ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ СИСТЕМЫ «СОЛЕНЫЕ

ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ СИСТЕМЫ «СОЛЕНЫЕ ВОДЫ-ДОННЫЕ
ОСАДКИ» В УСЛОВИЯХ ХОЛОДНОГО КЛИМАТА
Пшенникова Н.А., Бычинский В.А.
Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, г. Иркутск, e-mail:
[email protected]
Наилучший путь к пониманию эволюции озер – это междисциплинарный подход к их
изучению. Соленые озера подобны океанам, только меньших размеров, что делает их более
уязвимыми к внешним воздействиям, включая климатические изменения. Но это, в свою
очередь, играет положительную роль в их изучении. За непродолжительный период
существования озер можно наблюдать всю историю развития озера, самые разнообразные
процессы, изменяющие и состав озерных вод, и состав донных осадков.
Объектом наших исследований являются озера Баргузинской впадины отделенной от
Байкальской котловины Баргузинским хребтом, с юго-востока – Икатским хребтом, на югозападе – Шаманским, а на северо-востоке – соединением Баргузинского, Икатского, Северои Южно-Муйского хребтов, расположенная в республике Бурятия между 53º27´ и 54º52´с.ш.,
109º41´ и 111º00´в.д. На ее территории насчитывается более 1000 озер, отличающихся
разнообразием по гидрохимическому составу, встречаются воды – пресные, содовые и
соленые. Особенно много озер встречается в южной части, к северу – реже. Озера в условиях
резкоизменяющейся сезонно-климатической обстановки Баргузинской долины существуют
неравномерно, то есть их общий химический состав и минерализация могут изменятся во
времени.
Основная задача данной работы – определить с помощью физико-химической модели,
как влияют сезонные изменения климата (зима – лето) на состав вод, и минералогию донных
отложений соленых озер Баргузинской впадины на примере озера Большое Алгинское
[Исаев, 2006; Обожин, 1984; Склярова, 2004]. Расчет равновесного состава вод и донных
отложений соленых озер выполнен с помощью программного комплекса «Селектор»
[Карпов, 2001]. Результаты термодинамического моделирования гидрогеохимических
процессов позволят дать корректное объяснение эволюции озер Баргузинской долины, что и
является научной задачей нашей работы.
Для решения поставленной задачи сформирована динамическая модель,
представленная тремя взаимодействующими системами – резервуарами (рис. 1).
Первый резервуар – это источник подземных вод, питающий второй резервуар – озеро
Большое Алгинское. Из второго резервуара, озерные воды, поступают в третий резервуар –
донные отложения, насыщенные поровыми водами.
В первый резервуар на каждом этапе времени из внешней среды поступает заданное
количество подземных вод, которое определяется величиной стока во второй резервуар, для
того, чтобы общая масса и химический состав первого резервуара на всех этапах
моделирования оставалась постоянной. Во второй резервуар, дополнительно к растворам
термального источника (первого резервуара), поступают подземные воды и атмосферные
осадки. Количество атмосферных осадков определялось на основе региональных
метеорологических данных. А количество подземных вод задано так, чтобы компенсировать
сток в третий резервуар и испарение. Из второго резервуара во внешнюю среду, согласно
сезонно-климатическим условиям, выносятся заданные количества растворенных веществ,
H2O в виде пара, сульфатов в виде растворенного SO 2-4 и минеральных фаз в виде твердого
осадка. В третий резервуар поступают озерные воды из второго резервуара, которые
частично захораниваются в донных отложениях, а частично поступают в подземные воды,
что соответствует гидрогеологическим условиям.
С помощью этого приема имитируются процессы испарения и вымораживания.
Температурный режим второго и третьего резервуаров отражает климатические условия
региона: зима 0 ºС, лето 12 ºС.
0 ,2
0, 1
Резервуар 1
Резервуар 2
Резервуар 3
0,17
водный
раствор
донные осадки
0,1
0,1
0,2
0,001
0,1
2-
0,1
So4
водный
раствор
0,03
H2O
твердые
осадки
водный
раствор
вод ный
раствор
озеро
Б. Алгинское
So42-
0,2
H2O
термальный
источник
водный
раствор
водный
раствор
0 ,2
атм. ос.
(дождь и снег)
подземные
воды
водный
раствор
подземные
воды
внешняя среда
Рисунок 1. Схема физико-химической модели «подземные воды – соленые озера» (цифры массовая доля фазы)
В настоящей модели подвижные фазы разделены на 4 группы: 1 группа представлена
водным раствором, 2 группа – твердыми фазами, 3 группа – это компонент Н2О
(растворитель), 4 – ион SO 2-4 (табл. 1). Данная модель максимально приближена к
природным условиям, характерным для аридного климата Баргузинской впадины.
Химический состав модели представлен следующими компонентами: Al–Ar–C–Ca–Cl–F–Fe–
K–Mg–Mn–N–Na–P–S–Si–H–O. Данные компоненты с необходимой полнотой отражают
химический состав озерных и подземных вод Баргузинской впадины. Общее число
вероятных компонентов, включенных в модель – 318, из них – 123 водных компонента, 18
газов и 177 твердых фаз.
Таблица 1.
Матрица макрокинетических коэффициентов переноса подвижных фаз
Группа
Резервуар Резервуар Относительное Поправка на
подвижных источник приемник
количество
количество
фаз
веществ вещества
вещества
вещества
1
0
1
0.08
0
1
0
2
0.03
-0.1
1
0
3
0
0
1
1
2
0.13
-0.2
1
2
3
0.001
-0.001
1
2
0
0.05
-0.03
1
3
0
0
0
2
2
3
0.5
0
2
3
0
0
0
3
2
0
0.3
-0.01
3
3
0
0.001
0
4
2
0
0
0.1
4
3
0
0
0
2-
Примечание: 1 группа подвижных фаз – водный раствор, 2 – твердые фазы, 3 – компонент Н2О, 4 – ион SO 4
.
Число сезонов зима-лето, под которыми в модели мы понимаем циклы перемещения
веществ между системами - резервуарами, определялось по достижению в резервуарах
неизменного состояния, по которому можно определить направление гидрогеохимической
эволюции исследуемого объекта. Например, каким образом будут накапливаться в донных
отложениях минеральные фазы, и какие элементы концентрироваться в водах при
увеличении минерализации, маркирующие зимние и летние периоды (рис. 2).
SiO2 (am)
gypsum
schoenite
1,8E-03
2,0E-02
1,4E-03
1,2E-03
1,5E-02
1,0E-03
8,0E-04
1,0E-02
6,0E-04
4,0E-04
5,0E-03
мирабилит, кальцит (моль)
calcite
1,6E-03
SiO2 (aм), гипс, шёнит (моль)
A
2,5E-02
mirabilite
2,0E-04
0,0E+00
0,0E+00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
сезоны (четные - лето, нечетные - зима)
Б
SiO2(am)
brucite
1,4E-03
gypsum
schoenite
1,2E-03
calcite
моль
1,0E-03
8,0E-04
6,0E-04
4,0E-04
2,0E-04
0,0E+00
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
сезоны (четные - лето, нечетные - зима)
Рисунок 2. Изменение содержания основных минеральных отложений оз. Б. Алгинское в зависимости от сезона
и режима испарения. A – режим испарения, при котором уровень воды в озере стабильный; Б – полное
испарение воды озера
Предварительный анализ результатов показывает, что в накоплении аутигенных
минералов в донных отложениях соленых озер Баргузинской впадины, существуют сезонные
отличия. Главной причиной отличий являются особенности криогенной эвапоритизации. В
условиях резко-континентального климата, процесс испарения может преобладать над
поступлением подземных и термальных вод, основным источником озерных вод, как в
летнее, так и в зимнее время.
Минеральный состав донных отложений, накапливаемых в летнее и зимнее время,
отличается. В зимний период вследствие образования льда, минерализация раствора
возрастает. Однако рассчитанная минерализация равновесного со льдом раствора
оказывается ниже природной. Наряду с вымораживанием продолжается процесс испарения
льда. Поэтому в модели из озерных вод удаляется как водный раствор в целом, так и
отдельно компонент H2O. Сезонное изменение минерализации озерных вод связано с тем,
что в летний период образуются флюорапатит, флюорит, аморфный кремнезем, а в зимний –
гипс, мирабилит, шёнит. Образование отличных минеральных ассоциаций, отвечающих
зимним и летним условиям, происходит главным образом за счет того, что в подземных
водах, взаимодействующих с озерными водами, при различных температурах растворимость
таких компонентов как Ca, Na, F, S, C существенно изменяется. В зимний период
минерализация водного раствора становится равновесной (неизменной) за меньшее число
циклов обмена веществом между резервуарами, чем в летний.
Литература
1. Замана Л.В. Формирование озер и болот Баргузинской впадины. – В кн.: История озер в СССР. Ч. 2
(материалы к 5-му Всесоюзному симпозиуму). Иркутск, 1979. – С. 116-119.
2. Замана Л.В. Мерзлотно-гидрогеологические и мелиоративные условия Баргузинской впадины. Новосибирск:
Наука, 1988. – 126 с.
3. Исаев В.П. Природные газы Баргузинской впадины. – Иркутск: Иркут. ун-т, 2006. – 220 с.
4. Карпов И.К., Чудненко К.В., Кулик Д.А. и др. Минимизация энергии Гиббса в геохимических системах
методом выпуклого программирования // Геохимия. – 2001. – Т. 42, №11. – С. 1207-1219.
5. Обожин В.Н., Богданов В.Т., Кликунова О.Ф. Гидрохимия рек и озер Бурятии. – Новосибирск: Наука, 1984. –
С. 81-92.
6. Склярова О.А. Геохимия и генезис озер Приольхонья (Западное Прибайкалье) // Дисс. на соиск. уч. ст. канд.
геол.-мин. наук. Иркутск, 2004. – 121 с.