1.3. Умови формування хімічного складу підземних вод
Фактори, які визначають формування хімічного складу природних вод поділяють на головні та другорядні, а також на прямі та опосередковані (О.О.Алекін [4]).
Головні фактори – ті, що визначають склад води, тобто сприяють формуванню гідрохімічного типу (хлоридного, сульфатного).
Другорядні фактори – ті, що сприяють появі у воді компонентів, які надають воді нових особливостей, проте тип її залишається незмінним.
Прямі фактори безпосередньо впливають на хімічний склад води (ґрунти, гірські породи), опосередковані діють опосередковано, тобто через інші (прямі) чинники.
За характером впливу фактори які обумовлюють формування хімічного складу природних вод поділяють на такі групи (А.М.Никоноров [5]):
1)фізико-географічні (рельєф, клімат, вивітрювання, ґрунтовий покрив, водний режим);
2)геологічні (склад гірських порід, тектонічна будова, гідрогеологічні умови);
3)фізико-хімічні (хімічні властивості елементів, кислотно-лужні та окисно-відновні умови, змішування вод і катіонний обмін);
4)біологічні (діяльність рослин і живих організмів);
5)антропогенні (штучні) – всі чинники, що пов¢язані з господарчою діяльністю людини.
Взаємодія та послідовність прояву вказаних факторів зумовлюють формування природних вод – поверхневих і підземних.
Рельєф належить до опосередкованих факторів і впливає на умови водообміну, від яких залежать мінералізація та хімічний склад води. Ступінь розчленованості рельєфу визначає розміри поверхневого стоку й дренованість підземних вод.
Клімат визначає метеорологічні фактори, які зумовлюють формування водного режиму поверхневих і підземних вод. До них відносяться атмосферні опади, температура повітря і випаровування.
Початок формування хімічного складу природних вод відбувається в атмосфері. Атмосферні води характеризуються найбільш бистрими змінами мінералізації, однак склад опадів в цілому є типовим для даної місцевості. Мінералізація атмосферних опадів переважно ніжча, ніж річкових та озерних вод, тому опади знижують мінералізацію поверхневих і підземних вод.
Вплив температури повітря на хімічний склад води може виявлятися так: при підвищенні температури в прісних водоймах відбувається випадіння карбонату кальцію (СаСО3), а при значному зниженні її (при промерзанні) виділяються важкорозчинні сполуки, а в розчинах зберігаються легкорозчинні при низької температурі сполуки (це хлориди кальцію (CaСl2), магнію (MgCl2) і натрію (NaCl)).
Одним з найважливіших чинників формування хімічного складу вод на поверхні землі та у її грунтах є випаровування.
Цей фактор найбільш проявляє себе в таких географічних зонах, де випаровування значно перевищує кількість опадів. Це сухі степи, пустелі та напівпустелі. У таких районах під впливом випаровування активно йде процес мінералізації: гідрокарбонатні води стають сульфатними, а потім сульфатно-хлоридними і хлоридними.
Вивітрювання має суттєве значення при формуванні хімічного складу природних вод. Розрізняють фізичне (механічне), хімічне і біологічне вивітрювання гірських порід.
Хімічне вивітрювання включає процеси розчинення, гідролізу, гідратації й окиснення, які протікають з виділенням тепла, тобто є екзотермічними. Хімічне вивітрювання поділяється на вуглекислотне, інтенсивність якого залежить від концентрації вуглекислого газу СО2 у водах, і сірчанокислотне, важливим компонентом якого є сірчана кислота H2SO4, яка утворюється при окислюванні сульфідів.
Біологічне вивітрювання має місце у тих районах, де кількість атмосферних опадів перевищує випаровуваність при достатньо високої температурі повітря. Велика концентрація організмів, які виділяють органічні кислоти сприяють перетворенню будови мінералів.
Грунтовий покрив впливає на формування вод з одного боку через збільшення мінералізації атмосферних опадів, які фільтруються крізь них, а з іншого – через змінювання хімічного складу грунтових вод. Грунти збагачують воду іонами, газами, органічними речовинами. Найбільшу кількість солей віддають у воду чорноземи і каштанові грунти, бідні на солі є торфянисто-тундрові чи болотні та підзолисті грунти.
В процесі фільтрації води через грунт в результаті окиснення органічної речовини вміст кисню О2 зменшується, а кількість вуглекислого газу СО2 відповідно зростає. Вуглекислота сприяє утворенню гідрокарбонатних іонів:
.
(1.3.1)
Водний режим має суттєве значення у формуванні хімічного складу природних вод.
Хімічний склад води у річках залежить від часу настання водопілля, його тривалості, характеру живлення річок.
Так, у період максимуму снігового живлення вода у річках, озерах та водосховищах має більш низьку мінералізацію, ніж в період формування стоку за рахунок грунтових і підземних вод. Тому, звичайно, водосховища наповнюють у період весняного водопілля, коли припливна вода слабкомінералізована.
На зміну хімічного складу води річок впливають також і морфометричні характеристики: довжина, кількість приток, протікання річки через водойми, озера тощо.
Систематична зміна складу вод у часі та її закономірності складають гідрохімічний режим водного об¢єкту, який тісно повязаний з його гідрологічним режимом.
При побудові загальної моделі формування хімічного складу підземних вод розглядуваної теорії залученні матеріали досліджень Лялько В.І., Макова К.І., Капіноса М.М., Соболевського Е.Е.
Мелітопольська ділянка може бути віднесена до напівпрозорих артезіанських басейнів, тобто басейнів з чіткою областю живлення і без явної області розвантаження. У процесі геологічного розвитку її територія багато разів відчувала трансгресії моря, при яких накопичувались насичені морськими солоними водами відклади, а також регресії, - коли ці відклади частково або повністю розмивалися, виникало витиснення та опріснення морських вод інфільтраційними. Після виходу території регіону з під рівня моря у неогені й до сучасного часу відбувалося послідовне витиснення із занурених порід морських вод і в результаті їх перемішування з прісними інфільтраційними водами, відновлення сульфатів і катіонного обміну, формуються підземні води різного хімічного складу.
У роботі Руденко Ф.А. виділенні чотири основних джерела живлення підземних вод північно-східної частини Причорноморського артезіанського басейну: 1) надходження підземних вод з боку Українського кристалічного масиву; 2) інфільтрація атмосферних опадів у товщу гірських порід; 3) фільтрація з Каховського водосховища; 4) фільтрація з каналів на ділянках зрошування земель. При цьому основною областю між пластових живлення підземних вод і формування напору є південно-західні частина Кінсько-Ялинської западини, що обумовлено неглибоким (до 30-100 м) заляганням тут основних водоносних горизонтів (сарматського,бучакського, крейдяного), які мають інтенсивне живлення в долинах річок і балок, де вони перекриті тільки піщаним алювієм. Прибортові частини Придніпровського і Приазовського кристалічних масивів грають меншу роль у формуванні підземного стоку внаслідок обмеженої області живлення вказаних горизонтів, а також низької проникності покривних відкладів, представлених переважно суглинками.
Формування хімічного складу підземних вод на території досліджень проходить в умовах розкритої, напіврозкритої і закритої структур, тобто в умовах інтенсивного, активного, уповільненого і дуже уповільненого водообміну.
Зона інтенсивного водообміну охоплює верхню товщу порід в межах всій площі досліджень. В ній можуть бути виділені дві під зони. Перша під зона дренування місцевою ерозійною сіткою включає четвертинні горизонти, поширені вище верхньопліоцен-нижньочетвертинних червоно-бурих глин, що утворюють перший місцевий водотриви. Поширені тут ґрунтові водоносні горизонти характеризуються тісним взаємозв’язок рівневого режиму та хімічного складу вод з кліматом, який визначає інтенсивність їх живлення, а також з рельєфом, літологією покривних і водоносних порід. Внаслідок взаємодії вище зазначених факторів, для вод характерна мінливість хімічного складу, розвиток процесів інтенсивного засолення, складна форма рівнинної поверхні, яка контролюється частіше рельєфом. Друга під зона дренування основною річною сіткою включає олігоцен-неогеновий водоносний комплекс, який залягає під регіональними водотривами, має напірний режим. Потік направлений від Дніпра і Кінсько-Ялинської западини до долин річок Молочної і Токмак. Загальний напрямок потоку – до Азовського моря і Сивашу, тобто відбуває вплив структурно-геологічної будови (моноклинальне занурення до півдня, близькість зон живлення і розвантаження). Води даної під зони підвищену мінералізацію внаслідок надходження до горизонтів розчинених солей із суглинків і наявності у ґрунтових горизонтах зон засолення.
Зона активного водообміну включає водоносні комплексу у відкладах середнього еоцену і відкладах крейди (цільові об’єкти дійсних досліджень на ділянках Мелітопольського і Ново-Пилипівського водозаборів) в межах поширення вод з мінералізацією до 1-3 г/дм3. Характеризується глибоким (до 500 м) поширенням прісних підземних вод, надійною ізоляцією від вище залягаючи водоносних горизонтів товщею олігоценових водотривких глинистих порід і середньо еоценових мергелів загальною потужністю до 100-159 м, яка в умовах широкого розвитку у плані та великою потужністю, формує витриманий регіональний водотриви і чинить ведучий вплив на гідродинамічні та гідрохімічні умови району. Основна область живлення водоносних комплексів у відкладах середнього еоцену і крейди знаходиться на північному сході регіону в районі м. Оріхова, у зоні зчленування Причорноморської і Кінсько-Ялинської западини. Областями розвантаження у теперішній час є Азовське море, р. Дніпро, шахтні дренажні системи на ПБЗРР, групові водозабори і численні поодинокі свердловини. В природних умовах п’єзометричний рівень водоносних горизонтів другої зони перевищує рівні першої зони, що обумовлено більш високим положенням основної області живлення (Конксько-Ялинська западина) і ускладненим розвантаженням в зоні Азовського моря. Різка відміна мінералізації вод горизонтів першої і другої зони вказує на практичну відсутність гідравлічного взаємозв’язку між горизонтами в області формування стоку. Формуванню прісних підземних вод у глибоких водоносних горизонтах та комплексах (на глибинах більше 300 м) спияє висока однорідність і витриманість водовміщуючих порід, підвищена водо провідність, значний ухил і швидкість підземного потоку, які забезпечують швидкий рух вод від області живлення до області розвантаження.
Умови живлення глибоко залягаючи між пластових водоносних горизонтів та комплексів північно-східної частини Причорноморського артезіанського басейну вивченні недостатньо. Зокрема відсутня інформація про величини перетоку між водоносними горизонтами і комплексами палеогенових і крейдових відкладів.
При фільтрації атмосферних опадів через зону аерації, що складена лесовими суглинками, вмішуючи ми значну кількість легко розчинених солей у вигляді гіпсу і галіту, на північно-східній окраїні басейну в середньо еоценовому водоносному комплексі формуються води багатокомпонентного складу з перевагою сульфатів і хлоридів натрію, кальцію, магнію. В умовах руху в напрямку западини ці води виявляються перекритими водотривкими олігоценовими глинами і середньо еоценовими мергелями, тобто порушується їх зв'язок з вище залягаючи ми водоносними горизонтами. Різко змінюється гідро геодинамічні умови: практично призупиняється вертикальний водообмін і в значній ступені зменшується швидкість латерального потоку, що знаходить своє відображення і у гідро геохімічній обстановці. За рахунок окислювання розсіяної органічної речовини, яка вміщується у перекриваючих і підстилаючи водотривких породах, виникає збіднення підземних вод киснем, ідуть процеси десульфатизації, сприяючи зменшенню мінералізації води і збагаченню їх гідрокарбонатами іоном. Водночас у воді можуть бути утворені карбонати кальцію та магнію, і на північ від Мелітополя формуються прісні води з перевагою гідрокарбонатів і натрію. Далі на південь при зануренні водоносних горизонтів та комплексів, прісних хлоридно-гідрокарбонатні натрієві води збагачуються хлоридами натрію з недостатньо промитого морського комплексу порід. В районі м. Мелітополя води перетворюються на гідрокарбонатно-хлоридні натрієві, а південніше – хлоридні натрієві, переходячи в розсоли у зоні уповільненого водообміну.
Під впливом інтенсивного відбору підземних вод для цілей водопостачання і шахтний водовідливу на ПБЗРР відбулися значні зміни в природній гідрогеологічній обстановці регіону. Обумовлене значним водовідбором зниження рівня підземних вод водоносних комплексів у відкладах середнього еоцену і крейди, призвело до утворення глибоких місцевих і регіональних депресій п’єзометричної поверхні і значних градієнтів підземного потоку, а на окремих ділянках – до зміни його напрямку, і як наслідок, - до формування місцевої області живлення у зоні низхідного розвантаження (Азовське море – Сиваш), деякого підсилення стоку з боку Українського кристалічного щита. Це призвело до зміни гідрохімічної обстановки за рахунок змішення на північ контуру вод підвищенної мінералізації, що у свою чергу, викликало погіршення якості води у відкладах середнього еоцену горизонту на Мелітопольському, а також Веселівському водозаборах. Зміна гідрохімічної обстановки водоносних комплексів верхньо- і нижньокрейдових відкладів за площею і у часі в умовах малої кількості водозабірних і спостережних свердловин залишається досить не вивченою.
У зоні уповільненого і дуже уповільненого водообміну знаходиться глибоко залягаючи підземні води, поширені в Північно-Західному Приазов’ї (на південь від Мелітополя) у низах палеогенової товщі, крейдових відкладах і в тріщин ній зоні кристалічних порід. В зв’язку з відсутністю даних ця зона охарактеризована виходячи з загальної структурно-геологічної будови і за даними поодиноких свердловин, якими випробувані вище вказані горизонти. В зоні уповільненого водообміну поширені переважно хлоридні натрієві води з мінералізацією від 5-10 до 35-45 г/дм3, сингенетичні води що раніше вмощувались у водоносних горизонтах, в основному, витисненні; формування хімічного складу вод відбувається у результаті промивання гірських порід водами, поступаючи ми з вище залеглих відкладів. У зоні дуже уповільненого водообміну поширені високо мінералізовані (більше 40 г/дм3) хлоридні натрієві води з вміщенням йоду і брому. Можливо припустити, що в цій зоні вміщуються метаморфізовані і високо мінералізовані води древніх морів.