Государственный мониторинг состояния недр

Региональный центр ГМСН по Северо-Западному Федеральному округу

Северо-Западный филиал

Федерального государственного унитарного научно-производственного предприятия

"Российский федеральный геологический фонд"

 

СИСТЕМА ГМСН


ÆПодсистема "Мониторинг подземных вод"                                                                                                 ÆГосмониторинг

    ÆНаблюдательная сеть

    ÆВедение наблюдений за состоянием подземных вод

    ÆХимический состав подземных вод

    ÆПресные, минеральные, термальные подземные воды

    ÆЗагрязнение подземных вод

ÆПодсистема "Экзогенные геологические процессы"

ÆДругие подсистемы


Химический состав подземных вод

    Формирование химического состава подземных вод в естественных природных условиях определяется общими геолого-тектоническими, природными ландшафтно-климатическими и литолого-фациальными условиями. В пределах СЗФО выделяется 9 артезианских бассейнов, 4 горно-складчатых области и 1 гидрогеологический массив. Ниже приводится характеристика химического состава подземных вод по артезианским бассейнам, которые полностью или основной своей частью выделены в границах СЗФО.

Ленинградский артезианский бассейн. В артезианский бассейн территориально входят 4 СФ: Ленинградская, Псковская, Новгородская области и ганкт-Петербург. Для бассейна характерна вертикальная и горизонтальная гидрохимическая зональность. В вертикальном разрезе выделяются 3 зоны:

·  пресные воды с минерализацией до 1 г/л, преимущественно гидрокарбонатные магниево-кальциевые;

·  соленые воды с минерализацией от 1 до 35 г/л чаще хлоридные натриевые смешанного катионного состава, в районах распространения загипсованных пород – сульфатные кальциевые;

·  рассолы с минерализацией 35-270 г/л хлоридные натриевые.

    Каждая зона делится на три подзоны в зависимости от степени минерализации.

    Горизонтальная гидрохимическая зональность проявляется в смене гидрохимических поясов с северо-запада на юго-восток. Гидрохимические пояса выделяются по количеству входящих в них подзон. Зона соленых вод отсутствует лишь в северо-западной части Карельского перешейка, здесь выделяется один гидрохимический пояс. Два пояса – пресных и солоноватых вод выделяются только в Ленинградской области: на Карельском перешейке, севере Ладожско-Онежского перешейка и в Кингисеппском и Сланцевском районах. Наибольшее число - 8 гидрохимических поясов выделено в Новгородской области

    На фоне нормального гидрохимического разреза, характеризуемого увеличением минерализации подземных вод с глубиной, встречаются участки гидрохимической инверсии. Это характерно для Псковской области, где под сульфатными водами с минерализацией 2,5-3,5 г/л развитыми в верхнедевонском (чудовском) гипсоносном горизонте, встречаются воды смешанного состава с минерализацией 1,5-2 г/л, а в южной части Псковской области – пресные воды. 

    Мощность зоны пресных вод в Ленинградском артезианском бассейне варьирует в широких пределах. Наибольшая – 200-300 м зафиксирована в Ленинградской и Псковской областях (на Ордовикском плато, на Лемболовской, Судомской и Новоржевской возвышенностях,  в бассейнах рек Луга и Плюсса). Наименьшая – до 50 м характерна для Ленинградской и Новгородской областей (Усть-Лужская, Приневская и Приильменская впадины, вдоль долин рек Волхова, Сяси, Шелони и Черехи). На большей части территории мощность пресных вод составляет 100-200 м.

    Мощность зоны соленых вод варьирует в пределах 200-600 м. Максимальная мощность рассолов установлена на востоке Новгородской области и составляет 1000-1300 м. Максимальная концентрация рассолов достигла 228 г/л.

    Среди пресных вод встречаются минеральные лечебные воды – железистые и радоновые. Радоновые воды (содержание радона более 10 МЕ) развиты в кембро-ордовикских оболовых песчаниках. Максимальное содержание радона 44-55 МЕ зафиксировано у пос. Лопухинка в выходах источников вдоль глинта Ордовикского плато. В нижней пачке гдовского водоносного комплекса (т.н. стрельнинский ВГ), в соленых хлоридных водах на контакте с породами кристаллического фундамента встречаются радоновые воды. Максимальное содержание радона 20-25 МЕ определено в районе пос. Рыбацкое (ганкт-Петербург).

Железистые воды с содержанием закисного железа более 10 мг/л встречаются крайне редко. Прежде всего, это железистые воды в верхнем межморенном водоносном горизонте в г. Санкт-Петербурге (Полюстрово) и под Санкт-Петербургом (аналог полюстровских), где содержание закисного железа достигает 17-60 мг/л.

Основные ресурсы минеральных вод приурочены к соленым водам. Бромистые воды (концентрация брома более 25 мг/л) широко распространены почти во всех водоносных комплексах в Псковской и Новгородской областях, а также на юго-востоке Ленинградской области. Максимальное содержание брома зафиксировано в гдовском водоносном комплексе на востоке Новгородской области – 400-600 мг/л. В ломоносовском, ордовикском и кебро-ордовикском водоносных комплексах содержание брома значительно меньше – 150 мг/л в Псковской области, 400-450 мг/л – в Новгородской. В девонских водоносных горизонтах в Новгородской области концентрация брома изменяется от 50-60 мг/л в районе Старой Руссы до 120-150 мг/л в восточной части области.

Йодистые и борные минеральные воды для Ленинградского артезианского бассейна не характерны. Содержание йода в гдовском водоносном комплексе не превышает 2,5 мг/л, а недиссоциированной метаборной кислоты - 6 мг/л. Лишь в районе Старой Руссы и Валдая зафиксированы единичные случаи увеличения концентрации метаборной кислоты до 100 мг/л. В ломоносовском водоносном горизонте содержание йода 1-1,7 мг/л, концентрация метаборной кислоты в единичных случаях достигает 22-98 мг/л.

Сероводородные воды сосредоточены в Псковской области. В районе курорта Хилово в верхнедевонском (гипсоносном чудовском) водоносном комплексе  распространены сероводородные гидрокарбонатно-сульфатные кальциевые воды. Содержание сероводорода изменяется по сезонам года и составляет 13-25 мг/л.  В районе г. Великие Луки во флювиогляциальных четвертичных отложения и верхнедевонских пестроцветных песчаниках распространены сероводородные гидрокарбонатные магниево-кальциевые воды. Здесь концентрация сероводорода изменяется от 6-20 до 70-136 мг/л.

Северо-Двинский артезианский бассейн. В артезианский бассейн территориально практически полностью входят Архангельская и Вологодская области и незначительными площадями Республика Коми и Ненецкий автономный округ. Артезианский бассейн выполнен мощной толщей осадочных отложений палеозоя, а в восточной части и мезозоя,  повсеместно перекрытых маломощными четвертичными образованиями. Вся осадочная толща бассейна сложена фациально изменчивыми переслаивающимися, невыдержанными по простиранию и глубине отложениями и представляет собой единую гидравлическую систему, в которой отсутствуют регионально выдержанные водоупоры. Геоструктурной особенностью бассейна является моноклинальное залегание осадочных отложений в восточном и юго-восточном направлении, осложненное в центральной части бассейна складчатостью платформенного типа.

    Для артезианского бассейна характерна вертикальная и горизонтальная гидрохимическая зональность (как и в других регионах Русской платформы). В вертикальном разрезе выделяются 3 зоны:

· зона активного водообмена, где подземные воды находятся под непосредственным воздействием природных факторов, в условиях интенсивной циркуляции и дренажа. Основные факторы, определяющие химический состав, минерализацию подземных вод и мощность верхней зоны – климат, условия дренированности территории, почвенно-растительный покров, литологический состав водовмещающих пород, а также рельеф дочетвертичной поверхности.  В этой зоне формируются как грунтовые, так и напорные воды в четвертичных отложениях, а также верхней части палеозойских и мезозойских пород. Преобладающая мощность зоны пресных вод 50-80 м. Максимальная мощность пресных вод 80-120 м наблюдается в западной части артезианского бассейна.

Водоносные горизонты верхней зоны содержат пресные воды с минерализацией до 1 г/л преимущественно гидрокарбонатные кальциевые, реже сульфатные натриевые. На отдельных участках зона пресных вод полностью отсутствует или спорадически встречается лишь в четвертичных отложениях. На этих участках в дочетвертичных породах распространены соленые воды с минерализацией 1-3 г/л сульфатного или хлоридного состава. Сульфатные воды развиты на площадях, где под четвертичным покровом распространены нижнепермские и уфимские гипсы и ангидриты, а также на юге и юго-востоке Вологодской области в глинисто-мергелистых огипсованных отложениях татарского яруса. Влияние рельефа доледниковой поверхности сказывается на формировании хлоридных натриевых вод с минерализацией 10-50 г/л на севере и северо-западе Архангельской области в переуглубленных долинах кембрийских образований. На этих участках развита только третья гидрохимическая зона.

· зона затрудненного водообмена, где поверхностные факторы еще оказывают влияние на формирование химического состава подземных вод, но интенсивность этого воздействия незначительна, при этом проявляется влияние глубинных факторов. В этой зоне формируются воды с минерализацией 1-50 г/л, неустойчивого химического состава, отличающегося большим разнообразием. Воды данной зоны приурочены к толще отложений, залегающих ниже местного базиса эрозии, преимущественно к пермским отложениям, лишь на западе и северо-западе Архангельской области к более древним образованиям. Подошва данной зоны залегает на глубине от 250 до 600 м. Максимальная ее глубина приурочена к территориям, где под четвертичными отложениями залегают трещиноватые и закарстованные карбонатные отложения с мощной зоной пресных вод и участки с антиклинальными поднятиями в пермских породах, где также увеличена зона инфильтрации пресных вод за счет тектонических нарушений в структурных поднятиях. В пределах глубин 100-250 м распространены воды с минерализацией 1-10 г/л сульфатные кальциево-магниевые и сульфатно-хлоридные натриевые и сульфатно-гидрокарбонатные кальциевые. На глубинах 250-600 м соленые воды с минерализацией 10-50 г/л хлоридно-сульфатного натриево-кальциево-магниевого состава с высоким содержанием брома до 100 мг/л.

· Зона весьма затрудненного водообмена, где подземные воды находятся под воздействием глубинных факторов. В этой зоне формируются рассолы с минерализацией 50-270 г/л и более, в основном хлоридного натриевого состава. Зона рассолов имеет преимущественное развитие в Северо-Двинском артезианском бассейне. К рассолам приурочены бромные воды с содержанием брома до 1,5 г/л (Солигалич). Формирование рассолов связано, прежде всего, с палеогидрогеологическими условиями развития Северо-Двинского артезианского бассейна: морские условия осадконакопления неоднократно сменялись континентальными, на отдельных этапах были широко распространены замкнутые морские бассейны. В дальнейшем и в настоящее время в условиях высоких температур и давлений больших глубин активно протекают окислительно-восстановительные и обменно-адсорбционные процессы, приводящие к метаморфизации рассолов.

Неглубокое залегание соленых вод в Северо-Двинском артезианском бассейне связывается с тем, что данная территория является открытыми воротами для подземного стока из водоносных горизонтов осадочной толщи Русской платформы в Северное море. Это подтверждает и наличие большого числа восходящих источников минерализованных вод по долинам рек, особенно вблизи побережья Белого моря, а также наличие соленых вод в верхних слоях нижнекембрийских отложений, выходящих на поверхность в пределах Онежского полуострова.

В Северо-Двинском артезианском бассейне большое развитие имеют минеральные воды со специфическими компоентами:

Железистые воды развиты как в четвертичных, так и в дочетвертичных отложениях, как в пресных, так и в солоноватых водах. Наиболее интересны железистые воды четвертичных отложений Усть-Двинской впадины (север Архангельской области). Здесь содержание железа закисного достигает 114-165 мг/л, в водах присутствует в повышенных концентрациях йод и бром. В Вологодской области в районе Грязовца в четвертичных отложениях известны железистые воды с содержанием железа 4-10 мг/л, в районе р. Виледи известны железистые источники из отложений нижнего триаса, отлагающие охру.

Йодистые воды. В Усть-Двинской впадине развиты как лечебные йодистые воды с содержанием йода 5-18 мг/л, так и промышленные йодные воды с концентрацией до 28 мг/л. Наибольшая концентрация йода отмечается в морских отложениях микулинского межледниковья и приурочена к срединной зоне впадине, к ее бортам концентрация йода уменьшается. Снижение концентрации йода отмечается в долинах рек Северная Двина, Ижма, Мудьюга и др. Многочисленные йодные источники зафиксированные в долинах рек свидетельствуют о процессе интенсивного разрушения Усть-Двинского месторождения йодных вод. Йодные воды Усть-Двинской впадины единственные в России пригодные для питья без предварительного разбавления. Минерализация этих вод в среднем 10-15 г/л.

Бромистые воды развиты повсеместно, начиная с глубин 150-450 м, исключая районы выхода кристаллических пород Балтийского щита.

Сероводородные воды, а совместно с ними сероводородные грязи, по генезису подразделяются на 4 группы.

Наиболее распространены сероводородные воды и грязи, образовавшиеся за счет восстановления сульфатных вод пермских гипсоносных отложений болотными водами, обогащенными органикой. Такие воды наиболее характерны для Архангельской области, выходы многочисленных сероводородных источников зафиксированы в долинах рек Северная Двина, Вычегда и их притоков, а также на северо-востоке (Устюженском районе) Вологодской области. Содержание сероводорода в подземных водах достигает 30 мг/л, в грязях 114-923 мг/кг.

Вторая группа формирования сероводородных вод и грязей связана со смешением соленых сульфатных вод кембрийского, каменноугольного и четвертичного водоносных комплексов с обогащенными органикой поверхностными и болотными водами. Содержание сероводорода обычно невелико.  В Архангельской области зафиксирована сероводородная грязевая сопка высотой 1 м, с температурой грязи 2-3 оС.

Третья группа сероводородных вод возникла в результате редукции сульфатов в седиментационных водах морских межледниковых и послеледниковых водах четвертичных отложений при окислении органического вещества захороненных остатков морских водорослей. Содержание сероводорода в таких водах обычно невелико.

Сероводородные воды четвертой группы прослеживаются узкой полосой вблизи берегов Белого моря. Они образовались в результате смешения морских вод хлоридно-сульфатного состава с богатыми органикой грунтовыми водами. С водами такого происхождения связано образование кристаллов серы, выходы которых обнаружены на Большом Соловецком озере.

Печорский артезианский бассейн. В артезианский бассейн территориально входят центральная часть Республики Коми и Ненецкого автономного округа.  Артезианский бассейн выделен в границах Печорской синеклизы. Печора-Малоземельским валом Печорский артезианский бассейн делится на два артезианских бассейна второго порядка. В северо-восточной части Печорской синеклизы выделяется Большеземельский артезианский бассейн. Он характеризуется большой мощностью кайнозойских отложений и широким распространением многолетнемерзлых пород. Юго-западную часть бассейна занимает Ижма-Печорский артезианский бассейн. В его структуре выявлено несколько антиклиналей платформенного типа, некоторые из них нефте- или газоносны.

Как и в других артезианских бассейнах в Печорском проявляется вертикальная и горизонтальная гидрохимическая зональность. В вертикальном разрезе выделяются 4 зоны:

·  пресные воды с минерализацией до 1 г/л, преимущественно гидрокарбонатные магниево-кальциевые;

·  солоноватые воды с минерализацией от 1 до 10 г/л чаще хлоридные натриевые и переходного типа от пресных к соленым: гидрокарбонатно-хлоридные натриевые и хлоридно-гидрокарбонатные натриевые, в районах распространения гипсово-ангидритовых пород – сульфатные кальциевые;

· соленые воды с минерализацией 10-50 г/л хлоридные натриевые;

·  рассолы с минерализацией свыше 50 г/л хлоридные натриевые.

Горизонтальная гидрохимическая зональность проявляется слабо.

Пресные воды распространены как в грунтовых, так и в напорных горизонтах и приурочены к отложениям четвертичного, мелового, юрского, триасового и пермского возраста. Их состав и формирование связано с зоной свободного водообмена. В центральной части Ижма-Печорского артезианского бассейна зона пресных вод максимальная и достигает 300 м, пресные воды встречаются до абсолютной отметки минус 290 м. В краевых частях бассейна глубина распространения зоны пресных вод ограничивается мощностью юрских отложений, которые ниже нулевой абсолютной отметки здесь не залегают. На площади Большеземельского артезианского бассейна глубина распространения зоны пресных вод ограничивается абсолютными отметками 0-50 м. В крайней северной части Печорского артезианского бассейна пресные воды ниже нулевой абсолютной отметки не залегают и в разрезе дочетвертичных отложений могут отсутствовать вообще.

Гидрохимическая зона солоноватых вод имеет весьма малую мощность. Граница между солеными водами и рассолами прослеживается в диапазоне абсолютных отметок минус 300-500 м. Наиболее высокоминерализованные воды характерны для девонского водоносного комплекса, к нижним слоям которого приурочены месторождения нефти и газа.

В пределах Печорского артезианского бассейна подземные воды содержат различные по составу газы. В зоне свободного водообмена в Большеземельской тундре выделяются две группы газов: азотно-метановые и метановые. Выходы метана приурочены к аллювиальным отложениям, азотно-метановых газов с повышенным содержанием тяжелых углеводородов также связаны с четвертичными отложениями. В соленых водах триаса и перми отмечается довольно пестрый газовый состав с быстрой сменой азотно-метановых газов на метановые. Газонасыщенность вод невысокая. С рассолами каменноугольного и девонского комплексов связаны метановые и азотно-метановые газы с повышенным содержанием тяжелых углеводородов и благородных газов (аргон, гелий).

Из специфических компонентов в подземных водах Печорского артезианского бассейна распространены сероводород, железо, бром и йод. Сероводородные воды развиты на юге бассейна (южная часть Печора-Малоземельского вала, район г. Печоры) и приурочены к отложениям перми и карбона. В пресных водах карбона содержание сероводорода составляет 3 мг/л, в солоноватых водах перми содержание сероводорода достигает 40 мг/л. Железистые воды с содержанием железа свыше 20 мг/л зафиксированы на севере Печорского бассейна в пресных водах триасового комплекса, повышенное содержание железа до 17 мг/л установлено в сероводородных водах в районе г. Печора. Бромные воды широко распространены в соленых водах и рассолах. Максимальная концентрация брома 780-1000 мг/л зафиксирована на крайнем юге Печорского артезианского бассейна в подземных водах девонских отложений. Высокие концентрации йода в подземных водах приурочены, как правило, к районам нефтяных и газовых месторождений, что обусловлено его связью с органическим веществом. Закономерности между содержанием йода в подземных водах и степенью их минерализации не наблюдается. В среднем содержание йода 10-17 мг/л, максимальное – 18-55 мг/л отмечено на самом юге артезианского бассейна.

Калининградский артезианский бассейн. В артезианский бассейн территориально входит только Калининградская область.

Нижняя граница зоны пресных вод колеблется от 30 до 300 м ниже уровня моря. Наименьшая мощность (50-150 м) характерна для Приморской низменности, где отмечается восходящее движение подземных вод, широко развиты соленосные породы в верхнепермском комплексе, имеются мощные и регионально выдержанные водоупоры, относительно неглубокий врез гидрографической сети. На юге области в районе Мазурской возвышенности мощность зоны пресных вод максимальная и составляет 150-320 м. Характерный химический состав пресных вод гидрокарбонатный кальциевый, в глауконитовых отложениях палеогена и мела формируются пресные воды гидрокарбонатного натриевого состава.

Минерализованные воды представляют собой сложную систему с тесной взаимосвязью компонентов и, прежде всего, соотношением сульфата кальция и хлористого натрия. В зависимости от содержания сульфата кальция преобладание хлоридных вод отмечается в нижнемеловом горизонте при минерализации вод 1 г/л, в юрском – при минерализации 2,4 г/л, в пермском - при минерализации 6,2 г/л. Происхождение сульфата кальция в водах верхнепермского водоносного горизонта обусловлено развитием гипса и ангидрита в отложениях этого возраста. Появление зоны сульфатных вод в юрском и триасовом водоносных горизонтах обусловлено большой сульфатностью водовмещающих пород и менее благоприятными условиями для протекания процессов десульфатизации.

Из специфических компонентов в подземных водах Калининградского артезианского бассейна известны йод и бром. В хлоридных водах юрского водоносного комплекса содержание йода составляет 9 мг/л при минерализации подземных вод от 1 до 13 г/л. В хлоридных натриевых рассолах пермских, девонских, ордовикских и кембрийских отложений с минерализацией более 35 г/л присутствует бром.

Восточно-Балтийский гидрогеологический массив. Развит в пределах выхода Балтийского щита на поверхность или под четвертичные отложения. Территориально в него входят Мурманская область, Республика Карелия и небольшими площадями Ленинградская и Архангельская области. В пределах зоны свободного водообмена выделяются три подзоны, отличающиеся по гидродинамическим и гидрохимическим показателям.

Верхняя подзона расположена выше уровня эрозионных врезов местной гидрографической сети. Мощность зоны изменяется от 1-2 м на участках грядово-сельгового рельефа до 250-500 м – в горных районах. Верхняя подзона содержит безнапорные спорадически распространенные воды. Средняя подзона расположена на уровне местного базиса дренирования, характеризуется нисходящим движением вод и выдержанными по простиранию водоносными горизонтами. Мощность ее зависит от рельефа территории: максимальная 120-350 м в горных районах, 50-120 м на участках грядово-сельгового рельефа, минимальная 20-50 м – в районах денудированных равнин. Нижняя подзона ограничивается региональным базисом дренирования и имеет нулевые или отрицательные абсолютные отметки. Эта подзона содержит трещинно-жильные напорные воды, приуроченные к региональным и локальным тектоническим разломам. Чаще всего все три подзоны образуют единую гидравлическую систему.

В зоне свободного водообмена наиболее распространены гидрокарбонатные натриевые ультрапресные и пресные воды. Преобладающая минерализация 0,01-0,3 г/л, реже 0,4-0,8 г/л.

Ионный состав подземных вод обусловлен литологическим составом водовмещающих пород. Содержание гидрокарбонат-иона  максимально в подземных водах, содержащихся в породах основного и ультраосновного состава и минимально в водах пород кислого состава. Величина рН (4,0-6,6) указывает на кислую среду в гранитах  и гнейсах и на нейтральную (рН = 6,5-7,5) в габбро и норитах. Содержание сульфат-иона незначительно в подземных водах кислых пород и увеличивается в водах основных и ультраосновных пород, содержание хлор-иона изменяется в обратной зависимости. Соответственно изменяется содержание катионов: в подземных водах кислых и щелочных пород преобладают натрий и калий, в подземных водах основных и ультраосновных пород доминируют магний и кальций. Подземные воды четвертичных отложений имеют в своем составе большее содержание кальция, чем подземные воды кристаллических пород. Меньшая величина минерализации (до 0,05 г/л) характерна для гранитов и гнейсов, т.е. пород трудно выщелачивающихся. Воды вулканогенно-осадочных пород имеют минерализацию от 0,05 до 0,5 г/л. Вулканогенно-осадочные породы содержат щелочноземельные металлы, поэтому подземные воды этих отложений имеют гидрокарбонатный кальциевый и магниевый состав. Сульфатные и хлоридные воды незначительно распространены в пределах Восточно-Балтийского гидрогеологического массива, преимущественно в понижениях рельефа в кристаллических породах. Эти воды имеют несколько повышенную минерализацию 0,4-0,8 г/л.

Среди химических примесей наиболее существенным является избыток фтора. Такие воды отмечены в районе Хибин и характерны для пород, содержащих минерал апатит. Содержание фтора не превышает 1 мг/л (норма для питьевых вод 1,5 мг/л), однако соотношение содержания фтора к кальцию достигает 0.3, тогда как не должно превышать 0,01.

Отмечаются участки с солоноватыми (степень минерализации до 8,5 г/л) хлоридными натриевыми подземными водами. Такие участки зафиксированы на побережье Баренцева и Белого морей, в районе Онежского и Ладожского озер, в юго-восточной и южной частях Карелии.  Солоноватые воды залегают на глубине от 3 до 137 м, приурочены к трещинам кристаллических пород, перекрытых сверху водонепроницаемыми четвертичными отложениями. Очевидно, эти воды являются древними погребенными морскими или озерными водами, сохранившимися в условиях весьма затрудненного водообмена.