Геохимия бора в подземных водах триаса и перми

Подземные воды образуются различными способами. Один из основных способов образования подземной  воды – просачивание, или инфильтрация, атмосферных осадков и поверхностных  вод (озёр, рек, морей и т.д.). По этой теории, просачивающаяся вода доходит  до водоупорного слоя и накапливается  на нём, насыщая породы пористого  и пористо-трещинноватого характера. Таким образом возникают водоносные слои, или горизонты подземных вод. Поверхность грунтовых вод, называется зеркалом грунтовых вод. Расстояние от зеркала грунтовых вод до водоупора называют мощностью водоупорного слоя.

Количество воды, просочившийся  в грунт, зависит не только от его  физических свойств, но и от количества атмосферных осадков, наклона местности  к горизонту, растительного покрова  и др. При этом длительный моросящий  дождь создает лучшие условия  для просачивания, чем обильный ливень, так как чем интенсивнее осадки, тем с большей скоростью выпавшая вода стекает по поверхности почвы.

Крутые склоны местности  увеличивают поверхностный сток и уменьшают просачивание атмосферных  осадков в грунт; пологие, наоборот, увеличивают их просачивание. Растительный покров (лес) увеличивает испарение  выпавшей влаги и в то же время  усиливает выпадение осадков. Задерживая поверхностный сток, он способствует просачиванию влаги в грунт.

Для многих территорий земного  шара инфильтрация является основным способом образования подземных  вод. Однако имеется и другой путь их образования – за счёт конденсации  водяных паров в горных породах. В тёплое время года упругость  водяного пара в воздухе больше, чем в почвенном слое и нижележащих  горных породах. Поэтому водяные  пары атмосферы непрерывно поступают  в почву и опускаются до слоя постоянных температур, расположенного на разных глубинах – от одного до нескольких десятков метров от поверхности земли. В этом слое движение паров воздуха  прекращается в связи с увеличением  упругости водяных паров при  повышении температуры в глубине  Земли. Вследствие этого возникает  встречный поток водяных паров  из глубины Земли вверх – к  слою постоянных температур. А в  зоне постоянных температур в результате столкновения двух потоков водяных  паров происходит их конденсация  с образованием подземной воды. Такая  конденсационная вода имеет большое  значение в пустынях, полупустынях и сухих степях. В знойные периоды  года она является единственным источником влаги для растительности.

Уровень грунтовых вод  подвержен постоянным колебаниям. Так, во время весеннего половодья  и паводков уровень воды в реке, поднимаясь выше уровня речного потока, направленного к реке, вызывает отток  воды из нее и подъем уровня грунтовых  вод. Это снижает высоту уровня весенних половодий. На спаде грунтовые воды начинают питать реку, и уровень  грунтовых вод понижается.

Грунтовые воды могут образовываться за счет искусственных гидротехнических сооружений например таких, как оросительные каналы.

По условиям движения в  водоносных слоях различают подземные  воды, циркулирующие в рыхлых (песчаных, гравийных и галечниковых) слоях  и в трещиноватых скальных породах.

 Подземные воды, перемещающиеся  под влиянием силы тяжести,  называются гравитационными, или  свободными, в отличие от вод,  связанных, удерживаемых молекулярными  силами, — гигроскопических, плёночных,  капиллярных и кристаллизационных.

 В зависимости от  характера пустот водовмещающих  пород подземные воды делятся  на:

поровые — в песках, галечниках и др. обломочных породах;

трещинные (жильные) — в скальных породах (гранитах, песчаниках);

карстовые (трещинно-карстовые) — в растворимых породах (известняках, доломитах, гипсах и др.).

 По условиям залегания  выделяют три типа подземных  вод: верховодку, грунтовые и напорные, или артезианские.

Верховодкой называются подземные  воды, залегающие вблизи поверхности  земли и отличающиеся непостоянством распространения. Обычно верховодка приурочена к линзам водоупорных или слабо проницаемых горных пород, перекрываемых водопроницаемыми толщами.

 Верховодка занимает  ограниченные территории, это явление  – временное, и происходит  оно в период достаточного  увлажнения; в засушливое время  гола верховодка исчезает. Верховодка  относится к первому от поверхности  земли водоупорному пласту. В  тех случаях, когда водоупорный  пласт залегает вблизи поверхности  или выходит на поверхность,  в дождливые сезоны развивается  заболачивание.

 К верховодке нередко  относят почвенные воды, или воды  почвенного слоя. Почвенные воды  представлены почти связанной  водой. Капельно-жидкая вода в почвах присутствует только в период избыточного увлажнения.

Грунтовые воды. Грунтовыми называются воды, залегающие на первом водоупорном горизонте ниже верховодки. Обычно они относятся к водонепроницаемому пласту и характеризуются более  или менее постоянным притоком воды. Грунтовые воды могут накапливаться  как в рыхлых пористых породах, так  и в твёрдых трещиноватых коллекторах. Уровень грунтовых вод представляет собой неровную поверхность, повторяющую, как правило, неровности рельефа  в сглаженной форме: на возвышенностях он ниже, в пониженных местах – выше.

 Грунтовые воды перемещаются  в сторону понижения рельефа.  Уровень грунтовых вод подвержен  постоянным колебаниям - на него  влияют различные факторы: количество  и качество выпадающих осадков,  климат, рельеф, наличие растительного  покрова, хозяйственная деятельность  человека и многое другое.

 Грунтовые воды, накапливающиеся  в аллювиальных отложениях –  один из источников водоснабжения.  Они используются как питьевая  вода, для полива. Выходы подземных  вод на поверхность называются  родниками, или ключами.

Напорные, или артезианские воды. Напорными называют такие воды, которые находятся в водоносном слое, заключенном между водоупорными слоями, и испытывают гидростатическое давление, обусловленное разностью  уровней в месте питания и  выхода воды на поверхность. Область  питания у артезианских вод обычно лежит выше области стока воды и выше выхода напорных вод на поверхность  Земли. Если в центре такой чаши заложить артезианскую скважину, то вода из нее  будет вытекать в виде фонтана  по закону сообщающихся сосудов.

 Размеры артезианских  бассейнов бывают весьма значительными  – до сотен и даже тысячи  километров. Области питания таких  бассейнов зачастую значительно  удалены от мест извлечения  воды. Так, воду, выпавшую в виде  осадков на территории Германии  и Польши, получают в артезианских  скважинах, пробуренных в Москве; в некоторых оазисах Сахары  получают воду, выпавшую в виде  осадков над Европой.

 Артезианские воды  характеризуются постоянством воды  и хорошим качеством, что немаловажно  для её практического использования.

 По происхождению выделяется  несколько типов подземных вод. 

Инфильтрационные воды образуются благодаря просачиванию с поверхности  Земли дождевых, талых и речных вод. По составу они преимущественно  гидрокарбонатно-кальциевые и магниевые. При выщелачивании гипсоносных пород формируются сульфатно-кальциевые, а при растворении соленосных — хлоридно-натриевые воды.

Конденсационные подземные  воды образуются в результате конденсации  водяных паров в порах или  трещинах пород.

Седиментационные воды формируются в процессе геологического осадкообразования и обычно представляют собой измененные захороненные воды морского происхождения — хлоридно-натриевые, хлоридно-кальциево-натриевые и др. К ним же относятся погребённые рассолы солеродных бассейнов, а также ультрапресные воды песчаных линз в моренных отложениях.

 Воды, образующиеся из  магмы при её кристаллизации  и вулканическом метаморфизме  горных пород, называются магматогенными, или ювенильными (по терминологии Э. Зюсса) [13].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Геохимия бора в подземных водах основных водоносных горизонтов водозабора СЖД
1. Распространенность бора в экосистемах города Вологды

Содержание бора в почвах

Вологодская область расположена  в таёжно-лесной зоне, для которой  характерны биогеохимические провинции  с резко выраженным недостатком  бора.

По полученным результатам  количество бора в почвах Вологодской  области различно в пределах 11.4 – 21.7 мг/кг.

Наименьшее количество бора содержат песчаные и супесчаные почвы, значительно большие количества  - в суглинистых почвах.

Рассматривая распределение  бора по профилю почв, можно отметить следующее: наибольшее количество бора содержится в верхнем горизонте  почвы. При переходе в подзолистый  или оподзоленный горизонты содержание бора уменьшается, а в иллювиальном горизонте и материнской породе вновь увеличивается.

Для эффективного плодородия почв существенное значение имеет и  содержание подвижных форм микроэлементов. Проведённые исследования показали, что по отношению к валовому количеству подвижные формы бора составляют 1 – 5% [1].

Содержание бора в подземных водах

Подземные воды области можно  использовать как ресурсы пресных  вод питьевого и хозяйственного назначения. Использование подземных  вод в целом по области составляет немногим более 2% от эксплуатационных ресурсов. Основная причина столь  низкого использования связана  с неравномерным распределением подземных вод по территории. Западная часть области вполне обеспечена подземными водами, центральная и  восточная – слабо и крайне неравномерно. В ряде районов сдерживающим фактором использования подземных вод может служить высокое содержание в них бора.

Бор является элементом, который  одновременно токсичен и жизненно необходим  для живых организмов. Он способствует увеличению содержания хлорофилла, стимулирует  фотосинтез, способствует оплодотворению, повышает урожайность овощей. В отличие  от растений, биологическая роль бора для млекопитающих мало исследована. Бор оказывает влияние на процессы обмена веществ человека, снижает  содержание сахара в крови, улучшает состояние пораженной поджелудочной  железы. При избытке бора у человека может развиться дистрофия семенников, а недостаток – ухудшает обмен  кальция, фтора и особенно магния. Содержание бора выше ПДК (0,5 мг/л) отмечается в водах натриевой группы. Водовмещающими породами при этом являются терригенные отложения триаса и верхней перми, иногда – озёрные и озёрно-аллювиальные отложения четвертичного возраста. Наибольшее количество бора – 50 мг/г – обнаружено в солоноватых водах днепровско - московского водоносного комплекса на участке развития тектонических нарушений и древней долины р. Вологды.  Источником бора в пресных водах являются хлоридно-натриевые рассолы или минерализованные воды глубоких горизонтов, когда гидравлическая связь обеспечивается через тектонически ослабленные зоны. При относительной изоляции водоносного горизонта источником бора являются обогащенные соединениями бора глинистые прослойки в водовмещающих терригенных породах.

 Большой диапазон физико-химических  условий водной среды, при которых  бор устойчив и остаётся в  растворе, к тому же бор обладает  способностью к образованию в  воде сложных устойчивых комплексов, существенно усложняет технологию  очистки питьевых вод от этих  компонентов [7].

 

 

4.2 Закономерности  распределения бора в подземных  водах основных водоносных горизонтов  водозабора СЖД

Основными эксплуатируемыми водоносными горизонтами для  города являются окско-лихвинский и днепровско-одинцовский, приуроченные к межледниковым отложения. Но эти воды как правило содержат большое количество железа в связи с чем при бурении новых скважин они были оборудованы на пермско – триасовый водоносный горизонт.

Пермско-триасовый водоносный комплекс объединяет обычно 1-3 водоносных горизонта, относящихся к отложениям ветлужской серии нижнего триаса и тотарского яруса верхней перми. Воды этих горизонтов имеют повышенную минерализацию и эксплуатируются лишь отдельными сважинами. Воды этих отложений содержат наибольшее количество бора [2].

Глубина некоторых скважин  доходит до 150 метров, они находятся  в деревянных павильонах, устье герметично, оборудованы краном для отбора проб. Местоположение скважин водозабора Вологодского отделения СЖД можно увидеть на рис. 4.1

 

Рис.4.1 – Местоположение скважин водозабора Вологодского отделения СЖД

Рис.  4.2 Геолого-технический разрез эксплуатируемых скважин

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Результаты анализа проб подземных вод водозабора

Таблица 4.1

Результаты анализа проб, в мг/л (от 19.11.10)

№ скважины	Место отбора		Концентрация
	ПДК, мг/л		0,5
1	Завокзальный р-н, ул. Молодежная – 4а		0,187
2	Во дворе ул. Можайского		0,245
3	Пер. Паровозный - 32		0,197
4	Пер. Паровозный - 32		0,154
5	Склад топлива		0,662
8	Индустриальный переулок		0,547
9	Можайское	1,014
10	Ул. Можайского	0,155
15	Вагонное депо	0,329
17	Можайского – 56а	0,371
17	У реки Шогра	0,349
18	Ул. Мишкольцская	0,706