Гидрогеология Байкала. Подземные воды

Гидрогеология Байкала. Подземные воды
В пределах водосборной площади Байкала в целом ресурсы пресных подземных вод могут полностью обеспечить водой хорошего качества потребности населения и хозяйственные нужды. Подземные воды распространены в разном количестве и качестве повсеместно, поэтому могут быть получены на удалении от поверхностных водотоков и водоемов, что позволяет решить проблемы социального и экономического характера.

Вместе с тем рост водопотребления сопровождается увеличением сброса коммунальных и промышленных стоков, утечками, в т.ч. загрязненных вод. Вместе с фильтрационным потоком грунтовых вод загрязняющие вещества попадают в ближайшие дрены (водотоки, водоемы), проникают в более глубокие водоносные горизонты и, вконечном итоге, движутся по речной сети и с подземными водами к главной дрене региона – озеру Байкал.

Запасы подземных вод, в отличие от всех других видов полезных ископаемых, могут возобновляться в соответствии с природными циклами, характерными для соответствующей климатической зоны, особенностями геологического строения и ландшафта территории. Извлечение подземных вод в объемах, превышающих природные возможности восстановления запасов, приводит к их истощению, т.е. к постоянному снижению уровней, подтягиванию к эксплуатационному водоносному горизонту глубинных минерализованных или загрязненных вод.

Для характеристики ресурсов и запасов подземных вод используются следующие понятия: – прогнозные эксплуатационные ресурсы подземных вод (ПЭРПВ)– расчетная величина максимально возможного извлечения подземных вод без ущерба их качеству и окружающей природной среде; – разведанные эксплуатационные запасы подземных вод – установленная опытными работами и расчетами величина возможного извлечения подземных вод необходимого качества при допустимом понижении их уровня на определенный срок работы проектируемого или действующего водозаборного сооружения.

Исследованием подземных вод в регионе занимались многие выдающиеся российские ученые, среди которых И.Г. Георги, П.С. Паллас, В.М. Севергин, В.А. Обручев, И.Д. Черский, И.А. Багашев, А.В. Львов, А.Г. Франк-Каменецкий, Н.И. Толстихин, В.Г. Ткачук. Они заложили основы учения о закономерностях формирования разных типов подземных вод в регионе. Современные представления о формировании ресурсов и химического состава подземных вод района сформированы работами Е.В. Пиннекера, Б.И.Писарского, И.С. Ломоносова, В.М. Степанова, И.М. Борисенко, Л.В. Заманы, Н.Л. Мельничука, Л.Л. Шабынина и др. Благодаря их труду проведено гидрогеологическое картирование территории, теоретически обоснованы закономерности размещения и разведаны многие месторождения подземных вод.

В настоящее время исследования подземных вод широко проводятся коллективами ученых и специалистов институтов Земной Коры, Геологии, Геохимии Сибирского отделения РАН, Иркутского государственного политехнического университета, Северобайкальской ГРЭ и др.

Формирование ресурсов. В пределах Байкальской горноскладчатой области выделяются гидрогеологические структуры горных сооружений, обводненных разломов и межгорных впадин.Для гидрогеологических структур горных сооружений характерны резкие различия в обводненности гидрогеологических тел, что связано с неравномерной трещиноватостью горных пород и распространением многолетней мерзлоты. Для Забайкалья характерно, что на отметках 1800 метров и выше породы гранитоидного ряда образуют на первых этапах выветривания массивные крупноглыбовые обломки до 1,5–2,0 м3. Первая стадия выветривания ограничивается физическими процессами, и поэтому крупнообломочные продукты на первых этапах формирования коры выветривания сохраняют структурные особенности, минералогопетрографический и химический состав горных пород. Пустоты, образующиеся в горных породах, имеют большие размеры и часто не заполнены водой, водообильность горных пород пестрая. Дебиты источников, выходы которых обнаруживаются на различных участках горных склонов, колеблются в очень широких пределах – от 0,01 до 1–2 л/с. В периоды интенсивных осадков и при таянии снега дебиты источников увеличиваются иногда в десятки раз. Химический состав подземных вод в приводораздельных частях высокогорных районов весьма близок к составу атмосферных осадков, вод ледников и снежников.

От приводораздельных участков, где кора выветривания представлена крупнообломочным материалом, к краевым частям повсеместно наблюдается увеличение минерализации подземных вод от 50 до 300 мг/л. Выходы подземных вод более высокой минерализации устанавливаются на горных склонах с мощным чехлом делювиальных и деллювиально-пролювиальных образований, представленных рыхлой, в значительной части, тонкодисперсной корой выветривания.

Гидрогеологические структуры межгорных впадин имеют очень сложное строение. В Забайкалье за время формирования водовмещающих пород в мезозойских впадинах неоднократно менялись условия осадконакопления и тектоническая активность в регионе. В результате этого сформирован комплекс коллекторов различного типа с очень широким диапазоном проницаемости для подземных вод. В результате тектонических движений произошло раскалывание не только жесткого фундамента, но и относительно пластичных отложений кайнозойского и мезозойского возраста. Это определяет ведущую роль трещиноватости в аккумуляции подземных вод в образованиях вулканогенного и осадочного чехла впадин. Проницаемость вулканогенных пород изменяется на несколько порядков. Величина проницаемости и коэффициент трещиноватости минимальны для пологих зон нарушения и максимальны в крутопадающих трещинах. С глубиной степень трещиноватости пород резко уменьшается, изменяются не только коэффициент трещиноватости вулканогенных пород, но и преобладающий тип трещиноватости. До глубины 150–200 метров в толще лав, лавобрекчий и туфов проявляются и крутои пологопадающие проницаемые зоны, а ниже резко сокращается роль пологих зон. Крутопадающие трещинные зоны тяготеют к бортовым или центральным участкам впадин.

На базальном этаже с пролювиальными отложениями значительных скоплений подземных вод не наблюдается, так как эффективная пористость не более 1–2%, а коэффициент трещиноватости менее 0,1– 0,2%. На нижнем этаже в пролювиально-аллювиальных и аллювиальных фациях развиты малоемкие поровые коллекторы, а трещинные проявлены неравномерно.

Средний этаж содержит болотные фации с емкими поровыми коллекторами, значение коэффициента трещиноватости колеблется от 0,3 до 1,0%. Наконец, верхний этаж слагается озерными фациями, где развиты высокоемкие порово-пластовые и трещинно-пластовые коллекторы. Для этого комплекса характерны высокие значения пористости, в том числе и эффективной, а коэффициент трещиноватости достигает 2–3%. При блоковых перемещениях вдоль крутопадающих разломов и при опускании центральных участков впадин происходит смещение пород вдоль пологих контактов между породами разного литологического состава, что приводит к раскрытию некоторых контактов между породами различного состава, они становятся высокопроницаемыми.

Устанавливается гидравлическая связь между водоносными горизонтами различных этажей. В гидрогеологических структурах межгорных впадин происходит метаморфизация химического состава вод под воздействием процессов ионного обмена, смешивания вод разного генезиса и высаживания отдельных ингредиентов, биохимических процессов и др. Степень трансформации химического состава вод в этих структурах зависит от их пространственных размеров, мощности осадочного чехла, их литологического и фациального состава, климатических условий и др. Вследствие метаморфизации вод проявлена гидрогеохимическая зональность, выражающаяся в смене гидрокарбонатного кальциевого типа вод обрамления через сульфатный натриевый к хлоридному натриевому типу в середине впадин.

Гидрогеологические структуры обводненных разломов представляют собой, как правило, огромную по протяженности (сотни и тысячи км), ширине (десятки км) и глубине (5–10 км) тектонически ослабленную зону, состоящую из множества отдельных субпараллельных крупных ветвей. Тектонические движения в пределах зоны были чрезвычайно сложными, часто в пределах одних и тех же разломов фиксируются почти все типы тектонических нарушений – от сбросов до взбросо-сдвигов и надвигов. Как геологические тела глубинные региональные разломы представляют собой участки повышенной трещиноватости, раздробленности, брекчирования, катаклаза и милонитизации пород.

В зонах дробления отмечаются перемещения блоков в горизонтальном и вертикальном направлениях в связи с пересечением их многочисленными более молодыми разломами, осложняющими строение этих зон дополнительными складками. В результате в зоне дробления региональных разломов выделяются обособленные участки с различной степенью водообильности. Важную роль при этом играет степень трещиноватости и закарстованности. Ветви глубинных разломов, являющиеся разрывными структурами второго порядка, дифференцированы по простиранию на большое количество дизъюнктивов более высоких порядков, расположенных субпараллельно или кулисообразно к основной ветви.

В размещении подземных вод большую роль играют так называемые локальные разломы, которые являются элементами строения этой гидрогеологической системы. К этой категории относятся разломы небольшой (до 10–15 км) протяженности, имеющие относительно молодой возраст. Они тесно связаны с крупными дизъюнктивами как генетически, так и пространственно, вызывая мелкую блоковую сегментацию земной коры в пределах крупных глыб, ограниченных глубинными разломами. Располагаясь согласно или несогласно по отношению к основным структурным единицам, локальные разломы образуют сеть нарушений разнообразного направления. В Забайкалье преобладающими являются разломы субширотного, субмеридионального, северо-восточного и северо-западного направлений. Роль тех или иных дизъюнктивных нарушений для функционирования гидрогеологической системы разломов не равнозначна. В одних случаях разломы являются хорошими естественными дренами, собирающими воду с водосборных бассейнов, в других – барражами, препятствующими стоку подземных вод от областей питания. К первому типу разрывных нарушений относятся сбросы и взбросы, ко второму типу дизъюнктивных дислокаций – сдвиги, надвиги и сбросо-сдвиги, приведшие к образованию зон сжатия и смятия, выполненные тектонической глинкой трения, милонитами и ультрамилонитами. Дебит родников, дренирующих трещинно-жильные воды открытых разломов, составляет единицы, а нередко и десятки литров в секунду. Родники, дренирующие трещинно-жильные воды нарушений типа сдвигов и надвигов, встречаются редко, как правило, в том случае, когда зоны милонитизации и катаклаза простираются перпендикулярно направлению потока трещинных вод. Эти родники отличаются от родников трещинно-жильных вод меньшим (до 1 л/сек) дебитом и непостоянством места выхода.

Питание подземных вод зон тектонических нарушений осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков и фильтрации вод поверхностных водотоков, подтока подземных вод со стороны водоносных комплексов и горизонтов, через водовмещяющие породы, где проходят эти нарушения. Движение подземных вод в зоне разломов обуславливается воздействием двух противоположно действующих процессов – нисходящей гравитационной фильтрации холодных вод с поверхности земли и восходящего всплывания нагретых в недрах вод глубоких горизонтов. В результате этого создается конвективная ячейка циркуляции подземных вод.

Гидрогеологическая роль разломов определяется как область разгрузки, по которой происходит вертикальное и горизонтальное движение подземных вод, связанное с изменением химического и газового состава, минерализации и температуры подземных вод.

Локальные разломы, развитые от региональных в направлении гор, являются собирающими к главному региональному, а в сторону впадин выполняют гидрогеологическую функцию отводящих. Отводящие локальные разломы в пределах артезианских бассейнов выводят воды зон дробления к вышележащим водоносным горизонтам. Поэтому можно считать, что локальные разломы в пределах артезианских бассейнов выполняют роль транзита и разгрузки подземных вод водоносных горизонтов и комплексов артезианских бассейнов или осуществляют гидравлическую связь между отдельными водоносными горизонтами. Зоны разломов в осадочных покровах являются областями разгрузки пластовых давлений, к ним устремляются подземные воды глубоких горизонтов, поэтому в их пределах часто фиксируются гидрогеохимические аномалии и отмечаются выходы минеральных вод.

В формировании состава подземных вод определяющее значение имеет геологическое строение горных сооружений, в частности растворимость горных пород, степень тектонической раздробленности и гидротермальной проработки разрывных нарушений.

Наиболее контрастно в потоках рассеяния проявляются заключительные стадии формирования минерализации, связанные с процессами карбонатизации, и выделяются ассоциацией Ca, SO4, F, Mo. При этом наиболее контрастные аномалии фиксируются в пределах разрывных нарушений северо-западного направления, которые в современных условиях наиболее проницаемы для вод. Содержание кальция, магния в грунтовых водах в пределах одних и тех же ландшафтов на участках гидротермально-измененных пород возрастает в 4–5 раз по сравнению с неизмененными породами.

Территория Прибайкалья делится на две гидрогеологические области: Байкальскую, входящую в рифтовую зону, и Забайкальскую, приуроченную к зоне мезозойской тектонической активизации. Основное отличие этих областей заключается в том, что в пределах Байкальской гидрогеологической области горные породы, вмещающие подземные воды, на протяжении последних ~30 млн. лет находятся в зоне тектонической активизации. В результате этого многие древние разрывные нарушения обновились, произошло форми-рование новых разломов. Так как породы находятся под влиянием процессов растяжения, многие разрывные нарушения оказались хорошо проницаемыми для вод.

Байкальская гидрогеологическая область представлена чередованием высокогорных массивов трещинных вод, сложенных разновозрастными кристаллическими породами, и артезианских бассейнов байкальского типа, расположенных в кайнозойских межгорных впадинах, выполненных мощной толщей рыхлых отложений четвертичного и неогенового возраста. Горные хребты и межгорные впадины в этой области разграничены глубинными тектоническими разломами протяженностью в сотни километров; глубина проникновения разломов в земную кору достигает десятков километров. По этим разрывным нарушениям происходит разгрузка горячих трещинно-жильных вод, выходы которых фиксируются в различных частях рифта.

В высокогорных гидрогеологических массивах условия питания трещинных вод и формирования их скоплений в целом неблагоприятные. Значительная часть горных пород на этой территории либо проморожена на сотни метров, либо из-за высоких гипсометрических отметок и крутосклонного альпинотипного рельефа сдренирована на всю мощность эффективной трещиноватости. Основными областями питания, движения и аккумуляции подземных вод здесь являются зоны разрывных тектонических нарушений и участки распространения карстующихся карбонатных пород.

Характер тектонических движений при формировании Байкальского рифта в кайнозое способствовал раскрытию большей части разрывных нарушений. В пределах кайнозойской области тектонической активизации родников с дебитом 3–10, 10–50 и более 50 л/с в 2, 3 и 4 раза больше, чем в области мезозойской активизации. В Забайкалье кайнозойский этап тектогенеза проявился значительно слабее, большинство разломов осталось закальматировано глинистым материалом. Модуль родникового стока, по оценке И.М. Борисенко (1990), в Байкальской рифтовой зоне более чем в 2 раза выше, чем в области мезозойской активизации.

Артезианские бассейны байкальского типа имеют трехэтажное строение: 1) сверху залегает грунтовый водоносный горизонт четвертичных отложений мощностью 60–100 м; 2) под ним распространены напорные воды рыхлых и слабо литифицированных неогеновых образований мощностью 1000–3000 м; нижние горизонты этого структурного этажа содержат пластовые метановые термальные воды; 3) трещинные воды кристаллического фундамента впадин.

Подземные воды артезианского бассейна даже на значительных глубинах пресные.

В рыхлых отложениях часто наблюдается инверсия гидрогеохимической зональности – в верхних горизонтах фиксируются более минерализованные воды, чем на нижних.

Трещинные воды кристаллического фундамента, как правило, имеют несколько большую минерализацию, чем заключенные в вышележащих осадочных горизонтах. По составу воды по всему разрезу гидрокарбонатного, сульфатно-гидрокарбонатного натриевого типа.

Воды зоны интенсивного водообмена содержат в своем составе значительные концентрации железа, обогащены углекислым газом, кремниевой кислотой. Они загрязнены нитратом, который поступает с поверхности. На это указывает химический состав грунтовых вод, распространенных на территории. Обращает на себя внимание высокое содержание углекислого газа в верхних водоносных горизонтах, что связано с окислительным разложением органического вещества рыхлых отложений в зоне интенсивного водообмена. В глубоких горизонтах разложение органики происходит в восстановительных условиях и образуется метан.

В Забайкальской гидрогеологической области низкои среднегорные массивы трещинных вод, сложенные извержен-ными и метаморфическими породами, перемежаются с артезианскими бассейнами забайкальского типа. Трещинные воды в гидрогеологических массивах распределены довольно равномерно и обладают значительными ресурсами. Большое влияние на распространенность вод и их химический состав оказывает многолетняя мерзлота. В районах распространения многолетней мерзлоты на миграцию вещества в водах в значительной степени влияет рельеф. Он определяет глубину протаивания грунтов и интенсивность перераспределения влаги. В районах со слабо расчлененным рельефом формируется слабый поверхностный сток, испарение незначительное, поэтому происходит заболачивание. Болотные воды характеризуются невысокой минерализацией, гидрокарбонатным составом, повышенным содержанием органических веществ, закисного железа.

В артезианских бассейнах этой области выделяются три структурных этажа: 1) безнапорные воды рыхлых четвертичных отложений; 2) артезианские воды нижнемеловых, юрских осадочных образований; 3) трещинные воды кристаллического фундамента впадин.

В пределах впадин мезозойского возраста воды характеризуются значительно большей минерализацией, чем в пределах кайнозойских впадин. Наблюдается быстрый рост минерализации с глубиной. В глубоких горизонтах фиксируется значительная концентрация сульфат и хлорид ионов. Это объясняется геологическим строением и составом заполняющих впадины отложений. Возраст осадков определяет их невысокую проницаемость для вод. Медленная фильтрация вод способствует выщелачиванию хорошо растворимых соединений из вмещающих пород и насыщению вод такими элементами, как стронций, литий, молибден.

Основными источниками запасов подземных вод межгорных впадин являются воды, фильтрующиеся из кристаллических пород горного обрамления, и атмосферные осадки.

Развитие трещинных вод определяется региональной трещиноватостью горных пород. Мощность зоны экзогенной трещиноватости района колеблется от 25 до 100 м в зависимости от петрографического состава и возраста пород, от экспозиции склона, глубины эрозионного вреза, первоначального характера трещиноватости, мощности четвертичных отложений и др.

На режим подземных вод оказывают влияние рельеф, фильтрационные свойства пород и атмосферные явления. В пределах горных массивов уровень подземных вод подвержен большим сезонным колебаниям, они достигают 5–6 метров. В пределах межгорных впадин, где грунтовые воды расположены близко от поверхности, минимальные уровни фиксируются в декабре–марте, максимальные – в июле, августе, колебание уровня не превышает 1 м. Дебит источников – от 0,1 до 2,6 л/с. В зависимости от трещиноватости водовмещающих пород коэффициент фильтрации колеблется от 0,02 до 22,5 м/сут.

В пределах разрывных нарушений, разграничивающих хребты и впадины, наблюдаются многочисленные выходы трещинно-жильных вод. Они, как правило, отличаются от вод гидрогеологических массивов более высокой минерализацией, повышенным содержанием сульфата, хлорида, фторида. В них фиксируются высокие содержания лития, стронция, молибдена, вольфрама. Некоторые источники содержат высокие концентрации радона.

Подземный сток в оз. Байкал. Исследованию подземного стока в Байкал посвящено значительное количество работ. Б.И. Писарский отмечает, что подземный сток в Байкал включает: подрусловой сток в речных долинах, склоновый сток с междуречных пространств, родниковый сток береговой полосы и субмаринный приток в пределах акватории озера. Точной оценки подземного стока в Байкал в настоящее время сделать невозможно из-за очень слабой и неравномерной гидрогеологической изученности территории. Подрусловой сток реки Селенги рассчитан по результатам опытных работ на пяти буровых створах. Основные его ресурсы сосредоточены в аллювиальных отложениях (коэффициент фильтрации 10–160 м/сут), нижележащие осадочные и кристаллические породы обладают значительно более низкими фильтрационными свойствами. Ниже Мостового выступа кристаллического фундамента хребта Хамар-

Дабан резко увеличивается мощность рыхлых отложений, и подрусловой сток в устье Селенги достигает 2 м3/сек, что составляет 0,06 км3/год. Общая величина подруслово-го стока с восточного побережья южного Байкала разными авторами оценивается от 6,61 м3/сек (0,21 км3/год) до 18,28 м3/сек. Общий подрусловой сток в Байкал на современной стадии изученности оценивается в 32,7 м3/сек или 1,02 км3/год, что составляет 1,5% общего речного стока в озеро.

Подземный сток с прилегающих к озеру горных хребтов в основном дренируется речной сетью. С междуречных пространств береговых обнаженных склонов, обращенных к Байкалу, сток имеет временный характер. В периоды летней и зимней межени подземный сток полностью отсутствует, так как зона интенсивной трещиноватости в кристаллических породах имеет небольшую мощность и летом полностью дренируется, а зимой промораживается. Фильтрационные свойства кристаллических пород на прибрежных склонах очень низкие, коэффициент фильтрации – от сотых долей до первых метров в сутки, величина подземного стока со склонов находится в пределах ошибки расчетов, и ею можно пренебречь.

Величина подземного стока в Байкал в пределах его акватории на современной стадии изученности не поддается количественному учету. Выявленные непосредственными наблюдениями и фиксируемые по косвенным данным очаги субмаринной разгрузки повсеместно связаны с зонами активных разломов. Субмаринные выходы пресных холодных вод закартированы на небольших глубинах – 1–10 м. Они фиксируются зимой по пропаринам в ледяном покрове. Чаще пропарины встречаются вблизи устьев рек, где они образуются за счет отепляющего воздействия разгружающегося подруслового стока.

Также они связаны с выходами субмаринных родников на дне и протягиваются вдоль зон тектонических нарушений. Большое количество пропарин постоянно образуется вблизи дельты Селенги. Главная особенность этих пропарин – интенсивное газирование, достигающее 13 м3/сут, газ на 80–100% представлен метаном, 6–17% составляет азот. Выходы газов на дне Байкала тяготеют к зонам разломов. Скважины, пройденные в зоне разломов, вскрывают метановые термы гидрокарбонатного натриевого состава с минерализацией 0,6 г/л – 3,2 г/л. Таким образом, хотя прямой причиной образования пропарин в пределах Селенгинского мелководья являются выделения метана, приведенные данные подтверждают наличие здесь термальных и минерализованных вод.

Содержание

Читайте в Воспользуйтесь поиском по энциклопедии

Термины

  1. Тектоника и сейсмичность Прибайкалья
  2. Геоморфологическое строение побережья озера Байкал
  3. Палеогеография и биота Байкальского региона в позднем кайнозое
  4. Динамика изменений берегов
  5. Инженерно-геологические условия побережья
  6. Из истории становления метеослужб
  7. Поверхностные воды
  8. Гидрогеохимический режим подземных вод
  9. Потепление климата и поверхностный сток
  10. Почвы
  11. Растительный мир
  12. Грибы и лишайники
  13. Высшие растения
  14. Растительность Прибайкалья

Другие ресурсы

  1. Подземные воды Иркутской области // Бояркин В.М.
  2. Карта распределенного фонда недр. Подземные воды
  3. Природная защищенность подземных вод 
  4. Карта месторождений пресных подземных вод. Иркутская область
  5. Запасы минеральных вод на территории Иркутской области

Литература

  1. Пинегин А.В. Подводные оползни на Байкале // Геоморфология и литология береговой зоны морей и других крупных водоемов. Наука, 1971.
  2. Верещагин, Г. КЗ. К познанию водоемов, расположенных у берегов Байкала. Там же, стр. 55-104.
  3. Потапенко Б.Г. Стереофотограмметрическое картирование подводного рельефа // Тр. Вост.-Сиб. фил. АН СССР. Сер. геол. — 1959. -Вып. 10.
  4. Цейтлин Б.С. Водный баланс озера Байкал // Тр. III Всесоюз. гидролог, съезда. Т.4. — Л: Гидрометеоиздат, 1959. — С. 184-191.

Ссылки

  1. Байкал-Lake — Подземные воды
  2. Байкал — дар природы | БайкалАква
  3. Подземный наш «Байкал» //БезФормата.Ru
  4. Подземный сток в озеро Байкал
  5. Вода Байкала. | Байкальские путешествия

Другие статьи: