Железо и марганец в пресных подземных водах Иркутска

Библиографический список

1. Винокуров Г.М. Государственная поддержка сельскохозяйственных товаропроизводителей // Климат, экология, сельское хозяйство Евразии: сборник статей международной научно-практической конференции, посвященной 75-летию образования ИрГСХА. Иркутск: НЦ РВХ ВСНЦ СО РАМН, 2009. С. 412 - 416.

2. Иваньо Я.М., Чернигова Д.Р. Социально-экономические преобразования и изменение структуры земель сельскохозяйственного назначения региона // Аграрная наука - сельскому хозяйству: сборник статей в 3 кн. V Международной научно-практической конференции. Барнаул: АГАУ, 2010. С 195-198.

3. Интересная статистика: стат. сб. Иркутск: Иркутскобл-стат, 2007. 33с.

4. Иркутская область в цифрах: стат. сб. Иркутск: Иркут-скоблстат, 2009. 26 с.

5. Экономика сельского хозяйства: практикум / М.Н. Малыш [и др.]. СПб.: Лань, 2004. 224 с.

6. Оразалиев А.А. Формы хозяйствования в многоукладной сельскохозяйственной экономике России // Вестник Ставропольского института им. В.Д. Чурсина. 2006. №1. С.15-19.

7. Попов Н.А. Экономика сельскохозяйственного производства: учебник. М.: ЭКМОС, 1999. 352 с.

8. Ракитников А.Н. География сельского хозяйства (проблемы и методы исследования). М.: Мысль, 1970. 342 с.

9. Научные основы формирования адаптивно-ландшафтных систем земледелия Предбайкалья: учебное пособие / В.И. Солодун [и др.]. Иркутск: Изд-во ИрГСХА, 2006. 320 с.

УДК 556.314+546.72+546.711

ЖЕЛЕЗО И МАРГАНЕЦ В ПРЕСНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ ИРКУТСКА

Б.М.Шенькман1, П.А.Шолохов2, И.Б.Шенькман3

Институт земной коры СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128.

Рассмотрено формирование железисто-марганцевых подземных вод, их положение среди пресных вод в зоне свободного водообмена. Выполнена оценка мощности глеевого горизонта и его взаимоотношение с выше - и ни-жезалегающими водоносными горизонтами. Показано, что пространственная неоднородность содержаний железа и марганца в значительной степени определяется гидрогеофильтрационным фактором. Предложен способ пластового обезжелезивания и деманганации основного эксплуатационного водоносного комплекса на щелочном барьере. Качественное кондиционирование воды по этому методу позволит реанимировать Ушаковское месторождение пресных вод - единственный резерв для г. Иркутска. Ил. 6. Табл. 3. Библиогр. 7 назв.

Ключевые слова: глеевый горизонт, пластовое кондиционирование, Ушаковское месторождение.

IRON AND MANGANESE IN IRKUTSK FRESH GROUNDWATERS B.M. Shenkman, P.A. Sholokhov, I.B. Shenkman

Institute of Earth Crust SB RAS, 128, Lermontov St., Irkutsk, 664033.

The article discusses the formation of iron-manganese groundwaters, their position among fresh waters in the zone of free water exchange. The estimation of the power of gley horizon and its relationship with overlain and underlaying aquifers is performed. It is shown that the spatial heterogeneity of iron and manganese content is largely determined by a hydrogeofiltrational factor. A method for bedded iron and manganese removal from the main operating aquifer system on an alkaline barrier is proposed. Quality water conditioning by this method will allow to revive Ushakovskoe deposit of fresh waters, which is the only reserve for the city of Irkutsk. 6 figures. 3 tables. 7 sources.

Key words: gley horizon; bedded conditioning; Ushakovskoe deposit.

Централизованное водоснабжение города базируется на поверхностном источнике - Иркутском водохранилище, для которого свойственна повышенная уязвимость, неуклонно возрастающая по мере хозяйственного освоения водоохраной зоны. Неотвратимость этого процесса в сочетании с растущими техно-экологическими рисками заставляет подумать об аль-

тернативном, в крайнем случае - резервном источнике водоснабжения. Речь идет о подземных водах, условия залегания которых в принципе обеспечивают надежную естественную защиту от техногенного воздействия. В черте города в 70-е гг. прошлого столетия были открыты и разведаны два месторождения с утвержденными запасами. Одно из них - Ушаковское,

1Шенькман Борис Михайлович, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, главный специалист подразделения лаборатории гидрогеологии, тел.: (3952) 422777, e-mail: bshenk@crust.irk.ru

Shenkman Boris, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Senior research worker, Chief specialist of the Division of the Laboratory of Hydrogeology, tel.: (3952) 422777, e-mail: bshenk@crust.irk.ru

2Шолохов Павел Анатольевич, аспирант, e-mail: sholokhov@crust.irk.ru Sholokhov Pavel, Postgraduate, e-mail: sholokhov@crust.irk.ru

3Шенькман Ирина Борисовна, ведущий инженер лаборатории гидрогеологии, тел.: (3952) 422777, e-mail: bshenk@crust.irk.ru Shenkman Irina, Leading Engineer of the Laboratory of Hydrogeology, tel.: (3952) 422777, e-mail: bshenk@crust.irk.ru

отвечающее всем требованиям защищенности, оказалось сложным в гидрогеохимическом отношении: содержание железа и марганца в одном из этажно расположенных водоносных горизонтов многократно превосходит ПДКВ. Сооружение и последующая эксплуатация водозабора неосуществимы без ясного представления о взаимодействии горизонтов в естественном и ненарушенном состоянии. При этом важно проследить весь процесс формирования некондиционных вод, чтобы выяснить, существует ли способ управления гидрогеохимическим режимом водоотбора, снижающий содержание железа и марганца в пластовых условиях до приемлемого уровня без применения специальных реагентов.

Для понимания последующего изложения следует кратко остановиться на особенностях геолого-гидрогеологических условий. Город с предместьями находится в центре Прииркутской впадины - самого глубокого погружения юрских пород в Иркутском угленосном бассейне. Мощность угленосных терригенных отложений достигает 750 м. Верхняя часть разреза до глубины примерно 150 м расчленена долинами рек Ангары, Иркута, Ушаковки и Каи на уплощенные междуречья. Днища всех рек заняты широкими двусторонними поймами (рис. 1). Консолидированные породы представлены преимущественно песчаниками, для которых характерна кварц-полевошпатовая минеральная ассоциация [1]. Они чередуются с невыдержанными прослоями алевролитов, реже аргиллитов и углей непромышленной мощности. Для этой части разреза свойственен контактово-пленочный цемент глинисто-карбонатного состава. Карбонатный цемент состоит из кальцита, анкерита, сидерита и высокожелезистого сидеритоплезита [2]. Согласно последнему обзору [3], среднее содержание железа в осадочных породах угленосных бассейнов Сибири равно 3,54%. В Прииркутской впадине доля Ре20з равна 4,57%. Кларк марганца для угленосных пород оценен в 830 г/т. В Прииркутской впадине до глубины 100 м его содержание в форме Мп0 определено в 0,81%. Представлен марганец в основном родохрозитом (МпС03). Таким образом, ресурс двух поливалентных элементов неограничен. Поэтому их переход, накопление и рассеивание в подземных водах определяется рИ-БИ обстановкой, гидрогеодинамическим полем и пространственной изменчивостью железисто-марганцевой минерализации пород.

Нижняя граница зоны пресных вод (ЗПВ) в целом совмещается с зоной свободного водообмена (ЗСВ). На междуречьях и в днищах долин малых рек (Уша-ковка, Кая) она опускается до глубины 50-80 м ниже уреза крупных рек (Иркута и Ангары), где мощность ЗПВ уменьшается до нескольких метров. На междуречьях хорошее развитие получила зона аэрации, мощность которой вблизи водоразделов достигает 70 м. Лито-фациальная пространственная неоднородность консолидированных пород создала условия для накопления гравитационной влаги на невыдержанных промежуточных водоупорах. Образовалась система кулисообразно расположенных, гидравлически автономных водоносных линз, совокупность которых обра-

зует "подвешенный" водоносный горизонт сродни верховодке. Но в отличие от нее он обладает постоянным стоком, внешней (в виде контактно-эрозионных родников) и внутренней разгрузкой (перелив с линзы на линзу и на поверхность зоны насыщения). В этой части гидрогеологического разреза происходит масштабное преобразование гидрогеохимических условий, индикаторами которого могут служить растворенный кислород, агрессивная углекислота и минерализация подземных вод. Процесс преобразования поступающих на поверхность земли гидрометеоров лучше всего проследить по родниковому стоку Топка-Ушаковского междуречья, где плотность источников наибольшая, а техногенное воздействие - наименьшее. Обильное водопроявление связано в первую очередь с высокой плотностью эрозионной сети 3 и 4 порядков и малой мощностью покровных отложений (рис. 2).

Рис. 1. Геологическая карта г. Иркутска: 1-4: неконсолидированные четвертичные отложения: 1 - поймы, 2

- низкого комплекса надпойменных террас, 3 - III надпойменной террасы, 4 - IV надпойменной террасы; 5 - консолидированные породы юрского возраста; 6 -Ушаковское месторождение пресных подземных вод; 7

- схематичная граница города по генплану 2008 г.

Минерализация атмосферных осадков, отобранных в центре города в 1985-1992 гг., в большинстве случаев находилась в диапазоне 5-10 мг/л при величине pH, равной 4-5. Следовательно, уже на старте инфильтрации они обладают хорошо выраженной выщелачивающей и общекислотной агрессивностью по отношению к цементу пород зоны аэрации. Поэтому нисходящее движение гравитационной влаги даже на коротких путях фильтрации сопровождается довольно быстрым нарастанием минерализации, но с различным вертикальным градиентом. В интервале абсолютных отметок 550-490 м увеличение минерализации происходит со скоростью 1,5 мг/л, а в интервале 490-470 м - с темпом 7 мг/л (рис. 3). И это несмотря на то, что на старте инфильтрации дефицит насыщения по CaCO3 имеет максимальную величину - 90 мг/л (рис. 4). Совершенно очевидно, что редукция неравновесности в значительной степени зависит от

Рис. 2. Родники "подвешенного" водоносного горизонта на Топка-Ушаковском междуречье: 1 - родник;

2 - скважина; 3 - четвертичные аллювиальные отложения; 4 - песчаники; 5 - алевролиты; 6 - аргиллиты;

7 - линзы подземных вод; 8 - поверхность грунтового потока

продолжительности контакта воды с породой, которая, в свою очередь, зависит от протяженности пути фильтрации и скорости перемещения влаги. Помимо глубины залегания водоносных линз, фильтрационной путь связан с шириной поперечного трапецеидального профиля междуречий водотоков 3 и 4 порядков. Понятно, что с увеличением глубины залегания линзы увеличивается и горизонтальная составляющая пути фильтрации. Наряду с этим, с глубиной происходит снижение водопроницаемости пород и, следовательно, замедление темпа водообмена. Все вместе взятое увеличивает время контакта, позволяя наиболее полно устранить неравновесность в системе вода-порода.

Параллельно увеличению минерализации происходит обескислороживание воды. Содержание кислорода на старте достигает 11 мг/л. С глубиной количество кислорода довольно быстро сокращается и вблизи нижней границы зоны аэрации снижается до 5,5 мг/л. Подобного рода динамика свойственна только периоду инфильтрационного питания. Во время независимого режима, когда расход кислорода не компенсируется его приходом, наблюдается временная редукция. Годовой цикл наблюдений за родником в пади Грязнуха показал, что за холодный период на фоне увеличения минерализации от 100 до 290 мг/л концентрация кислорода снизилась с 9,8 до 6 мг/л (см. рис. 4). Обескислороживание подземных вод связано с окислением главным образом рассеянного углистого вещества и в меньшей степени сульфидов, о чем свидетельствует устойчивое повышение содержания сульфатов с глубиной.

Рис. 3. Изменение минерализации воды и растворенного кислорода "подвешенного" горизонта с абсолютной отметкой выхода источника

Примерно на уровне цокольной поверхности IV надпойменной террасы зона аэрации завершается, уступая место зоне полного насыщения. Стартовые условия восполнения для нее уже существенно иные: дефицит насыщения CaCOз значительно снизился, величина водородного показателя вплотную приблизилась к нейтральной отметке, минерализация воды в 20-30 раз превысила уровень гидрометеоров, насыщение воды кислородом снизилось вдвое. И только величина Eh осталась практически неизменной (+300...+350 мВ) и концентрация железа и марганца по-прежнему не превышала 20-30 мкг/л.

Рис. 4. Общая связь между минерализацией и дефицитом насыщения СаСОз, минерализацией и растворенным кислородом в годовом цикле

В зоне насыщения темп водообмена замедляется. По данным резистивиметрического каротажа действительная скорость движения воды не превышает 1-2 м/сут. даже в слое высокопроницаемых пород, коэффициент фильтрации которых приближается к 40-60 м/сут. С увеличением времени контакта воды с породой постепенно исчерпывается дефицит насыщения CaCO3 и происходит полное обескислороживание воды, минерализация которой возрастает до 0,5-0,6 г/л, водородный показатель к подошве грунтового (субнапорного) водоносного горизонта снижается до 6,4, окислительно-восстановительный потенциал уменьшается до +150 мВ. Параллельно происходит рост содержания диоксида углерода до 70-80 мг/л, появляется аммонийный азот и зачастую небольшое количество сероводорода. Но главным результатом обескислороживания является накопление в ионной форме закисного железа и марганца, содержание которых многократно превышает ПДКВ. По своему гидрогеохимическому облику нижняя часть водоносного комплекса хорошо сопоставляется с глеевым водоносным горизонтом. Эти воды вскрыты повсеместно, что позволяет считать их в качестве непременного элемента гидрогеохимического разреза не только рассматриваемой территории, но и всего Иркутского угленосного бассейна.

Таким образом, грунтовый (субнапорный) водоносный комплекс состоит из двух горизонтов, почти не отличающихся по общему химическому составу и величине минерализации. Основное различие касается кислорода, железа и марганца. При ненарушенном режиме стока горизонты гидравлически автономны, имеют единую уровенную поверхность и достаточно контрастную границу раздела. Но в условиях искусственно нарушенного режима (при водоотборе из каптажей) поверхность раздела O2/(Fe+Mn) смещается вверх, что приводит к захвату некондиционных вод.

На фоне относительного постоянства минерализации и общего химического состава вод глеевого горизонта существует хорошо выраженная пространственная неоднородность по содержанию железа и марганца. К этому следует добавить крайне изменчивую мощность горизонта. Объяснить подобного рода вариации только особенностями субстрата, содержа-

щего различное количество минералогических форм железа и марганца, легко переходящих в раствор, невозможно из-за их явной избыточности даже на минимальном уровне. То же самое можно сказать и об углистом веществе. Вместе с тем, потребление растворенного кислорода напрямую связано с продолжительностью контакта воды с породой, что приводит к смещению редокс-потенциала в восстановительную область. В свою очередь, продолжительность контакта обусловливается темпом водообмена, иными словами - гидрогеодинамической обстановкой в областях питания, стока и разгрузки. По этому признаку на рассматриваемой территории можно выделить четыре группы участков с примерно однородными гидрогео-динамическими условиями: междуречья, площадки среднего комплекса террас, площадки низкого комплекса террас и поймы. Для более полной характеристики глеевого горизонта (мощность, вертикальные градиенты, содержание Fe и Mn, взаимоотношение со смежными горизонтами) сведения, полученные в процессе проведения в скважинах опытно-фильтрационных работ, оказались недостаточными. Чтобы восполнить пробел, был использован дискретный гидрогеохимический каротаж. Сифонным пробоотборником, заполненным азотом, с фиксированных глубин в открытом стволе скважин отбирались пробы воды для последующего химического анализа. Благодаря каротажу удалось подтвердить предположение о весомом влиянии гидрогеодинамического фактора на формирование глеевого горизонта (табл. 1).

На участках инфильтрационного питания наблюдается максимальная мощность кислородсодержащих вод. Кровля глеевого горизонта встречена на глубине 60 и более метров, но при этом концентрация закисного железа редко превышает 0,5, а марганца 0,05 мг/л. Проходя под водоупорным покровом делювиальных суглинков III террасы, подземный сток лишь расходует кислород. Мощность кислородсодержащих вод снижается до 20 м, но возрастает мощность глеевого горизонта, в воде которого резко увеличивается содержание обоих элементов. Движение потока под отложениями нижнего комплекса террас также происходит без восполнения ресурсов. Поэтому продолжается обескислороживание, уменьшение положительной величины Eh и рост концентрации Fe и Mn. Единственное важное отличие от предыдущего фрагмента - промежуточная разгрузка фронтального типа кислородсодержащих вод на цокольных уступах террас. Что же касается глеевых вод, то область их разгрузки, преимущественно восходящей, почти полностью совмещается с поймой. В узкой полосе сочленения поймы р. Ушаковки со склоном прослеживаются переливающиеся пластовые выходы и даже сосредоточенные родники, в воде которых концентрация железа и марганца достигает 3-8 мг/л (Толстомысовский и Пивоварский источники). Подобного рода родники обнаружены на пойме р. Каи (пос. Марково) и в устье пади Долгой (м-н Университетский). Поступление глеевых вод в подземные воды аллювиальных отложений поймы коренным образом снижает их качество, но только в прикон-тактовой зоне с породами коренной основы. Верхняя,

Таблица 1

Обобщенная гидрогеологическая структура безнапорного (субнапорного) водоносного горизонта

Фрагменты территории Преобладающие элементы водообмена Мощность вод, м pн Eh, мВ Содержание, мг/л

кислородсодержащих глеевых O2 ^2 Fe2+ Mn2+

Междуречье Питание, сток 60 вскрытая 10 7,0 +350 6,0 35 0,3 0,05

Средний комплекс террас Сток 20 45 6,8 +250 0,15 40 1,6 0,21

Нижний комплекс террас Сток, фронтальная разгрузка 15 20 6,9 +200 0,10 50 3,0 0,80

Пойма Сток, восходящая разгрузка 0,0 30 6,7 +150 0,0 70 10 2,0

основная по мощности, часть водоносного горизонта практически свободна от Fe и Mn. Здесь господствует резкоокислительная обстановка, обусловленная инфильтрацией кислородосодержащих гидрометеоров. Поэтому неудивительно, что копаные колодцы, работающие преимущественно дном, дают кондиционную по Fe и Mn воду, тогда как в забивных буровых скважинах, прорезающих всю аллювиальную толщу, вода, как правило, с высоким содержанием металлов. Необходимо отметить, что такая гидрогеохимическая обстановка сохраняется по всей пойме, вплоть до русловой зоны рек Ангары, Иркута, Ушаковки и Каи. Последнее положение особенно важно, поскольку существует убеждение, что в береговой полосе кровля гле-евого горизонта опущена намного ниже дна реки. С ошибочностью такого представления пришлось столкнуться при разведке на р. Ангаре островного инфиль-трационного водозабора для г. Ангарска. Несмотря на близость скважин к урезу реки и высоких фильтрационных свойств водовмещающих пород, концентрация железа и марганца в воде многократно превышала уровень ПДКВ.

Структурная схематизация, отраженная в табл. 2, дает лишь самое общее представление о глеевом горизонте. В действительности объект намного сложнее. Достигнутая детальность изучения позволяет подчеркнуть по крайней мере три важных обстоятельства. Во-первых, существует связь между водопроницаемостью водовмещающих пород и величиной концентрации железа и марганца. Она не апроксимирует-ся какой-либо зависимостью, а выражается в виде совмещения двух групповых признаков. Так, высокие концентрации Fe и Mn всегда ассоциируются с низкими фильтрационными свойствами. В качестве иллюстрации укажем, что максимальные концентрации железа (50-100 мг/л) обнаружены на пойме р. Ушаковки и руч. Топка, где коэффициент фильтрации едва достигает 1 м/сут. Напротив, минимальные концентрации элементов обнаружены на участках с высокой и относительно высокой водообильностью: удельная производительность скважин находилась в диапазоне 4-12 л/сек, что соответствует водопроводимости 5001200 м2/сут.

Во-вторых, имеются три вида эпюр содержания Fe и Mn: увеличение с глубиной, уменьшение с глубиной и безградиентное распределение. Вероятнее всего,

различия обусловлены направленностью изменения фильтрационных свойств пород. Подтвердить это положение возможно при совместном проведении дискретного и резистивиметрического каротажей. Наконец, в-третьих, укажем на чрезвычайное непостоянство величины марганцевого модуля ^п^). Диапазон его изменения простирается от 0,1 до 5,0. Пока нет убедительного объяснения этой неустойчивости. Можно предположить, что в условиях относительно слабого водообмена в полной мере реализуется повышенная накопительная тенденция марганца при величине Eh до +350 мВ, тогда как для железа этот процесс почти затухает при +200 мВ [4]. Надо полагать, что модульная вариация не в последнюю очередь зависит от несовпадения полей концентраций Fe и Mn водовмещающих пород. Пространственное распределение величин марганцевого модуля представляется весьма важным, поскольку в значительной степени определяет технологию водоподготовки: ограничиться ли обезжелезиванием или дополнить его де-манганацией, что предполагает поддержание более высокой положительной величины Eh.

Итак, основной эксплуатационный водоносный комплекс в нижней своей части представлен глеевым горизонтом. Отсутствие разделительного водоупора при гидродинамическом возмущении пласта создает реальную угрозу кислородсодержащим водам. При автономном малообъемном водопотреблении с небольшим понижением уровня, пульсационным водо-отбором, манипулируя при необходимости глубиной скважины, положением насоса, в большинстве случаев можно добиться неучастия глеевого горизонта в водопритоке. Однако при промышленной добыче, когда водоотбор равен эксплуатационным запасам, откачка воды происходит безостановочно в течение десятилетий. В этом случае сработка уровня достигает допустимой расчетной величины. Депрессионная воронка растет вглубь и вширь. Максимальное снятие напора в зоне ближнего влияния каптажа стимулирует активный подток глеевых вод, который увеличивается с течением времени. Таким образом, первый от поверхности горизонт кислородосодержащих вод в процессе водоотбора утрачивает питьевую кондиционность. Особенно эффектно смешение проявляется при прорезке скважиной границы раздела O2/(Fe+Mn). А это происходит практически всегда. Именно по этой

Таблица 2

Распределение О2, Ре и Мп по глубине, мг/л

Глубина отбора проб от статического уровня, м 3 6 9 12 15 18

Режим покоя O2 5,40 5,20 4,85 4,65 2,00 0,25

Fe 0,0 0,0 0,0 0,0 0,10 2,50

Mn 0,39 0,44 0,42 0,46 0,48 0,44

Режим откачки O2 3,60 0,90 0,25 0,20 0,10 0,05

Fe 2,40 2,00 2,50 2,50 2,50 2,60

Mn 0,51 0,50 0,50 0,50 0,52 0,54

причине провинция железо-марганцевых вод в Анга-ро-Ленском артезианском бассейне ассоциируется с первым от поверхности водоносным горизонтом [5].

При разведке Ушаковского месторождения пресных подземных вод заглубление скважин в глеевый горизонт привело к сверхнормативному содержанию железа и марганца. Обогащение воды этими элементами прошло незамеченным, т.к. откачка велась эрлифтом, а водоподготовка проб к анализу не сопровождалась подкислением. Поэтому эксплуатационные запасы были утверждены и в качественном отношении не вызвали возражений. Неприятности начались при попытке запуска водозабора в эксплуатацию: содержание железа в воде, откачиваемой погружными электронасосами, на разных участках достигало 3-10 мг/л. Чтобы выяснить причину столь "неожиданного" появления железа и, конечно, марганца, на Толстомысов-ском участке месторождения был проведен полевой эксперимент, заключающийся в следующем: из одной эксплуатационной скважины компактного трехсква-жинного водозабора в состоянии покоя и откачки выполнен дискретный отбор проб воды на определение растворенного кислорода, железа и марганца. Результаты анализа приведены в табл. 2.

Общая производительность водозабора к моменту проведения эксперимента была равна 92 л/с; содержание закисного железа - 2,5 мг/л (8 ПДКВ), марганца - 0,41 мг/л (4 ПДКВ), кислорода - 1,6 мг/л; вода имела слабый запах сероводорода. В процессе зонального опробования дебит двух скважин составил 60 л/с. При этом в контрольной скважине уровень снизился на 1,36 м. Качественное состояние откачиваемой воды оставалось неизменным. После стабилизации динамического уровня был произведен поинтервальный отбор проб воды. Эпюра растворенного кислорода демонстрирует хорошо выраженную тенденцию истощения с глубиной. Эпюры Fe и Mn, напротив, показывают установившийся подток некондиционных вод, чем и объясняется формирование безградиентной зоны высоких содержаний элементов.

После 20 суток перерыва в работе водозабора дискретный каротаж был повторен. Характер кислородной эпюры коренным образом изменился: в интервале 3-12 м концентрация оказалась довольной высокой и устойчивой, что позволило определить мощность кислородосодержащего водоносного горизонта в 13-14 м (с учетом перекрытой части (14 м) его полная мощность равна 27-28 м). Эпюра железа примерно до 14 м находилась в области нулевых значений, после чего произошел резкий скачок и содержание

увеличилось до 2,5 мг/л. Эпюра марганца осталась по-прежнему безградиентной, лишь на 5-10% увеличилась концентрация. Следовательно, кислородсодержащие воды запретительны для Fe, но не для Mn. И это неудивительно, если вспомнить, что марганец покидает полностью раствор при Eh, превышающем +350 мВ, тогда как железо - при +250 мВ. В свете изложенного задача кондициирования осложняется не только необходимостью обезжелезивания глеевых вод, но и деманганацией всей воды из водоносного горизонта.

В отличие от индивидуальных водопользователей, на крупных водозаборах добиться желаемого качества воды невозможно. Для этого используются довольно сложные технические решения, которые реализуются вне водоносного горизонта или внутри его. В первом варианте вода подается в цех водопод-готовки, аэрируется, обрабатывается коагулянтами и после фильтрации поступает потребителю. Это технологически сложно, трудоемко и весьма затратно. Более экономичный способ, обеспечивающий водо-подготовку в пласте, состоит в подаче окислителя в водоносный горизонт таким образом, чтобы вокруг эксплуатационного каптажа создавался искусственный геохимический барьер [6]. Это так называемый метод обезжелезивания "Виредокс", который достаточно эффективен, но при этом не лишен недостатков. Два их них заслуживают внимания: периодичность работы установки и ее применимость почти исключительно для неконсолидированных водовмещающих пород. Иногда используют спаренные скважины для раздельной откачки кондиционных и загрязненных вод. Однако этот способ специфичен и применяется при эксплуатации пресных линз, "плавающих" на соленых водах [7].

Нетрудно представить, насколько упростилась бы технология пластового обезжелезивания и деманга-нации, если бы геохимический барьер существовал непосредственно в пласте в естественном виде. Анализ гидрогеологической обстановки позволяет утверждать, что в районе размещения Ушаковского месторождения имеются благоприятные условия подобного рода. Прежде всего отметим, что глеевым горизонтом пояс пресных вод не исчерпывается. Ниже, с отрывом до 20 м, залегает напорный водоносный горизонт содовых вод, который, начиная с 50-х гг. XX в., вскрыт множеством скважин в Прииркутской впадине и, в частности, на водозаборе р. Ушаковка. Вне водораздельных пространств все скважины фонтанируют с напором над поверхностью земли до 6-8 м. Водонос-

ный горизонт относится к "неограниченным" пластам. Но это не единственная его особенность: он содержит воду, химический состав которой несовместим с железом и марганцем. Иными словами, представляет собой естественный щелочной барьер, на котором из жидкой фазы неизбежно должны выпадать эти два элемента. Задача заключается в подводе железомар-ганцевосодержащих вод к барьеру. С этой целью рассмотрим, как ведут себя смежные горизонты в ненарушенном и нарушенном режиме стока.

Когда возмущение водоносного комплекса и напорного горизонта отсутствует, они гидравлически автономны, что подтверждается дискретным гидрогеохимическим каротажем (табл. 3), проведенным на северной окраине Иркутска. В конкретном случае разделительный водоупорный (низкопроницаемый) слой

едва достигает 5 м, но этого достаточно, чтобы не происходило межпластового водообмена. Смена гле-евых вод на содовые происходит контрастно, подзона смешения практически отсутствует. Такая сближенность двух гидрогеохимических подзон присуща отдельным участкам. В общем случае мощность разделительного слоя варьирует в диапазоне 15-25 м, в основном она проницаема, на что указывает присутствие вод смешанного химического состава. При нарушенном режиме следует ожидать усиления межпластового водообмена, направленность которого регулируется возмущением водоносного комплекса и напорного горизонта. Для фактического подтверждения этой возможности воспользуемся результатами детальной разведки Ушаковского месторождения пресных подземных вод, проведенной в 1971 г. Для ее

Таблица 3

Изменение химического состава воды с глубиной

Глубина отбора пробы, м pн Eh, мВ Компоненты химического состава, мг/л М*

Fe Mn Na Ca Mg F а SO4 HCOз ^3

26 6,7 +180 12 1,06 6,9 69 15 0,10 3 0 293 0 0,39

31 8,96 +107 0,02 0,01 178 11 0 2,7 5 0 412 52 0,67

* Минерализация, г/л

Уцепьное сопротивление, Ом-м 32 84

:--'--

40 во Щ/

во 1

) 100

Сутки

О 20 40 80 80 100 120

йи/и мэ/сут

+5

+4

+3

[X +2

+1

и. 0

я>

\

± ?

* 3

± о 4

5

Куст 1

Сутки

О 10 20 30 40 50 60

—I_

Г

IV 3090 3/сут / / 1

Резисгикиме!рический кар01аж

Куст 2

Дииамика понижения и восстановления уровня при опытно-эксплуагационной откачке

Рис. 5. Параметры пробно-эксплуатационной откачки

Рис. 6. Принципиальная схема водозабора с обезжелезиванием и деманганацией подземных вод в пластовых условиях: 1 - зона аэрации; 2 - безнапорный водоносный комплекс; 3 - напорный водоносный комплекс; 4 - разделительный слой низкой проницаемости

выполнения было разбурено два куста разведочных скважин: один на участке Толстомысовского водозабора, второй - в 2,5 км на левобережной пойме Уша-ковки. Пробно-эксплуатационная откачка производилась одновременно из скважин, расположенных в вершинах равнобедренного треугольника со стороной 200 м. Была также сооружена обширная наблюдательная сеть. На рис. 5 приведены основные данные опытно-фильтрационных работ и положение интервалов горизонтального движения подземных вод по данным резистивиметрического каротажа. В районе размещения Толстомысовского водозабора (куст 1) водоносный комплекс вскрыт на глубине 30 м и имеет 20-метровую эффективную мощность. Проведение опытно-фильтрационных работ в течение 50 суток происходило при неустановившемся режиме, а восстановление уровня произошло по истечении 60 суток, т.е. динамический режим типичен для безнапорного водоносного комплекса. Следует подчеркнуть важную особенность: в центре депрессионной воронки пьезометрический уровень снизился на 1,8 м. Динамический режим напорного горизонта (куст 2) характеризуется "мгновенной" стабилизацией при откачке и относительно быстрым восстановлением. При этом в центре треугольника зеркало грунтовых вод снизилось на 1,4 м. Все это свидетельствует о наличии межпластового перетока при нарушении естественного режима. Сле-

довательно, при эксплуатации напорного горизонта в балансе водопритока принимает участие и водоносный комплекс, хотя мощность разделительного слоя сравнительно велика - примерно 2,5 м. Межпластовое взаимодействие можно существенно усилить, обеспечив прямой доступ глеевых вод к содовым. Для этого предлагается способ совместной эксплуатации двух этажно расположенных горизонтов с забором воды из нижнего (рис. 6).

Откачка воды из напорного горизонта в условиях искусственного объединения обоих пластов приведет к изменению гидрогеохимической обстановки. Железистые и марганцевосодержащие воды на щелочном барьере освобождаются от Fe и Mn в виде гидрооксидов (по крайней мере до уровня ниже ПДКВ). Вода приобретает жесткость, близкую к оптимальной (4 мг-экв/л) и обогащается фтором, что чрезвычайно важно при остром дефиците этого элемента во всех используемых в настоящее время водоисточниках.

Если предлагаемый способ реабилитации Уша-ковского месторождения окажется практически осуществимым, то город получит не только резервный источник водоснабжения, обладающий надежной естественной защищенностью, но и возможность бутыли-рования вод с оптимальным потребительским качеством.

Библиографический список

1. Юрские континентальные отложения юга Сибирской платформы. М.: Наука, 1967. 319 с.

2. Копорулин В.И. Вещественный состав, фации и условия формирования угленосной толщи центральной части Иркутского бассейна // Тр. ГИН. М.: Наука, 1966. Вып. 160. 166 с.

3. Арбузов С.И., Ершов В.В. Геохимия редких элементов в углях Сибири. Томск: Д-Принт, 2007. 468 с.

4. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты. М.: Наука, 2004. 677 с.

5. Крайнов С.Р., Швец В.М. Геохимия подземных вод хозяйственно-питьевого назначения. М.: Недра, 1987. 237 с.

6. Алексеев В.С., Коммунар Г.М., Астрова Н.В. Гидрогеологические проблемы регулирования качества подземных вод // Итоги науки и техники. Сер. «Гидрогеология и инженерная геология». М.: ВИНИТИ, 1984. Т. 9. С. 88-95 с.

7. Гольдберг В.М., Газда С. Гидрогеологические основы охраны подземных вод от загрязнения. М.: Недра, 1984. 262 с.