автореферат - Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева

Академия Наук Республики Молдова
Институт геологии и сейсмологии
На правах рукописи
МОРАРУ Константин Ефимович
Гидрогеохимия зоны активного водообмена
юго-запада Причерноморского артезианского бассейна
(геоэкологические аспекты)
Специальность 25.00.36 - геоэкология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
доктора геолого-минералогических наук
Кишинев 2013
Работа выполнена в Институте геологии и сейсмологии Академии Наук
Республики Молдова
Официальные оппоненты:
доктор геолого-минералогических наук,
Галицкая Ирина Васильевна
доктор химических наук,
профессор Рыженко Борис Николаевич
доктор геолого-минералогических наук,
профессор Хаустов Александр Петрович
Ведущая организация: Национальный исследовательский Томский
политехнический университет
Защита состоится « 01 » ноября 2013 г. в 14.00 часов на заседании
Диссертационного совета Д 002.048.01 при Федеральном государственном
бюджетном учреждении науки Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева
Российской академии наук (ИГЭ РАН) по адресу: 101000, Москва, Уланский
переулок, дом 13,строение 2, а/я 145.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального
государственного бюджетного учреждения науки Институт геоэкологии им.
Е.М. Сергеева Российской академии наук (ИГЭ РАН)
Автореферат разослан «….»__________2013 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью
учреждения, просим направлять по адресу: 101000, Институт геоэкологии
им. Е.М. Сергеева Российской академии наук (ИГЭ РАН), Москва, Уланский
переулок, дом 13,строение 2, а/я 145.
Ученый секретарь Диссертационного совета,
кандидат геолого-минералогических наук
Батрак Г.И.
3
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Вертикальная гидрогеодинамическая
зональность подземных вод, впервые обоснованная академиком
В.И.Вернадским (1933 – 1936 г.г.), относится к основным закономерностям
существования подземных вод и имеет глобальный характер. Несмотря на
многочисленные классификации этой зональности, автор отдает
предпочтение предложениям проф. Игнатовича И.К. (1948 г.) о
существовании зон: активного водообмена, затрудненной циркуляции и
застойного водного режима подземных вод. Зона активного водообмена - это
верхняя часть гидрогеологического разреза, включающая грунтовые воды и
горизонты межпластовых вод, участвующих в водообмене с атмосферой и
поверхностными водами. В структурном отношении она является составной
частью зоны гипергенеза.
Современные представления о зоне активного водоообмена недостаточно
ясны (Куренной В.В., 2010 г.). Всеволожский В.А. (2009 г.) отмечает, что
методы определения границ этой зоны еще не- совершенны. Количество
обобщенных работ по теме небольшое, хотя значение подземных вод этой
зоны огромное. Практически в этой зоне сконцентрированы основные запасы
и ресурсы хозяйственно-питьевых подземных вод, в ней имеют место
миграция, концентрирование и преобразование химического вещества,
процессы термо-газообмена и возобновляемости естественных ресурсов
подземных вод. В свою очередь гидрогеохимия зоны активного водообмена в
целом и, в частности юго-запада Причерноморского артезианского бассейна,
изучена недостаточно.
Актуальность работы в теоретическом отношении: 1) имеет
непосредственное отношение к изучению фундаментальной проблемы
формирования подземных вод в зоне активного водообмена с
неравновесными термодинамическими условиями и низкими температурами
воды; 2) прирост новых знаний для научного направления, связанного с
гидрогеохимией зоны гипергенеза.
Актуальность исследований в практическом отношении: 1) развитие
экономики и существование социальной среды исследуемой территории
функционально связаны с использованием подземных вод. В этой связи
полученные результаты позволяют целенаправленно, системно и
обоснованно эксплуатировать ресурсы зоны активного водообмена, которая
по сути и является главным резервуаром кондиционной подземной воды; 2)
результаты исследований используются (и будут применены) в различных
составляющих инженерной гидрогеологии и геоэкологии (моделирование
подземного стока в нарушенных условиях, разработка сценариев изменения
в системе «климат – подземные воды», картографирование качества воды и
гидродинамических параметров в техногенных условиях и др.).
4
Цель исследований: Разработка теоретических и методологических
основ изучения, анализа, оценки состояния и использования подземных вод
зоны активного водообмена на примере юго-запада Причерноморского
артезианского бассейна (включая репрезентативную территорию Республики
Молдова).
Задачи исследования:
1.Изучить и выделить основные природные и техногенные условия,
влияющие на формирование вертикальной гидродинамической зональности и
на гидрогеохимию юго-запада Причерноморского артезианского бассейна.
2.Разработка и обоснование комплекса методов пространственного (3D)
оконтуривания зоны активного водообмена подземных вод юго-запада
Причерноморского артезианского бассейна с учетом их перспективного
применения для других территорий с аналогичными гидрогеологическими
условиями.
3.Теоретическое обоснование и разработка методических принципов
оценки и определения верхней и нижней границ зоны активного водообмена.
4.Разработка методологического подхода к районированию подземных
вод юго-запада Причерноморского артезианского бассейна по условиям
вертикальной гидродинамической взаимосвязи водоносных горизонтов.
5.Выявить
и
количественно
проанализировать
закономерности
формирования гидрогеохимии грунтовых и межпластовых вод как
самостоятельные геоэкологические системы в пределах зоны активного
водообмена.
6. Апробация основных положений, закономерностей формирования
качества и существования хозяйственно-питьевых вод зоны активного
водообмена под влиянием репрезентативных техногенных факторов на
конкретных обьектах.
Исходные материалы. Цель и задачи исследований реализованы на
основе объемного фактического материала, который был собран,
систематизирован, обработан лично автором или при его непосредственном
участии в качестве ответственного исполнителя. Диссертационная работа
обобщает результаты автора более чем двадцатилетнего периода изучения
гидрогеохимии зоны активного водообмена. Исследования были выполнены
в рамках хоздоговорных и госбюджетных тематик (по заданиям Академии
Наук Молдовы), международных проектов Всемирного банка, ТАСИС (1995
- 1996 гг. и 1999 -2000 гг. - с голландскими геологами, 2001 г. - с
ирландскими гидрогеологами). Частично обработка данных была
осуществлена в различные периоды времени в двух университетах США (г.
Мемфис, 2003 – 2005 гг. и г. Жонесборо, 2006 – 2007 гг.), в одном
университете Германии (г. Карлсруе, 2005 г.). Работа закончена в рамках
государственной программы Академии Наук Молдовы «Научные
5
исследования и управление качеством воды» (руководитель акад. Дука Г.Н.)
в лаборатории гидрогеологии и инженерной геологии Института геологии и
сейсмологии.
Кроме личных данных, в работе использованы официально
опубликованные материалы и архивные неопубликованные сведения
Государственного агентства по геологии Молдовы. Во всех случаях автор
приводит ссылки на источник использованной информации.
Методика исследований комплексная и состоит из следующих
базовых составляющих:
1) экспедиционные исследования - полевые работы для получения в
основном
проб
подземной
воды,
горных
пород,
измерения
гидрогеологических, гидрогеохимических параметров и в ряде случаев сбора экологической, метеорологической, технической и др. информации на
территории Республики Молдова и иногда в пределах междуречья Прут –
Днестр, а также территорий Украины и Румынии. Во время этих работ был
применен единый подход к топографической привязке, отбору проб, их
обработке и анализу, что позволило в конечном счете провести
сопоставление результатов.
2) аналитические работы включают лабораторные и полевые (экспресс)
определения химических элементов и физико-химических параметров. В
лабораторных условиях определены макро- и микроэлементы (лаборатория
атомной спектроскопии Института химии АН Молдовы), гелий (прибор
ИНГЕМ-1, оператор – автор диссертации). Электрическая проводимость
воды, величина pH, содержание О2 и температура воды определены в
полевых условиях при помощи портативной лаборатории MultiLine F/Set
(фирма WTW, Германия). Также в поле для выявления пределов содержания
нитратов, нитритов, аммония, сульфатов, железа, общей жесткости, хлора и
мышьяка использовались индикаторы фирмы Merck (Германия). Иногда
непосредственно в полевых условиях проверялись аномалии содержания
гелия. Данные о содержании трития в природных водах и температуре воды
глубоких скважин позаимствованы из архивных материалов лаборатории
гидрогеологии и инженерной геологии Института геологии и сейсмологии
АН Молдовы.
Количество собственных химических анализов (элементоопределений)
составляет около 2500 для подземных вод, более 3000 определений гелия в
воде и природных газовых скоплениях. также Собраны и обобщены также
геолого-гидрогеологические данные по более 1000 скважинам (стратиграфия,
уровни воды, дебит и др.).
3) обработка данных проведена с использованием современных
количественных методов обработки геологической информации, приемов
физико-химического
моделирования
и
картографирования.
Были
6
использованы пакеты компьютерных программ Microsoft 2003-07, SPSS10-14,
AquaChem 4.0,
Surfer 7.0-8.0-9.0-11.0, ModFlow (PMWin 4.1, Visual
ModFlow), RockWorks 14.0, CorelDraw 12.0 и GWW.
Защищаемые положения:
1. Предлагается комплекс методов оценки и распространения зоны
активного водообмена в условиях неопределенности гидрогеологической
параметризации. В зависимости от степени гидрогеологической изученности
обоснована следующая последовательность методов: (а) гидрогеологическая
стратификация,
(б) гидрогеохимический, (в) гидрогеотермический, (г)
тритиевые исследования и (д) гелиевые исследования. Предложенные
методы, при определенных допущениях, могут использоваться для
аналогичных артезианских бассейнов платформенных областей.
2. Закономерности формирования и существования вертикальных границ
зоны активного водообмена выявлены и обоснованы лабораторными и
численными экспериментами, а также полевыми данными. В зоне аэрации
(верхняя граница)
миграция химических элементов является
преимущественно квазиконечной или соответствует свойствам временных
прерывистых конечных функций. Условия границы нижней части зоны
активного водообмена определяются гидродинамическим влиянием
разрывной тектоники. Здесь существуют геофильтрационные потоки,
которые имеют восходящий пульсационный характер, сложный химический
состав, вариабельность температуры воды и содержания гелия.
3. В пределах зоны активного водообмена грунтовые и межпластовые
воды существуют как самостоятельные геоэкологические системы. При этом
химический состав грунтовых вод преимущественно определяется влиянием
верхней границы зоны и техногенными факторами. Геохимия межпластовых
вод формируется в основном под влиянием природных факторов и нижней
границы зоны активного водообмена; селективно и только в определенных
гидрогеологических условий проявляется влияние верхней границы.
4. Методологические
подходы
к
комплексной
экологогидрогеохимической оценке территорий со сложным характером
антропогенного воздействия на зону активного водообмена (на примере
репрезентативных техногенных обьектов).
Научная новизна работы:
1. Впервые обоснована и разработана методология пространственного
выделения и параметризации зоны активного водообмена подземных вод
юго-запада Причерноморского артезианского бассейна и проанализирована
возможность использования данной методологии для аналогичных
платформенных областей.
2. Разработан принципиально новый подход к оценке миграции
неорганических загрязнителей, основанный на понятии о квазиконечной
7
миграции загрязнителя за определенный период времени в пределах зоны
аэрации (верхняя граница).
3. Вследствие
анализа закономерностей распределения поля гелия
обосновано и доказано существование разнообразных по химическому
составу пульсирующих восходящих потоков подземных вод в основании
зоны активного водообмена (нижняя граница).
4. В результате комплексных исследований выявлена роль граничных
условий для процесса формирования химического состава подземных вод
зоны активного водообмена для региона.
5. Впервые составлена картографическая модель взаимосвязи водоносных
горизонтов
юго-запада Причерноморского артезианского бассейна (на
примере территории Молдовы). Новизной также является применение
коэффициента контрастности поля гелия (предложенного автором) в качестве
количественного показателя гидравлической взаимосвязи водоносных
горизонтов.
6. На основе причинно-следственных связей, с использованием приемов
математической статистики и компьютерного моделирования исследовано
формирование геохимии подземных вод зоны активного водообмена в
репрезентативных техногенных условиях: применения пестицидов в
сельском хозяйстве, мелиорации земель,
влияния животноводческих
комплексов, урбанизированных территорий и военного аэропорта.
Практическая значимость исследований и реализация результатов. В
теоретическом плане результаты исследований позволяют: с новых позиций
обосновать и оптимизировать эксплуатацию подземных водных ресурсов
зоны активного водообмена региона; по-новому оценить и выделить
преобладающие геохимические процессы формирования качества подземных
вод; количественно моделировать эколого-гидрогеохимическое состояние
водоносных горизонтов.
В практическом аспекте результаты исследований вошли в отчеты по
госбюджетным, хоздоговорным и международным темам научноисследовательских работ. Среди них наиболее значимыми являются проекты:
Всемирного банка (1995 г.), Европейского сообщества ТАСИС (2000 г.),
подготовки гидрогеологической карты Европы, лист Е-5 (Бухарест, 2003 г.), а
также гранты: Фулбрайт (США, 2003 - 2004 г.г.), ДААД (Германия, 2004 г.),
Арканзасского университета (США, 2006 - 2007 г.г.), Молдова – Россия (2008
- 2009 г.г.), Государственных программ Молдовы (2009 - 2010, 2011, 2012
гг.). Главные результаты исследований опубликованы в различных
официально зарегистрированных научных изданиях.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на
научных конференциях и совещаниях, и среди них наиболее важными
являются следующие: молдавские республиканские (1982, 1983, 1984, 1985,
8
1986, 1988, 1989, 1992, 1995, 1998, 2003, 2005); Всесоюзный симпозиум
«Изотопы в гидросфере» (Каменец-Подольский, 1985); Всесоюзная
конференция «Теория и практика геохимических исследований в
современных условиях» (Ужгород, 1988); Первое Всесоюзное совещание
инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988); Украинская
первая республиканская научная и практическая конференция (Киев, 1989);
Пятая экологическая конференция (Румыния, Клуж-Напока, 1992); 18-й
конгресс Румынской - Американской академии (Кишинев, 1993); 3-я
международная научно-практическая конференция «Вода Молдавии» (1998);
Вторая международная конференция по экологической химии (Кишинев,
2002); Третья международная конференция по экологической химии
(Кишинев, 2005); Совещание НАТО «Прогноз, внимание и риск: подготовка
к неожиданному» (Кишинев, 2005); Конгресс геологического общества
Америки (Сан-Франциско, 2008); Международная конференция по
геоэкологии и биологическим проблемам (Тирасполь, 2009, 2012);
Международная конференция «Вода: история, ресурсы, перспективы»
(Кишинев, 2010); Пятая международная конференция по экологической
химии (Кишинев, 2012); Всеросийская научно-практическая конференция
«Современные проблемы геологии, географии и геоэкологии» (Грозный,
2013).
Личный вклад автора заключается в разработке системы методов
исследования гидрогеохимии зоны активного водообмена, стратегии сбора
данных и их конечной обработки. Приведенные в диссертации полевые
материалы, результаты теоретических и прикладных исследований получены
автором, либо при его непосредственном участии и руководстве. Ему
принадлежит формулировка целей и задач исследования, определение путей
их решения, обобщение результатов и концепция развития научных,
экспериментальных и полевых работ. Результаты исследований,
проведенных в соавторстве с другими исполнителями, включены в
диссертацию только при наличии совместных публикаций или научных
отчетов.
Публикации. Автором опубликовано около 120 научных работ; основное
содержание диссертации отражено в 72 публикациях, включая 4
коллективные и 1 монографии автора.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 9
глав, заключения и списка использованной литературы из 242 цитируемых
источников. Работа иллюстрирована 132 рисунками, 99 таблицами, содержит
406 страниц текста.
Формирование научных представлений автора сложилось под влиянием
первых учителей – проф. С.А. Шагоянца (учеба в Днепропетровском горном
9
институте) и проф. В.М. Щвеца (аспирантура в Московском
геологоразведочном институте).
В процессе исследований и обработки данных автор в различные периоды
времени обращался за советами и консультациями, обсуждал свои идеи и
готовый материал с д.г.-м.н. Зелениным И.В. (Украина), д.г.-м.н. Олянским
Ю.М. (Россия), к.г.-м.н. Подражанским В.А. (Россия), д.г.-м.н. Швецом В.М.
(Россия), д.г.-м.н. Крайновым С.Р. (Россия), проф. Мырляном Н.Ф.
(Бразилия), к.г.-м.н. Шинкарюком В.Г. (Молдова), проф. Андерсоном Ж.
[Anderson J.] (США), проф. Волдрумом Б. [Waldron B.] (США), проф.
Ханниганом Р. [Hannigan R] (США), проф. Ченгом А. [Cheng A.] (США),
проф. Винтером П. [Winter P.] (Германия), проф. Хотзелом П.Х. [Hotzl P.H.]
(Германия), докт. Ханичем Д. [Hannich D.] (Германия), докт. Робу Л. [Robu
L.] (Румыния), докт. Клостерманом Ф. [Kloosterman F.H.] (Голландия),
гидрогеологом Негруцей П.Н. (Германия) и др. Светлую память автор хранит
о к.г.-м.н. Бобринском В.М. и к.х.н. Милковой Л.Н. - с ними совместно
выполнялись определенные исследования. За ценные критические замечания
и полезные советы автор выражает всем глубокую признательность. Также
автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам лаборатории
гидрогеологии Института геологии и сейсмологии Академии Наук
Молдовы, участвовавшим в полевых экспедициях и обработке первичной
гидрогеохимической информации.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Первое защищаемое положение. Предлагается комплекс методов
оценки и распространения зоны активного водообмена в условиях
неопределенности гидрогеологической параметризации. В зависимости от
степени
гидрогеологической
изученности
обоснована
следующая
последовательность методов: (а) гидрогеологическая стратификация, (б)
гидрогеохимический, (в) гидрогеотермический, (г) тритиевые исследования и
(д) гелиевые исследования. Предложенные методы, при определенных
допущениях, могут использоваться для аналогичных артезианских бассейнов
платформенных областей.
Краткий обзор истории изученности вертикальной гидродинамической
зональности подземных вод показывает, что из многообразия предложенных
классификаций гидродинамической зональности подземных вод наиболее
практичной и обоснованной является классификация Игнатовича Н.К.
[Игнатович Н.К., 1948] (или Игнатовича – Личкова – Макаренко).
В зоне активного водообмена количество растворенных солей и газов, а
также величина температуры вод не являются постоянными во времени и
функционально зависят от природных и антропогенных процессов. В связи с
10
этим целесообразнее использовать понятие «зона активного водо-газотермообмена». В настоящее время не существует единой методики
выделения гидродинамических зон подземных вод и, в частности, зоны
активного водообмена. Автор обосновал и предлагает комплексную
методику выделения и оконтуривания зоны активного водообмена по
нижеследующим показателям.
I. Гидрогеохимический метод
Теоретическое обоснование. В виде обобщенного показателя
гидрогеохимического состояния подземных вод выбрана величина
минерализации.
Предлагается
использовать
классификацию
В.И.
Вернадского [Вернадский В.И., 1933 - 1936], с изменениями Приклонского
В.А. [Приклонский В.А., 1933, 1949]. Классификация В.И. Вернадского
широко используется в гидрогеологии и соответствует современным
гидрогеохимическим представлениям о связи минерализации с различными
химическими типами подземных вод. Предлагается использовать величину
минерализации меньше или равной 1.0 г/л для нижних и горизонтальных
границ зоны активного водообмена. Данные о химическом составе
подземных вод (тип воды, поэлементный состав и др.) также используются в
пределах этого метода.
Практическое применение. Для изученной территории существует
достаточно данных по величине минерализации разновозрастных подземных
вод. В общем виде величина минерализации увеличивается с глубиной
залегания водоносных горизонтов и в зависимости от возраста подземных
вод. Статистически изменение минерализации воды по вертикали
аппроксимируется экспоненциальной функцией, а по результатам
непосредственных измерений
имеет скачкообразный
и не всегда
закономерный характер.
Грунтовые воды формируют первый от поверхности водоносный
горизонт зоны активного водообмена. Минерализация грунтовых вод не
является прямым показателем принадлежности грунтового горизонта к
данной зоне, т.к. она (минерализация) в этом случае не является следствием
гидродинамической зональности.
Для водоносных горизонтов возраста N2p + N1m + N1S3, N1S2, N1S1 и K2 + S
были построены цифровые карты распространения величины минерализации.
Обобщающие данные представлены в таб.1.
Анализ картографической информации и данных таблицы 1 позволяет
отметить:
а) статистически величины минерализации водоносных горизонтов
близки между собой; среднее значение (без грунтовых вод) составляет
1048,77 мг/л или приблизительно 1.0 г/л; б) точность среднего значения
величины
минерализации можно
охарактеризовать
как
средней
11
Таблица 1. Статистические параметры величины минерализации подземных вод
Молдовы (мг/л)
Параметр
Водоносный горизонт
N2p + N1m
+ N1S3
N1S2
N1S1
K2 + S
Среднее
882.4
1078.2
1098.0
1136.5
Стандартное
отклонение
377.6
658.8
636.6
451.5
Коэффициент
вариации
0.42
0.61
0.58
0.4
Минимум
Вариации
Максимум
400.0
300.0
300.0
352.3
2334.0
7200.0
6888.0
3529.1
надежности (т.к. приблизительно значения среднеквадратичного отклонения
составляет 0.5 части от среднего значения); в) статистический разброс
данных вокруг среднего значения существенный (коэффициент вариации
имеет интервал от 0.4 до 0.61); г) такие статистические параметры
характеризуют величину минерализации подземных вод водоносных
горизонтов, для которых соленость воды формируется под влиянием одного
главного процесса. В нашем случае это принадлежность к единой зоне
активного водообмена.
Анализ данных по гидрогеохимическим типам показывает, что только
воды гидрокарбонатного типа характеризуются величиной минерализации до
1.0 г/л.
2.Гидрогеотермический метод
Теоретическое обоснование. Анализ данных по растворимости твердых
веществ в воде при различных температурах показывает следующее [Лурье
Ю.Ю., 1947 и др.]: а) величина растворимости большинства минералов и
горных пород в воде возрастает с увеличением температуры; б)
растворимость широко распространенных минералов и пород (халькантин CuSO4; мелантерит - FeSO4; бишофит - MgCl2; галит - NaCl; мирабилит Na2SO4; гипс - CaSO4·2H2O; известняк - CaCO3; доломит - MgCO3 и др.) в
воде, до температуры среды около 20оС, происходит в малых количествах, а
при температурах более 20оС количество растворенного вещества резко
увеличивается.
Анализ величин растворимости основных природных газов (N, H2, O2,
CH4, CO2 и C2H6) в воде в интервале температур от 0оС до 100оС [Справочник
гидрогеолога, 1962 и др.] позволяет выявить: а) величина растворимости
газов уменьшается с ростом температуры воды; б) зависимость
растворимости газов в воде в зависимости от ее температуры не всегда имеет
12
вид линейной функции, а может аппроксимироваться функциями
экспоненциального вида; в) наибольший спад растворимости природных
газов в воде имеет место в интервале температур от 0.0 до 20 оС.
В гидрогеотермии [Фролов Н.М., 1991] температура со значением 20 оС
является «реперной температурной точкой» и в классификации подземных
вод по температуре разделяет подклассы: холодная и теплая вода. Анализ
распределения температуры подземных вод по глубине геологического
разреза выявляет ее зависимость от климатической зональности и
длительности температурного режима. Эта глубина в среднем для
территории б. СССР составляет около 250 м и преимущественно
оконтуривается величиной также в 20оС.
Таким образом, можно предполагать, что пограничной температурой для
основных физико-химических процессов в рамках систем равновесия и
теплообмена подземных вод за счет инфильтрации является значение 20 оС.
Эту величину температуры воды предлагается использовать для
оконтуривания нижней границы зоны активного водообмена.
Практическое применение. Обобщенное представление о распределении
температур воды различных водоносных горозонтов было получено для всей
исследуемой территории.
Учитывая хорошее качество исходного фактического материала, а также
разносторонность геологического строения, южная часть Молдовы выбрана
для детального геотермического анализа с последующей совместной
интерпретацией с другими методами. Для этого участка анализированы
геотермические срезы на глубинах 250, 500, 750 и 1000 м и построена карта
тепловых потоков для среза 250 м. Совместный анализ карт изотерм
показывает достоверность выделенных аномалий, начиная с 25 м и кончая
глубиной в 1000 м, и, по-видимому, они сохраняются вплоть до фундамента.
Геотермические аномалии характеризуются повышенными значениями
геотермических градиентов и пониженными значениями геотермических
ступеней, а для фоновых участков - наоборот. Качественная интерпретация
значений тепловых потоков с гелиеносностью этой же территории приносит
дополнительную и ценную информацию об их природе и геологическом
строении. В структуре температурного и гелиевого полей выделяется полоса
низких значений температуры ЮВ – СЗ направления. Характерно общее
увеличение значений температуры и содержания гелия от этой полосы в
восточном и южном направлениях. Обнаружена связь между тепловым
потоком, гелиеносностью, с одной стороны, и геофизическими полями, с
другой. Выявлено, что между ними есть прямая связь: во-первых, полоса
низких значений по теплу и гелию четко выделяется в гравиметрическом и
магнитном полях; во-вторых, в основном аномалиям тепла и гелия
соответствуют максимумы магнитных и гравиметрических полей.
13
Представляет интерес поведение теплового потока по вертикали. Анализ
данных показывает, что в большинстве случаев тепловой поток с глубиной
заметно уменьшается, в то время как собственно температура увеличивается.
Литературные данные свидетельствуют, что увеличение температуры с
глубиной приводит к понижению теплопроводности пород и найдена
эмпирическая зависимость такой связи. Этот эффект заметно влияет на
величину теплового потока и дает основание предполагать, что наиболее
достоверные значения тепловых потоков могут быть получены в первых
нескольких сотнях метров от поверхности, т.е. в пределах зоны активного
водообмена. Температура воды больше 20 0С обнаружена в Припрутье (ниже
г. Унгены) и в южной части междуречья Прут – Днестр. На остальной
территории среднее значение температуры подземных вод мел-неогенового
комплекса меньше 200С.
3.Гелий в подземных водах
Теоретическое обоснование. Распределение содержания гелия в
подземных водах контролируется следующими факторами: расположением
тектонических разломов, глубинным положением кристаллического
фундамента и процессами нисходящего - восходящего движения подземных
вод. Последний фактор имеет непосредственное отношение к формированию
зоны активного водообмена. По сути дела, отклонение содержания гелия от
фонового содержания в сторону уменьшения однозначно свидетельствует о
смешении вод водоносного горизонта с водами вышележащих горизонтов
или с метеорными водами, которые, как правило, содержат низкие
концентрации гелия или гелий в них отсутствует вообще. Данное явление
лучше всего выражается через коэффициент контрастности поля гелия
[Морару К.Е., 1987], который определяется выражением:
KK 
C He
 1000 ,
Ф Н
где СНе - содержание гелия, мл/л; Ф – фон поля гелия, определенный
математико-статистическим методом; Н – глубина точки опробования, м.
Размерность K K - м-1.
Бесконтрастное поле гелия может выразить пространственное положение
зоны активного водообмена. Контрастное поле гелия совпадает в плане с
местоположением
аномалий
этого
элемента,
флюидопроводных
тектонических разломов и восходящими подтоками глубинных вод.
Практическое применение. Анализ гелиевого поля по водоносным
горизонтам показал преемственность в размещении гелиевых аномалий по
разрезу и в плане, что позволяет применять суммарную карту поля гелия для
изучения гелиеносности водоносных горизонтов разного возраста. Это дает
возможность использовать суммарную карту гелиевого поля подземных вод
14
для изучения геологических структур вместе с геотермическими картами и
другими материалами, так как она более информативна по сравнению с
погоризонтными картами. Выделены 22 аномалии, которые приурочены к
зонам
пересечения
тектонических
нарушений
субширотного
и
субмеридионального направлений.
Для территории юго-запада Причерноморского артезианского бассейна
(на примере Молдовы) среднее содержание гелия в подземных водах 224.10-5 мл/л и средняя глубина опробования подземных вод – 200 м. С
учетом этих условий поле гелия делится на 2 класса: (а) Кк - от 0 до 5 бесконтрастное поле гелия и (б) Кк - > 5 - контрастное поле гелия.
Бесконтрастная гелиеносность соответствует областям фоновых значений
водорастворенного гелия; контрастное поле гелия - аномальным значениям
гелия. Анализ расположения и контрастности гелиевых аномалий позволяет
дать оценку влияния восходящих подтоков подземных вод на нижнию часть
зона активного водообмена.
4. Тритий в природных водах
Теоретическое обоснование. Существуют различные модели миграции
трития в подземных водах [Зеленин И.В., 1984]. Нами принимается
упрощенное условие: присутствие трития в подземных водах указывает на их
связь с поверхностью земли и атмосферой и, наоборот, – его отсутствие
является индикатором отсутствия такой связи. Предлагается выделить
нижнюю границу зоны активного водообмена по нулевым (отсутствие
трития) или близким к нулевым (первые единицы) содержаниям трития.
Практическое применение. Проведен анализ содержании трития в
подземных водах от четвертичного до протерозойского возраста. Обобщение
данных показывает, что содержание трития изменяется от 0.0 до 91.0 Т.Е.
Распределение трития в подземных водах в региональном плане зависит от
возраста водоносного горизонта и гидрогеологических условий (глубина
залегания горизонта, приуроченность к областям питания и др.). Для наших
исследований тритий
интерпретируется как индикатор инфильтрации
поверхностных и атмосферных вод в водоносные горизонты, без
привлечения сложных моделей его миграции. Выявлена четкая зависимость
содержания трития от возраста подземных вод: чем старше по возрасту воды,
тем меньше содержание трития. В общем случае концентрация трития
функционально убывает от грунтовых вод к подземным водам
протерозойского возраста. Предложена зависимость концентрации трития в
подземных водах от времени пребывания в гидрогеологической системе.
Зависимость имеет вид квадратичной функции типа:
y = 2357.9 · x-1.0211,
где y – возраст воды (годы) и х – содержание трития (Т.Е.) в подземных
водах. Коэффициент корреляции между (x) и (y) r = 0.99 при индексе
15
корреляции r2 = 0.99. По предложеному уравнению в первом приближении
можно определить возраст воды по модели полного смешения.
5. Гидрогеологическая стратиграфия
Теоретическое обоснование. Распространение и положение в
геологическом разрезе зоны активного водообмена структурно связано и
приурочено к определенным водоносным горизонтам (или комплексам) или к
их частям. Потому гидрогеологическая стратиграфия может быть
использована для предварительного выделения, оконтуривания и
характеристики в пространстве зоны активного водообмена.
Практическое применение. Для юго-западной части Причерноморского
артезианского бассейна, в пределах междуречья Прут – Днестр (территория
Республики Молдова), необходимо отметить главное. Гидрогеологические
условия соответствуют особенностям платформенного геологического
строения. В зависимости от условий залегания и гидродинамических свойств
подземные воды подразделяются на два самостоятельных типа: грунтовые и
межпластовые. Грунтовые воды, как правило, безнапорные, приурочены
преимущественно к различным пористым породам четвертичного возраста.
Межпластовые воды приурочены к моноклинально залегающим
стратиграфическим горизонтам различного возраста. В пределах Молдовы
обнаружены 16 водоносных горизонтов и комплексов В зону активного
водообмена включены подземные воды средне-, верхнеплиоценовых,
четвертичных,
понтических,
мэотических,
верхнесарматских,
среднесарматских, нижнесарматских, тортонских, верхнемеловых и
силурийских отложений. Более точное пространственное положение зоны
активного водообмена определяется другими методами.
Последовательность и приоритетность применения предложенных
методов зависит от степени изученности территории, геологогидрогеологических условий, масштаба и цели работ. В нашем случае
установлена следующая последовательность: (1) гидрогеологическая
стратификация, (2) гидрогеохимический метод, (3) гидрогеотермический
метод (4) тритий в подземных водах и (5) гелиевые исследования.
Грунтовые воды юго-запада Причерноморского артезианского бассейна,
заключенные в первые от поверхности водоносные горизонты и имеющие в
основном ненапорный гидродинамический режим, являются по определению
составной частью зоны активного водообмена и к ним предложенные методы
не относятся.
Второе защищаемое положение. Закономерности формирования и
существования вертикальных границ зоны активного водообмена выявлены
и обоснованы лабораторными и численными экспериментами, а также
полевыми данными. В зоне аэрации (верхняя граница) миграция химических
элементов является преимущественно квазиконечной или соответствует
16
свойствам временных прерывистых конечных функций. Условия границы
нижней
части
зоны
активного
водообмена
определяются
гидродинамическим влиянием разрывной тектоники. Здесь существуют
геофильтрационные потоки, которые имеют восходящий пульсационный
характер, сложный химический состав,
вариабельность температуры
воды и содержания гелия.
Следует различать вертикальные и горизонтальные (с определенной
условностью) размеры зоны активного водообмена.
Геометрия зоны активного водообмена. Для выделения вертикальной
составляющей (нижней границы и мощности) зоны активного водообмена
применены величина минерализации, температура подземных вод,
содержание трития в водоносных горизонтах и гидрогеологические
структурные условия. Использовано поочередное применение каждого
метода. В качестве графического изображения глубины залегания и
мощности зоны активного водообмена используются 10 региональных
геолого-гидрогеологических разрезов, линии которых
приблизительно
параллельны между собой. Обобщающий разрез выбран с расположением в
крест простирания параллельных линий и направлением СВ - ЮЗ через всю
территорию. Выделенные значения вертикальной составляющей зоны
(мощность и нижняя граница) статистически сопоставимы по всем методам
Горизонтальные или плановые размеры зоны активного водообмена
выделены по величине минерализации воды, коэффициенту контрастности
поля гелия, концентрации трития, температуре подземных вод и
гидрогеологическим условиям. Картографическое и корреляционное
сравнение выделенных площадей разными методами показывает
положительное сходство. Для всех карт коэффициент корреляции (r)
изменяется от 0.78 до 0.93 и соответственно индекс корреляции (r2)
колеблется от 0.61 до 0.86.
Таким образом, геометрические параметры зоны активного водообмена
юго-запада Причерноморского артезианского бассейна
(на
примере
территории Молдовы)
характеризуются следующими особенностями: а)
мощность зоны активного водообмена колеблется неравномерно в интервале
10.0 – 550.0 м от поверхности земли. В зону активного водообмена
вовлечены: на севере территории – четвертичные, неогеновые и мелсилурийские водоносные горизонты; в центре территории – четвертичные и
неогеновые водоносные горизонты; на юге – четвертичные и неогеновые
водоносные горизонты (до нижнего сармата); б) мощность зоны активного
водообмена
увеличивается
в
юго-западном
и
южном
направлениях
и
контролируется геологическим строением и
гидрогеологическими условиями межпластовых водоносных горизонтов; в) в
плане распространение зоны активного водообмена совпадает с
17
местоположением областей питания подземных вод; г) территории, занятые
зоной активного водообмена, характеризуются наибольшей плотностью
водозаборных скважин для питьевого водоснабжения; д) в процентном
отношении от общей площади распространения водоносных горизонтов зона
активного водообмена
имеет следующие количественные значения:
меловой горизонт – 55%, нижний сармат – 64%, средний сармат – 71%,
верхний сармат - понт – 91% и четвертичные водоносные горизонты – 100%.
Граничные условия и процессы верхней части зоны активного водообмена.
Граничные условия и процессы верхней части зоны активного водообмена
анализированы с позиции роли зоны аэрации как пористой среды для
миграции неорганических загрязнений в вертикальном направлении
до
уровня
грунтовых
вод
или до первого от поверхности водоносного
горизонта. Предложено понятие о квазиконечной глубине миграции
загрязнителя (lk). Обоснование этой величины следующее. Известно, что
одномерная миграция какого-либо химического элемента в пористой
однородной
водонасыщенной
геологической
среде
описывается
дифференциальным уравнением вида [Ogata A., Banks R.B., 1961; Рошаль
А.А., 1980; Пашковский И.С., 1985]:
 C
n  
 t
где
n
  2C

  D   2

 x

 C
  v  
 x


 ,

(1)
- эффективная пористость, доли единиц ( n  na
пористость, доли единиц);


1

,
na - активная
C1
- коэффициент распределения; N N
сорбционная емкость среды для определенного компонента при его
концентрации в воде C1 ); D - коэффициент гидродинамической дисперсии,
м2/сут;
v
- скорость фильтрации воды, м/сут;
C 
C  Co
, С –
C o  Co
 
определяемая концентрация химического элемента в точке x, t , мг/л, Со –
начальное содержание химического элемента в горных породах, мг/л, Со –
содержание химического элемента в воде на входе в исследуемую пористую
среду, мг/л (если Со = 0, то C 
C
); t – время, сут.; x – координата
Co
пространства в Декартовой системе отсчета.
При следующих граничных и начальных условиях:
18
C x,0  Co , C 0, t   C o , C , t   Co ,
vx
D
> 0.1
уравнение (1) имеет простое численное решение [Ogata A., Banks R.B., 1961]:
C
1
 nx  vt 
erfc 
,
2
 2 Dnt 
(2)
где erfc - обратная функция ошибок Гаусса.
Формула (2) позволяет определить содержание химического элементазагрязнителя
Cx, t 
и величину
lk  xC , t  .
Для этого необходимо
знать величины D и n, которые определяются экспериментально.
В данной работе предлагаются численный, статистический и
экспериментальный методы определения величины (lk) для пористых горных
пород зоны аэрации.
Численное определение величины lk
Рассмотрим формулу (2) в виде:
C  x, t   C o 1
 nx  vt 
 erfc 
o
,
C  Co
2
 2 Dnt 
откуда
 C o  Co
 nx  vt 
C x, t   
 erfc
  Co .
 2 Dnt 
 2
Пусть
тогда
C o  Co
 nx  vt 
 erfc
  A,
2
 2 Dnt 
C x, t   A  Co
(3)
В уравнении (3) при t = const > 0 и росте х величина А стремится к нулю и
при малых ее значениях достигается условие:
C x, t   Co
(4)
Это указывает на следующее: а) миграция химического элемента с
начальным содержанием Co окончена и дальнейшее его поступление в
пористую среду не будет изменять существующие геохимические условия; б)
расчеты lk имеют смысл только при С(x,t) > Co.
19
Физический смысл квазиконечной миграции (за определенный период
времени t) химического элемента в пористых породах в соответствии с
формулами (3, 4) заключается в следующем. Когда выполняется условие
C
 0,
t
функция
C  f x, t 
пересекается с
C o  const
в точке
C xi , ti   0 . Отображение этой точки на оси Х представляет собой:
lk  M xi , Co 
(5)
Статистическое определение величины lk
Пусть в породах зоны аэрации параметры D и n для иона хлора имеют
следующие значения (таб. 2).
 
Выполним определения C x, t для заданных величин х из таб. 2 по
формуле (3) с использованием значений v, t, Co, Со из условий:
v = 0.5 . 10-3 м3/сут., t = 90 сут., Co = 60 мг/л, Co = 10 мг/л.
Таблица 2. Значения коэффициента гидродинамической дисперсии (D) и
эффективной пористости (n) суглинистых пород зоны аэрации (для хлора)
№ п/п
1
2
3
4
5
Глубина залегания
пород х, м
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
D,
n.10-3, м2/сут.
0.8
12.0
1.0
40.0
4.0
n,
усл. единицы
0.50
0.60
0.40
0.70
0.65
В этом случае величина lk составляет 3.0 м при Со = 10 мг/л. Исходя из
предположения, что загрязнитель кумулятивно аккумулируется по глубине x,
подсчитываем кумулятивное содержание хлора по всему разрезу зоны
аэрации (сверху – вниз) следующим образом (см. рис. 1):
х=0
С = 60 мг/л
х=1
С1 = С + С1 = 88 мг/л
х=2
С2 = С1 + С2 = 113 мг/л
. . . . . . . . . . . . . .
хn = m
Сn = C(n – 1) + Cn,
где n = 1, 2, 3, …, … и m > 0.
20
Рис.1. Содержание хлора в породах зоны аэрации (график слева – природное
состояние и график справа – кумулятивное; lk - конечная глубина миграции
загрязнителя)

График функции C  f x состоит из двух простых линейных
функций (см. рис. 1). Первая функция отражает кумулятивное содержание
загрязнителя (рис. 1, для х от 0.0 до 3.0 м), а вторая функция – кумулятивное
содержание этого же элемента в природных условиях (рис. 1, для х > 3.0 м).
Проекция точки пересечения этих функций на оси Х представляет собой
величину lk =3.0 м. Выявленные кумулятивные свойства характерны для
целого ряда химических элементов и компонентов неорганического
происхождения (макро- и микроэлементы и их комплексные соединения).
Экспериментальное определение величины lk
В природных условиях на небольшой площадке проводились
экспериментальные работы с целью определения величины lk. Методика
эксперимента заключалась в следующем. В пробуренной скважине были
отобраны образцы пород в природном состоянии до глубины 1.2 м через
каждые 10 см. В лабораторных условиях были определены фоновые
концентрации хлора, общая влажность и параметры миграции n и D,
соответственно равные 0.3 и 0.4 м2/сут.
На поверхности земли через металлическое кольцо с диаметром d = 0.22 и
на расстоянии h = 0.245 м в породы зоны аэрации подавался раствор NaCl
при условиях:
t = 0.0416 сут., v = 0.504 м3/сут., Co = 330 мг/л, Co = 19 мг/л.
Затем в этом же месте бурились вторая скважина и на расстоянии 0.25 м
от нее третья скважина. В них также были отобраны образцы пород и в
лабораторных условиях определялись содержание хлора и общая влажность.
По данным распределения хлора была определена величина lk. (lk. = 0.58 м).
Численное определение
составляет lk. = 0.63 м. По кумулятивным
содержаниям хлора величина lk = 0.58 м.
n
21
Анализ численного, экспериментального и статистического методов
показывает, что результаты определения величины lk сопоставимы между
собой с хорошей точностью (расхождение до 5 %). Статистический метод
является наиболее практичным и имеет следующие принципиальные
преимущества: а) не нужны лабораторные и полевые определения
миграционных параметров загрязнителей; б) получаемые результаты
адекватны природным условиям; в) существенная временная экономичность
одного определения величины lk; г) не требуется использовать
квалифицированный персонал для проведения работы.
Проведен анализ зависимости величины lk от параметров v, t, D, n, Co (см.
формулу 1). Выявлено, что положительный рост величины lk происходит с
увеличением значений v, t, D, Co. С увеличением значений n величина lk
уменьшается. Наибольший рост lk имеет место при увеличении v и t.
Изменение содержания Co в источнике загрязнения практически не влияет на
величины lk. Например, если Co изменится от 60 мг/л до 600 мг/л, то это
приведет всего лишь к увеличению lk на 0.64 м.
В общем случае параметр lk не является постоянной величиной. Во
времени и под влиянием аномальных инфильтрационных подтоков воды
величина lk имеет свойства ступенчатой функции и может соответствовать
модели поршневого вытеснения.
Граничные условия и процессы нижней части зоны активного
водообмена. Анализ многочисленных гидрогеологических
разрезов
позволяет констатировать, что нижняя граница зоны активного водообмена
имеет неровную форму. Она сформировалось под влиянием разломов,
которые
определяют
тектоническую
раздробленность
горизонта.
Гидрогеологический смысл тектонической раздробленности выражается
через флюидопроводность разломов и наличие взаимосвязи между
водоносными горизонтами. В конечном итоге это определяет граничные
условия нижней части зоны и, соответственно, характер гидрогеологических
процессов. Нами впервые для установления гидравлической взаимосвязи
горизонтов использован гелиеметрический метод. Для подтверждения
информативности гелия проведен совместный анализ его содержания и
распределения напоров различных водоносных горизонтов. Между этими
параметрами выявлена положительная корреляция.
На основании рассмотренных закономерностей распределения гелия в
подземных водах выявлено: 1) аномалии гелия являются показателями
местонахождения активных зон тектонических разломов, по которым
осуществляется взаимосвязь водоносных горизонтов; 2) фоновое поле гелия
соответствует участкам, на которых отсутствуют водопроводящие
тектонические разломы; 3) связь поля гелия с геоморфологическими
структурами, температурой, химическим составом, напорами подземных вод,
22
содержанием в них трития позволяет констатировать: 3а) аномалии гелия
являются показателями местонахождения очагов разгрузки восходящих
подземных вод; 3б) фоновые содержания гелия указывают на наличие
площадей, благоприятных для нисходящего движения подземных вод. Эти
выводы
послужили
основой для оценки взаимосвязи водоносных
горизонтов. На картографической модели взаимосвязи водоносных
горизонтов четко выделяется нижняя граница зона активного водообмена.
Для оконтуривания участков взаимосвязи между водоносными
горизонтами необходимо выделить площади распространения локальных
аномалий гелия. Ниже приводится схема-последовательность оконтуривания
локальных аномалий поля гелия: 1) на основании гелиевого опробования
подземных вод строится карта поля гелия по водоносным горизонтам. Шаг
сечения изолиний выбирается в зависимости от представительности
фактического материала и масштаба карты; 2) на основании математикостатистических методов выделяются аномальные (Саном.) и фоновые (Сфон.)
составляющие поля гелия; 3) для аномальных гелиевых площадей
выделяются региональная аномальная составляющая (Срег.) и локальные
аномалии (Слок.) следующим образом:
n
С рег. 
С
i 1
аном. i
n
,
n
где
C
i 1
аном. i – сумма аномальных содержаний гелия; n – количество
Саном.
Чисто математически Слок. = Саном. – Срег. При таком преобразовании
локальные гелиевые аномалии примут значения содержания гелия, отличные
от исходных данных (замеренных). Поэтому выделение Слок. эффективнее
осуществлять графически, т.е. непосредственно на картах поля гелия.
Локальные аномалии оконтуриваются изолиниями, значение которых выше
значения Срег.
Для достоверной оценки Слок. вычисляются доверительные интервалы
колебаний значений Срег. Последовательность такого вычисления аналогична
определению доверительных интервалов фоновых значений. Окончательно
Слок. оконтуриваются по значениям содержания гелия больше верхнего
предела Срег. (таб. 3).
На основе выявленных закономерностей геохимии гелия построены карты
23
взаимосвязи следующих пар водоносных горизонтов: N1S1 - нижележащие
горизонты; N1S2 - N1S1; N1S3 - N1m -N2p-N1S2. В каждом случае нижняя
часть зоны активного водообмена характеризуется преимущественно
восходящими очагами напорных вод. Эти картографические модели
были использованы для районирования подземных вод по условиям
взаимосвязи водоносных горизонтов.
Таблица 3. Математико-статистические расчеты региональной составляющей поля
гелия по водоносным горизонтам
№
п/п
1
2
3
4
Водоносный
горизонт
Верхнемеловой
Нижнесарматский
Среднесарматский
Верхнесарматскомэотис-понтический
комплекс
Количество
аномальных
значений
41
141
34
13
Срег.
n.10-5,
мл/л
964.7
824.4
1282.2
1122.0
Доверительные
интервалы Срег.,
n.10-5 мл/л
758.5 < 964.7 < 1096.5
707.9 < 824.4 < 933.2
1000.0 < 1282.2 < 1584.9
1023.3 < 1122.0 < 1230.3
Полученные данные по оконтуриванию зоны активного водобмена
позволяют впервые провести районирование юго-запада Причерноморского
артезианского бассейна, включая
территорию Молдовы. Такое
районирование по условиям взаимосвязи водоносных горизонтов до
настоящего времени не проводилось. Для районирования выбрана толща
продуктивных водоносных горизонтов от понта до верхнего мела (зона
активного водообмена), с выделением площадей восходящей и нисходящей
фильтрации подземных вод.
Основными критериями для выделения таксономических единиц
являются: а) наличие восходящего (вертикального) перетока вод из одного
водоносного горизонта в другой, проявляющегося в образовании
гидрогеохимических и гелиевых аномалий, которые, как правило,
приурочены к флюидопроводным тектоническим разломам и долинам
крупных рек; б) наличие нисходящей фильтрации, характеризующейся
фоновым химическим составом подземных вод и концентраций гелия, их
приуроченность к водораздельным пространствам территории; в) переход
(унаследование) участков восходящей фильтрации подземных вод из одного
водоносного горизонта в другой по вертикали; г) при выделении
таксонометрических единиц (районов, подрайонов) в качестве главного
признака
используется
суммарная
контрастность
поля
гелия.
Гидрогеологические
таксономические
единицы
характеризуются
одинаковыми величинами коэффициентов контрастности поля гелия,
приуроченностью к однотипным геолого-гидрогеологическим и структурным
24
орографическим элементам территории. В работе приведена комплексная
геолого-гидрогеологическая характеристика данной картографической
модели.
Таким образом, установлено: 1) нижняя часть зоны активного водообмена
характеризуется наличием мощных восходящих потоков подземных вод,
местоположение которых отчетливо выделяется по содержанию гелия и
коэффициенту контрастности поля гелия, а также минерализацией воды
больше 1.0 г/л и типам воды от SO4 до Cl; 2) следует предположить, что
вокруг (строго говоря – на контакте) восходящих потоков существует
область смешения вод, которая частично принадлежит к зоне активного
водообмена; 3) граничные условия нижней части зоны активного водообмена
существенно влияют на формирование химического состава подземных вод.
Третье защищаемое положение. В пределах зоны активного
водообмена грунтовые и межпластовые воды существуют
как
самостоятельные геоэкологические системы. При этом химический состав
грунтовых вод преимущественно определяется влиянием верхней границы
зоны и
техногенными факторами. Геохимия межпластовых вод
формируется в основном под влиянием природных факторов и нижней
границы зоны активного водообмена; селективно и только в определенных
гидрогеологических условиях проявляется влияние верхней границы.
Геохимия грунтовых вод
Грунтовые воды залегают в верхней части зоны активного водообмена и
характеризуются
специфичными
условиями
формирования
гидрогеохимических свойств. В связи с этим последовательно анализированы
геохимия зоны аэрации, условия формирования грунтовых вод,
гидрогеохимия
макрои
микрокомпонентов,
термодинамическая
характеристика ионных равновесий и комплексообразования в грунтовых
водах, а также влияние техногенеза.
Краткие сведения о геохимии зоны аэрации. Список изучаемых элементов
включает элементы: K, Na, Mg, Ca, HCO3, SO4, Cl, NO3, Sr, F, Cu и Zn. Также
определялись величины общей минерализации и рН. Среда изучения –
водные вытяжки, а для тяжелых металлов - водные, солянокислые и
ацетатно-аммонийные вытяжки [данные о тяжелых металлах - Мырлян Н.Ф.,
1991].
Поглощающий комплекс почв составляют преимущественно катионы. В
элювиальных почвах количество кальция в поглощенном комплексе
изменяется от 10.0 до 120.0 мг-экв/100 г, магния – от 1.5 до 10.0 мг-экв/100 г,
калия – от 0.5 до 2.0 мг-экв/100 г, натрия – от 0.05 до 1.5 мг-экв/100 г.
Емкость поглощенного комплекса аккумулятивных почв не превышает
25
емкости аллювиальных, но соотношение катионов изменяется. Так,
отношение Na/K в поглощенном комплексе аккумулятивных почв всегда
больше единицы и может достигать 6.0. Значительно увеличивается Mg/Ca
соотношение.
Емкость поглощающего комплекса пород зоны аэрации (ниже почвенного
слоя) определяется литологическим составом и колеблется от 100.0 мгэкв/100 г в глинах до 10.0 мг-экв/100 г в песках. В четвертичных
лессовидных суглинках его величина обычно не превышает 30.0 мг-экв/100 г.
Сумма поглощенных оснований всегда меньше суммы щелочноземельных
элементов. Соотношение (K+Na)/(Ca+Mg) увеличивается в тяжелых
разностях и уменьшается в легких и карбонатсодержащих породах. В
плиоцен-четвертичных образованиях, почти повсеместно, развит содовый
тип засоления.
Содержание меди в породах зоны аэрации колеблется от 1 .10-4 до 14.10-3%.
Оно прежде всего зависит от литологического состава пород. Наибольшие
средние концентрации обнаружены в глинах – 4.10-3%; в песках и
известняках они меньше – соответственно – 7.10-4 и 4.10-4%. Четвертичные
лессовидные суглинки содержат в среднем 1.8.10-3 % меди.
Содержание цинка в породах зоны аэрации варьирует от 0.8 .10-3 до 2.3.10-2
%, при среднем значении 5.8.10-3 %. Содержание больше 2.10-2 % редко и
приурочено к отдельным горизонтам глин. Песчанистые образования
содержат в среднем 4.1.10-3 % цинка, глины – 7.5.10-3 %, тяжелые глины,
богатые монтмориллонитом – 1.4.10-2 %.
Содержание фтора в породах зоны аэрации Молдовы колеблется от 64.0
до 1007.0 мг/кг. По средним значениям содержание фтора располагается в
следующем ряду: пески и супеси – 219.0 мг/кг, суглинки – 427.0 мг/кг, глины
– 603.0 мг/кг. В водную вытяжку переходит около 1 % валового содержания
фтора. Наибольшая подвижность его характерна для глины (1.71 %), а
наименьшая - для легких суглинков (0.67 %). В остальных литологических
группах подвижность фтора варьирует в пределах от 0.81 до 0.97 %.
Содержание стронция в почвах и породах колеблется от 63.0 до 3500.0
мг/кг, при среднем значении 530.0 мг/кг. Элювиальные почвы наиболее
богаты этим элементом, причем его концентрация преимущественно зависит
от содержания карбоната кальция. Почти 95 % стронция переходит в I н.
солянокислую вытяжку.
Техногенные процессы (преимущественно химизация и мелиорация
сельского хозяйства) приводят к увеличению концентрации исследуемых
элементов в зоне аэрации.
Условия формирования грунтовых вод. Грунтовые воды залегают в
основном в четвертичных отложениях, различных по генетическому типу
[Алпатьев Ю.А, 1972]. На возвышенных участках водоразделов грунтовые
26
воды содержатся в отложениях останцев плиоценовых террас. Водоупором
для грунтовых вод служат глины верхнего сармата, мэотиса и понта.
Местами водоупор становится относительно водопроводящим за счет
фациального замещения глин песками, глинистыми песками или
ослабленных зон тектонических разломов.
Концептуальная модель формирования грунтовых вод основана на
следующем: а) это первый от поверхности водоносный горизонт (или
комплекс); б) основное питание происходит за счет атмосферных осадков; г)
гидравлическая взаимосвязь между грунтовыми водами и нижележащими
горизонтами преобладает в
нисходящем направлении; д) взаимосвязь
грунтовых и межпластовых вод играет существенную роль в формировании
их химического состава. При этом определяющим является подчиненное
залегание грунтовых вод в зависимости от рельефа поверхности земли и
относительно очагов гидравлической взаимосвязи водоносных горизонтов.
Гидрогеохимическая характеристика макрокомпонентов в грунтовых водах.
Макрокомпоненты в грунтовых водах изучены для всей исследуемой
территории. Для выделения гидрогеохимических групп грунтовых вод
использован кластерный метод группировки многомерных данных по
варианту “Q” [Дюран Б., Оделл П., 1977; Жирарковская М.П., 1982; Морару
К.Е., 1987]. В данном случае объектами являются пробы грунтовых вод. В
качестве признаков объектов использованы значения минерализации в мг/л и
содержания Na, Ca, Mg, HCO3, SO4 и Cl, выраженные в мг-экв.%. Поэтому
разбиение на гидрогеохимические группы происходит по сути дела по
псевдоформуле Курлова. Упрощенная дендрограмма кластерного анализа по
80 водопунктам показана на рис. 2.
Рис. 2. Дендрограмма кластерного анализа химико-аналитических данных для целей
гидрогеохимического районирования грунтовых вод бассейна реки Ботна
27
Математико-статистический
анализ
гидрогеохимических
данных
грунтовых вод выполнен с помощью программы SPSS16. Обнаружено, что
содержание кальция, гидрокарбонатов и величины щелочно-кислотного
показателя распределено нормально, остальные компоненты – логнормально.
Гистограммный анализ [метод - Смирнов С.И., 1963] показал, что не все
исследуемые выборки однородны. Распределения концентрации Ca, He, Mg,
F, Cl и величины минерализации - полимодальны. Это указывает на то, что
для этих элементов в одну совокупность объединены несколько
распределений плотности вероятности, которые имеют свои индивидуальные
гидрогеохимические параметры.
Информация об уровнях корреляционных связей химических элементов и
особенностях их миграции в грунтовых водах рассмотрена нами отдельно и
более детально. Она получена с помощью "R" кластерного анализа [Дюран
Б., Оделл П., 1977]. По сравнению с вариантом "Q" в "R" методе в качестве
объектов рассматриваются элементы химического состава грунтовых вод.
Дендрограмма "R" – кластерного анализа в нашем случае устанавливает
иерархию по средневзвешенным
значениям парных коэффициентов
корреляции не среди проб водопунктов, а среди химических элементов и
компонентов (рис. 3).
Рис. 3. Дендрограмма R-кластерного анализа соотношения химических компонентов
и показателей в грунтовых водах бассейна р. Ботна
28
На рис. 4 приведены наиболее вероятные (миграционные) кривые
зависимости макрокомпонентов от суммарной минерализации грунтовых
вод. Видно, что наиболее значительные изменения в составе грунтовых вод
происходят при минерализации больше 2.5 г/л: гидрокарбонатный тип
меняется на сульфатный, с одной стороны, и, с другой, –
сульфатный
переходит в хлоридный с определенной сменой ведущего
катиона.
Рис. 4. График зависимости содержания макрокомпонентов от минерализации
грунтовых вод
Содержание микрокомпонентов в грунтовых водах. В качестве
потенциальных загрязнителей грунтовых вод исследуемой территории
выбраны Pb, Cu, Zn, Se, B и P. Это связано с интенсивным влиянием
сельского хозяйства на качество грунтовых вод исследуемой территории.
Бор в грунтовых водах Молдовы обычно содержится в n мг/л.
Повышенные значения (до 20 мг/л) приурочены к водам с высокой
минерализацией. Присутствие ионов кальция и магния ограничивает
миграционную способность бора, переводя его в труднорастворимые
соединения. Главным источником бора в водах являются его минералы
(например, гидроборацит - MgCaB6O11 x 6H2O) в водовмещающих породах и
их рассеянное содержание в зоне аэрации.
Фосфор присутствует в грунтовых водах в виде ионов – НРО42-, в меньшей
степени в виде НРО4- и РО43-. Содержание фосфора в грунтовых водах
Молдовы колеблется в широких пределах: от 0.06 мг/л до 0.2 мг/л;
максимальные значения – до 1.0 мг/л.
29
Селен в грунтовых водах обычно содержится до единиц и реже до первых
десятков мкг/л. Повышенное содержание селена (до 100.0 мкг/л) приурочено
к водам с высоким содержанием сульфатов и величиной минерализации до
4.0 г/л. В нейтральных и щелочных условиях, при высоких значениях
окислительно-восстановительного потенциала (> 200.0 мВ), селен мигрирует
в ионной форме (SeO32- и SeO42-) и в виде солеобразных соединений со
щелочами.
Содержание свинца в грунтовых водах обычно составляет от сотых долей
до единиц мкг/л, редко увеличиваясь до 10 мкг/л. Концентрация меди
варьирует от 6 мкг/л до 20 мкг/л. Содержание цинка изменяется от единиц до
первых сотен мкг/л. На миграцию свинца, меди, цинка существенное влияние
оказывает химический состав вод, т.к. образуемые ими соединения с
анионами обладают разной растворимостью. Процессы
миграции
и
накопления этих микроэлементов в грунтовых водах в большей мере
определяются ионно-обменной сорбцией Pb2+, Cu2+, Zn2+ глинистыми
образованиями зоны аэрации и водосодержащих пород. Наибольшей
поглощающей способностью по отношению к Cu, Pb, Zn обладают глины
монтмориллонитовой группы.
Другие микроэлементы встречаются в грунтовых водах исследуемой
территории в следующих концентрациях (мг/л): Ag – 1.9, Al – 0.09, As –
0.009, Ba – 0.062, Co – 0.003, Cr – 0.026, Fe – 0.53, Hg – 0.0002, Mn – 41.1, Mo
– 28.51, Ni – 5.4, Sn – 0.85, Sr – 36.5, Ti – 9.54, V – 6.21.
Термодинамическая
характеристика
ионных
равновесий
и
комплексообразования в грунтовых водах. Для исследования химических
неорганических форм элементов в грунтовых водах Молдовы нами был
осуществлен расчет равновесных составов 12-компонентной гомогенной
системы [Милкова Л.Н., 1989], моделирующей исследуемые воды, с
использованием программы "Гиббс" [Шварова Ю.В., 1978, 1981]. Частично
эти же расчеты выполнены с помощью программы Aquachem 4.0. [Морару
К.Е., 2007]. Рассчитываемая система рассматривалась нами как открытая
в отношении
CO2
и содержания независимых неорганических
макрокомпонентов C, S, Cl, Na, K, Mg, Ca, N и микроэлементов – F, Br.
Расчет проводился для t = 25oC и Р = 1 атм. Значения свободной энергии
Гиббса для всех растворимых в воде частиц взяты из литературных
источников [Крайнов С.Р. и др., 1978; Наумов Г.В. и др., 1971;
Термодинамические константы веществ, 1968 - 1978]. Содержание H2CO3
аналитически не определялось, а получено из расчетов, причем парциальное
давление углекислого газа PCO2 подбиралось таким образом, чтобы рН
модельных растворов совпали с измерениями в природных водах.
Результаты расчета показали, что в грунтовых водах исследуемой
территории натрий, калий, кальций, хлор практически не закомплексованы и
30
присутствуют в виде простых ионов Na+, K+, Ca+, Cl-. Для магния в
исследованных нами водах комплексообразование играет более
существенную роль. Модельный расчет показал, что доля ассоциатов магния
с минеральной составляющей (SO4-, HCO3-, CO32-) колеблется от 15 до 40%.
Его миграционные формы по своей значимости располагаются в ряд: MgSO4o,
MgHCO3o, MgCO3o, MgCl+. Что касается таких микрокомпонентов, как
стронций и фтор, то расчеты показали, что: 1) в исследуемых растворах фтор
находится в основном в виде иона F-, но частично (на 15 - 25%) и в виде
ассоциатов, преимущественной формой которых является частица MgF+; 2)
роль комплексообразования существенна для стронция – доля ассоциатов с
неорганическими компонентами составляет от 15 до 58%. При этом его
миграционные формы образуют ряд: MgSO4 > MgHCO31 > MgCO3o.
Анализ данных показал, что все пробы исследованных грунтовых вод
насыщены или перенасыщены относительно карбоната кальция. Что касается
других минеральных составляющих водовмещающих пород, таких как
сульфаты кальция и магния, карбонаты магния и стронция, то по отношению
к ним исследованные воды в основном сильно насыщены, за исключением
единичного случая приближения к насыщению сульфатом кальция. Это
свидетельствует, с одной стороны, об интенсивном взаимообмене между
водовмещающей породой и водой и, с другой, – о значимой роли зоны
аэрации в формировании химического состава грунтовых вод.
Геохимия межпластовых подземных вод
Рассмотрены водоносные горизонты, приуроченные к литологическим
комплексам мелового и неогенового возрастов. Для них анализированы:
геохимия водосодержащих пород, роль разломной тектоники и
термодинамическая
характеристика
ионных
равновесий,
комплексообразования в межпластовых подземных водах.
Геохимия водосодержащих пород межпластовых подземных вод.
Обводненные породы верхнего мела стратиграфически представлены
сеноманским и туронским ярусами. Сеноманский ярус начинается белым
писчим мелом с включением обломков кремней коричнево-черного цвета.
Мел часто переслаивается с очень светлыми песчанистыми известняками.
Основная масса этих пород состоит из пелитоморфного кальцита (80%),
мелких (0.01 - 0.05 мм) ромбоэдров доломита (14%). В прослоях серого
песчанистого известняка обнаружены гнезда белого мела (1.0 – 6.0 мм). Из
аутигенных минералов встречаются призмочки цеолитов, оолиты опала,
сферолиты халцедона и овальные зерна глауконита.
Далее, вверх по разрезу залегает турон, который представлен серыми
мергелями с прослоями известковых глин. Рентгендифракционная и
термографическая характеристика глинистых минералов из нерастворимых
31
остатков показывает, что это смесь монтмориллонита, каолинита и
гидрослюды типа иллита. В глинистых минералах обнаружена примесь
цеолитов (гейландита) [Бобринский В.М., 1985].
Коллекторы
нижнесарматского
водоносного
горизонта
имеют
разнообразный состав и структуру, но преобладающими являются
трещиноватые известняки. Под микроскопом известняки имеют сгустковоорганогенное сложение. Они образованы серовато-белым пелитоморфным
кальцитом, местами окрашенным в коричневый цвет. Органогенные остатки
составляют до 15% объема породы. Состав глинистых минералов в
нерастворимом остатке карбонатных пород нижнего сармата характеризуется
резким преобладанием монтмориллонита над гидрослюдой [Бобринский
В.М., 1985].
Среднесарматские отложения характеризуются пестрым фациальным
составом, который обусловлен наличием барьерного рифа. По отношению к
нему осадочные образования среднесарматского времени подразделяются
преимущественно на глинисто-мергелистые предрифовые и известняковые –
зарифовые. Предрифовые отложения представлены толщей мергелей с
прослоями глин, песков и известняков. Мергели уплотненные,
пелитоморфные, горизонтально слоистые. Под микроскопом мергели
обнаруживают равномерно-пелитоморфное сложение и горизонтальную
плойчатость - результат послойной окраски породы гидроокислами железа.
Глинистые минералы из нерастворимого остатка мергелей представлены, по
данным рентгендифрактометрии, преимущественно смесью гидрослюды с
монтмориллонитом в примерном соотношении 70 : 30.
Детритовые известняки зарифовых отложений состоят из обломков
раковин моллюсков, брахиопод, остатков водорослей. Детрит слегка
подвержен оолитизации. Крустификационный цемент из прозрачного
кальцита составляет около 20% породы. Из карбонатных примесей
встречаются зернышки кварца, хлорита. Органический материал
присутствует в небольшом количестве (до 3%), располагаясь в порах породы
и выстилая камерки раковин микрофауны [Бобринский В.М., 1985].
Коллекторами верхнесарматско-понтического водоносного горизонта
служат линзы песков среди глин и алевролитов. Пески чаще всего глинистые,
окрашенные гидроокислами железа в красновато-бурые тона. Встречаются
пески голубовато-серые, характеризующиеся глеевой геохимической
обстановкой.
Более детально проанализированы макрокомпонентный состав и геохимия
стронция, бария, селена водосодержащих пород. Макроэлементы изучены по
данным водных и спиртово-аммонийных вытяжек из пород водоносных
горизонтов мелового и неогенового возрастов, а также частично были
32
использованы данные [Козлова Э.В. и др., 1972]. Среднестатистические
данные представлены в таб. 4.
Таблица 4. Среднестатистические данные по макрокомпонентному составу пород
водоносных горизонтов ( в мг-экв.%)
ВодоносМиненый
ралигориК-во
зация,
зонт
проб
Na+
Ca2+
Mg2+
HCO3SO42Clг/л
54.50
26.50
16.00
68.00
19.00
11.50
0.10
N1S3
4
43.21
33.68
20.52
45.31
46.52
7.57
0.23
N1S2
19
43.73
32.66
20.76
40.83
49.56
7.30
0.33
N1S1
29
73.81
16.81
7.63
60.63
34.81
9.18
0.21
K2
11
Барий содержится в раковинках макрофауны в значительно меньшем
количестве, чем стронций, и близок к Кларку бария (3 .10-3%) в органическом
веществе. Следует отметить, что в кальцитовых раковинках, в частности в
раковинках Chlamus elegagens (Andrus), содержание бария повышено до
0.05%. Присутствует он здесь, по-видимому, в форме витерита. Величина
стронциево-бариевого отношения изменяется от 0.9 до 75.7.
Изучение распределения стронция и бария в образцах пород из скважин
показывает следующее. Глинистые известняки с прослоями мергелей и
органогенно-обломочных известняков баденского возраста содержат до 0.4%
стронция и до 0.09% бария. В других разностях пород бадения (тортона), где
обломочный карбонат разбавлен глинисто-алевритовым веществом,
содержание стронция колеблется от 0.19 до 0.09%, а бария от 0.003 до 0.05%.
Оолитово-детритовые известняки нижней части нижнего сармата содержат
0.26 – 0.32% стронция и 0.02 - 0.03% бария. Сгустковые известняки содержат
до 0.7% стронция и 0.03% бария. Пелитоморфные известняки содержат
значительно меньше стронция (0.08 – 0.05%), чем оолитово-детритусовые
или сгустковые. Бария же в них обнаружено одинаковое количество. Прослои
известняков, содержащие терригенный материал, обеднены стронцием и
барием. Породы верхнего горизонта нижнего сармата представлены
преимущественно оолитово-сгустковато-фораминиферовыми и оолитовофораминиферовыми разностями известняков с общим содержанием стронция
0.20 – 0.37% и бария 0.21 – 0.03%. Часто встречаются прослои глинистых и
пелитоморфных известняков с низким содержанием стронция и бария в
количествах 0.09 и 0.02% соответственно. Породы среднего сармата,
представленные органогенно-обломочными известняками и глинами,
содержат стронция 0.01 – 0.5% и бария 0.01 - 0.021%. В целом содержание
33
стронция и бария в изученном разрезе находится в пределах кларковых
концентраций.
Глинистые песчаники верхнего мела содержат 1.2·10-4% селена, а
кремнистые известняки без глинистого материала селена не содержат. В
глинистых разновидностях пелитоморфных известняков бадения селена
содержится до 0.06·10-4%. Известняки нижнего сармата не содержат селена.
Известковые глины, мергели, песчаные глины и мергели среднего сармата
имеют среднее содержание селена до 1.42·10-4%. Отсутствует селен в
биогенных и хемогенных известняках.
Породы зоны активного водообмена содержат почти на порядок больше
селена, чем средняя концентрация этого элемента в земной коре. Особенно
обогащены селеном монтмориллонитсодержащие глины.
Роль разломной тектоники в формировании качества межпластовых
подземных вод. Автор [Морару К.Е., 1987] научно обосновал отражение
водопроводящих тектонических разломов в поле содержания гелия. По
химическому составу гелиеносные воды всех продуктивных водоносных
горизонтов и комплексов Молдовы имеют характерные параметры, которые
отличают их от вод, где содержание гелия не превышает значения фона
(225.10-5 мл/л) (см.таб. 5).
Аномальный химический состав и повышенные содержания гелия
наследуются по вертикальному разрезу зоны активного водообмена через
тектонические разломы.
Эта закономерность установлена для всех
продуктивных водоносных горизонтов Молдавского артезианского склона. В
этом процессе отчетливо реагируют содержание гелия, величина
минерализации и гидрогеохимический тип воды. Если рассматривать эту
закономерность по вертикали сверху вниз, видно, что увеличиваются
содержание гелия и величина минерализации, а тип воды изменяется от
HCO3 до HCO3 - Cl - Na.
Для количественной характеристики гидрогеохимические данные были
подвергнуты статистической обработке (программа SPSS14). Выявлено, что
по отношению к гелию как к глубинному элементу среди коррелируемых
компонентов выделяются два ряда: 1) параметры глубинного генезиса – Na,
Cl, F, HCO3, K, Ba, pH, минерализация и органическое вещество, имеющее с
гелием положительную связь, и 2) компоненты подземных вод зоны
выщелачивания, располагающиеся на жестких блоках - Ca, Mg, Sr, Se и SO4,
которые с гелием связаны отрицательно.
Термодинамическая
характеристика
ионных
равновесий
и
комплексообразования в межпластовых подземных водах. Так же, как и для
грунтовых вод, термодинамические расчеты выполнены [Милкова Л.Н.,
1989] с использованием программы "Гиббс" [Шваров Ю.В., 1978, 1981] и
частично с помощью программы Aquachem 4.0 [Морару К.Е., 2007]. Расчет
34
форм нахождения элементов проводился в различных типах вод
верхнемелового
и
нижнесарматского
продуктивных
горизонтов.
Исследованные воды рассматриваются нами как открытые в отношении СО 2
в гомогенной системе, содержащие 13 независимых - H-O-C-S-Cl-F-Na-KMg-Ca-Sr-Ba-Si и 52 зависимых компонента (c SO4, Ca, Mg, Sr, Ba и др.) при t
= 25о и Р = 1 атм.
На основании термодинамического моделирования состояния химических
элементов во всех гидрохимических типах подземных вод (таб. 5) сделан
вывод, что Na, K, Ca, Cl и Ba в них практически не закомплексованы и
присутствуют в этих водах в виде простых ионов Na+, K+, Ca2+, Ba2+, Cl- (98.5
- 99.5 %). Содержание комплексных частиц с участием этих элементов
меньше содержания их в виде простых ионов и не превышает 1.5 - 2 % от
валовых количеств. Что касается Mg и Sr, то для них комплексообразование
в исследуемых водах играет существенную роль. В некоторых из
рассматриваемых типов вод определенное значение имеет образование
ассоциатов на основе фтора. Как в верхнемеловом, так и в нижнесарматском
горизонтах степень закомплексованности Mg в водах выщелачивания
несколько ниже, чем в водах, представляющих аномальные гелиеносные
флюиды. В водах всех гидрохимических типов содержание магния в виде
простого иона Mg2+ преобладает над всеми комплексными формами
нахождения магния в растворе. Что же касается последних, то они
закономерно изменяются при переходе от одного гидрохимического типа к
другому.
При исследовании неорганических форм стронция расчет показал, что во
всех типах вод комплексообразование стронция играет существенную роль.
Преимущественной комплексной формой в тех водах, где содержание ионов
SO42- более 150.0 мг/л, является ионная пара SrSO4o. Для вод, содержащих
менее 100.0 мг/л SO42-, наиболее вероятными выявлены формы SrHCO3+ и
SrСO3o. В целом степень закомплексованности стронция во всех группах вод
значительная - ионные ассоциаты составляют 25 - 45 %, а в некоторых
отдельных случаях их содержание достигает 50 - 60 %.
С помощью термодинамического расчета была установлена существенная
разница в формах нахождения фтора в водах выщелачивания и аномальных
по содержанию гелия. В первых имеет место комплексообразование фтора
от 10 - 15 % до 30 %. Преобладающей комплексной частицей в них является
MgF+. В водах второй группы фтор практически не закомплексован и на 98 %
находится в виде простых ионов F-. Полученные данные согласуются с теми
основными результатами, которые были получены авторами [Крайнов С.Р. и
др., 1978] в результате расчетного и экспериментального изучения
комплексных соединений фтора в подземных водах.
35
Таблица 5. Среднее содержание макрокомпонентов и гелия в различных гидрохимических типах подземных вод продуктивных
водоносных горизонтов и комплексов Молдавского артезианского склона
Среднее содержание (X) макрокомпонентов подземных вод,
СодерГидрохимические типы
К-во
мг/л
Возраст
pH жание He,
подземных вод
скв.
x10-5, мл/л
Na2+
K+
Ca2+ Mg2+ HCO3- SO4ClM
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
HCO3 – SO4 – Na - Ca – Mg (II)
24 157.0 9.9
83.8
44.6
548.5 164.5
40.6
775
7.3
116.8
SO4 -HCO3 – Na - Ca – Mg (III)
1
196.0 10.9 160.0 126.0 488.0 869.8 106.4 1712 7.8
9.9
Верхний мел
HCO3 – SO4 – Na (V)
56
465
6.3
4.8
2.6
771.5 198.4
55.6
1118 8.3
975.6
HCO3 – Cl – Na (IV)
6
546
5.8
6.9
5.9
765.6 168.0 417.0 1532 8.3
10660
HCO3 – Ca – Mg – Na (I)
25
49.8
3.3
97.8
45.4
527.8
63.6
17.2
545
7.2
15.5
HCO3 – SO4 – Ca – Mg (II)
103 146.0 6.5
80.3
62.9
590.4 209.7
45.6
851
7.4
87.9
SO4 - HCO3 – Na - Ca – Mg (III)
18
286
8.3 153.8 135.9 627.0 739.0 101.5 1738 7.5
197.3
Нижний
HCO3 – SO4 – Na (V)
90 410.1 8.9
6.4
4.2
733.8 185.7
53.7
1046 8.2
915.6
сармат
HCO3 – Cl – Na (IV)
45 541.9 8.0
4.9
6.6
990.9
95.4
223.7 1376 8.3
1876.3
HCO3 – Cl – Na - Ca (VII)
12 278.7 6.2
47.1
34.7
530.6
77.2
286.0
965
7.9
1619.4
HCO3 – Na (VI)
20 481.1 8.3
3.5
3.1
1124.6 52.5
47.5
1168 8.1
961.8
HCO3 – SO4 – Ca – Mg (II)
18 146.1 3.7
83.6
74.5
466.5 176.7
75.5
793
7.6
75.4
SO4 - HCO3 – Cl - Ca – Mg (III)
5
316.2 2.9
76.2
78.5
476.8 349.2 113.0 1174 8.1
93.6
СредHCO3 – SO4 – Na (V)
11 231.5 4.6
6.8
7.6
450.5 126.2
48.5
700
8.4
287.7
ний
HCO3 – Cl – Na (IV)
37 360.2 4.2
10.6
13.9
659.1
63.6
164.4
948
8.2
1739.8
сармат
Cl - HCO3 – Na (VIII)
5
526.6 2.4
7.7
1.8
564.8
3.7
429.8 1253 8.6
508.1
HCO3 – Na (VI)
4
447.5 6.1
4.6
5.7
1139
30.0
31.9
1034 8.0
370.8
Верхний
HCO3 – SO4 – Cl - Ca – Mg (II)
7
99.8
2.1
66.0
21.0
286.0 145.0
74.0
544
7.6
69.5
сарматпонт
36
Четвертое защищаемое положение. Методологические подходы к
комплексной эколого-гидрогеохимической оценке территорий со сложным
характером антропогенного воздействия на зону активного водообмена (на
примере репрезентативных техногенных обьектов).
Несмотря
на
существующие
принципы
гидрогеологической
стратификации исследуемой территории, подземные воды зоны активного
водообмена тесно взаимосвязаны между собой. Это доказано
многочисленными данными, а также результатами моделирования движения
подземных вод междуречья Прут – Днестр [Морару К.Е. и др., 2000, 2005]. В
таб. 6 представлены результаты расчета бюджета воды в зоне активного
водообмена.
Данные таб. 6 показывают, что через зону активного водообмена
ежедневно проходит около 0.05 км3 воды, которая разгружается
преимущественно в виде родников в речную сеть и акваторию Черного моря.
Основной вектор движения подземных вод данной зоны соответствует
направлению север - юг. Сравнивая эксплуатационные запасы подземных вод
зоны (около 3.0 км3) и данные таб. 6, приходим к выводу, что происходит
быстрое возобновление запасов подземных вод. Этот факт косвенно связан с
небольшим возрастом подземных вод (от нескольких лет - грунтовые воды и
до 1000 лет - межпластовые) [Зеленин И.В., 1984]. Возраст подземных вод не
Таблица 6. Бюджет подземных вод в модели ModFlow, Молдова в ненарушенных
условиях (в м3/сут)
Статьи расхода/прихода
в систему
из системы
разница
подземных вод
Постоянный напор
2120107.8
225094.5
-130796.75
Скважины
0.000
0.000
0.000
Дренаж
0.000
35275052
-35275052
Питание
4 2184880
0.000
4 2184880
Испарение
0.000
0.000
0.000
Инфильтрация с рек
3492780.5
13318804
-9825224
Нижние граничные условия
3 000 000
0.000
3 000 000
Вода в непроницаемых
0.000
0.000
0.000
слоях
Сумма
50797768
50843960
-46192
Всего разница, [%]
-0.09
соответствует
возрасту
стратиграфического
горизонта.
Следует
предполагать, что полный водообмен в исследуемой зоне имеет циклический
характер и многократность. С точки зрения гидрогеохимии промытость
37
водовмещающих пород должна быть высокой и в связи с этим система «вода
– порода» не имеет решающего значения в формировании качества
межпластовых вод.
Влияние химизации сельского хозяйства на качества подземных вод
Проведен анализ загрязнения грунтовых вод органическими пестицидами,
тяжелыми металлами и нитратами. Анализ специфики загрязнения почв и
учет вышеперечисленных параметров позволили определить список
приоритетных пестицидов-загрязнителей: хлорорганические пестициды
(ХОП) – ДДТ, ДДД, ДДЭ; α- , β- , γ- - ГХЦГ; фосфорорганические (ФОП) –
фозалон, фосфамид, метафос; симтриазиновые (СТА) – атразин, прометрин,
симазин; трефлан. Кратковременные наблюдения показали, что
максимальное загрязнение проб остаточными количествами пестицидов
наблюдается летом. В целом не выявляется приуроченность водопунктов,
загрязненных пестицидами, к определенным агроландшафтам, что
свидетельствует о площадном характере загрязнения.
В районах интенсивного применения металлсодержащих пестицидов
установлено следующее: а) в грунтовых водах под садами и виноградниками
постоянно обнаруживается повышенное количество меди, источником
которой является бордосская жидкость. Содержание элемента в таких
источниках может превышать 200.0 мкг/л (среднее содержание составляет
15.0 мкг/л, что в 2 раза выше регионального фона - 7.0 мкг/л); б) на участках
многолетних насаждений в грунтовых водах отмечаются аномальные
концентрации цинка – следствие применения цинеба, цирама и т.п.
Содержание элемента в грунтовых водах здесь достигает 250.0 мкг/л, при
среднем содержании 40.0 мкг/л. Наибольшее загрязнение грунтовых вод
цинком зафиксировано в водопунктах, расположенных в селах. Здесь
концентрация элемента может достигать 500.0 мкг/л; в) несмотря на большое
техногенное геохимическое давление свинца, содержание этого элемента,
превышающее фон (4.0 мкг/л), крайне редко; г) ни в одном подземном
водоисточнике не обнаружено содержание металлов, превышающее ПДК
питьевое, однако встречается содержание до 0.75 ПДК.
Грунтовые воды загрязнены нитратами. Свыше 2/3 площади их
распространения занимают воды с концентрацией нитратов больше 50 мг/л
(~ 1 ПДК). В грунтовых водоносных горизонтах нитратное загрязнение
распространено
в
областях
развития
гидрокарбонатных,
реже
гидрокарбонатно-сульфатных и совсем редко сульфатных и сульфатнохлоридных типов вод. Содержание нитратов увеличивается соответственно
ряду: лес - пашня - виноградник, сад - животноводческий комплекс населенный пункт от 26 до 523 мг/л (в скважинах) и от десятков до 3200 мг/л
38
(в бытовых колодцах). Максимумы загрязнения, как правило, приурочены к
отрицательным формам рельефа (долины рек, днища крупных балок).
Наиболее обогащены нитратами грунтовые воды речных долин. Иногда
высокие концентрации нитратов встречаются и в грунтовых водах
водораздельных пространств. Приведена принципиальная схема миграции
нитратов в зоне аэрации и грунтовых водах.
Влияние мелиорации земель на качества подземных вод
Объектами
исследований
являлись
типичные
по
геологогидрогеологическому строению и гидромелиоративным показателям участки,
которые орошаются из р. Прут (уч-к «Карпинены»), р. Днестр (уч-к
«Коркмаз») и оз. Ялпуг (уч-к «Казаклия»). Методика исследований включала
бурение специальных скважин, изучение геохимии зоны аэрации, геохимии
подземных вод, определение миграционных параметров солепереноса,
глубины инфильтрации оросительных вод и разработку экологического
критерия загрязнения грунтовых вод. Обобщение данных по данному
вопросу позволяет отметить следующее:
1) на территории юго-западной части Причерноморского артезианского
бассейна не целесообразно проводить широкомасштабное орошение земель.
Около 70% территории характеризуется положением УГВ в интервале 5.0 –
10.0 м;
2) под
влиянием
орошения
происходит
коренное
изменение
геохимических условий зоны аэрации. Наибольшая интенсивность
геохимических изменений происходят в интервале 0.0 – 3.0 м.
Нижерасположенные по разрезу
геохимические вариации являются
многофакторными и в основном связаны с литологическим и
минералогическим составом пород;
3) определены основные миграционные параметры (коэффициент
дисперсии и эффективная пористость) основных литологических
разновидностей пород. Предложена формула расчета глубины инфильтрации
оросительных вод в зону аэрации, которая соответствует квазиконечной
глубине миграции загрязнителя (lk) (см. ф-лу 5). Среднее значение (lk) для
оросительных массивов составляет 2.4 м;
4) предложен показатель риска загрязнения грунтовых вод под влиянием
орошения R = (lk)/H (Н – среднестатистический УГВ, м). По этому
показателю выделяются три таксономические единицы: а) R >0.5 - области
загрязненных и вероятно загрязненных грунтовых вод; б) 0.25< R<0.5 области существующего риска загрязнения; в) R < 0.25 - области отсутствия
риска загрязнения. Проведено районирование территории Молдовы по
показателю R;
39
5) изменения химического состава грунтовых вод зависят от мощности
зоны аэрации, показателя риска загрязнения и величины нормы поливов
земель. Для территории Молдовы отсутствует явная связь «орошаемый
массив – загрязнение грунтовых вод». В случае загрязнения грунтовых вод
под влиянием орошения в водоносном горизонте обнаруживаются
повышенная минерализация, содержание больше ПДК NO3, Cl, SO4 и других
характерных элементов.
Влияние животноводческих комплексов (ж/к) на качества подземных вод
Участки исследований выбраны в зависимости от гидрогеологических
условий и мощности ж/к: уч-к «Бардар» – до 12 тыс. свиней (пойма р. Ботна),
уч-к «Кирка» – 24 тыс. свиней (склон балки) и уч-к «Чишмя» – до 54 тыс.
свиней (водораздел). На этих участках были пробурены 15 скважин,
отобраны и исследованы поверхностные пробы почв, поинтервальные пробы
пород зоны аэрации и пробы подземных вод. Также были проведены
микробиологические анализы пород и подземных вод.
Комплексный анализ данных позволяет отметить следующие основные
обобщения:
1) интенсивность загрязнения зоны аэрации возрастает по схеме пойма склон - водораздел и соответствует увеличению мощности ж/к. Зона аэрации
загрязнена SO4, Cl, K, F, Ca, Mg, Cu, Co;
2) химический состав грунтовых вод формируется под влиянием ж/к.
Интенсивность загрязнения грунтовых вод определяется не величиной ж/к, а
мощностью зоны аэрации. Основными загрязнителями грунтовых вод
являются нитраты, нитриты и аммоний. Межпластовые воды меньше
подвержены влиянию ж/к, но в скважинах, расположенных близко к
источнику загрязнения, обнаружены азотные соединения;
3) изучен микробиологический состав зоны аэрации и подземных вод при
помощи бактерий сапрофитов, аммонификаторов, нитрификаторов и
денитрификаторов. В зоне аэрации
микроорганизмы участвуют в
превращении азотных соединений в интервале глубин 0.0 -1.0 м.
Статистический анализ показал, что химический состав пород зоны аэрации
не влияет на жизнедеятельность бактерий;
4) в грунтовых водах количество бактерий в десятки раз больше, чем в
зоне аэрации, и, соответственно, на порядок больше содержание азотных
соединений. Межпластовые воды характеризуются меньшим количеством
бактерий по сравнению с грунтовыми и в них обнаруживается небольшое
содержание нитритов и аммония, а также нитратов (меньше ПДК);
5) исследованы процессы миграции азотных соединений в зоне аэрации и в
подземных водах. Модели миграции нитратов в грунтовых водах поймы реки
40
характеризуются различными окислительно-восстановительными средами.
Модель А) - Среда окислительная. Процесс нитрификации завершается в
зоне аэрации, и в грунтовые воды поступают нитраты. Длина области
загрязнения воды составляет более 600 м. В склоновом потоке грунтовых
вод модель миграции соответствует окислительно-восстановительным
условиям среды. Модель Б) - Среда окислительно-восстановительная.
Процесс нитрификации не завершен в зоне аэрации и продолжается в
грунтовых водах. Длина области загрязнения воды составляет более 2500 м.
Модель В) - Среда окислительная и окислительно-восстановительная. В
таких условиях нитриты и нитраты содержатся в грунтовых водах почти в
равных количествах. На расстоянии около 700 м от ж/к наблюдается процесс
природного самоочищения от нитратов. Во всех трех моделях процессы
превращения азотных соединений происходят благодаря микроорганизмам. В
межпластовых водах среда сильно восстановительная и поэтому в них
преимущественно обнаружены аммоний и нитриты;
6) влияние ж/к на формирование химического состава грунтовых вод
выражается в виде точечного источника загрязнения.
Влияние военных объектов на качества подземных вод
В качестве военного объекта выбран военный аэродром, расположенный
на севере Молдовы и действующий с 1947 г. Основной вид загрязнения –
нефтепродукты (авиационный керосин). Методика исследований включала
бурение специальных скважин, изучение химического состава пород зоны
аэрации, подземных и поверхностных вод и составление картографических
моделей распространения загрязнителей. Главными особенностями влияния
исследуемого объекта на зону аэрации и подземные воды являются:
1) статистический анализ геохимических данных по зоне аэрации
показывает, что миграция нефтепродуктов через породы не сопровождается
коренными изменениями их макрокомпонентного состава;
2) грунтовые воды территории объекта испытывают прямое влияние
источника загрязнения и характеризуются следующими пределами
содержания химических элементов (мг/л): K = 0.5 - 24.0, Na = 120.0 - 490.0,
Ca = 29.17 - 285.30, Mg = 25.0 - 1238.7, Se = 0.003 - 0.22, As = 0.003 - 0.51, Sr =
1.34 - 7.42, HCO3 = 78.08 - 1269.0, SO4 = 20.37 - 1570.0, Cl = 21.28 - 340.0, NO3
= 0.4 - 401.0, Zn < 0.1, Pb < 1.0 и величина минерализации 515.6 - 3339.5, Eh =
(-250) – (+170), pH = 6.8 - 7.8;
3) содержание нефтепродуктов в зоне аэрации составляет 51.0 – 16800.0
мг/кг; максимальное загрязнение пород выявлено в интервале 0.0 – 2.0 м. В
целом породы зоны аэрации загрязнены керосином на всю мощность;
41
4) содержание нефтепродуктов в грунтовых водах составляет 0.7 - 10.0
мг/л и более. Содержание керосина в воде не имеет корреляционной связи ни
с одним химическим элементом. Это указывает на то, что
гидрогеохимическая обстановка не влияет на миграцию загрязнителя в
водоносном горизонте;
5) в поверхностных водах (р. Реут) также обнаружены нефтепродукты в
интервале от 1.3 до 3.5 мг/л;
6) составлена схема загрязнения почвенного покрова, зоны аэрации и
грунтовых вод территории аэродрома нефтепродуктами;
7) даны рекомендации по устранению загрязнения территории аэродрома
тяжелыми металлами и подземных вод нефтепродуктами.
Влияние урбанизированных территорий на подземные воды
В Молдове г. Кишинев является самым большим урбанизированным
центром. В связи с этим территория города изучена с точки зрения ее
влияния на подземные воды. Методика исследований включала анализ
геохимии
почвенного
покрова,
геохимии
подземных
вод
и
гидродинамическое моделирование формирования грунтовых вод.
Впервые для территории города была разработана постоянно
действующая математическая модель грунтовых вод на основе программы
Processing ModFlow. Данная модель позволяет определять основные статьи
прихода и расхода водоносного горизонта, корректировать значения
гидродинамических параметров и оценить правильность параметров
геометрии водной системы. Также с использованием данной программы был
сделан прогноз поведения уровней грунтовых вод до 2020 года и определена
вероятность подтопления городских территорий.
Качество подземных вод изучено на основе новых гидрогеохимических
данных. Анализ многолетних статистических данных для грунтовых вод г.
Кишинева (1960, 1992 и 2004, 2011 гг.) позволяет сделать выводы о том, что
качество воды изменяется и постепенно ухудшается. В этот период времени
величина минерализации изменилась от 0.6 - 0.8 г/л (1960 г.) до 0.5 - 4.95 г/л
(2011 г.).
Для выяснения геохимических связей между химическими элементами
грунтовых вод использованы кластерный и факторный анализы (из пакета
программы SPSS14). Выявленные геохимические особенности грунтовых
вод по данным кластерного и факторного анализов подтверждаются
корреляционным анализом. Например, минерализация положительно и
значимо коррелирует с SO4, Ca, Cl, Mg, Na .
В целом геостатистический анализ подтверждает идею о том, что в
настоящее время геохимия грунтовых вод г. Кишинева формируется под
42
преобладающим влиянием техногенного воздействия. Это в конечном итоге
приводит к деградации качественного состава не только грунтового
водоносного горизонта, но и нижележащих средне-, нижнесарматских
подземных вод.
Заключение
Изложенный в работе материал впервые характеризует зону активного
водообмена подземных вод юго-запада Причерноморского артезианского
бассейна. В обобщенном виде главные выводы отражают суть работы:
1) Для платформенных гидрогеологических условий (на примере югозапада Причерноморского артезианского бассейна) предложен комплексный
подход для планового и вертикального оконтуривания границ зоны
активного водообмена, который состоит из последовательности
использования следующих методов:
(а) Гидрогеологическая стратификация – использует для платформенных
условий приуроченность водоносных горизонтов, как правило, к
определенным стратиграфическим единицам. Исследуются структурные
особенности водосодержащих пластов и их
гидродинамическое
взаимодействия.
(б) Гидрогеохимический метод – исследуются минерализация и
гидрогеохимические свойства подземных вод на основе классификации В.И.
Вернадского (1933) и современных гидрогеохимических представлений о
связи минерализации с различными химическими типами подземных вод.
Зона активного водообмена преимущественно содержит пресные воды с
минерализацией до 1.0 г/л.
(в) Гидрогеотермический метод - вода как химическое вещество в
системах равновесия функционально усиливает или уменьшает свое участие
в химических реакциях в зависимости от величины ее (или системы)
температуры. Пограничной температурой для главных систем равновесия
является значение 200С. Это значение температуры предлагается
использовать для оконтуривания нижней границы зоны активного
водообмена.
(г) Тритий в подземных водах - нижнюю границу зоны активного
водообмена можно выделить по нулевому (отсутствие трития) или близкому
к нулевому содержанию трития. Содержание в подземных водах трития в
количествах, больших нуля, достоверно указывает на принадлежность таких
вод к зоне активного водообмена.
(д) Метод гелиевых исследований – используется предложенный К.Е.
Морару (1987) гелиевый метод оценки гидродинамической взаимосвязи
водоносных горизонтов. Содержание гелия в подземных водах позволяет
43
картировать местоположение восходящих и нисходящих потоков. Лучше
всего данное явление выражается через коэффициент контрастности поля
гелия. Бесконтрастное поле гелия может выделить пространственное
положение зоны активного водообмена.
2) Природные условия юго-запада Причерноморского артезианского
бассейна (на примере репрезентативной территории Республики Молдова)
способствовали формированию в геологическом прошлом и поддерживают
существование в настоящее время зоны активного водообмена.
Количественное выражение связи природных факторов и зоны активного
водообмена
является
проблематичным,
т.к.
системные
связи
многоуровневые. Качественно выявлено, что: (а) первые от дневной
поверхности водоносные горизонты испытывают влияние орогидрографии,
климата и в меньшей мере геолого-гидрогеологических условий; (б) с
увеличением глубины залегания водоносных горизонтов воздействие физикогеографических факторов уменьшается и преобладают геологогидрогеологические условия и водообмен между водоносными горизонтами;
(в) водоносные слои имеют характер платформенных водоносных горизонтов
с пластовым наклонным залеганием. Отсутствие мощных региональных
водоупоров и большое число проницаемых тектонических разломов
обуславливают тесную гидравлическую связь обводненных толщ осадочного
чехла.
3) Зона активного водообмена подземных
вод юго-запада
Причерноморского артезианского бассейна оконтурена как по вертикали, так
и в плане с использованием комплекса предложенных методов. В ее состав
входят грунтовые и межпластовые воды четвертичного, понтического,
мэотического, верхне-, средне-, нижнесарматского, мелового и силурийского
возрастов. Эти водоносные горизонты на изученной территории
распространены неравномерно. Мощность зоны не выдержана как по
площади, так и в разрезе и увеличивается в юго-западном и южном
направлениях; интервал ее колебания составляет 10.0 – 550.0 м от
поверхности земли. Территория распространения зоны активного водообмена
совпадает с местоположением областей питания подземных вод.
4) Определены граничные условия зоны активного водообмена
подземных вод. Верхней границей является не насыщенная водой зона
аэрации. Исследована роль зоны аэрации как среды для миграции
неорганических загрязнителей. Предложены понятие о квази-конечной
миграции (lk) геохимически неактивных загрязнителей и методы определения
этой
величины,
включая
эмпирический,
статистический
и
экспериментальный подходы.
44
Выявлены гидрогеологические особенности нижней части зоны активного
водообмена. Поверхность границы имеет неровный характер, который
определяется литологическим строением водонасыщенных пластов и
многочисленными тектоническими дизъюнктивами. Нижняя часть зоны
активного водообмена характеризуется наличием мощных восходящих
потоков подземных вод, местоположение которых отчетливо выделяется по
содержанию гелия и коэффициенту контрастности поля гелия.
В примерном процентном отношении от общей площади распространения
водоносных горизонтов зона активного водообмена имеет следующие
значения: меловой горизонт – 55%, нижний сармат – 64%, средний сармат –
71%, верхний сармат - понт – 91% и четвертичные горизонты – 100%.
5) Граничные условия зоны активного водообмена определяют условия
формирования химического состава подземных вод.
5.1) Химический состав грунтовых вод весьма разнообразен и изменчив в
плане. Влияние зоны аэрации на гидрогеохимию первых от поверхности
водоносных горизонтов существенное. Распределение легкорастворимых
солей и минералов в зоне аэрации зависит от литологии пород и
геоморфологического местоположения. На водоразделах характерен
гидрокарбонатно-кальциевый состав водных вытяжек, реже встречается
сульфатно-кальциевый, а в поймах речной сети преобладает сульфатнонатриевый тип засоления, более редок гидрокарбонатно-натриевый.
Техногенное влияние на грунтовые воды имеет региональный характер.
Вследствие этого воды сильно загрязнены азотными соединениями, в них
обнаружены остаточные количества пестицидов. Воды имеют повышенную
минерализацию и жесткость.
Термодинамическое моделирование показало, что грунтовые воды
насыщены или перенасыщены относительно карбоната кальция. Это
свидетельствует об интенсивном взаимообмене между водовмещающей
породой и водой. Карбонатно-кальциевое равновесие отмечается большой
устойчивостью. Процесс осаждения карбоната кальция из перенасыщенных
растворов происходит очень медленно и при этом практически никогда не
снимается полная величина пресыщения.
5.2) Качество межпластовых подземных вод существенно и
принципиально отличается от грунтовых по следующим показателям: (а)
постоянством химического состава на больших площадях и (б) практически
отсутствием ингредиентов техногенного происхождения.
Химический состав межпластовых вод зависит от процессов
выщелачивания и смешения восходящих потоков с пластовыми водами.
45
6) Формирование подземных вод зоны активного водообмена юго-запада
Причерноморского артезианского бассейна
является естественно
историческим процессом и не связано по возрасту с процессом
осадконакопления водовмещающих пород. Геологические условия зоны
(наклон пластов, литологический состав и др.) способствуют циклическому
водообмену в геологических коллекторах воды.
Наиболее подвижными являются грунтовые воды.
Глубина их
залегания и геоморфологические особенности изученной территории
способствуют формированию микробассейнов грунтовых вод, которые в
общих чертах совпадают с гидрографическими бассейнами малых рек. Связь
между этими микробассейнами теоретически отсутствует, и каждая такая
структура
характеризуется
своими
гидрогеологическими
и
гидрогеохимическими особенностями.
Формирование межпластовых вод зоны активного водообмена резко
отличается от ее верхней части. Межпластовые воды менее подвижны. По
результатам компьютерного моделирования через эту часть зоны активного
водообмена ежедневно проходит около 0.5 км 3/сут воды (приход минус
расход равен нулю с точностью 0.09%). В таком случае промытость
водовмещающих пород должна быть высокой и система «вода–порода» не
имеет решающего значения в формировании качества межпластовых вод.
Большое значение имеет восходящая разгрузка соленых глубоких подземных
вод в горизонтах зоны активного водообмена. Суммарно эти процессы
образуют гидрогеохимические особенности межпластовых вод.
7) Детально исследовано формирование химического состава подземных
вод зоны активного водообмена под влиянием репрезентативных
техногенных объектов. Применен принцип причинно-следственной связи
формирования качества воды по схеме: техногенный обьект – зона аэрации –
подземные воды.
8) Изучение влияния репрезентативных техногенных обьектов на качество
подземных вод зоны активного водообмена показывает, что каждый вид
загрязнения имеет свои специфические геохимические черты. Понятие
защищенность подземных вод от процессов техногенеза неуниверсально.
Необходимо опрерировать методологиями оценки защищенности от
конкретного вида техногенного воздействия на подземные воды (например,
защищенности от азотного, нефтяного загрязнения и т.д.)
9) Очередные задачи исследований зоны активного водообмена
подземных вод в первую очередь должны основываться на: а) получении
количественных характеристик зоны; б) гидрохимическом
отдельном
моделировании
грунтовых
и межпластовых вод с
использованием
46
современных компьютерных моделей; в) совершенствовании
методов
оконтуривания
зоны активного водообмена; г)
экспериментальных
исследованиях миграции химических элементов в ненасыщенной зоне
аэрации; д) термодинамическом
моделировании комплексообразования
остированных химических элементов в подземных водах питьевого
назначения.
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Монографические издания
1.Мырлян Н.Ф., Морару К.Е., Настас Г.И. Эколого – геохимичский атлас
Кишинева. - Кишинев: Штиинца (ISBN 5-376-01356-1),1982. 114 с.
2.Moraru C., Anderson J. A. Comparative Assessment of the Ground Water
Quality of the Republic of Moldova and the Memphis, TN area of the United
States of America. - Memphis-Chisinau: Elena V.I. (ISBN 9975-9892-6-8), 2005.
195 p.
3.Морару К.Е., Зинченко О.Д. Подземные воды г.Кишинэу. - Кишинев: Elena
V.I. (ISBN-9975-9892-3-3), 2005. 110 с.
4.Moraru C., Arnaut, N., Botnaru, V. et all. Carstul in gipsurile din nord-vestul
Moldovei. - Chisinau: Elena V.I. (ISBN 978-9975-9643-3-3), 2008. 192 р.
5.Морару К.Е. Гидрогеохимия подземных вод зоны активного водообмена
крайнего юго-запада Восточно-Европейской платформы. - Кишинев: Elena
V.I. (ISBN 978-9975-106-48-1), 2009. 288 с.
Карты
6. Морару К. Международная гидрогеологическая карта Европы. Лист E5_Bucuresti (территоия Рес. Молдова). (научные редакторы Робу Л., П.Винтер
и Дусчер К.). – подготовлена к изданию Bundesanstalf fur Geowissenschaften
und Ronstoffe совместно с ЮНЕСКО, Ганновер, 2013.
(http://www.bgr.bund.de/EN/Themen/Wasser/Projekte/laufend/Beratung/Ihme150
0/ihme1500_projektbeschr_en.html?nn=1548136).
Статьи
7.Бобринский В.М., Морару К.Е. О гелиеносности подземных вод Молдавии
// Советская геология, 1984, № 9. С. 103 - 106.
8.Морару К.Е., Бобринский В.М. Особенности распределения фоновых и
аномальных содержаний гелия в подземных водах Молдавского
артезианского склона // Рукопись деп. в ВИНИТИ, 1985, № 1497-85 Деп. 11с.
9.Морару К.Е., Бобринский В.М. Районирование подземных вод
Молдавского артезианского склона по условиям взаимосвязи водоносных
горизонтов // Рукопись деп. в ВИНИТИ, 1986, № 2164 – В86. 14с.
10.Бобринский В.М., Макареску В.С., Морару К.Е. Отражение разрывных
нарушений в гелиевом, макросейсмическом и гидрогеохимическом полях
47
Молдавии // Докл. АН СССР, 1986, Т.288, № 5. С. 1181 - 1184.
11.Бобринский В.М., Макареску В.С., Морару К.Е. Тектонические факторы,
определяющие
строение
гелиевого,
макросейсмического
и
гидрогеохимического полей Молдавии // Геотектоника, 1987, № 2. С. 77 - 90.
12. Bobrinsky V.M., Makaresku V.S., Moraru C.E. Tectonic factors governing
the structure of the Helium, Macroseismic and Hydrochemical regions of Moldavia
// Geotectonics, 1987, V.21, № 2, p. 150 - 160
13.Бобринский В.М., Милкова Л.Н., Морару К.Е., Бурдаев В.П. Роль
геохимического щелочного барьера в формировании химического состава
подземных вод (на примере нижнесарматских отложений) // Рукопись деп. в
ВИНИТИ, 1988, № 8455 – В88. 15 с.
14.Морару К.Е., Куявская Б.Я. Содержание пестицидов в подземных водах
хозяйственно – питьевого назначения и гидроминеральных ресурсах //
Ежегодник содержания остаточных количеств пестицидов в объектах
природной среды Советского Союза, кн.2, части 2-5,6. Обнинск, 1989. С. 95 102.
15.Войтов Г.В., Бобров В.А., Кривомазова Н.Г., Никулина И.В., Друмя А.В.,
Морару К.Е., Бобринский В.М., Сковитин А.И. О нестабильности
подземных водно–газовых систем Прутской разрывной структуры и их
реакции на Вранческое землетрясение 31.08.1986 // Докл. АН СССР, 1990,
Т.310, № 1. С. 60 - 63.
16.Морару К.Е., Бурдаев В.П., Негруца П.Н. Классифицирование и
выявление зональности подземных вод по химическому составу с
использованием кластерного анализа // Рукопись деп. в ВИНИТИ, 1990, №
6497 – В90. 15 с.
17.Морару К.Е., Куявская Б.Я. Пестициды в подземных водах Молдовы // В
сб.: Исследование гидродинамических и гидрогеохимических процессов на
территории Молдовы. Кишинев: Штиинца, 1991. С. 108 - 126.
18.Морару К.Е., Бобринский В.М. Миграция нитратов и фтора в зоне
аэрации и в грунтовых водах Молдовы // В сб.: Исследование
гидродинамических и гидрогеохимических процессов на территории
Молдовы. Кишинев: Штиинца, 1991. С. 139 - 145.
19.Морару К.Е. В глубине недр обнаружены пестициды // Сельское
хозяйство Молдовы, 1991, № 2. С. 25 - 27.
20.Морару К.Е. Состояние подземных вод // В сб.: Кишинев: Эколого–
географические проблемы. Кишинев: Штиинца, 1993. С. 86 - 89.
21.Moraru C.E. Ground water quality formation in the Moldova Republic under
the influence of anthropiec factors (irrigation, fertilization) // Известия АН
Республики Молдова, 1995, № 1(16). С. 93 - 100.
48
22. Moraru C.E., Negrutsa P.N. Phreatic water pollution by nitrogen substances in
the southern and central Moldova Republic // Известия АН Республики
Молдова, 1995, № 2. С. 85 - 89.
23. Moraru C. Geologia heliului in Republica Moldova // Intelectus, 1997, № 4.
Р. 57 - 65.
19.Melian R., Myrlean N., Gurev A., Moraru C., Radstake F. Groundwater
quality and rural drinking water supplies in the Republic of Moldova //
Hydrogeology Journal, v.7, № 3. Р. 188 - 196.
24.Moraru C. Contributii la studiul si folosirea practica a apelor subterane // In:
Studii si comunicari practice privind managementul resurselor de apa in conditiile
unui mediu vulnerabil. Chisinau: Universul, 2002. Р. 32 - 39.
25. Bogdevich O., Hannigan R., Moraru C., Izmailova D., Budesteanu S. and
Cadocniciv O. Assessment of heavy metal and selenium concentration in
environment // In: Contributii in Metrologie, Certificare, Informatizare si Inovare.
Chisinau, 2003. Р. 255 - 261.
26.Sandu M., Toderas I., Obuh P., Moraru C., Holban V., Gilca G. Water
Resources // In: Republic of Moldova state of the environment report 2002.
Chisinau: Ministry of Ecology, 2003. Р. 12 - 21.
27.Moraru C.E. Maps of ground water pollution (nitrate, TDS, fluorine, selenium,
strontium) // In: The Republic of Moldova. Ecological state. Chisinau: Chisinau
polygraphic enterprise (WB/GEF project Nr.TF051208), 2004.
28.Moraru C., Budesteanu S., Jousma G. Typical shallow groundwater
geochemistry in the Republic of Moldova (pilot study) // In: Buletinul Institutului
de Geofizica si Geologie al Academiei de Stiinte a Moldovei, 2005, No 1. Р. 59 74.
29.Морару К.Е. Геохимическая характеристика грунтовых вод Молдавского
артезианского склона // Бюллетень Института геофизики и геологии АН
Молдовы, 2006, № 1. С. 80 - 106.
30.Морару К.Е. Гидрогеохимия межпластовых вод Молдавского
артезианского склона // Бюллетень Института геофизики и геологии АН
Молдовы, 2007, № 2. С. 84 - 97.
31.Moraru C. Apele subterane industriale ale Republicii Moldova (partea 1) //
Intelectus, 2007, № 1. Р. 63 - 68.
32.Moraru C. Apele subterane industriale ale Republicii Moldova (partea 2) //
Intelectus, 2007, № 2. Р. 57 - 63.
33.Морару К.Е. Условия формирования химического состава подземных вод
Молдовы // Бюллетень Института геофизики и геологии АН Молдовы, 2008,
№ 1. С. 66 - 75.
49
34.Морару К.Е., Матвеева Е.Н. Макро- и микрокомпоненты грунтовых вод
Молдовы // Бюллетень Института геофизики и геологии АН Молдовы, 2009,
№ 1. С. 52 - 61.
35.Морару К.Е., Ботнару В.Б., Матвеева Е.Н. Геохимия четвертичных и
неогеновых пород северо-западной окраины Молдовы (на примере разрезов
гипсового карьера с. Крива) // Бюллетень Института геофизики и геологии
АН Молдовы, 2009, № 2. С. 69 - 83.
36.Moraru C. Selenium in groundwater and surrounding media of the Republic of
Moldova: country overview // Бюллетень Института геофизики и геологии АН
Молдовы, 2011, № 1. С. 74 - 84.
37.Морару К.Е., Матвеева Е.Н. Вариации уровней подземных вод зоны
активного водообмена
крайнего юго-запада Причерноморского
артезианского бассейна // Бюллетень Института геофизики и геологии АН
Молдовы, 2011, № 2. С. 108 -122.
38. Spatari Gh., Moraru C. Estimarea mineralizarii apei utilizind parametrul
electroconductibilitatea .// Бюллетень Института геофизики и геологии АН
Молдовы, 2012, № 1. С. 135 -144
39. Moraru C. Hystory and dynamiv of of groundwater usage in the Republic of
Moldova // Бюллетень Института геофизики и геологии АН Молдовы, 2012,
№ 1. С. 120 -124.
40. Zvezdenco A., Moraru C. Particularitatile distributiei cantitatii totale de saruri
in zona de aerare (caz studiat, centru al R.Moldova) // Бюллетень Института
геофизики и геологии АН Молдовы, 2012, № 1. С. 120 -124
41. Арнаут Н.А., Морару К.Е., Мельничук О.Н., Звезденко А.В. Комплексное
обоснование возможности строительства водохранилищ в широкопойменных
долинах малых рек (на примере р. Когыльник, Чимишлия) // Бюллетень
Института геофизики и геологии АН Молдовы, 2012, № 2. С. 41 – 61.
Другие публикации
42.Морару К.Е. Гелиеносность подземных вод Молдавского артезианского
бассейна и геологическая структура междуречья Прут – Днестр // Молодежь,
наука, производства: Тезисы докл. конф. молодых ученых АН МССР.
Кишинев: Штиинца, 1984. С. 63 - 64.
43.Морару К.Е. Гелий – показатель генезиса подземных вод (на примере
Молдавского артезианского бассейна) // Изотопы в гидросфере: Тезисы докл.
2-го Всесоюзного симп., г. Каменец-Подольский. Москва: ВСЕГИГЕО, 1985.
С. 165 - 166.
44. Морару К.Е. Гидрогеохимия гелия и его роль как индикатора
взаимосвязи водоносных горизонтов (на примере Молдавского артезианского
склона). Автореф. дисс. … канд. геол.-мин. наук. - Москва, 1987. 17 с.
50
45.Бобринский В.М., Морару К.Е., Негруца П.Н. О распространении
нитратов в подземных водах продуктивных водоносных горизонтов
Молдавии // Закономерности изменения инженерно-геологических,
гидрогеологических и геокриологических условий при интенсивном
техногенном воздействии: Тезисы докл. 1-го Всесоюзного съезда инж.геологов, гидрогеологов и геокриологов. Киев: Наукова думка, 1989. С. 31 32.
46.Куявская Б.Я., Морару К.Е., Ротарь М.Ф. О содержание пестицидов в
подземных водах Молдавии // Проблемы обоснования и реализации
мероприятий по минимизации негативного воздействия на подземные воды
сельскохозяйственных загрязнений: Тезисы докл. 1-ой респ. научно-практ.
конф. Киев, 1989. С. 36 - 38.
47.Moraru C. Helium in ground water and its role as indicator of their genesis
(ecological aspect) // First practical conference: Sustainable development,
environmental pollution and ecological safety: Abstracts. Dnipropetrovsk:
Dnipropetrovsk sate university, 1995. Р. 74 -75.
48.Морару К.Е., Матвеева Е.Н. Формирование современной базы данных по
подземным водам Республики Молдова и ее использование // A 3-a conferinta
internationala stiintifico-practica “Apele Moldovei”: Rezumate. Chisinau, 1998. Р.
120 - 121.
49.Kloosterman F., Moraru C., Isicico E. GIS-facilities for geoecology and
hydrogeology: case study in the Rep. of Moldova // Telematics and Networking
support in environmental and natural hazard research and monitoring. WITCIS
Workshop: Abstracts. Chisinau: Evrica, 2001. Р. 57 - 58.
50.Moraru C., Budesteanu S. Shallow drinking groundwater quality in rural areas
of the Republic of Moldova // The second international conference on ecological
chemistry: Abstracts. Chisinau: Stiinta, 2002. Р. 53.
51.Moraru C. Selenium in groundwater and surrounding media of the Republic of
Moldova: country overview // The second international conference on ecological
chemistry: Abstracts. Chisinau: Stiinta, 2002. Р. 54.
52.Moraru C., Budesteanu S. Potential sources of pollution and groundwater
quality (case study in the Republic of Moldova) // The second international
conference on ecological chemistry: Abstracts. Chisinau: Stiinta, 2002. Р. 55.
53.Bogdevich O.P., Hannigan R.,E., Moraru C.E., Ismailova D.N., Budesteanu
S.M., Cadocnicov O.P. Assessment of heavy metal and selenium pollution in
artificial landscapes // The second international conference on ecological
chemistry: Abstracts. Chisinau: Stiinta, 2002. Р. 167.
54.Bogdevich O.P., Hannigan R.E., Izmailova D.N., Moraru C.E. The
investigation of selenium in the environment // The second international
51
conference on ecological chemistry: Abstracts. Chisinau: Stiinta, 2002. Р. 168 169.
55.Moraru C., Budesteanu S. Groundwater flow modeling with predictive
simulations for the Republic of Moldova // Conference of the young scientists of
the Academy of Sciences of Moldova: Abstracts. Chisinau, 2003. Р. 15.
56.Морару К.Е., Зинченко О.Д. Моделирование и прогноз уровней и
качества грунтовых вод г. Кишинева // The third international conference on
ecological chemistry: Abstracts. Chisinau, 2005. Р. 50.
53.Moraru C. A new hydrogeochemical classification for natural waters // The
third international conference on ecological chemistry: Abstracts. Chisinau, 2005.
Р. 51 - 52.
57.Moraru C., Cadocnicov O. and Moraru O. Pesticide migration in the
unsaturated zone (case study, Moldova) // The third international conference on
ecological chemistry: Abstracts. Chisinau, 2005. Р. 51.
58.Moraru C., Hoetzl, H. A new tools – Geochemical Aquifer Vulnerability
Estimation Leakage Potential Method (GAVEL) // The third international
conference on ecological chemistry: Abstracts. Chisinau, 2005. Р. 49.
59.Moraru C. Risk of fresh ground water pollution by military activity //
Foresight, precaution and risk: preparing for the unexpected - NATO advance
research workshop: Abstracts, Chisinau, 2005. Р. 14.
60.Moraru C. Preparing for the unexpected climate change and groundwater
action (territory of Moldova) // Diminuarea impactului hazardelor naturale si
tehnogene asupra mediului si societatii/ Conferenta internationala: Abstracte.
Chisinau, 2005. Р.138 - 141.
61.Moraru C., Budesteanu, S. 3-D numerical modeling of groundwater flow and
hydrogeological characterization of Prut River tributaries // Conferenta fizicienilor
din Moldova. CFM 2005: Rezumate, Chisinau, 2005. Р. 171 - 172.
62.Dowling C., Neumann K., Moraru C., Hannigan R. Data compilation of water
chemistry and groundwater level for the Mississippi Embayment in AR, TN, MS
and LA. // South-Central Section - 42nd Annual Meeting (30 March - 1 April,
2008). The Geological Society of America: Abstracts.2008. Paper 136582.
63.Neumann K., Dowling C., Moraru C., Hannigan R. Long term monitoring of
water levels and chemistry in groundwater of the Arkansas area , Mississippi
Embayment, USA: preliminary results.// Abstract South-Central Section - 42nd
Annual Meeting (30 March - 1 April, 2008). The Geological Society of America:
Abstracts. 2008. Paper 136368.
64.Moraru C. Identification of plausible mechanisms responsible for groundwater
quality (case study, Moldova). The 5th international conference-symposium
Ecological chemistry 2012. Abstract book, Chisinau: CEP, USM, 2012. Р. 51-52.
52
65.Arnaut N., Moraru C., Moraru O., Botnaru V. Processes of ground water
mixing in a river. The 5th international conference-symposium Ecological
chemistry 2012. Abstract book, Chisinau: CEP, USM, 2012. Р. 28-29.
66.Moraru C., Stasev Gh., Botnaru V. Heavy metal distribution in the top soil
profile (case study, quarry influence). The 5th international conference-symposium
Ecological chemistry 2012. Abstract book, Chisinau: CEP, USM, 2012. Р. 97-98.
67.Арнаут Н. А., Морару К.Е. Геоэкологические особенности загрязнения
грунтовых вод в долинах и руслах малых рек (на примере рек Молдовы) – В:
Современные проблемы геологии, географии и геоэкологии. Материалы
Всеросийской научно-практической конференции посвященной 150-летию со
дня рождения В.И. Вернадского, 25-28 марта 2013, г.Грозный, с.162-163.
68.Матвеева Е.Н., Морару К.Е., Оларь А.Н. Оссобенности режима уровней
подземных вод Республики Молдова - В: Современные проблемы геологии,
географии и геоэкологии.Материалы Всеросийской научно-практической
конференции посвященной 150-летию со дня рождения В.И. Вернадского, 2528 марта 2013 г.Грозный, с. 282 – 283
69.Матвеева Е.Н., Оларь А.Н., Морару К.Е. Временные изменения
химического состава подземных вод (На примере территории Республики
Молдова) - В: Современные проблемы геологии, географии и геоэкологии.
Материалы Всеросийской научно-практической конференции посвященной
150-летию со дня рождения В.И. Вернадского, 25-28 марта, 2013 г.Грозный,
с. 283 – 284.
70.Морару К.Е. Геоэкологические основы выделения и оконтуривания зоны
активного водообмена подземных вод - В: Современные проблемы геологии,
географии и геоэкологии. Материалы Всеросийской научно-практической
конференции посвященной 150-летию со дня рождения В.И. Вернадского, 2528 марта 2013, г.Грозный, с. 296 – 298.
71.Морару К.Е., Тимошенкова А.Н. Главные геоэкологические особенности
подземных вод юго-запада Причерноморского артезианского бассейна (на
примере территории Молдовы) - В: Современные проблемы геологии,
географии и геоэкологии.Материалы Всеросийской научно-практической
конференции посвященной 150-летию со дня рождения В.И. Вернадского, 2528 марта 2013, г.Грозный, с. 298 – 299.
72.Звезденко А.В., Морару К.Е., Ботнарь А.И. Индикаторные способности
геохимии зоны аэрации - В: Современные проблемы геологии, географии и
геоэкологии. Материалы Всеросийской научно-практической конференции
посвященной 150-летию со дня рождения В.И. Вернадского, 25-28 марта
2013, г.Грозный, с. 227.