«ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ (на примере района Гайского медно-колчеданного месторождения) ...»

1

На правах рукописи

Погосян Юлия Михайловна

ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРИРОДНО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

(на примере района Гайского

медно-колчеданного месторождения)

Специальность 25.00.07 Гидрогеология

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель доктор геолого-минералогических наук, профессор Гаев Аркадий Яковлевич Пермь – 2014 2

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 КРАТКИЙ ОБЗОР ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ........ 1.1 Ранние этапы исследований природных вод региона

1.2 Прикладные гидрогеологические исследования

1.3 Специальные гидрогеологические исследования

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2 УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ

2.1 Физико-географическая характеристика

2.2 Геологическое строение

Выводы по главе 2

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ИСЛЕДОВАНИЙ

3.1 О современных гидрогеологических представлениях

3.2 Методы сбора, систематизации и интерпретации материалов

3.3 Источники загрязнения подземных вод

3.4 Дистанционные методы исследований

3.5 Защищенность гидросферы от загрязнения

3.6 Прогнозная оценка техногенной трансформации гидросферы

Выводы по главе 3

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ...... 4.1 Особенности формирования подземных вод в различных гидрологогидрогеологических условиях

4.2 Защищенность подземных вод от загрязнения и картографирование источников загрязнения

4.3 Техногенная трансформация химического состава подземных вод............ Выводы по главе 4

ГЛАВА 5 ЗАЩИТА И РАЦИОНАЛЬНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОДНЫХ

РЕСУРСОВ

5.1 О состоянии водных ресурсов Гайского горнорудного района и сопредельных территорий

5.2 Основные тенденции техногенной трансформации химического состава подземных вод

5.3

Защита и рациональное использование подземных вод

Выводы по главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК.ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В горнодобывающих районах Оренбуржья распространены опасные для гидросферы процессы, обусловленные большой техногенной нагрузкой, в частности, от разработки крупнейшего в мире Гайского медно-колчеданного месторождения. В Гайском горнодобывающем районе, в городах Гай, Орск и Новотроицк сосредоточена почти половина населения области. Уникальное по запасам и составу руд Гайское месторождение разрабатывается с 1959 г. Глубина двух карьеров достигла 300 м, а шахты более 600 м. За этот период накоплены сотни миллионов тонн твёрдых отходов производства, площадь депрессионной воронки достигла 30 км2, в водоёмы и окружающую среду (ОС), до внедрения оборотного водоснабжения, сбрасывались миллионы кубометров недостаточно очищенных сточных вод. Поэтому, и в настоящее время, источники водоснабжения населения продолжают загрязняться.

Сформировалась сложная природно-техническая система, под которой в гидрогеологии понимается зона активного водообмена, испытывающая техногенные преобразования под воздействием создаваемой инженерной инфраструктуры. В связи с этим, гидрогеологические исследования района месторождения и разработка мероприятий по защите вод зоны активного водообмена от загрязнения весьма актуальны.

Цель работы: охарактеризовать гидрогеологические условия природнотехнических систем района Гайского медно-колчеданного месторождения для обоснования мероприятий по снижению негативного воздействия техногенной нагрузки на водные объекты.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- оценка ресурсов и состояния подземных вод горнорудного района;

- установление тенденции преобразований подземных вод;

- разработка критериев по снижению техногенной нагрузки на подземные воды для стабилизации ситуации.

Объект исследований: состояние подземных вод исследуемого района, подверженных техногенному воздействию горно-рудных объектов.

Предмет исследований: природно-технические системы района и пути минимизации их техногенного воздействия на подземные воды.

Фактический материал и методы исследований. Использованы полевые, натурные фактические и фондовые картографические материалы, данные поисковых и геолого-разведочных работ по месторождению, а так - же материалы по эксплуатации подземных вод. Использован отечественный и зарубежный опыт по минимизации негативного воздействия на подземные воды природнотехнических систем, включая аналитический метод, системный анализ техногенных воздействий на водную среду, лабораторные, расчётно-графические и экспериментальные исследования. Использованы гидрогеологические и географические материалы, данные по техногенным объектам и имеющиеся аналитические материалы по загрязнению подземных вод и ОС. Использованы результаты других исследователей по взаимодействию в системе «вода – порода»

(известняки, песчаники на карбонатном и карбонатно-глинистом цементе).

Собраны и систематизированы результаты физико-химических анализов проб природных и сточных вод (630 проб), почв и грунтов (430 образцов).

Использованы анализы водных вытяжек из почв и грунтов (370). Материалы собраны, как из фондовых источников, так и на 25% лично автором.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Методика исследований по оценке влияния источников загрязнения объектов медно-колчеданного месторождения на основе типизации зоны активного водообмена по защищенности подземных вод от загрязнения, позволяющая осуществить моделирование природно-технической системы.

2. Гидрогеологические модели, позволившие раскрыть взаимосвязь защищенности подземных вод от загрязнения с соответствующими типами вертикальной гидрогеологической зональности.

минимизировать техногенное воздействие на подземные воды путем применения барьерных технологий.

Научная новизна:

- выделены четыре типа вертикальной гидрогеологической зональности исследуемого района, что позволило раскрыть условия загрязнения подземных вод в плане и разрезе;

гидрогеологической зональности к определенному типу районов, что использовано при оценке защищенности подземных вод;

- разработаны критерии по защите подземных вод и водохозяйственных объектов от загрязнения и истощения на основе применения барьерных технологий и модульных принципов оценки состояния вод.

Практическая значимость результатов:

- установлены масштабы загрязнения и осолонения подземных вод в плане и разрезе, позволяющие прогнозировать возможность дальнейшего ухудшения ситуации в случае отсутствия необходимых мероприятий;

- предложены рекомендации по минимизации техногенной нагрузки на подземные воды на основе применения барьерных технологий для защиты водохозяйственных объектов от загрязнения и истощения.

Апробация результатов работы. Положения работы докладывались автором: на Международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов»: Тюменский гос. ун-т, сентябрь 2010 г., на Всероссийской научной конференции: «Современная гидрогеология нефти и газа», посвященной 85-летию проф. А.А. Карцева. Москва, октябрь 2010 г., на Международных конференциях: «Антропогенная трансформация природной среды». Пермь, ПГУ, ноябрь 2010 г., «Наука и образование: фундаментальные основы, технологии, инновации». Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, декабрь 2010 г., «Экологогеографические проблемы нефтегазовых регионов: теория, методы, практика».

Нижневартовск, НГГУ, декабрь 2010 г., «Геология, полезные ископаемые и проблемы геоэкологии Башкортостана». Уфа, ноябрь 2010 г. «Арчиковские чтения: науки о Земле и стратегия устойчивого развития». Чебоксары. Чувашский ун-т, ноябрь 2010 г., «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии». Моск. обл., п. Зеленый, ВСЕГИЕГЕО, апрель г., «Современные проблемы водохранилищ и их водосборов». ПГНИУ, Пермь, май 2011 г., на Международном симпозиуме «Превентивные геотехнические меры по уменьшению природных и техногенных бедствий» (26-29.07.11;

Хабаровск. Россия. ДВГУПС, на научной конференции «Комплексные проблемы гидрогеологии».– СПб.: С-Пб. ун-т, июнь 2011; на научных и научнопрактических конференциях: «Проблемы гидрогеологии, инженерной геологии и геоэкологии», ТПУ: Томск, сентябрь 2011 г., «Географическое пространство:

сбалансированное развитие природы и общества». ЧГПУ, Челябинск, октябрь 2011 г., «Актуальные проблемы геологии, планетологии и геоэкологии» Юж. Рос. ГТУ(НПИ). Новочеркасск, март 2012 г., «Проблемы географии Урала и сопредельных территорий». Уфа, 22-25.05.12. По материалам диссертации опубликовано 30 работ, включая 3 статьи в рецензированных журналах (доля автора 50 %). Результаты исследований внедрены в учебный процесс при изучении курсов «Гидрогеология», «Гидрогеоэкология» и «Природопользование Оренбуржья».

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем текста - 145 страниц, количество рисунков - 32, таблиц - 7, библиографический список содержит наименования.

Автор выражает признательность научному руководителю профессору А.Я.

Гаеву за поддержку и ценные советы. Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам кафедр геологии Оренбургского государственного университета и динамической геологии и гидрогеологии Пермского государственного национального исследовательского университета за многочисленные консультации и важные замечания. Автор осознает, что фактической основой исследований послужили не только личные материалы, но и результаты исследований научных лабораторий и ученых, полученные в течение многолетних работ на территории Гайского района Оренбургской области, и выражает им искреннюю благодарность. А так же благодарит соавторов совместных статей.

ГЛАВА 1 КРАТКИЙ ОБЗОР

ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Ранние этапы исследований природных вод региона Гидросфера и процессы техногенеза в системе вода – горная порода – газ – живое вещество в вододефицитных районах Оренбургской области, и в частности, бассейне р. Урал, исследованы недостаточно (рисунок 1.1). Первые сведения о регионе и полезных ископаемых Южного Урала были получены академическими экспедициями Российской академии наук в конце XVIII – начале XIX вв. В дальнейшем исследованиями здесь занимались А.П. Карпинский, Ф.Ю. ЛевинсонЛессинг, Л.С. Либрович, А.Л. Яншин, А.С. Хоментовский и др.

При исследовании распространения процессов формирования подземных вод важную роль играет закон естественно исторической зональности в природе, впервые сформулированный русским почвоведом В.В. Докучаевым для почвеннорастительного покрова, а в дальнейшем его учениками и последователями по отношению к грунтовым водам.

Начиная с 50-х гг. прошлого столетия изучению глубинного строения подземной гидросферы способствовали материалы, полученные в результате поисков и разведки месторождений нефти и газа и глубокого бурения, на обширных площадях. Поэтому гидрогеологическая зональность наиболее изучена в пределах отрицательных структур земной коры на платформе, в краевых прогибах и межгорных впадинах. Для горно-складчатых областей, характеризующихся широким развитием трещинно-жильных вод, гидрогеохимическая зональность изучена гораздо слабее. В России систематическое изучение подземных вод началось в XVIII веке. В этот период основную роль в накоплении гидрогеологических данных в стране сыграла Российская Академия наук, учрежденная в 1724 г. указом Петра I. Глубокий след в науке оставил М.В. Ломоносов. Он высказал в своем фундаментальном труде «О слоях земных» идеи о зависимости состава подземных вод от водовмещающих пород. Большое значение для развития гидрогеологии имели академические научно-исследовательские экспедиции на Урал П.С. Палласа, Г. Абиха, Н.П. Рычкова, В.Ф. Зуева, И.И. Лепехина, Н.П. Соколова. В.Ф. Зуев отметил влияние физико-географических условий на состав и минерализацию грунтовых вод. Особое место занимают исследования специалистов Российского геологического комитета, учрежденного в 1882 г., а так же труды Р.И. Мурчисона, А.П. Карпинского, И.В. Мушкетова, Ф.Н. Чернышева, В.В.

Докучаева. На развитие гидрогеологии повлияли разработки методов анализа природных вод на макро- и микроэлементы, на растворенные органические вещества, газы и микроорганизмы, и, прежде всего, работы А.Л. Потылицина, К.В. Харичкова, П.Л. Гинзбург-Карагичевой, Э. Бастон. Первые работы по изучению зональности подземных вод появились в конце XIX – начале XX вв. и были связаны с изучением водоносных систем, близко залегающих к поверхности земли, т.е. вод зоны аэрации и грунтовых вод. Эти работы были выполнены С.Н.

Никитиным, В.В. Докучаевым, А.Д. Стопневичем и В.С. Ильиным.

Рисунок 1.1 Обзорная карта расположения Гайского горнорудного района I – Гайский горнорудный район с медно-колчеданным месторождением (1) и обогатительной фабрикой. Медно-колчеданные месторождения: 1 – Гайское; 2 – Медногорское; 3 – Летнее. II – город Оренбург – областной центр с районом Оренбургского нефтегазового комплекса (ОНГК), нефтегазоконденсатным месторождением и газоперерабатывающим заводом Еще в 1914 г. гидролог П.В. Отоцкий, ученик В.В. Докучаева, отметил: «По мере движения на юг грунтовые воды углубляются и минерализуются». Он выделил с севера на юг четыре широтные зоны грунтовых вод, различающиеся глубиной залегания и минерализацией: 1) неглубокие, сливающиеся с поверхностными, слабоминерализованные грунтовые воды, богатые органическими веществами полярно-тундровой полосы; 2) неглубокие, умеренно минерализованные воды лесной полосы; 3) местами глубокие и в различной степени минерализованные воды степной полосы; 4) глубокие, значительно минерализованные воды, формирующиеся южнее степной полосы.

В 1922 г. В.С. Ильин, развивая идеи В.В. Докучаева и П.В. Отоцкого, составил карту грунтовых вод для европейской части бывшего СССР, на которой был показан зональный характер их распространения. Изучая зональность грунтовых вод, В.С. Ильин пришел к выводу, что грунтовые воды являются функцией климата, рельефа, геологического строения и глубины вреза эрозионной дренирующей сети. Помимо зональных (семь зон), были выделены типов азональных грунтовых вод: 1) грунтовые воды конечных морен; 2) трещинные грунтовые воды в массивах пород и продуктах их разрушения (Кольский п-ов, Урал); 3) карстовые воды Онего-Двинского междуречья, Кунгурско-Уральского района и др.; 4) болотные воды, т.е. грунтовые воды, распространения современного и древнего аллювия и флювиогляциальных отложений; 6) грунтовые воды солончаков.

В 30-40-х гг. XX в. исследования природы зональности грунтовых вод были продолжены О.К. Ланге, А.Н. Семихатовым, Н.И. Духаниной, Г.Н. Каменским, И.В. Гармоновым. О.К. Ланге, пользуясь принципами В.С. Ильина, составил карту зональных грунтовых вод для всей территории бывшего СССР, выделив три провинции грунтовых вод [73].

Становлению геохимии подземных вод (гидрогеохимии) способствовало выявление широкого регионального распространения рассолов в земных недрах.

Весной 1929 г. В.И. Вернадский выступил в Российском минералогическом обществе с докладом на тему «О классификации и химическом составе природных вод», в котором сформулировал содержание современной гидрогеохимии. В 1933 г. вышел в свет первый выпуск, не имеющего аналогов фундаментального по охвату и содержанию труда – «История природных вод»

[31]. Учение о широтной зональности получило значительное развитие.

Установлено, что каждая зона или геохора по В.И. Вернадскому, характеризуется специфическим составом воды.

В 1949 г. Г.Н. Каменский составил карту-схему зональности грунтовых вод бывшего СССР, на которой показал широтный характер распространения грунтовых вод с близким химическим составом. Он выделил две зоны грунтовых вод по условиям их формирования:1) углекислотного выщелачивания и 2) континентального засоления. Первые формируются в областях избыточного увлажнения или в недостаточно увлажненных районах, но с хорошо проницаемыми породами или с хорошим естественным дренажем (обширные территории равнин и горных областей). В этой зоне с севера на юг минерализация вод увеличивается от нескольких десятков миллиграммов на литр до 1 г/л и более.

Грунтовые воды зоны континентального засоления формируются на равнинах сухих степей, полупустынь и пустынь. В зависимости от литологии пород и геоморфологических факторов могут встречаться воды с различной минерализацией и составом – от пресных до соленых. В развитие идей Г.Н.

Каменского о генетическом подходе к явлениям зональности грунтовых вод, Е.В.

Пиннекер [147] выделил три макрозоны грунтовых вод: 1) ледовую (мерзлую), 2) гумидную (влажную) и 3) аридную (сухую). В первой зоне воды полностью или частично проморожены, в жидкой фазе существуют лишь летом; вторая зона характеризуется избыточным увлажнением и интенсивным вымыванием солей из пород, а в третьей зоне испарение преобладает над осадками и происходит засоление грунтовых вод.

С.Л. Шварцев [210, 211] обобщил анализы подземных вод зоны гипергенеза для 66 районов земного шара, установил средний химический состав подземных вод для зон выщелачивания и континентального засоления и для зоны гипергенеза в целом, который может быть представлен в виде следующей формулы Курлова:

1) зона выщелачивания 2) зона континентального засоления В зоне выщелачивания воды являются умеренно-пресными, слабокислыми, засоления в среднем являются солоноватыми, слабощелочными, хлоридносульфатно-гидрокарбонатно натриевыми [210].

Распределение органических веществ в грунтовых водах также подчиняется закону зональности (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 Распределение растворенного органического углерода Вопросы гидрогеологической зональности впервые были затронуты одним из основоположников отечественной гидрогеологии С.Н. Никитиным. В 1900г. он отметил рост минерализации воды с глубиной в Московском артезианском бассейне. В последующие годы эти вопросы изучали В.И. Вернадский, В.А.

Жуков, В.А. Сулин, Н.К. Игнатович, Н.И. Толстихин, Г.Н. Каменский, Ф.А.

Макаренко, С.А. Шагоянц, Т.П. Афанасьев, А.М. Овчинников, М.Е. Альтовский, И.К. Зайцев, Д.С. Соколов, А.В. Щербаков, Г.А. Максимович, А.Я. Гаев и др.

ученые. Среди наиболее важных обобщений следует отметить работу Н.К.

Игнатовича [42, 73]. В пределах Восточно-Европейской платформы он выделил следующие гидрогеодинамические зоны: 1) активного водообмена; 2) затрудненной циркуляции подземных вод; 3) застойного водного режима. И.К.

Зайцев [42, 91] выделяет следующие зоны и подзоны подземных вод по величине их минерализации: 1) зона А – пресные воды с минерализацией до 1 г/л. 2) зона Б – соленые воды с минерализацией от 1 до 35 г/кг. 3) зона В – рассолы с минерализацией более 35 г/кг.

В результате глубокого бурения были получены данные не только об общем химическом составе подземных вод, но и о распределении в них газов, органических веществ, микрофлоры и микрокомпонентов. В решении вопроса газовой зональности активное участие принимали Д.С. Соколов, М.С. Гуревич, В.Н. Корценштейн. Было установлено преобладание с глубиной газов нефтегазоносных провинций это азот, метан, тяжелые углеводороды, а для районов, где нефтегазоносность отсутствует, главным образом, азот.

1.2 Прикладные гидрогеологические исследования Водохозяйственная деятельность в регионе связана с решением задач по водоснабжению населения, с осушением разрабатываемых месторождений полезных ископаемых, с инженерно-геологическими изысканиями при строительстве. При водоснабжении поверхностные воды всегда играли ведущую роль, поскольку территории осваивались по долинам рек. Отбор подземных вод в ряде районов и сегодня не превышает 1012% от их запасов. Объемы бурения железнодорожное строительство, и затем в период освоения целинных и залежных земель с 1954 г. Подземные воды понадобились для нужд сельского хозяйства. Это послужило толчком для производства гидрогеологических съемок, буровых, опытных и натурных работ. Были выполнены тысячи химических анализов проб подземных и поверхностных вод, особенно на реализацией генеральных схем комплексного использования водных ресурсов Урала института Гидропроект. В результате уже в 60-х гг. ХХ в. десятки горнодобывающих предприятий и ряд городов области были обеспечены подземными водами хорошего качества. К концу советского периода ежегодно обустраивалось до тысячи скважин для водоснабжения сельского хозяйства и изысканиями занимался большой отряд гидрогеологов: М.С. Верзаков, А.И.

Епифанов, В.И. Мартин, О.М. Севастьянов, С.К. Севастьянова, Е.И. Токмачев, А.М. Черняев, Л.В. Черняева, В.Я. Захарова, О.И. Анисимова, Л.Ф.

Шевцова, Н.А. и А.А. Донецковы и др. Ими собран большой фактический исследования выполнялись Оренбургским отделением. ТИСИЗ в комплексе инженерно-геологических изысканий при строительстве. Гидрогеологию карста изучали М.М. Толстихина, В.И. Мартин, А.И. Дзенс-Литовский, Г.В.

Короткевич, Р.Ф. Абдрахманов, В.Н. Катаев, В.Н. Дублянский и др. В фундаментальных обобщениях по карсту Г.А. Максимович (1963, 1970) заложил основы карстоведения и создал уральскую школу карстоведов и гидрогеологов.

Гидрогеологические материалы получены так же при изучении разнообразных инженерно-геологических явлений и процессов (гипергенеза, корообразования, катагенеза и т.д.).

исследования решают задачи оценки горнотехнических условий разработки месторождений, обоснования систем водоотведения и прогноза водопритоков в территориальных геологических организаций и геологи рудников: А.П.

Белоликов, А.Я. Беляевский, В.В. Бирюков, Г.С. Буренин, П.И. Бутов, М.А.

Гатальский, М.О. Клер, А.В. Медведев, Н.И. Плотников, В.Ф. Прейс, А.П.

Сирман, А.Н. Толмачев, М.А. Фадеичева и др.

Первые наблюдения за режимом подземных вод на горнодобывающих предприятиях решали задачи оценки водопритоков в горные выработки, чтобы предотвратить катастрофическое затопление шахт и карьеров. Было организовано предварительное водопонижение. Процессы загрязнения и истощения водоносных горизонтов выдвинули проблему комплексного решения задач водоснабжения, водоотведения и борьбы с загрязнением. По инициативе ВСЕГИНГЕО с 60-х гг. режимные исследования выполняются на водозаборах Оренбургской области (В.Г. и Л.Ф. Шевцовы и др.).

В 1939–1943 гг. была издана монография «Гидрогеология СССР» под редакцией Н.И. Толстихина с отдельным томом по Уралу. В 1959-1972 гг.

гидрогеологические обобщения по районам Оренбургской области Фактический гидрогеологический материал систематизируется в форме кадастра гидрогеологических скважин, который пополнялся территориальным геологическим управлением до конца советского периода. В монографии Н.Д. Буданова «Гидрогеология Урала» (1964) раскрыта связь водоносных зон с геологическими структурами и их неотектоническим развитием [26].

Под его редакцией составлена гидрогеологическая карта Урала в масштабе 1:1000000 (1970). Крупной гидрогеологической работой по Оренбургской области является том 43 «Гидрогеологии СССР» [73]. К сожалению, вопросы по борьбе с загрязнением гидросферы в этой работе не рассмотрены.

Установлен ряд региональных закономерностей в формировании подземных вод: их вертикальная и широтная зональность, гидрогеохимические аномалии на сульфидных месторождениях и др. Оценены так же ресурсы пресных и солоноватых подземных вод. С 1970-х гг. изучаются вопросы формирования пресных подземных вод Южного Урала в работах С.Г. Каштанова, Р.Ф.

Абдрахманова, В.Г. Попова, А.Я. Гаева и других. Р.Ф. Абдрахманов в осадочном чехле выделяет два гидрогеодинамических этажа, верхний из которых подразделяется на зоны интенсивного и затрудненного водообмена, а нижний – на зоны весьма затрудненного водообмена и квазизастойного водного режима [2, 3].

1.3 Специальные гидрогеологические исследования Первыми работами по качеству природных вод служат исследования врачей-бальнеологов и работы рудознатцев. Последние по «ржавцам» – кислым водам и разноцветным солям, выпадающим из этих вод, отыскивали руды медного колчедана. Минеральные воды Урала описаны в трудах многих ученых и академических экспедиций (И.И. Лепехина, П.С. Палласа, И.П.

Фалька И.Г. Георги), в работах А.Н. Третьякова, А.А. Штукенберга, П.И.

Кротова, А.А. Краснопольского, С.Н. Никитина М.О. Клера и др. Обобщения по минеральным водам с подсчетами ресурсов выполнены М.О. Клером, Г.В.

Вахрушевым, И.А. Рудницким, В.В. Эпштейном, А.И. Дзенс-Литовским, А.Н.

Фонаревым и др. С 60-х гг. конторой «Геоминвод» исследуются бальнеологические свойства рудничных вод Урала и других минеральных источников (Т.М. Эпштейн, В. Арбузов, Э.П. Просецкий, Г.М. Сафронова, Л.С.

Иванова, В.Г. Кожевникова и др.). В.В. Эпштейном (1948) сделана сводка «Геохимия подземных вод Урала», в которой охарактеризованы так же минеральные и промышленные воды. Минеральные и промышленные воды ряда районов охарактеризовали А.И. Дзенс-Литовский, Н.И. Толстихин, А.С.

Хоментовский, Г.А. Максимович, В.Ф. Ковалев, Г.В. Вахрушев, О.М.

Севастьянов, В.Г. Попов, М.Л. Хромова, Л.В. Боревский, В.И. Малиновская и др. С 1949–1953 гг. начали широко применяться гидрогеохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых, а так же начал осуществляться контроль над качеством вод, в связи с решением задач по защите подземных вод от загрязнения. Е.А Пислегиной- Епифановой в районе будущего Гайского ГОКа были выделены гидрогеохимические аномалии по меди. С 1956 г.

гидрогеохимические методы включены в состав поисково-разведочных работ.

Научно-методические разработки по рудным месторождениям выполняются ВСЕГИНГЕО (А.А. Бродский, Г.А. Голева и др.), а по месторождениям нефти и газа ИГИРГИ (Е.А. Барс, М.И. Зайдельсон и др.), ВНИГНИ, ВНИГРИ и др. С 1956 г. В.Б. Черняхов, А.М и Л.Е. Черняевы, Г.А.

Вострокнутов выполняют опытно-методические гидрогеохимические работы в районах Урала. Методические гидрогеологические работы осуществляют М.И. Зайдельсон, А.И. Чистовский, В.И. Малиновская, И.Н. Шестов, В.Н.

Быков и др. Эти разработки и производство специальных полевых лабораторий и оборудования, внедрение в производство экспрессных методик по определению химического состава вод, органических веществ, водорастворимых газов и микроорганизмов стимулировало применение гидрогеологических и гидрогеохимических методов. Это нашло отражение в работах как гидрогеологов-нефтяников В.А. Кротовой, М.И. Зайдельсона, К.Е. Питьевой, В.Н. Быкова, Б.В. Озолина, Б.И. Лерман, Л.Н. Усольцева, А.К Чистовского, В.И. Малиновской, так и гидрогеологов, занимавшихся поисками рудных месторождений А.А. Бродского, Е.А. Пислегиной, В.Б.

Черняхова, Л.Е. Черняевой, А.М. Черняева, В.Г. Попова и др. [3, 42, 204Были обобщены материалы по подземным водам палеозоя региона, охарактеризованы процессы и важнейшие закономерности их формирования.

Это стимулировало развитие гидрогеологических и гидрохимических методов поисков месторождений полезных ископаемых и включение их в комплекс поисково-разведочных работ.

Контроль над качеством вод хозяйственно-питьевого назначения систематизируются и часто утрачиваются. Не все параметры химического состава вод контролируются, и система мониторинга пока недостаточно проработана. В советский период, с 60 - х гг. ХХ в. хорошо был налажен контроль качества подземных вод водозаборов силами территориальных загрязнения и истощения. Начали изучаться процессы фильтрации в горизонты подземных вод сточных вод из крупнотоннажных шламо-хранилищ, отстойников и пр. К.А. Костиной, Р.В. Булатовым и др. была установлена высокая миграционная способность фенолов и тяжелых металлов ниже сброса содержащих их сточных вод в водоемы. Свердловский институт гигиены труда и профпатологии (Л.И. Безель) в 1964 г. выполнил сводную Черняевым, A. П. Сирманом, А.Я. Гаевым, В.С. Самариной и др. [42, 172, 173, 204]. Методическим разработкам посвящены работы К.Е. Питьевой (1969– 1988), У.М. Байкова, Л.В. Еферовой (1968), И.Л. Мархасина, Б.В. Озолина (1964), Б.И. Лерман (1968), А.Я. Гаева (1978-2008), Л.А. Абуковой и др.

(2010). Взаимосвязи поверхностных и подземных вод посвящены работы А.М.

и Л.Е Черняевых, Г.А. Максимовича, Г.А. Вострокнутова, Е.А. Лушникова, В.П. Зверева и др. Охарактеризована вертикальная гидрогеохимическая зональность различных структурно-тектонических зон региона (1949) [42, 73, 121, 122].

Закономерности формирования грунтовых вод в различных районах Урала нашли отражение на гидрогеохимических картах региона (Вострокнутов и др., 1963). Обобщения по региону и отдельным районам выполнены в paбoтax А.Я. Гаева, В.С. Самариной, Ю.М. Нестеренко и др., О.М. Севастьянова, С.К.

Севастьяновой, В.Г. Гацкова и др. [42, 71, 173, 183]. Но установленные ранее закономерности формирования подземных вод на горнодобывающих предприятиях Оренбуржья нуждаются в дальнейшем изучении с учетом новых гидрогеологических данных и ростом техногенной нагрузки на подземные воды демографической и санитарно-гигиенической ситуации, требующей усиления хозяйственной деятельности. Для этого требуется более глубокий анализ гидрогеологического материала с целью обеспечения населения горнодобывающих районов высококачественной питьевой водой.

Недостаточная гидрогеологическая изученность горнодобывающих районов в бассейне р. Урал существенно тормозит решение проблемы обеспечения населения качественной питьевой водой. В результате выполненных ранее исследований было доказано, что водоснабжение таких крупных предприятий, как Гайский ГОК, может осуществляться за счет аллювиального водоносного горизонта. Были установлены некоторые закономерности в формировании подземных вод, и, в частности, общая гидрогеологическая зональность вод зоны активного водообмена, но без учета конкретных структурно-геологических условий. При этом были описаны только воды зоны аэрации, а воды зоны постоянного горизонтального стока, были охарактеризованы совместно с зоной сезонных и многолетних колебаний уровня грунтовых вод. Кроме того, менее изучены трещинно-жильные воды района. Гидрогеологические исследования велись в связи с водоснабжением населения, с осушением горных выработок на месторождениях полезных ископаемых и с инженерно-геологическими изысканиями при строительстве. Освоение территории осуществлялось по долинам рек. Ведущую роль при водоснабжении играли поверхностные воды, а доля отбора подземных вод не превышает и ныне 1012% от их запасов.

Бурение скважин на воду начато в регионе, в связи с железнодорожным строительством, в конце XIX в. В конце советского периода в регионе для водоснабжения обустраивалось до тысячи скважин в год. В соответствии с генеральными схемами комплексного использования водных ресурсов Урала выполнены гидрогеологические съемки и тысячи химических анализов вод.

Десятки предприятий и населенных пунктов обеспечены подземными водами.

Исследованы особенности гидрогеологии месторождений полезных ископаемых. Выполнялись режимные наблюдения за подземными водами для оценки водопритоков в горные выработки, и на основе их результатов было организовано предварительное водопонижение. Сформулирована, но не решена полностью комплексная проблема водоснабжения, осушения и месторождения. С 60-х гг. велись наблюдения за подземными водами на объектах Гайского района. Существенные гидрогеологические изменения здесь произошли в связи с заполнением Ириклинского водохранилища, которые так же нуждаются в дополнительных исследованиях.

Выполнены описания водоносных горизонтов и территориальными геологическими организациями составлялся кадастр гидрогеологических скважин. Многотомное издание «Гидрогеология СССР» том 43-ий посвящен Оренбуржью, но борьба с загрязнением вод в нем не рассмотрена. В разрезе земной коры Гайского района исследовались только воды зоны активного водообмена. С 1956 г. гидрогеологические и гидрогеохимические методы включены в состав поисково-разведочных работ. Рядом институтов выполнены научно-методические разработки. Налажено производство специальных полевых лабораторий с экспрессными методами анализа, но система гидрогеологического мониторинга в настоящее время не работает, а материалы по контролю над водозаборами нередко утрачиваются.

Влияние горнорудных предприятий на подземные воды освещены рядом исследователей. Начаты исследования взаимосвязи поверхностных и подземных вод и их геологической деятельности. Выполнены обобщения по гидрогеологии региона и отдельных районов. Однако, ранее полученные гидрогеологические материалы, по Гайским горнорудным предприятиям, нуждаются в дальнейшем анализе с учетом новых задач и обобщения имеющегося фактического материала. Это необходимо для решения важных народнохозяйственных задач по защите и рациональному использованию водных ресурсов. Важно отразить влияние всех основных литологостратиграфических комплексов пород на качество подземных вод аллювиального водоносного горизонта. Необходимо выяснить влияние Ириклинского водохранилища на этот основной водоносный горизонт, влияние его на макро химический состав подземных вод, содержание органических веществ, железа и других тяжелых металлов. Именно от этого должен зависеть порядок организации санитарно -защитных зон водозаборов.

ГЛАВА 2 УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ

2.1 Физико-географическая характеристика Климат исследуемого горнодобывающего района определяется его расположением в глубине Евроазиатского континента, на значительном удалении от морей и океанов. Располагаясь в умеренных широтах, район находится под влиянием радиационных условий и циркуляционных процессов, развивающихся на Европейской территории России. Низкогорный Южный Урал служит климаторазделом между Русской и Западно-Сибирской равнинами.

Среднемесячные температуры самого холодного месяца года – января – изменяются в направлении с запада на восток от –11,6° до –17,9°С.

Абсолютные минимумы температур воздуха на юго-востоке опускаются до – 49°С. Теплый период года со среднесуточной температурой воздуха выше 0°С составляет 67 месяцев и длится с апреля по октябрь. Средняя месячная температура воздуха в июле повышается с севера на юг региона от +16° до 22,6°С. Максимальные температуры воздуха летом могут подниматься до 43°С. Наиболее высокие температуры характерны для сухостепной зоны в продолжительные засушливые периоды при интенсивных малоподвижных антициклонах. Лесостепная часть исследуемой территории характеризуется несколько большей влажностью, а сухостепная зона – недостаточным и неустойчивым типом климатических условий. Коэффициент увлажнения распределяется крайне неравномерно (рисунок 2.1), особенно по сезонам года.

До 6070% их выпадает в холодный период года, составляя в среднем от до 450 мм. Летом бывают ливневые или затяжные дожди.

Атмосферные осадки имеют минерализацию до 60 мг/л и относятся к сульфатному типу. Химический состав их варьирует от сульфатно-хлоридного до сульфатно-гидрокарбонатного [42, 86, 122, 173]. С повышением температуры и испарения растет упругость и количество паров воды в атмосфере с января (2 мб) до июля (16 мб). Относительная влажность изменяется от 85% в ноябре–декабре до 55% в мае. Дефицит насыщения воздуха водяными парами зимой составляет 0,4 мб., а к концу июня достигает направлений.

Рисунок 2.1 Климатическая карта-схема Оренбуржья и соседних районов:

1 – изогиеты; 2 – изолинии слоя испарения; 3 – изотермы января;

Испаряемость в степной зоне превышает годовое количество осадков на 200300 мм. Дефицит влаги усугубляется неравномерным выпадением осадков и частой повторяемостью засушливых условий погоды в весенне-летний период. На возвышенностях количество осадков увеличивается по сравнению с равнинными участками. На наветренных склонах возвышенностей и в предгорьях количество осадков возрастает до 5060 мм в год на каждые 100 м высоты. На подветренных восточных и юго-восточных склонах происходит уменьшение осадков в среднем на 12%. На исследуемой территории господствуют континентальные массы умеренного, относительно сухого, сильно прогретого летом и холодного зимой воздуха. Циклоны с Атлантики формируют облачность и осадки, смягчая зимние холода и летнюю жару. Устойчивые и обширные, преимущественно арктические антициклоны формируют воздух со свойствами сухого тропического воздуха. В теплое время года тропические массы воздуха со Средиземноморья сопровождаются сильными ветрами, ливнями с грозами и часто с градом. Сухие и холодные арктические массы прогреваются летом и охлаждаются зимой. Они несут малооблачную морозную погоду без осадков зимой и жаркую летом, вызывая весной и осенью в ночное время заморозки.

Гидрологически исследуемый район относится к бассейну р. Урал.

Главной речной системой является Уральская с притоками: Сакмарой, Орью, Кумаком и др. Большинство этих рек относится к малым и средним. Почти все реки равнинные, за исключением отдельных участков долины Урала в пределах Орского и Хабарнинского ущелий, Губерли и других мелких речек, имеющих в верховьях горный характер.

Снеговая составляющая речного стока достигает 6080% от годового стока рек, а доля дождевого питания не превышает 12%. Подземный сток колеблется в интервале от 13 до 38%. Снеговое питание обусловило неравномерность речного стока. Весенний сток достигает 8096%, что оказывает влияние на формирование вертикальной гидрогеологической зональности [42] и гидрогеохимические особенности подземных вод (рисунок 2.2). Речные воды в горных районах имеют минерализацию 0,50.6 г/л и гидрокарбонатно-кальциево-магниевый (натриевый) состав. На юге и на равнинах минерализация вод возрастает до 1,5 г/л, а состав сменяется на гидрокарбонатно-хлоридно-сульфатно-натриево-кальциевомагниевый. Загипсованность и засоленность пород региона оказывает влияние на химический состав подземных и поверхностных вод. В регионе имеется несколько сот искусственных водоемов, прудов и водохранилищ на Урале и его притоках. Ряд малых рек имеют сток только весной, пересыхая и превращаясь в цепочки плесов летом. Общий сток рек уменьшается в южном и юго-восточном направлениях с уменьшением количества осадков и ростом испаряемости.

Модуль стока с территории бассейнов рек лесостепной зоны (Сакмара и др.) достигает 3,56,0 л/сек с 1 км2, а в степной зоне снижается до 1,5 л/с·км2.

Рисунок 2.2 Гидрогеохимическая зональность подземной составляющей стока рек Оренбуржья и сопредельных районов (по [121 с уточнениями автора]) Анионный состав воды: 1 – гидрокарбонатный; 2 – гидрокарбонатный и гидрокарбонатно-сульфатный; 3 – сульфатный в пределах площадей развития гипсов и ангидритов; 4 – гидрокарбонатный и гидрокарбонатно-хлоридный; 5 – хлоридный. Границы: 6 – ландшафтно-климатических зон; 7 – положительных форм рельефа; 8 – подземных вод разного анионного состава Характеристика рек региона. Урал является третьей по длине рекой Европы после Волги и Дуная. Он берет начало у подножия хребта Уралтау на высоте 637 м над уровнем моря и впадает в Каспийское море на уровне -27 м (ниже уровня Мирового океана). Длина реки 2428 км, площадь бассейна км2. Она охватывает 3 административные области России (Башкортостан, Челябинскую и Оренбургскую области и 3 региона Казахстана). Ширина долины Урала изменяется от 4 до 20 км, сужаясь в районе Орских и Хабарнинских ворот до 1,00,8 км. Ширина русла изменяется в пределах от 40 до 200 м. Глубина воды составляет в среднем 1,52 м, а на плесах возрастает до 810 м. Для реки характерно резко выраженная неравномерность расхода воды. Так, расход воды в весеннее половодье достигает 10 тыс. м3/сек при минимальном расходе в межень всего 12,3 м3/сек. В многоводные годы общий сток в 10 раз превышает сток в маловодье. Крупными правыми притоками Урала являются реки Таналык, Губерля, Сакмара и др.; левыми – Суундук, Кумак, Орь, Киялыбуртя, Уртабуртя и др.

Река Сакмара является крупнейшим правым притоком Урала. Она берет начало на склонах хр. Уралтау на Южном Урале и течет на юг в широкой горной долине. Длина реки – 798 км. В районе г. Кувандыка река приобретает широтное направление течения. Долина расширяется и приобретает одностороннюю асимметрию с гористым правобережным склоном. Объем стока Сакмары при среднегодовом расходе 144 м3/сек превышает водность Урала. Ширина русла реки достигает 120 м при глубине на плесах до 35 м. Притоки Сакмары: Куруил, Касмарка, Большой Ик и др. – берут начало с горного Урала и Общего Сырта.

Река Таналык – правый приток Урала, берет начало в отрогах хр. Ирендык на Южном Урале и впадает в Таналыкский залив Ириклинского водохранилища.

Река Губерля – правый приток Урала, берет начало в южных отрогах хр.

Уралтау и протекает по Саринскому плато преимущественно в узком ущелье со скалистыми берегами. В низовьях река пересекает эрозионно-денудационный мелкосопочник Губерлинских гор. Протяженность реки – 111 км, среднегодовой сток – 3,33 м3/сек.

Река Суундук – левобережный приток Урала, берет начало на Зауральской возвышенности и впадает в Ириклинское водохранилище. Долина реки заложена в скальных породах и имеет развитую пойму и две цокольные террасы.

Маловодные ее притоки в межень пересыхают.

Река Кумак – левобережный приток Урала – берет начало от слияния двух истоков (Кокпекты и Котансу) на Урало-Тобольском плато, пересекая его в субширотном направлении. Река типично снегового питания и отличается большими перепадами объемов стока по сезонам года. Среднегодовой расход реки – около 6 м3/сек. В верхнем течении создано водорегулирующее Кумакское водохранилище. На большом протяжении река протекает в песчаном русле, маловодные ее притоки летом пересыхают.

Река Орь – левый приток Урала, берет начало на склонах Мугоджар. Длина реки – 232 км. Это типичная река сухих степей со снеговым питанием ( 90%).

Максимальный расход воды в период весеннего половодья достигает 130 м 3/сек, минимальный расход в феврале составляет 0,8 м3/сек. Зимой Орь и ее притоки местами промерзают до дна, маловодные ее притоки летом пересыхают.

Другие левобережные притоки Урала – это типичные степные реки с кратковременным и высоким весенним половодьем и резко выраженной летней меженью. Зимой они местами промерзают до дна.

Ландшафтно-климатическая зональность и высотная поясность.

Характеристика ландшафтной зональности исследуемой территории нашла отражение в работах Ф.Н. Милькова, А.С. Хоментовского, А.С. Ветрова, Н.В.

Попова, Е.А. Лушникова, А.Я. Гаева, Г.А. Русскина, А.А. Чибилева и др. [33, 42, 121, 126, 134, 168, 199-201, 207, 208].

Исследуемая территория приурочена на севере к лесостепной ландшафтноклиматической зоне, которая к югу сменяется степной и сухостепной зонами (рисунок 2.3). В лесостепной части территории развиты серые и темно-серые почвы и выщелоченные, деградированные черноземы. Южная граница лесостепи проходит по 54-й параллели. Встречаются березовые перелески с примесью дуба, осины и хвойных деревьев. На песках сохранились реликтовые сосновые боры, но преобладают широколиственные леса.

В степной зоне развиты обыкновенные и южные черноземы, а на юге – темно-каштановые и суглинистые почвы с пониженной мощностью гумусового горизонта. Мощность черноземов на хорошо возделываемых землях достигает 0,50,7 м. Из растительности преобладают ковыльно-типчаково-разнотравные степи с овсяницей степной, тонконогом стройным, астрагалом, эфедрой, житником пустынным и пр. Значительные площади приходятся на смытые в разной степени почвы, меньше распространены лугово-черноземные, луговоболотные, аллювиальные почвы, солонцы, а также слабо закрепленные и бугристые пески [19, 20, 107]. Черноземы приурочены к водораздельным плато, склонам сыртов, высоким террасам [107]. Почвообразующими породами в северной части территории служат верхнепермские породы, а южнее – мезозойские и кайнозойские осадки. На склонах возвышенностей из-за эрозии сформировался укороченный гумусовый профиль, а в понижениях рельефа мощность гумусового горизонта повышена.

Рисунок 2.3 Ландшафтно-климатические зоны Оренбуржья и сопредельных районов [с учетом работ 19, 20, 33, 126, 168, 207, 208] I – Южнотаежная зона: 1 – горные серые лесные почвы. II–Лесостепная эона: 2 – черноземы оподзоленные, выщелоченные, типичные; 3 – горные черноземы. III– Степная зона: 4 – черноземы обыкновенные южные; 5 – темно-каштановые и каштановые почвы. IV – Сухостепная зона: 6 – светло-каштановые и бурые почвы. 7 – границы ландшафтно-климатических зон; 8 – границы разных типов В условиях сухих степей сформировались светло-каштановые и бурые почвы с пониженной мощностью гумусового горизонта с повышенным количеством карбонатных включений и загипсованными слоями горных пород мощностью в 23 м. Грунтовые воды на правобережье Урала залегают глубже м и не принимают участия в почвообразовательных процессах. Южные черноземы развиты на умеренно карбонатизированных, но незасоленных, бурых сыртовых, элювиально-делювиальных суглинках, глинах и реже пылеватых супесях. Лугово-черноземные почвы формируются в условиях повышенного увлажнения в нижних частях склонов. Они развиты на карбонатизированных делювиальных суглинках с тяжелым механическим составом. Лугово-болотные почвы встречаются в понижениях рельефа, на пойменных террасах, затопляемых более чем на 30 дней ежегодно и подтопляемых грунтовыми водами, залегающими не глубже 1,5 м. Они зарастают осокой, ситником и тростником.

Солонцы по характеру водного режима подразделяются на: автоморфные, полугидроморфные и гидроморфные. Первые развиты на засоленных породах при распространены в понижениях рельефа и на древних речных террасах с верховодкой и глубоко залегающими грунтовыми водами (> 5 м). Третьи развиваются на поймах с глубиной залегания грунтовых вод 13 м.

Аллювиальные почвы развиваются при затоплении аллювия в паводки и представлены тремя подтипами: 1) дерновыми насыщенными, 2) луговыми насыщенными и 3) лугово-болотными.

Исследуемая территория занята пахотой или пастбищами. Растительность представлена степными сообществами и сохранилась только на нераспаханных склонах и холмах. Типичными являются плакорные степи [107]. На крутых склонах растительность становится более редкой и скудной. Южнее, в полосе ксероморфными степными и лугово-степными видами. В понижениях рельефа и у встречаются фрагменты луговых степей, аналогичных лесостепной зоне. Имеют солонцеватые степные участки.

Лесистость на исследуемой территории не превышает 3 %. Растительность представлена лесными, луговыми и болотными фитоценозами. Участки лесной растительности сохранились по склонам и вершинам балок и холмов, в поймах рек и на песчаных террасах. Выделяются пойменные ивовые заросли, тополевники, дубравы, березово-осиновые колки на песках и по степным западинам, байрачные леса, водораздельные дубравы, нагорные березняки и черноольшаники.

Животные представлены беспозвоночными. Из насекомых преобладают муравьи, мухи, жуки. В лесных колках и в зарослях кустарников много бабочек, особенно в пойменных лесах. В долинах крупных рек в засушливые годы размножается саранча [168, 208].

Рельеф района Гайского месторождения приурочен к орографической области низкогорного складчато-глыбового Урала (рисунок 2.4). Хребты и увалы Южного Урала соответствуют тектоническим структурам и антиклинориям, а понижения – синклинориям, к которым приурочены речные долины меридионального простирания. Долины широтного простирания, пересекающие хребты, заложены в приразломных зонах.

Водораздельные хребты выполаживаются в южном направлении, переходя в приподнятые равнины-плато. Урал-Тау представляет собой стержневой хребет Южного Урала, сменяемый южнее Зилаирским и Саринским плато. Саринское плато с юга обрамляется Губерлинскими горами с отметками меньше, чем у плато, которые они обрамляют. В геоморфологическом отношении исследуемая территория по А.Д. Наумову приурочена к крупным морфоструктурам Уральских гор [189]. Основу рельефа исследуемой территории составляют плато, образованные путем пенепленизации, главным образом, в мезозое. Особенность пенеплена – их несогласованность с формами домезозойских геологических тел, они являются секущими по отношению к слоистости, тектоническим и магматическим контактам. Вторая особенность территории заключается в глубокой химической проработке домезозойского геологического субстрата, в результате которой произошло значительное очищение горных пород от водорастворимых солей.

пенепленизированной территории. Меридиональные зоны опусканий проявили себя, как области мезозойского и кайнозойского осадконакопления (ТаналыкБаймакская, Орская и Аккермановская депрессии). Депрессии были заполнены глинистыми осадками, которые превратились в экраны для потоков подземных вод, что способствует формированию артезианских бассейнов. Зоны тектонических поднятий в неоген-четвертичное время испытали сильное эрозионное расчленение (Губерлинские горы). Это создало условия для хорошего дренажа массивов горных пород и высокой степени их промытости. Поэтому в горной части территории встречаются родники с минерализацией всего 0,10,2 г/л (например, родники хр. Шайтан-Тау).

Рисунок 2.4 Элементы рельефа исследуемого района и сопредельных территорий [по 42, 71 с дополнениями автора] Важнейшими элементами рельефа Урала являются речные долины и, прежде всего, долина р. Урал. Там, где долина совпадает с мезозойскими эрозионно-тектоническими депрессиями, она имеет широкую (до 12 км) аккумулятивную часть, сложенную аллювием поймы и четырех-пяти надпойменных террас. Высота верхней террасы над урезом воды в реке достигает 50 м, ее возраст донеогеновый. Там, где река пересекает неотектоническое поднятие, ее долина резко сужается и лишается террас (Орские Ворота, Хабарнинское ущелье). Ширина поймы Урала и Сакмары достигает 46 км.

Формирование природных вод региона определяется особенностями геологического строения и истории геологического развития территории.

Процессы формирования вод исследовались с середины ХХ в. Этому способствовали геолого-съемочные и поисково-разведочные работы и обобщения полученных материалов в трудах А.H. Заварицкого (1946), Л.С. Либровича (1936), А.H. Мазаровича (1936), В.Л. Малютина (1948), З.А. Малютиной (1959), Б.В.

Наливкина (1941), Д.H. Ожиганова (1964), H.К. Разумовского, А.В. Хабакова (1941), В.И. Скрипиля, М.С. Недожогина и H.А. Сибирской (1962), Г.H.

Теодоровича (1940,1941), А.С. Хоментовского (1950,1953), А.Л. Яншина (1964), В.Л. Яхимович (1965) и др. Позднее схемы геологического строения уточнялись и детализировались В.А. Гаряиновым (1980), В.С. Дубининым (1972), А.Д.

Hаумовым (1981), И.И. Никитиным (1975), Б.П. Потапенко (1960), И.А.

Смирновой, В.Л. Черкасовым и др. (1989), В.П. Твердохлебовым (1967), М.Д.

Тесаловским (1972), А.Ф. Шараповым (1975).

Стратиграфия. Самые древние породы территории представлены метаморфическими толщами докембрия на Саринском плато, в бассейне правого притока р. Урал р. Губерли. Это сланцы, кварциты и эклогиты. Кембрийские рифы выходят на поверхность у г. Кувандык. Ордовикско-силурийские метаморфизованные песчаники кидрясовской свиты, силурийские кремнистые породы сакмарской свиты и ордовикско-силурийские эффузивы базальтоидного состава вскрыты в районе Гайского медно-колчеданного месторождения.

Породы девонского возраста представлены лавовыми и туфовыми образованиями основного и кислого состава мощностью до нескольких километров, включающих залежи колчеданных руд, в том числе и уникального Гайского месторождения. Широко распространены также терригенные породы, образованные в результате размыва и переотложения вулканитов (улутауская и зилаирская свиты) и кремнистые породы (мазовская свита нижнего девона и яшмовая бугулыгырская толща живетского яруса). Реже встречаются рифовые известняки.

Нижне-каменноугольные карбонатные толщи значительной мощности вскрыты в Аккермановской и Орской депрессиях. В районе Суундукского гранитного массива нижнекаменноугольные известняки на значительной площади метаморфизованы. Имеют место также нижне-каменноугольные вулканиты, содержащие полиметаллические руды.

Среднеюрские образования представлены кварцевыми песками, местами – галечниками и конгломератами в основании разреза. В базальной части их разреза в Орской и Аккермановской депрессиях вскрыты осадочные железные руды.

Глинистая толща средней юры с прослоями песков в Орской депрессии вскрыта в пределах первых десятков метров, но их мощность на других участках депрессий может достигать 200 м.

Отложения верхней юры и нижнего мела представлены глинами, аргиллитами, алевролитами, мергелями мелководного морского происхождения с прослоями песчаников и известняков. В них присутствуют фосфоритовые прослои. Глинистые верхнеюрские и нижнемеловые темно-серые глины волжского и аптского ярусов загипсованы.

Неогеновые сероцветно-красноцветные ("кавардачные") глины содержат включения гипса мощностью до 12 м. Небольшие речки: Бурля, Ташла и Соленая, впадающие в Ириклинское водохранилище и пересыхающий ручей Ащи-сай в Оренбургском заповеднике дренируют эти породы и имеют солоноватую воду. Неогеновые отложения акчагыльского яруса заполняют погребенные долины рек Урала и Сакмары. С ними нередко связаны солоноватые подземные воды в переуглубленных участках речных долин. Отложения неогена представлены известковистыми лессовидными суглинками, глинами, а в основании – песками и галечниками. Мощность толщи достигает 40 м. Она залегает на пологих склонах, а совместно с акчагыльскими отложениями – в погребенных донеогеновых речных долинах Урала и Сакмары.

отсутствуют только в узких зонах неотектонических поднятий Орских ворот и Хабарнинского ущелья. Песчано-галечные отложения русловой фации поймы и I террасы имеют мощность от 34 до 812 м, иногда достигая 20 м. С этими отложениями в районе исследований связаны крупные запасы пресных подземных вод.

Четвертичные отложения малых водотоков выделяются в виде ложкового аллювия. В Орске отложения ложкового аллювия исследованы наиболее детально и, в значительной степени, представляют собой миниатюрные копии отложений крупных рек.

Тектоника. В строении региона выделяются следующие тектонические структуры (рисунок 2.5) [73]: 1) Уральская пост миогеосинклинальная эвгеосинклинальная складчатая область с Тагило-Магнитогорским прогибом, неоднозначности истории геотектонического развития свидетельствует характеризующимся относительно стабильным неотектоническим режимом и даже отрицательными движениями.

Вдоль западных склонов Уральских гор протягивается Предуральский краевой прогиб. Он заполнен продуктами разрушения складчатой горной системы и отделяет складчато-глыбовые структуры Южного Урала от платформенных структур Русской плиты. Кристаллический фундамент в прогибе погружен на глубину до 16 км и более.

Горно-складчатые сооружения Урала четко подразделяются на две подобласти: постмиогеосинклинальную и постэвгеосинклинальную. Первая представляет собой авлакогенообразный мегамоноклинорий. Он сложен преимущественно породами протерозойского возраста, осложнен блоковыми поднятиями типа Тараташского и ограничен с запада и востока глубинными разломами и системой крупных надвигов.

Западно-Уральскую зону складчатости, геологический разрез которой близок к платформенному в интервале пород эйфельско-нижнепермского возраста. К ядрам антиклиналей Центрально-Уральского поднятия приурочены наиболее древние породы. Толстослоистые известняки, доломиты и песчаники палеозойского возраста смяты в крупные меридиональные складки и чередуются с тонкослоистыми песчано-глинистыми и карбонатно-глинистыми породами, образующими мелкоскладчатые формы ЦентральноУральское поднятие сложено метаморфическими и осадочными породами Рисунок 2.5 Схема тектонического строения Урала (по данным В.А.

Клубова, М.Ф. Мирчинка, С.П. Максимова, П.А. Софроницкого, И.Д.

Соболева, Л.К. Галкина и др. по [42, 73] с уточнением): а – границы крупнейших (надпорядковых) структур, платформы, предгорного прогиба, горно-складчатых сооружений; б – границы антеклиз, синеклиз горноскладчатых сооружений; в – границы крупных (I порядка) структур:

поднятий, впадин, сводов, прогибов, моноклиналей, зон складча тости;

г – границы вершин и выступов сводов, седловин; д – КамскоКинельская система межформационных прогибов нижнего карбона. I. ВолгоУральская антеклиза. Своды: I-1 – Сысольский, I-2 – Коми-Пермяцкий, I-3 – Котельничский, I-4 – Немский, I-5 – Пермский, I-6 – Токмовский, I-7 – Кукморский, I-8 – Башкирский, I-9 – Альметьевско-Белебеевский, I-10 – Жигулевско-Пугачевский, I.11 – Оренбургский, I-12 – Прибортовая группа выступов. Впадины и прогибы: I-13 – Казанско-Кажимский, I-14 – Верхнекамская, I-15 – Мелекесская, I-16 – Благовещенская, I-17 – Серноводско-Абдулинский, I-18 – Бузулукская. Моноклинали: I-19 – Камская, I-20 – Юго-Восточный склон Русской платформы. Седловины: а – Леткинская, б – Чепецкая, в – Чермозская, г – Марийская, д – Казанская, е – Бирская, ж – Урало-Сакмарская. Вершины и выступы: 1 – Веслянский, 2 – Климковский, 3 – Санчурская, 4 – Марпосадская, 5 – Канашская, 6 – Альметьевская, 7 – Белебеевская, 8 – Жигулевско-Покровский, 9 – Балаковский, 10 – Пилюгина-Ивановский, 11 – Шарлыкский, 12 – Новосергиевский, 13 – Архангельский, 14 – Переволоцкий, 15 – КамелекЧаганский, 16 – Соболевский, 17 – Ташлинский, 18 – Соль-Илецкий. II.

Предуральский краевой прогиб. Впадины: II-1 – Соликамская, II-2 – Юрюзано-Сылвенская, II-3 – Бельская. III. Горно-складчатый Урал. III-1 – Уральская постмиогеосинклинальная складчатая область, включающая: IIIА – Западно-Уральскую внешнюю зону складчатости и III-Б – ЦентральноУральское поднятие. III-2 – Уральская постэвгеосинклинальная складчатая область, включающая: III-B – Тагило-Магнитогорский прогиб, III-Г – Восточно-Уральское поднятие и III-Д – Восточно-Уральский прогиб. IV.

Московская синеклиза. V. Прикаспийская синеклиза доордовикского возраста. Они простираются субмеридионально. К ядрам антиклинориев приурочена мощная серия обломочных и метаморфических пород преимущественно рифейского возраста. Синклинальные складки сложены песчаниками, сланцами, карбонатно-терригенными разностями ордовиксконижнекаменноугольного возраста. Помимо субмеридиональных структур и тектонических разломов большое значение имеют и структуры субширотного простирания. Эти структуры относятся к доуралидам [42].

Постэвгеосинклинальная подобласть Урала представлена структурами Тагило-Магнитогорского прогиба и Восточно-Уральского поднятия (рисунок 2.5). Прогибы состоят из ряда синклинориев, в центральных частях которых залегают известняки среднекаменноугольного возраста, а в грабенах и мульдах – мезозойские угленосные образования. Восточно-Уральское поднятие состоит преимущественно из антиклинориев, в ядрах, которых залегают массивы гранито-гнейсов. Формирование этих массивов завершилось в варисский этап тектогенеза, однако их субстрат, вероятно, более древний. В процессе формирования уралид он подвергся гранитизации. Синклинальные структуры сложены эффузивными породами ордовикского и силурийского возраста, а нижнекаменноугольного возраста. Глубинные разломы фиксируются интрузиями ультраосновных пород в краевых зонах Тагило-Магнитогорского прогиба и Восточно-Уральского поднятия. Субширотные структуры и тектонические разломы намечаются и в пределах постэвгеосинклинали. Их гидрогеологическая роль находится в тесной зависимости от неотектонического режима. При стабильном неотектоническом режиме открытые трещины залечиваются в течение относительно короткого геологического времени, не превышающего ста тысяч лет, и могут после этого превратиться в экранирующие [26]. Наиболее интенсивные поднятия с амплитудой до 500800 м и более произошли в неоген-четвертичное время в северной части Южного Урала (рисунок 2.6). В Предуралье движения были неравномерными, более активными на сводах кристаллического фундамента и крупных поднятиях (до 300350 м), и незначительными и даже отрицательными – во впадинах и прогибах. Этими движениями гидрогеологически обновлена тектоническая трещиноватость.

Рисунок 2.6 Карта-схема новейшей тектоники Урала (по А.П. Сигову) [42, 73]: 1 – изолинии амплитуд новейших поднятий, 2 – границы геоморфологических районов. Геоморфологические районы: I. Русская равнина. I-А – приподнятая денудационная равнина: I А 1 – Тимонид, I А 2 – Северных увалов, I А3 – Верхнекамско-Вятской возвышенности, I А4 – Тулвинской возвышенности, I А5 – Уфимского плато, I Аб – Приволжской возвышенности, I А7 – Бугульминско-Белебеевской возвышенности, I А 8 Общего Сырта. I Б - денудационная равнина. I B – континентально-морская аккумулятивная равнина. II. Уральское горное сооружение. II А – приподнятые горные массивы: II А 1 – Северного и Среднего Урала, II А 2 – Южного Урала. II Б – остаточные горы: II Б 1 – Западного склона Урала, II Б 2 – осевой части Среднего Урала, II Б 3 – Восточного склона Урала. II В – пенеплен: II В1 – отпрепарированный Северного и Среднего Урала, II В2 – приподнятый Южного Урала, II В3 – отпрепарированный Южного Урала, II В – косоприподнятый Зилаирского плато, II В5 – приподнятый отпрепарированный Южного Урала, II B 6 – погребенный Южного Урала, II В 7 – Южного Урала. III. Западно-Сибирская и Тургайская низменности: III A – континентально-морская цокольная равнина Зауралья. II Б – континентальноморская аккумулятивная равнина Зауралья. IIIВ – континентально-морская Исследователи выделяют ордовикский и ордовикско-верхнепалеозойский этапы геосинклинального развития региона. Видимо, условия раннего нижнесреднепротерозойского этапа первого цикла развития Урала были промежуточными между субплатформенными и миогеосинклинальными. Затем господствовали условия миогеосинклинали, которые на последних этапах эвгеосинклинальными условиями. Прогибание отдельных блоков земной коры свидетельствует смена фаций и мощностей отложений, наличие глубинных разломов и линейных аномалий магнитного поля в субмеридиональном и в субширотном направлениях.

На первых этапах активно развивались структуры субширотного простирания – доуралиды. Породы докембрия, видимо, имеют широкое развитие не только в пределах Центрально-Уральского поднятия, но и на восточном склоне Урала. Однако здесь они ассимилированы последующими процессами метаморфизма, о чем по определению Л.Н. Овчинникова и М.А.

Гаррис свидетельствует широкий диапазон абсолютного возраста разных минералов одной породы [26, 42].

В геологическом развитии горно-складчатой и платформенной частей (среднекаменноугольное время), началось интенсивное поднятие Уральской геосинклинали и формирование краевого прогиба, которые существенно нарушили гидрогеологическую связь между Уралом и Предуральем. В пермский период завершился варисский этап тектогенеза. Краевая часть Восточно-Европейской платформы и западная половина Предуральского краевого прогиба были перекрыты мощной сульфатно-галогенно-карбонатной толщей пермского возраста. Большая амплитуда краевого прогиба, меридионально-ориентированных тектонических нарушений, большая разница в физических свойствах между водами Урала и рассолами платформы, водонефтегазоэкранирующий характер сульфатно-галогенных осадков резко затруднили гидрогеологическую связь этих частей региона.

Исследуемая территория расположена в горно-складчатой части Оренбургской области. Условия формирования природных вод и их химического состава подчиняются ландшафтно-климатической зональности, высотной поясности и особенностям структурно-геологического строения территории.

Жаркий и резко континентальный климат, значительное испарение по сравнению с атмосферными осадками определяют дефицит водных ресурсов. Территория относится к бассейну р. Урал. Снеговая составляющая речного стока достигает 80% от годового стока рек, а доля дождевого питания не превышает 12%.

Подземный сток колеблется в интервале от 13 до 38%. Весенний паводковый сток составляет до 80-96%, уменьшаясь с юга на север, что определяет закономерности вертикальной гидрогеологической зональности и формирование в южных районах солоноватых и соленых подземных вод. Речные воды в горных районах имеют минерализацию 0,50.6 г/л и гидрокарбонатно-кальциево-магниевый (натриевый) состав. На юге и на равнинах минерализация вод растет до 1,5 г/л, а состав сменяется на гидрокарбонатно-хлоридно-сульфатно-натриево-кальциевомагниевый. Сток рек уменьшается в южном и юго-восточном направлениях в соответствии с уменьшением количества осадков и увеличением испаряемости. В лесостепной зоне лесная растительность сохранилась по склонам и вершинам балок и холмов, в поймах рек и на песчаных террасах. В сухостепной зоне леса и лесонасаждения занимают площадь не более 2-3 %.

На западе района выделяется орографическая область низкогорного складчато-глыбового Урала. Южный Урал представлен хребтами и увалами. С зонами поднятий связаны антиклинории, а с понижениями – синклинории. В южном направлении водораздельные хребты снижаются и выполаживаются, переходя в приподнятые равнины-плато Урал-Тау и Саринское плато. С юга Саринское плато обрамляется Губерлинскими горами. Долины рек, в частности, Урала, на участках, где они совпадают с мезозойскими эрозионнотектоническими депрессиями, имеют ширину аккумулятивной части до 12 км и сложены аллювием поймы и четырех-пяти надпойменных террас.

Горно-складчатые районы сложены метаморфическими, магматическими и вулканогенно-осадочными породами докембрия и палеозоя. Выделяются следующие тектонические структуры: 1) Уральская постмиогеосинклинальная складчатая область с Западно-Уральской внешней зоной складчатости и Центрально-Уральским поднятием; 2) Уральская постэвгеосинклинальная складчатая область с Тагило-Магнитогорским прогибом и Восточно-Уральским поднятием.

Глубинные разломы фиксируются интрузиями ультраосновных пород в краевых зонах Тагило-Магнитогорского прогиба и Восточно-Уральского поднятия. Субширотные структуры и тектонические разломы намечаются и в пределах постэвгеосинклинали. Их гидрогеологическая роль находится в тесной зависимости от неотектонического режима.

Основные ресурсы пресных вод сосредоточены в речных долинах и аллювиальных водоносных горизонтах речных пойм. В горно-складчатой части региона наряду с аллювиальными водами, распространены воды трещинного и трещинно-карстового типа.

ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ИСЛЕДОВАНИЙ

3.1 О современных гидрогеологических представлениях В.И. Вернадский ввел в науку представления о ноосфере, как новом геологическом явлении на нашей планете, где «впервые человек становится крупнейшей геологической силой» [30]. Появился термин "устойчивое развитие".

Условия такого развития определены на конференции ООН по охране ОС в Риоде-Жанейро (июнь 1992). Устойчивое развитие закреплено в "Концепции перехода РФ к устойчивому развитию" (1996). Правительством РФ отмечено, что "движение человечества к устойчивому развитию, в конечном счете, приведет к формированию предсказанной В.И. Вернадским сферы разума (ноосферы)...».

Стали активно внедряться технологии по оценке воздействия на ОС, включая подземные воды. В практике хозяйственного освоения территорий наметился переход к объемным пространственным гидрогеологическим моделям, на основе которых обосновываются и разрабатываются мероприятия по рациональному использованию водных ресурсов. Масштабность работ на крупных производственных объектах требует создания банков данных, необходимых для формирования систем гидрогеологического мониторинга. Банки данных содержат формализованную информацию как первичную, так и полученную в результате интерпретации. Но в разных организациях информация разрознена и банки построены на разных принципах [11, 12, 15, 22, 48, 49]. Гидрогеологические модели создаются по материалам архивов, баз данных и опыта специалистов.

Гидрогеологическая модель отражает представления о строении гидросферы конкретной территории, и она на каждой стадии ее освоения уточняется с появлением новых данных или подходов к интерпретации имеющихся материалов. Очень большое значение, при этом, имеет применение различных комплексов обработки и интерпретации гидрогеологической и геофизической информации. Для исследуемого района, в этой связи, можно отметить следующее:

1) информационные ресурсы рассредоточены по организациям; 2) применяются разные виды хранения и устаревшие носители; 3) информационные технологии созданы разными разработчиками для решения различных задач; 4) используются разные технические и программные средства, доступ к которым ограничен; 5) базы данных гидрогеологических и геофизических организаций построены на разных принципах; 6) отсутствуют информационные технологии, объединяющие управление данными по гидросфере данной территории. Одной из важных задач в этой работе является создание единого информационного пространства. Основой его технологии является создание пространственных геолого-геофизических и комплексных гидрогеологических моделей исследуемой территории, позволяющих оценить состояния гидросферы района и выделить зоны благоприятные для строительства водозаборов. По мере изучения и освоения объекта модели уточняются и детализируются. Их использование обеспечивает рациональное водопользование, позволяющее принимать оптимальные решения на разных этапах освоения территории.

Технология управления информационными ресурсами, необходимыми для создания таких моделей, должна быть автоматизированной, обеспечивая оперативность доступа к геолого-гидрогеологической информации и надежность долговременного ее хранения с обработкой, интерпретацией и комплексным анализом. Схема ее состоит из трех взаимосвязанных блоков [11, 71, 202].

Первый блок предназначен для создания постоянно трансформирующейся геолого-геофизической модели территории. Он включает региональный банк данных геолого-геофизической и гидрогеологической информации. Доступ к банку данных осуществляется через рабочие станции пользователей с высокоэффективной системой защиты. Банки такой информации должны создаваться при комитетах природных ресурсов регионов. Начало этому уже территориальные геологические фонды на электронных носителях и разработкой специального программного обеспечения, необходимого при построении геологических моделей объекта.

Второй блок призван решать вопросы обеспечения и организации информации по состоянию гидросферы района. Первоначально выявляются фоновые условия гидросферы и определяются качественные и, по возможности, количественные ее показатели. Строятся карты-схемы, отражающие состояние гидросферы, и они сопоставляются и анализируются с геологической моделью объекта. Таким образом, создается его гидрогеологическая модель, позволяющая дать предварительный прогноз по трансформации подземных вод и выдать рекомендации по минимизации воздействия на гидросферу путем гидрогеологически обоснованного размещения хозяйственных объектов. Кроме того, такие модели позволяют выбрать водоохранные технологии. С накоплением ретроспективных данных по состоянию гидросферы более четко проявляется динамика ее трансформации. Уточняемая при этом гидрогеологическая модель иллюстрирует зависимость трансформации гидросферы от темпов и методов освоения территории. Это позволяет более точно выбрать технические решения и скорректировать программу хозяйственных мероприятий, предотвратив негативные последствия.

Для отслеживания изменений в составе подземных вод, в которых физикохимические процессы протекают быстро, оборудуются стационарные автоматические посты. Для урбанизированных территорий следует создать банки данных на основе ГИС ARC/INFO и настольной ГИС Arc View с использованием в качестве сервера ARC/INFO, а в качестве клиентских мест специалистов – Arc View. Банк делится на группы: поверхностных и подземных вод, почвеннорастительного покрова и литосферы. Региональные и фоновые характеристики гидросферы территории целесообразно заимствовать из имеющихся по территории банков данных службы экологического мониторинга. Заимствованная информация пополняется и уточняется в результате наблюдений. Функционально банк состоит из подсистем ввода и хранения первичных данных и создания и хранения вторичных (обработанных) данных.

Третий блок включает данные дистанционных исследований, используемые для гидрогеологического моделирования и оценки состояния гидросферы [11, 82].

Эти методы (ДЗЗ) позволяют получать достоверную информацию о состоянии гидросферы. Аппаратура ДЗЗ на спутниках, работает в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и микроволновом диапазонах. Отвечают требованиям такого мониторинга отечественные космические аппараты серии "Ресурс–Ф", американская LANDSAT и французская SPOT. Спутники серии "Ресурс–Ф" выполняются на базе платформы аппарата "Метеор-3" с бортовым информационным комплексом, обеспечивающим получение информации в видимом и инфракрасном диапазонах спектра. Применяется приемная персональная станция "СканЭР". Ее программа выполнена в Windows и состоит из программы управления приемом данных (Scan Receiver) и программы просмотра и первичной обработки данных (Scan Viewer). Многократное использование данных ДЗЗ обеспечивается каталогом ДЗЗ на магнитных носителях.

Современный этап освоения гидросферы требует научного обоснования дальнейшего размещения производительных сил и новых подходов к изучению системы технология – гидросфера. Без применения дистанционных методов невозможно надежно прогнозировать состояние гидросферы. В последние десятилетия участились разрушительные стихийные явления, поэтому, настало время вернуться к широкомасштабным программам озеленения и регионального лесонасаждения, типа лесозащитных полос Вишневая Гора – Каспийское море.

Это особенно злободневно для степных вододефицитных районов Оренбуржья.

Необходимо увеличить лесистость региона хотя бы до 10 %. Только таким образом, возможно, сбалансировать равновесно-неравновесную систему: вода – порода – газ – живое вещество и начать работу по переходу к устойчивому развитию.

3.2 Методы сбора, систематизации и интерпретации материалов Сбор и обработка фактического материала производились в полевых и в камеральных условиях. Выполнен отбор проб и образцов природных и сточных вод, почв и грунтов. В лабораториях проанализирован их химический состав, включая органические вещества. По результатам анализов построены гидрогеологические эпюры-профили [12, 52-56, 173, 190, 191, 196]. Методами плазменного, полуколичественного спектрального и атомно-абсорбционного анализов в водах определены Hg, Cu, Pb, Zn, Co, Ni, Cr, Mn и Cd. Поверхностные воды опробованы в реках, ручьях, озерах и в отстойниках сточных вод разных производств. Пробы отобраны в 23-х м от берега. Анализы сведены в каталог. На гидрометеопостах собраны данные по параметрам режима: расходам, уровням воды, химическому составу, среднемесячным и среднегодовым результатам наблюдений. Изучены, в основном, воды зоны активного водообмена, которые пригодны для хозяйственно-питьевого водоснабжения, но подвержены загрязнению. Отбор проб выполнен из скважин, колодцев, шурфов и родников, а так же в центрах госсанэпиднадзора, геологических фондах, в организациях Водоканала и на предприятиях.

Собраны результаты режимных наблюдений за составом подземных вод водозаборов. Изучены изменения химического состава вод во времени и выделены участки с загрязненными водами. Выполнено гидрогеологическое районирование, и осуществлен прогноз качества природных вод. На водоемах режимные наблюдения за качеством их вод ведутся многие годы по государственной режимной сети. Эти данные обобщаются и публикуются в «Ежегодниках» специальной службы. Они представляют собой большую практическую ценность. По водозаборам результаты наблюдений не обобщаются и не сохраняются. Устанавливается только наличие или отсутствие загрязняющих веществ выше ПДК в соответствии с ГОСТ «Вода питьевая» [174-176, 178, 180].

Наблюдения должны иметь продолжительность не менее 1012-ти лет, что соответствует периоду половины цикла формирования химического состава вод [109]. Анализы вод должны выполняться не реже одного раза за сезон, но более представителен один анализ в месяц.

Кроме природных и сточных вод опробованы и собраны данные по составу почв, грунтов, илов и снега. Результаты опробования фиксировались в этикетках к пробам и образцам, в полевых дневниках, на карте фактического материала, каталоге и в сопроводительной ведомости в лабораторию. Карты фактического материала построены для каждого вида опробования: снегового, природных вод, почв и грунтов. Определена минерализация воды по сумме компонентов состава в мг/л (г/л), установлен химический тип и подтип воды по Н.С. Курнакову - М.Г.

Валяшко [59-62, 172, 173]. Определен процент ошибки анализа по результатам внутреннего и внешнего контроля. Формулой Курлова отражен химический состав воды с учетом всех макрокомпонентов (в %-экв. форме). Вычислены генетические коэффициенты (в экв. форме):

Результаты анализов систематизированы [52-56, 60-63, 69] и использованы при моделировании. Фактический материал представлен так же гидрологогидрогеологической информацией и физико-химическими анализами проб воды из различных источников и частей исследуемого района, данными по литологоминералогическому и химическому составу грунтов и анализами природных и сточных вод. Собрана информация о водном балансе, модулях водного и химического стока, данные о петрофизических свойствах пород, о структуре водного и химического стока, о составе загрязненных и сточных вод. Собраны и картографически привязаны данные об источниках загрязнения окружающей среды, о потоках и ареалах загрязнения. Установлено, что загрязняющие вещества поступают в природные воды с газопылевыми выбросами, со сточными и загрязненными водами, которые не только попадают в водотоки, реки и озера, но и фильтруются в водоносные горизонты. Формирование ареалов загрязнения установлено на основе анализа атмосферных осадков, данных о розах ветров, загрязнения почв, эрозии отвалов горных пород и некондиционных руд, качества природных вод. Воды анализировались на большой комплекс макро- и микрокомпонентов. Осуществлены наблюдения и экспериментальные работы по изучению системы вода-порода. При использовании анализов разных авторов обращалось внимание на наличие данных внешнего и внутреннего контроля. При расчете фоновых концентраций элементов не учитывались аномальные их значения, предпочтение отдавалось анализам с более высокой чувствительностью.

При опробовании горных пород, почв и илов отмечались их цвет, запах, степень дисперсности материала и наличие органических веществ. Выполнялись литолого-минералогические спектральные и химические анализы.

Использованный в работе фактический материал, отбирался с учетом способов опробования вод, уровня и результатов их статистической обработки и путем графических построений. В работе использована преимущественно классификация Курнакова - Валяшко и формула М.Г. Курлова, а так же диаграммы С.А. Дурова и Е.В. Посохова (рисунок 3.1, 3.2) [42]. Треугольники на диаграммах представляют плоские фигуры с двумя координатами, на которых Рисунок 3.1 Диаграммы химического состава природных вод исследуемого района в сравнении с другими водами региона по Е.В. Посохову а - два квадрата и два треугольника; б - упрощенная диаграмма с двумя треугольниками и одним квадратом; 1 воды микробассейнов стока в автономных элементарных геохимических ландшафтах; 2 – рассолы Предуралья; 3 - воды регионального речного стока; 4 – воды супераквальных Рисунок 3.2 Диаграмма химического состава подземных и поверхностных вод горно-складчатого Урала по С.А. Дурову [42] третий ион вычисляется из разности 100 минус сумма двух других ионов.

Совместно с квадратом, треугольники по С.А. Дурову представляют собой проекцию девяти вершинника. Проекции точек состава вод на диаграмме даны в квадрате и треугольниках. Точки состава смесей двух вод лежат на прямой, их соединяющей. Точка состава смеси проб двух вод делит отрезок прямой по правилу рычага, обратно пропорционально смешиваемым массам растворенных солей. К сожалению, диаграммы отражают только шесть элементов химического состава вод. Поэтому диаграммы дополнены нами гидрогеологическими разрезами по А.Я. Гаеву [42].

Методику построения гидрогеологических разрезов проиллюстрируем на примере района Гайского медно-колчеданного месторождения, где наряду с трещинными грунтовыми водами распространены воды верховодки (рисунок 3.3). Состав атмосферных осадков гидрокарбонатно-хлоридно-натриевый (точка А диаграммы, рисунок 3.2). Направления формирования природных вод соответствуют линиям АП и АВ диаграммы. В процессе их формирования возрастает роль кальция. По анионному составу подземные воды становятся гидрокарбонатными, а воды верховодки имеют пестрый состав. Располагая пробы вод по оси абсцисс в том порядке, в котором они проектируются соответственно по линии АП и АВ диаграммы, а показатели их состава — по оси ординат, получаем усредненные графики, которые построены аналогично, как в работе [42]. Эти графики показали, что с ростом минерализации воды уменьшается концентрация водородных ионов и несколько возрастает концентрация Сорг. Это согласуется с данными В.М. Швеца [213]. Если по оси ординат отложить абс. отм.

каждой пробы, а по оси абсцисс – концентрацию определенного компонента, то получим картину изменения химического состава воды в разрезе конкретной территории. Из суммы графиков, очевидно, что формирование химического состава вод и его изменения контролируются гипсометрическим положением вод.

Теперь в соответствии с гипсометрией гидрогеологического разреза перестраиваем графики, откладывая катионы с левой, а анионы с правой стороны от вертикальной нулевой линии по методу графика накопленных концентраций (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 Гидрогеохимический разрез трещинных вод вулканогенноосадочных пород горно-складчатой области Южного Урала. Гидродинамические зоны: А – аэрации; Б – сезонных и многолетних колебаний уровня трещинно-грунтовых вод; В – постоянного горизонтального стока [42 с уточнениями автора] Можно выбрать различное число точек на прямой АП, соответствующих станциям наблюдения. Например, на рисунке 3.3, заимствованном с дополнениями из [42], такие точки соответствуют отметкам 700, 580, 510, 420, 400, 290, 230 и 195 м. Верхние станции наблюдения соответствуют области питания территории, расположенной на склонах хребта Ирендык-Крыкты, а нижняя приурочена к базису эрозии. На гидрогеохимическом разрезе можно показать все гидродинамические зоны и параметры вод, что и выполнено автором (рисунок 3.3). Эта информация по подземным водам служит дополнением к гидрогеологическим профилям и карте, приведенным в главе 4. Такими разрезами, отражающими положение гидродинамических зон и химический состав их вод, можно охарактеризовать месторождения и районы и использовать при гидролого-гидрогеологическом районировании, дополнив данными о бассейнах стока.

вертикального гидрогеологического разреза с параллельным выделением элементарных геохимических ландшафтов и гидродинамических зон. Под гидродинамической зоной понимается часть разреза гидрогеологической структуры с одинаковыми напорообразующими факторами, скоростью фильтрации и интенсивностью водообмена [61-63]. Воды зоны активного водообмена и регионального стока дренируются долинами крупных рек [12, 40, 42].

Гидрогеологическое районирование по Н.И. Толстихину и В.А. Кирюхину [103] - это территория распространения бассейнов определенных типов скопления Гидрогеологическая структура выделяется на геологической основе и представляет собой вместилище подземных вод, относительно обособленное от смежных гидрогеологических структур.

В пределах гидрогеологических массивов района Гайского медноколчеданного месторождения с водами трещинного типа выделены гидродинамические зоны аэрации с инфильтрацией атмосферных осадков (А), сезонных и многолетних колебаний уровня трещинно-грунтовых вод (Б) и постоянного горизонтального стока (В). Воды аллювия и рек образуют единую систему потоков. При гидролого-гидрогеологическом районировании территории автор руководствовался принципом общности вертикальной зональности [42], которая синтезирует наиболее важные черты исторического развития конкретного бассейна, его части или гидрогеологической структуры. Последовательность расположения и мощность соответствующих зон, химических типов их вод в вертикальном разрезе может служить обоснованием для выделения гидрологогидрогеологических районов в пределах соответствующих бассейнов и гидрогеологических структур. Эти закономерности и использованы при построении схемы типизации территории по защищенности подземных вод от загрязнения.

Гидролого-гидрогеологическое картографирование. Расчленение приповерхностной части гидросферы с использованием гидрологогидрогеологических принципов позволяет раскрыть структуру водного и химического стока. Такой подход к изучению гидросферы разработан Б.И.

Куделиным, В.С. Самариной, И.С. Зекцером, В.А. Кирюхиным, А.Я. Гаевым, Е.А.

Лушниковым и др., и раскрывает зональный и поясной характер водного стока [42, 93, 103, 121, 173, 198]. От областей питания к областям разгрузки выделяются гидродинамические зоны Урала с элементарными геохимическими ландшафтами.

Воды зоны аэрации формируются в микробассейнах стока автономных элементарных геохимических ландшафтов. Зона сезонных колебаний уровня грунтовых вод приурочена к супераквальным ландшафтам, а зона постоянного горизонтального стока в мезо- и макробассейнах стока к субаквальным ландшафтам. Автономными являются трансэлювиальные и элювиальные элементарные геохимические ландшафты, приуроченные к повышенным элементам рельефа, в пределах которых и формируется зона аэрации. В супераквальных ландшафтах грунтовые воды в связи с сезонными колебаниями уровня поднимаются до корнеобитаемого слоя. Субаквальным ландшафтам соответствуют самые низкие элементы рельефа, в которых размещаются водоемы и водотоки. В них разгружаются воды зоны постоянного горизонтального стока, а глубина развития этой зоны зависит от структурно-гидрогеологических особенностей территории. Зоны сосредоточения подземных вод приурочены именно к макро- и мезобассейнам стока, расположенным в субаквальных и аквальных ландшафтах.

Взаимосвязь поверхностных и подземных вод зависит от проницаемости покровных отложений, коллекторских свойств пород и расчлененности рельефа.

В направлении от микробассейнов к мезобассейнам стока элювиальные и трансэлювиальные ландшафты сменяются супераквальными и субаквальными. В элювиальных ландшафтах на поверхность выходят коренные породы, а рельеф относится к структурно-эрозионному типу. Ниже по склону от денудации сохранились корневые части коры выветривания. Подземный сток в элювиальных гипсометрического положения относительно невелик. В трансэлювиальных ландшафтах, приуроченных к склонам возвышенностей, из-за слабо проницаемых покровных глинистых отложений инфильтрация атмосферных осадков и поверхностных вод в подземные горизонты практически отсутствует, а водоносность пород понижена. В супераквальных ландшафтах подземный сток увеличивается вместе с ростом неоднородности гранулометрического состава мелкозернистыми песками и даже русловой фацией. Рельеф выполаживается, и из водоемов разных размеров происходит инфильтрация вод в водоносные горизонты. В субаквальных ландшафтах распространены аллювиальные отложения, к которым приурочены зоны сосредоточения поверхностных и подземных вод. Для них характерен рост водоносности по мере снижения высотной поясности, но особенности геологического строения и неотектоники территории несколько нарушают эту закономерность и вносят различие в характер взаимосвязи поверхностных и подземных вод. Это следует учитывать при локализации загрязнения и экспертной оценке устойчивости районов к элементарными геохимическими ландшафтами позволило в камеральных условиях получить гидродинамическую основу гидрогеологической карты.

Легенда к этой карте содержит диаграммы и гидрогеологические разрезы, отражающие условия формирования подземных вод в пределах соответствующих зон [42]. В верхних гидродинамических зонах формирование вод связано только с периодами весеннего и осеннего питания, что затрудняет их изучение. Но принцип ландшафтно-гидрогеологической зональности позволяет картографировать гидродинамические зоны по ландшафтно-геохимической основе и характеризовать каждую зону осредненными гидрогеологическими параметрами.

Таблица 3.1. Характеристика высотной поясности подземного и Бассейны Гидродина- Элементарн Процесс Тип районов по Микро- Аэрации Микро- Аэрации Трансэлюпереотложение загрязнения, поскольку Микро- и Сезонных и Суперакваль- Неустойчивость Не защищены от мезобас- многолетних ные (гидровосстановительной подземного стока и сейны колебаний морфные) Мезо- и Насыщения и Субаквальщелачивание, загрязнению из-за макро- постоянного ные и бассейны горизонтально аквальные На основе этих принципов нами построены схемы типизации по защищенности подземных вод территории от загрязнения, карты ее гидрогеологического состояния и гидрогеологические профили и разрезы. Карты составлены с учетом данных режимных наблюдений на определенный момент времени с учетом режимной сети наблюдений, источников загрязнения и показателей качества вод [69]. Схемы типизации по защищенности от загрязнения геоморфологического положения участков [42]. В глинистых грунтах уровень миграции загрязняющих веществ незначителен из-за низких коэффициентов фильтрации. На таких грунтах и рекомендуется размещать наиболее опасные в экологическом отношении объекты, что само по себе является надежной мерой охраны окружающей среды. Уровень защищенности подземных вод возрастает, если рельеф участка строительства слабо расчленен, а зоны сосредоточения пресных вод отсутствуют или удалены на значительное расстояние. Наоборот, районы сосредоточения пресных поверхностных и подземных вод и участки с расчлененным рельефом, хорошо проницаемыми грунтами и водоносными породами легко уязвимы к загрязнению и рекомендуются к ограниченному хозяйственному использованию.

Источниками загрязнения подземных вод и геологической среды служат некондиционных руд, золы, сточных вод, промышленных и бытовых отходов (рисунок 3.4). Их классифицируют на: а) геотехнологические (скважины разного назначения, строительные котлованы, карьеры и пр.); б) промышленные (предприятия, фабрики, заводы, свалки промышленных отходов); в) энергетические (ТЭЦ, ГРЭС, ЛЭП, котельные); г) водохозяйственные (водозаборы и водозаборные скважины, колодцы, мелиоративные и оросительные системы); д) транспортные (железные и шоссейные дороги, трассы авиационного транспорта и продуктопроводы); е) бытовые, или селитебные (жилая застройка и сооружения по очистке хозфекальных сточных вод); ж) сельскохозяйственные, подразделяющиеся на зоотехнологические (животноводческие комплексы, - извлечение элементов из недр - полная метаморфизация вод - участки применения механических - неполная метаморфизация вод - участки применения химических - отсутствует метаморфизация вод Практическая значимость вод:

- участки загрязнения непригодные - техногенный геохимический барьер для внепроизводственного использования - участки загрязнения пригодные с - природно-техногенный Рисунок 3.4 Схематическая карта техногенной трансформации природных вод Гайского горнорудного района [69, с уточнениями автора] птицефабрики, фермы) и агрохимические (мелиорируемые и богарные земли с применением ядохимикатов и удобрений); з) военные (склады разнообразного оружия, ракетные установки, места размещения боеприпасов, разнообразные военные объекты – аэродромы, полигоны, стрельбища). Поскольку исследуемая территория относится к горнорудному району, то геотехнологические источники загрязнения природных вод являются наиболее характерными для нее. Наиболее крупными из них являются карьеры, шахты и отвалы Гайского месторождения (рисунок 3.5).

Карьеры по разработке многочисленных месторождений строительных материалов (глин, песков, песчано-гравийной смеси, известняков и пр.) так же относятся к геотехнологическим источникам загрязнения. Энергетические источники загрязнения природных вод представлены тепловыми электростанциями (Ириклинской ГРЭС, Орской и др. ТЭЦ). При сжигании огромных объемов газа и мазута выделяются диоксиды серы, оксиды азота, зола и пр. Такая ТЭЦ, как Орская выбрасывает в год 4 тыс. т загрязняющих веществ, в т.ч. вместе с золой мазута - до 0,75 т/год V2O5.

урбанизированных территориях. Техногенная нагрузка на окружающую среду передается от зданий, сооружений и коммуникаций, а так же за счет нарушения грунтов, асфальтирования и бетонирования территории, вибрационного и шумового воздействия оборудования и механизмов, повышенной напряженности электромагнитных, гравитационных, сейсмических и иных полей. Эти воздействия вызывают изменения водного режима, рельефа местности и плотности грунтов. Изменяются характер инфильтрации атмосферных осадков, динамика и химизм водного стока, загрязняется окружающая среда, происходит подтопление застраиваемых территорий, активизируются суффозия и карст.

Наиболее крупными промышленными источниками загрязнения подземных вод является обогатительная фабрика Гайского ГОКа с хвостохранилищами и системой оборотного водоснабжения.

Водохозяйственные источники представлены объектами сброса неочищенных сточных вод, сельхозугодьями, мелиорируемыми сточными водами и садами-огородами, где используется вода с сухим остатком до 2 г/л. Они оказывают заметное воздействие на гидросферу и окружающую среду.