Схематическое районирование территории Прикаспийского артезианского бассейна по формированию химического состава подземных вод верхней гидрогеодинамической зоны

УДК 556+550.845 Е.И. Барановская1

СХЕМАТИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ ПРИКАСПИЙСКОГО АРТЕЗИАНСКОГО БАССЕЙНА ПО ФОРМИРОВАНИЮ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ВЕРХНЕЙ ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ ЗОНЫ

Рассмотрено гидрогеохимическое районирование территории Прикаспийского артезианского бассейна на основе выявленных показателей районирования. Методической основой послужил естественно-исторический анализ ландшафтно-климатических, геологических, гидрогеологических и гидрогеохимических данных. Объект исследований — верхняя гидро-геодинамическая зона Прикаспийского артезианского бассейна.

Ключевые слова: гидрогеохимическое районирование, верхняя гидрогеодинамическая зона, показатели районирования, типизация, химический состав.

The article describes hydrogeochemical division into districts of the area of the Caspian artesian basin, identified index of division into districts. Methodological basis for this work were natural-historical analysis of the landscape-climate, geological, hydrogeological, hydrogeochemical data. The object of the study was to upper hydrogeodynamic zone of the Caspian artesian basin.

Key words: hydrogeochemical division into districts, upper hydrogeodynamic zone, index of division into districts, typing, chemical composition.

Введение. Необходимость исследовать формирование химического состава подземных вод на территории Прикаспийского артезианского бассейна связана с дефицитом хозяйственно-питьевых вод, широким распространением эксплуатируемых нефтегазовых месторождений, добыча и разработка которых негативно влияют на состав и качество подземных вод, а также со слабой гидрогеологической (гидрогеоди-намической и гидрогеохимической) изученностью Прикаспийского артезианского бассейна, характеризующегося сложными и разнообразными геолого-гидрогеологическими условиями.

Цель работы — районирование верхней гидро-геодинамической зоны территории Прикаспийского артезианского бассейна с позиции формирования химического состава подземных вод в естественных условиях.

Методической основой для выполнения работы послужил естественно-исторический анализ ланд-шафтно-климатических, геологических, гидрогеологических и гидрогеохимических данных.

Выявление распространения вод, пригодных для питьевых и хозяйственных нужд, возможно путем гидрогеохимического районирования территории на основе гидрогеохимической типизации. Гидрогеохимическая типизация Прикаспийского артезианского бассейна составлена по данным о геологическом строении, гидрогеологических особенностях верхней гидрогеодинамической зоны бассейна и его физико-географических характеристиках.

Согласно типизации, разработанной К.Е. Питьевой, за наиболее крупную таксономическую единицу принят гидрогеохимический тип [Питьева, 1998].

В пределах типов выделяются более мелкие таксономические единицы — подтипы.

В гидрогеохимический тип объединяются подземные воды, характеризующиеся общностью источников, факторов и процессов формирования химического состава, качества подземных вод в естественных и нарушенных условиях; в подтипы — подземные воды, характеризующиеся ограниченным числом наиболее значимых источников, факторов и процессов формирования состава подземных вод и свойств прикладного характера из числа тех, которые действуют в водах типов. Подтипы имеют разный порядок, их число определяется степенью детальности типизации [Питьева, 1998].

Материалы и методы исследования. Главные показатели выделения гидрогеохимических типов в верхней гидрогеодинамической зоне Прикаспийского артезианского бассейна — различия в геологическом строении территории бассейна, в его геолого-тектоническом и гидрогеологическом развитии и в геофильтрационных параметрах пород, которые характерны для наиболее крупных структур.

На территории Прикаспийского артезианского бассейна выделены:

1) Центрально-Прикаспийская депрессия, характеризующаяся длительным интенсивным погружением, значительной мощностью верхней гидро-геодинамической зоны, низкими фильтрационными свойствами пород, существенной глинистостью тер-ригенных отложений, высокой минерализацией подземных вод, которая обусловлена длительным временем формирования химического состава подземных вод, в течение которого в водах накапливалась

1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра гидрогеологии, аспирантка; e-mail: baranovskaya_kat@mail.ru

Гидрогеохимическая типизация подземных вод верхней гидрогеодинамической зоны Прикаспийского артезианского бассейна по формированию их химического состава в естественных условиях

Гидрогеохимические типы

Тип I. Минерализованные подземные воды Прикаспийской центральной депрессии, приуроченные преимущественно к неогеновым песчано-глинистым отложениям:

ЕМ вод 30-40 г/л;

компонентный состав ClSO4(иSO4)NaMg(иMg) со слабоминерализованными водами линзообразного залегания;

генезис седиментационный;

главные факторы формирования: близкий к застойному режим, обусловленный преобладанием погружения отложений, незначительная скорость фильтрации вследствие низких значений напорного градиента и фильтрационных параметров пород; длительность процессов перехода в воду ионно-солевого состава (№С1) комплекса пород, имеющих морское происхождение

Тип II. Пресные, слабоминерализованные и минерализованные подземные воды периферийной части Прикаспийского артезианского бассейна, приуроченные к четвертичным, неогеновым, локально к мезозойским отложениям:

Подтипы 1-го порядка

Подтип Ь1. Подземные воды, распространенные на территории интенсивного развития соляных куполов: ЕМ вод близка к максимальной; компонентный состав СШа; главные факторы формирования: усложненность (хаотичная) фильтрационных потоков; малая длина путей фильтрации; растворение галитов соляных куполов; увеличение значений напорного градиента и уменьшение расстояния между соляными куполами

Подтип Ь2. Подземные воды, распространенные на территории средних и малых соляных куполов:

гидрогеодинамические и гидрогеохимические характеристики и обусловливающие их факторы близки к таковым для типа I

Подтип П.1. Пресные и слабоминерализованные подземные воды, распространенные в преимущественно неогеновых, редко в мезозойских отложениях на востоке, севере и западе периферийной части Прикаспийского артезианского бассейна:

ЕМ вод < 1 г/л, локально до 3-5 г/л; компонентный состав

HCO3SO4(SO4HCO3иQ)CaMg(Na,иNa); генезис пресных вод: питание преимущественно атмосферное;

разгрузка в поверхностные водотоки и водоемы;

процессы взаимодействия с породами: угле-кислотное выщелачивание (формирование в водах HCO3), растворение ангидритов и окисление сульфидных минералов (формирование в водах SO4);

генезис слабоминерализованных вод: существенное подпитывание напорными минерализованными водами; процесс формирования — смешение; главные факторы формирования: смена характера тектонических движений, обусловивших интенсивное атмосферное влияние на породы в периоды выхода их на дневную поверхность, что сопровождалось вытеснением седимента-ционных вод атмосферными осадками; повышенная скорость фильтрации подземных вод, вызванная значительными напорными градиентами; краткое время взаимодействия вод с породами

Подтип П.2. Минерализованные подземные воды, распространенные на территории Астраханского свода и прилегающих к нему территориях: ЕМ 20-30 г/л; при незначительной глубине залегания ЕМ может достигать > 100 г/л; компонентный состав С^ШЩ;

водовмещающие породы пес-чано-глинистые четвертичного возраста;

характерны низкие значения напорного градиента и очень малая скорость фильтрации; генезис вод седиментаци-онный, сохранившийся от хвалыно-хазарской трансгрессии Каспийского моря; значительная роль трансгрессий Каспийского моря в формировании состава вод верхней гидрогеодинамиче-ской зоны в пределах Астраханского свода обусловлена длительным погружением свода. Процесс формирования — континентальное засоление вследствие испарения

Подтипы 2-го порядка

Подтип 1. 2. 1. Подземные воды песчаных отложений:

ЕМ вод меньше, чем у вод подтипа 1.2; компонентный состав — повышенное содержание НТО3; распространение локальное, линзообразное; питание атмосферное

Ь2.2. Подземные воды глинистых отложений, глубина залегания < 5 м:

ЕМ вод больше, чем у вод подтипа 1.2; повышенное содержание SO4, С^

распространение локальное, залегание линзообразное

значительная концентрация №С1, а также ионно-солевым составом комплекса пород. Все указанное обусловило минерализацию, достигающую 20-30 г/л. По современным представлениям [Серебряков и др., 2006; Серебряков, 2010], гидрогеодинамические показатели свидетельствуют о слабой подвижности подземных вод, местами застойном режиме;

2) периферийная часть Прикаспийского артезианского бассейна, характеризующаяся широким развитием положительных геологических структур, значительным атмосферным влиянием вследствие вывода пород верхней гидрогеодинамической зоны на дневную поверхность, относительно повышенными фильтрационными свойствами пород и пониженной минерализацией подземных вод.

На основании этих показателей на территории Прикаспийского артезианского бассейна установлены два гидрогеохимических типа (таблица). В пределах типа I выделены гидрогеохимические подтипы 1-го (1.1 и 1.2) и 2-го (1.2.1 и 1.2.2) порядка; в пределах типа II — подтипы 1-го порядка (11.1 и 11.2) (таблица). Ниже приводится характеристика гидрогеолого-гидрогеохимических условий верхней гидрогеоди-намической зоны на основе гидрогеохимической типизации. В пределах I гидрогеохимического типа значительный интерес представляет рассмотрение влияния соляных куполов на химический состав этого типа (подтип Ы).

Гидрогеохимический подтип 1.1. Исходный химический состав вод характеризуется составом вод I типа и существенно изменен под интенсивным влиянием соляных куполов, особенно широко распространенных в восточной части Центрально-Прикаспийской депрессии. На участках, где соляные купола расположены выше подошвы верхней гидрогеодинами-ческой зоны, т.е. в пределах этой зоны, по данным К.Е. Питьевой [Питьева, 1969], за счет растворения галита, сильвина и магниевых солей существенно повышается концентрация С1, К, Mg и в целом минерализация. На участках, где соляные купола подстилают верхнюю гидрогеодинамическую зону, вследствие тектонической нарушенности разреза и его литологической неоднородности в верхнюю гидрогеодинамическую толщу поступают через кунгурскую толщу высокоминерализованные подземные воды подсолевых отложений, часто содержащие углеводороды, углекислый газ и сероводород [Ильченко, 1998]. Изменяется состав вод верхней гидрогеодинамической зоны и при их смешении с сильноминерализованными водами, залегающими в форме линз в песчаных разностях, как правило, эти воды напорные [Питьева, 1971].

Гидрогеохимический подтип 1.2 — подземные воды, распространенные в западной части Центрально-Прикаспийской депрессии. В этой части депрессии соляные купола имеют относительно небольшую мощность и развиты локально. Поэтому влияние на химический состав исходных (близких к

I типу) подземных вод в пределах соляно-купольных структур незначительное. Описание гидрогеохимических подтипов 2-го порядка Ц.2.1 и Г2.2) приведено в таблице.

Гидрогеохимический тип IIв геолого-структурном отношении включает все периферийные положительные структуры (своды, поднятия и пр.), сложенные преимущественно терригенными разностями пород разной стратиграфической принадлежности. На общем региональном геолого-гидрогеологическом фоне в периферийной части бассейна в пределах распространения вод типа II выделяются структуры сводового характера, но с существенно отличающимися химическим составом подземных вод, стратиграфическим положением и генезисом. В северо-восточной и восточной периферийной частях Прикаспийского артезианского бассейна подземные воды верхней гидрогеодинамической зоны характеризуются главным образом минерализацией от 0,5 до 1,5 г/л и HCO3CaMg-составом. На юго-западе и юге Прикаспийского артезианского бассейна подземные воды верхней части разреза имеют минерализацию от 20 до 30 г/л и QSO4NaMg-состав. Вышеуказанное является основанием для выделения подтипов П.1 и П.2 в пределах II типа.

Гидрогеохимический подтип 11.1. На большей части территории верхняя гидрогеодинамическая зона приурочена к неоген-четвертичным отложениям мощностью до 100 м и более, редко и неравномерно — к отложениям другого возраста. В плиоценовой толще водоносны песчаные породы, залегающие в виде пластов мощностью около 30 м и более и линз среди глинистых отложений. Подземные воды залегают на глубине 5,0-36,0 м [Питьева, 1999]. Дебит скважин составляет 0,1-4,1 л/с при понижении уровня 7,0-29,2 м. Местами подземные воды в акчагыльских отложениях напорные, залегают на глубине 40,0-168,0 м, и их уровень устанавливается в скважинах на глубине 3,0-55,0 м; дебиты скважин колеблются от долей литра в секунду в глинистых песках до 4,2-11,7 л/с в песчано-гравийных отложениях при понижении уровня 3,0-26,3 м [Севастьянов, 2010]. Коэффициент фильтрации плиоценовых апшерон-акчагыльских отложений составляет преимущественно 0,001-5,0 м/сут, водопроводимость колеблется от десятых долей до 30-50 м2/сут. Главные источники компонентного состава подземных вод — породы и газы.

По данным работы [Питьева и др., 1997], ионообменный комплекс песчано-глинистых и карбонатных пород характеризуется общим преобладанием магния и кальция над натрием.

Среди газов в формировании компонентов подземных вод наиболее активно участвуют кислород и углекислый газ, первый — атмосферного происхождения, второй — атмосферного и биогенного. Количество атмосферного углекислого газа в подземных водах невелико и в соответствии с парциальным

давлением в атмосфере составляет около 10-3'5 атм. Парциальное давление углекислого газа, образующегося биогеохимическим путем (при окислении органики) в почве, варьирует в почвенных водах от 10-1 до 10-0'5 атм. В подземных водах концентрация углекислого газа за счет биогенного С02 возрастает до Р(С02) = 10-1'5^10-2 атм, чего достаточно для активного развития процессов углекислотного выщелачивания пород. При участии кислорода в водах формируется 8042-, углекислого газа — НС03-.

Главный процесс формирования подземных вод гидрокарбонатного состава — углекислотное выщелачивание.

Сульфаты формируются в подземных водах главным образом за счет сульфатных пород (гипсы) и их примесей; процесс — растворение гипса. В мезозойско-кайнозойских породах при отсутствии загипсованности пород источником сульфата в водах служат сульфиды тяжелых металлов, подверженные окислению. При окислении некоторых сульфидов металлов (пирита и др.) образуется серная кислота, вызывающая сернокислотное выщелачивание. В результате сернокислотного выщелачивания в воде повышается содержание сульфат-иона и катионов.

Хлориды поступают в подземную воду из ионно-солевого комплекса пород, а в воды, приуроченные к четвертичным отложениям, — из глубоких водоносных комплексов путем смешения с минерализованными водами хлоридного натриевого состава этих комплексов.

Наряду с рассмотренными процессами в подземных водах широко распространен процесс кристаллизации слаборастворимых карбонатов кальция и магния в условиях достижения их предела растворимости, соответствующего минерализации 0,5—0,6 г/л.

Преобразование химического состава подземных вод связано с гидрогеодинамическим фактором, оно происходит в направлении фильтрационного потока и обусловлено постоянным поступлением компонентов в воду вследствие взаимодействия с породами. Выполненное автором обобщение разрозненных материалов позволило установить, что в целом воды с минимальными значениями минерализации приурочены к областям преимущественно инфильтрационного питания, т.е. к участкам с максимальными отметками гидроизогипс, расположенным в пределах центральных частей водоразделов.

На изменение состава подземных вод в направлении фильтрационного потока накладываются микроизменения, обусловленные неоднородностью скорости фильтрации. По современным представлениям [Питьева и др., 1997], чем меньше скорость фильтрации, тем длительнее протекают процессы перехода компонентов из пород в подземную воду и тем выше их концентрация в подземных водах.

В пределах областей транзита минерализация подземных вод изменяется от 0,5—0,6 до 1,0 г/л,

мощность — от 50 до 100 м, в компонентном составе значительную роль играют сульфаты.

Слабоминерализованные подземные воды с минерализацией до 2—3(5) г/л и более в естественных условиях формируются при взаимодействии с существенно глинистыми апшерон-акчагыльскими отложениями и за счет ионно-солевого комплекса, а также в результате смешения пресных вод с минерализованными напорными водами подстилающих отложений. В компонентном составе этих вод значительна роль хлора и натрия.

Подтип 11.2. Верхняя гидрогеодинамическая зона представлена водоносными песчаными и относительно слабопроницаемыми глинистыми отложениями морского генезиса хвалынского и хазарского ярусов общей мощностью >100 м. Подошва подземных вод верхней гидрогеодинамической зоны сложена четвертичными отложениями бакинского возраста мощностью около 48 м. Коэффициент фильтрации песков часто составляет 0,п м/сут; глин — < 0,п—0,0п м/сут.

Минерализация подземных вод верхней гидро-геодинамической зоны характеризуется значениями 20—30(35) г/л и компонентным QS04NaMg-составом. Регионально распространены соленые (с минерализацией >20 г/л) подземные воды, слабоминерализованные воды имеют локальное распространение в виде линз.

Подземные воды, приуроченные к хвалынским отложениям, подразделены в результате классифицирования на группы по минерализации и компонентному составу: <1 г/л, преобладают гидрокарбонат-ион, кальций, магний над хлором, сульфатом, натрием; 1—2 г/л, преобладают хлор, сульфат, натрий, магний над гидрокарбонат-ионом и кальцием; 2—5 г/л, сохраняются соотношения между компонентами, характерные для предыдущей группы, но с пониженным содержанием в водах гидрокарбонат-иона и кальция; 5—20 г/л, хлоридно-сульфатный натриево-магниевый состав; >20 г/л, преимущественно хлоридные с повышенной сульфатностью, натриево-магниевые.

Подземные воды, приуроченные к хазарским отложениям, образуют главным образом следующие группы по минерализации и компонентному составу: <15 г/л, хлоридно-сульфатные натриево-кальциевые; 15—25 г/л, хлоридные, с повышенной концентрацией сульфат-иона, натриево-магниевые; >25 г/л, хлоридные натриево-магниевые.

Подземные воды с минерализацией >20 г/л распространены регионально, состав ClS04NaMg, на участках глинистого разреза часто QNaMg. Этот компонентный состав выдерживается от глубины <5 м до бакинского водоупора. С глубиной минерализация вод возрастает до 35—45 г/л.

Подземные воды с минерализацией <10 г/л распространены локально и приурочены к верхам разреза, локально распространены на фоне более минерализованных вод регионального распространения.

Распределены они резко неравномерно по площади и в разрезе, часто на участках песков с повышенными фильтрационными свойствами. Воды линзообразного локального распространения, но с минерализацией >40 г/л, отмечены в пределах понижений рельефа. Их компонентный состав чаще всего хлоридный натриевый (СШа); они также приурочены к линзам песков, запечатанных в глинах, где имеют хлорид-но-сульфатный натриево-магниевый компонентный состав (СЙО^аМ^).

В целом природные гидрогеохимические условия четвертичных отложений характеризуются значительной неоднородностью в верхней части разреза (до глубины 10—15 м), где их минерализация изменяется в диапазоне от <1,0 до ~100 г/л, а компонентный состав варьирует по мере увеличения минерализации от существенно гидрокарбонатного до устойчивого хлоридного натриевого с повышенным содержанием сульфата и магния. Более глубокая часть разреза в гидрогеохимическом отношении слабоизменчива, преобладает хлоридно-сульфатный натриево-магниевый состав вод (С^О^аМе).

Основные процессы формирования химического состава подземных вод — сульфатредукция, растворение ионно-солевого комплекса.

Таким образом, на основании исследований физико-географических, геологических, гидрогеологических, гидрогеохимических условий территории в пределах верхней гидрогеодинамической зоны Прикаспийского артезианского бассейна были установлены два гидрогеохимических типа (I и II), а в их пределах — ряд гидрогеохимических подтипов.

На основе типизации подземных вод составлена схема районирования территории по формированию химического состава. Территория разграничена на участки, соответствующие выделенным типам и подтипам (рисунок). Территориально гидрогеохимические типы и подтипы образуют в пределах артезианского бассейна гидрогеохимические структуры, соответствующие этим типам и подтипам (рисунок). Пространственно гидрогеохимические типы на территории Прикаспийского артезианского бассейна приурочены к гидрогеохимическим областям (I и II), а гидрогеохимические подтипы — к районам (Ы, Г2 и П.1). Границы областей и районов проведены по границам геологических структур.

Подземные воды гидрогеохимической области I (тип I) в верхней гидрогеодинамической зоне артезианского бассейна приурочены к Центрально-Прикаспийской депрессии (рисунок). Подземные воды

Схема районирования территории Прикаспийского артезианского бассейна по условиям формирования химического состава подземных вод верхней гидрогеодинамической зоны по данным гидрогеохимической типизации (составлена Е.И. Барановской): 1 — области распространения гидрогеохимических типов (а — I, б — II); 2 — распространение гидрогеохимических подтипов типа I; 3 — распространение гидрогеохимических подтипов типа II; 4 — граница между районами (а — Ы и О; б — П.1 и П.2); 5 — граница территории Прикаспийского артезианского бассейна; 6 — структурно-тектонические элементы

области II (тип II) занимают периферийные части Прикаспийского артезианского бассейна (рисунок).

Выводы. 1. Главный региональный источник формирования химического состава подземных вод — пресные подземные воды, поступающие транзитом на территорию Прикаспийского артезианского бассейна со стороны пограничных территорий. Атмосферные осадки в целом представляют слабый источник питания вод артезианского бассейна, особенно в его центральной и южной частях, обусловливая формирование пресных и слабоминерализованных вод локального распространения. В периферийных частях бассейна роль атмосферных осадков больше.

2. К главным факторам формирования повышенной и высокой минерализации подземных вод в верхней гидрогеодинамической зоне относятся: а) процессы концентрирования подземных вод при глубине залегания <5 м, меньшая глубина залегания способствует увеличению минерализации вод; б) процессы концентрирования компонентов подземных

вод, которые поступают длительное время из разных источников в условиях, связанных в основном с незначительной скоростью фильтрации при равнинном рельефе и незначительных значениях напорного градиента; в) морской генезис формирования подземных вод.

3. Главные факторы формирования пресных и очень слабоминерализованных вод — геологическое строение, т.е. антиклинальные структуры, а также интенсивное влияние атмосферных осадков в периоды воздымания территории бассейна.

4. Разнообразие компонентного состава минерализованных вод — результат сохранения морских и седиментационных (вплоть до современного периода в центральной и южной частях погружающейся в геологическое время территории бассейна) (воды C1SO4NaMg-состава); главный признак пресных и слабоминерализованных вод — повышенное содержание гидрокарбонатов в их компонентном составе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Ильченко В.П. Нефтегазовая гидрогеология подсолевых отложений Прикаспийской впадины / Под ред. Е.В. Стад-ника. М.: Недра, 1998.

Питьева К.Е. Основы региональной геохимии подземных вод. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1969.

Питьева К.Е. Подземные воды палеозоя Северного Прикаспия. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1971.

Питьева К.Е. Гидрогеохимия. М.: Изд-во Моск. унта, 1998.

Питьева К.Е. Гидрогеоэкологические исследования в районах нефтяных и газовых месторождений. М.: Недра, 1999.

Питьева К.Е., Волохова Е.В. Исследование изменения состава подземных вод под воздействием Оренбургского газового комплекса. М.: ИРЦ Газпром, 1997.

Севастьянов О.М. Состояние и перспективы питьевого и хозяйственного водоснабжения подземными водами в районе Оренбургского газохимического комплекса // Современная гидрогеология нефти и газа. Фундаментальные и прикладные вопросы: Мат-лы Всеросс. науч. конф. М., 2010. С. 497-502.

Серебряков А.О. Гидрогеологические особенности строения водоносных бассейнов солянокупольных регионов // Современная гидрогеология нефти и газа. Фундаментальные и прикладные вопросы: Мат-лы Всеросс. науч. конф. М., 2010. С. 85-88.

Серебряков А.О., Питьева К.Е., Гоман А.В. Геохимия подземных вод в условиях освоения нефтегазовых месторождений. Астрахань, 2006.

Поступила в редакцию 15.10.2013