О ВЛИЯНИИ ПОЧВ НА ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ГРУНТОВЫХ ВОД В ПРЕДЕЛАХ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН

Формирование состава и минерализации подземных вод определяется непрерывным протеканием различных гидрогеохимических процессов, контролирующихся разнообразными факторами. В областях достаточного увлажнения оно обычно начинается с взаимодействия атмосферных осадков с почвами. Почвы как особые органо-минеральные образования отличаются наличием комплекса достаточно легко растворимых соединений. Значительная роль почв в формировании состава и минерализации грунтовых вод была выявлена почвоведами еще в начале XX в. [12]. Впоследствии на почвы как один из факторов формирования состава пресных подземных вод указывали такие крупные ученые, как В.И. Вернадский [2], Е.В. Посохов [14], С.Л. Шварцев [17]. Несмотря на это, в большинстве случаев нет комплексного анализа и сопоставления составов почвенных растворов и грунтовых вод. Почвоведы обычно ограничиваются рассмотрением первых применительно к проблеме плодородия почв [1, 15]. А гидрогеологи при рассмотрении особенностей химического состава грунтовых вод в первую очередь оперируют составами пород зоны аэрации и грунтового водоносного горизонта, величинами эффективных осадков (иногда и их составом) и скоростей фильтрации, а также глубиной залегания грунтовых вод и антропогенным влиянием [3, 6, 16].

Целью данной статьи является дополнительное подтверждение тесной взаимосвязи состава грунтовых вод с почвенно-растительным покровом на примере Республики Татарстан (РТ), характеризующейся значительной вариабельностью почвенных и геолого-гидрогеологических условий.

Объекты и методы исследования

Объектами исследования явились особенности состава грунтовых вод (вод первого от поверхности водоносного горизонта) и почвенного слоя в отдельных регионах РТ. Основные использованные методы исследований — метод водных вытяжек и комплексный анализ гидрогеохимической информации.

Республика Татарстан расположена в восточной части Восточно-Европейской платформы, в пределах Волго-Уральского артезианского бассейна по схеме гидрогеологического районирования И. К. Зайцева [7]. Площадь Республики — 68 тыс. км². Ее отличают мощный промышленный потенциал, интенсивная разработка нефтяных месторождений и активный агропромышленный комплекс. Площади угодий: лесных — 17%, сельскохозяйственных — 65%; площадь водной акватории — 6,4% [5].

Верхняя часть геологического разреза РТ сложена комплексами полигенных пермских, морских юрско-меловых и аллювиальных плиоцен-четвертичных отложений. Пермские образования характеризуются максимальным площадным распространением. Они имеют сульфатно-карбонатно-терригенный состав и общую мощность до 400 м, при толщине отдельных прослоев 0,1—20 м. Мезозойские преимущественно глинистые отложения мощностью до 300 м развиты лишь в крайней юго-западной части РТ. Плиоцен-четвертичные песчано-глинистые образования выполняют речные долины, ширина которых может достигать 1 0—1 5 км, а глубина вреза 1 50—220 м [4].

Мощность зоны пресных подземных вод в Татарстане достигает 250—300 м. Эти воды формируют многочисленные междуречные потоки. Их питание осуществляется атмосферными осадками на водораздельных пространствах, а разгрузка происходит в речных долинах. Глубина залегания грунтовых вод изменяется от 1—2 до 40 м. Годовая норма осадков в РТ составляет ~500 мм/год, из них доля эффективных осадков — 12—20%. Общий ресурсный потенциал пресных подземных вод — 5,46 млн м³/сут, а величина их разведанных запасов — 2,29 млн м³/сут [5]. Наиболее водообильными частями разреза являются плиоцен-четвертичные отложения, представленные песчаными русловыми фациями, а также прослои пермских песчаников и известняков в прибортовых зонах речных долин.

В Татарстане выделяется более 10 типов почв. При этом в северной части Республики (Предкамский регион) преобладают серые лесные и дерново-подзолистые почвы. В западной (Предволжский регион) и южной (Закамский регион) частях — серые лесные, а также выщелоченные и типичные черноземы [8]. Мощность почвенного покрова изменяется от 0,2—0,3 до 1,0—1,4 м (максимальные значения фиксируются в поле развития черноземов), при преобладающих значениях 0,4 м.

Подземные воды верхней части разреза обладают варьирующими в широких пределах химическим составом и минерализацией. В областях преобладания природных факторов в их формировании минерализация постепенно увеличивается вниз по разрезу и в направлении к зонам разгрузки от 0,15—0,2 до 0,6—1,0 г/л (участками 2—2,5 г/л). При этом химические составы подземных вод изменяются от гидрокарбонатных кальциевых и магниево-кальциевых до гидрокарбонатных натриевых и сульфатных магниево-кальциевых (в наименовании типов воды компоненты выстроены в порядке увеличения %-мольных концентраций согласно [11]). Данные гидрогеохимические особенности хорошо объясняются разной длительностью взаимодействия воды с карбонатно-терригенным (участками сульфатно-карбонатно-терригенным) водовмещающим минеральным матриксом. Определяющими гидрогеохимическими процессами здесь являются углекислотное выщелачивание карбонатно-терригенных пород, выщелачивание и растворение гипсов, гидролиз терригенных пород, сорбция и ионный обмен и др., которые с разной интенсивностью протекают в водовмещающих средах различного состава и возраста. При отсутствии или крайне слабом развитии гипсов минерализация вод обычно не превышает 0,7—0,8 г/л, а жесткость (здесь и далее подразумевается общая жесткость) — 7 ммоль/л, при этом качество основного объема подземных вод соответствует питьевому. Это качество иногда нарушается сверхпредельными концентрациями железа и марганца (соответственно, до 1,0 и 0,8 мг/л, реже более) [13, 19].

Техногенный фактор в формировании состава подземных вод играет значительную роль на территории населенных пунктов, в пределах крупных промышленных зон, в районах поверхностных

полигонов захоронения различных отходов, а также на площадях крупных нефтяных месторождений, разрабатываемых уже более 50 лет. Минерализация подземных вод здесь может достигать 5—12 г/л, а жесткость 80—135 ммоль/л [9, 18].

В областях превалирования природных факторов в формировании состава пресных подземных вод не отмечается каких-либо существенных гидрогеохимических изменений за последние 50—60 лет. Это может быть связано как со снижением уровня техногенного воздействия на подземную гидросферу, связанного с кризисными явлениями в российской экономике, так и с высокой буферной емкостью зоны аэрации, практически повсеместно характеризующейся довольно значительной карбонатностью и глинистостью [10].

Для определения степени влияния почвенного покрова на состав грунтовых вод нами были проанализированы 46 водных вытяжек с почвенных проб. Данные пробы характеризуют почвы на полную их мощность. Подготовка вытяжек осуществлялась следующим образом — 100 г размельченной породы (фракции менее 1 мм) заливались 1 л воды. Периодически емкости интенсивно встряхивались. Через одни сутки вытяжки фильтровались и подвергались аналитическим исследованиям. При подготовке вытяжек использовались дистиллированная и талая снеговая вода. Талаявода имела гидрокарбонатный натриево-кальциевый состав:

В вытяжках определялись рН, электропроводность, мутность, цветность, перманганатная окисляемость, содержания: HCO₃^-, SO₄^2-, Cl^-, NO₃^-, NO₂^-, F^-, PO₄^3-, Ca²⁺, Mg²⁺, Na+, K+, NH₄+, Li+; а также концентрации ряда тяжелых металлов: Fe, Mn, Pb, Ni, Cd, Cu, Co, Cr, Zn. Ионный состав анализировался с помощью ионных хроматографов Dionex ICS — 1600, а металлы детектировались на атомно-абсорбционном спектрометре ContrAA700.

Составы водных вытяжек сопоставлялись с составами родников с наименее минерализованной водой (127—250 мг/л, 100 проб). Такие родники расположены вне зон интенсивного техногенного воздействия, преимущественно в верхней части водораздельных склонов. Они имеют нисходящий характер и являются проявлениями субаэральной разгрузки вод первого от поверхности водоносного горизонта. Формирование их состава определяется непродолжительным взаимодействием атмосферных осадков с почвами и разнотипными породами разреза, представленного в основном образованиями уржумского и северодвинского ярусов (рис. 1).

Фактический материал по химическому составу родниковых вод заимствован из отчетов по результатам гидрогеологосъемочных, гидрогеоэкологических и тематического плана работ (отчеты хранятся в геологических фондах г. Казани). По Предволжскому региону это исследования А.В. Солнцева и др., 2002; Е.И. Кочурова и др., 2002; по Предкамскому региону — С.И. Полякова и др., 2006; по Закамскому региону — Р.Х. Мусина и др., 2003.

Результаты и их обсуждение

Минерализация и составы водных вытяжек с почвенных проб на основе разнотипной воды очень близки (табл. 1). Поэтому в дальнейшем они рассматриваются совместно.

Водные вытяжки почв Закамского (южного) региона РТ в сравнении с таковыми Предкамского (северного) региона характеризуются несколько более высокими значениями таких интегральных показателей состава, как минерализация, жесткость, окисляемость (табл. 2). В первом регионе значительные площади занимают черноземы, а во втором — дерново-подзолистые почвы.

Максимальные значения минерализации, содержаний органических веществ и азотных соединений в виде NH₄+ и NO₂^- обычно отмечаются в вытяжках с почв луговых и лесных участков, их минимумы приходятся на супесчаные серые почвы речных долин, а промежуточные значения фиксируются в вытяжках почв с обрабатываемых сельскохозяйственных полей (табл. 3).

Маломинерализованные родниковые воды имеют несколько более высокие значения минерализации и жесткости в сравнении с почвенными водными вытяжками (табл. 4). При этом последние обогащены органическим веществом и азотными соединениями (табл. 5), а концентрации большей части остальных компонентов состава находятся на минимальных уровнях, характерных для природных вод, и они различаются не столь существенно (табл. 6).

Повышенные минерализация и жесткость грунтовых вод в сравнении с водными вытяжками связаны с их формированием в условиях более высокой парциальной активности углекислого газа. Если формирование состава вытяжек в лабораторных условиях проходило при атмосферном содержании CO₂ (300 ppm), то формирование грунтовых вод в пределах РТ проходит при его концентрациях на уровне почвенного и подпочвенного горизонтов 800—120 000 ppm. Эти данные были получены нами в ходе проведения газовой съемки анализатором Ecoprobe-5 во многих районах РТ (рис. 2).

По литературным данным содержание углекислого газа на уровне почвенного горизонта может достигать 10—12% (100 000—120 000 ppm), а в отдельных случаях и 15—20% [15]. Следовательно, подземные воды в зоне аэрации и в зоне насыщения должны характеризоваться как более высокими содержаниями гидрокарбонатов, так и более высокой углекислотной агрессивностью и выщелачивающей способностью.

Таблица 1. Особенности состава почвенных водных вытяжек на основе дистиллированной и талой снеговой воды
Table 1. Features of the composition of soil water extracts based on distilled and melted snow water

Примечание. Сравнение проведено по 12 почвенным пробам Закамского региона; в этой и последующих таблицах в числителе приведены предельные значения (минимум-максимум), в знаменателе — среднее и стандартное отклонение.

Таблица 2. Сопоставление водных вытяжек почв Предкамского и Закамского регионов Татарстана
Table 2. Comparison of water extracts of soils Predjamski and Zakamskiy region of Tatarstan

Таблица 3. Вариации состава почвенных водных вытяжек по основным ландшафтным зонам Предкамского и Закамского регионов
Table 3. Variations in the composition of water extracts of soils by key landscape zones Predjamski and Zakamskiy region

Таблица 4. Сопоставление составов водных вытяжек и родниковых вод по минерализации и жесткости
Table 4. Comparison of compositions of water extracts and spring waters by mineralization and hardness

Примечание. Минерализация в вытяжках — расчетная, а в родниковых водах соответствует сухому остатку.

Из почв во взаимодействующую с ними дистиллированную и талую снеговую воду часто активно переходят (в мг/л): Fe — до 3,3; Mn — до 0,5 (табл. 7).

Заключение

Особенности состава и минерализации подземных вод первого от поверхности водоносного горизонта в природных условиях Татарстана в значительной степени определяются взаимодействием атмосферных осадков с почвенным покровом. Этот вывод исходит из того, что водные вытяжки с почвенных образцов имеют преобладающую минерализацию не менее 100 мг/л, а минимальная минерализация родниковых вод обычно составляет 150—200 мг/л.

Почвенные водные вытяжки в сравнении с родниковыми водами менее минерализованы (в первую очередь за счет HCO₃^-, Ca²⁺, Mg²⁺). Это связано как с более длительным во времени становлением компонентного состава родниковых вод, так и с тем, что в природных условиях формирование состава подземных вод происходит при более высоком парциальном давлении углекислого газа, что определяет повышенную углекислотную агрессивность вод и их более высокую выщелачивающую способность.

Таблица 5. Окисляемость и концентрации азотных соединений в водных вытяжках и родниках
Table 5. Permanganate index and concentrations of nitrogen compounds in water extracts and springs

Таблица 6. Сопоставление составов водных вытяжек и родниковых вод по рН, сульфатам и другим компонентам
Table 6. A comparison of the compositions of the water extracts and spring water for pH, sulfate and other components

Примечание. Сульфаты в вытяжках из почв Предволжского региона определялись гравиметрическим методом, который обычно дает более высокие значения в сравнении с ионно-хроматографическими данными.

Таблица 7. Концентрации железа и марганца в вытяжках и родниковых водах
Table 7. Concentrations of iron and manganese in extracts and spring water

Почвы являются основными поставщиками в подземную гидросферу NO₂^-, NH₄⁺, органического вещества и, в меньшей степени, Fe и Mn. В зоне аэрации и в первом от поверхности водоносном горизонте первые окисляются до NO₃^-, а железо с марганцем выпадают в осадок за счет разрушения органоминеральных комплексов, в составе которых скорее всего находятся и мигрируют эти металлы. С этим связаны более высокие содержания нитратов в родниковых водах в сравнении с их концентрацией в вытяжках, а также практически повсеместное развитие в приповерхностной зоне «обохренности» горных пород и дендритов гидроокислов марганца. Этот же фактор может вызывать питьевую некондиционность грунтовых вод в районах неглубокого их залегания при мощном почвенном слое.

Максимальной минерализующей ролью характеризуются почвы в пределах лесных массивов и луговых участков, минимальной — почвы речных долин; почвы обрабатываемых полей характеризуются промежуточным положением. Максимальное количество хорошо растворимых в воде минеральных и органических комплексов отмечается в черноземных и серых лесных почвах, а минимальное их количество — в сероцветных дерново-подзолистых почвах.

Составы вытяжек на основе дистиллированной и маломинерализованной талой снеговой воды очень близки, степени выщелачивания большей части компонентов этими разнотипными водами одинаковы. В связи с этим подготовку водных вытяжек как с почв, так и других минеральных образований можно проводить лишь на основе дистиллированной воды.

Практически равные содержания натрия, калия (Na+K)⁺ и кремнекислоты в водных вытяжках и маломинерализованных родниковых водах свидетельствуют о значительном превышении в приповерхностной части гидрогеологического разреза скорости водообмена над скоростью гидролитических процессов, ответственных за перевод указанных компонентов в растворенную форму.