Геоэкологические особенности почв и водных ресурсов Нижнего Поволжья

АГРОПРОМЫШЛЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ

УДК 624.131:631.587

ГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПОЧВ И ВОДНЫХ РЕСУРСОВ НИЖНЕГО ПОВОЛЖЬЯ

В.И. Пындак, доктор технических наук, профессор

Волгоградский государственный аграрный университет

В Нижнем Поволжье распространены хвалынские (40 % территории) и майкопские (5 %) глины. Межледниковые континентальные отложения имеют период ~ 116 лет, который подразделяется на 4 фазы, в которых присутствуют трансгрессия, потепление и т.п. Загрязнение водных ресурсов приводит к снижению испаряемости воды, вследствие чего сток Волги увеличивается. Названные глины являются водоупором и характеризуются радиоактивностью.

Ключевые слова: почва, водные ресурсы, хвалынские глины, майкопские глины, трансгрессия, радиация.

Г еологическая история Прикаспийской низменности (Прикаспийской бессточной котловины) - это история развития и формирования Каспийского моря, изменения его водного режима [2]. Под влиянием сложнейших геологических, геоэкологических и гидрогеологических процессов в различные эпохи уровень Каспия (Хвалынского моря) подвергался значительным колебаниям, происходили неоднократные трансгрессии моря. В четвертичном периоде была самая большая хвалынская трансгрессия, при которой отложились толщи шоколадных хвалынских глин.

Толщина пласта из этих глин варьируется в диапазоне 1-5 м, местами до 25 м. Глины залегают на самых разнообразных глубинах - вплоть до 15 м от дневной поверхности, в ряде мест, в частности на Бэровских буграх Астраханской области, вскрываются в естественных отложениях. По нашим предварительным исследованиям, в Волго-Ахтубинской пойме залежи «красных» глин встречаются непосредственно в подпочвенных горизонтах и характеризуются повышенной коррозионной активностью.

Во времена четвертичного периода, который подразделялся на 4 эпохи, уровень океана во время оледенений понижался, а в межледниковую эпоху увеличивался выше современного уровня [7]. Изменения климата и водного режима сопровождались миграцией полюсов Земли, что, в свою очередь, приводило к циклической эволюции пород и к разделению межледниковых континентальных отложений на 4 фазы (рисунок

1; [1, 7]).

&

и

5

6 о

5

£

м

г

о

п.

&

&

Й

Л

5

е

«

03

X

6

*&

1 «

и о §

& о о

X 03 &

в- о и

§ о X

X 2 §

§ С

£ 2

§ ЕГ О 1=1

1

5

е

ог

08

X

6 43«

&

о

Рч

Рисунок 1 - Схема геоэкологических изменений и фаз В соответствии с названной цикличностью на европейской территории России сильные засухи отмечались в 1984-1999 годах, впоследствии цикл острых засух и лесных пожаров начался примерно в 2010 году и, по-видимому, будет продолжаться. В Нижнем Поволжье, кроме засух, происходит некоторое опустынивание и снижение плодородия земель. Геоэкофаза Ф2 «Потепление» коррелируется с современной трансгрессией Каспийского моря (1972-2001 гг.) и составляет 29±5 лет [7].

Разумеется, на каждой широте и долготе Земли развиваются свои фазы, которые к тому же варьируются в зависимости от миграции полюсов Земли (известно, что этот весьма медленный процесс продолжается). Как следует из рисунка 1, в последующей, ныне протекающей в Нижнем Поволжье и практически во всей Европе, фазе Ф3 может происходить «заливание бассейна». Не этим ли объясняются «потопы» в Европе и на Кубани в 2012 году?

Впереди фаза Ф4, включающая «оледенение континента». В прошлом пик «оледенения» в европейской России приходился на зимы 1941-1942 гг. (битва под Москвой) и 1942-43 гг. (Сталинградская битва), что внесло свой вклад в наши победы. Весь период согласно рисунку 1 ныне составляет ~ 4-29 = 116 лет.

Названные геоэкофазы относятся и к Прикаспию. Однако трансгрессии нынешнего Каспийского моря видоизменились, но поднятие его уровня происходит. Объяснение этому содержится в [1] и обусловлено катастрофическим загрязнением Нижней Волги, принимающей губительные стоки почти со всей европейской части России (41,2 % отходов всей России), а также загрязнением непосредственно самого моря от прилегающих стран и от морской нефтедобычи.

Таблица - Результаты сравнительных тепловых испытаний воды

Условные номера воды Тип воды и её происхождение Объём оставшейся воды, мл Испаряемость воды

мл % к контролю

1 Родниковая вода (контроль) 125 25 0

2 Г рунтовая вода из подземного источника 119 31 +24

3 Вода Волгоградского водохранилища 130 20 -20

4 Биоочищенная вода завода «Каустик» 121 29 +16

5 Волжская вода в Красноармейском районе 128 22 -12

6 Сточная вода завода «Каустик» 137 13 -48

7 Вода городского пруда в районе «Семи ветров» 130 20 -20

8 Вода реки Ахтуба 127 23 -8

9 Водопроводная вода г. Волгограда 123 27 +8

Нами проведены простые, но весьма важные, сравнительные тепловые испытания воды с различной минерализацией и с различными примесями. Объектами испытаний были 9 типов воды разнообразного происхождения (таблица), в том числе родниковая вода (контроль), вода Волгоградского водохранилища, водопроводная вода. В конические неметаллические ёмкости поочерёдно и параллельно заливали воду согласно таблице, на которую направляли - посредством кварцевого (галогенного) светильника - тепловое излучение. Температура воды стабилизировалась при 36-38 °С, время выдержки -4 часа, повторность опытов с одинаковой водой четырёхкратная. Этим в ускоренном режиме имитировали интенсивную солнечную радиацию в жаркое время года.

Получены неожиданные, но объяснимые результаты:

1) грунтовая вода из подземного источника и так называемая биоочищенная вода завода «Каустик» имеют большую испаряемость по сравнению с контролем, что объясняется наличием в такой воде трёхвалентного железа, хлоридов и некоторых других «ингредиентов» (вода имела коричневатый оттенок);

2) испаряемость водопроводной воды несколько превышает контроль - это результат её доведения до стандартных требований, включая хлорирование;

3) испаряемость застойной воды Волгоградского водохранилища на 20 % ниже контроля, проточная вода - ниже плотины ГЭС - на 12 % уступает контролю («букет» загрязнений сказывается);

4) испаряемость сточной воды завода «Каустик» почти в 2 раза ниже, такая вода должна подвергаться очистке, но не исключается её попадание в Волгу;

5) остальное видно из таблицы.

За период наблюдений, начиная с 1880 года, сток реки Волга неуклонно уменьшается, что объясняется интенсификацией заборов воды из Волги и её притоков для водоснабжения, производственно-хозяйственной деятельности, орошения и т.п. Но примерно с 1970 года сток начал увеличиваться, прекратилось также понижение уровня Каспийского моря, с 1980 года начался цикл его повышения (рисунки 2 и 3; [1]). Эти явления глобального масштаба происходят, несмотря на увеличивающиеся заборы воды из Волжского бассейна.

Снижение испаряемости природной воды приводит к нарушению процессов образования облачности, повышению температуры атмосферы и к снижению количества осадков в жаркое время года. Это, на наш взгляд, одна из причин ускоряющихся «циклов» губительных засух в Нижнем Поволжье.

Рисунок 2 - Изменение стоков реки Волга

Рисунок 3 - Изменение уровня Каспийского моря

Эти процессы обусловлены в основном следующими факторами:

1) катастрофическое загрязнение воды в реках и водохранилищах, в частности, образование в застойных акваториях плёнки из поверхностно-активных веществ (ПАВ) и, как следствие, снижение испаряемости водных ресурсов;

2) наличие «каскада» водохранилищ с застойной водой - у плотин ГЭС - на Волге и некоторых её притоках;

3) переброска части воды из Дона в Волгу во время шлюзования вследствие существенной разности уровней этих рек.

Такое вмешательство в природную среду - с учётом наступившей фазы Ф3 с её «заливанием бассейна» (рисунок 1) - может привести к повышенной трансгрессии Каспийского моря. Прекращение затопления (подтопления) Прикаспия можно прогнозировать лишь в фазе 4 (похолодание), включающей «регрессию бассейна».

Кроме упомянутых хвалынских глин, в Нижнем Поволжье встречаются и майкопские глины (рисунок 4). По данным ряда источников, в том числе [3, 6], хвалынские глины занимают около 40 %, а майкопские - 5 % Нижневолжского региона. Хвалынские глины являются «молодыми» - образовались в интервале 15-65 тыс. лет назад в период хвалынской трансгрессии [6]. Более молодые, но мощные (20-40 и более м) майкопские глины находятся в зонах недостаточного увлажнения.

Образование майкопских глин связано с уникальными аномалиями в Прикаспии: после прекращения трансгрессии остались углубления, которые

наполнялись талой и дождевой водой и превращались в пресноводные - большие и малые - озёра. Засыпание этих озёр происходило в основном за счёт оседания взвешенных частиц в атмосфере, в том числе в изобилии приносимых пыльными бурями (как следует из рисунка 1, атмосферная пыль и пыльные бури не были редкостью).

Лёгкий калий - путешественник (его удельная масса всего 0,86 г/см3), взаимодействуя с водой озёр, превращался в более плотное и стабильное вещество:

2К + 2Н2О ^ 2КОН + Н2Т.

В дальнейшем образуются разнообразные калийные соли - основа калийных удобрений.

Нами выдвигается гипотеза: майкопские глины являются предшественниками месторождений калийных удобрений, которые залегают ниже мощного пласта глин - на дне бывших озёр. В свою очередь, наличие майкопских глин косвенно подтверждает концентрация в пахотном горизонте повышенного количества природного калия (до 700 мг/кг; [3]) и железа (до 20 000 мг/кг).

Рисунок 4 - Схема распространения хвалынских и майкопских глин в Нижнем

Поволжье:

1 - хвалынские глины; 2 - майкопские глины; 3 - границы Нижнего Поволжья;

4 - водные бассейны

Наибольшие залежи майкопских глин фиксируются возле Волгограда (Городищенский район) и на юге области, в районе Котельниково (рисунок 4). Наличие здесь аномалий бурого цвета (железо ?) подтверждают снимки из космоса, а под Котельниково уже разрабатывается крупное Гремячинское месторождение калийных солей.

Из рисунка 4 следует также, что в пределах Волго-Ахтубинской поймы и на территориях, примыкающих к морю, хвалынские глины не фиксируются. Это результат особых геоэкологических и гидрогеологических условий этих территорий.

Упомянутые «красные» глины в пойме, по-видимому, имеют свой состав, свои свойства и нуждаются в отдельном исследовании.

Химический состав хвалынских и майкопских глин разнообразен. В наибольшем количестве в них находятся SiO2 (до 60 %) и А1203 (20-30 %) [3, 6]; присутствуют также магниевые MgO и другие соединения. Пресноводное происхождение майкопских глин подтверждается незначительным содержанием в соответствующих глинах водорастворимых солей и нейтральных реакций водных вытяжек (pH = 7,0-7,1); для хвалынских глин - pH = 7,6-8,0.

Оба типа глинистых пород являются хорошим водоупором и способствуют подъёму уровня грунтовых вод. Это обстоятельство следует учитывать при строительстве оросительных систем, особенно на полях с близким залеганием глин. Природная влажность глин (среднее значение): хвалынских W = 27 %, майкопских W = 36 %. Фиксируется также высокое содержание глинистой фракции в обоих типах глин (31,3-55,6 %), что указывает на их повышенную физико-механическую активность.

Наибольшим «сюрпризом» в физических свойствах глин является их относительно высокая радиоактивность. Гамма-спектральный анализ глин на содержание естественных радионуклидов показывает [3, 6], что источниками радиации являются изотопы: калий-40, радон-222 и торий-232. Эффективная удельная активность Аэф хвалынских глин составляет 110 Бк/кг, для майкопских глин Аэф = 85 Бк/кг. Отдельно удельная активность калия-40 в хвалынских глинах составляет огромную величину - среднее значение 629,4 Бк/кг, активность остальных изотопов существенно меньше.

Известно, что в природе широко распространены естественные радиоактивные изотопы, в их числе калий-40, углерод-14, радон-222. Установлено, в частности, что ничтожно малые концентрации ряда изотопов, в том числе радия-226 (после распада которого образуется радон-222), существенно повышают жизнедеятельность почвенной микрофлоры [5]. Но высокие дозы этих же изотопов приводят к поражению всего живого.

Из числа содержащихся в хвалынских и майкопских глинах изотопов наиболее опасным является радон-222, несмотря на его незначительную радиоактивность. Известно, что радон - это газ тяжелее воздуха, который из недр Земли может подниматься через глубокие скважины, тектонические разломы, расщелины и т.п., накапливаться в низинах, оврагах, котлованах, подвалах, а также в порах супесчаных и песчаных пород. Радий легко растворим в воде, вследствие чего некоторые застойные водоёмы могут превращаться в «радоновые ванны».

Бытует мнение: поскольку период полураспада радона-222 составляет 3,823 дня, то он быстро исчезнет. Это - заблуждение, так как в любом радиоактивном ряду (в нашем случае уран - радий) существует так называемое вековое равновесие, согласно которому в каждый момент времени имеются все изотопы ряда [3, 5]. Продуктами распада радона-222 является «цепочка» порошкообразных изотопов радия (А, В, С, D, Е, F), которые в ряде мест могут создать неблагоприятный радиоактивный фон с а-, в- и иногда с у-излучением; в частности период полураспада радия-210 (RaD) - 22 года.

Выявлено также [4, 5], что радон - газ и частицы радия (всех модификаций) переносятся энергией ветра, особенно при пыльных бурях, могут поступать в Нижнее Поволжье из Казахстана, Китая, Монголии, Степной Украины; «поставщиком» радона являются и радиоактивные свалки.

Приведённые (далеко не полностью) сведения подтверждают известный, но не всегда соблюдаемый, тезис: вмешательство в природу с благими намерениями в перспективе может привести к негативным последствиям.

Библиографический список

1. Григоров, М.С. Трансгрессия Каспийского моря и канал Волго-Дон-2 [Текст]/ М.С. Григоров, В.И. Пындак, В.Ф. Лобойко // Вестник Саратовского ГАУ им. Н.И. Вавилова. - 2008. - № 9. - С. 47-51.

2. Евдокимова, Т.И. Почвенно-мелиоративные исследования Волго-Ахтубинской поймы и дельты Волги [Текст]/ Т.И. Евдокимова, К.И. Корнеева, С.А. Владыченский. - М.: Изд-во МГУ, 1958. - 158 с.

3. Пындак, В.И. Особенности геолого-почвенных условий развития орошения в

Нижнем Поволжье [Текст]/ В.И. Пындак, В.Ф. Лобойко // Мелиорация и водное хозяйство. -2008. - № 5. - С. 41-42.

4. Пындак, В.И. Радиационный фактор в геоэкологической обстановке урбанизированных территорий Нижнего Поволжья [Текст]/ В.И. Пындак, М.В. Трохимчук // Экологические системы и приборы. - 2003. - № 5. - С. 10-11.

5. Пындак, В.И. Проблемы и гипотезы природного радиоактивного фона планеты Земля [Текст]/ В.И. Пындак, М.В Трохимчук // Альманах -2003. - Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2003. - С. 158-162.

6. Пындак, В.И. Геоэкологические проблемы строительства на хвалынских и майкопских глинах Нижнего Поволжья [Текст]/ В.И. Пындак, М.В. Трохимчук // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. - 2005. - № 2. - С. 148152.

7. Пындак, В.И. О происхождении и климатической зональности осадочных пород Прикаспия и Нижнего Поволжья [Текст]/ В.И. Пындак, Ю.М. Светлов // Альманах-2005. -Волгоград: Изд-во ВолГУ, 2005. - С. 84-92.

E-mail: mshaprov@bk.ru