В онлайне: 3 (гостей - 3, участников - 0)  Вход | Регистрация

 

УДК 551.444+622.51

Геохимическая зональность подземных вод в Восточном Донбассе

 

Гавришин А.И, профессор, Торопова, Е.С. , студентка,  Борисова В.Е., студентка

Южно-Российский государственный политехнический университет имени М. И. Платова, Россия

 

Рассмотрены геохимические зональности подземных вод каменноугольных и меловых отложений на территории Восточного Донбасса.

 

Количественный характер современной геохимической ин­формации создает широкие возможности использования матема­тических методов и компьютерных технологий для обработки первичных данных и надежного обоснования выводов о законо­мерностях распределения содержаний химических элементов в горных породах и подземных водах. Одной из наиболее интерес­ных и сложных гидрогеохимических проблем является проблема установления и описания закономерностей вертикальной геохи­мической зональности подземных вод, как в пределах отдельных водоносных горизонтов, так и в пределах целых стратиграфиче­ских систем [1].

В настоящей работе кратко изложены результаты исследований, остановились относительно детально на характеристике вертикальной геохимической зо­нальности вод каменноугольных и меловых отложений.

 

Методика исследований

Большие объемы информации о химическом составе природ­ных вод, сложность гидрохимических объектов и процессов вы­зывают необходимость и создают возможность широкого приме­нения современных математических методов и компьютерных технологий. Значительными потенциальными возможностями в обнаружении и количественном описании пространственно- временных гидрохимических закономерностей имеют многомер­ные классификационные методы. Эти методы играют ведущую роль в познании окружающего мира и рассматриваются нами, как методы многомерного классификационного моделирования природно-антропогенных си­стем.

В данной работе используется методика классификации многомерных наблюдений - G-метод, которая имеет широкие возможности. В основу классификационной процедуры положен критерий Z2А.И. Гавришина [2].

В название вод по химическому составу включаются компо­ненты с содержанием ≥ 25 %-моль и располагаются в порядке возрастания содержаний. В работе использована классификация природных вод О.А. Алекина.

 

Зональность состава подземных вод каменноугольных отложений

Воды каменноугольных отложений на рассматриваемой тер­ритории отличаются высокой неоднородностью химического со­става: воды изменяются от гидрокарбонатных кальциевых до хлоридных натриевых, минерализация колеблется от 0,2 до 57,2 г/л, содержания Сl-  0,012-35,6, Na+ - 0,002-17,6 г/л и т.д. (табл. 1). Распределение содержаний компонентов не соответ­ствует нормальной модели, и корреляционные связи могут быть криволинейными.

 

Таблица 1 - Химический состав подземных вод каменноугольных отложений

 

Компонент

X

Me

Xmin

Xmax

S

рН

7.7

7.7

6.4

8.6

0.5

НСO3

358

352

77

947

135

SO42

485

400

15

1427

405

Сl

2366

243

12

35636

7086

Ca2+

337

153

20

4084

716

Mg2+

140

82

4

11145

227

Na+

1237

252

2

17582

3316

М

4729

1611

178

57419

11149

Н

124

75.5

3

922

163

 

Примечание: во всех аналогичных таблицах X — среднее арифметическое, Me - медиана, Xmin и Xmax — минимальное и максимальное значения, S - стандартное квадратичное отклонение (компоненты в мг/л, Н - глубина в м).

 

С помощью G-метода по компьютерной технологии AGAT в водах каменноугольных отложений по химическому составу бы­ло выделено 11 однородных геохимических видов (табл. 2). Уверенно выделя­ются две главные геохимические тенденции в изменении состава подземных вод каменноугольных отложений по глубине, которые отражают прямую и обратную вертикальную геохимическую зо­нальность подземных вод. В табл. 2 геохимические виды распо­лагаются по мере увеличения глубины залегания вод и по геохи­мическим тенденциям.

 

Таблица 2 - Состав геохимических видов подземных вод каменноугольных отложений (мг/л и %-моль)

 

Тен­

денция

Вид

Н

рН

Компоненты

М

НСO3-

SO42-

Сl-

Са2+

Mg2+

Na+

1

1.6

40

7.1

404

355

46

111

47

134

900

44

48

8

37

25

38

 

1.2

79

7.7

351

425

213

158

58

183

1200

28

43

29

38

24

38

 

1.3

82

7.7

395

790

315

185

99

333

1900

20

52

28

29

26

45

 

2.2

102

8.0

380

810

1180

275

168

660

3300

11

30

59

24

25

51

 

2.1

106

8.0

387

1160

786

316

177

506

3010

12

46

42

30

28

42

 

3.1

333

8.3

293

86

14700

1300

532

6920

24000

1

0.4

98.6

18

11

71

 

А.1

730

8.4

290

73

33930

3500

1100

16000

55000

0.5

0.2

99.3

18

10

72

 

2

1.4

28

6.8

247

65

18

71

16

25

320

68

24

8

59

22

19

 

1.1

50

7.4

382

114

57

65

41

82

550

61

23

16

32

33

35

 

1.5

73

7.2

310

176

56

90

34

68

580

49

36

15

44

28

28

 

1.7

100

7.6

372

450

173

98

118

128

1153

30

46

24

24

48

28

 

4.1

380

7.8

548

418

1250

46

38

1100

3100

17

16

67

4

6

90

 

 

 

Первая тенденция является типичным представителем пря­мой вертикальной геохимической зональности, и она характери­зуется по мере увеличения глубины залегания, закономерным пе­реходом от маломинерализованных гидрокарбонатных и гидрокарбонатно-сульфатных смешанного катионного состава вод к хлоридно-сульфатным и сульфатно-хлоридным смешанного ка­тионного состава и далее к минерализованным хлоридным натри­евым (табл. 2).

Главную роль в формировании химического состава вод ка­менноугольных отложений по первой тенденции играют Сl- и Na+, содержание которых возрастает с глубиной, растет так же величина рН вод и уменьшается содержаниеSO42.

 

Таблица 3 - Параметры криволинейных уравнений регрессии содержаний компонентов в подземных водах

по глубине в каменноугольных отложениях Донбасса

 

Тенденция

Компонент

ai

bi

ci

ri

Hmax

1

НСО3-

372

2.06

8.23

0.3

115

SO42-

790

1.96

0.6

0.66

90

Сl-

32200

3.05

0.89

0.90

>1000

Са2+

4550

3.5

1.97

0.82

>3000

Mg2+

1280

3.5

2.6

0.82

>3000

Na+

15950

3.1

1.0

0.92

>1000

М

54000

3.13

1.16

0.90

>1000

2

НСO3-

525

3

8.2

0.46

>1000

SO42-

491

2.32

0.63

0.52

210

Сl-

1400

2.38

0.3

0.91

240

Са2+

83

1.44

5.0

0.34

30

Mg2+

75

2.14

0.7

0.62

140

Na+

1150

2.55

0.3

0.93

350

М

3300

2.45

0.45

0.89

280

 

Примечание: ai- максимум в мг/л, bi - расположение максимума по глу­бине (в lg Н), ci-крутизна линии регрессии, ri - коэффициент криволинейной корреляции, Hmax - глубина максимума в м.

 

Относительно генезиса первой геохимической тенденции, можно вполне уверенно констатировать, что с глубины 150-200 м начинает ослабевать доля инфильтрационного фактора в форми­ровании химического состава подземных вод и нарастает роль седиментационного. Это сказывается на снижении содержаний в водах SO42- и НСО3- и повышении Сl- и Na+ ; воды из II типа по О.А. Алекину переходят в III тип. В открытой части Восточного Донбасса переход к минерализованным хлоридным натриевым водам про­исходит на значительных глубинах около 1 км; в окраинных ча­стях бассейна глубина залегания минерализованных вод значи­тельно приближается к поверхности.

Вторая тенденция отражает обратную вертикальную геохи­мическую зональность состава подземных вод каменноугольных отложений, когда незначительное возрастание минерализации вод с глубиной сменяется на ее уменьшение и формирование вод содового типа. Указанные закономерности хорошо описываются криволинейной показательной функцией (табл. 3) с высокими ко­эффициентами корреляции (ri). По параметрам уравнений регрес­сии хорошо видны следующие закономер­ности: максимальная минерализация достигается на глубинах 250-300 м; содержание НСО3 - увеличивается с глубиной и где достигается максимум, надежно спрогнозировать не удается; содержание SO42- и Сl- максимальны на глубинах 200-350 м и глубже уменьшаются; содержания Са2+ и Mg2+ максимальны на глубинах 100-250 м и уменьшаются с глубиной.

 


Зональность состава подземных вод меловых отложений

В подземных водах меловых отложений с помощью G-метода классификации многомерных наблюдений выделены 9 однородных гидрогеохимических видов (табл. 4). Виды в таблице расположены по мере увеличения минерализации (М, мг/л) и глубины залегания вод (H, м). Анализ однородных гидрогеохимических видов снова позволил уверенно выделить два основных типа вертикальной гид­рогеохимической зональности, и которые аналогичны для описан­ных выше вод каменноугольных отложений.

 

Таблица 4 - Состав гидрогеохимических видов подземных вод меловых отложений

 

Тен­денция

Вид

Н

рН

НСO3

SO4

Cl

Са

Mg

Na

М

К1

1.3

69

7.4

332

195

99

118

33

83

850

1.4

64

7.5

319

368

150

136

40

167

1200

2.1

70

7.9

360

532

419

209

69

290

1900

3.1

350

8.6

332

261

12506

581

218

7270

21200

3.2

715

8.2

176

140

27700

1800

800

14400

45000

К2

1,2

47

6.6

177

24

14

49

7

18

300

1.1

78

7.2

271

85

52

76

15

59

560

1.5

145

7.1

300

100

37

85

14

61

600

2.2

245

7.9

414

329

564

58

30

584

2000

 

 

Особенно наглядно закономерности изменения состава вод с глубиной видны по уравнениям (табл. 5). Например, увеличение содержания SO4 с глубиной сменяется на уменьшение, парный коэффициент корреляции незначим, в то время как криволинейная корреляция, описанная предложенной выше показательной функцией, значима (r1=0,41) и уравнение ре­грессии имеет следующий вид [3]:

 

Таблица 5 - Параметры криволинейных уравнений регрессии содержаний компонентов

в подземных водах меловых отложений по глубине

 

Тенден­ция

Компонент

a1

b1

c1

r1

Hmax

Первая

НСО3

331

2.1

2.68

0.42

125

SO4

402

2.18

0.84

0.41

150

С1

29000

3.0

0.62

0.995

>1000

Са

1680

3.0

1.2

0.95

>1000

Mg

722

3.0

1.2

0.93

>1000

Na

15680

3.0

0.64

0.997

>1000

М

47300

3.0

0.75

0.993

>1000

Вторая

НСО3

568

3.34

6.1

0.75

>2000

SO4

322

2.5

0.57

0.73

320

С1

767

2.55

0.3

0.95

350

Са

75

2.00

1.5

0.53

100

Mg

25

2.39

1.2

0.39

250

Na

939

2.66

0.35

0.97

450

М

2500

2.6

0.57

0.92

400

 

Примечание: a1- максимум в мг/л; b1 -расположение максимума по глу­бине (в lg Н); c1 - крутизна линии регрессии; r1 - коэффициент криволинейной корреляции; Hmax-глубина максимума в м.

 

Первая гидрогеохимическая тенденция вод меловых отложений является типичным представителем прямой геохимической зо­нальности и характеризуется классической схемой преобразова­ния состава вод от сульфатно-гидрокарбонатных кальциевых (минерализация 0.4-1 г/л) до сульфатно-хлоридных и хлоридных натриевых (20-50 г/л) [4].

В среднем с глубин 150-200 м начинает ослабевать доля инфильтрационного фактора и нарастает роль седиментационного, это сказывается на снижении содержаний в водах SO4 и НСО3 и повышении Сl и Na. Воды из II типа по О.А. Алекину переходят в III тип.


Вторая гидрогеохимическая тенденция резко отличается от первой и проявляется в формировании на значительных глубинах маломинерализованных вод содового типа. Первоначальное увели­чение концентраций компонентов с глубиной сменяется уменьше­нием, и указанные закономерности хорошо описываются криволинейной показательной функцией (табл. 5) с высокими коэффициентами корреляции (r1). В подземных водах меловых отложений макcимальная минерализация достигается на глубинах 300-400 м, в основном за счет концентраций SO4, Cl и Na.


Большинство исследователей при изучении Донбасса характе­ризуют преимущественно прямую вертикальную зональность хи­мического состава вод, описывая на значительных глубинах нали­чие хлоридных натриевых вод с минерализацией до 90-100 г/л. Иногда они отмечают на глубине наличие участков маломинерализованных вод. Наши исследования показали, что для всего Донбас­са характерны два вида вертикальной геохимической зональности. Эта уникальная закономерность проявляется в водах каменно­угольных и меловых осадков, несмотря на огромные различия в геологии и гидрогеологии этих отложений [5].

Доказана связь с нефтегазовыми месторождениями маломинерализованных вод содового типа с повышенным содержанием НСО3, и низкими Са и Mg. Формирование содовых маломинерализованных вод второй гидрогеохимической тенденции в Донбассе, наиболее вероятно, связано с процессами конденсации водяных паров из водоуглеродной газовой фазы.

Эти уникальные воды обнаружены на различных глубинах в каменноугольных, меловых отложе­ниях и приурочены к зонам вертикальной тектонической трещиноватости, именно этим объясняется их распространение в вертикальном направлении [6].

Развитие и применение современных математических и ком­пьютерных методов анализа информации, особенно применение методов классификации многомерных наблюдений, позволяет под­нять на более высокий уровень качество анализа гидрогеохимиче­ской информации. Путем выделения и дальнейшего сравнения од­нородных таксонов, появляется возможность открывать и количе­ственно описывать новые уникальные закономерности изменения химического состава вод, используя традиционную, накопившуюся в больших объемах, гидрогеохимическую информацию.

 

Библиографический список:

  1. Гавришин А.И. Анализ информации о природных и антропогенных объектах, явлениях и процессах: учебное пособие / Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М. И. Платова. -Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2016.- 50-67 с.
  2. Гавришин А.И. Процедура классификации геологических объектов с помощью многомерного критерия Z2 // Математические методы исследований. Экспресс-информация. М.: ВИЭМС. 1978. №1. С. 1-12.
  3. Гавришин А.И. Гидрогеохимические исследования с применением математической статистики и ЭВМ. М.: Недра, 1974. 146 с.
  4. Гавришин А. И. О генезисе маломинерализованных содовых вод Донбасса. // ДАН . 2005. Т. 404, № 5. С. 668-670.
  5. Гавришин А.И., Корадини А. Происхождение и закономерности формирования химического состава подземных и шахтных вод в Восточном Донбассе. // Водные ресурсы. 2009. Т. 36, №5. С. 564-574.
  6. Гавришин А. И., Борисова В. Е., Торопова Е. С. О формировании химического состава грунтовых вод в шахтинском угленосном районе Восточного Донбасса // Успехи современного естествознания №5/2016. С. 111-115.

 

Разделы конференции »

  1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
  2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
  3. Комплексное использование природных ресурсов
  4. Современные вопросы геологии
  5. Физика горных пород
  6. Новые технологии в природопользовании
  7. Применение современных информационных технологий
  8. Экономические аспекты недвижимости
  9. Мониторинг использования объектов недвижимости
  10. Топографо-геодезическое обеспечение кадастровых работ

#menuinclude(1-elibraryru)

 

Проекту Kadastr.ORG требуются средства на хостинг и развитие

Сумма: руб.