ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КАК КОМПОНЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Основные принципы изучения и количественной оценки подземного стока в моря
Динамика подземных вод артезианских структур, прилегающих к морям, свидетельствует о том, что подземный поток верхней гидродинамической зоны направлен обычно в сторону моря и формирует субмаринный подземный сток. Субмаринная разгрузка подземных вод происходит в виде концентрированных их выходов по тектоническим нарушениям и на участках развития трещиноватых и закарстованных пород, а также за счет процессов рассредоточенного перетекания через слабопроницаемые кровлю водоносных горизонтов и морские донные отложения. Разгрузка подземных вод перетеканием через слабопроницаемые отложения установлена для многих артезианских структур в пределах районов как с естественным, так и особенно с нарушенным гидрогеологическим режимом. При этом процессы перетекания нередко определяют динамику подземных вод артезианского бассейна в целом или крупных его частей и играют существенную или даже определяющую роль при субмаринной разгрузке подземных вод.
В основе изучения и количественной оценки подземного стока в моря должны лежать надежные методы исследования, позволяющие обнаружить субмаринные выходы подземных вод и определить их расход. Эти методы достаточно четко могут быть разделены на две группы: 1) методы, основанные на количественном анализе условий формирования подземного стока в море в пределах водосборной и, прежде всего, прибрежной части суши; 2) методы морских гидрогеологических исследований, основанные на изучении непосредственно акватории моря.
Методы, основанные на изучении водосборной площади, примыкающей к морю, предусматривают анализ геологических и гидрогеологических условий прибрежной части моря. Сюда относятся: гидродинамический расчет расхода потока (аналитическим путем и моделированием), комплексный гидролого- гидрогеологический метод и метод среднемноголетнего водного баланса областей питания подземных вод. Эти методы, основанные на изучении процессов движения подземных вод, являются основными для непосредственной количественной оценки подземного стока в моря в пределах той зоны геологического разреза, для которой имеются данные о гидрогеологических параметрах.
Гидродинамический метод заключается в следующем. На основе анализа геолого-структурных и гидрогеологических условий прибрежной части артезианского бассейна выделяются водоносные горизонты (комплексы), сток которых направлен непосредственно в море, минуя речную сеть. По выделенным горизонтам строятся карты уровенной поверхности и водопро- водимости, отражающие общие закономерности формирования субмаринного подземного стока. Субмаринный подземный сток на протяжении всей береговой линии моря определяется с помощью основной расчетной зависимости Дарси по выделенным лентам тока. Расчет расхода потока ведется для каждого выделенного водоносного горизонта или комплекса с использованием имеющихся гидрогеологических параметров. Обычно на основании анализа общих гидродинамических условий прибрежной территории выделяют отдельные расчетные участки со сходными гидрогеологическими условиями и уже в пределах этих участков расход потока подземных вод непосредственно в море рассчитывают с использованием гидродинамической сетки, построенной по данным наблюдательных скважин в береговой зоне.
Как уже отмечалось, один из основных путей поступления подземных вод в моря - разгрузка их путем перетекания через слабопроницаемые отложения и донные осадки непосредственно в пределах акватории. Поэтому значительный интерес представляет определение области наиболее интенсивной разгрузки подземных вод и выяснение картины распределения субмаринного подземного стока. При наличии достаточных данных, характеризующих региональные условия фильтрации подземных вод, для оценки подземного стока в моря применим метод оценки взаимосвязи водоносных горизонтов, предложенный Н. А. Огильви и развитый в работах других авторов (Огильви, Семендяева, 1972). Этот метод позволяет при известном распределении по площади значений напора и водопроводимости получить в каждой расчетной точке горизонтальную и вертикальную составляющие подземного потока. При этом разбивка области фильтрации на расчетные блоки и последующие вычисления могут быть выполнены методами конечных разностей или конечных элементов. Этот метод использовался при оценках подземного стока в Каспийское море (Джамалов и др., 1977).
А. Валдес (Valdes, 1986) описывает опыт оценки разгрузки подземных вод в карстовом районе на о-ве Хувентуд. Здесь в результате буровых работ, зондирования и отбора проб была обнаружена линза пресных подземных вод, плавающая на соленой морской воде. Изучение формы и размеров линзы в разные периоды года, а также уровня воды в скважинах свидетельствуют, что снижение уровня подземных вод в период отсутствия инфильтрационного питания происходит вследствие разгрузки подземных вод в море и суммарного испарения. Ввиду того, что испарение было небольшим, изменение объема линзы за рассматриваемый период обусловлено подземным стоком в море, который, по расчетам автора, составлял 4500 м3/сут. Использованный А. Валдесом метод относится к гидродинамическим методам оценки подземного стока. Его применение требует систематических наблюдений за уровнем и минерализацией подземных вод, осадками и испарением. По мнению А. Валдеса, этот метод можно с успехом применять в исследованиях подземного стока на небольшом острове.
Комплексный гидролого-гидрогеологический метод состоит в том, что в пределах всей прибрежной зоны исследуемого бассейна моря путем генетического расчленения стока рек за многолетний период определяют среднемноголетние значения модулей подземного стока для основных водоносных горизонтов. Затем, используя метод аналогий, полученные значения модулей подземного стока распространяют на сходные по гидрогеологическим условиям участки прибрежной зоны, сток с которых направлен непосредственно в море, минуя речную сеть. Путем умножения модуля подземного стока на соответствующие площади прибрежной зоны рассчитывают приток подземных вод в море из зоны интенсивного водообмена. Описанный метод применим только для бассейнов с хорошо развитой речной сетью. В этом случае оценивается не весь подземный сток в море, а только из зоны интенсивного водообмена, включающий в основном пресные подземные воды. Поэтому рассматриваемый метод целесообразно использовать с другими, например, с методом среднемноголетнего водного баланса или гидродинамическим методом.
Так, количественный подземный сток в оз. Онтарио определялся методом "базисного стока рек" и гидродинамическим способом, которые контролировали и дополняли друг друга (Singer, 1974). Использование первого метода основано на допущении, что разгрузка подземных вод на единицу площади водосбора, примыкающей к береговой линии озера, равна средней величине разгрузки подземных вод в реки с единицы площади бассейнов рек исследуемой территории. Иными словами, модули подземного стока в реки бассейна озера принимаются за модули подземного стока непосредственно в озеро. Такой прием вполне правомерен для ориентировочной оценки подземного притока в озеро, если геологические и гидрогеологические условия бассейна рек, по которым определялись количественные характеристики подземного питания, и прибрежной части озера могут считаться аналогичными. Площадь водосбора, сток с которого направлен непосредственно в озеро, определялась с учетом различного положения уровней грунтовых вод в зимне-весенний и летне-осенний периоды. Расчеты по зависимости Дарси выполнялись для различных участков на основании имеющихся данных о гидрогеологических параметрах, полученных в том числе и путем опытных откачек.
Исследования подземного стока в оз. Онтарио были продолжены Р. Остри (Ostry, 1979). При этом были проанализированы имеющиеся опубликованные и архивные данные о геологическом строении и гидрогеологических условиях западного побережья озера, проведены разведочное бурение и опытно-фильтрационные работы. Количественная оценка разгрузки подземных вод в озеро на рассматриваемом участке выполнена по зависимости Дарси. Расчеты выполнялись для отдельных гидрогеологических районов северного и южного побережья. Использовались данные скважин, расположенных на расстоянии примерно 3 км от берега и было принято допущение, что приток в озеро формируется в основном в ледниковых наносах и в верхней части 15-метровой толщи коренных пород. Оцененная величина подземного стока в оз. Онтарио с канадского побережья (2,8 м3/с) незначительна по сравнению с притоком поверхностных вод.
Метод среднемноголетнего водного баланса может быть использован для оценки подземного стока в моря из глубоких артезианских водоносных горизонтов, которые имеют четко выраженную область питания. Для области питания составляют уравнение среднемноголетнего водного баланса и по разности между осадками, испарением и речным стоком определяют значение глубокой инфильтрации, т. е. ту часть осадков, которая расходуется на питание артезианских вод. Этот метод заманчиво прост, однако его применение ограничено несколькими обстоятельствами. Во-первых, он пригоден для расчета расхода воды из тех водоносных горизонтов, которые надежно изолированы водоупорами от выше- и нижележащих горизонтов, т. е. должна быть уверенность, что сток оцениваемых горизонтов "доходит" до моря, а не расходуется на перетекание в другие слои. Во-вторых, этот метод может быть надежно использован в тех случаях, когда оцениваемое значение глубокой инфильтрации превышает точность определения других составляющих уравнения водного баланса (осадки, испарение, речной сток).
Рассмотренные методы количественной оценки подземного стока в моря позволяют с достаточной точностью определить общий субмаринный сток из всех расчетных водоносных горизонтов и получить картину его распределения в прибрежной части суши и моря с учетом взаимосвязи водоносных пластов. Полученные одним из методов значения подземного стока следует в дальнейшем проверить и проконтролировать другим методом расчета. Совместное использование нескольких методов позволяет получать наиболее надежные результаты.
Вторая группа включает методы поисков и изучения различных аномалий в морской воде или в донных осадках, которые вызваны субмаринной разгрузкой подземных вод (аномалии в температуре и составе морской воды, в составе и свойствах осадков дна, газовом, химическом и изотопном составе придонного слоя воды и др.). Эти методы позволяют выделить и качественно охарактеризовать области субмаринной разгрузки подземных вод и в ряде случаев дают возможность обоснованно рассчитать величину подземного стока, вызывающего эти аномалии.
Поэтому под морскими гидрогеологическими исследованиями понимается обширный комплекс визуальных, аэрокосмических, геофизических, геохимических и других работ, направленных на изучение различных аномалий непосредственно в море (в морской воде или в донных отложениях). Таким образом, морские гидрогеологические исследования (точнее их называть "гидрогеологические исследования в море") направлены на изучение гидрогеологических процессов взаимодействия подземных и морских вод и подземного водообмена суши и моря. На рисунке 4.2.1 указаны основные методы морских гидрогеологических исследований, включающие дистанционные методы, методы непосредственных обследований субмаринных источников, методы изучения придонного слоя морской воды и методы изучения донных отложений.
Изучение влияния субмаринных подземных вод на формирование аномалий в физических и химических полях донных отложений и придонного слоя морской воды составляет методическую основу морских гидрогеологических исследований. Современный технический уровень морских исследований делает возможным измерение с высокой точностью таких важных показателей, Как температура, тепловой поток, электрическая проводимость, естественные электрические и электромагнитные поля в донных отложениях, а также определение химического, микрокомпонентного, газового и изотопного состава поровых растворов донных отложений и морской воды. Однако аномалии в распределении каждого из этих параметров не являются прямым показателем разгрузки подземных вод на дне моря. Гидрогеологическая информативность значительно повышается при измерении в одной точке одновременно параметров нескольких физических и химических полей или различных составляющих
Одного и того же поля, а также при увеличении частоты измерений, переходящей в непрерывное профилирование.
Еще с древности известны методы обнаружения субма - ринной разгрузки подземных вод - визуальное наблюдение за поверхностью моря, на которой мощные сосредоточенные субмаринные источники вызывают различные изменения. К ним относятся образование водяных куполов, "вскипание" на поверхности моря, изменение цвета морской воды, появление пузырьков газа. Изменение цвета морской воды может быть вызвано различными химическими реакциями, происходящими при разгрузке подземных вод на дне моря. По изменению цвета морской воды был обнаружен источник вблизи берегов Индонезии на фумарольных полях вулкана Бану-Вуху; там вода окрашивается в красный цвет при окислении железа, приносимого термальными субмаринными источниками. С помощью визуальных наблюдений было открыто большое количество субмаринных, в основном карстовых, источников во многих районах мирового океана.
С помощью визуальных наблюдений можно обнаружить субмаринные источники, имеющие значительный дебит, расположенные в основном в прибрежной части моря. Даже наиболее мощные источники могут остаться незамеченными, если глубина их выхода превышает десятки метров. В последнее время возможности этого метода обнаружения разгрузки подземных вод в море значительно расширены в связи с применением аэрокосмической съемки и исследований с помощью водолазной техники.
Весьма перспективны для изучения субмаринной разгрузки подземных вод дистанционные методы и прежде всего многоспектральная съемка поверхности моря с самолета или космических аппаратов. Возможность применения аэрокосмических методов для изучения подземного стока в море основана на том, что субмаринные выходы подземных вод приводят к изменениям важнейших характеристик морской воды (цвета, прозрачности, температуры, структуры водной поверхности), фиксируемых на аэрокосмических снимках. Крупномасштабные аэрофотоснимки позволяют достаточно детальнб изучить особенности геологического и геоморфологического строения прибрежных частей суши и моря, выделить зоны разломов и зоны повышенной трещиноватости, к которым обычно приурочены крупные субмаринные источники. Изменение цвета или прозрачности морской воды, вызванное субмаринными выходами подземных вод, отражается на аэрофотоснимках появлением в соответствующем месте более или менее значительного изменения фототона, которое фиксирует еубмаринный источник. В некоторых районах выходы подземных вод в море настолько обильны, а занимаемые ими площади столь обширны (например, в районе Эль-Морж в Средиземном море субмаринные источники наблюдаются вдоль берега на протяжении 200 км), что вызванные ими аномалии отчетливо фиксируются даже на снимках из космоса. Космическую съемку производят с помощью высокочувствительной аппаратуры, регистрирующей электромагнитное излучение земной поверхности в различных областях спектра. Съемка основана на спектральных отличиях в отражении солнечного света различными объектами. Этот метод позволяет с помощью соответствующих светофильтров получить максимальный световой контраст при дешифрировании элементов поверхности изучаемой территории. На первом американском искусственном спутнике, запущенном с целью изучения природных ресурсов Земли, было установлено многоспектральное сканирующее устройство для регистрации электромагнитного излучения в четырех диапазонах длин волн: зеленом (0,5-0,6 мкм), красном (0,6-0,7 мкм) и двух ближних инфракрасных (0,7-0,8 и 0,8-1,1 мкм). Выбор этих диапазонов не случаен и обусловлен различными целями. В частности, в "зеленом" диапазоне морская вода прозрачна, и на космических снимках отображаются рельеф дна, мутность и различные примеси, имеющиеся на дне. Это позволяет обнаружить крупные карстовые источники, воды которых обычно содержат взвешенные частицы или пузырьки воздуха. Подобные источники обнаружены на аэрофотоснимках побережья о-ва Ямайки, где восходящие потоки карстовых вод образуют на поверхности моря мутные участки овальной формы. Многоспектральная съемка использовалась геологической службой США для изучения субмаринных источников вблизи Ямайки, Сицилии и Гавайских островов.
В основу инфракрасной съемки положено измерение интенсивности теплового излучения различных природных поверхностей, в том числе и поверхности моря в инфракрасном диапазоне электромагнитных волн. С помощью современных инфракрасных радиометров можно измерить с искусственных спутников Земли и самолетов изменения температуры на поверхности моря с точностью до десятых и сотых долей градуса. Инфракрасная съемка весьма эффективна для обнаружения очагов субмаринной разгрузки подземных вод. Температура подземных и морских вод обычно неодинакова. В связи с этим на космо - или аэроснимках, полученных в результате инфракрасной съемки, субмаринная разгрузка подземных вод фиксируется по характерным контрастам, имеющим обычно конфигурацию шельфов.
Следует отметить, что применение инфракрасной съемки для картирования очагов разгрузки подземных вод в акватории морей возможно лишь при условии, что аномалии температуры, вызываемые субмаринной разгрузкой, достигают поверхности моря и отличаются от температуры морской воды на величину, большую чувствительности радиометрии.
Инфракрасная съемка проводилась при изучении водных ресурсов о. Лонг-Айленд (США) и, в частности, для определения мест разгрузки подземных вод в заливе острова. Здесь температура морской воды летом около 20°С, а подземных вод -10-15°С. В связи с этим на летнем снимке субмаринная разгрузка подземных вод четко прослеживается вдоль линии берега по темным туманным участкам.
Кроме обнаружения субмаринных источников, инфракрасная съемка позволяет получить и ряд других важных данных. Так, дебит субмаринного источника приблизительно определяют расчетным путем, исходя из площади поверхностного пятна. По тепловым снимкам можно определить температуру источника. С помощью повторных съемок (особенно космических, не требующих затрат дополнительных средств, отличающихся высокой периодичностью и охватывающих значительные территории), проводят режимные наблюдения как на отдельных участках, так и на обширных акваториях.
Около г. Тампа (п-ов Флорида) инфракрасная съемка применялась для определения линии равного давления между разгружающимися в море подземными и морскими водами. По перемещению этой линии можно судить об интенсивности разгрузки подземных вод в море.
При изучении субмаринных источников важное значение имеют непосредственно подводные наблюдения с помощью легкой водолазной техники. Такие исследования были выполнены на шельфе Черного моря в районе гагринской группы субмаринных источников для изучения механизма разгрузки подземных вод через карстовые источники на дне моря.
Описание приемов изучения и оценки подземного стока в моря и озера было бы неполным, если не упомянуть опыт измерения дебита и напора субмаринных источников пьезометрическими установками и расходомерами различной конструкции.
Весьма перспективно применение расходомеров для оценки скорости фильтрации подземных вод через донные отложения. Принцип устройства расходомера заключается в том, что участок дна ограничивается цилиндром определенного сечения и, таким образом, выделяется площадь, через которую измеряется субаквальная разгрузка. Цилиндр вдавливается открытой частью в донные отложения. К закрытой части цилиндра, имеющей небольшое выпускное отверстие, подсоединяются расходомеры различных конструкций. Измеряя количество воды, прошедшей через расходомер в единицу времени с определенной площади дна, получают модуль вертикальной разгрузки подземных вод. Оборудовав такой расходомер несложной электронной аппаратурой, можно проводить длительные режимные наблюдения. С помощью подобных расходомеров изучалась субаквальная разгрузка подземных вод в озеро Мичиган; ледниковое озеро Салли, штат Миннесота, США; в залив Грейт-Саут-Бой, США; в озеро Таупо в Новой Зеландии.
Изучение выходов подземных вод на значительной глубине возможно с использованием батискафов. Существующие в настоящее время батискафы позволяют в течение длительного времени и практически на любой глубине отбирать пробы отложений, проводить подводное фотографирование и другие наблюдения. Исследования, выполненные на батискафе "Алумин^т" на шельфе у берегов Флориды выявили подводные выходы пресных и солоноватых вод и позволили определить условия их разгрузки. Изучение формирования горячих рассолов на дне Красного моря и обследование глубоководных районов оз. Байкал проводилось российскими учеными на батискафе "Пайсис".
Определение напора подземных вод, разгружающихся через донные отложения, производилось с помощью специальных пьезометров на оз. Юта в США. Здесь в результате инфракрасной съемки, выполненной с самолета на высоте 1100 м, были обнаружены участки разгрузки подземных вод в акватории озера. Эти участки очень близко совпали с аномалиями распределения в озерной воде натрия, магния и калия. Визуальные наблюдения показали, что в районе разгрузки подземных вод образуется свободное ото льда пространство треугольной формы с основанием длиной 5 км, расположенным у береговой линии. Вершина треугольника удалена от берега на 3 км. Кроме того, при визуальных наблюдениях удалось обнаружить на дне множество мутьевых завихрений диаметром до 3 м, которые вызваны разгрузкой подземных вод. На участке площадной разгрузки подземных вод, обнаруженном на дне озера с помощью инфракрасной съемки и аэровизуальных наблюдений, в донные отложения вдавливается на глубину 9 м иглофильтр, оборудованный пьезометром. Интересно отметить, что в скважинах, пробуренных на берегу около уреза воды, уровень грунтовых вод находится примерно на отметке уровня озера, а в пьезометрах, расположенных в акватории озера в районе аномалии, уровень достигает высоты 65 см над поверхностью озера. Это дает исследователям основание утверждать, что в озере происходит разгрузка напорных вод глубоких водоносных горизонтов. При исследованиях на оз. Юта применялся комплекс методов изучения субаквальной разгрузки подземных вод, включающий инфракрасную съемку с самолета, аэровизуальные наблюдения, гидрохимические исследования разреза озерной воды и непосредственные измерения напоров подземных вод на дне озера.
В арсенал методов изучения субмаринной разгрузки подземных вод входит применение различных индикаторов. Это позволяет по разбавлению в морской воде различных индикаторов, запускаемых в устье грифонов или в карстовую полость на суше, определить местоположение источника, условия разгрузки, а в ряде случаев и дебит субмаринной разгрузки. К таким индикаторам относятся красящие вещества типа флуорисцена, окрашенные споры, различные изотопы и просто пресная вода источника, разбавляющая морскую воду.
Для картирования и определения дебита субаквальных источников подземных вод можно использовать и радиоактивные индикаторы.
Из методов, основанных на изучении аномалий в составе и свойствах морской воды, широко применяется измерение ее электропроводности. В основе этого метода лежит связь между минерализацией, химическим составом и электрическим сопротивлением воды. Для обнаружения выходов подземных вод в море измеряют с помощью резистивиметров удельное сопротивление морской воды по профилю на различных глубинах. Одновременно с измерением сопротивления регистрируется и температура. На основании полученных данных, перейдя от удельного сопротивления к ее солености, строят карты распределения солености морской воды, а по конфигурации изолиний определяют местоположение субмаринного источника.
Для обнаружения субмаринных источников и в ряде случаев для предварительной оценки их дебита изучаются аномалии химического состава морской воды по разрезам. Эти исследования основаны на существенных различиях минерализации и химического состава подземных морских вод.
Весьма перспективно применение на борту научно-исследовательского судна автоматических анализаторов, что позволяет непрерывно по профилю определять содержание в морской воде нескольких компонентов.
В последние годы для изучения субмаринной разгрузки подземных вод применяется анализ изотопного состава морской воды. Изменения концентрации трития, дейтерия, радиоуглерода и кислород-18 в водах субмаринных источников позволяют судить об их происхождении, источниках питания, скорости движения и сроках водообмена (Burnett et. al., 1966; Cable, 1966).
Изучение аномалий в донных отложениях осуществляется различными геофизическими методами, а также путем определения фильтрационных свойств и анализа поровых растворов донных осадков. Весьма успешно применяется комплексный геофизический метод, разработанный в Институте водных проблем РАН и известный в литературе как "морской гидрогеологический комплекс". Этот метод включает непрерывное сейсмо - акустическое профилирование, осуществляемое с борта судна, и непрерывное измерение температуры и солености придонного слоя воды с помощью специального зонда. Суть метода состоит в использовании сейсмоакустических сигналов для записи на борту непрерывного профиля геологического строения дна (при необходимости глубина сейсмоакустического зондирования дна может достигать 1000 м). Одновременно по тому же самому профилю на границе дно/вода регистрируется температура (точность измерений 0,01°С) и соленость (с точностью до 0,05%о).
Данный метод позволяет получить геологический профиль донных отложений и кривые температуры и солености вблизи дна по всему изучаемому профилю (рис. 4.2.2). Комплексный
Уровень моря
Зона разгрузки подземных вод |
Температура Соленость |
Рис. 4.2.2. Аномалия солености и температуры в морской воде, вызванная разгрузкой подземных вод |
Анализ полученных данных делает возможным обнаружить и оконтурить зоны подземного стока на дне озера, а расчеты по найденным зависимостям позволяют количественно оценить объем подземного стока. Расчет субмаринного подземного стока, объясняющего аномалии температуры и солености в придонном слое (определенные с помощью анализа профиля), основан на изучении солевого и температурного баланса в аномальных зонах, где подземные и озерные воды смешиваются (Зекцер и др., 1986). Этот комплексный геофизический метод был успешно использован при оценке подземного стока в Каспийское море и озера Иссык-Куль и Балхаш.
Необходимо подчеркнуть, что указанные методы определения подземного стока в озера следует рассматривать как взаимодополняющие. Наиболее надежные данные получаются при использовании комбинации методов.
Сам по себе выбор методов и их сочетание зависят в основном от конкретных задач исследований, геологических и гидрогеологических условий в прибрежной зоне, имеющихся фактических данных.