Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

Причины гидрохимического разнообразия озер обсуждаются многими исследователями, основной причиной является испарение озерных вод, сопровождающееся последовательным осаждением минералов по мере насыщения ими озерных вод, сначала наименее растворимыми карбонатами кальция и магния, а затем сульфатами кальция, натрия и т.д., со сменой химического типа от карбонатного к сульфатному и далее к хлоридному [1–4]. Однако, как показали многочисленные исследования, выпариванием воды пресной, соленой, морской и т.д. не удается получить содовые воды [5–8]. В то же время доказано, что содовые воды образуются на определенном этапе взаимодействия воды с вмещающими алюмосиликатными и силикатными породами, а конкретно на этапе достижения равновесия вод с карбонатными минералами [9, 10].

Цель исследования – определение основных процессов, контролирующих формирование различных геохимических типов соленых озер Восточного Забайкалья.

Материалы и методы исследования

На территории Восточного Забайкалья в бассейнах рек Ингоды, Онона и внутреннего стока находится более сотни озер, некоторые из них возникли при деградации речной сети на фоне аридизации климата, другой вид встречается в районе Торейских озер и в среднем течении р. Онона, они не обнаруживают связи с речной сетью и представляют собой самостоятельные образования [11]. На левобережье р. Онон цепь озерных котловин тяготеет к тектоническим разрывам, фиксирующим зону сочленения Цасучейской впадины с окружающими ее с севера молодыми поднятиями (рис. 1).

На правобережье р. Онон цепь малых озерных котловин локализована в зоне сочленения Цасучейской впадины с Байн-Цаганским и Кысытуйским поднятиями. Малые озерные котловины широко развиты также вдоль побережья озер Барун-Торей и Зун-Торей. Они приурочены к участкам древней денудационной равнины, перекрытой маломощными рыхлыми осадками, и поверхностям цокольных озерных террас. Линейные озерные котловины здесь располагаются над зонами тектонических разрывов северо-западного простирания.

Рис. 1. Схема размещения озер на территории Воcточного Забайкалья по приуроченноcти к речным баccейнам 1 – Ингода, 2 – Онон и области 3 – внутреннего cтока

Площади озер варьируют от нескольких десятков квадратных метров до 580 км2. Чаще глубина озер не превышает первых метров от зеркала воды. Наиболее глубокие (более 5 м) из изученных озер – Байн-Цаган, Ножий и Доронинское. При всем различии морфометрических параметров водоемов общее у них одно: все они бессточные, с отсутствием поверхностного стока. Многие озера располагаются в замкнутых западинах, имеющих чаще всего характер концевого бассейна, собирающего грунтовые воды определенной территории.

Для того чтобы разобраться во всем многообразии озер, их классифицировали по морфометрическим характеристикам. Для этого были применены снимки с космического аппарата Landsat TM, ETM+ и OLI с разрешением 30 м, с уровнем обработки Level1. Данные были получены посредством сервиса EarthExplorer – http://earthexplorer.usgs.gov/. Обработка снимков и вычисление водных индексов производились с помощью средств Image Сlassifiсation и Spatial Analyst ArсGIS 10.

Основной отбор проб воды проводился в период с 2013 по 2017 г. Всего было опробовано и проанализировано 97 озер. Исследовался широкий комплекс физико-химических параметров вод, анализ которых был проведен стандартными методами в аттестованной лаборатории ИПРЭК СО РАН. Концентрации кальция Са2+ и магния Мg2+ определялись методом атомной абсорбции в закисно-ацетиленовом пламени на спектрофотометре SOLAAR 6M. Для определения натрия Na+ и калия K+ использован пламенно-эмиссионный метод. Потенциометрически с применением ионселективных электродов находились O2, F-, pH, Eh, Сl-. Титрование применялось для определения содержания ионов СO32- и HСO3-. Через бихроматную окисляемость рассчитывался органический углерод Сорг. Сульфат-ион SO42- анализировался турбидиметрическим методом в виде сернокислого бария. Сероводород (S2-) определялся фотометрическим методом. Показатели погрешности измерений концентраций компонентов соответствовали международным требованиям.

Результаты исследования и их обсуждение

Анализ распределения озер по морфометрическим характеристикам показал, что подавляющее их большинство (72 %) относится к числу так называемых небольших озер площадью от 1,0 до 10,0 км2 (табл. 1).

Озера с площадью зеркала более 10 км2 относительно малочисленны (4 %), но их суммарная площадь сравнительно велика и составляет 82,2 % от общей акватории всех озер региона. Самыми крупными водоемами являются озера Барун-Торей и Зун-Торей, акватории которых в многоводный период приближаются к 500 и 380 км2 соответственно.

Согласно классификации [7] было выделено три геохимических типа озер: содовые, к которым отнесли озера с рН ≥ 9,0; хлоридные, если рН < 9,0, а среди анионов преобладает хлор, и сульфатные, если рН < 9,0, но среди анионов доминирует сульфат. Такой подход позволяет сравнивать озера не только по химическому их составу, но и по процессам, участвующим в их формировании.

Наибольшим распространением среди изученных водоемов пользуются озера содового типа, на долю которого приходится 87 %, реже встречаются сульфатные (3 %) и хлоридные (10 %). Основным отличительным признаком первых является их высокая щелочность, достигающая максимальных значений в озере Куджертай (рН = 10,7), при среднем значении по выборке рН = 9,54 (табл. 2).

Между минерализацией вод и значением рН имеет место прямая зависимость с коэффициентом парной корреляции r = 0.7. Они характеризуются относительно высокими концентрациями карбонатного комплекса НСО3-+СО32-, содержание которого варьирует в широком диапазоне с максимумом в рассольном озере Борзинское (30 г/л), при среднем значении по выборке 2,85 г/л. До солености 15 г/л интенсивнее накапливаются карбонаты, если соленость выше, рост хлоридов опережает рост карбонатов и сульфатов. Среди катионов повсеместно доминирует натрий.

Таблица 1

Распределение озер по размерам их акваторий

Таблица 2

Основные химические параметры озер Восточного Забайкалья по выделенным типам

Примечание: 1 – среднее, 2 – минимальное, 3 – максимальное содержание, – данные отсутствуют, М – минерализация воды.

Сульфатный тип озер выделяется относительно низкой минерализацией и незначительным диапазоном варьирования рН вод, среднее значение которых составляет 6,90 и 8,74 г/л соответственно. Самое минерализованное в этой группе водоемов озеро Барун-Шивертуй имеет минимальное значение рН воды и отличается максимальными концентрациями SO42- (7,58 г/л), Cl- (2,05 г/л) и НСО3-+СО32- (1,70 г/л). При этом на долю карбонатной составляющей в среднем приходится 12 мг-экв. %, а сульфат-ионов – 51 мг-экв. %.

Хлоридные озера отличаются максимальной по всей выборке минерализацией (среднее 35,2 г/л) и минимальным значением рН вод (8,17), между значениями которых имеет место обратная зависимость (r = -0,9). Концентрация Cl- в процент-эквивалентных отношениях в среднем равна 80 экв. %, на долю сульфатов приходится 12, а карбонатов – 8 экв. %. Как и в предыдущих двух типах озер, натрий является основным катионом. Калий, кальций и магний находятся здесь в подчиненных количествах.

Анализ значения коэффициента отношений водосборной площади озер Sводосбор к площади зеркал самих озер Sозера показал, что наиболее крупные с большим объемом воды и большей площадью водосборов – это содовые водоемы, они имеют большие значения коэффициента этого отношения (от 2 до 54, среднее 25). Другая часть озер, отнесенных к малым и небольшим водоемам, имеют гораздо меньшее значение (2–10, среднее 9), чаще это относится к хлоридным озерам.

Установлено, что для озер с объемом водной массы от 1 до 0,001 км3 минерализация изменяется от 1,17 до 15 г/л, а при меньших объемах может достигать 50 г/л и более (рис. 2).

Водное питание изученных озер осуществляется атмосферными осадками, выпадающими на зеркало, временными дождевыми потоками и подземными водами [10]. Питание озер небольшими реками и ручьями присуще единичным озерам, но даже в этом случае реки и ручьи существуют периодически во время большого количества атмосферных осадков. Поэтому их доля совместно с ливневым стоком в водном балансе не превышает 10 %, чаще основное питание озера получают с атмосферными осадками [11].

Для пяти содовых и четырех хлоридных типов озер на основе их морфологических и гидроклиматических характеристик проведены расчеты объемов поступающих подземных вод с водосборных площадей озер Vz и испарившейся воды Vx в озерах за год (табл. 3).

Допуская отсутствие подземного стока из озер, поскольку они зачастую являются местным базисом разгрузки подземных вод, принимаем, что расходные статьи представлены только испарением с их водной поверхности.

Рис. 2. Зависимость солености озер от их объема

Таблица 3

Основные морфометрические и водно-балансовые характеристики озер

Объем испарения с водной поверхности озера определялся исходя из его площади и величины испарения по [12]. Объем подземного стока, ввиду отсутствия данных, рассчитывался по модулю речного стока определенного района [13] и площади водосбора озера согласно формуле

Vz = Qср. · t,

где Qср. – модуль стока (л/с км2), t – время (с).

Как показали расчеты, соотношение приходной и расходной составляющих водного баланса в изученных озерах разное. Так в содовых озерах отношение приходной части воды к расходной колеблется в пределах 0,60–0,99, а в хлоридных оно значительно ниже и составляет только 0,46–0,52, т.е. количество испарившейся воды существенно выше поступившей за счет атмосферных осадков и с водосборов.

В качестве доказательства различного масштаба испарения, влияния на гидрологический и, как следствие, гидрохимический режимы озер сравнительному анализу были подвергнуты 17 водоемов, из которых – с площадью от 300 до 4 км2 – Зун-Торей, Хара-Нуур и Цаган-Нур; от 4 до 1 км2 – Ганга-Нур, Борзинское, Шварцивское, Доронинское и Шихалин-Нуур; менее 1 км2 – Хараганаш, Барун-Шивертуй, Бильчир-Нуур, Бабье, Куджертай, Большая Булугунда, Хилганта, Горбунка, Цаган-Тором.

За начальную точку отсчета изменения площадей акваторий принят 1989 г., который характеризует гидрологический режим озер в фазу нарастания увлажненности. Начало ее приходится на 1982 г. Данные за 1989–2016 гг. относятся к фазе аридизации климатических условий. Анализ космических снимков показал, что за рассматриваемый период существенно изменились преимущественно площади зеркал малых водоемов, в числе которых в основном озера хлоридного и сульфатного типов (за исключением озера Кука-Азырга), которые полностью высохли к 2016 г. (рис. 3).

В меньшей степени изменения коснулись крупных содовых озер Зун-Торей, Цаган-Нур, Доронинское, Баин-Цаган, Хара-Нуур.

Согласно геоморфологии района наиболее крупные – содовые озера локализованы в центральных частях депрессий или в пределах их бортов. Они чаще занимают более низкие абсолютные отметки. Так, абсолютные отметки уровней воды содовых озер (для бассейнов р. Онон и внутреннего стока) колеблются от 629 до 657 м, а хлоридных – от 661 до 691 м. Это значит, что содовые озера расположены в зоне более интенсивного подземного питания и непосредственно связаны с грунтовыми и трещинно-пластовыми водами осадочных отложений, а в отдельных случаях – с трещинно-жильными водами разломов [14], поэтому они имеют достаточно стабильный гидрологический режим, а их морфометрические характеристики в меньшей степени зависят от климатических характеристик. Хлоридные озера имеют слабую связь с подземными водами, отчего пересыхают в засушливый период, превращаясь в солончаки.

Рис. 3. Изменение площадей водных зеркал соленых озер по выделенным типам за 1989–2016 гг.

Таблица 4

Химический состав озерных вод по данным исследований в 1987 г. и 2000-х гг. (мг/л)

Примечание: М – минерализация.

Многолетние наблюдения за гидрохимическим состоянием соленых озер показывают, что во влажные периоды происходит разбавление воды, а в засушливые, напротив, ее концентрирование. В качестве примера различных масштабов влияния климатических характеристик на соленость озер выбраны результаты гидрохимических исследований на озерах, локализованных в бассейне р. Онон, выполненных с разрывом более чем в 20 лет в разные фазы климатического увлажнения территории. В настоящую фазу аридизации климатических условий изменились не только морфометрические характеристики озер, но и существенно выросла соленость вод в сохранившихся озерах (табл. 4).

Соленость воды в рассматриваемых озерах в первый срок варьировала в пределах 1,76–14,4 г/л и была существенно ниже, чем во второй – 2,17–42,4 г/л.

Таблица 5

Состав и индекс насыщения SI озерных вод вторичными минералами по выделенным типам и подтипам минеральных озер (расчет по MINTEQ)

Примечание: отрицательное значение SI означает, что воды недосыщены по отношению к минералу, положительное – пересыщены (возможно, его осаждение в донный осадок). Условие равновесия SI = ±0,3.

Сравнение результатов за разные периоды показало, что минерализация воды в хлоридных озерах может повышаться за короткий отрезок времени в несколько раз в зависимости от исходной ее величины и объема воды в конкретном водоеме. По средним оценкам соленость содовых озер более чем за 20 лет выросла всего в 2,5 раза, а хлоридных за 1–4 года изменилась в 7 раз. Изменение химического состава вод при увеличении солености также различно. В случаях хлоридных озер происходит закономерный рост преимущественно относительного содержания хлоридов, а в содовых озерах карбонатные компоненты накапливаются более интенсивно, непропорционально хлору в обоих типах увеличиваются содержания сульфатов.

В соленых озерах приходные статьи гидрохимического баланса карбонатов кроме поступления с подземным и поверхностным стоком складываются также за счет двух процессов: разложения воды в результате гидролиза алюмосиликатных пород ложа озер и минерализации растворенных и накапливающихся в донных осадках органических веществ (Сорг) [15, 16]. Одним из источников СО2 служит Сорг, подвергающийся бактериальной деструкции детрит, который поступает с водосборов и продуцируется в самих водоемах сообществами микроорганизмов. В соленых озерах Восточного Забайкалья суммарная бактериальная продукция ОВ оценивается до 33,6 мг С/(м2·сут.) [17], а содержание Сорг достигает 7600, при среднем значении 173 мг/л.

С микробиологическими процессами связано и отставание в накоплении в озерных водах сульфат-иона. Происходит это исключительно вследствие процессов сульфатредукции. Содержание S2- в озерах изменяется от предела обнаружения (5 мкг/л) до 370 мг/л. Из рассматриваемых водоемов сульфатредукция максимально проявлена в озерах Доронинское, Хилганта, Горбунка, Хоточей, Шварцивское, Бол. и Мал. Якши. Из изученных в микробиологическом отношении озер Доронинское, Барун-Торей, Горбунка и Хилганта наиболее интенсивно процесс восстановления сульфатов протекал в первом, скорость сульфатредукции достигала 28 мгS/дм3·сут. И только в редких случаях, когда в озере сульфатредукция проявлена слабо, а горные породы содержат сульфиды, имеет место окисление сульфидов. Содержание сульфатов в таких озерах растет вплоть до образования сульфатных озер.

Важным фактором формирования химического состава озер является осадкообразование, связанное с насыщением воды по определенным минеральным фазам. По данным термодинамических расчетов, для озер характерен карбонатный тип седиментации (табл. 5), в составе гидрогенных выпадений основными являются кальцит, доломит, магнезит, сидерит, в незначительном количестве могут присутствовать глинистые минералы (каолинит, монтмориллониты, иллиты), цеолиты (ломонтит, пренит) и др.

Судя по многим озерам, при сульфатредукции донные осадки содержат сульфиды металлов, в особенности железа. На возможность формирования в озерах сульфидов железа указывают и термодинамические расчеты. Гипсовая стадия минералообразования, несмотря на достаточно высокую в ряде случаев соленость озер, не наступает, что главным образом обусловлено мобилизацией кальция карбонатными минералами. Появление геохимических барьеров в виде вторичных минералов меняет направленность формирования состава вод: ограничение концентрирования Са, Mg и K автоматически обеспечивает среди ведущих катионов рост содержаний Na (табл. 1, 2).

Если количество карбонатных ионов в озере не растет или растет медленно из-за связывания их выпадающими карбонатными минералами, а испарение велико, то содержание хлора становится более высоким, а тип переходит в хлоридный. Вероятно, в хлоридных озерах вода испаряется быстрее, чем происходит концентрирование ОН-, поэтому растут соленость и содержание хлора, а количество карбонатов остается относительно низким [18, 19].

Заключение

В близких ландшафтно-климатических условиях широко распространены разнообразные по составу, солености и морфометрическим характеристикам озера. Аридный климат района исследований определяет высокую степень их испарения. Проведенный нами расчет по соотношению объемов вод приходной и расходной частей водного баланса показал, что объем испаряющейся воды по сравнению с объемом поступающей с атмосферными осадками и подземными водами для хлоридных озер существенно выше, чем для содовых озер, поэтому последние в большей степени подвержены испарению, а их воды более минерализованные. Испарительное концентрирование вод – важный процесс формирования озер, но далеко не единственный. Другими значимыми процессами являются гидролиз алюмосиликатных пород, осадкообразование и минерализация органического вещества, контролирующая в озерах содержание углекислотных производных и сульфат-ионов.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 22-17-00035 «Экология и эволюция водных экосистем в условиях климатических флуктуаций и техногенной нагрузки».