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, X_min и X_max — 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: a_i- максимум в мг/л, b_i - расположение максимума по глу­бине (в lg Н), c_i-крутизна линии регрессии, r_i - коэффициент криволинейной корреляции, H_max - 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 SO₄^2- 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 (r_i). 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 SO₄^2- 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; H_max-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.