Геохимия подземных вод Приташкентского артезианского бассейна (Республика Узбекистан) Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Гусева Наталья Владимировна, Отакулова Юлия Александровна

Водные ресурсы играют значительную роль в экономическом развитии Ташкентской области Республики Узбекистан, подземные воды Приташкентского артезианского бассейна используются для питьевого водоснабжения городского и сельского населения, производственно-технических нужд и орошения земель. В этой связи, актуальными являются вопросы исследования особенностей формирования химического состава подземных вод Приташкентского артезианского бассейна для целей прогноза изменения их качества. Цель работы: исследование особенностей формирования химического состава подземных вод Ташкентской области с позиций анализа эволюционного развития системы вода-порода. Методы исследования: для комплексного исследования равновесия подземных вод с горными породами использованы методы равновесной термодинамики. Для определения химического состава подземных вод применялись классические методы анализа. Результаты: Исследованы особенности химического состава подземных вод Приташкентского артезианского бассейна. Выявлены закономерности поведения основных ионов с ростом минерализации. Изучение степени равновесия подземных вод показало, что все рассматриваемые воды достигают насыщения монтмориллонитами, а часть вод кальцитом. Не смотря на высокое содержание в водах сульфат-иона, насыщения сульфатными минералами не наблюдается. Эти результаты позволили в пределах Приташкентского артезианского бассейна выделить два геохимических типа вод: кремнисто-кальциевый (магниевый) и кремнистый карбонатно-кальциевый, отличающихся величиной рН и содержанием основных ионов.

Текст научной работы на тему «Геохимия подземных вод Приташкентского артезианского бассейна (Республика Узбекистан)»

УДК 575.3:550.4 (575.1-25)

ГЕОХИМИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИТАШКЕНТСКОГО АРТЕЗИАНСКОГО БАССЕЙНА (РЕСПУБЛИКА УЗБЕКИСТАН)

Гусева Наталья Владимировна,

канд. геол.-минерал. наук, ст. науч. сотр. научно-образовательного центра «Вода», доцент кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Института природных ресурсов ТПУ, Россия, 634050, г. Томск, пр. Ленина, д. 30. E-mail: guseva24@yandex.ru

Отакулова Юлия Александровна,

мл. науч. сотр. Государственного Предприятия «Институт Гидрогеологии и Инженерной Геологии имени О.К. Ланге», Республика Узбекистан, 100041, г. Ташкент, ул. Олимлар, д. 64. E-mail: yuliya_otakulova@mail.ru

Цель работы: исследование особенностей формирования химического состава подземных вод Ташкентской области с позиций анализа эволюционного развития системы вода-порода.

Методы исследования: для комплексного исследования равновесия подземных вод с горными породами использованы методы равновесной термодинамики. Для определения химического состава подземных вод применялись классические методы ана-

Результаты: Исследованы особенности химического состава подземных вод Приташкентского артезианского бассейна. Выявлены закономерности поведения основных ионов с ростом минерализации. Изучение степени равновесия подземных вод показало, что все рассматриваемые воды достигают насыщения монтмориллонитами, а часть вод - кальцитом. Не смотря на высокое содержание в водах сульфат-иона, насыщения сульфатными минералами не наблюдается. Эти результаты позволили в пределах Приташкентского артезианского бассейна выделить два геохимических типа вод: кремнисто-кальциевый (магниевый) и кремнистый карбонатно-кальциевый, отличающихся величиной рН и содержанием основных ионов.

Подземные воды, химический состав, водоносный горизонт, равновесие, геохимия.

Ташкентская область - крупнейший индустриальный регион Республики Узбекистан, на долю которого приходится почти вся республиканская продукции черной и цветной металлургии (за исключением золота), строительной промышленности, здесь производится основная добыча угля, развита электроэнергетика и сельское хозяйство.

Водные ресурсы играют значительную роль в экономическом развитии региона, так, например, подземные воды Приташкентсого артезианского бассейна используются для питьевого водоснабжения городского и сельского населения, производственно-технических нужд и орошения земель. В этой связи, актуальными являются вопросы исследования особенностей формирования химического состава подземных вод Приташкентского артезианского бассейна.

Определяющим процессом в формировании природных вод разнообразного состава и солености согласно современным представлениям является взаимодействие воды с горными породами [1]. Различные аспекты этого процесса исследуются учеными всего мира [2]. При всем многообразии взглядов на обозначенную проблему особо заслуживающим внимание являются представления об

эволюционном характере взаимодействия вод с горными породами, согласно которым «вода такова, какова степень ее взаимодействия с горными породами, определяемая историей геологической эволюции этой системы» [1, 3, 4]. Таким образом, на каждой стадии взаимодействия в системе вода-порода формируется строго определенный состав вод.

Целью работы является исследование процессов формирования химического состава подземных вод Приташкентского артезианского бассейна с позиций эволюционного развития системы вода-порода.

Характеристика объекта и методы исследований

Ташкентская область расположена в северовосточной части Республики Узбекистан, что показано на рис. 1. В геоморфологическом отношении район располагается на стыке горно-предгорных и равнинных территорий, обусловивших значительное разнообразие климатических условий. Рассматриваемая территория располагается в резко континентальном поясе. Среднегодовая температура составляет 14,8 °С. Количество ежегодно выпадающих осадков составляет от 300 до 800 мм в различных частях исследуемого района.

Рис. 1. Обзорная карта района исследований

Основной водной артерией района являются р. Чирчик и Ахангаран, крупные правобережные притоки р. Сырдарья, формирующиеся в условиях высокогорья за счет снегов и родникового питания.

В основу данной работы положены материалы гидрогеохимических исследований 8-ми водоносных горизонтов, получившие широкое распространение в пределах исследуемой территории. Массив гидрогеохимической информации включает данные по макрокомпонентному составу подземных вод, вскрытых 69-ю скважинами, находящимися в Ташкентской области вдоль долин рек Чирчик и Ахангаран как в равнинных частях долин рек, так и в предгорных районах. Анализ химического состава подземных вод выполнялся в лаборатории Государственного Предприятия «Институт ГИ-ДРОИНГЕО» г. Ташкента. Общее количество точек наблюдения 144.

Для определения стадии взаимодействия подземных вод Ташкентской области была проведена оценка степени насыщенности вод к вторичным минеральным продуктам: гиббситу, каолиниту, монтмориллонитам, гидрослюде, кальциту, доломиту, магнезиту и гипсу. В основу изучения геохимических процессов в системе вода-порода положены методы равновесной термодинамики и анализ элементарных реакций, начальными продуктами которых являются основные породообразующие минералы и вода, конечными - вторичные ми-

Таблица 1. Уравнения взаимодействия вод с алюмосиликатными и карбонатными минералами и их основные термодинамические параметры

Реакция !дКр [6] Уравнение квотанта реакции

А!251205(0Н)4+5Н20=2А! (0Н)3+2Н451040 -8,44 [Н45Ю40]2

6Мд0,|7А!2,33Б13,67О10(ОН)2+2Н++23Н2О= А!2512 05 ( 0Н)4+8Н451040+Са2+ -18,3 ([Мд2+]-[Н45Ю40]8)/[Н+]2

нералы, а также ионы и нейтральные молекулы, которые перешли в жидкую фазу. В данной работе использовались реакции, приведенные в табл. 1.

Степень насыщенности вод относительно вторичных минералов оценивалась посредством индекса неравновесности, или, по терминологии В.П. Зверева, показателем А, который определяется по формуле (1) [5]:

где К - константа реакции, — - квотант реакции.

По мере насыщения вод относительно какого-либо минерала индекс неравновесности уменьшается, стремясь к нулю, при пересыщении вод его значения становятся отрицательными; нулевое значение характеризует равновесное состояние [5].

Способность компонентов водного раствора вступать в химическое взаимодействие, характеризующаяся активностью иона, вычислена согласно формуле (2) [6]:

где 7„ - коэффициент активности; т - молярность иона, г-моль/л.

Коэффициент активности рассчитан по уравнению Дебая-Хюккеля (3), используемому для низкоминерализованных растворов [6].

где А и В - характеристические константы растворителя, зависящие от температуры и диэлектрической проницаемости воды; &Ь - множитель, зависящий от эффективного диаметра данного иона в растворе, преимущественно определяется экспериментальным путем [6]; г1 - заряд иона.

I - ионная сила вычисляемая по уравнению (4):

Для визуализации результатов расчета использованы диаграммы полей устойчивости алюмоси-ликатных и карбонатных минералов.

Для расчета активности химических элементов в соленых водах использован программный продукт Ну^оСео, разработанный в Томском политехническом университете.

Результаты исследований и их обсуждение

В гидрогеологическом отношении территория Ташкентской области представлена двумя структурами: Чаткало-Кураминской группой бассейнов трещинных вод на востоке, северо-востоке и При-ташкентским артезианским бассейном на юге, к которому в основном приурочены все рассматриваемые воды. В пределах исследуемой территории наиболее широкое распространение получили восемь водоносных горизонтов, которые используются для водоснабжения населенных пунктов Ташкентской области.

Водоносный горизонт верхнечетвертичных современных аллювиальных, аллювиально-пролю-виальных отложений a-apQIII_IV развит в аллювиальных отложениях поймы рек Чирчик, Аханга-ран, Дукента, Коксу и др. Ширина распространения водоносного горизонта от 1 до 2 м. Мощность изменяется от 8,0 до 10-15 м. Глубина залегания уровня подземных вод составляет 3,85-6,85 м. Коэффициент фильтрации водоносного горизонта в районе г. Ангрена от 10 до 43,2 м/сут., а в районе ручья Дукент 108,7-109 м/сут. В пределах приречной зоны наблюдаются самые высокие фильтрационные свойства водоносного горизонта, достигающие 200 м/сут. [7, 8].

По химическому составу воды преимущественно гидрокарбонатно-сульфатные кальциевые, однако в трёх скважинах наблюдается увеличение доли сульфат-иона, и воды становятся сульфатными. Это отмечается лишь в скважинах, расположенных вблизи золотоизвлекательной фабрики. Воды пресные с минерализацией менее 500 мг/л, от слабокислых до нейтральных, реже слабощелочные. В основном содержание нитратов в водах горизонта не превышает 8 мг/л. Лишь в сельскохозяйственной орошаемой зоне в условиях близ поверхностного залегания водоносного горизонта в одной скважине встречены воды с очень высоким содержанием нитратов - 86 мг/л. Содержание кремния в среднем составляет 9,3 мг/л.

Водоносный горизонт верхнечетвертичных современных пролювиальных отложений рQIII-Iy сложен аллювиальными отложениями надпойменных

террас. Коэффициент фильтрации 10-40 м/сут. [9, 10]. Горизонт представлен гидрокарбонатносульфатным магниево-кальциевым типом вод. Минерализация вод в среднем составляет 541 мг/л, однако в некоторых точках наблюдается увеличение минерализации до 2000 мг/л. Содержание нитратов составляет в среднем 5,4 мг/л. Воды горизонта нейтральные, либо слабощелочные. Содержание кремния в среднем 9,3 мг/л.

Водоносный горизонт верхнечетвертичных ал-лювиально-пролювиальных отложений арQIII приурочен к галечникам с песчано-гравийным заполнителем в нижней части горизонта. Наиболее проницаемыми являются аллювиальные галечники с коэффициентом фильтрации 30 м/сут. Ниже описываемого горизонта залегают галечники на песчано-глинистом цементе, и он является практически водоупором. Для последнего коэффициент фильтрации составляет 1,4-4,8 м/сут. [11]. Воды горизонта гидрокарбонатно-сульфатные натриевые, реже кальциевые. Минерализация в среднем составляет 964 мг/л, однако имеются точки с повышенными значениями более 1000 мг/л. Среда щелочная и слабощелочная. Содержание нитратов не превышает 8 мг/л.

Водоносный горизонт средне-верхнечетвертичных пролювиальных отложений pQп_IП приурочен к галечникам с песчано-гравийным заполнителем. Ширина полосы его развития достигает 6-7 км. Водовмещающими породами верхнечетвертичного возраста являются лессы с маломощными прослоями грубообломочных коренных пород, крупно мелкозернистых песков, гравия, суглинков и супесей. Водовмещающими породами среднечетвертичного возраста являются суглинки с включением гравия, мелкой гальки, полимиктовые разнозернистые пески, супеси, мелкий галечник с включением гравия с песчанистым заполнителем. Коэффициент фильтрации составляет от 45,8 до 86,4 м/сут. Глубина залегания уровня грунтовых вод водоносного горизонта изменяется в пределах 8-30 м с амплитудой колебания 2,18-2,43 м [12]. Воды данного водоносного горизонта гидрокарбо-натно-сульфатные магниевые, либо сульфатно-гидрокарбонатные. Среднее значение минерализации 750 мг/л. Воды щелочные. Содержание кремния в среднем 9,3 мг/л, а нитратов не превышает 8 мг/л.

Водоносный горизонт среднечетветричных ал-лювиально-пролювиальных отложений арQII имеет наиболее широкое распространение, слагает до 80 % площади. Водовмещающими породами являются лессовидные породы с включениями и линзами грубообломочных пород (вблизи подножья Ку-раминских гор), мощность их довольно постоянна, 80-100 м. На большей части площади водоносный комплекс представлен напорными водами. Пьезометрические уровни располагаются на глубине от

1,0-5,0 до 10-14,0 м, на водоразделах глубина увеличивается до 22 м. В пониженных частях рельефа пьезометрические уровни располагаются

выше поверхности земли +0,44 м. Расход воды в пределах 1,7-10,0 л/с при понижениях уровня от 4,7 до 14,6 м. При опробовании в суглинках (до 30 м) расход воды от 0,03 до 0,06 л/с, а линз песка, мелкого гравия, залегающих среди мелкозе-мистых пород, от 0,7 до 2,0 л/с, при понижениях соответственно от 3,0 до 17,0 м и от 1,5 до

Водоносный горизонт представлен сульфатногидрокарбонатным натриевым типом вод. Среднее значение минерализации 988 мг/л, однако иногда повышается до 5000 мг/л. Воды околонейтраль-ный. Содержание кремния в среднем 10,2 мг/л. Содержание нитратов до 24 мг/л.

Водоносный горизонт нижне-среднечетвертичных аллювиально-пролювиальных отложений арQI-II представлен в основном галечниками с глинистым заполнителем, а питание его осуществляется за счет атмосферных осадков и притока подземных вод со стороны горного обрамления, в осевой части долины - перетекания из вышележащих горизонтов. В целом водоносный горизонт характеризуется слабой обводненностью и практически является для вышележащих водоносных горизонтов водоупором. Коэффициент фильтрации не превышает 1,2 м/сут. [14].

Представлен гидрокабонатно-сульфатным натриевым типом вод. Значения минерализации не превышают 880 мг/л. Среда слабощелочная. Среднее содержание нитратов 16 мг/л, но наблюдается и повышенное до 47 мг/л. Содержание кремния в среднем 9,3 мг/л.

Водоносный горизонт нижнечетвертичных ал-лювиально-пролювиальных отложений арQI

вскрыт на глубине 78-165 м, на юге массива на глубине 200-249 м и представлен веерномелкозе-мистой зоной с хорошо промытым аллювием (галечник с гравийно-песчаным заполнителем). В центральной части представлен веерносмешанной зоной с хорошо различимыми толщами плотных суглинков и алевролитистых глин с прослоями, линзами веернорусловых гравийников и мелких галечников на супесчано-суглинистом заполнителе. Мощность водоносного горизонта от 60 до 100 м, наибольшая мощность, 197 м, вскрыта на глубине 88-285 м в пос. Катта Равот [15].

Водообильность водоносного горизонта довольно высокая, от 2,0-6,0 до 44,0-64,1 л/с, при понижениях от 1 до 11м. Коэффициент фильтрации от 12 до 29 м/сут. Пьезометрические уровни по скважинам установлены в зависимости от гипсометрических отметок поверхности земли на глубинах от 1,0 до 52,0 м.

Горизонт представлен гидрокарбонатно-суль-фатными кальциевыми водами. Воды околоней-тральные с минерализацией до 500 мг/л. Среднее содержание кремния 9,3 мг/л. Содержание нитратов не превышает 6 мг/л.

Водоносный комплекс нижнечетвертичных-верхнеплейстоценовых отложений представлен в основном галечником с глинистым заполнителем, песчаниками и конгломератом. Коэффициент фильтрации до 1,5 м/сут. [16, 17]. Горизонт представлен водами гидрокарбнатно-сульфатными натриевыми. Среднее величина минерализации составляет 542 мг/л, однако в отдельных точка минерализация возрастает до 2000 мг/л. Максимальное содержание нитратов составляет 24 мг/л. Среда

Таблица 2. Химический состав подземных вод Приташкентского артезианского бассейна, мг/л

Показатели Водоносные горизонты Среднее

а-ар 1^-111 РРш-!У арРш pQll-lll арРи арРш арр|

pH 4.8. 8.2 6.9. 8.2 7.2.13 7.4. 11 6.7. 8.4 7.5. 9 6.7. 8.4 6.8. 7.8 7,5

7,3 7,4 6 8,3 7,5 8,2 7,4 7,3

Са2+ 8.70 37 16. 98 37 28. 225 93 12. 164 53 6. 281 65 4 о 041 2 10. 86 37 20. 116 46 44

Мд2+ 2. 34 15. 79 8. 80 16. 157 1. 365 18. 83 5. 55 12. 170 38

12 42 51 75 51 41 22 43

№+ 4. 53 32. 758 0.4. 524 15. 217 117. 946 167. 188 13. 114 17. 300 101

23 273 219 82 177 115 158 59

К+ 0.7. 5 4. 9 0.1. 13 2. 22 1. 40 1. 44 1. 8 2. 75 6

1,8 5,4 7 6,6 7 13 4,3 11

НСОз- 37. 315 156. 427 218. 439 24. 537 43. 305 159. 473 34. 336 55. 305 203

152 257 312 302 155 266 158 204

С1- 7. 46 14. 159 5. 408 11. 268 11. 301 16. 190 9. 57 7. 213 51

14 74 167 65 72 76 28 41

Б042- 16. 140 75. 1465 16. 653 13. 834 26. 3885 12. 243 5. 319 16. 1411 245

63 522 303 292 510 115 139 210

NO3 1. 86 2. 30 4. 6 1. 8 1. 24 2. 47 2. 6 1. 24 8

8,5 12,7 4,6 3,75 7,5 16 4 5,4

Б1 7. 10.7 9.14. 10.7 9.8. 10.7 7.9. 10.2 7.9. 11.6 9.8. 10.2 7.9. 11.6 6.9. 12.1 9,8

9,3 9,3 10,2 9,3 10,2 9,3 10,2 9,3

Сухой остаток 80. 412 384. 2170 14. 1910 244. 1250 13. 5680 370. 880 6. 580 190. 2410 606

247 1144 64 750 988 567 322 542

Число анализов 36 14 12 16 20 10 18 18 144

Примечание: числитель: слева - минимальное значение, справа - максимальное значение; знаменатель: среднее значение.

м 35 -I § 30 -£ 25 Н 5 20 Ч я 15 -10 -

Сухой остаток, мг/л

О гидрокарбонат-ион О сульфат-ион О хл°рвд-и°н о ион кальция О ион магния О ион натрия

Рис. 2. Зависимость ионного состава подземных вод Приташкентского артезианского бассейна от степени и минерализации

околонейтральная, либо слабощелочная. Содержание кремния составляет в среднем 10,2 мг/л.

Согласно анализу закономерностей на рис.

2 поведения ионов в зависимости от степени минерализации, пресные воды с минерализацией до 1000 мг/л преимущественно гидрокарбонатные с высокой долей сульфат-иона. В более соленых водах возрастает доля сульфат-иона, и он становится ведущим анионом, при этом значительно снижается доля гидрокарбонат-иона. Накопление хлорид-иона в пресных водах не столь интенсивное, как у первых двух ионов, однако при более высокой минерализации, более 1000 мг/л, отмечается значительное увеличение его доли в анионном составе.

В пресных подземных водах Приташкентского артезианского бассейна в катионном составе доминируют кальций и натрий, в меньшей степени магний. При достижении вод минерализации 1000 мг/л и более отмечается явное преобладание в составе вод иона натрия.

В целом химический состав рассматриваемых подземных вод согласуется с приведенными ранее сведениями о водах этого региона [18, 19]. Исключение составляют хлорид-ион, сульфат-ион, концентрация которых в подземных водах Приташ-кентского артезианского бассейна значительно выше, что определяется интенсивным поступлением этих элементов в воды верхних водоносных горизонтов из-за активного антропогенного воздействия. Увеличение в составе вод этих ионов не мо-

жет быть связано с процессами испарительного концентрирования, о чем свидетельствует поведение элементов на рис. 3, а.

Поступление этих ионов в подземные воды происходит из разных источников и с разной интенсивностью. Соласно анализу рис. 3, б в качестве источника сульфат-иона в подземных водах Приташ-кентского артезианского бассейна нельзя рассматривать процессы растворения гипса, что часто наблюдается в подобных условиях [18, 19]. Вероятно, сульфат-ион поступает за счет процесса окисления сульфидов.

Равновесно-неравновесная система вода-порода

Для обоснования особенностей формирования химического состава подземных вод Приташкент-ского артезианского бассейна проведен анализ стадии взаимодействия вод с породообразующими минералами.

Равновесие вод с алюмосиликатными минералами показано на рис. 4.

Анализ диаграмм на рис. 4 показывает, что все подземные воды Приташкентского артезианского бассейна располагаются в полях устойчивости глинистых минералов. При этом последовательный анализ величин индекса неравновесности, рассчитанных по реакциям, приведенным в табл. 1, позволил установить, что все рассматриваемые воды проходят стадии насыщения гиббситом, каолинитом, Са-монтмориллонитом, М§-монтмориллони-

Рис. 3. Соотношение между: а) сульфат-ионом и хлорид-ионом; б) ионом кальция и сульфат-ионом

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Гусева Наталья Владимировна, Отакулова Юлия Александровна

Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Гусева Наталья Владимировна, Отакулова Юлия Александровна

Текст научной работы на тему «Геохимия подземных вод Приташкентского артезианского бассейна (Республика Узбекистан)»