ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2007, № 4, с. 324-336
ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОПРИРОДНЫЕ ^^^^^^^^ ПРОЦЕССЫ
УДК 614.8:551.3
ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ ЭКЗОГЕННЫХ ГЕОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЕВРОПЕЙСКОЙ ЧАСТИ РОССИИ
© 2007 г. В. П. Зверев, И. А. Костикова
Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН Поступила в редакцию 09.09.2004 г.
Рассматриваются особенности химического состава атмосферных осадков, поверхностных временных склоновых водотоков, грунтовых, речных паводковых и меженных вод, обусловливающих развитие экзогенных геологических процессов Европейской России. Исследовано равновесно-неравновесное состояние природных вод, контролирующих начальные этапы развития экзогенных процессов, с минеральным веществом горных пород. Показана высокая степень неравновесности их с жидкой фазой, в результате чего происходит как растворение пород, так и их частичное преобразование, сопровождающееся выносом химических элементов, входящих в состав породообразующих минералов. Количественно оценены интенсивность и масштабы химического выветривания важнейших групп породообразующих минералов в основных ландшафтно-климатических зонах Европейской России.
Экзогенные геологические процессы - важнейший фактор, определяющий современный лик Земли и контролирующий развитие целого ряда опасных процессов [11, 13]. Под ними понимается все многообразие геологических процессов, реализуемых в поверхностных и приповерхностных частях литосферы. Они протекают в условиях постоянного присутствия жидкой фазы - природных вод: атмосферных осадков, временного склонового поверхностного стока, подземных вод верхних частей земной коры, а также речных паводковых и меженных вод. По существу все экзогенные процессы начинаются с взаимодействия в системе вода - порода как на поверхности земли, так и в зонах аэрации в условиях трехфазной системы (газ - вода - порода) и распространения подземных вод активного водообмена, характеризующихся низкой минерализацией и высокими скоростями движения (10-210-3 см/с) [6]. Это взаимодействие приводит, может быть, и к незначительным, но все же изменениям минерального и химического состава пород под влиянием водных растворов и биогеохимической деятельности и, в конечном итоге, - к изменению их физических свойств: плотности, проницаемости, прочности и т.д. Это подготавливает породу к развитию большинства экзогенных геологических процессов, и в первую очередь, карста, который полностью определяется взаимодействием воды с такими хорошо растворимыми горными породами, как галит, сульфаты и карбонаты.
Обычно при изучении экзогенных геологических процессов подземные воды рассматриваются большей частью с гидрогеомеханических пози-
ций, насыщение горных пород которыми, с одной стороны, приводит прежде всего к подъему уровня подземных вод и подтоплению территорий, а с другой - к изменению свойств пород при увеличении их влажности.
В то же время химический состав природных вод и особенности взаимодействия подземных вод различного химического состава с минеральным веществом горных пород изучены еще не достаточно полно. Что удивительно, даже при изучении карста в последние годы взаимодействию растворимых горных пород с подземными водами почему-то перестали уделять внимание, совершенно ошибочно считая, что проявления карбонатного карста следует рассматривать как реликт прошлых эпох и что растворение карбонатов реализуется только в масштабе геологического времени.
Геохимия природных вод, контролирующих экзогенные геологические процессы
Цель настоящей работы - показать особенности химического состава природных вод (атмосферных осадков, поверхностного склонового стока, грунтовых вод и рек в паводок и межень) основных ландшафтных зон Европейской территории России и продемонстрировать возможности моделирования процессов взаимодействия вод с основными типами горных пород.
Атмосферные осадки
Атмосферные осадки - важнейший геологический агент ландшафта, который имеет большое
значение в развитии выветривания и других экзогенных геологических процессов. Это те первичные водные растворы, которые, взаимодействуя с поверхностными слоями горных пород, формируют склоновые, речные и грунтовые воды.
Основными процессами, определяющими химический состав атмосферных осадков, считают ветровой вынос пыли в атмосферу с поверхности континентов, поступление в воздух солей с акватории морей и океанов, современную вулканическую деятельность и антропогенное загрязнение атмосферы отходами промышленных предприятий.
Как показали предыдущие исследования [5, 6, 9], химический состав атмосферных осадков формируется в результате совокупности процессов, обусловленных ландшафтно-климатиче-скими условиями местности, поэтому в том или ином районе вместе с атмосферными осадками выпадают примерно постоянные количества различных элементов. Таким образом, можно считать, что особенность участка поверхности Земли, определяющая насыщенность нижних слоев тропосферы химическими элементами, и состав выпадающих здесь осадков есть величины достаточно постоянные и, вероятно, могут быть приняты в качестве характеристик физико-географических условий наряду с другими показателями.
Подобная оценка была проведена для основных ландшафтных зон Европейской России. Установлены четкие закономерности в изменении содержания основных компонентов - рН,
S О2", НС 03, С1-, Са2+, контролирующих процессы взаимодействия воды и породы.
Предыдущие исследования показали, что на территории Европейской России за последние 30 лет произошло некоторое увеличение минерализации атмосферных осадков и концентрации
макрокомпонентов, в первую очередь - S 04 , С1-,
Са2+. Особо надо отметить сульфат-ион - основной загрязнитель атмосферных осадков. Его концентрация за период исследования возросла примерно в 2 раза, достигнув 10 и более мг/л. Содержание остальных макрокомпонентов также повысилось, но в меньших размерах, примерно на 1-3 мг/л за 30 лет.
Для зон избыточного и достаточного увлажнения в последние десятилетия отмечено достаточно стабильное увеличение кислотности атмосферных осадков, контролирующее снижение их рН.
В целом для Европейской России можно отметить достаточно закономерное увеличение концентрации всех макрокомпонентов в атмосферных осадках с севера на юг и с запада на восток в соответствии с общей природной ландшафтно-климатической зональностью региона (рис. 1а, 16).
мг/л 18 16 14 12 10
рН
7
5
18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
7
5
Рис. 1. Изменение химического состава атмосферных осадков, выпавших на Европейской части России: а -
- 2-
с севера на юг; б - с запада на восток. 1 - С1 ; 2 - 8 О4 ; 3 - НС 03 ; 4 - Са2+; 5 - №+; 6 - рН.
Исключение составляют районы Крайнего Севера (Нарьян-Мар, Мудьюг), для которых характерна повышенная концентрация отдельных компонентов, что, по-видимому, объясняется довольно развитой горнодобывающей и перерабатывающей промышленностью на Кольском полуострове и близостью океана.
Аномальны высокогорные районы Большого Кавказа, атмосферные осадки в которых имеют минимальные концентрации всех компонентов при максимальной их норме выпадения, превышающей 1000 мм/год.
В последние два-три десятилетия в связи с наблюдаемым закислением атмосферных осадков их роль в развитии экзогенных геологических процессов значительно возрастала.
а
8
6
мг/л 200
160
120
80
40
0
рН
8 7 6 5 4 3 2 1
Рис. 2. Изменение химического состава вод поверхностного склонового стока Европейской России с се-
вера на юг. 1 - С1 ; 2 - S О2 №+; 6 - рН.
3
■ НС О3 ; 4 - Са2+; 5 -
Время взаимодействия временных поверхностных водотоков с минеральным веществом горных пород относительно коротко. Поэтому и количество компонентов, поступающих из твердой фазы в жидкую, сравнительно невелико и соответственно концентрация макрокомпонентов в них существенно ниже, чем в постоянных водоемах, расположенных в тех же природных условиях.
Временный склоновый поверхностный сток -важный геохимический агент развития экзогенных геологических процессов, так с ним, например, связано начало формирования селевых потоков в горных районах. В связи с этим необходимо подчеркнуть, что как раз в горных районах концентрация макрокомпонентов в атмосферных осадках и поверхностных временных водотоках минимальна, что создает благоприятные условия для разрушения соединений, цементирующих достаточно рыхлые образования, и подготовки к перераспределению их по склонам.
Склоновый поверхностный сток и временные водотоки
Местный склоновый поверхностный сток - это временные водотоки, образующиеся в периоды, когда поверхностный слой почвы находится в состоянии полной водонасыщенности. По П.П. Воронко-ву [2], сток включает атмосферные воды, стекающие по поверхности склонов и по местным дренам - микроручейковой сети. В большем количестве временные водотоки обычно образуются в горных районах, где они приурочены к различным расщелинам, промоинам и т.п. Водотоки недолговечны, их существование ограничивается обычно десятками часов.
Химический состав природных вод, формирующих местный сток, тесным образом связан с климатическими и ландшафтными особенностями регионов. Для территории Европейской России это хорошо иллюстрирует рис. 2. Как видно, приведенные данные во многом сходны с закономерностями, отмеченными для химического состава атмосферных осадков.
Наименее минерализованы воды местного стока зоны избыточного увлажнения с тундрово-таежным ландшафтом. Для них характерны минимальные концентрации Mg2+, Са2+, НС О3,
Б О2". Несколько более минерализованы воды местного стока зоны достаточного увлажнения лесных и лесостепных ландшафтов. И, наконец, что естественно, наиболее минерализованы воды местных временных водотоков сухой зоны, где
концентрация Б О4 может превышать 150 мг/л.
Подземные воды
Наибольшую работу по гипергенному преобразованию горных пород и подготовке их к механическому и собственно химическому выветриванию производят подземные воды зоны активного водообмена, охватывающей самые верхние части земной коры мощностью 100-200 м.
Химический состав грунтовых вод теснейшим образом
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.