Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Природные условия Юго-Восточной части района Батина (Султанат Оман) 17
1.1 Физико-географический очерк 17
1.1.1 Общая характеристика района 17
1.1.2 Климат 20
1.1.3 Атмосферные осадки 24
1.1.4 Поверхностный сток 27
1.2 Геологическое строение 29
1.2.1 Стратиграфия 33
1.2.2 Тектоника 40
1.2.3 Геоморфология 42
1.2.4 История геологического развития 47
1.2.5 Физико-геологические процессы 49
1.3 Гидрогеологические условия 51
1.3.1 Общие положения 51
1.3.2 Верхний водоносный горизонт поровых вод аллювиальных отложений (Q) 58
1.3.3 Средний водоносный горизонт порово-трещинных вод (Pg-Q)...61
1.3.4 Нижний горизонт порово-трещинных и трещинно-жильных вод
(Р-К) 61
Глава 2 Химический и изотопный состав подземных вод 64
2.1 Изменение химического состава подземных вод по площади 64
2.2 Изменение химического состава подземных вод с глубиной 69
2.3 Применение изотопного анализа к изучению условий формирования подземных вод 72
2.3.1 Стабильные изотопы кислорода и водорода (общие сведения) 72
2.3.2 Изотопы 180и2Нв атмосферных осадках 78
2.3.3 Изотопы 180 и 2Н в подземных водах 81
2.3.4 Тритий в подземных водах 83
2.3.5 Углерод-14 в подземных водах 86
2.3.6 Основные источники, восполняющие ресурсы подземных вод 87
2.3.7 Оценка областей питания и потоков подземных вод 89
2.3.8 Особенности вертикальной структуры верхнего аллювиального горизонта 93
Глава 3 Изучение формирования подземных вод района методом моделирования 96
3.1 Постановка задачи, выбор параметров модели 96
3.2 Структура баланса подземных вод и ее изменение во времени 107
Глава 4 Современное состояние подземных вод и перспективы их использования 118
4.1 Изменение водоотбора во времени и его влияние на морскую интрузию 118
4.2 Оценка качества подземных вод 124
4.3 Практические рекомендации по оптимизации использования подземных вод 129
Заключение 132
Список использованной литературы
- Поверхностный сток
- Стабильные изотопы кислорода и водорода (общие сведения)
- Структура баланса подземных вод и ее изменение во времени
- Оценка качества подземных вод
Поверхностный сток
Современный климат Северного Омана определяется как «типично аридный» (Щифсма, 1978) и характеризуется сухими теплыми зимами, очень жарким и иногда влажным летом, малообильными и периодически выпадающими дождями, большими колебаниями относительной влажности и большой интенсивностью испарения и транспирации. В соответствии с особенностями климата Северного Омана, гидрологический год с календарным не совпадает, а начинается в октябре и заканчивается в сентябре. Выделяется два климатических сезона -летний, который длится с июня по сентябрь и зимний - с октября по апрель, май месяц считается переходным между зимой и летом (Французская компания, 1986г). По среднемноголетним данным температура воздуха в пределах прибрежной и предгорной зоны колеблется от 20 до 36 С максимальное значение = 46С, по данным метеостанции международного аэропорта Сееб, расположенной на высоте 14,6 м над уровнем моря и метеостанции Рустак, расположенной на высоте 322 м над уровнем моря) (рис. 1-2А, Б). В горах, на высоте 1897 абс. вые. (метеостанция в г. Сайк) средняя температура равна 17С (Weyhnmeyer 2000).
По многолетним (13 лет) наблюдениям за температурой воздуха было выделено два основных цикла ее колебания: летний - с апреля по сентябрь, когда максимальная температура воздуха превышает 40 С и зимний - с октября по март, когда минимальная температура воздуха опускается ниже 20С. (Lippard и др., 1986). Многочисленные обнажения серии имеют место в пределах блоков Самайл, Рустак и Хайлайн.
Верхняя магматическая серия сложена породами различного типа, включая породы плутонического происхождения, дайки, и экструзивные вулканические породы.
Пост-покровные карбонатные отложения (Kql-Mplbz)
Эти отложения мелового возраста представлены в основном свитой Альрума которая состоит из мергелистых известняков и несогласно перекрывает формацию Васия. Свита Альрума на Аравийском полуострове распространена весьма широко; в Омане она была обнаружена в 1974 году (Glennie, 1974). Установлено также (Dunnington, 1967) повсеместное существование кампанского несогласия, благодаря которому в качестве самостоятельной толщи выделяется поздне-кампанская - мастрихтская серия. В пределах гор Омана свита Альрума состоит из семи подсвит: Фика, Ювейза, Кахлан, Симсима, Такаб, Файах и Хазад. В изучаемом районе встречается в основном подсвита Такаба, представленная полимиктовой брекчией и зелеными мергелями. Типовое обнажение расположено в районе Тави Такаб в долине Сакин (к югу от Сохара). Отсюда подсвита Такаб простирается к югу вдоль побережья Батина, в основном в восточной части района.
Отложения палеоген-неогенового возраста состоят из двух свит: Хадрамут и Фарс:
Свита Хадрамаут (Ejf-Ese) состоит из подсвиты Джафнайян, Руссайл и Сееб, возраст которых простирается от палеоцена до позднего эоцена. Именно в позднем эоцене произошел подъем Аравийской платформы. В пределах района обнажения свиты Хадрамаут имеют форму полосы, протягивающейся вдоль южной границы прибрежной равнины Батина у подножия гор. Свита, представлена биокластическим известняком, калькаренитом и мергелем. го
Минимальное значение - Среднее значение Макса мал ьное значение Miff з. Рис.1-2А Многолетние среднемесячные значения температуры, давления и влажности в районе предгорий (Рустак, 322 м абс. вые.) Максимальная влажность воздуха в районе очень высокая, особенно в зимнее время, иногда доходит до 100%. Средняя влажность воздуха минимальна в летнее время. Данные по температуре, влажности и давлении в районе побережья по данным Метеорологического отчета Министерства Коммуникаций представлены на рис.1-2Б.
Стабильные изотопы кислорода и водорода (общие сведения)
Применение стабильных изотопов кислорода и водорода в гидрологии и гидрогеологии базируется на принципе, согласно которому различные изотопы одного и того же элемента химически идентичны, но благодаря различию масс, хотя и весьма незначительному, отличаются по своим термодинамическим и физическим свойствам (Urey, 1947). Результатом этого является то, что их поведение в химических и физических процессах, например таких, как фазовые преобразования (испарение, конденсация, сублимация), диффузия или растворение и выпадение в осадок минералов, часто различны, что, в свою очередь, обусловливает смещение в относительном изотопном составе, которое называется изотопным фракционированием. Размеры фракционирования являются, главным образом, функцией относительного различия массы между изотопами и температурой, причем более низкая температура обусловливает увеличение фактора фракционирования (Dansgaard, 1964). В тех случаях, когда коэффициенты изотопного фракционирования для какого-либо природного процесса (например, испарения) известны, тогда очень легко определить скорость и размеры этого явления.
Молекула воды состоит из двух элементов, О и Н, которые имеют три и два стабильных изотопа соответственно, содержащихся в следующих соотношениях (Hoefs, 1997): О
Эти соотношения могут изменяться в зависимости от того, каким было происхождение и эволюция водяной массы.
Отношения изотопов кислорода и водорода обычно выражаются в виде относительной разницы между изотопным отношением образца и таким же отношением в некотором, хорошо известном эталоне (стандарте), выраженном в промилле (%о). Общепринятым обозначение является S (дельта): Яд ={[(Ід/Ів)про6а -(Ід/Ів)ста,дартИІл/Ів)„ро6,}ХІ000 где: 1А и 1в выражают тяжелый и легкий изотоп соответственно (то есть пО/иО;2Н/1Н).
Обычно используемым стандартом для выражения изотопных отношений кислорода и водорода является стандарт VSMOW (Венский стандарт воды средне - океанического состава). Отрицательные значения 8 означают, что образец характеризуется дефицитом тяжелого изотопа по сравнению со стандартом. Положительные значения относятся к изотопно-обогащенным образцам - по сравнению со стандартом.
В метеорной воде (то есть дождевой или снеге) отношение между 180и 8 2Н систематически варьирует, вследствие сходства фракционирующих процессов, влияющих на изотопы кислорода и водорода. По этой причине пробы метеорных вод, отобранные в разных частях света, плотно ложатся на прямую, которая называется: «Глобальная Водно-Метеорная Линия» (GMWL) или линия Kpefira(Craig,1961): GMWL:2H = 8x18O + 10(Craig,196) Это соотношение является результатом определенного поведения изотопов кислорода и водорода в процессе последовательных циклов испарения - конденсации. Вода, испаряющаяся с водной поверхности лужи, обеднена 180 и 2Н по сравнению с водой источника, так как тяжелые изотопы имеют тенденцию оставаться в жидкой фазе, а легкие наоборот, переходить в пар. Поэтому водяной пар, образовавшийся в результате испарения океана, который по определению имеет значение 81 Ои 82Н, близкое к 0%о , имеет более низкое значение 8 О, порядка 13%0 (Siegenthaler, 1979). Когда некоторое количество водяного пара конденсируется, образуя дождь, фракционирование происходит в обратном направлении, чем это имеет место с жидкостью, имеющей более тяжелый изотопный состав, чем пар. Величина фракционирования зависит от порции водяного пара, который конденсируется, образуя капли по принципу эффекта Релея. По мере того как дождь продолжает падать, остающийся пар постепенно становится менее и менее обедненным, так ID гу как более тяжелые изотопы (то есть О и Н) постепенно удаляются из пара (газовой фазы) (см. Рис.2-8).
В целом масса пара постепенно становится изотопно-обедненной: а) по мере удаления от источника его образования {континентальный эффект, вызываемый преимущественным выпадением вместе с осадками более тяжелых изотопов), б) с увеличением значения географической широты {широтный эффект, обусловленный уменьшением температуры конденсации) и в) с увеличениям высоты {алътитудный эффект, обусловленный выпадением осадков и температурными изменениями). Следствием этого является то, что водные массы различного происхождения могут иметь характеристический изотопный состав, «подпись», которая позволяет идентифицировать источник метеорной воды, которая оказалась в данном водоносном пласте. Кроме этого, в районах с большими перепадами высот характерные изменения 5 О и 8 Н с высотой, могут использоваться как признак, позволяющий идентифицировать главные области питания подземных вод, пути их движения и даже делать количественные оценки смешивания подземных вод разного генезиса на разных высотных уровнях (Dansgaard, 1964, Arnason, 1977). Для районов Северного Омана Stanger (1986) установил, что при спуске на 100м происходит уменьшение 8 О в осадках на величину порядка -0,33%о . Этот факт позволяет легко отличать грунтовые воды, образующиеся в высокогорной части хребта Джабал Ахдар, от вод прибрежной равнины Батина, получающих локальное инфильтрационное питание.
Существует несколько различных процессов, которые могут изменить первоначальное изотопное отношение дождевых вод, до и после того, как произойдет инфильтрация. Это испарение, конденсация, взаимодействие воды и материала горных пород, обмен с СОг, гидратация силикатов и др.
Эти процессы в разной степени влияют на отношения 8 О и 8 Н, что приводит к характерным отклонениям от проб воды, соответствующих глобальной водно-метеорной линии (см. рис2-9). Испарение и конденсация, например, оказывают более значительное влияние на кислородное, чем на водородное изотопное отношение, вследствие массовой разницы обеих изотопных пар (две массовых единицы для кислорода, одна - для водорода) (Friedman, 1962). Воды облаков тоже могут испаряться по мере того, как через атмосферу происходит падение дождевых капель, или непосредственно на поверхности земли или же в зоне аэрации до глубины нескольких метров от поверхности земли. Испарение в атмосфере наиболее активно происходит в пустынной зоне, что приводит к тому, что местные осадки значительно отклоняются от глобальной водно-метерной линии. Величина такого изотопного несовпадения представляет собой функцию фракции остаточной воды., влажности и температуры (Gonflantini, 1986).
Структура баланса подземных вод и ее изменение во времени
Для изучения формирования подземных вод и управления процессом их рационального использования была создана 2-х пластовая геофильтрационная модель исследуемой территории. Использовался метод математического моделирования геофильтрации с применением программных средств российской компании «Геолинк Консалтинг». Модель представляет собой интегрированную информационно-компьютерную систему (ИКС), состоящую из средств ввода, обработки, хранения информации и собственно моделирования процессов, происходящих в геологической среде.
При построении математической модели территория аппроксимировалась равномерной прямоугольной сеткой с пространственным шагом по осям X и Y 1000 метров. Такой шаг сетки соответствует как масштабу, так и степени изученности исследуемой территории и позволяет с достаточной детальностью отразить фильтрационную неоднородность пород, особенности питания и разгрузки подземных вод. Размеры сеточной области составили 110 блоков по оси X и 90 блоков по оси Y. Природная гидрогеологическая система схематизировалась в виде гидравлически связанной системы горизонтов (Шестаков В. М.,1995, Гавич И. К, 1980). Ряд мелких отдельных водоносных горизонтов объединялся в расчетный комплекс.
Таким образом, модель состоит из одного расчетного аллювиального водоносного горизонта, одного расчетного водоносного комплекса и 2-х вспомогательных слоев - «Зоны аэрации» и «Поверхностных вод». Слой «Зона аэрации» предназначен для задания на модели инфильтрационного питания, слой «Поверхностные воды» - для моделирования условий взаимодействия поверхностных и подземных вод. Для каждого вспомогательного слоя, расчетных горизонта и комплекса задан соответствующий набор характеристик (параметров).
В соответствии с гидрогеологической стратификацией для данного региона выделяются следующие расчетные водоносные горизонты и комплексы: и их названия 2. Нижний водоносный комплекс, включающий палеоген-нижнечетвертичный аллювиальный горизонт (Ancient Alluvium) и комплекс трещиноватых пород пермь-мелового возраста (рис.3-2).
Верхний горизонт моделируется как безнапорный с постоянным коэффициентом фильтрации. Нижний комплекс - напорный с постоянной проводимостью.
Питание подземных вод осуществляется, в основном, за счет атмосферных осадков и, в меньшей степени, за счет потерь поверхностного стока из временных водотоков в период интенсивного выпадения осадков, носящих преимущественно ливневый характер. В естественных условиях разгрузка подземных вод в прибрежной части рассматриваемой территории осуществляется в Оманский залив и путем испарения с поверхности подземных вод в местах неглубокого залегания их уровня, а в горной части территории - в виде родников.
Региональный поток подземных вод направлен с горной (южной) части территории на север, к Оманскому заливу. Местная конфигурация потока в горной части зависит от геолого-структурного строения.
Инфильтрационное питание подземных вод на верхней границе модели задавалось граничным условием И-го рода (Q = const). Доля суммарного количества осадков, идущих на инфильтрационное питание подземных вод, по проводившимся балансовым оценкам (Министерство водных ресурсов, MWR, 1995 и 2001; компании BRGM и ЛСА, 1986), составляет 2-4 % - в прибрежной части и от 20 до 40% - для горной части исследуемой территории (табл. 3-1). Всего было выделено 6 водосборных бассейнов, которые в свою очередь, делятся на 2 части: южная горная и северная прибрежная. Для каждого водосборного бассейна задана среднемноголетняя величина питания (рис.З-З).Как видно из рисунка, минимальные значения на питание 2 мм/год приурочены к западным прибрежным частям территории, а максимальные 54 мм/год - к горным частям.
Оценка качества подземных вод
Интрузия в районе Юго-Восточная Батина в разных водосборных бассейнах наблюдается по-разному в разные годы. В 1973г она почти не происходила или бьша очень несущественной (максимальная величина составляла 0,7 млн. м /год в водосборном бассейне Тао). Анализируя графики на рис. 4-6, можно четко выделить два момента времени проникновения морских вод в водоносный горизонт. Первый период (1973-1987гг), когда интрузия внедрялась постепенно во всех водосборных бассейнах, кроме бассейна Банигафар. Заметное ее увеличение наблюдалось в водосборных бассейнах Тао (в 1987г 10,6 млн. м /год) и Маавил (в том же году 3,9 млн. м /год). Второй период (1988-1999гг) характерен резким повышением водоотбора подземных вод в восточной части района именно в водосборных бассейнах Тао, Маавил и Банихарус. Как следствие этого, интрузия в этих бассейнах шла очень быстро и достигала 20 млн. м в 1999г в бассейнах Тао и Маавил. В остальных бассейнах увеличение происходило в меньшей степени. Таким образом, морская интрузия продвигалась с востока, где имел место максимальный водоотбор, на запад с минимумом водоотбора.
Обычно при оценке качества питьевой воды основным критерием является химический и бактериальный состав воды, а также наличие или отсутствие в ней следов антропогенного загрязнения. Во многих странах для питьевого водоснабжения используются подземные воды, как более защищенные от этого загрязнения. Однако далеко не всякая пресная подземная вода может использоваться для питья, так как содержание в ней микрокомпонентов естественного происхождения может превышать установленные предельно допустимые концентрации (ПДК). Понятие о ПДК (по токсикологическим признакам) базируется на представлении о том, что существуют дозы (концентрации), в которых вещество не будет оказывать вредного действия на организм человека. С другой стороны, благодаря наличию микроэлементов, питьевая вода может быть не просто пригодной для питья, но и полезной. При определенном микрокомпонентном составе питьевые воды могут использоваться в профилактических и лечебных целях.
В последнее время в связи с широким развитием бутылирования питьевых вод, а также развитием химико-аналитической базы значительно повысился интерес к содержанию микроэлементов в маломинерализованных питьевых водах. Сейчас в пресных подземных водах на современном аналитическом оборудовании количественно определяется около 80 химических элементов, при этом уровни их концентраций могут изменяться от десятков миллиграммов до тысячных долей микрограмма в литре. Гидрогеологам, получающим из химической лаборатории результаты анализа, необходимо иметь научно-обоснованные критерии отбора тех элементов, на которые следует обратить внимание, а какие в дальнейших исследованиях можно не учитывать. Традиционно основным критерием оценки качества воды является ПДК. Элементы, содержащиеся в концентрациях ниже ПДК, обычно не учитывались при характеристике данной воды (Барвиш М.В., Шварц А.А.,2000). Такой подход представляется неправомерным по следующим причинам: 1) ПДК установлены не для всех элементов; 2) не учитываются все потребительские свойства воды.
В настоящее время накоплен обширный материал о миграции химических элементов по различным биологическим цепочкам, об уровнях всасывания, распределения, кинетике накопления и выведения их из организма человека. Появились новые исследования биологов и медиков, подтвердивших отрицательную роль низких значений в пищевом рационе ряда элементов. В первую очередь к ним относятся кальций, магний, калий, фтор, йод, железо, медь, марганец, кобальт, цинк, молибден, селен, никель, мышьяк и бром. Степень влияния на человека низких концентраций в питьевой воде перечисленных элементов неодинакова, поскольку различна их доля поступления в организм с водой и пищей. В ряде публикаций приведены рекомендуемые минимальные концентрации в питьевой води таких компонентов, как Са, Mg, НСОз, F. Однако представляется, что весь микроэлементный состав природных маломинерализованных вод требует рассмотрения для оценки их качества.
Чтобы определить содержание, начиная с которого элементы, входящие в состав данной воды необходимо учитывать при ее характеристике, Барвиш и Шварц предлагают ввести термин "биологически значимая концентрация" (БЗК). Это концентрация, при которой поступление элемента в организм с водой может сказываться на общем микроэлементом балансе человека.
