Содержание к диссертации
Введение
2. Обзор гидрогеоэкологических исследований 8
3. Характеристика геоэкологических условий 17
3.1. Физико-географические условия 17
3.2.Геолого-гидрогеологическая характеристика региона 20
3.3. Природные и техногенные факторы экологического риска 40
4. Методические особенности проведения региональных эколого-гидрогеологических исследований 53
5. Региональная гидрогеохимическая характеристика подземных вод 66
5.1. Особенности формирования химического состава подземных вод четвертичных отложений 66
5.2. Особенности формирования химического состава подземных вод докембрийских пород 85
5.3. Региональная гидрогеохимическая зональность и эколого-геохимические особенности микрокомпонентного состава подземных вод 104
6. Оценка состояния эколого-геохимических условий подземных вод 140
6.1. Особенности современного состояния 140
6.2..0ценка загрязнения подземных вод на урбанизированных территориях 154
6.3. Оценка загрязнения подземных вод в горнодобывающих районах и на месторождениях 169
6.4. Региональная оценка состояния эколого-геохимических условий подземных вод 184
Заключение 192
Литература 196
Приложение 213
- Обзор гидрогеоэкологических исследований
- Физико-географические условия
- Методические особенности проведения региональных эколого-гидрогеологических исследований
- Особенности формирования химического состава подземных вод четвертичных отложений
Введение к работе
Изучение экологического состояния окружающей среды (ОС), как одного из основных факторов, определяющих здоровье и уровень жизни человека, является важнейшим направлением современной науки. Проблема рационального использования и охрана ОС связана как с природными особенностями региона, так в значительной степени с инженерной и хозяйственной деятельностью человека. Последняя стала мощным фактором преобразования природы, соизмеримым по своим масштабам с естественными геологическими, климатическими и геохимическими процессами. Наиболее значимое его влияние распространяется на биосферу - внешнюю оболочку нашей планеты, расположенную у границ атмосферы, гидросферы и литосферы и заполненную «живым веществом». Проблема изучения химического состава подземных вод, с позиции потребления, именуемой их качеством, принадлежит к числу наиболее актуальных в комплексной науке, развивающейся на стыке экологии и таких наук как геология, биология, география, экономика и др., и получившей название «экологическая геология» (Осипов, 1997; Теория и методология..., 1997; Трофимов и Зилинг, 1999; 2002; Экологические функции..., 2000; Куриленко, 2000; Трофимов, 2001). Данное научное направление ориентировано на исследование экологических функций (свойств) литосферы (включая подземные воды и газы), закономерности их формирования и изменения и, прежде всего, в связи с жизнью и деятельностью человека.
Решение вопросов обеспечения рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды возможно на основе знаний природных процессов, протекающих в экосистеме, а также на знании и понимании эколого-геохимической сущности ее изменений, связанных с антропогенным воздействием на окружающую среду, в частности, такого ее важного компонента как подземная гидросфера.
Воды зоны гипергенеза являются продуктом длительных процессов взаимодействия воды, породы, газа, живого вещества, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере. В последние десятилетия их естественный ход почти повсеместно нарушается антропогенными факторами. Развитие экономики вызвало загрязнение источников водоснабжения (поверхностных и подземных). Однако наиболее детально изучены в основном локальные очаги загрязнения подземных вод (Гольдберг и Газда, 1984; Тютюнова, 1987; Мироненко и Румынии, 1988), поскольку ореол загрязнения на таких объектах сравнительно легко фиксируется, изучается и моделируется. Региональные изменения качества подземных вод обычно менее контрастны. Их исследование требует накопления и обработки большого объема гидрогеохимической информации, а моделирование сложно. Между тем региональные изменения качества подземных вод нередко достигают такого уровня, что по некоторым показателям воды не соответствуют требованиям, предъявляемым к питьевым водам (Кирюхин, Петров, 2001; Кирюхин, Норова, 2003).
Изучение эколого-гидрогеологических особенностей формирования подземных вод Карелии имеет большое значение в связи с возросшей необходимостью привлечения подземных источников для решения проблемы водоснабжения, являющейся в настоящее время одной из самых острых экологических проблем в республике.
Поверхностные воды являются основным источником водоснабжения в республике, и, как правило, сточные воды сбрасываются в водоемы, являющимися источниками водоснабжения. Поэтому, помимо зачастую неудовлетворительного природного качества поверхностных вод (главным образом из-за высоких концентраций органических веществ и цветности), техногенное загрязнение водоемов вызывает острую проблему обеспечения населения Карелии питьевой водой нормативного качества. Так в 2000 г. 42% проб воды из водоемов 1 категории (используемых для питьевого водоснабжения) не соответствовали нормативам по санитарно-химическим показателям и 16% - по микробиологическим. В формировании здоровья населения Карелии, территория которой относится к дискомфортной зоне жизнедеятельности человека (по некоторым показателям - к экстремальной), несомненно, велика роль водного фактора. Качество поверхностной воды вызывает в организме изменения, приводящие к увеличению частоты инфекционных и соматических заболеваний (сердечно-сосудистых, желудочно-кишечного тракта, костно-мышечной системы) (Государственный.., 2001). Обязательное обеззараживание питьевых вод, поступающих в водораспределительную сеть населенных пунктов Карелии, базируется на применении хлорирования (гиперхлорирования в паводковый период), что приводит к образованию группы соединений, которые обладают выраженным канцерогенным действием (Захарченко и др., 1996). В международных нормативах последнего времени четко обозначено крайне негативное отношение к вторичным продуктам взаимодействия сильных окислителей, используемых для обеззараживания воды, с органическими соединениями природного и антропогенного происхождения. Тенденция максимально возможного использования подземных вод для питьевого водоснабжения населения должна стать в настоящее время определяющей в общей стратегии повышения надежности систем хозяйственно-питьевого водоснабжения (Зекцер, 2001).
Доля подземных вод в общем балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения республики никогда не превышала 4%, что является наименьшим показателем для регионов России. Степень освоения разведанных запасов составляет 11%. За последние десять лет в Карелии не введено в эксплуатацию ни одного нового месторождения подземных вод (Государственный доклад..., 2001).
Следует отметить весьма неравномерное распределение запасов подземных вод по площади. Наибольшее эксплуатационное значение принадлежит гдовскому и котлинскому горизонтам, распространенным на незначительной территории южной Карелии. Современная и перспективная водопотребности полностью обеспечены утвержденными запасами подземных вод из котлинского горизонта только в г.Олонце.
Трещинные подземные воды в целом по Карелии эксплуатируются одиночными водозаборами, работающими на неутвержденных запасах. На подавляющем большинстве предприятий водоснабжение за счет использования подземных вод организовано одиночными эксплуатационными скважинами без разводящей сети, с водоотбором от 10 до 200 м3/сут. Общий годовой отбор подземных вод за 1999 г. снизился на 19% , за 2000 г. - на 6%. Эксплуатация подземных вод осуществляется главным образом скважинами, пробуренными в непосредственной близости от потребителя. Скважины располагаются в пределах населенных пунктов, что затрудняет, а иногда и исключает возможность создания вокруг них каких-либо охранных зон и не гарантирует надлежащее санитарное состояние водозабора.
В монографии «Гидрогеология СССР» и сводном одноименном томе при оценке ресурсов подземных вод Карелии речь идет о ресурсах только трещинных вод кристаллических пород, и совершенно не учитываются воды четвертичных отложения, запасы которых на отдельных площадях, где развиты флювиогляциальные и озерно-ледниковые отложения, значительно превосходят запасы трещинных вод. На основании проведенной оценки эксплуатационных ресурсов подземных вод (Ресурсы и геохимия..., 1986) сделан вывод о том, что в Карелии имеются все предпосылки для более широкого и рационального использования подземных вод. Водоснабжение большинства небольших поселков и деревень, а при благоприятных гидрогеологических условиях и крупных населенных пунктов, может полностью и частично решаться за счет подземных вод четвертичных отложений. Население Финляндии удовлетворяет свои потребности в качественной питьевой воде из подобных месторождений на 70-90%. Эксплуатация водозаборов из четвертичных отложений более эффективна, так как воды, как правило, не требуют специальной водоподготовки. Но с другой стороны, подземные воды на большей части территории республики практически не имеют естественной защищенности и испытывают влияние всей хозяйственной деятельности человека. Особенно уязвимыми для загрязнения являются грунтовые воды. По данным Госэпиднадзора Карелии нецентрализованным водоснабжением из подземных источников (колодцы, родники) пользуется 35% населения республики. По санитарно-химическим и бактериологическим показателям вода большей части источников не отвечает нормативным требованиям.
Следует отметить, что многообразие природных и антропогенных факторов, влияющие на экологическое состояние гидросферы региона, проявляются неоднозначно. Поэтому оценка влияния этих факторов на загрязнение подземных вод на территории Карелии, учитывая ее геолого-гидрогеологические условия, представляется весьма актуальной задачей.
В связи с этим в Институте водных проблем Севера КарНЦ РАН при непосредственном участии автора в течение 1990-2003 гг. выполнен комплекс эколого-гидрогеологических исследований, в задачи которых входило:
изучение региональных закономерностей формирования химического (в том числе микрокомпонентного) состава подземных вод четвертичных отложений и докембрийских геологических структур как основы для показателей, определяющих техногенную нагрузку на подземную гидросферу;
выявление гидрогеохимической зональности как отражение природных условий региона и установление факторов, определяющих особенности формирования экогеохимических параметров подземных вод;
определение степени влияния основных видов хозяйственной деятельности на метаморфизацию химического состава подземных вод региона;
оценка экологического состояния подземных вод Карелии.
В основу данной работы положены материалы эколого-гидрогеологических исследований на территории Карелии, работ по поиску и оценке запасов подземных вод, а также результаты режимных наблюдений.
Выполненные исследования позволили:
создать базу эколого-гидрогеохимических данных, послужившей основой ГИС;
выявить значение природных и антропогенных факторов в формировании химического состава подземных вод Карелии;
- впервые выяснить основные черты формирования и распространения всего спектра микроэлементов в подземных водах региона, установить их фоновые содержания и природу аномальных;
- установить комплекс эколого-гидрогеохимических показателей для отдельных месторождений полезных ископаемых и урбанизированных территорий с различными видами техногенного загрязнения.
- составить эколого-геохимические карты различного масштаба, как для всей территории Карелии, так и для отдельных районов;
Основные положения диссертации доложены: на Всероссийском совещании «Экологические проблемы Севера Европейской территории России» (Апатиты, 1996), на Международной конференции «Финно-угорский мир: состояние природы и региональная стратегия защиты окружающей среды» (Сыктывкар, 1997), на Всероссийском совещании «Антропогенное воздействие на природу Севера и его экологические последствия» (Апатиты, 1998), на Международной конференции «Экологическая геология и рациональное недропользование» (С.-Петербург, 2000), на Второй межвузовской молодежной научной конференции «Школа экологической геологии и рационального недропользования» (С.-Петербург, 2001), на II Международной конференции «Металлы в окружающей среде» (Вильнюс, 2001), The Second АМАР International Symposium on Environmental Pollution of the Arctic (Rovaniemi, Finland, 2002), на Второй международной конференции «Ресурсовоспроизводящие, малоотходные и природоохранные технологии освоения недр» (Москва, 2003), на Ученом совете Института водных проблем Севера Карельского научного центра в 2003 г.
Результаты исследований опубликованы в 27 статьях.
Автор выражает глубокую благодарность профессору В.В.Куриленко, под руководством которого выполнена данная работа. Автор посвящает свою работу светлой памяти доктора геолого-минералогических наук В.С.Самариной и искренно благодарит кандидата геолого-минералогических наук А.В.Иешину, под руководством которых организовано и развивается эколого-гидрогеохимическое направление исследований в Карелии, за постоянную поддержку, ценные советы и критические замечания. Большую помощь в сборе данных, выполнении аналитических исследований, обработке материалов и оформлении работы оказали М.А.Богачев, Е.П.Перская, И.С.Селышева, ГЛ.Чесалина, В.В.Тренин, Н.В.Виноградова, В.В.Кекконен и другие сотрудники ИВПС КарНЦ РАН. В ходе исследований автор пользовался поддержкой, помощью, ценными советами коллег Центра по охране окружающей среды (Северная Саво, Финляндия) Рейо Паартикиви и Арно Саркиойя.
Обзор гидрогеоэкологических исследований
Основные понятия, связанные с изучением рассеяния вещества в подземных водах возникли при становлении поисковой гидрогеохимии, и к настоящему времени накоплен обширный материал по рудным водам месторождений разных типов, расположенных в различных природных условиях, с рудами самого разного минералогического состава (Бродский 1964; Албул, 1969; Голева, 1977; Крайнов, 1973; Методическое руководство..., 1973; Колотов и др., 1983; Соловов и др. 1990; и др.).
С начала 1960-х гг. активизируются исследования по изучению загрязнения подземных вод. На этой основе возникло новое направление гидрогеологии - санитарная гидрогеология. В связи с многочисленными случаями серьезного загрязнения подземных вод появилась необходимость разработки методов расчета и выделения зон загрязнения подземных вод в районах водозаборов и хранилищ отходов. Работы в этой области выполнены многими исследователями (Веригин и Саркисян, 1968; Бочивер и др., 1979; Гольдберг и Газда, 1984; Огняник и др., 1985; Шестаков, 1995; Румынии, 1985; Мироненко и Румынии, 1986; 1998; Румынии и Коносавский, 1999; Фрид, 1981; Long et al, 1982; и др.).
Широко распространенным и одним из наиболее опасных видов загрязнения окружающей среды в целом и подземных вод в частности является нефтяное загрязнение, которое проявляется не только в районах нефтедобычи и нефтепереработки, но и в районах нефтехранилищ и нефтепроводов, бензоколонок. Опыт работ, проведенных в различных странах СНГ, показывает, что почти все объекты нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности являются источниками загрязнения окружающей среды (Карцев и Гаттенбергер, 1984; Солнцева и др. , 1985; Глазовская, 1988; Боревский и др., 1998; Лукьянчиков, 1996; Якуцени, 2000; Гольдберг и др., 2001).
В связи с проблемой захоронения отходов нефтяной и газовой добычи, жидких промышленных и радиоактивных отходов возникает ряд проблем: теоретическое обоснование закачки стоков, изучение характера взаимодействия жидкости и породы, регулирование сброса и другие, которые изучались учеными нашей и зарубежных стран. (Гольберг и др., 1969; Белецкий, 1976; Гольдберг и Маринов, 1982; Валуконис, 1970; Гаев и др., 1986; Moreno et al, 1988; Odling and Roden, 1996; Дублянский и др., 1999; и др.).
Исходя из основной цели настоящей работы, заключающейся в изучении одной из экологических функций литосферы - экологической геохимии, в рамках которой исследуются особенности формирования подземных вод на территории Карелии в региональном аспекте, основное внимание следует уделить обзору тех факторов и работ по загрязнению подземных вод, которые в региональном плане являются характерными и для рассматриваемой территории.
Формирование некондиционных и в ряде случаев экологически опасных подземных вод часто происходит под влиянием естественных геохимических процессов. Эти процессы ведут к формированию обширных гидрогеохимических провинций, подземные воды которых обогащены одним или несколькими нормируемыми компонентами (Ковальский, 1974; Крайнов и Швец, 1987; Вартанян и др., 1995; Кирюхин и Петров, 2001). Оптимальные условия формирования региональных гидрогеохимических провинций с повышенными концентрациями некоторых нормируемых элементов, фоновые концентрации которых близки к их ПДК (F, Fe, Mn, Ва, Se, As, Be), определяются сочетанием двух основных факторов: наличием пород с повышенными содержаниями элементов и благоприятных условий перехода элементов из пород в водную фазу. Формирование таких некондиционных вод одни исследователи рассматривают как «естественное загрязнение» (Кирюхин и др., 1988; Методические рекомендации..., 1988; 1980), другие (Всеволожский, 1991) считают, что подобные случаи не следует рассматривать как загрязнение, на таких территориях просто отсутствуют месторождения подземных вод, пригодных для организации питьевого водоснабжения. Сравнительно недавно заговорили об экологическом риске, связанном с естественными источниками радиации. Самый значительный вклад в естественное облучение человека вносит радон (Смыслов и др., 1994; Радиация..., 1988; Гудзенко и Дубинчук, 1988; Воронов, 1999; Lahermo & Juntonen, 1991).
Наряду с естественными факторами в настоящее время все большее значение приобретают искусственные (техногенные) факторы (Методические рекомендации..., 1982; Язвин и Зекцер, 1996). По данным Государственного водного кадастра 2000 г. среди основных источников загрязнения подземных вод России около 36% приходится на промышленные отходы, 15% связано с влиянием сельскохозяйственного и животноводческого производства. Остальные источники загрязнения связаны с влиянием отходов объектов коммунального хозяйства, с подтягиванием некондиционных вод и другими причинами (Зекцер, 2001). В последние годы все более важным становится радиоактивное загрязнение подземных вод и в настоящее время оно выделяется в особый вид загрязнения (Гольдберг и Газда, 1984; Еремеев и др., 1986; Яковлев и др., 1988; Белоусова и Галактионова, 1996; Дублянский и др., 1999).
Промышленное загрязнение несет весьма большое число неорганических и органических веществ, которые попадают при фильтрации сточных вод из накопителей, хвосто- и шламохранилищ. Часто уже атмосферные осадки, питающие речные и неглубоко залегающие подземные воды, загрязнены газодымовыми выбросами и продуктами испарения с поверхностей накопителей сточных вод и отходов. В настоящее время в атмосферных осадках промышленных районов концентрации As, Se, Sb, Сг, V, Си, Zn, Pb, Cd, Ag, Hg, Ni и ряда других элементов уже в десятки и сотни раз превышают их фоновые концентрации (Фрид, 1981: Крайнов, 1987; Климас, 1988; Голодковская и Елисеев, 1989; Soveri, 1985;). Более того, в некоторых регионах становятся постоянными «кислые дожди» с рН 4 и очень высокими концентрациями многих элементов (Крайнов и др., 1995, Jaks et al., 1984, Lahermo, 1984; Falk, 1988, Kenttamies, 1994; Raisanen, 1989). Такие осадки существенно изменяют химический состав подземных вод и нередко делают их непригодными для хозяйственно-питьевого использования.
Процессы урбанизации и промышленной интеграции приводят к повсеместному сокращению эксплуатационных запасов пресных подземных вод. Для урбанизированных территорий характерны все виды загрязнения подземных вод (Режимные..., 1983; Тютюнова, 1987; Kondratas, 1981; Экогеохимия..., 1995; Кирюхин и Норова, 2003). В загрязненных подземных водах обнаруживаются такие концентрации различных химических элементов, которые «с позиций природной геохимии подземных вод являются резко аномальными, а с позиций экологии - устрашающими» (Крайнов и др., 1991, с. 169). Так в загрязненных водах верхних водоносных горизонтов концентрации нитратов достигают 10000 мг/л, аммония - 15000 мг/л, фтора - несколько г/л, десятки мг/л Р, Sr, Мп, несколько мг/л Сг, As, десятые доли мг/л Be, Nb, Hg, Cd и др. Нередко имеют место утечки сточных вод и технологических растворов из коммуникаций и цехов, из мест складирования химического сырья и отходов производств. Например, утечки из гальванических цехов содержат цианиды, Ni, Sn, Си, Сг, Cd. Достаточно крупным ИСТОЧНИКОМ загрязнений является работа автомобильного транспорта. Изучение временных изменений химического состава грунтовых вод вдоль шоссейных дорог показало прогрессирующее увеличение в них концентраций NaCl, ряда токсичных компонентов, особенно Pb, соединений азота (Крайнов и Швец, 1992; Бельтюков, 1994). Закономерности техногенной метаморфизации состава вод отражены в работах (Тютюнова, 1987; Валуконис, 1987; Крайнов и Закутан, 1991; 1994; Самарина и др., 1999). С учетом степени технофильности элементов рассмотрено поведение большого количества элементов в биотехносфере.
Физико-географические условия
Климат рассматриваемой территории переходный от континентального к морскому. Он значительно мягче климата, характерного для данных широт других районов России. Средняя годовая температура воздуха около 0 на севере республики и 2,5-3 на юге. Зима, хотя и несуровая, но довольно длительная. Период со средними суточными температурами ниже -5 составляет 4,5 месяца на севере и 4 месяца на юге. Самые холодные месяцы, январь и февраль, имеют среднемесячные температуры -10-12. В течение зимы часто происходят оттепели. Лето прохладное и относительно короткое -3 месяца. Самый теплый месяц года - июль со среднесуточной температурой 13-16.
Территория Карелии относится к зоне избыточного увлажнения. Годовая сумма осадков составляет 550-700 мм. Наблюдается увеличение нормы осадков по направлению с севера на юг. Наименьшее количество осадков выпадает в Прибеломорской низменности и Куйтозерской впадине (550 мм), максимальное - в южной части Карелии (700 мм). Внутри года осадки распределяются неравномерно. Примерно 60-65% годовой суммы осадков выпадает в летний период. Величина испарения с суши составляет 350-400 мм в год, то есть более 50% атмосферных осадков, поступающих на поверхность водосборов. Минимальное испарение наблюдается в зимние месяцы (менее 10 мм за месяц). Запасы воды в снежном покрове к моменту снеготаяния колеблются в среднем в пределах 100-140 мм. На инфильтрацию и питание подземных вод расходуется 10-15% годовой суммы осадков.
Основные особенности рельефа территории Карелии определяются формой поверхности кристаллического фундамента и характером аккумуляции четвертичных накоплений. Большая часть территории Карелии представляет собой холмистую равнину с преобладающими высотами местности 100- 200 м в.у.м. Частая смена гряд (сельг), холмов и различного рода понижений придает поверхности чрезвычайно расчлененный характер, несмотря на сравнительно малые относительные высоты.
В строении рельефа отмечается «вертикальная и горизонтальная зональность» (Лукашев, 1976). Вертикальная зональность обусловлена наличием трех ступеней в рельефе на определенных гипсометрических уровнях, каждая из которых характеризуется своими морфометрическими и геоморфологическими характеристиками. Горизонтальная зональность обусловлена пространственным положением районов, в пределах которых преобладает определенная генетическая категория рельефа.
Верхний ярус рельефа развит на северо-западной и западной окраинах республики -хребет Маанселька и Западно-Карельская возвышенность. От этих возвышенностей местность в целом понижается по направлению к трем крупным водным бассейнам, где наблюдаются наименьшие абсолютные отметки: у Онежского озера до 40-60 м, у Белого моря и Ладожского озера до 5-20м. Район отличается наибольшей приподнятостью над уровнем моря; средние абсолютные отметки поверхности колеблются в пределах 200-300 м, а отдельные вершины превышают 500 м (Кивакка, Нуорунен). Преобладающий тип рельефа денудационно-тектонический. Крупные разломы и вертикальные смещения по их линиям обусловили чрезвычайную расчлененность поверхности с относительными перепадами высот до 200-250 м.
К среднему ярусу рельефа относится Центрально-Карельский и Восточно-Карельский районы. Абсолютные отметки в пределах Центрально-Карельского района достигают 150м, средняя расчлененность рельефа - 60 м. Район отличается сложным рельефом, обусловленным сочетанием участков денудационно-тектонических форм и форм ледниковой, водно-ледниковой и озерной аккумуляции. Характерной особенностью морфоскульптуры этого района является широкое развитие флювиогляциальных комплексов (Лукашев, 1976). Своеобразием отличается заонежский сельговый район, где рельеф имеет денудационно-тектоническое происхождение и характеризуется чередованием узких и длинных гряд с неширокими понижениями - озерами и заливами Онежского озера. Все формы рельефа четко ориентированы с северо-запада на юго-восток. Абсолютные отметки как правило не превышают 100 м; колебания относительных высот составляют 5-20 м.
Центрально-Карельский район занимает часть Онежско-Беломорского водораздела. Здесь располагается западная оконечность кряжа Ветреный Пояс с отметками отдельных высот более 200 м. Северовосточный склон кряжа крутой, ступенчатый, имеет превышение над Прибеломорской низменностью 100-120 м. Юго-западный склон отлогий, сменяется волнистой равниной.
К нижнему ярусу относятся Южно-Карельский и Прибеломорский районы. Главные черты Южно-Карельского района определяются наличием сложно построенных котловин Ладожского и Онежского озер и разделяющих их водоразделов (Лукашов, 1979). Абсолютные и относительные отметки колеблются в нешироких пределах, однако в среднем они не превышают соответственно 100 и 20 м. Рельеф представляет собой сочетание участков денудационно-тектонических и ледниковых форм с абразивными и аккумулятивными равнинами водно-ледниковых и озерных водоемов. Характерной особенностью Южно-Карельского района является наличие краевых аккумулятивных комплексов.
Прибеломорская низменность тянется вдоль Белого моря полосой, ширина которой колеблется от 15 до 100 км. Абсолютные отметки всюду меньше 100 м. Северная часть низменности представляет собой волнистую равнину, сложенную преимущественно кристаллическими породами. Колебания относительных высот не превышают 20-30 м. Южная часть - это пологая сильно заболоченная низина, имеющая уклон в сторону моря. Среди обширных болотных массивов местами выступают холмы с относительными высотами 10-15 м, сложенные кристаллическими породами или рыхлым материалом.
Гидрографическая сеть территории Карелии принадлежит к бассейнам Белого моря, Онежского и Ладожского озер. Наличие большого количества рек, озер и болот определяется в первую очередь избыточно влажным климатом региона. Наиболее крупные реки: Нижний Выг, Кемь, Водла, Шуя, Суна. Характерной особенностью территории является наличие многочисленных мелких рек и ручьев, обусловливающих очень высокую плотность речной сети, что благоприятно сказывается на условиях дренирования подземных вод.
План гидросети и ее размещение контролируется геологическими структурами и зонами тектонических нарушений, омоложенных неотектоническими движениями. Наследуя их простирание, реки преимущественно ориентированы в юго-восточном и юго-западном направлениях.
Долины рек слабо врезаны, характер продольного профиля ступенчатый. В плане для них типичны прямолинейные очертания и резкие, почти под прямым углом, изгибы русла. В поперечном сечении долины нередко имеют V-образную форму.
По условиям питания реки относятся к смешанному типу с преобладанием снегового питания. 40-50% стока рек приходится на талые воды в весенний период, 30-40% стока составляют дождевые осадки и 10-20% подземные воды. Питание рек в зимний период происходит за счет подземных вод и сработай озерных вод, аккумулированных в водоемах в летне-осенний период. Карелия характеризуется обилием озер и входит в состав так называемого Озерного края. Всего здесь насчитывается около 43 тыс. озер (Каталог..., 2001). Величины озерности водосборов рек меняются от 0.5 до 22.6%. Для рек бассейна Ладожского озера показатель равен 5%, а для Онежского озера он близок к среднему по территории Карелии и составляет 10%.
Методические особенности проведения региональных эколого-гидрогеологических исследований
Теоретической и методической основой экологической геологии служит экологический подход, предполагающий рассмотрение и оценку состояния экосистем, подверженных воздействию природно-техногенного фактора, как в функциональном единстве их биотических и абиотических компонентов, так и с учетом биогеоэкологических, социально-экономических и правовых позиций и принципов природопользования (Осипов, 1997). Взаимодействие верхних частей экогеологического пространства с другими земными оболочками определяет необходимость использования комплексного подхода на основе традиционных методов изучения земной коры.
Методы получения информации о геохимической экологической функции литосферы и ее отображения на картах базируются на комплексных исследованиях по изучению вещественного состава компонентов литосферы, одним из которых являются подземные воды, выявлению природных и техногенных ее неоднородностей и условий миграции вещества гидросферы.
Эколого-гидрогеохимические исследования включают анализ данных по физико-химическим характеристикам вод, по оценке условий равновесного состояния системы порода-газ-вода. По результатам проведенных исследований выявляются патогенные гидрогеохимические неоднородности, генезис и тенденции их развития и оценивается экологическое состояние подземных вод. Загрязнение подземных вод в большинстве случаев зависит не только от прямой или косвенной деятельности человека и источников загрязнения, но и от природных условий. Учитывая сказанное, в данной работе под загрязнением подземных вод понимается любое изменение качества воды (частично или полностью делающее ее непригодной для нужд водоснабжения), возникающее под влиянием антропогенных и природных факторов.
При эколого-гидрогеологических исследованиях для изучения техногенной метаморфизации химического состава подземных вод как сравнительно новом направлении гидрогеохимии, широко используются методологические положения и приемы, применяемые в «старых» направлениях - геохимии питьевых вод и поисковой гидрогеохимии. Это касается методики отбора, методов химических анализов, интерпретации полученных материалов и т.д., основой чего являются общие законы миграции элементов. Широко применяются такие выработанные многолетней практикой гидрогеохимических поисков понятия и приемы как коррелятивные связи между элементами, геохимические барьеры, гидрогеохимический фон и аномалии, их характеристика (Крайнов и Закутан 1991; Колотое и др., 1983).
Исследования включали несколько этапов: сбор и обработку данных по изучаемым районам, полевые и аналитические работы, обработку и интерпретацию результатов.
Полевые исследования. Фактический материал собран в процессе полевых работ, осуществлявшихся в рамках работ по изучению современного состояния природных вод с целью оценки антропогенного влияния на подземные воды региона. В процессе полевых работ исследовались подземные воды, поверхностные воды небольших по водосборной площади водотоков, атмосферные осадки. Работы предусматривали изучение физических свойств воды, ее макро- и микрокомпонентного состава, окислительно-восстановительных условий, некоторых компонентов газового состава, санитарного состояния.
Полевые исследования проводились в 1990-1993 г.г. в районах Северного Приладожья (Питкярантский, Сортавальский, частично Суоярвский административные р-ны), в 1991, 1994 г. в Заонежье (Медвежьегорский р-н), в 1995, 1998 г.г. в Западном Прионежье (Прионежский р-н). Значительный объем информации получен в 1995-2003 г.г. в ходе работ по разведке и оценке эксплуатационных запасов месторождений подземных вод в четвертичных отложениях (Суоярвский, Лоухский, Калевальский, Медвежьегорский, Пряжинский, Сегежский, Олонецкий р-ны). Проведены режимные наблюдения в период 1993-1999 г.г. на территории г. Петрозаводска, на месторождениях подземных вод в Суоярвском (1997-2000 г.г.) и Калевальском районах (1998-2003 г.г.). В период совместных работ с УГП «Минерал» в 2001 г. на территории России (Карельский регион) в рамках международного проекта «Экогеохимия Баренц-региона» получен материал по химическому составу малых поверхностных водотоков (водосборы около 100 км2), в период межени отражающий преимущественно подземный сток четвертичных отложений. Большой фактический материал, характеризующий химический состав природных вод, получен в результате гидрогеохимической съемки в связи с поисками медно-никелевых месторождений в районе Шуорт-Рунийоки (Кольский п-в) в 1996-97 г.г. Привлечение результатов этих исследований к выполнению данной работы основано на том, что поиски проводились на территории, сложенной метаморфизированными породами архейского и нижнепротерозойского возраста, аналогичных породам Карельского региона, что позволило использовать гидрогеохимические характеристики подземных вод для сравнительного анализа различных структурно-формационных комплексов. Кроме того, в результате опробования вод в районе Аллареченского месторождения и г. Никеля получен материал, касающийся воздействия горнорудного и перерабатывающего производства на природные воды. Важным преимуществом является то, что определения химического, в том числе микрокомпонентного, состава вод проводились одними и теми же методами.
Основным методом полевых исследований является гидрогеохимическое опробование, под которым понимается комплекс мер и приемов, обеспечивающих получение достоверной информации о качестве и состоянии подземных вод.
Пробы воды для исследования химического состава вод кристаллических пород отбирались из действующих водозаборных, разведочно-эксплуатационных и наблюдательных скважин, обсаженных на глубину четвертичных отложений. Подземные воды четвертичных отложений опробованы в основном за счет родников и колодцев, скважин небольшого диаметра и глубины (до 15 м) в районах распространения флювиогляциальных водоносных отложений. При проходке отдельных скважин проводился поинтервальный (через 1 м) отбор проб воды.
Отбор проб подземной воды осуществлялся сифонным методом с герметичной укупоркой в стеклянную и пластиковую посуду. Пробы из действующих водозаборных скважин с погружными насосами отбирались из крана для отбора проб на устье. Наблюдательные скважины, уровень подземных вод в которых не превышал 7 м, перед опробованием прокачивались с помощью вакуумного насоса до полного осветления воды и стабилизации температуры, показателей рН и Eh. Пробы из самоизливающих скважин и источников с сосредоточенным выходом отбирались сифонным методом. Колодцы опробовались насосом или емкостью. Сбор дождевых осадков проводился на открытых пространствах в полиэтиленовые приемники площадью 0.5 м2. Контрольные пробы составляли 5-10% от общего количества.
Химико-аналитические исследования. Химический анализ проб воды включал определения следующих компонентов: главных ионов (Na, К, Са, Mg, Fe, НСОз, CI, SO4, N03, N02, NH4), показателей содержания органического вещества (цветность, перманганатная окисляемость ПО), микрокомпонентов, растворенных газов, нефтепродуктов.
Особенности формирования химического состава подземных вод четвертичных отложений
Воды четвертичных отложений распространены практически на всей территории региона, за исключением районов, где породы фундамента выходят на поверхность, и формируют грунтовый водоносный горизонт, приуроченный к песчаным слоям различных по генезису ледниковых отложений. Единственным выдержанным по площади напорным водоносным горизонтом является онегозерский межледниковый горизонт.
Как известно, главными факторами формирования химического состава грунтовых вод в условиях естественного режима являются: климат, гидродинамические факторы, генезис отложений, геохимические особенности почв, микробиологические процессы, рельеф, петрохимия вмещающих пород и др. В условиях антропогенного влияния искусственные факторы часто приобретают ведущее значение. Разнообразие факторов и источников формирования химического состава подземных вод приводят к тому, что современное их состояние имеет разнообразный состав по степени и характеру минерализации.
Региональное распределение величины общей минерализации представлено на карте (рис.5.1.1), на которой видно, что на большей территории Карелии формируются грунтовые воды с минерализацией менее 0.15 г/л, и только южные и юго-восточные и прилегающие к Белому морю участки отличаются более высокой минерализацией - до 0.5 г/л. Распределение величины рН вод четвертичных отложений свидетельствует о том, что эти воды на большей части территории кислые и слабокислые, воды с рН более 6.4 встречаются на небольших участках, и только на юго-востоке региона, где подстилающие породы ультраосновного состава, вьщеляется поле околонейтральных и слабощелочных вод (рис.5.1.2). Впервые сделана попытка сопоставить региональные распределения отдельных показателей состава подземных вод Карелии и Финляндии. Относительно величины растворенных солей в водах четвертичных отложений, можно отметить в целом сходные черты: увеличение их количества с севера на юг и на морских побережьях. На территории Финляндии воды с рН более 7 встречаются на локальных участках, приуроченных к подстилающим массивам ультраосновных пород (Suomen..., 1990).
Рассмотрим формирование химического состава подземных вод основных генетических типов четвертичных отложений, которые имеют преимущественное Отличительной особенностью водно-ледниковых, главным образом флювиогляциальных отложений, является хорошая отсортированность и промытость песков различной зернистости. Пески озовых отложений характеризуются наиболее высокими фильтрационными свойствами.
В формировании химического состава подземных вод этих отложений наиболее ярко проявляется ведущая роль атмосферных осадков. Это обусловлено кратковременным пребыванием (дни, недели) воды в системе порода-вода, так как расстояние от области питания до области разгрузки невелико и составляет обычно первые сотни метров, реже первые километры. Минеральный состав водно-ледниковых отложений характеризуется повышенным содержанием в легкой фракции полевых шпатов, мусковита и биотита, которые составляют в среднем 27.3; 2; и 10%. Среди минералов тяжелой фракции наиболее распространена обыкновенная роговая обманка, значительно содержание граната. Максимальное количество кварца в флювиогляциальных песках приходится на фракцию 0.25-1 мм и минимальное на 0.05-0.01 мм. Содержание полевых шпатов увеличивается в мелких фракциях (Рухина, 1979).
Физико-химическое моделирование (Рыженко и др., 2000; Рыженко и др., 1997) показало, что при времени контакта в несколько часов, минерализацию природной воды в 10 мг/л (при соотношении порода/жидкость 10"5) могут создать минералы со скоростью растворения равной или более 10 10 г/см2. Таковыми в условиях региона являются полевые шпаты, которые формируют химический состав первых порций поверхностных вод, образующихся при взаимодействии атмосферных осадков с горными породами. Для систем с т/ж 10"5 уже первые порции атмосферных осадков полностью переводят все (кроме А1 и Fe) компоненты породы в водную фазу.
Исследования, проведенные в Финляндии (Soveri, 1985), показали, что при инфильтрации атмосферные воды уже на глубине около 2 м обогащаются основными катионами и сульфатами, причем их концентрации максимальны на первых стадиях инфильтрации талых вод после зимнего периода. Такая сильная мобилизация вещества происходит весной, после отсутствия инфильтрации в зимний период, в течение которого продукты выщелачивания накапливаются в зоне аэрации и выносятся первыми порциями воды.
Влияние рельефа сказывается на химическом составе грунтовых вод через гидродинамические и гидрогеологические показатели (возобновляемость, различие длин путей фильтрации и глубины залегания вод). Финские гидрогеологи для водно-ледниковых отложений выделяют два главных типа водоносных горизонтов по этим условиям - «антиклинальный» и «синклинальный» (Malkki, 1980, Lahermo, 1990).
Горизонты «антиклинального» типа отличаются хорошей дренированностью, частой сменяемостью порций вод, движущихся от центральных частей водораздела к местному базису эрозии. Такой тип характерен для подземных вод озовых гряд и флювиогляциальных дельт. Минерализация воды здесь низкая - от 0.02 до 0.12 г/л (в среднем 0.04 г/л), рН изменяется в пределах 4.8-7 (в среднем 6.3) (табл.5.1.1.1). По составу растворенных газов воды азотно-кислородной группы, относительное содержание кислорода достигает 15-27 об.%, гелий-аргоновый коэффициент составляет не более 0.001, что характерно для вод зоны активного водообмена (Ресурсы..., 1987). Воды очень мягкие - жесткость составляет в среднем 0.5 ммоль/л, редко достигает 1-1.5 ммоль/л. Буферная способность вод этих отложений, которая в основном определяется гидрокарбонатной щелочностью, низкая и составляет в среднем 16 мг/л. Поэтому слабоминерализованные воды наиболее чувствительные к закисленню. По данным (Korkka-Niemi, 1990) за 30 лет (с 1958-59 по 1989 г.г.) величина рН подземных вод Финляндии в целом понизилась на 0.5 единицы. К сожалению, отсутствуют данные, позволяющие проследить процессы закислення подземных вод на территории Карелии. По данным наших исследований заметной тенденции к изменению величины рН в пределах г.Петрозаводска за последние 10 лет не наблюдается, колебания связаны с сезонными изменениями состава или кратковременным техногенным влиянием (рис. 5.1.1.1).
В разрезе водоносных горизонтов флювиогляциальных отложений величина рН в большинстве случаев возрастает с глубиной на 0.1-0.4 единицы рН (табл.5.1.1.2). Озовые гряды отличаются слабым развитием почвенного покрова, поэтому воды в них характеризуются невысокой окисляемостью, содержат небольшие количества углекислоты и насыщены кислородом, окислительно-восстановительные -уеяввда характеризуются высокими положительными величинами, в основном более 400 мВ. условиях не превышает 3 мг/л. Такие концентрации могут быть полностью обеспечены поступлением азотных соединений с атмосферными осадками (табл.5.1.1.3).
Ниже торфяного или заиленного слоя в песчаных горизонтах «синклинального» типа создаются бескислородные условия (Eh +120-КЗОО мВ), благоприятные для миграции двухвалентного Fe и некоторых других элементов переменной валентности. Атмосферные воды, просачиваясь через слои органических отложений, насыщаются растворенной С02, становятся более агрессивными, извлекают из минералов в водную фазу SiCb, Al, Fe. Как известно, органические вещества является важнейшим источником вещественного состава подземных вод.
