Текст книги "Бессточные водоемы Казахстана. Том 1. Гидрохимический режим"

Озера Балкаш – Алакольской котловины издавна привлекали внимание исследователей, но в гидрохимическом отношении они стали основательно изучаться в 40 – 50 – х годах прошлого столетия. Обобщая результаты эпизодических и многолетних исследований известных ученых и их последователей, Н.М. Страхова [78], Д.Г. Сапожникова [79], В.Д. Коншина [80], М.Н. Тарасова [3], Б.А. Беремжанова [81-83], А.А. Турсунова [24; 40], Н.А. Амиргалиева [61-64] и др. по выявлению различных аспектов региональной и прикладной гидрохимии (солевой баланс, образование и динамика донных осадков, прогноз и др.) применительно к континентальным водоемам, попытаемся показать некоторые отличительные особенности протекающих в них химических процессов и состава вод.

Континентальные бессточные озера Балкаш, Сасыкколь и Алаколь собирают в себе речные, подземные и атмосферные воды. При слиянии их между собой и с водой самих озёр происходит не простой физический процесс смешения, а имеют место химические процессы, которые приводят к формированию современного солевого состава воды озер. Эти процессы объединены в общее понятие метаморфизации. Напомним, что в процессах метаморфизации большую роль могут играть: ветровое перемешивание вод и насыщение их кислородом; вдольбереговое перемещение наносов, их флотация (истирание, сегрегация), а также мутность воды, т.е. насыщение ее коллоидными веществами.

При увеличении общей минерализации воды вышеперечисленных озер с запада на восток концентрация отдельных ионов изменяется своеобразно. Так, подсчётом хлорных коэффициентов для Балкаша показано, что с запада на восток увеличивается содержание карбонат – ионов: в западной части их нет, появляются они в районе от залива Тас – арал до «узости» (Сары – Есик), а в восточной половине происходит интенсивное обогащение воды карбонатами. Хлорные коэффициенты бикарбонат и кальций ионов непрерывно понижаются. Показатели сульфат и магний ионов в крайней западной части имеют низкие значения, в направлении на восток постепенно нарастают, восточнее Тас – арала достигают высокого значения и держатся на этом уровне, на протяжении всего озера, и только в крайнем восточном плесе несколько понижаются. Процессы с участием бикарбонатных и кальциевых ионов, приводящие к садке кальцита, происходят даже в западной части озера с минерализацией воды около 2 г/л. Процессы с участием ещё и магний – иона, способствующие садке магниевого карбоната или доломита, протекают только в крайнем восточном плесе, где минерализация воды не превышает 5 г/л. Такое несоответствие между увеличением концентрации отдельных ионов и ростом общей минерализации может служить лишь указателем наличия процесса метаморфизации и является одной из отличительных особенностей аридных озер.

В настоящее время достаточно хорошо известен факт, что в гумидных озерах садка солей происходит при больших значениях минерализации и концентрации отдельных ионов (свыше 10 г/л). В воде Мирового океана и Каспийского моря с суммой солей около 30 г/л происходит садка солей только, соответственно, в глубоководных частях океана и заливе Карабогазгол с минерализацией значительно превышающей 50 г/л [24; 40]. В озерах же аридных зон происходит садка солей при значительно меньших значениях минерализации и это отличает их от водоемов гумидных зон.

В отшнуровывающихся от Балкаша заливах, где сумма солей достигает 16 г/л, наблюдается садка не только карбонатов, но и сульфатов. А при интенсивном падении уровня воды Аральского моря и резком увеличении солености, стали одновременно осаждаться карбонаты, сульфаты и хлориды. Вместо ожидаемой твердой корки безвредных карбонатов образовались маршевые и корково-пухлые солончаки, легко развеваемые ветром на большие расстояния [84; 85].

Процесс ускоренной садки (самосадки) солей в континентальных озерах обусловлен, по всей вероятности, мелководностью водоема, сильной инсоляцией, аридным климатом, интенсивным перемешиванием водных масс, т.е. прежде всего морфометрическими и климатическими факторами.

Разбирая причины и содержание процессов метаморфизации химического состава вод, необходимо руководствоваться одним из крупных достижений школы Н.С. Курнакова о направленном изменении химического состава вод и рассолов бассейнов под влиянием процессов метаморфизации. Причиной метаморфизации вод рассматриваемых озер служит смешение вод разных типов и различных концентраций, а также появлением в воде озер коллоидного глинистого материала, содержащего поглощающий комплекс. Доказано [3; 24; 81; 83], что на осаждение солей при относительно небольших значениях минерализации большую роль играют суспенгели – мельчайшие частицы наносов, образующиеся из–за постоянного турбулентного перемешивания воды ветровыми волнами, их флотации в прибрежных зонах, взмучивания ила и донных отложений, абразивного износа крупных наносов при их вдольбереговом перемешивании. Кроме того, суспенгели являются хорошими сорбентами различных макро – и микрокомпонентов, газов, катализаторами ряда химических реакций, в частности, карбонатообразования и участниками гидрохимических процессов.

Нельзя не заметить, что в результате такого пути образуются твердые соли и чистая вода, а аридный водоем освобождается от засоления. Иными словами, вступает в силу механизм самосохранения, когда мутная вода аридного водоема и рек, содержащая глинистый коллоидный материал, путем ряда химических реакций и физических процессов очищает воду от растворенных минеральных и органических веществ.

В аридное озеро поступают сульфатные, сульфатно-карбонатные воды рек, (более минерализованные) карбонатные и сульфатные воды подземного питания, а также сульфатные и карбонатные воды атмосферных осадков. Эти воды смешиваются с сульфатной водой озера. При смешении этих вод ведущим является смешение карбонатных и сульфатных вод, в результате чего происходят реакции двойного обмена, приводящие к труднообратимому изменению химического состава, т.е. к метаморфизации вод. В составе карбонатных вод (особенно грунтовых) содержится карбонат натрия. Он образуется в результате процессов осолонения солончаков, а также выветривания полевых шпатов, а затем вымывается грунтовыми водами и реагирует с сульфатами кальция и магния из сульфатных вод, вследствие чего карбонаты кальция и магния оседают, а вода озера Балкаш, так же как и озера Алаколя, обогащается сульфатом натрия:

CaSO₄ + Na₂CO₃ →CaCO₃↓+ Na₂SO₄ (1.1)

CaSO₄ + Na₂CO₃ + nH₂O → Na₂CO₃ . CaCO₃↓. 5H₂O + Na₂SO₄ + (n-5)H₂O (1.2)

MgSO₄ + Na₂CO₃ → MgCO₃↓ + Na₂SO₄ (1.3)

Относительно влияния подземных и грунтовых вод на гидрохимию водоема следует сказать следующее. Специальными гидрохимическими исследованиями установлено, что в береговых участках большинства аридных озер образуются довольно обширные и глубокие депрессии уровня грунтовых вод [11]. Эти депрессии обусловлены «фитилиевым эффектом» [24], более интенсивным испарением воды с поверхности грунтового потока, приближающегося к водоему. Выявлено также, что уровень воды в середине депрессии, площадь которой соизмерима с площадью ЗБ, примерно на 7,0 м ниже уровня воды в оз. Балкаш. Из–за наличия такой депрессии и мощного фильтрационного потока из береговой зоны озера в сторону депрессии устремляется значительная масса солей.

Как полагает профессор А.А. Турсунов, этот фактор является одним из главных расходных статей солевого баланса аридных водоемов. Аналогичные депрессии проявляются у берегов других континентальных озер и водохранилищ Казахстана.

В общем виде путь метаморфизации вод и рассолов всех типов М.Г.

Валяшко изображает следующей схемой: Р₁ + Р₂ Р₃ + твердая фаза, где Р₃– метаморфизованная вода. По мнению Б.А. Беремжанова такие реакции могут иметь место не только в аридном водоеме, но и при возникновении соответствующих условий в реках и подземных водах. Возможно, в маломинерализованных частях озера или водотоках, питающих озеро, эти реакции будут идти гораздо медленнее, но в результате длительности смешения, карбонаты кальция и магния оседают, озёрная вода обогащается сульфатом натрия [81; 82].

В исследуемых водах озер имеется гидрокарбонат кальция. До последнего времени метаморфизующее действие гидрокарбоната кальция связывали с различными реакциями двойного обмена:

Реакция Валяшко:

Специальные исследования [81] показали, что все эти реакции действительно осуществляются, но по количеству образующихся твердых фаз ведущее значение имеет первая реакция. Получающиеся в этой реакции гипс и основной карбонат магния составляют 99% новообразованного осадка. При небольшом содержании сульфата магния в растворе реакция практически не происходит, а идет только разложение гидрокарбоната кальция. Но в основной массе, например, в балкашской воде, из–за высокого содержания гидрокарбонат – и карбонат – ионов при расчёте по условной методике связывания ионов в соли сульфата магния образуется мало; и поэтому здесь должно иметь место простое разложение гидрокарбоната кальция.

Как было отмечено выше, воды, поступающие в озёра, обычно вносят с собой большое количество взвешенных минеральных веществ, в которых содержатся частицы, способные к катионному обмену. Речные и грунтовые воды карбонатного типа несут коллоидно-глинистые частицы, поглощающий комплекс которых характеризуется обилием кальция. Содержащийся в коллоидно-глинистых частицах поглощающий комплекс попадает в смесь вод и может произвести катионный обмен, приводящий к садке труднорастворимых солей и увеличению относительной концентрации сульфатов по одной или нескольким из следующих схем:

Са (п.к.) + Na₂CO₃ 2Na (п.к.) + СаCO₃ (1.8)

Са (п.к.) + Na₂ SO₄ 2Na (п.к.) + Са SO₄ (1.9)

Са SO₄ + Na₂CO₃ Na₂ SO₄ + СаCO₃ (1.10)

Са SO₄ + MgCO₃ Mg SO₄ + СаCO₃ (1.11)

Са (п.к.) + 2NaCl 2Na (п.к.) + СаCl₂ (1.12)

СаCl₂ + Na₂CO₃ 2NaCl + СаCO₃ (1.13)

СаCl₂ + MgCO₃ MgCl₂ + СаCO₃ (1.14)

Таким образом, метаморфизация воды, обусловленная реакциями ионообмена, также приводит к садке карбоната кальция.

Говоря о метаморфизации воды озера, нельзя упускать из вида прибрежную метаморфизацию, имеющую прямое влияние на изменение состава воды в озере (термин «прибрежная» метаморфизация впервые предложен Б.А. Беремжановым [81]). Балкаш в силу большой узрезанности береговой полосы имеет много заливов и шиганов. Вследствие периодического колебания уровня озера при очередном понижении его отделившиеся от Балкаша заливы, лагуны и озёра имеют самостоятельную жизнь. Вода в них быстрее и сильнее прогревается и слой испарения здесь больше, чем в открытом водоеме. В связи с этим озерная вода, являясь по существу раствором солей, постепенно концентрируясь, взаимодействует с углекислым газом воздуха, с береговыми и донными породами и поступающими в них поверхностными и грунтовыми водами. Появляется градиент концентрации, который из-за молекулярных эффектов еще больше усиливает миграцию солей из средних частей акватории озера в береговую зону. При смене направления ветра и сгоне воды большие площади мелководий обсыхают, содержащиеся в них гидрокарбонаты переходят в карбонаты, за счет «фитилиевого» эффекта соли поднимаются к поверхности, обезвоживаются, образуя белый налет. Ветер выполняет свою работу по так называемому «эоловому опреснению». Все эти процессы приводят к метаморфизации воды в отделившихся озерах.

При следующем подъёме уровня в Балкаше отделившиеся озёра затопляются и содержащиеся в них соли растворяются. Но к воде основного озера присоединяются уже не те соли, которые от неё отделились. В зависимости от глубины процессов, которые происходят в отделившихся озёрах, времени, в течение которого они были отделены, и если они успели изменить свой тип, то при воссоединении с балкашской водой они оказывают на неё метаморфизующее действие.

Накопившийся в отделившихся озерах коллоидный глинистый материал и содержащийся в них поглощающий комплекс (ПК) при смешении с балкашской водой также метаморфизует ее путем катионного обмена.

Следует отметить, что кроме многолетних больших циклов имеются более короткие периодические подъёмы и спады уровня внутри этих циклов. Кроме всего этого, на озере наблюдаются ежегодные весенние разливы и отливы. Все эти долговременные и кратковременные отделения части воды озера Балкаш в виде крупных или мелких озер приводят к полной или частичной метаморфизации, которая названа здесь прибрежной метаморфизацией воды озера. Специальными исследованиями 1986 г. автора показало, что в одном из полуотшнурованных заливов длиною около 5 км минерализация возрастала от 4,2 г/л до 9,9 г/л. Минерализация воды отшнурованных от Балкаша заливов в это время достигала 76,1 и 88,3 г/л. Аналогичное явление наблюдается и в другом аридном водоеме оз. Чаны. Здесь соленость воды постепенно возрастает по мере удаления от оз. Малый Чаны (1,17%_о) до Ярославского плеса (7,85%_о) [49]. При таких значениях минерализации в глубоких слоях воды происходит осаждение сульфатных солей. Благодаря подобному явлению многочисленные озера Прибалкашья служили и служат источником природных солей [81]. Перспективность Прибалкашья отмечалась Л.М. Гроховским [86] еще в 1963 г., который подсчитал общий запас мирабилита и тенардита в озерах, составляющий около 10 млн.т.

Такого рода метаморфизацией пренебрегать нельзя, так как до 7% воды или более 2 млн.т. солей оз. Балкаш ежегодно расходуется на отшнурование и инфильтрацию в берега [3].

Выпавшие на дно осадки солей, в частности, карбонаты кальция и магния в аридных и гумидных озерах ведут себя по – разному. В водоемах гумидной зоны, которые относительно глубоки и слой испарения здесь не превышает осадки, в толще воды и у дна накапливается достаточно большая концентрация углекислого газа, продукта жизнедеятельности биоценоза. Осаждающиеся нерастворимые карбонаты по пути ко дну взаимодействуют с диоксидом углерода, превращаясь в растворимые гидрокарбонаты. Концентрация последних постепенно может повышаться.

В водоемах аридной зоны наблюдается иная картина. Зообентос и остальные виды биоценоза здесь скапливаются не у дна, а в мелководьях, которые достаточно защищены от ветра и губительных прямых солнечных лучей. Эти участки воды в своем составе содержат мало углекислого газа. Кроме того, из–за сильного ветрового перемешивания воды происходит дегазация диоксида углерода. В связи с этим карбонаты кальция и магния, другие соли, свободно достигая дна, могут продолжительное время находиться в донных отложениях.

Исследуемые реки и озёра Прибалкашья относятся к общей системе «река – озеро», имеющей большое распространение (например, Волга, Урал – Каспий; Амударья, Сырдарья – Арал; Нура – Тениз; Кулунда, Кучук – Кучук; Бурла – Анжбулат и др.). При этом обращает на себя внимание, что в большинстве случаев в системе «река – озеро» фигуративные точки (то есть точки, отвечающие составу чистой соли) состава воды рек и конечных озер на химической диаграмме Н.С. Курнакова «состав – свойство» значительно удалены друг от друга и почти во всех случаях находятся в разных ее полях (рисунок 1.5). По всей вероятности, это обусловлено метаморфизацией воды.

Фигуративные точки состава воды рек перечисленных систем находятся в сульфатных полях диаграммы и по значению сульфатного индекса располагаются в пределах от 33 до 85%. Точки состава воды водоемов, где сконцентрированы эти речные воды, таких как Каспий, Кучук, Тениз расположены в галитовом (NaCl) поле; содержание сульфата в них значительно меньше, чем в питающих их реках и колеблется от 17 до 31%.

Фигуративная же точка состава Балкаша находится значительно выше, расположена в тенардитовом (Na₂SO₄) поле и соответствует 49% SO²⁻₄, а Алаколь ещё выше, находится в мирабилитовом (Na₂SO₄.10H₂O) поле и соответствует 56 % SO²⁻₄.

По содержанию сульфата все поверхностные воды, очевидно, можно разместить на диаграмме между двумя крайними точками. Одной из них будет океан, содержащий наименьшее количество сульфата – 6%, другой будет богатая сульфатами речная вода (условно принято, что фигуративная точка состава воды р. Урал отвечает 85% SO^2-₄).

В системе «река – озеро» в зависимости от степени и глубины метаморфизации речных вод образующийся водоём занимает место между упомянутыми точками. Бассейны морского типа и смешанные водоёмы (содержащие морские и континентальные воды) располагаются ближе к своим рекам. Например, в смешанных водоемах, как Каспий, в метаморфизующих агентах речных вод этого бассейна превалируют хлоридные воды (остатки исходной морской воды), поэтому метаморфизация здесь прошла глубоко, воды стали сульфатно-магниевыми, и фигуративная точка состава перешла в галитовое поле.

Балкаш и Алаколь – типичные бессточные континентальные водоёмы, в которых происходит скопление, перемешивание, концентрирование поверхностных и грунтовых вод только континентального происхождения. И поэтому в этих водоёмах протекают иные процессы. Вода этих озер по сравнению с водами других водоёмов является наиболее засульфаченной, хотя питающие реки по содержанию сульфатов не отличаются от рек, питающих другие водоёмы. Но здесь в метаморфизующих водах мало хлоридных, а наряду с более концентрированными сульфатными принимают участие и карбонатные воды. Поэтому в континентальных водоемах имеют место реакции, дополнительно засульфачивающие эти озера. В конечном итоге протекающая метаморфизация ненамного уменьшает сульфаты, привнесенные притоками. В результате этого точки состава этих озер по содержанию сульфата располагаются недалеко от точек состава питающих рек.

Из диаграммы видно, что и в других континентальных озерах, как Анжбулат и Тениз, в результате метаморфизации содержание сульфата уменьшается не намного.

Однако следует констатировать факт, имеющий место в природных водах, что во всех случаях систем «река – озеро», даже чисто континентального происхождения, имеет место уменьшение содержания сульфат ионов. Возможно, что одним из объяснений может служить реакция взаимодействия гидрокарбоната кальция с сульфатом магния и биохимические (гидробиологические) процессы.

Вследствие того, что в континентальных водоёмах метаморфизация идет за счёт взаимодействия главным образом карбонатных и сульфатных вод, происходит убыль ионов карбоната магния и кальция. Уменьшение содержания магния хорошо видно на диаграмме на примерах озёр Балкаш, Алаколь, Анжбулат, Кучук (рисунок 1.5).

Из всего этого вытекает, что реки, вне сомнений, хотя и играют ведущую роль в водно – солевом питании водоемов, но ожидать близкого сходства их состава не следует. Атмосферные осадки и особенно подземные воды, имеющие повышенную минерализацию, и окружающая среда оказывают большое влияние на гидрохимию водоема, что приводит к постоянно протекающей метаморфизации химического состава воды. Как следствие метаморфизации изменяется состав солей, внесенных водами. Направление и глубина метаморфизации зависят от состава метаморфизующих агентов, но в водоёмах морского или смешанного происхождения (Каспий) имеет место уменьшение содержания сульфатов, в континентальных водоёмах (Балкаш) это наблюдается в меньшей степени.

Во всех разобранных системах «река – озеро» как следствие метаморфизации наблюдается уменьшение значения магниевого индекса.

В результате процессов взаимодействия сульфатных и карбонатных вод и ионообмена, характерных только для континентальных водоёмов, сформировался солевой состав современной воды озер Балкаш и Алаколь. Из вышесказанного следует, что состав воды этих озёр должен иметь характеризующие их отличительные особенности. Одной из отличительных особенностей состава воды изучаемых озер оказалось сравнительно малое содержание в них поваренной соли. Содержание её в балкашской и алакольской воде по сравнению с каспийской и аральской водой более чем в два раза, а при сравнении с черноморской и океанической водой – почти в 2,5 раза меньше.

Наряду с малым содержанием поваренной соли вода имеет высокое значение сульфат – хлорного коэффициента SO^2-₄/Cl^-. Значение этого показателя для балкашской воды превышает аральскую в 1,5 раза, каспийскую в 2,5, океанскую и черноморскую воду – в 10 раз, а для алакольской воды это значение ещё выше.

Следующей очень интересной особенностью состава воды аридных озер является содержание магний – иона, которого в сумме ионов приблизительно столько же, сколько в воде Каспийского и Аральского морей, но содержание MgSO₄ в балкашской воде в 2, а в алакольской в 8 раз меньше.

У – Урал, С – Сыр – Дарья, Ад – Аму – Дарья, Н – Нура, И – Ертис, Бу – Бурла , Ил – Иле, Кт, Каратал, Л – Лепсы, Ас – Аксу, В – Волга, О – океан, Ч – Черное море, К – Каспийское море, А – Аральское море, Б – Балкаш, Т – Тениз, Аб – Анжбулат, Ку – р.Кулунда, К – р.Кучук, о.К. – оз.Кучук, Ж – Жаманты, Р – Ргайты, То – Тохты, Те – Тентек, Ур – Урджар, Х – Хатынсу, Э – Эмель, Кк – Каракол, (химический состав вод, кроме Прибалкашья, взят из кн.Алекина [188], индексы по Иенеке пересчитаны нами)

Рисунок 1.5 – Положение фигуративных точек состава природных вод в системе «река-озеро»

Ещё одной отличительной особенностью оказалось отсутствие в воде изучаемых озер растворённого сульфата кальция (гипса).

Отмеченные отличительные особенности состава воды в сочетании с другими свойствами должны обусловливать и состав соляных озер, образовавшихся из этой воды.