4 г/л. В реликтовых подозерных таликах под полностью обсохшими котловинами минерализация воды иногда достигает 60 г/л, а в ионном составе преобладают сульфаты и хлориды, натрий и магний.

В повышении засоленности подземных вод в подозерных таликах в пределах густонаселенной части долины Туймаада имеет значение техногенное загрязнение территории [6].

Хороший состав воды в озерах и в таликах под ними сохраняется при условии их проточ-ности и восполнения запасов талыми и слабоминерализованными надмерзлотными водами. На левобережье такие озера находятся у основания склона аллювиальной равнины, а на правобережье - у основания четвертой надпойменной бестяхской террасы. Таковы, например, озера, находящиеся южнее пос. Павловск, где происходит их пополнение водами не только атмосферных осадков, но и межмерзлотных таликов, развитых на бестяхской террасе, которые разгружаются в распадках, образуя круглогодично действующие источники, а также субаквально в некоторых озерах низких террас, например, в озеро Булуус.

Приведенный материал показывает, что главными факторами, определяющими качество подземных вод как в сквозных, так и в надмерзлот-ных таликах, является интенсивный водообмен, а также восполнимость запасов водой хорошего качества. На рассмотренном участке этим требованиям отвечает талик под руслом р. Лены выше г. Покровска, где русловые отложения подстилаются водоносными трещиноватыми известняками. В районе долины Туймаада под протоками продуктивный горизонт приурочен лишь к толще подрусловых отложений. Однако при использовании этих вод в прибрежных районах для питьевых нужд необходимо учитывать возможность их техногенного загрязнения надмерзлотными водами, поступающими с урбанизированной территории.

Таблица

Химический состав вод прибрежных проток реки Лены на участке долины Туймаада [5]

Название протоки pH Сумма минеральных Форма выра- Ca 2+ Mg2+ (Na+K)+ НСОз" so42" er

веществ, мг/л жения

Табагинская 7,5 178 мг/л 18 5,5 22 1,2 48 75 32

мг-экв% 39 20 41 24 48 28

Хатасская 7,3 186 мг/л 30 8 27 1 82 36 43

мг-экв% 44 19 37 41 23 37

Хатасская 5,9 163 мг/л 21 6 21,5 0,7 9 77 29

мг-экв% 42 20 38 6 62 32

Пригородная 7,4 143 мг/л 24 6 21,5 1,2 55 41 25

мг-экв% 46 19 35 37 35 29

Жатайская 8,1 112 мг/л 17 6 17,5 0,7 54 21 24

мг-экв% 40 23 36 44 22 34

Тулагинская 8,2 115 мг/л мг-экв% 21 48 7 26 13 26 0,4 78 60 17 17 18 24

4. Белецкий В.Л., Кырбасов П.В. Соленые воды в среднекембрийских отложениях приречной зоны реки Лены // Геокриологические и гидрогеологические исследования Сибири. Якутск: Якут. книж. изд-во, 1972. С. 164-167.

5. Макаров В.Н. Эколого-геохимическая характеристика долины Туймаада // Эколого-геохимические проблемы в районах криолитозоны. Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 1996.

6. Анисимова Н.П. Техногенные гидрохимические изменения в долине Лены на участке Туймаада // Эколого-геохимические проблемы в районах криолитозоны. Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 1996. С. 35-44.

Литература

1. Анисимова Н.П. Формирование подземных вод таликов на примере Центральной Якутии. М.: Наука, 1971. 195 с.

2. Анисимова Н.П. Гидрохимическая характеристика р. Лены в ее среднем течении // Исследования вечной мерзлоты в Якутской республике: В 3 т. М.: Изд-во АН СССР, 1952.

3. Мощанский В.А., Мулина A.B. О некоторых закономерностях формирования температурного режима в долинах рек на территории Якутской АССР // Мерзлотные исследования. Вып. 2. М.: Изд-во МГУ, 1961.