Формирование химического состава подземных вод района озера Поянху (Китай)

Актуальность работы. Водосборный бассейн озера Поянху, самого
большого пресного водоема в Китае, представляет собой уникальную экосистему,
которая является не только средой обитания редких видов растений, животных и
птиц, но и важной частью хозяйственной жизни провинции Цзянси. В пределах
изучаемой территории широко распространена сельскохозяйственная
деятельность с применением обводнения, террасирования и выравнивания
склонов для выращивания риса и других культур. Эти специфические черты
природопользования влекут за собой изменение характера водообмена, что
находит свое отражение в особенностях формирования химического состава и
геохимической среды подземных вод. Кроме того применение удобрений и
достаточно высокая плотность населения в регионе приводит к обогащению вод
аномальными концентрациями некоторых химических элементов. Очевидно, что
для сохранения самого большого пресного озера Китая и регулирования
экологической обстановки в его водосборном бассейне необходимо детальное
изучение всех компонентов экосистемы, в том числе и подземных вод зоны
активного водообмена, которые зачастую являются единственным источником
водоснабжения в сельской местности.
Однако при значительном объеме информации о химическом составе и
режиме поверхностных вод района оз. Поянху, данные о подземных водах
верхней гидродинамической зоны практически отсутствуют. В сложившейся
ситуации всестороннее изучение химического состава подземных вод верхней
гидродинамической зоны и условий его формирования является приоритетным
направлением исследований для района оз. Поянху. Исследования в пределах
рассматриваемой территории позволят не только оценить экологическое
состояние подземных вод, но и обосновать роль водообмена в формировании их
химического состава, а также внесут определенный вклад в развитие теории
о геохимической эволюции системы вода–порода.
Объектами исследования являются пресные подземные воды зоны
активного водообмена района оз. Поянху.
Целью работы является изучение химического состава подземных вод
верхней гидродинамической зоны и условий его формирования под влиянием
природных и антропогенных факторов в районе оз. Поянху.
Задачи исследования:
 изучить особенности химического состава подземных вод на основе
данных, полученных в ходе полевых исследований;
 проанализировать степень насыщенности подземных вод основными
минералами горных пород и обосновать роль водообмена в формировании
вторичных гидрогенно-минеральных комплексов;
 выявить основные загрязнители подземных вод и источники их
поступления;
 разработать модель формирования химического состава подземных вод
зоны активного водообмена.
Исходные материалы и методы исследования. В основу работы
положены материалы, полученные в результате гидрогеохимического
опробования, проведенного в период с 2011 по 2015 гг. экспедициями Восточно-
Китайского Технологического Университета (г. Наньчан), Китайского
Геологического Университета (г. Пекин) и Наньчанского Университета
(г. Наньчан) с участием автора. Всего было обработано 132 пробы подземных вод
из бытовых колодцев, скважин и родников.
Измерение быстроменяющихся параметров среды производилось на точке
пробоотбора. Аналитические исследования химического состава подземных вод
проводились в аккредитованной Проблемной научно-исследовательской
лаборатории гидрогеохимии Научно-образовательного центра «Вода» (Институт
природных ресурсов, Томский политехнический университет) и лаборатории
Китайского геологического университета методами титриметрии, ионной
хроматографии, фотоколориметрии и масс-спектрометрии с индуктивно-
связанной плазмой. Содержание изотопов δD, δ18O в подземных водах было
проанализировано в лаборатории Восточно-Китайского Технологического
Университета. Определение содержания изотопов δ15N–NO3- и δ18О–NO3-
произведено в лаборатории Гентского университета, Бельгия (Isotope Bioscience
Laboratory, ISOFYS) методом бактериальной денитрификации с использованием
изотопного масс-спектрометра.
Расчет степени насыщенности подземных вод минералами осуществлялся
методами равновесной термодинамики с использованием возможностей
электронных таблиц MS Excel и программного комплекса HydroGeo,
разработанного М.Б. Букаты.
Статистические расчеты производились в программных продуктах Statistica
и MS Excel. Определение средних концентраций компонентов химического
состава подземных вод проводилось с учетом закона распределения. В качестве
критериев нормальности (или логнормальности) распределения в зависимости
от значений коэффициентов эксцесса и асимметрии использовались критерии
Шапиро-Уилка и Дэвида-Хартли-Пирсона. Функциональные зависимости между
поведением компонентов определялись с помощью рангового коэффициента
корреляции Спирмена.
Для оцифровки и построения карт и подготовки картографического
материала к печати применялись программные комплексы ArcGIS и CorelDRAW.
В представленной работе формирование состава пресных подземных вод
зоны активного водообмена изучено с позиций современных представлений
об эволюционном развитии и самоорганизации системы вода–порода, развитых
в работах С.Л. Шварцева. Такой подход дает возможность учитывать накопление
химических элементов как в воде, так и в формирующейся вторичной минеральной
фазе, а также позволяет оценивать влияние на формирование химического состава
подземных вод одновременно естественных особенностей ландшафтно-
климатической зоны, где расположен район исследований, и антропогенных
факторов, учет которых особенно важен для района оз. Поянху ввиду широкого
развития сельскохозяйственной деятельности и значительной плотности населения.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в сборе
фактического материала, участвовал в полевых экспедициях, организованных
Восточно-Китайским Технологическим Университетом и Наньчанским
Университетом в период с 2013 по 2015 гг. и выполнил часть аналитических
работ, а именно участвовал в определении содержания стабильных изотопов
δ15N-NO3- и δ18O-NO3- методом бактериальной денитрификации. Полученные
результаты обработаны и проанализированы автором самостоятельно с помощью
указанных выше методов. В частности, автором изучены факторы формирования
и основные особенности химического состава подземных вод, построены карты
распределения компонентов химического состава по территории водосборного
бассейна оз. Поянху, изучено фракционирование микрокомпонентов в природных
водах, рассчитаны равновесия в системе вода–порода, выявлены основные
источники загрязнения подземных вод и разработана модель формирования
химического состава пресных подземных вод зоны активного водообмена
в районе оз. Поянху.
Научная новизна. Впервые для изучаемой территории с помощью
современных высокочувствительных методов анализа были получены данные
о распространенности большого числа химических элементов в подземных водах
района оз. Поянху. Изучено фракционирование микрокомпонентов. С помощью
анализа стабильных изотопов δ15N-NO3- и δ18O-NO3- определены основные
источники соединений азота в подземных водах и выделены основные участки,
подверженные антропогенному загрязнению.
Современными методами физико-химических расчетов была оценена
степень равновесия подземных вод с основными минералами водовмещающих
горных пород. Изучена геохимия железа и его роль в формировании
красноцветных кор выветривания и темноцветных почв района исследований.
Исследование формирования химического состава пресных подземных вод
зоны активного водообмена с позиций геохимической эволюции системы вода–
порода позволило обосновать типизацию подземных вод с учетом влияния на их
химический состав как природных, так и антропогенных факторов, а также роль
водообмена в формировании химического состава подземных вод района
оз. Поянху. В результате были выявлены главные механизмы и основные
факторы, влияющие на химический состав подземных вод зоны активного
водообмена, и разработана модель их формирования.
Защищаемые положения:
1. На территории исследований в зоне активного водообмена развиты HCO3–Ca
и HCO3–Ca–Na пресные подземные воды с минерализацией преимущественно
до 500 мг/л, слабокислым и нейтральным характером среды, обедненные
органическим веществом. При этом минерализация и характер среды
изменяются в зависимости от типа ландшафта. Кроме того, локально
подземные воды несут признаки современного техногенного загрязнения,
выражающиеся в повышении содержания NO3-, Cl-, SO42-, K+, Na+, NH4+, NO2- и
увеличении минерализации.
2. Подземные воды, приуроченные к районам развития красноземов, равновесны
с каолинитом и гидроксидами Fe, реже Al. Подземные воды, приуроченные
к районам распространения черных почв, равновесны с монтмориллонитами и
частично с иллитом и каолинитом. В условиях глеевой геохимической обстановки
они насыщаются сидеритом, дафнитом, нонтронитом. При этом воды
выделенных типов неравновесны с первичными минералами вмещающих пород,
что свидетельствует о равновесно-неравновесном характере системы вода–
порода.
3. Формирование химического состава исследуемых подземных вод
контролируется характером водообмена и временем взаимодействия в системе
вода–порода. На активно осваиваемых территориях сельскохозяйственная
деятельность приводит к замедлению водообмена и увеличению времени
взаимодействия воды с горными породами, что обеспечивает смену
геохимической обстановки и типа вторичного минералообразования.
Практическая значимость. Материалы диссертационного исследования
могут служить базой для создания методики экологической оценки состояния
подземных вод зоны активного водообмена. Данные о химическом составе
подземных вод района оз. Поянху могут быть использованы для разработки
проекта охраны самого большого пресного озера Китая и его водосборной
территории от загрязнения. Дальнейшее применение методики, основанной
на анализе стабильных изотопов δ15N-NO3- и δ18O-NO3- и впервые опробованной
на территории водосборного бассейна оз. Поянху автором, позволит более
эффективно организовать мониторинг экологического состояния природных вод
района исследований.
Материалы представленного исследования использовались при выполнении
работ по гранту РФФИ 14-05-31267 мол-а «Физико-химическое моделирование
процессов вторичного минералообразования в системе вода-порода в различных
ландшафтно-климатических условиях» (2014–2015 гг., руководитель
Е.А. Солдатова) и гос. заданию «Наука» № 5.1931.2014/к «Геохимия элементов-
гидролизатов в гумидных областях как основа совершенствования технологий
водоподготовки» (2014–2015 гг., руководитель С.Л. Шварцев).
Апробация результатов работы. По теме диссертации подготовлено и
опубликовано 12 работ, из них 4 статьи в журналах, включенных в Перечень
рецензируемых научных журналов и изданий ВАК, в том числе 3 – в журналах,
входящих в международные реферативные базы данных Web of Science и Scopus.
Отдельные части диссертационного исследования представлены на следующих
международных и всероссийских конференциях и симпозиумах: Международный
научный симпозиум студентов и молодых ученых имени академика М.А. Усова
«Проблемы геологии и освоения недр» (2013, 2014, 2015 гг., г. Томск),
Всероссийский форум с международным участием «Развитие минерально-
сырьевой базы Сибири: от В.А. Обручева, М.А. Усова, Н.Н. Урванцева до наших
дней» (2013 г., г. Томск), Всероссийская конференция молодых ученых
«Современные проблемы геохимии» (2013 г., г. Иркутск), International conference
on Agricultural and Biosystem Engineering (2014 г., г. Пекин), XXI Совещание по
подземным водам Сибири и Дальнего Востока (2015 г., г. Якутск),
II Всероссийская научная конференция с международным участием
«Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» (2015 г.,
г. Владивосток), Всероссийская конференция с международным участием
«Современные проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и
гидрогеоэкологии Евразии» (2015 г., г. Томск).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав
и заключения. Объем работы составляет 132 страницы, включая 43 рисунка,
15 таблиц и список литературы из 130 наименований.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему
научному руководителю, д.г.-м.н., профессору С.Л. Шварцеву, за его внимание,
советы и требовательность, проявленную при руководстве диссертационной
работой, и за неоценимую помощь в налаживании сотрудничества с коллегами
из КНР. Автор искренне благодарен к.г.-м.н. Н.В. Гусевой, за ее поддержку,
помощь в организации исследований и внимание к данной работе. За любезно
предоставленные данные, организацию и проведение полевых и аналитических
работ автор признателен коллегам из Восточно-Китайского Технологического
Университета и Китайского Геологического Университета, в особенности
профессорам Сунь Чжансюэ, Ван Гуансаю и Гао Баю, а также коллективу ПНИЛ
гидрогеохимии НОЦ «Вода», в особенности И.С. Мазуровой. За ценные советы,
конструктивные идеи и объективную критику автор выражает благодарность
к.г.-м.н., доценту Ю.Г. Копыловой, к.г.-м.н., доценту А.А. Хващевской,
д.г.-м.н., профессору В.К. Попову, д.г.н., профессору О.Г. Савичеву,
к.г.-м.н. М.В. Шалдыбину, д.х.н. Б.Н. Рыженко, к.г.-м.н. Л.В. Замана. Автор
выражает свою признательность сотрудникам кафедры гидрогеологии,
инженерной геологии и гидрогеоэкологии за помощь, оказанную на протяжении
выполнения диссертационной работы. Также автор искренне благодарен своей
семье за моральную поддержку и безграничное терпение.