ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ КАК КОМПОНЕНТ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Подземный сток в Каспийской море

Основная проблема Каспийского моря связана со значитель­ными изменениями его уровня. За последние 15 лет уровень воды в этом крупнейшем в мире внутреннем озере поднялся почти на два метра. Так как колебания уровня воды в озере наносят зна­чительный экономический ущерб, необходимо определить и предпринять меры для поддержания оптимального водно-соле - вого режима в озере, и, следовательно, оптимального уровня воды.

В середине прошлого века было проведено множество ис­следований, посвященных оценке подземного стока в Каспий­ское море. Анализ этих исследований проведен И. С. Зекцером с коллегами (1972). Однако, по данным различных авторов, зна­чения объема подземного стока в Каспийское море различались более чем в 150 раз (от 0,3 до 49,3 км3/год) из-за недостаточной надежности методов, использовавшихся для оценки, и нехватки достоверных гидрогеологических данных для независимых рас­четов. Ниже приведены результаты оценки подземного стока в Каспийское море гидродинамическим методом (Зекцер и др., 1984).

Впадина, в которой расположено Каспийское море, вытяну­та в меридиональном направлении, имеет длину около 1200 км и ширину около 320 км. При современном положении длина береговой линии Каспийского моря составляет около 7000 км.

В акватории Каспийского моря выделяют три впадины: се­верную, среднюю и южную. Северная впадина (Северный Кас­пий) представляет собой мелководную часть моря с глубинами около 5 м, площадь ее около 80 тыс. км2. Средняя впадина (Сред­ний Каспий) представляет собой асимметричную котловину с крутым западным и пологим восточным склонами; максималь­ные ее глубины (до 788 м) находятся в Дербентской впадине у западного берега. Площадь Среднего Каспия 138 тыс. км2. Юж­ная впадина (Южный Каспий) также асимметрична, с крутыми западными и южными берегами. Максимальная глубина здесь в Куринской впадине достигает 1025 м. Благодаря большой глу­бине Южный Каспий заключает в себе около 2/3 всей воды моря.

В Каспийское море впадает более 100 рек. Наиболее круп­ные реки - Волга, Урал и Терек - впадают в Северный Каспий, причем на долю Волги приходится 83% всего речного стока. Среднемноголетний сток рек в Каспийское море составляет 285,3 км3/год или 790 мм/год.

Для подсчета подземного стока в Каспийское море гидроди­намическим методом использовались данные более 3800 сква­жин, пробуренных по всей береговой зоне. Для всех основных водоносных горизонтов были составлены карты уровней повер­хности и водопроницаемости. Общий подземный сток в море по выделенным водоносным горизонтам и комплексам на про­тяжении всей береговой линии Каспийского моря определялся с использованием основной расчетной зависимости Дарси для расхода подземного потока. При этом основные гидрогеологи­ческие параметры не осреднялись в пределах значительных пло­щадей, а снимались непосредственно с соответствующих гид­родинамических карт.

Расчеты расхода потока были выполнены по лентам тока с однородными гидрогеологическими условиями; ширина выде­ленных лент не превышала 30 км. Оцененный таким образом общий подземный сток в Каспийское море составил 3,2 км3/год. Установлено, что основной подземный сток в Каспий формиру­ется на западном побережье из-за благоприятных физико-гео­графических и геолого-гидрогеологических условий (значитель­ное количество осадков, высокая проницаемость крупнозерни­стых терригенных и трещиноватых пород). На восточном побережье подземный сток незначителен из-за сухого климата, низких фильтрационных свойств водоносных пород побережья и малого градиента пьезометрической поверхности подземных вод.

Анализ условий формирования подземного стока в Каспий­ское море показывает, что в пределах западного, восточного и северного его побережий природные факторы оказывают раз­личное влияние на субмаринную разгрузку подземных вод. Так, на западном побережье, которое характеризуется в целом благо­приятными климатическими и геоморфологическими условия­ми питания подземных вод, основное влияние на подземный сток непосредственно в море оказывают геолого-литологиче - ские и гидродинамические факторы. Значительная часть под­земной составляющей здесь формируется из сравнительно глу­боких водоносных горизонтов, характеризующихся высокой водообильностью, хорошими фильтрационными свойствами, значительными напорами и уклонами пьезометрической повер­хности в сторону моря. Подобные условия формирования суб­маринного подземного стока характерны, вероятно, и для иран­ского побережья, отличающегося большим количеством атмос­ферных осадков и благоприятными условиями их инфильтрации.

На восточном и северном побережье Каспийского моря под­земный сток формируется в основном под воздействием клима­тических и геоморфологических факторов. Небольшое количе­ство атмосферных осадков, высокая испаряемость и залегание с поверхности на значительных площадях слабопроницаемых отложений создают неблагоприятные условия для питания под­земных вод и формирования регионального подземного стока. Существенное воздействие на сток подземных вод оказывают многочисленные глубокие бессточные впадины (соры) и эрози­онные врезы временных водотоков, которые перехватывают подземный поток. На этом общем фоне выделяется район Ман - гышлакского артезианского бассейна, где существенную роль также играют процессы карстообразования. Закарстованные и трещиноватые известняки сарматского водоносного комплекса здесь аккумулируют большую часть атмосферных осадков, что обуславливает сравнительно высокий подземный сток из этих отложений в море.

Разгрузка подземных вод в пределах акватории и прибреж­ной части суши происходит в основном за счет процессов пере­текания снизу вверх через разделяющие слабопроницаемые слои. Об этом свидетельствует, в частности, увеличение напоров под­земных вод с глубиной их залегания в прибрежной части, выпо - лаживание пьезометрической поверхности всех водоносных комплексов по мере приближения к береговой линии и ухудше­ние фильтрационных свойств водовмещающих пород в том же направлении. Площадная разгрузка подземных вод перетекани­ем не исключает концентрированных выходов их на дне моря в виде субмаринных источников в районах тектонических нару­шений и обнажения коренных пород. Количественная оценка процессов перетекания показывает, что они могут определять динамику целых артезианских бассейнов или крупных их час­тей. В связи с этим была проведена оценка взаимосвязи водо­носных комплексов и перетекания подземных вод в пределах прибрежной полосы суши и моря и выполнено сопоставление полученных значений вертикальной разгрузки с общим значе­нием подземного стока в море, определенным по зависимости Дарси. Разгрузка инфильтрационных подземных вод перетека­нием через слабопроницаемую кровлю водоносных горизонтов в морские донные отложения происходит в той части моря, где пьезометрические уровни водоносного комплекса располагаются настолько выше уреза морской воды, что существует необходи­мый напорный градиент для вертикальной фильтрации подзем­ных вод. В прибрежной полосе, как правило, развиты водонос­ные системы с прямым соотношением напоров, когда нижеле­жащие водоносные горизонты разгружаются в вышележащие и затем суммарный вертикальный поток дренируется морем.

Выделение прибрежной части моря, где процессы перетека­ния инфильтрационных подземных вод наиболее интенсивны, производилось методом экстраполяции пьезометрических про­филей каждого комплекса до абсолютной отметки уровня моря. Однако из-за неточности экстраполяции граница наиболее ин­тенсивной разгрузки подземных вод в акватории моря является условной. Процессы перетекания, видимо, происходят на более значительных площадях, но наибольших своих значений они достигают именно в пределах выделенных зон прибрежной по­лосы. Эта условная граница субмаринной разгрузки подземных вод перетеканием на западном побережье находится на расстоя­нии от береговой линии от нескольких километров для древне - четвертичного водоносного комплекса до ста километров для сарматского водоносного комплекса На восточном побережье эта полоса расширяется в некоторых местах до 120 км для сар­матского и нижележащих водоносных комплексов.

Проведенная количественная оценка взаимосвязи водонос­ных комплексов показывает, что основная разгрузка подземных вод перетеканием происходит в пределах суши, где модули вер­тикального потока колеблются от единиц до 0,5 л/с-км2, посте­пенно снижаясь по направлению к морю до 0,2 л/с-км2. Это вы­звано тем, что в районах, прилегающих к областям питания или близких к ним, водоносные комплексы наиболее водообиль - ны и обладают значительным напорным вертикальным гради­ентом, а разделяющие их слабопроницаемые слои маломощ­ны и опесчанены. Коэффициент перетекания здесь составляет 510_5-5-10-бл/сут, а вертикальный расход достигает нескольких десятков тысяч кубических метров в сутки с площади расчетной ячейки 100 км2. Следовательно, по мере приближения к берего­вой линии основная часть подземного потока разгружается как за счет процессов площадного перетекания, так и в результате его естественного и искусственного дренирования.

В связи с этим к морю подходит сравнительно маломощный поток подземных вод, разгрузка которого, как показали про­веденные расчеты, возможна за счет процессов перетекания в пределы выделенных ранее площадей акватории. Здесь модули вертикального потока изменяются от 0,2 до 0,1 л/с-км2, посте­пенно снижаясь к условной границе выделенных площадей до 0,05 л/с-км2. Коэффициенты перетекания здесь, как правило, не превышают 1-Ю"6 л/сут, снижаясь на отдельных участках до 1 • 10 7 л/сут. Это свидетельствует о значительной мощности и гли­нистости разделяющих слоев. Общая разгрузка напорных под­земных вод перетеканием в прибрежной части моря, охвачен­ной расчетами, составляет около 1 км3/год (рис. 4.4.1).

По всему периметру моря, разделенному на 15 расчетных уча­стков со сходными гидрогеологическими свойствами и рассчи­танными параметрами, и близкими значениями солености под­земных вод в выделенных водоносных горизонтах, разгружаю­щихся в море, была выполнена оценка поступления в Каспий растворенных веществ. Общее количество выноса солей в море с подземными водами составляет 23 млн. т/год. Таким образом, несмотря на то, что подземный сток в Каспий незначителен и составляет всего около 1-2% от притока поверхностных вод, вынос растворенных веществ с подземными водами составляет 27% от поступления растворенных веществ с поверхностными водами. Это обстоятельство крайне важно учитывать при изуче­нии гидрохимического и гидробиологического режима Каспия (Джамалов и др., 1977; Зекцер и др., 1972, 1984).

В последние годы в поисках причин колебаний уровня моря некоторые исследователи обратили внимание на геологические факторы формирования его баланса и режима, такие как текто­нические движения, современный вулканизм, землетрясения. Однако влияние указанных "подземных" факторов на формиро­вание режима и баланса Каспийского моря изучено чрезвычай­но слабо, лишь в работе (Шико, 1989) впервые поставлен воп­рос о возможном влиянии современных геодинамических про­цессов на водный режим моря.

Рассматривается также возможное влияние грязевого вулка­низма на водно-солевой режим Каспийского моря.

По результатам морфометрической съемки дна Каспийского моря зарегистрировано 142 действующих грязевых вулкана (Яку­бов и др., 1983). Как правило, эти образования приурочены к

Зонам тектонических нарушений. В частности, в районе Апше- ронского порога грязевые вулканы вытянуты цепочкой вдоль Апшероно-Прибалханского разлома. На несомненную связь под­водных грязевых вулканов Южно-Каспийской впадины с глу­бинными разломами указывалось в (Кулакова, Лебедев, 1983). Все это позволяет рассматривать подводные грязевые вулканы в качестве отдельных источников субаквальной разгрузки подзем­ных вод глубоких обводненных пластов, характеризующихся затрудненным водообменом.

Н. Ф. Глазовским с соавторами (1976) было показано, что общий объем воды, поступающий в море из жерл грязевых вул­канов в период спокойной стадии (при дебите исследованных грифонов и сопок 0,05-0,5 л/мин), оценивается величиной 0,001 км3/год; в период сильных извержений (при частоте не более двух извержений в год) объем воды достигает 0,01 км3; количество солей, поступающих вместе с водами грязевых вул­канов в море, составляет 2-10s т/год.

Исследования подводных грязевых вулканов Южно-Каспий­ской впадины затруднены из-за больших глубин (от первых десятков до 800 м и более), а отсутствие специальных методи­ческих рекомендаций и соответствующей измерительной аппа­ратуры не позволяет фиксировать с достаточной точностью ко­личество эруптивной воды. Об интенсивности их деятельности лишь косвенно можно судить по высоте конуса сопочной брек­чии, которая варьирует (от 0,5 до 500 м и более). Вместе с тем в настоящее время накоплен достаточный материал о действую­щих наземных грязевых вулканах, который можно экстрапо­лировать по аналогии на подводные грязевые вулканы. Это позволяет выполнить предварительную оценку поступления воды и растворенных веществ в море из подводных грязевых вулканов.

Выполненные исследования (Зекцер и др., 1994) показали, что роль грязевулканической деятельности в общем водном ба­лансе Каспия невелика, однако ее влияние на химический со­став морской воды и образование аномальных гидрохимиче­ских зон достаточно заметно. Вынос растворенных веществ гря­зевыми вулканами составляет от 2,8 до 9,3% суммарной величи­ны поступления солей в Каспийское море с речным стоком.