Прогнозировать изменение гидрогеохимической и геоэкологической обстановки и проследить эволюцию подземных вод Приполярного Урала и Юго-Восточного Беломорья, применяя уран-изотопный метод в комплексе с радиоуглеродным датированием – главная научная и экологическая задача архангельских ученых-гидрогеологов.
Арктические и субарктические территории обладают большим запасом пресноводных ресурсов, но в то же время их специфической особенностью является так называемая засоленность подземной гидросферы. Поэтому для рационального природопользования ученые реконструируют палеогеографические условия, что позволяет провести сравнительный анализ эволюции и состояния подземных и поверхностных вод. В частности, гидрогеологи проводят наблюдения за тем, как меняется состав подземной гидросферы, учитывая климатические и природные изменения арктической и субарктической зоны.
Эта же проблема остается актуальной для северных прибрежных территорий Беломорья. Здесь высокое качество источников водоснабжения осложнено характером гидрохимических условий водного бассейна.
Кроме того, ресурсно-добычное освоение, хранение радиоактивных отходов, движение нефтеналивных судов оказывают гибельное воздействие на природные экосистемы. Для рационального использования потенциала арктических и субарктических экосистем, а также эффективных способов улучшения снабжения качественной питьевой водой требуется оценка состояния подземных вод.
С этой целью ученые-гидрогеологи Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики УрО РАН (г. Архангельск) исследуют подземные воды, которые образуются путем смешения соленой морской воды, ледниковых талых вод, атмосферных осадков и рассолов. На основе собранных и обработанных данных специалисты составляют прогнозы и рекомендации по противодействию отрицательным природным и антропогенным факторам.
В новом проекте по гранту РФФИ «Анализ мульти-изотопными и геохимическими методами процессов эволюции подземных вод прибрежной территории в контексте кардинальных климатических и техногенных изменений в плейстоцене-голоцене (на примере Юго-Восточного Беломорья)», рассчитанном на три года (с 2020 по 2022 гг.), архангельские ученые займутся тщательным изучением поведения подземных и поверхностных вод прибрежных областей Европейского Севера, внедряя авторский метод комбинированного радиоуглеродного и уран-изотопного датирования подземных вод.
Малов Александр Иванович – доктор геолого-минералогических наук, директор Института геодинамики и геологии Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики УрО РАН
Что входит в химический состав подземных вод, какие подходы ученые применяют, чтобы узнать источники пополнения и условия формирования гидросферы и как можно получить возраст различных типов вод – об этом рассказал руководитель проекта, доктор геолого-минералогических наук, директор Института геодинамики и геологии Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики УрО РАН (ФИЦКИА УрО РАН) (г. Архангельск) Александр Иванович Малов.
«Освоение северных циркумполярных территорий рассматривается на государственном уровне как одна из приоритетных задач развития РФ, о чем свидетельствует создание Государственной комиссии по вопросам развития Арктики (Правительство РФ, 2015), принятые законодательные акты («Стратегия развития Арктической зоны РФ…», 2013; «Социально-экономическое развитие Арктической зоны РФ…», 2014) и Постановление Правительства от 31 августа 2017 года №1064 служат тому подтверждением. В связи с этим повышается необходимость полного обеспечения населения качественной питьевой и минеральной водой, заключенной в основном в подземные природные резервуары. В то же время ресурсы подземных вод здесь ограничены и требуют эффективного использования. Особенно актуально это для районов развития многолетней мерзлоты. Широкое промышленное освоение месторождений полезных ископаемых (нефть, алмазы и др.) усугубляет проблему. Поэтому важной научной задачей представляется детальная и всесторонняя оценка состояния и эволюции запасов подземных вод, составление научно обоснованных рекомендаций, позволяющих обеспечить рациональное их использование, составить прогнозы их устойчивости к природным и антропогенным воздействиям, – директор Института геодинамики и геологии Александр Малов пояснил, какое значение имеет изучение оценки состояния и эволюции запасов подземных вод в условиях техногенных преобразований и климатического изменения.
Северные прибрежные территории России характеризуются засоленностью подземной гидросферы. Здесь большую роль сыграло внедрение морских соленых вод, происходившее в межледниковый период. В итоге сформировалась уникальная гидрохимическая среда, представляющая научный интерес для специалистов разных областей, в том числе и для гидрогеологов. В этой связи интерес для ученых представляют физико-географические и изотопно-геохимические условия Северодвинского артезианского бассейна, в частности зона Юго-Восточного Беломорья. По своим характеристикам (влияние рельефа, недостаток пресной воды, локализация) этот регион нуждается в новых сведениях, необходимых для преодоления проблемы засоленности.
«Прибрежная территория Юго-Восточного Беломорья наиболее освоена, и в то же время для нее характерно крайне ограниченное использование ресурсов питьевых и минеральных подземных вод. Это связано с очень сложным характером гидрохимических условий в водоносных горизонтах. Территория расположена на берегу моря и неоднократно им затоплялась (Рис. 1, a). В эти периоды происходило засоление водоносных горизонтов (содержание солей в морской воде составляет 35 грамм на литр). В континентальные периоды происходило частичное рассоление (рассоление – это разбавление соленых вод пресной водой. При смешении морской воды, проникшей в водоносный горизонт в периоды затопления территории морем (рис. 1 а), с пресной водой (дождевой или снеговой или талой ледниковой (Рис. 1 b) происходит опреснение морской воды).
Поэтому химический состав подземных вод в настоящее время можно объяснить как смешивание соленой морской воды с пресной метеорной водой, обогащенной растворенным веществом водоносных горизонтов. Кроме того, были выявлены точки разгрузки древних рассолов в местах вблизи побережья, так что их участие в формировании химического состава подземных вод также возможно. Отсутствие четко выраженных водоупоров между водоносными горизонтами часто приводит к изменчивости параметров солености и других параметров качества воды, что затрудняет ее использование для различных целей», – комментирует доктор наук Александр Малов.
Рисунок 1. Микулинское море (a) и последующее оледенение (b): 1 - исследуемый регион; 2 - Микулинское море 115–130 тыс. лет назад; граница ледяного покрова при трех максимумах климатического охлаждения: 3 - 85, 4 - 60, 5 - 18 тыс. лет назад
Чтобы реконструировать динамику развития гидросферы Европейского Севера, Малов и его коллеги применяют свою методику оценки подземных и поверхностных вод. Прежде всего, это использование хронологических привязок основных типов подземных потоков.
«Датирование подземных вод – это определение возраста подземных вод. Это – время нахождения подземных вод под землей, в водоносном горизонте. Например, в карстовых районах дождевая или снеговая вода просачивается под землю и быстро течет под землей в хорошо проницаемых закарстованных известняках к реке, где она разгружается в виде родников. Время нахождения воды в водоносном горизонте (от выпадения капель дождя до их разгрузки в роднике) составляет дни и недели. Это и есть возраст воды, вытекающей из родника. В песках проницаемость хуже, и вода движется от места просачивания в землю до реки годы и тысячелетия. Это тоже ее возраст, –
Александр Малов объясняет, в чем состоит этот метод и как работает в полевых условиях, –
В Юго-Восточном Беломорье пресные воды имеют максимальный возраст 14-15 тысяч лет. Это связано с тем, что 115–130 тыс. лет назад территория была затоплена морем (Рис. 1 а), морская вода проникла под землю и заполнила водоносные горизонты. Затем наступило похолодание, территория покрылась слоем льда толщиной 1 км (Рис. 1 b). И только когда ледник растаял примерно 15-16 тысяч лет назад, талая вода ледника стала просачиваться под землю и продвигаться к рекам. Мы бурим водозаборную скважину возле реки, достаем с помощью погружного насоса пробу подземной воды и определяем ее возраст.
Соленые воды имеют возраст до 130 тысяч лет (если они образовались из воды Микулинского моря и сохранились, не разбавились талой водой ледника или дождевой водой в силу благоприятных для этого условий). Если же они только частично разбавились, но не заместились полностью пресной водой, то тогда они используются как минеральные воды (это демонстрирует Рис. 2)».
Рисунок 2. Схемы смешения подземных вод: А – 1) смешение морской воды с “солоноватыми1” водами с образованием “соленых Vpd”, 2) Смешение “соленых Vpd” с пресными водами с образованием “солоноватых 2”, 3) Смешение рассолов с талыми ледниковыми водами с образованием “соленых Vmz”. Б – концептуальная модель смешения основных потоков подземных вод и рассолов
Кроме того, специалисты путем сложного численного моделирования гидрогеохимических процессов в системе вода-порода-газ-органическое вещество определяют, как складывался процесс развития гидросферы в северных широтах.
«На основе традиционных геологических (состав пород) и гидрогеологических данных (водообмен, глубина водоносного горизонта, его связь с атмосферой и т.д.) строится геологическая основа для создания физико-химической модели. Исходными данными для модели будут являться результаты аналитических исследований минерального и химического состава вмещающих пород, химический состав подземных вод из разных водоносных горизонтов.
Для решения поставленных задач используется программный комплекс HCh, разработанный Ю.В. Шваровым (МГУ). Программа GIBBS, входящая в программный пакет HCh, выполняет расчет равновесного состава в системе, используя в качестве критерия равновесия условие минимума свободной энергии. HCh используется для решения следующих задач: расчет равновесного распределения форм миграции элементов в природных водах; расчет активностей компонентов водного раствора; расчет произведений растворимости минералов при заданных температурах; моделирование смешения вод различного состава с определением равновесной ассоциации минералов, проводимое для прогноза изменения химического состава дренажных вод в условиях подтягивания поверхностных вод реки и соленых вод глубоких горизонтов», – сообщил Александр Малов.
Но главное, к исследованию эволюции подземной гидросферы Европейского Севера России архангельские специалисты предлагают применять комбинированный мультидисциплинарный подход, который поможет всесторонне рассмотреть предмет изучения и обеспечить надежность полученных данных, и тем самым, составить обоснованный прогноз.
Взаимодействие каких дисциплин (методов) он предусматривает и в чем заключается?
«Детальный анализ геологической истории региона с палеогеографическими реконструкциями и палеогидрогеологическим анализом проводятся для выявления основных факторов формирования различных типов подземных вод: климат, рельеф, оледенения, затопления морем. Гидрохимические исследования выполняются для выяснения источников формирования состава и эволюции подземных вод: растворение карбонатов в областях питания на водоразделах определяет «молодой» возраст воды, гидролиз сравнительно легко растворимых алюмосиликатов натрия связан со «средним» возрастом, а гидролиз труднорастворимых кальциевых алюмосиликатов указывает на значительное время взаимодействия вода-порода, то есть возраст в десятки тысяч лет. Исследования радиоактивных изотопов урана и углерода позволяют осуществлять непосредственные количественные определения возраста подземных вод. Исследования стабильных изотопов воды предназначены для увязки, проверки и уточнения результатов, полученных при использовании вышеописанных методов. Наряду с исследованием природных процессов нами также проводятся оценки современного техногенного воздействия на подземные и поверхностные воды и прогноз его развития. В частности, оценивается изменение радиологического и химического состава воды и опасность этих изменений для гидробионтов и человека», – Александр Малов перечислил несколько направлений работы, составляющих комплексный подход.
К настоящему времени уже выполнена предварительная оценка гидрохимического состава подземных вод в рамках проекта РФФИ (за 1-й год работы), а результаты работы опубликованы в международных рецензируемых изданиях WATER (2020) и JOURNAL OF HYDROLOGY (2019).
Как отмечает руководитель проекта, «это продолжение предыдущей многолетней работы по изучению подземных вод арктических территорий. Но если раньше они изучались преимущественно гидрохимическими методами, то теперь мы перешли на новый уровень, используя радиоактивные и стабильные изотопы и микроэлементы. Это же можно сказать о датировании подземных вод уран-изотопным и радиоуглеродным методами».
Например, раннее исследование (2019) направлено на изучение соотношения и происхождения пресной и соленой воды в прибрежных водоносных горизонтах. Это играет важную роль в политике управления водными ресурсами на территории Балтийского щита. Как отмечает ученый, в данном случае была «выполнена реконструкция геохимических процессов и климатических изменений в плейстоцен-голоцене по изменениям изотопно-химического состава подземных вод на восточном склоне Балтийского щита за последние 400 тысяч лет. Дана оценка степени участия талых ледниковых, морских и метеорных вод и рассолов в формировании подземных вод. Установлено, что в результате таяния ледниковых покровов 400-130 тысяч лет назад пресные воды проникли в осадочный чехол Мезенской синеклизы на глубину до 600 м. Трансгрессия моря 130-115 тысяч лет назад привела к засолению подземных вод в верхней части осадочного чехла. Последующее таяние ледника 13-12 тысяч лет назад и инфильтрация атмосферных осадков в последние 12 тысяч лет привели к формированию пресных вод до глубин 100-200 метров».
В новой работе (2020) речь идет об эксперименте, который по словам Малова, выполнялся с целью «дальнейшей разработки предложенной нами оригинальной модификации метода комбинированного радиоуглеродного и уран-изотопного датирования подземных вод. Конкретной целью данного исследования было изучение подвижности изотопов урана в различных минеральных фазах пород водоносного горизонта. Для этого использовалось выщелачивание урана из пород водой и различными кислотами. В результате получены предварительные количественные оценки ряда основных параметров, необходимых для обоснования нашего метода датирования подземных вод».
Экспедиции по сбору полевого материала проводились раньше на территории Приполярного Урала (гидротермальная система Пым-ва-шор), в Карелии (рудопроявления урана Падма, Карху и месторождения железных руд - Костомукша, Ковдор).
Полевые исследования по теме гранта РФФИ планируются на территории Юго-Восточного Беломорья, на эксплуатируемых месторождениях пресных и минеральных подземных вод в песчаных и карбонатных коллекторах (Архангельское, Куртяевское, Золотицкое), а также на разрабатываемом месторождении алмазов имени М.В. Ломоносова.
В проекте под руководством доктора геолого-минералогических наук Александра Малова активно принимают участие ученые из Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики УрО РАН (г. Архангельск): кандидат геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией Института геодинамики и геологии Яковлев Евгений Юрьевич, научный сотрудник Зыков Сергей Борисович, научный сотрудник Дружинин Сергей Валериевич.
Кроме того, в исследовании задействованы специалисты из Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН (ГЕОХИ РАН) (г. Москва): ведущий научный сотрудник Мироненко Михаил Викторович, старший научный сотрудник Сидкина Евгения Сергеевна и старший научный сотрудник Черкасова Елена Владимировна (они ведут термодинамическое описание численной модели гидрогеохимических процессов и определение численных значений основных физико-химических факторов).
Опыт датирования и совокупность оригинальных методов позволяют выявить соотношение химических параметров в подземных водах и демонстрируют их эволюционные направления, а следовательно, представляют попытку количественной оценки современных природных процессов для решения вопросов разных сфер геоэкологии и гидрогеологии.
Как подчеркнул Александр Малов, значимость исследовательского проекта в том, что «полученные знания могут быть применены к политике управления водными ресурсами и регулирования. Оценки глубины проникновения ледниковых вод важны для проектирования хранилищ радиоактивных отходов и их безопасности после закрытия. Не менее важна оценка возможности водоснабжения городов на морских побережьях, где ресурсы качественных питьевых вод ограничены. С экологической точки зрения представляет интерес прогноз опасности соленых дренажных вод, сбрасываемых из эксплуатируемых месторождений в поверхностные водотоки».
