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-, SO42-, Cl-, NO3-, NO2-, F-, PO43-, 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

Первичная водаМинерализация,мг/лЖесткость,ммоль/лрНОкисляемость, мг О/лПреобладающий тип водыДистиллированная40—279 174 ± 800,31—2,11 1,16 ± 0,467,40—8,20 7,95 ± 0,256,20—10,50 9,43 ± 1,10HCO3/CaТалая снеговая34—294 175 ± 700,34—3,48 1,38 ± 0,796,20 — 8,10 7,50 ± 0,491,0—11,0 7,96 ± 2,56HCO3/Ca

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

РегионКол-вопробМинерализация, мг/лЖесткость,ммоль/лрНОкисляемость, мг О/лПреобладающий тип водыПредкамский1137—284 119 ± 760,27—2,41 1,15 ± 0,766,60—7,50 7,07 ± 0,303,52—5,65 4,51 ± 0,64HCO3/CaЗакамский2934—294 168 ± 740,31—3,48 1,27 ± 0,675,6—9,05 7,53 ± 0,801,0—11,0 8,03 ± 2,49HCO3/Ca

Таблица 3. Вариации состава почвенных водных вытяжек по основным ландшафтным зонам Предкамского и Закамского регионовTable 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

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

РегионТип водыКол-во пробNO2-, мг/лNH4+, мг/лОкисляемость, мг О/лПредволжскийРодниковая470,0—1,9 0,08 ± 0,380,0—0,23 0,09 ± 0,080,3—5,2 2,4 ± 1,1Вытяжка60,1—1,02 0,55 ± 0,370,0—1,58 0,66 ± 0,635,3—10,9 7,9 ± 3,2ПредкамскийРодниковая170,0—0,13 0,03 ± 0,030,0—0,46 0,15 ± 0,14Не определяласьВытяжка110,0—0,49 0,06 ± 0,150,0—4,6 0,45 ± 1,383,52—5,65 4,51 ± 0,64ЗакамскийРодниковая360,0—1,58 0,08 ± 0,310,0—0,2 0,03 ± 0,040,0—8,5 2,78 ± 2,22Вытяжка290,0—3,97 0,58 ± 1,060,0—15,2 2,25 ± 4,281,0—11,0 8,03 ± 2,49

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

РегионТип водырНSO42-, мг/лCl-, мг/л(Na+K)+, мг/лSiO2, мг/лПредволжскийРодниковая6,5—8,9 8,05 ± 0,670,0—34,1 8,1 ± 6,80,6—22,5 4,7 ± 4,30,5—24,2 6,9 ± 6,11,0—37,3 9,4 ± 7,8Вытяжка7,65—7,94 7,79 ± 0,1120,6—53,5 37,5 ± 12,43,5—3,6 3,55 ± 01,3—15,6 7,2 ± 5,11,9—24,74 9,3 ± 8,9ПредкамскийРодниковая6,86—7,74 7,39 ± 0,292,6—30,9 7,8 ± 7,81,9—14,7 8,4 ± 3,63,0—17,2 10,1 ± 3,9Не определялВытяжка6,60—7,50 7,07 ± 0,31,4—13,3 4,1 ± 3,70,8—3,6 2,0 ± 1,02,6—11,2 5,0 ± 3,13,1 —8,1 4,6 ± 1,7ЗакамскийРодниковая7,15—8,70 8,10 ± 0,310—46,1 12,5 ± 11,10,0—63,8 13,0 ± 14,20,0—19,8 6,3 ± 5,80,0—25,21 8,5 ± 6,3Вытяжка5,60—9,05 7,53 ± 0,800,7—36,8 5,4 ± 6,90,6—29,2 3,4 ± 5,11,8—35,9 9,8 ± 9,62,0—9,6 5,0 ± 2,2

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

РегионТип водыКол-во пробFe, мг/лMn, мг/лПредкамскийРодниковая170,010—0,350 0,080 ± 0,0810,00—0,130 0,041 ± 0,040Вытяжка80,00—3,309 0,85 ± 1,210,004—0,516 0,091 ± 0,184ЗакамскийРодниковая360,016—0,691 0,076 ± 0,1380,005—0,084 0,035 ± 0,018Вытяжка90,07—2,9 1,14 ± 1,120,005—0,538 0,15 ± 0,192

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.