Гидрогеохимическая эволюция системы "соленые воды-донные осадки" в условиях холодного климата

Пшенникова Н.А.   Бычинский В.А.  

Докладчик: Пшенникова Н.А.

Наилучший путь к пониманию эволюции озер – это междисциплинарный подход к их изучению. Соленые озера подобны океанам, только меньших размеров, что делает их более уязвимыми к внешним воздействиям, включая климатические изменения. Но это, в свою очередь, играет положительную роль в их изучении. За непродолжительный период существования озер можно наблюдать всю историю развития озера, самые разнообразные процессы, изменяющие и состав озерных вод, и состав донных осадков.
Объектом наших исследований являются озера Баргузинской впадины отделенной от Байкальской котловины Баргузинским хребтом, с юго-востока – Икатским хребтом, на юго-западе – Шаманским, а на северо-востоке – соединением Баргузинского, Икатского, Северо- и Южно-Муйского хребтов, расположенная в республике Бурятия между 53º27´ и 54º52´с.ш., 109º41´ и 111º00´в.д. На ее территории насчитывается более 1000 озер, отличающихся разнообразием по гидрохимическому составу, встречаются воды – пресные, содовые и соленые. Особенно много озер встречается в южной части, к северу – реже. Озера в условиях резкоизменяющейся сезонно-климатической обстановки Баргузинской долины существуют неравномерно, то есть их общий химический состав и минерализация могут изменятся во времени.
Основная задача данной работы – определить с помощью физико-химической модели, как влияют сезонные изменения климата (зима – лето) на состав вод, и минералогию донных отложений соленых озер Баргузинской впадины на примере озера Большое Алгинское [Исаев, 2006; Обожин, 1984; Склярова, 2004]. Расчет равновесного состава вод и донных отложений соленых озер выполнен с помощью программного комплекса «Селектор» [Карпов, 2001]. Результаты термодинамического моделирования гидрогеохимических процессов позволят дать корректное объяснение эволюции озер Баргузинской долины, что и является научной задачей нашей работы.
Для решения поставленной задачи сформирована динамическая модель, представленная тремя взаимодействующими системами – резервуарами (рис. 1).
Первый резервуар – это источник подземных вод, питающий второй резервуар – озеро Большое Алгинское. Из второго резервуара, озерные воды, поступают в третий резервуар – донные отложения, насыщенные поровыми водами.
В первый резервуар на каждом этапе времени из внешней среды поступает заданное количество подземных вод, которое определяется величиной стока во второй резервуар, для того, чтобы общая масса и химический состав первого резервуара на всех этапах моделирования оставалась постоянной. Во второй резервуар, дополнительно к растворам термального источника (первого резервуара), поступают подземные воды и атмосферные осадки. Количество атмосферных осадков определялось на основе региональных метеорологических данных. А количество подземных вод задано так, чтобы компенсировать сток в третий резервуар и испарение. Из второго резервуара во внешнюю среду, согласно сезонно-климатическим условиям, выносятся заданные количества растворенных веществ, H2O в виде пара, сульфатов в виде растворенного   и минеральных фаз в виде твердого осадка. В третий резервуар поступают озерные воды из второго резервуара, которые частично захораниваются в донных отложениях, а частично поступают в подземные воды, что соответствует гидрогеологическим условиям.
С помощью этого приема имитируются процессы испарения и вымораживания.  Температурный режим второго и третьего резервуаров отражает климатические условия региона: зима 0 ºС, лето 12 ºС.

В настоящей модели подвижные фазы разделены на 4 группы: 1 группа представлена водным раствором, 2 группа – твердыми фазами, 3 группа – это компонент Н2О (растворитель), 4 – ион   (табл. 1). Данная модель максимально приближена к природным условиям, характерным для аридного климата Баргузинской впадины. Химический состав модели представлен следующими компонентами: Al–Ar–C–Ca–Cl–F–Fe–K–Mg–Mn–N–Na–P–S–Si–H–O. Данные компоненты с необходимой полнотой отражают химический состав озерных и подземных вод Баргузинской впадины. Общее число вероятных компонентов, включенных в модель – 318, из них – 123 водных компонента, 18 газов и 177 твердых фаз.

Число сезонов зима-лето, под которыми в модели мы понимаем циклы перемещения веществ между системами - резервуарами, определялось по достижению в резервуарах неизменного состояния, по которому можно определить направление гидрогеохимической эволюции исследуемого объекта. Например, каким образом будут накапливаться в донных отложениях минеральные фазы, и какие элементы концентрироваться в водах при увеличении минерализации, маркирующие зимние и летние периоды (рис. 2).

Предварительный анализ результатов показывает, что в накоплении аутигенных минералов в донных отложениях соленых озер Баргузинской впадины, существуют сезонные отличия. Главной причиной отличий являются особенности криогенной эвапоритизации. В условиях резко-континентального климата, процесс испарения может преобладать над поступлением подземных и термальных вод, основным источником озерных вод, как в летнее, так и в зимнее время.
Минеральный состав донных отложений, накапливаемых в летнее и зимнее время, отличается. В зимний период вследствие образования льда, минерализация раствора возрастает. Однако рассчитанная минерализация равновесного со льдом раствора оказывается ниже природной. Наряду с вымораживанием продолжается процесс испарения льда. Поэтому в модели из озерных вод удаляется как водный раствор в целом, так и отдельно компонент H2O. Сезонное изменение минерализации озерных вод связано с тем, что в летний период образуются флюорапатит, флюорит, аморфный кремнезем, а в зимний – гипс, мирабилит, шёнит. Образование отличных минеральных ассоциаций, отвечающих зимним и летним условиям, происходит главным образом за счет того, что в подземных водах, взаимодействующих с озерными водами, при различных температурах растворимость таких компонентов как Ca, Na, F, S, C существенно изменяется. В зимний период минерализация водного раствора становится равновесной (неизменной) за меньшее число циклов обмена веществом между резервуарами, чем в летний.

Литература
1. Замана Л.В. Формирование озер и болот Баргузинской впадины. – В кн.: История озер в СССР. Ч. 2 (материалы к 5-му Всесоюзному симпозиуму). Иркутск, 1979. – С. 116-119.
2. Замана Л.В. Мерзлотно-гидрогеологические и мелиоративные условия Баргузинской впадины. Новосибирск: Наука, 1988. – 126 с.
3. Исаев В.П. Природные газы Баргузинской впадины. – Иркутск: Иркут. ун-т, 2006. – 220 с.
4. Карпов И.К., Чудненко К.В., Кулик Д.А. и др. Минимизация энергии Гиббса в геохимических системах методом выпуклого программирования // Геохимия. – 2001. – Т. 42, №11. – С. 1207-1219.
5. Обожин В.Н., Богданов В.Т., Кликунова О.Ф. Гидрохимия рек и озер Бурятии. – Новосибирск: Наука, 1984. – С. 81-92.
6. Склярова О.А. Геохимия и генезис озер Приольхонья (Западное Прибайкалье) // Дисс. на соиск. уч. ст. канд. геол.-мин. наук. Иркутск, 2004. – 121 с.
 

К списку докладов