Исследование эволюции малых озер в условиях криоаридного климата

УДК 550.461

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭВОЛЮЦИИ МАЛЫХ ОЗЕР В УСЛОВИЯХ КРИОАРИДНОГО КЛИМАТА

А

© Н.А. Пшенникова1

Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1а.

Рассмотрены результаты физико-химического моделирования эволюции системы «термальный источник - озеро Б. Алгинское - донные осадки». Согласно полученным данным, зональность донных осадков соленых озер связана с испарением и динамическим режимом поступления подземных вод в озеро, а также с сезонными климатическими изменениями температуры и влажности. Установлено, что формирование аутигенных минералов в донных осадках соленых озер определяется криогенной эвапоритизацией. Основными минералами, образующимися в летние периоды, являются флюорапатит, флюорит, а в зимние - гипс, мирабилит, шенит. Ил. 1. Табл. 2. Библиогр. 8 назв.

Ключевые слова: соленые озера; донные осадки; эвапориты; физико-химическое моделирование.

STUDYING SMALL LAKES EVOLUTION IN CRYOARID CLIMATE N.A. Pshennikova

A.P. Vinogradov Institute of Geochemistry SB RAS, 1A Favorsky St., Irkutsk, 664033.

This article examines the results of physical and chemical modeling of the evolution in the system "thermal source - lake Bolshoe Alginskoe - bottom sediments". According to the data obtained, zoning of salt lakes sediments is associated with evaporation, dynamic regime of ground water inflow in the lake as well as with seasonal climatic changes in temperature and humidity. It is found out that the formation of authigenic minerals in the sediments of salt lakes is determined by cryogenic evaporation. The main minerals being formed in summer are fluorapatite, fluorite, whereas gypsum, mirabilite, schoenite are formed in winter. 1 figure. 2 tables. 8 sources.

Key words: salt lakes; bottom sediments; evaporate deposites; physico-chemical modeling.

На протяжении более ста лет ученые накапливали знания по составу, истории развития и генезису озер Баргузинской впадины. Полученные ими данные говорят о том, что формирование озер определяется гидрогеологическими и климатическими условиями. Вклад живого вещества также велик, в осадках обнаружено значительное количество диатомей, раковин моллюсков и растительных остатков.

Наиболее интересным объектом исследования являются аутигенные карбонатные минералы, накопления которых хорошо отражают влияние окружающей среды на существование озера. Поэтому основная задача данной работы - определить с помощью физико-химической модели, как влияют природные и техногенные факторы на изменение состава вод и минералогический состав донных отложений соленых озер Баргузинской впадины на примере озера Большое Алгинское. Результаты термодинамического моделирования гидрогеохимических процессов позволят дать корректное объяснение эволюции озер Баргузин-ской долины.

Озера - недолговечный природный объект, но за период существования в них могут протекать самые разнообразные процессы, изменяющие состав озерных вод и донных осадков, несущих в себе информацию об истории формирования озер.

Химический состав вод соленых озер достаточно хорошо изучен [8]. В последнее время особое внимание уделяется изучению состава донных отложений.

Чаще всего донные отложения исследуют экологи и палеоклиматологи, поскольку именно донные отложения дают наиболее полную характеристику изменяющихся условий осадконакопления. В донных осадках записана история изменения климата, в них можно обнаружить и следы техногенного воздействия.

Основываясь только на палеоклиматических характеристиках и следах антропогенного воздействия, невозможно объяснить причины сезонных изменений гидрохимического состава вод и накопления некоторых минералов в осадке. Поэтому основной целью данной работы было определение факторов, контролирующих сезонные (зима - лето) изменения состава вод и минералогии донных отложений соленых озер в криоаридных условиях.

В Баргузинской долине насчитывается более 1000 солоноватых, соленых и реже пресных озер [3-5, 8]. На формирование озер в первую очередь влияют физико-географические условия - криоаридный климат, высокое годовое испарение, превышающее сумму выпадающих осадков, наличие многолетней мерзлоты [1, 2]. Следовательно, главную роль играют подземные воды, а вклад атмосферных осадков в водный баланс озера невысок.

В качестве исходных данных для физико-химической модели мы выбрали озеро Большое Алгинское, так как группа Алгинских озер является единственной в Баргузинской впадине, имеющей сульфатную специфику (табл. 1).

1Пшенникова Наталья Андреевна, аспирант, тел. 89501208029, e-mail: pshennikova@igc.irk.ru Pshennikova Natalya, Postgraduate, tel.: 89501208029, e-mail: pshennikova@igc.irk.ru

Таблица 1

Химический состав природных вод (мг/л)_

Объект рН ТОБ, г/л бЮ2 нсо- С1" БО^" К+ Са2+ Mg2+

Оз. Большое Алгинское 8,4 3,23 1,7 187 66 1950 29,8 842 125 21

Источник Алгинский 8,1 0,61 40,6 51 15 350 5,9 140 43 3

Исследование короткого керна донных отложений озера Б. Алгинское показывает, что осадок представлен алевритопелитовыми илами. Влажность осадка меняется в широких пределах: от 80% в верхней части керна до 50% - в нижней части, рН поровых вод составляет от 8,4 до 7,1. В литологическом строении керна перерывы в осадконакоплении не обнаружены, следовательно, основным фактором, контролирующим осадконакопление, является климат.

Расчет равновесного состава вод и донных отложений соленых озер выполнен с помощью программного комплекса «Селектор» [6, 7].

Для решения поставленной задачи сформирована динамическая модель, представленная тремя взаимодействующими системами-резервуарами (рисунок). Первый резервуар - источник подземных вод, питающий второй резервуар - озеро Большое Алгинское. Из второго резервуара озерные воды, смешавшиеся с подземными, поступают в третий резервуар - донные отложения, насыщенные поровыми водами.

В каждый из резервуаров дополнительно из внеш-

ней среды поступают подземные воды и атмосферные осадки. Первый резервуар на каждом этапе времени (зима - лето) пополняется заданным количеством подземных вод одного и того же гидрохимического состава, одновременно из второго и третьего резервуаров во внешнюю среду удаляются водные растворы, твердые фазы и отдельные компоненты водного раствора. С помощью этого приема имитируются процессы испарения и вымораживания. Состав и масса первого резервуара (термального источника и подземных вод) на всем протяжении моделирования не меняется, изменяется только температура (лето - +20,7°С, зима - +18,5°С). Из первого резервуара во второй в количестве, позволяющем поддерживать относительно заданный объем озера, перетекают в соответствующих количествах подземные воды и воды термального источника. Из второго резервуара во внешнюю среду согласно сезонно-климатическим условиям выносится заданное количество растворенного вещества, твердых фаз (осадок), Н20 в виде пара и сульфаты, преобразующиеся в серосодержащие газы. Из второго

Резервуар 1

термальный источник

^ 0,2^0,00^0,1

водный раствор   <0 о"-

Резервуар 3

донные осадки

Блок-схема физико-химической модели

резервуара в третий резервуар перетекает также определенное количество озерных вод и твердые фазы. Температурный режим второго и третьего резервуаров отражает климатические условия региона: зима -0°С, лето - 12°С. В модели заданы 4 группы подвижных фаз: 1-я группа представлена водным раствором, 2-я - твердыми фазами, 3-я группа - это компонент Н2О (пар), 4-я - это ион SO42", который диссоциирует с образованием газовой фазы. Данная модель максимально приближена к природным условиям, характерным для аридного климата Баргузинской впадины. Общая схема переноса химических веществ между резервуарами представлена в табл. 2, где первый столбец - группа подвижных фаз, под которой подразумевается то вещество (водный раствор, твердые фазы, газ и растворенный компонент SO4 -), которое имеет свой индивидуальный путь между частями (резервуарами) всей системы. Столбцы 2 и 3 (источник и приемник) соответствуют выделенным резервуарам: 1 - источник Алгинский, 2 - озеро Алгинское, 3 -донные осадки, а 0 - это внешняя среда. Благодаря этому мы можем задать скорости перераспределения вещества между водным раствором, донными отложениями и атмосферой. Относительное количество вещества и поправка на него (4, 5 столбцы) определяется в целом влажностью (количеством осадков, по данным метеослужбы), интенсивностью разгрузки (дебитом источника, по гидрогеологическим данным), интенсивностью испарения, вымораживания и стоком в подземные воды, что определяется по изменению уровня озера.

Число сезонов зима-лето, под которыми в модели мы понимаем циклы, устанавливалось по достижению в резервуарах стабильного состояния, по которому можно было определить направление гидрогеохимической эволюции исследуемого объекта, например, каким образом будут накапливаться в донных отложениях минеральные фазы, маркирующие зимние и летние периоды.

Предварительный анализ результатов расчета се-

зонных изменений состава вод и донных отложений исследуемых озер показал, что в случае, когда уровень озерных вод в течение длительного времени (1020 лет) сохраняется или возрастает незначительно, минерализация озерных вод по завершению сезонного цикла (лето - зима) на первых этапах постепенно возрастает. Но затем через 6-7 сезонов состав вод стабилизируется, что наблюдается и в действительности. Если рассмотреть возможность установления аридного климата, когда преобладает испарение, вплоть до полного высыхания озер, минерализация может достигать 140 г/л, образуется незамерзающий рассол. Это происходит потому, что механизм процесса взаимодействия системы «вода - порода» при положительных и отрицательных температурах отличается. В зимний период вследствие образования льда, соленость которого ниже солености озерных вод, минерализация раствора возрастает, но возрастает неравномерно, поскольку наряду с вымораживанием продолжается процесс испарения. Из озерных вод удаляется как водный раствор в целом, так и отдельно компонент H2O как пар и лед. Поэтому процессы и испарения, и образования льда приводят к росту минерализации (TDS). Увеличение минерализации на начальных этапах эволюции озерных вод связано с тем, что в теплый период образуются флюорапатит, флюорит, а в холодный - гипс, мирабилит, шенит. Образование отличных минеральных ассоциаций, отвечающих зимним и летним условиям, происходит главным образом за счет того, что в подземных водах, взаимодействующих с поверхностными водами, при различных температурах растворимость таких компонентов, как Ca, Na, F, S, C, существенно изменяется. Именно поэтому максимально возможная минерализация водного раствора в данных условиях достигается в зимний период. Парагенезис минералов, образование которых возможно в зимнее время, определяет величины максимальной растворимости компонентов, их образующих.

Предварительный анализ результатов показыва-

Коэффициенты перераспределения вещества между резервуарами

Таблица 2

Группа подвижных фаз Источник вещества Приемник вещества Относительное количество вещества Поправка на количество вещества

1 2 3 4 5

1 0 1 0,08 0

1 0 2 0,03 -0,1

1 0 3 0 0

1 1 2 0,13 -0,2

1 2 3 0,001 -0,001

1 2 0 0,05 -0,03

1 3 0 0 0

2 2 3 0,5 0

2 3 0 0 0

3 2 0 0,3 -0,01

3 3 0 0,001 0

4 2 0 0 0,1

4 3 0 0 0

ет, что в накоплении аутигенных минералов в донных отложениях соленых озер Баргузинской впадины существуют сезонные отличия. Главной причиной этих отличий являются особенности криогенной эвапорити-зации. В условиях резко-континентального климата испарение может превалировать над поступлением подземных и термальных вод, основным источником озерных вод, как в летнее, так и в зимнее время. Это приводит к тому, что преобладающими минералами в летнее время являются кальцит, флюорапатит, флюорит, причем в зимнее время - на начальных стадиях, а в летнее - на завершающих. В зимнее время кроме аморфного кремния образуются гипс, мирабилит, ше-нит, кальцит, флюорапатит и флюорит. Осадок, образованный в зимнее время, в процессе захоронения претерпевает изменения - количество гипса возрастает, а аморфный кремний частично растворяется.

Таким образом, физико-химическая модель позволяет установить причины возникновения зональности донных осадков соленых и солоноватых озер, которая была отмечена ранее в работах Л.В. Заманы [3, 4]. Согласно результатам расчетов зональность свя-

зана с сезонными изменениями температуры и динамическим режимом поступления подземных вод в озеро. Модель дает возможность рассчитать количество минералов, образующихся в криогенных процессах, и минералов, образующихся в результате смешения подземных и термальных вод с поверхностными водами в летний период. А также она позволяет оценить вероятное направление изменения состава озерных вод в зависимости от режима подземных вод и изменения климатических условий и антропогенного воздействия.

На данном этапе исследования установлено, что ассоциации аутигенных минералов, образующихся в озерах в зимний и летний сезон, представлены окислами, гидроокислами, сульфатами и карбонатами. Их образованию благоприятствуют высокие значения рН, и минерализации. Аутигенный карбонат накапливается в виде кальцита (СаСО3), сульфаты - в виде мирабилита (Na2SO4(H2O)10), шенита (K2Mg(S04)2(H20)6), гипса (CaS04(H20)2).

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 12-05-31209 мол_а).

Библиографический список

1. Баженова О.И., Мартьянова Г.Н. Морфоклиматические режимы криоаридных геосистем юга Сибири // Научные чтения памяти академика В.Б. Сочавы. Иркутск: Изд-во ИГ СО РАН, 2002. С. 92-101.

2. Волковинцер В.И. Степные криоаридные почвы. Новосибирск: Наука, 1978. 215 с.

3. Замана Л.В. Формирование озер и болот Баргузинской впадины // История озер в СССР: материалы к V Всесоюзному симпозиуму. Ч. 2. Иркутск, 1979. С. 116-119.

4. Замана Л.В. Мерзлотно-гидрогеологические и мелиоративные условия Баргузинской впадины. Новосибирск: Наука, 1988. 126 с.

5. Исаев В.П. Природные газы Баргузинской впадины. Ир-

кутск: Изд-во ИГУ, 2006. 220 с.

6. Карпов И.К., Чудненко К.В., Кравцова Р.Г., Бычинский В.А. Имитационное моделирование физико-химических процессов растворения, переноса и отложения золота в эпитер-мальных золотосеребряных месторождениях северо-востока России // Геология и геофизика. 2001. Т. 42. № 3. С. 393-408.

7. Карпов И.К., Чудненко К.В., Кулик Д.А. [и др.]. Минимизация энергии Гиббса в геохимических системах методом выпуклого программирования // Геохимия. 2001. Т. 42. № 11. С. 1207-1219.

8. Обожин В.Н., Богданов В.Т., Кликунова О.Ф. Гидрохимия рек и озер Бурятии. Новосибирск: Наука, 1984. 152 с.

УДК 504:502.51(282):543.2

ТРАНСФОРМАЦИЯ ГЕОСИСТЕМ В УСЛОВИЯХ УРБАНИЗАЦИИ.

II. ЭКОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СОПРЯЖЕННОЙ СИСТЕМЫ «ПОЧВА - ВОДА»

1 2 © Г.И. Сарапулова , А. Мунхуу

Иркутский государственный технический университет,

664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Получена пространственно-временная динамика распределения тяжелых металлов в поверхностной воде реки Туул в г. Улан-Баторе по 11 створам. Выявлены зоны аккумуляции химических элементов в аквальном ландшафте. Обнаружены прямые корреляции содержаний водорастворимых форм металлов в системе «почва - вода». Качество корреляций свидетельствует о сопряженной миграции микроэлементов и подтверждает влияние антропогенных стоков на состояние воды. Ил. 10. Библиогр. 16. назв.

Ключевые слова: гидрохимические параметры; поверхностная вода; почва; корреляции; тяжелые металлы.

GEOSYSTEM TRANSFORMATION UNDER URBANIZATION.

II. ECOGEOCHEMICAL STUDIES OF CONJUGATED SYSTEM "SOIL - WATER"

1Сарапулова Галина Ибрагимовна, доктор химических наук, профессор кафедры обогащения полезных ископаемых и инженерной экологии, тел.: (3952) 405118.

Sarapulova Galina, Doctor of Chemistry, Professor of the Department of Mineral Processing and Engineering Ecology, tel.: (3952) 405118

2Мунхуу Алтанцэцэг, аспирант. Munkhu Altantzezeg, Postgraduate.