Содержание к диссертации
Введение
1. Методика исследований 8
2. Осадконакопление в Каспийском морском бассейне в плейстоцене 11
2.1. Источники, пути поступления осадочного материала и факторы седиментогенеза 11
2.2. Характер и закономерности накопления терригенных, карбонатных и биогенных осадков и распределение в них химических элементов 16
2.3. Постседиментационные изменения морских осадков и поровых вод... 31
2.4. Этапы развития Каспийского морского бассейна в плейстоцене 35
3. Характеристика водоносного комплекса плейстоцена 42
4. Характеристика и формирование геофильтрационной среды водоносного комплекса плейстоцена 54
4.1. Типизация пород по лито-генетическому принципу 54
4.2. Типизация водоносного комплекса по литолого-геофильтрационному строению 66
4.3. Районирование территории водоносного комплекса по литолого-геофильтрационному строению 76
5. Формирование химического состава подземных вод водоносного комплекса плейстоцена в естественных условиях 77
5.1. Характеристика химического состава подземных вод и гидрогеохимические закономерности 77
5.2. Формирование химического состава подземных вод. Источники, факторы, процессы 88
6. Формирование подземных вод плейстоцена в техногенных условиях Астраханского Газового Комплекса 100
6.1. Характер техногенного воздействия и компоненты-загрязнители 100
6.2. Техногенные изменения в водоносном комплексе плейстоцена 104
7. Моделирование с целью количественной оценки балансовых, гидрогеодинамических и гидрогеохимических характеристик в природных и техногенных условиях 109
Заключение 129
- Характер и закономерности накопления терригенных, карбонатных и биогенных осадков и распределение в них химических элементов
- Типизация водоносного комплекса по литолого-геофильтрационному строению
- Формирование химического состава подземных вод. Источники, факторы, процессы
- Техногенные изменения в водоносном комплексе плейстоцена
Введение к работе
Актуальность проблемы обусловлена острой необходимостью выявления и оценки негативных процессов в природных средах территории Северного Прикаспия в связи с эксплуатацией Астраханского газового комплекса (АГК) и перспективностью на нефтегазовые месторождения в целом. В начальный период эксплуатации АГК (конец 80-х годов) основное внимание уделялось проблеме загрязнения речных вод как единственного источника водоснабжения. Подземные воды изучались в связи с этой проблемой. Однако задача установления формирования подземных вод для ее решения не ставилась; для этого не было ни достаточных фактических данных, ни обоснованного подхода. В результате геологических, гидрогеологических, инженерно-геологических съемочных работ (охвачена территория площадью около 1600 км2) были получены общие сведения о подземных водах. Литературные данные характеризуют изучаемые подземные воды на уровне общих представлений. Особое внимание требуется к изучению подземных вод с позиций контроля и управления их техногенными трансформациями, поскольку они могут поставлять загрязнения от промышленных объектов в поверхностные воды, являющиеся единственными источниками водоснабжения Северного Прикаспия и имеющие огромное значение для рыбного хозяйства. Подземные воды территории существенно минерализованы и для водоснабжения не пригодны.
Водоносный комплекс плейстоцена отличается сложностью строения, выражающейся в существенной литологической, геофильтрационной, гидрогеохимической и др. неоднородности. Его отличает значительная мощность отложений, формирование в течение исторического этапа в специфичных условиях, гидравлическая обособленность от залегающих ниже элементов гидрогеологического разреза, тесная (местами затрудненная) гидравлическая взаимосвязь водоносных слоев, общий характер движения и изменения химического состава подземных вод и т.д.
Водоносный комплекс плейстоцена, являясь составляющей новейшего гидрогеологического этажа, отличается приоритетом экзогенных факторов формирования: климатического, геоморфологического факторов, существенностью роли геологического строения и значительной литолого-фациальной неоднородности отложений.
Требуется значительное развитие представлений в направлении качественной и особенно количественной интерпретации сложной картины распреде-
ления напоров и концентраций химических элементов в подземных водах в естественных условиях и при техногенном воздействии.
Решение гидрогеоэкологических вопросов включается в работу в связи с необходимостью оценки загрязнения подземных и, главное, поверхностных вод. Причем для этого применен аппарат математического моделирования, один из самых трудоемких и требующий самого серьезного теоретического обоснования. Из-за более низкой минерализации (относительно природных вод) подавляющего большинства стоков АГК при их утечках происходит уменьшение минерализации в подземных водах. Этот факт заставляет усомниться в обоснованности постановки проблемы загрязнения. Однако стоки АГК содержат много опасных загрязнителей, прежде всего микрокомпонентов (Sr, Cd, Hg), вредных органических веществ и т.д., причем в значительных концентрациях. Поэтому проблема загрязнения весьма актуальна. Моделированием осуществляется решение задачи установления потенциальной способности подземного потока переносить компоненты-загрязнители в реки.
Целью работы является исследование формирования подземных вод плейстоцена в природно-техногенных условиях Северного Прикаспия на примере Астраханского газового комплекса.
Основные задачи исследования:
выявление генетически обусловленных механизмов и факторов формирования геофильтрационной среды водоносного комплекса, его строения с позиций гидрогеодинамических и гидрохимических закономерностей;
установление формирования химического состава подземных вод в естественных и техногенных условиях по натурным и модельным данным;
разработка математической модели геофильтрации и геомиграции в целях количественной оценки интенсивности водообмена в природных и техногенных условиях;
4\ обоснование факторов формирования подземных вод и характера водообмена с оценкой элементов балансовой структуры в естественных и техногенных условиях.
Фактический материал и методика исследований.
Работа выполнена по материалам исследований, проведенных лично автором в период 1989-1999г и при его участии в качестве сотрудника Астраханской партии НИЧ Геологического факультета МГУ в связи с договорными работами с РАО ГАЗПРОМ, по межотраслевой программе "Экология". При их выполнении были получены в большом объеме фактические данные о подземных водах (хи-
мическому составу, микро-, макрокомпонентам, рН, Eh и т.д.), о породах (лито-логическому, гранулометрическому составу, минералого-геохимическим и многим другим характеристикам), о геофильтрационных, гидрогеохимических и др. характеристиках водоносного комплекса плейстоцена. Также были использованы данные гидрогеологических и инженерно-геологических съемок территории АГК (И.К. Акуз, Л.Ф. Кривко, А.Е. Лютницкий), фондовые данные, данные ТИ-СИЗа, ГИПРОВОДХОЗа и др., литературные данные.
Основы методики обработки и интерпретации информации - содержательный естественноисторический анализ факторов и процессов формирования геофильтрационной среды, структуры баланса и химического состава подземных вод плейстоцена, базирующихся на принципах комплексности, системности, историчности, унифицированности. В этом подходе используются методы генетического классифицирования, картирования и районирования, математического (прогнозного и эпигнозного) моделирования, статистические и расчетно-аналитические методы.
Научная новизна.
Разработка методики обработки и интерпретации фактических данных для решения поставленных задач.
Разработан подход к схематизации строения водоносного комплекса: методики типизации пород по лотогенетическому признаку, лито-геофильтрационному строению водоносного комплекса;
Систематизированы источники, факторы и закономерности седименто-генеза в Каспийском бассейне в плейстоцене, пути постседиментационных изменений осадков и поровых вод;
Установлена литологическая, геофильтрационная, гидрогеохимическая неоднородность, их генетическая взаимосвязь;
Выявлены показатели, позволяющие идентифицировать условия формирования отложений и механизмы формирования литологической неоднородности. Найдены гранулометрические фракции, содержание которых определяет фильтрационные, емкостные и гидрогеохимические характеристики пород, их взаимосвязь с мощностью водоносных пластов, обусловленная особенностями распределения осадочного материала в процессе формирования пород, составляющих пласты.
Выявлены показатели, идентифицирующие глубины залегания отложений трансгрессивно-регрессивных циклов плейстоцена и на этой основе в пределах водоносного комплекса выделены водоносные и слабопроницаемые пласты;
Осуществлена типизация и районирование водоносного комплекса по литолого-геофильтрационному строению;
На основе полученных закономерностей взаимосвязи проводимости и мощности пластов составлены карты проводимости.
Выявлены и систематизированы компоненты-загрязнители от наземных объектов АГК, определены процессы загрязнения ими подземных вод;
10. Разработаны геофильтрационная и геомиграционная модели, получены
геофильтрационные параметры, количественно оценены элементы баланса под
земных вод (расход транзитного потока, интенсивность инфильтрации-испаре
ния) и интенсивность водообмена в естественных и техногенных условиях.
Практическая значимость работы. Доказаны теоретическими проработками о характере гидрогеодинамических условий водоносного комплекса плейстоцена и основанном на них моделировании невозможность переноса подземными водами компонентов-загрязнителей от АГК в реки вследствие очень существенного превышения времени движения подземного потока над реальными сроками эксплуатации комплекса [7].
На основании типизации водоносного комплекса плейстоцена по литолого-геофильтрационному строению и гидрогеоэкологическому картированию на территории АГК выделены районы техногенного формирования подземных вод в достоверных границах.
На территории АГК при участии автора АстраханьНИПИГАЗом и партией кафедры гидрогеологии в 1980-х годах прошлого столетия организован, а в дальнейшем подлежал оптимизации гидрогеоэкологический мониторинг [31].
Обоснована и разработана структура дренажной системы на объектах АГК [35].
Даны на основе математического моделирования прогнозные решения по гидрогеоэкологическим проблемам: трансформации состава речных вод вследствие изменения уровня воды в Каспийском море, в результате изменения режима эксплуатации и переработки сырья на АГК и др. [32,33,36].
Защищаемые положения.
1. Водоносный комплекс плейстоцена представлен отложениями четырех трансгрессивно-регрессивных этапов, образующими в разрезе и плане всего водоносного комплекса невыдержанные по простиранию различные по мощности и количеству водоносные и слабопроницаемые пласты, характеризующиеся большим литологическим (от песков до глин) разнообразием. Их формирование происходило на каждом из четырех этапов плейстоцена в относительно неглубо-
ководном (до 100 м) море при нарушенной (относительно стандартных условий) механической дифференциации осадочного материала-, под влиянием особенностей нарушенной дифференциации, таких как степень дифференциации, связанная с интенсивностью стокового течения крупной реки и др., происходило разграничение осадков по гранулометрическому составу. В результате определились лигогенетические типы пород: песчаные типы - пески и супеси, глинистые - суглинки, легкие глины, средние глины и тяжелые глины.
Подземные воды водоносного комплекса плейстоцена в естественных условиях сформировались при чрезвычайно низких скоростях фильтрации в геологическое время, оцениваемое первыми тысячелетиями, в отсутствие полного цикла водообмена в обстановке режима близкого к застойному. Это определило сохранность в пределах водоносного комплекса до настоящего времени седи-ментационных морских вод.
Химический состав подземных вод водоносного комплекса плейстоцена унаследован от морских вод бассейна седиментации. Увеличенная минерализация подземных вод сформировалась на этапах диагенеза в результате отжима поровых вод и при литогенезе вследствие перехода из пород ионно-солевого морского комплекса. Геофильтрационная неоднородность комплекса определила его существенную гидрогеохимическую неоднородность.
Формирование подземных вод в техногенных условиях определено их низкими скоростями. В связи с этим, загрязненные подземные воды могут достичь поверхностных вод только через тысячелетия.
Апробация работы. Основные результаты доложены на конференциях молодых ученых геологического факультета МГУ (1993-1995г), на межрегиональной и международной конференциях (Астрахань, 1993,1995г), на международном симпозиуме "Подземный сток в прибрежной зоне" (Москва, 1996г), в школе-семинаре "эколого-гидрогеологические и гидрологические исследования природно-техногенных систем в районах газовых и газоконденсатных месторождений" (Астрахань, 1998г). Участвовала: в разработке методического руководства по созданию экологического мониторинга за гидрогеологическими и гидрологическими условиями в районах разработки месторождений газовой промышленности (Москва, 1993г); в составлении ОВОСа (Москва, 1996г). Результаты работы использованы в учебном процессе на кафедре гидрогеологии МГУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе в соавторстве, две работы - в печати (издание Вестник МГУ).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения, изложенных на 137 страницах машинописного текста, включая 25 таблиц и 23 рисунка. Список использованной литературы содержит 67 наименований.
Благодарности. Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность за весьма внимательное и чуткое отношение, помощь и в высшей степени профессиональное научное руководство доктору геолого-минералогических наук, профессору Кларе Ефимовне Питьевой и доктору геолого-минералогических наук, профессору Алексею Владимировичу Лехову. Автор очень признателен за консультации кандидату химических наук С.А. Брусиловскому. Благодарности руководству и сотрудникам АстраханьНИПИГАЗа и ГАЗПРОМа О.И. Серебрякову, Г.А. Циху, В.П. Спирину, Г.В. Кутлусуриной, Т. Бессарабовой и др. за предоставленную возможность получения информации. Автор выражает искреннюю благодарность за поддержку зав. кафедрой гидрогеологии, доктору геолого-минералогических наук, профессору В.А. Всеволожскому, коллективу кафедры гидрогеологии за ценные замечания при обсуждении и помощь при оформлении работы.
1. Методика исследований
В основу методики исследований положен содержательный естественнои-сторический анализ условий и процессов формирования подземных вод плейстоцена, имевших место в водоносном комплексе на протяжении геологического времени начиная от "момента" накопления морских осадков, позднее преобразованных в его породы, до гидрогеологической обстановки современности.
Только такой подход в специфических природно-техногенных условиях объекта исследований позволяет достоверно установить формирование: геофильтрационной среды водоносного комплекса, балансовой структуры подземного потока и химического состава подземных вод.
Анализ базируется на принципах комплексности, системности, историчности, унифицированности. Он включает методы: генетического классифицирования, картирования и районирования; статистические, расчетно-аналитические, математическое моделирование и т.д.
Основные получаемые характеристические результаты:
- оценка гидрогеологических обстановок в границах, максимально приближенных к реальным границам;
выявление главных природных и "наложенных" техногенных факторов формирования подземных вод;
пространственное разграничение подземных вод на воды, формирующиеся в природных и техногенных условиях;
Исследования по данной методике носят прогнозный характер, обуславливают рациональную постановку мониторинга за подземными водами и связанными с ними средами. Для техногенных условий они обеспечивают разработку экономически выигрышных охранных и защитных мероприятий.
Комплексный характер методики исследований, прежде всего, вытекает из понятия о подземной воде, как о системе, характеризующейся: а)- единством и взаимообусловленностью химических и динамических свойств, определяемых геохимическими и структурными особенностями самой подземной воды, а также вмещающих и окружающих ее сред; б)- чувствительностью к практически любому техногенному воздействию; в)- высокой подвижностью.
Комплексность выражается, главным образом, в исследовании максимально возможного числа свойств подземных вод и влияющих на них факторов, в сочетании натурных и модельных исследований.
Методика унифицирована, так как является единой относительно разнообразия геолого-гидрогеологических обстановок, ландшафтно-климатических условий, природных и техногенных условий и др.
Принцип историчности [26], в крупном плане, заключается в рассмотрении формирования геофильтрационной среды и подземных вод водоносного комплекса, начиная с условий осадконакопления в Каспийском морском бассейне.
Системность методики [9] предполагает рассмотрение подземных вод во взаимосвязи с окружающими средами (породами, зоной аэрации, атмосферой, поверхностными водами и проч.) в природной иерархии систем.
Примеры методик систематизации:
выполнение типизации и районирования территории исследования по литолого-геофильтрационному строению водоносного комплекса на основе установления различий формирования его отложений [6];
выполнение гидрогеохимического картирования и районирования территории на основе генетического гидрогеохимического классифицирования и т.д.
Особенность приема гидрогеохимического классифицирования заключается в следующем [30]. Гидрогеохимическое классифицирование - логическое подразделение подземных вод на группы, характеризующиеся одновременно ин-
тервалами минерализации и конкретным компонентным составом в пределах выделенных интервалов. Это обеспечивается методикой классифицирования, основой которой является сочетание статистических приемов с количественными критериями.
При классифицировании массива данных строится график зависимости распределения компонентов и минерализации; минерализацию (в г/л) откладывают по оси абсцисс, концентрации компонентов (в экв-%/л) - по оси ординат. Линией, проведенной параллельно оси абсцисс и соответствующей 10%-экв/л оси ординат, "отсекаются" ионы с содержанием в воде более 10%-экв/л, которые образуют гидрогеохимические группы. Диапазоны минерализации для групп устанавливаются по точкам пересечения кривых распределения компонентов с горизонтальной линией, соответствующей 10%-экв/л.
В случае естественного формирования компонентов в водах, характер их распределения на классификационном графике соответствует природным условиям рассматриваемой территории; в случае техногенного формирования распределение каждого из компонентов фиксируется двумя кривыми, одна из которых соответствует природным, вторая - техногенным условиям.
Картирование осуществляется по результатам классифицирования. Отражается пространственное положение вод различного состава, качества, генезиса, выявленных посредством классифицирования.
Для приближенной оценки процессов водообмена и главных составляющих балансовой структуры подземных вод осуществлена идентификация геофильтрационной и геомиграционной модели [4,5,7]. Они удовлетворяют важнейшим критериям оптимальности - адекватности (в рамках поставленной цели) и практической реализуемости [8,59,63]. Процесс построения модели является одним из самых трудоемких и требующих самого серьезного теоретического обоснования. Его базой является всесторонне обоснованная естественноистори-ческим анализом комплексная, качественная модель формирования (геофильтрационной среды водоносного комплекса, балансовой структуры подземного потока и химического состава подземных вод) в естественных и техногенных условиях.
Аппарат математического моделирования применен и для решения гидрогеоэкологических вопросов (оценки загрязнения подземных и, главное, поверхностных вод). Моделированием осуществляется оценка потенциальной способности подземного потока переносить компоненты-загрязнители в реки.
При систематизации основных закономерностей осадконакопления в водоносном комплексе плейстоцена методика исследований определяется следующим.
Необходимостью обоснования применения метода актуализма, выяснения ответа на вопрос распространяются ли закономерности современного осадконакопления на весь плейстоцен.
Необходимостью поиска критериев для обоснованного установления условий формирования изучаемых отложений, механизмов формирования лито-логической неоднородности пород и литолого-геофильтрационного строения водоносного комплекса, поиска критериев расчленения гидрогеологического разреза. Необходимостью интерпретации сложного характера распределения напоров водоносных пластов, минерализации и изменчивости химического состава подземных вод.
В ходе анализа проводилось сопоставление литературных данных и имеющегося фактического материала по территории исследования, анализ колебания уровня Каспия в плейстоцене, палеогеографических данных и т.д.
Таким образом, выше рассмотрены основные моменты, представляющие общую методическую направленность исследований. Подробное представление конкретных методических приемов приведено в соответствующих разделах работы.
2. Осадконакопление в Каспийском морском бассейне в плейстоцене
Характер и закономерности накопления терригенных, карбонатных и биогенных осадков и распределение в них химических элементов
Основные вещественно-генетические типы осадков Каспийского моря -терригенные, биогенные, хемогенные. В числе терригенных распространены песчаные, алевритовые и глинистые осадки широкого диапазона крупности. Биогенные осадки представлены в основном ракушняками. Хемогенные осадки - карбонатными (СаС03)осадками: оолитовыми песками и карбонатно-глинистыми илами. Осадконакопление в Каспийском море, как в слабоминерализованном морском бассейне аридной зоны, отличается огромными массами осадочного материала и очень высокой скоростью (на 2-3 порядка превышающей таковую для аридных областей и на порядок - гумидных) [54]. Весьма сложен процесс механической седиментации. Как у типичного представителя водоёмов котловинного типа [42], основная масса осадков аккумулируется в области шельфа, а глубоководным впадинам соответствует минимум осадконакопления [17]. В общем и целом, выявлено наличие двух гипсометрических уровней-максимумов абсолютных масс осадков, поясов лавинной седиментации А.П.Лисицина [19,54]: 1)-болыней части шельфа и 2)-основания материкового склона. Им соответствуют два уровня размыва пород дна: 1)- верхней части шельфа и 2)- бровки шельфа и материкового склона. Первый связан с активной деятельностью движущейся водной массы - волнения и течений. Второй - с повышенной подвижностью придонных вод при резком увеличении глубин в зоне шельфа и с гравитационным перемещением осадочного материала.
В пределах мелководья Северного Каспия также выявлены области интенсивного осадконакопления - это приустьевые области (авандельты) рек Волги, Урала, Терека и т. д. На "продолжении" русел, общие абсолютные массы донных осадков составляют более 200 мг/см , в то время как на остальной его части - от 100 до 200 мг/см2 [54]. Увеличение абсолютных масс осадков в общем случае также наблюдается на участках тектонических и эрозионных понижений (на поднятиях осадконакопление минимальное), однако на шельфе Северного Каспия не редки скопления песчано-ракушечного осадочного материала, приуроченные к положительным элементам рельефа - островам, банкам и др. Основные литологические типы донных осадков и их распределение. Осадки Каспийского моря часто отличаются полигенетичностью, пересечением ареалов распространения различных генетических типов и существенной изменчивостью вещественного состава по площади и в разрезе в связи со сложностью и многообразием условий осадконакопления. Поэтому полигенные осадки не описываются самостоятельно, здесь их характеристика проводится совместно с терригенными осадками. Характеристика вещественного состава осадков опирается на визуальные определения и данные анализа гранулометрического и химического состава [2,3,14,42,45,53,54].
Пески - типичные терригенные образования, связанные с речным стоком и эоловыми наносами. Минеральные зёрна, представленные кварцем, реже полевыми шпатами и обломками горных пород, в целом хорошо окатаны, поверхность блестящая или матовая, местами со следами штриховки. Пески содержат примеси (до 50%) алевритовых и пелитовых частиц, галечный и гравийный материал. Часто содержат карбонатный материал в виде ракушечного детрита и лепёшковидных форм. По цвету пески чаще серые, с зеленоватым оттенком (за счёт глауконита, хлорита, амфиболов и эпидота), с буроватым оттенком и бурые (за счёт тонкой плёнки гидрата окиси железа), с желтоватым оттенком и желтые (выветрелые). По гранулометрическому составу пески крупно- средне- и мелкозернистые с преобладанием последних. В зависимости от содержания раковистого материала (изменяющегося от 0 до 60-70%), у слабо - и сильнораковистых песков средний диаметр частиц изменяется от 0,20 до 0,64 мм соответственно. Гранулометрический график двухвершинный: первый максимум, связанный с накоплением раковин приходится на фракцию 1мм, второй, определяемый размером терригенных частиц - на фракцию 0,5-0,25 или 0,25-0,1мм.
Распространены пески преимущественно на территории Северного Каспия, а также вдоль восточного и западного побережья - в наиболее мелководной зоне на глубинах от 0 до 200м в зависимости от положения источника песчаного материала, объемов его поступления, действия волнения и течений, геоморфологии дна и т.д. Оолитовые пески, на 80-90% составленные хемогенными карбонатными образованиями - оолитами, широко распространены в пределах Ман-гышлакского порога, западного и восточного шельфа. Алевриты - широко распространённые и разнообразные по вещественному составу осадочные образования. Подразделяются на крупные и мелкие. Крупные алевриты - наиболее распространённые осадки относительно мелководной зоны: Северного Каспия (на глубинах 2-10м), западного шельфа (на глубинах 15-200м) и восточного шельфа (на глубинах 60-100(150)м). В целом они располагаются гипсометрически ниже песков. Крупные алевриты, преимущественно серые, темно- и зеленовато-серые, черные осадки, визуально напоминающие пески, но лучше сцементированные (цемент карбонатно-глинистый), подразделяются на: 1)- типичные, хорошо отсортированные, с преобладанием фракции 0,1-0,05мм и терригенного материала по минералогическому составу представленного кварцем, реже полевыми шпатами и глауконитом; 2)- с повышенным (до 50%) содержанием песчаного и карбонатного материала, который представлен раковинами моллюсков, их детритом, а также лепёшковидными образованиями, реже ромбоэдрами, в Западной части Мангышлакского порога - корками цементации, состоящими из скоплений сферолитов, сцементированных пелитоморфным кальцитом, и оолитами, здесь также часто встречаются силикатные осадки (панцири диатомей и раковины фо-раминифер);3)- содержащие мелкие алевриты (50%). В пределах Северного Каспия (образцы с глубин 2-Юм) выделено несколько групп осадков по мере удаления от источников поступления осадочного материала (табл. 2).
Типизация водоносного комплекса по литолого-геофильтрационному строению
Как уже неоднократно говорилось, отложения плейстоцена отличаются существенной неоднородностью, сложным характером распределения в пространстве выделенных литолого-генетических типов песчаных и глинистых пород (см. раздел 4.1). Рассмотрение особенностей современного седиментогенеза и исторический анализ позволили установить основную генетическую причину неоднородности отложений всех этапов плейстоцена исследуемой территории - формирование в относительно неглубоководных морских условиях и авандельте с частым нарушением закономерностей механической дифференциации терригенного материала в процессе осадконакопления. При значимой индивидуальности состава и свойств пород лито-генетических типов, распределение последних в разрезе водоносного комплекса не подчиняется стандартным закономерностям. Оно неоднородно, так как в пределах отложений каждого из трансгрессивно-регрессивных этапов и водоносного комплекса в целом породы типов не образуют выдержанных водоносных и слабопроницаемых пластов. Мощность пластов изменяется от 0 до 15м в зависимости от степени нарушения механической дифференциации при накоплении осадков. В истории плейстоцена известно 4 основных этапа осадконакопления [49,50]. Для территории исследования установлено, что при накоплении отложений каждого из этапов происходило различной степени нарушение механической дифференциации осадков. В разрезе плейстоцена отложения этапов накладывались друг на друга. В итоге на различных участках территории сформировалось различное количество пластов различной мощности, представленных теми или другими литолого-генетическими типами. Их границы в разрезе часто не совпадают со стратиграфическими границами этапов плейстоцена (рис. 7). Главные задачи в связи с типизацией водоносного комплекса по геофильтрационному строению: 1)- выделение в разрезе комплекса водоносных и слабопроницаемых пластов; 2)- характеристика пластов по геофильтрационным и другим показателям. Основой их решения является литогенетическая типизация и положения о характере осадконакопления в плейстоцене. Поскольку границы водоносных и слабопроницаемых пластов не совпадают со стратиграфическими, для выделения первых необходимо установление стратиграфических границ этапов плейстоцена для территории исследования.
Стратиграфические границы установлены по следующим критериям: продолжительности этапов и связанной с нею мощностью отложений, следам континентального развития (остаткам корневой системы растений), идентифицированным по ряду скважин на глубинах 10-15м и по единичным скважинам на глубине 30м. Привлекался комплекс косвенных признаков: в целом меньшее содержание мелких глинистых фракций в глинистых отложениях, большее литологи-ческое разнообразие, преобладание желтых, коричневых и бурых оттенков в отложениях верхнего плейстоцена и др. В итоге установлено, что на отложениях нижнего плейстоцена залегают песчано-глинистые "пачки": 1) палеосингильские, 2) сингильские, 3) косожские, среднего плейстоцена на глубинах около 70-50, 50-30, 30-15м соответственно и 4) верхнехазарские, нижне- и верхнехвалынские верхнего плейстоцена от 5-15м и выше (рис. 8). На основании этого изучаемый водоносный комплекс сложного строения, весьма неоднородный в лито-генетическом отношении "преобразуется" в пластовую систему. А именно, региональным водоупором является слабопроницаемая (повсеместно распространенная в районе исследования) толща палеосин-гильских преимущественно глинистых отложений среднего плейстоцена.
Каждая из залегающих выше по разрезу песчано-глинистых "пачек" составлена из песчаных и глинистых пород в различном соотношении по мощности (вплоть до полного "вытеснения" одних другими). Накопление каждой происходило с нарушением механической дифференциации и с изменениями вещественного состава стока. То есть, в пределах каждой из этих "пачек" выделяются водоносный и слабопроницаемый пласты, которые в дальнейшем характеризуются различной мощностью и параметрами внутреннего строения (проводимостью, пористостью и др.). Выделено три следующих водоносных пласта (сверху вниз): хвалынских отложений верхнего плейстоцена (1), хазарских отложений среднего плейстоцена: косожских (2) и сингальских (3). Водоносные пласты представлены лшогенетическими типами песков, слабопроницаемые - литогенетическими типами глин. Таким образом, выделены конкретные пласты, представленные определенными литогенетическими типами пород с конкретной характеристикой по мощности, границы которых не совпадают с границами этапов плейстоцена. Все сказанное выше отражено на схеме гидрогеологической стратификации изучаемого водоносного комплекса (рис. 8). Типизация строения водоносного комплекса проведена следующим образом. Основные признаки типизации (табл. 12, рис. 8, 9) - это: тип, в который объединяются элементы разреза с единством условий формирования (тип I, сформированный при практически ненарушенной механической дифференциации, с однопластовым строением и тип II, сформированный при нарушенной механической дифференциации, с двухпластовым строением); подтип первого порядка в пределах типа II выделяется по мощности верхнего песчаного пласта (II. 1, II.2 и И.З); подтип второго порядка - по геофильтрационному строению, однородному (П. 1.1 и И.2.1) либо двуслойному (П. 1.2 и П.2.2); подтип первого порядка в пределах типа I выделяется по геофильтрационному строению, однородному (1.1) либо двуслойному (1.2).
Выделенные типы и подтипы водоносного комплекса характеризуются преобладанием определенных лито-генетических типов пород, что определяет различия внутреннего строения пластов (табл.13). Однопластовый тип строения характеризуется преобладанием мелкозернистого песка (80%) и наличием среднезернистого песка (10%), алевритистого и алевритово-илистого песка - 10%. В пределах двухпластового типа строения наблюдается тенденция уменьшения крупности песчаного материала верхнего водоносного пласта по мере уменьшения его мощности. Подтип II. 1 характеризуется наличием мелкозернистого и алевритистого песка в примерно равном соотношении, подтип II.2 - преобладанием алевритистого песка и присутствием чистого алеврита и алевритов песчанистых и илистых (10%), подтип И.З - значительной долей алевритового материала (37%) при преобладании мелкозернистых и алевритистых песков (63%). В соответствии с рассмотренными изменениями гранулометрического состава песчаных отложений составляющих типы изменяются фильтрационные и емкостные свойства пород водоносных пластов, полученные по данным лабораторных исследований [66]. Различие гранулометрического состава, характеристик влагоемкости и проницаемости пород, мощностей и проводимостей индивидуальных пластов определяется различиями транспортирующей способности стокового течения реки в процессе осадконакопления. Это доказывается наличием взаимосвязи рассматриваемых характеристик и мощности верхнего водоносного пласта. С уменьшением мощности от типа 1.1 к типу П.З увеличивается содержание фракций мелкозернистого песка (0,25-0,1мм) и алеврита (0,1-0,05, 0,05-0,01мм), увеличивается полная влагоемкость, максимальная молекулярная влагоёмкость, уменьшается коэффициент фильтрации пород (табл.13). Установлено, что наиболее резкие изменения вышеперечисленных характеристик происходят в связи с наличием среднезернистого песка (0,25-0,5мм) в пределах типа I, и вследствие появления алевритистого материала в пределах подтипов П.2 и И.З (соответственно 10% и 37%).
Формирование химического состава подземных вод. Источники, факторы, процессы
Выявленные и представленные выше гидрогеохимические закономерности указывают: 1) на единство процессов формирования подземных вод плейстоцена в целом; 2) на значительную роль в формировании состава вод седимен-тационных составляющих Каспийского бассейна; 3) на участие в формировании пресных и слабоминерализованных вод атмосферных факторов. В качестве основных источников компонентного состава подземных вод рассматриваются: инфильтрационные воды (атмосферных осадков и речных паводков), седиментационные воды и породы. Средний состав атмосферных осадков по многолетним данным в условиях естественного формирования: минерализация 0,16 г/л. НСО3+СО3 61; С1 15,7; S04 38; Ca 11,6; Mg 2,4; Na 32,9 мг/л; Ph 7,3 — 9,2. Микрокомпоненты в дождевых водах: (мг/л) Р 0,78 В 0,15 Zn, Мп 0,05 Си 0,004 Hg, Pb, Cd, Li 0,00005; в снеговых осадках : (мг/л) Zn 0,07 Мп, Р, Си 0,02 РЬ, В, Li 0,03 Cd, Hg 0,003. Речные воды на рассматриваемой территории сформировались за счет транзита вод из реки Волги. Их состав близок к составу вод р. Волги. Тем не менее, влияние минерализованного хлоридного типа подземных вод на состав речных вод четко фиксируется высоким процентным содержанием ( 10 %-экв/л от 100 %) во всех речных водах территории, а также р. Волги, хлорид-иона. В среднем минерализация речных вод на рассматриваемой территории 0, 34 г/л, содержание (мг/л; мг-экв%): НС03 + С03 128,1; 21,2; С1 - 53,0; 15; S04 - 56,1; 11,8 Са - 43,8; 22,1; Mg - 16,3; 13,5; Na - 32,9; 14,4; то есть воды гидрокарбонатно-хлоридно-сульфатные кальциево-магниево-натриевые; NH4- 0,3; NO3 - 0,4; NO2 -0,17 мг/л. Атмосферные осадки и речные воды поставляют в подземные воды преимущественно карбонатные анионы и катионы. Их роль ощутима в формировании состава подземных вод локального распространения главным образом в приречных условиях.
Инфильтрация паводковых вод в приречной области, очевидно, является сильнейшим условием ее опреснения. Встречающиеся здесь гидрогеохимические разрезы с некоторым увеличением засоленности вблизи свободной поверхности подземного потока (на 1-Зг/л) могут формироваться под влиянием, как испарения, так и литологической неоднородности пород. В периоды паводков уменьшается минерализация подземных вод и повышается содержание карбонатных соединений; в меженное время увеличивается минерализация подземных вод, а в компонентном составе преобладают хлориды и сульфаты, свойственные водам регионального распространения. Подземные воды приречных районов в целом, являются приблизительно в 10 раз более минерализованными по сравнению с речными и содержат приблизительно во столько же раз больше хлоридов и сульфатов. Пресные и слабоминерализованные воды на большей части территории исследования не имеют широкого распространения [65]. Они обычно приурочены к массивам эоловых песков, межбарханным понижениям, дефляционным котловинам, такырам, сухим руслам рек и прочим. Резкие температурные колебания воздуха в дневное и ночное время летом вызывают конденсацию водяных паров, что усиливает образование пресных и слабоминерализованных линзообразных подземных вод на участках развития барханов. Встречаются линзы двух типов: на частичном водоупоре и (совсем редко) типичные плавающие, характеризующиеся наиболее резким изменением минерализации (3-10 г/л), наименьшей собственной мощностью и мощностью переходной зоны.
Атмосферные осадки и речные воды участвуют в формировании состава подземных вод посредством смешения, сопровождающегося в случае недона-сыщения вод по карбонатным соединениям процессом углекислотного выщелачивания. Процессы углекислотного выщелачивания и смешения характерны, как следует из вышесказанного, для приречных областей и локально развиты на территории регионального распространения подземных вод. Их особенности: приуроченность к верхней части разреза; проникновение на большие глубины при однопластовом геофильтрационном строении водоносного комплекса. Смешению подвергаются атмосферные осадки и речные воды с минерализованными подземными водами ClS04NaMg состава. Смешением формируются воды пониженной минерализации с существенным процентом гидрокарбонатов в компонентном составе. Поступление гидрокарбонатов в воды смешения из пород посредством углекислотного выщелачивания количественно выражено слабо. Процесс смешения подтверждается следующим: 1) присутствием в составе пресных и слабоминерализованных вод (до 5 г/л) НСОз-иона - типичного компонента атмосферных осадков и речных вод -и С1 и S04 - типичных компонентов минерализованных вод регионального распространения - в концентрациях более 5 и 10экв%; 2) снижением концентрации НСОз и возрастание концентрации О и SO4 в водах при повышении их минерализации, что является результатом уменьшения интенсивности протекания процесса смешения. Так, воды с минерализацией до 1г/л имеют HC03ClS04CaMgNa состав; от 1 до 2г/л - ClS04HC03NaMgnCa состав; 3) низкими корреляционными связями (от -0,1 до 0,2) НСОз со всеми другими макрокомпонентами подземных вод при любом строении водоносного комплекса.
Седиментационные воды Каспийских бассейнов плейстоцена явились исходными для современных подземных вод. Путем анализа фактических натурных данных о составе современных подземных вод, составе и свойствах водо-вмещающих пород и о закономерностях осадконакопления в Каспийском бассейне получены ответы на вопросы: 1)- о значении седиментационных вод в формировании современных подземных вод; 2)- о трансформациях седиментационных вод в геологическом времени; 3)- с причинах сохранности морских вод до настоящего времени; 4)- о процессах и факторах формирования современного химического состава подземных вод. Представления об исходном составе подземных вод основаны на данных о солености вод морских бассейнов плейстоцена (см. раздел 4.4) и изменчивости современного состава морской воды Каспия в зависимости от степени влияния речного стока (см. раздел 4.1). Соленость вод Каспийского бассейна на протяжении большей части плейстоцена в среднем составляла около 13%о (6-17%о), т.е. была близка современной. Поэтому состав современной морской воды Каспия правомерно рассматривать в качестве природной модели состава исходных се-диментационных вод.
Сравнение химического состава седиментационных вод и наблюдаемого в настоящее время химического состава подземных вод регионального потока показывает: 1)- их принципиальную сходимость по компонентному составу -ClS04NaMg 2)- повышение минерализации подземных вод относительно таковой седиментационных вод в несколько раз за счет всех компонентов, по средним значениям от 5-1196о до 21-35г/л. Значительная роль седиментационных морских вод определяется их сохранностью, в трансформированном виде, в водоносном комплексе плейстоцена. Доказательства следующие: 1) соответствует компонентный состав: а) подземных вод регионального распространения - составу морских вод Каспийского бассейна в плейстоцене; б) вод регионального и локального распространения - составу водных вытяжек из глин и песков. 2) в водных вытяжках всех литологических разностей, как было показано выше (см. главу 5.1), высокая (до 1,5 г/л и более) минерализация, присутствуют солевые формы преимущественно морского генезиса - NaCl и КС1, значительно содержание форм смешанного генезиса - NaiSCv Содержание солевых форм преимущественно инфильтрационного генезиса (CaSC 4, СаСОз, CaMg(C03)2) невысокое.
Техногенные изменения в водоносном комплексе плейстоцена
Гидрогеологические условия территории исследования с началом разработки АГКМ претерпели различной степени изменения в результате действия техногенных факторов. Техногенные изменения, связанные с наземными источниками наиболее значительны и сосредоточены главным образом в верхней части разреза. Поэтому в настоящей работе действие подземных источников не рассматривается. Основные наземные источники техногенных изменений, связанные с ними основные виды техногенного воздействия и виды техногенных изменений рассмотрены выше. Там же приведены основные компоненты-загрязнители АГК, поступающие от наземных источников. Идентификация техногенного воздействия производится на основании изложенных выше представлений о естественных гидрогеологических условиях и путях техногенных трансформаций.
Фактически материалом являются данные режимных наблюдений за период 1987-1999г [67]. Рассматривается поведение в пространстве и времени комплекса гидрогеологических показателей путем построения режимных графиков, карт распространения показателей и карт разности значений показателей в естественных и техногенных условиях на различные моменты времени. Рассматриваются следующие показатели: значение напора, глубина залегания уровня, общая минерализация, концентрации макро- мезо- и микрокомпонентов, углеводородов, значения рН, Eh, температура подземных вод и др. Основные виды техногенного изменения на южной части территории АГК, где сосредоточено основное производство - это подтопление и уменьшение минерализации подземных вод, на участках максимального повышения уровня близкое к наблюдаемому в естественных условиях в приречной области, связанное с техногенной инфильтрацией. Это наиболее отчетливо прослеживается по режимным графикам напора и концентрации хлорид-иона (рис. 18). Другие гидрогеохимические показатели характеризуются сложным пространственно-временным распределением в связи с пространственно-временной неоднородностью техногенной инфильтрации. Однако область исследуемой территории, в пределах которой распространено это сложное пространственно-временное распределение четко идентифицируется и практически совпадает с областью техногенного повышения напора.
Формирование подтопления на АГК началось с середины 1986г. Максимальный подъем уровня подземных вод произошел в течение 1987-1989г. К середине 1991г. произошла относительная стабилизация уровней на новых глубинах залегания. Уровень подземных вод в центральных частях куполов подтопления (на АГПЗ и ЗПО) поднялся более чем на 5м. Глубина залегания подземных вод при этом уменьшилась от более 5м до менее 1м, то есть превысила критическую глубину испарения. Другими участками значительного подтопления стали КОС, ВОС ЕСР, водовод АГПЗ-ЕСР и др. Граница областей преимущественно техногенного и преимущественно естественного формирования подземных вод установлена по околонулевым изменениям уровня, глубины залегания, комплекса показателей химического состава подземных вод в разные периоды работы АГК по отношению к таковым в условиях естественного формирования, до пуска комплекса. До лета 1990г ее положение характеризовалось значительной изменчивостью, а с мая 1991 г - оставалось практически неизменным. Основные виды техногенной метаморфизации химического состава подземных вод на май 1991г. приведены в таблице 20.
Техногенное изменение химического состава подземных вод - трех типов. Оно определяется присутствием: А - высокоминерализованных слабокислых вод (табл. 19): Б - слабоминерализованных слабощелочных вод: В - минерализованных и околонейтральных вод. Помимо этого, техногенное влияние обнаружено по следующим концентрациям микрокомпонентов в подземных водах: фосфора - (0,01) 0,1- 1,0(6,0); бора - (0,01) 0,1- 5,0(23,0); марганца - (0,01) 0,1- 3,0(40,0); цинка - (0,01) 0,1- 2,0(50,0); свинца - 0,03-1,5(2,5); меди - 0,002-0,500(6,8); кадмия - 0,004-0,100(0,7) мг/л; ртути (по ограниченным данным) - 0,09-0,8( 1,6)мкг/л. Значения Eh в техногенных условиях понижаются до -100. Область техногенного воздействия идентифицируется по более низким значениям Eh: 100-300(400)мВ. Другим важнейшим критерием идентификации условий формирования подземных вод является гидрогеологический режим (рис. 18). Различной степени изменчивость значений напора и концентраций показателей химического состава во времени свидетельствует об участии в формировании баланса подземных вод (в различной степени) местного инфильтрационного питания: техногенного (утечки и проч.) и естественного (паводковыми водами). Практическое отсутствие изменчивости рассматриваемых показателей во времени свидетельствует о практическом отсутствии местного инфильтрационного питания и испарения в балансе подземных вод, характерном естественным условиям формирования. Различные виды режима (по значению напора и концентрации хлорид-иона), характеризующие различные условия формирования изучаемого подземного потока представлены на рисунке. Основные различия режима уровней и химических компонентов подземных вод областей естественного и техногенного формирования обусловлены различиями структуры баланса подземных вод, а именно различиями инфильтрационного питания: атмосферных осадков, речных вод и техногенных источников (рис. 18). Понимание формирования балансовой структуры подземных вод является необходимым условием количественной оценки и прогноза переноса подземным потоком загрязнителей от техногенных источников к рекам. Естественноисторическим анализом получена принципиальная структура баланса подземных вод в естественных и техногенных условиях. В естественных условиях регионального потока: Отранзита + О атмосферных осадков + ( перетекания - ( транзита - О испарения - ( перетекания = 0 В естественных условиях приречной области: ( транзита + ( атмосферных осадков + ( инфильтрации речных вод + ( перетека-ния - Отранзита - Оиспарения - Оперетекания = 0 В техногенных условиях: Отранзита + С?атмосферных осадков + ( техногенной инфильтрации + QnepeTe-кания - Отранзита - Оиспарения - Оперетекания = О Таким образом, различия структура баланса подземных вод определяются различиями источников инфильтрационного питания: атмосферных осадков, речных вод и техногенных источников. Количественная оценка представленных элементов баланса рассматривается в следующей главе. По условиям формирования многолетнего режима и структуры баланса подземных вод выделены типы естественного (I) и техногенного (II) формирования. Подтипы выделены по источнику инфильтрационного питания: атмосферными осадками (1.1), речными водами (1.2), техногенных источников максимальной (П.1), средней (И.2) и минимальной (II.3) интенсивности. Распределение подземных вод областей естественного и техногенного формирования в плане показано на схеме районирования (рис. 19).
