CC BY
353
УДК 553.63
Вестник СПбГУ. Сер. 7. 2013. Вып. 4
П. С. Зеленковский, В. В. Куриленко
ПРИРОДНО-ТЕХНОГЕННАЯ СИСТЕМА СОЛЯНОГО ОЗЕРА БАСКУНЧАК И ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЕЁ РЕСУРСОВ
Континентальные соляные озера в силу специфического гидрохимического и гидрологического режима являются особыми природными объектами. Это необходимо учитывать при их изучении и эксплуатации ресурсов. Зачастую с соляными озерами связаны соответствующие месторождения. По мнению исследователей [1, 2, 3], современное соленакопление в России и странах Ближнего зарубежья носит преимущественно континентальный характер и приурочено к большому числу месторождений озерного типа с характерным составом солей.
Соляные озера различаются по происхождению, строению, составу рапы и соляных отложений. Их классификация отражает специфику развития соляного озера как формирующегося месторождения полезных ископаемых [2, 4] и особенности строения подобного объекта. Она учитывает такие признаки озера, как концентрация и состав озерного раствора, его состояние, определяющее характер развития данного озера и процессов в нем, наличие твердых отложений солей.
В работе В. В. Куриленко [5] была предложена типизация современных соле-родных бассейнов по типу соленакопления и выделены бассейны первичного и вторичного соленакопления. Первичное соленакопление происходит за счет испарения морских вод. Основные гидрологические параметры таких озер (уровень вод, соленость, наличие вод) могут сильно меняться, так как они обусловлены динамикой морских вод [6, 7]. Озера вторичного галогенеза образуются и существуют за счет выщелачивания и переотложения солей древних соляных отложений. Характеристики подобных озер отличаются большей стабильностью, поскольку зависят от режима подземных вод. Озера вторичного галогенеза чаще всего связаны с соляной тектоникой. Их котловины являются компенсационными мульдами проседания, а особенности водно-солевого режима этих озер определяются наличием соляных куполов в зоне аэрации питающего их водоносного горизонта. Месторождения озерных солей данного типа обладают рядом специфических свойств, а их разработка требует дополнительных эколого-геологических изысканий.
Одним из таких объектов является оз. Баскунчак, расположенное в Астраханской обл. в пределах Прикаспийской низменности. По традиционной систематике его можно определить как соляное, хлоридного типа, богатое бромом, сухое, корневое, гали-товое озеро. Баскунчак отличается от озер в обычном понимании и является локальной областью стока (водосборная площадь порядка 450 км2). Площадь озера в коренных берегах составляет 96 км2 при наибольшей длине 18 км и ширине 9,5 км. В зимние месяцы это водоем глубиной 1-1,5 м, заполненный высококонцентрированным
Зеленковский Павел Сергеевич — кандидат геолого-минералогических наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: [email protected]
Куриленко Виталий Владимирович — доктор геолого-минералогических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет; e-mail: [email protected] © П. С. Зеленковский, В. В. Куриленко, 2013
хлоридно-натриевым рассолом (рапой). Летом, когда в условиях жаркого полупустынного климата испарение резко превышает приходную статью водно-солевого баланса, рапа опускается ниже уровня донного соляного пласта, и в нем начинается процесс эвапоритового накопления галита. При этом природный объект превращается в уникальное месторождение пищевой соли, где добыча ведется прямо с поверхности пласта (по себестоимости данное сырье было самым дешевым в СССР, а сегодня в России).
Помимо высокой чистоты минерального ресурса и его дешевизны уникальным свойством данного объекта является наличие процесса ежегодного восстановления запасов солей за счет привноса природных высокоминерализованных растворов и последующего их испарения в котловине озера в течение летнего периода. Озеро с прилегающей степью относится к объектам мирового значения, а также и к российским заповедникам федерального уровня (Богдо-Баскунчакские заповедник и заказник образованы постановлением правительства РФ в 1997 г).
Район оз. Баскунчак богат различными природными ресурсами: озерными минеральными солями, гипсовым камнем, бальнеологическими илами, строительными материалами. Инфраструктура района (три поселка: Верхний, Средний и Нижний Баскунчак) создавалась для обеспечения соляного, а чуть позже гипсового месторождений: солефабрика, бальнеологический профилакторий (Нижний Баскунчак), гипсоварочный цех и дробильно-сортировочная линия, завод сухих строительных смесей (пос. Средний Баскунчак), крупный железнодорожный узел (пос. Верхний Баскунчак), дороги, очистные сооружения, водопровод. В настоящее время район характеризуется высокой антропогенной нагрузкой, причем серьезную опасность представляет несогласованная деятельность различных природопользователей в пределах единой природной системы. Это создает условия для развития ряда негативных процессов: нарушения процесса естественного соленакопления в озере, сокращения геологических запасов солей, загрязнения пищевых минеральных солей терригенным материалом, снижения кондиций бальнеологических илов, активизации карстовых процессов в пределах соляных куполов.
Особенности геологии и гидрологии района оз. Баскунчак описаны многими исследователями. Наиболее ранними являются работы П. С. Палласа (1773), Г. П. Фед-ченко (1870), П. А. Православлева (1903). Подробное описание геологического строения дано в ходе работ по разведке месторождения в 1937-1939, 1959-1962, 1971— 1975, 1990—1992 гг. Проблема рациональной эксплуатации ресурсов озера рассматривалась в работах В. В. Куриленко, А. С. Сеннова (1988 и 1992), В. В. Куриленко [5].
Уникальность геологии Прикаспийской впадины определяется не только наличием мощнейшего соляного комплекса, но и активной соляной тектоникой, обусловленной процессами восходящего перемещения данных пород. В пределах Прикаспийской низменности осадочный чехол нарушен солянокупольными структурами (более 1000). Скорость роста соляных куполов может достигать 10 мм/год [8]. Структуры, созданные в процессе соляной тектоники, представлены положительными формами (купола, соляные штоки) и сопряженными с ними отрицательными структурами — межкупольными депрессиями, компенсационными мульдами.
Рост куполов оказывает огромное влияние на все компоненты окружающей природной среды. Под влиянием галокинеза наблюдаются дислокация и изменение мощностей четвертичных отложений, изменяется гидрогеохимический и гидроло-
гический режимы локальных территорий. В настоящее время активной соляноку-польной структурой является Баскунчакская.
Озеро Баскунчак, образовавшееся в западной части Прикаспийской низменности как компенсационная впадина, имеет мощность терригенных и хемогенных отложений свыше 270 м (по геофизическим данным — свыше 600 м). В четвертичный период сформировалась котловина озера, прогибание которой компенсировало накопление мощных толщ солей и илов [9-11].
В составе Баскунчакского массива выделяются следующие структуры (рис. 1):
• соляные купола (Северо-Баскунчакский (СБК), Южно-Баскунчакский (ЮБК), Вактаусский, Кубатаусский);
• внутренние впадины (Баскунчакская, Долбанская).
По данным Астраханской комплексной геологоразведочной экспедиции (1975, 1990, 1995 гг.), скорость роста куполов составляет 4,5-8 мм/год в разных частях массива; скорость опускания котловины в северной части озера — 8,5 мм/год, в южной — до 20 мм.
Соляные купола имеют сходное строение и представляют собой толщу каменной соли (более 600 м), в кровле которой залегают гипсовые породы (мощность ке-прока — от первых метров до 80 м). Причем каменная соль является водоупорной
п 3
к ¡2 / а Г (
i Г ^N V
) '347 \27 _ 28\ г
• ( Л
\ \ Г J Baci ;унчакс 40 кая впа [щна^х х;, /
\ л Nil туА V Y
Долбанс впадина ) л сая ^ Ал л /А
л У, г /\ J , Л. >343 ^ б Г V5
iL V N' 1 ( \ \А 4 .
Водоносные горизонты: Водоупорные породы 0 1 2 км
mQjjjhv I I ' I N
____.-. „ I Номер геологического
[ИЗ cQhii СИЗ Р разреза
ЦгЦ Р, ЕЗ] К 3
. Линия геологического
разреза и номер скважины
*J Т,
Рис. 1. Геолого-гидрогеологическая карта-схема района оз. Баскунчак (Соляные купола: а — Северо-Баскунчакский; б — Южно-Баскунчакский; в — Куба-Тау; г — Вак-Тау) [9].
толщей, по поверхности которой происходит движение подземных вод. Гипсовая толща, в силу своей высокой пористости (местами переходящей в карстовые полости), обеспечивает транзит природных вод в озеро [9, 12].
Самым большим соляным куполом в районе исследования является Северо-Баскунчакский, охватывающий широким полукольцом северное, северо-восточное, северо-западное и западное побережья оз. Баскунчак (см. рис. 1). На дневной поверхности купол выражен обширной карстовой равниной с многочисленными воронками и провалами.
Галитовые отложения Северо-Баскунчакского купола, располагающиеся в непосредственной близости от дневной поверхности (35-60 м), активно выщелачиваются подземными водами, что определяет формирование в основном хлоридно-натрие-вого химического состава и повышенной минерализации как подземного, так и поверхностного стока в оз. Баскунчак.
Баскунчакская внутренняя впадина расположена в центральной части массива. Её прогибание происходило по полукольцевому разлому, оконтуривающему западное, юго-восточное, юго-западное и южное побережья оз. Баскунчак и простирающемуся далее к востоку.
Развитие процессов соленакопления в озере определяется интенсивностью при-вноса солей с подземным и поверхностным стокам в котловину. В условиях жаркого аридного климата испарение минерализованных вод обусловило накопление мощных соляных толщ в котловине озера. Разрез осадочной толщи озера характеризуется переслаиванием соляных пород (шесть мощных соляных толщ) континентального генезиса и терригенных пород морского генезиса (рис. 2), что является отражением
б
-280
_,__..___„ -300
1^3-320
-360
Рис. 2. Строение разреза горных пород в районе соляных куполов (а) и озерных осадков (б) (по данным бурения 1970-1975 гг.) [9].
смены условий осадконакопления на данной территории в течение четвертичного периода [9]. В каждый из периодов континентальных условий осадконакопления, в том числе и в современный, в котловине озера неизменно происходило и происходит до сих пор накопление солей.
Количество минеральных солей, поступающих в солеродный бассейн в естественных условиях с поверхностными и подземными водами за единицу времени, называют естественными ресурсами соленакопления [5]. Величина естественных ресурсов соленакопления зависит от баланса эндогенных и экзогенных процессов. Активность солянокупольных структур определяет количество поступающего на поверхность в зону насыщения природных вод хлористого натрия, размеры водосборной площади и гидрологический режим озера. От климатического фактора (количество осадков, инсоляция) зависят водный режим озера и активность эвапори-тового процесса в озере.
Стабильность современных природных условий на данной территории (климатических и тектонических) определяет непрерывность протекания процесса озерного накопления солей и позволяет прогнозировать его в дальнейшем. Сложная геолого-гидрогеологическая природная система, образовавшаяся и существующая в водосборной площади в результате соляной тектоники и движения подземных вод, длительное время находится в состоянии динамического равновесия. Однако антропогенное воздействие на природную систему может привести не только к замедлению или остановке процесса озерного седиментогенеза, но и к утрате существующих запасов.
Образование и существование оз. Баскунчак и его водосборной площади связано с солянокупольной тектоникой. Геологические исследования показали, что скорость поднятия соляных куполов и зависимое от них компенсаторное опускание котловины озера остается неизменным в течение всего четвертичного периода, тем не менее в развитии природного комплекса озера можно выделить несколько этапов.
На первом этапе, когда породы соляных куполов еще не достигли зоны активного водообмена, происходило активное изменение рельефа местности, формирование котловины озера и его водосборного бассейна.
На втором этапе, когда верхние слои соляных куполов сложенные гипсовыми породами достигли зоны активного водообмена, началась их активная денудация (карстование, суффозия). Итогом карстовой активности стало формирование проводящей подземные воды толщи гипсовых пород, а также вскрытие толщи каменной соли. Стоит отметить, что растворимость гипса в многокомпонентной системе в присутствии различного количества хлористого натрия носит нелинейный характер, причем максимальная растворимость гипса характерна для вод насыщенных хлористым натрием лишь на треть максимума (около 110 г/л). Поэтому поступление хлористого натрия в подземные воды, по всей видимости, в начале процесса должно было привести к новой активизации карстовой активности, которая закончилась лишь после стратификации подземных вод по химическому составу. О том, что в прошлом на данной территории активность карстовых процессов действительно была гораздо выше современной, свидетельствует разветвленная сеть карстовых пещер, пронизывающих толщу кепрока.
Третий, современный этап развития рассматриваемой территории характеризуется состоянием динамического равновесия всех природных процессов.
На рис. 3 отображена схема динамического равновесия основанного на сочетании геологических, климатических и гидрогеологических и прочих природных процессов в районе озера.
Равновесное состояние системы можно описать следующим образом: 1. Главное условие сохранения динамического равновесия в открытой системе — поступление вещества и энергии извне и неизменность протекания процессов: AH1 = const;
ДМ1 ~ AH1 = > H1=const.
Первопричиной образования всего комплекса является соляная тектоника. Скорость поднятия соляных куполов постоянна (AH1 =const). При этом происходит растворение и вынос ровно такого количества каменной соли куполов (ДМ1), что высотные отметки дневной поверхности не меняются (H1 = const). Стоит отметить, что в зоне одного из четырех соляных куполов баскунчакского поднятия (юж-но-баскунчакский купол) уровень кровли галитовой толщи значительно ниже, чем в остальных, поэтому контакта каменной соли и подземных вод не происходит и, как следствие — компенсации поднятия в виде выноса материала. В результате над соляным куполом образовалась возвышенность (г. Бол.Богдо) высотой 159 м (разница с поверхностью озера — 180 м).
2. AH2=const;
ДМ2 ~ AH2 = > H2 = const.
В свою очередь, процесс опускание котловины озера (AH2) компенсируется при-вносом с подземными и поверхностными водами такого количества хлористого натрия (AM2), что уровенная поверхность соляного пласта озера, и вместе с тем гидрологический режим озера, остается неизменным (H2 = const).
3. AMi = f(Q, (AHi AH2));
Q = f(AHi, AH2, H2, К, E); AM2 = f(Q, AMi, H2 ,W).
Количество каменной соли, растворенной и вынесенной из купола (AM1), зависит от режима природных вод (Q), а также от скорости поступления солей купола в зону природных вод (K — коэффициент фильтрации). Режим подземных и поверхностных вод определяется геологическими (тектонические поднятие и опускание, определившие размер водосборной площади и количество поступающего в систему вещества, неизменность уровенных поверхностей, проницаемость пород) и климатическими (E, W) факторами.
Естественные ресурсы соленакопления (AM2) определяются соляным стоком (Q, AM1), режимом озерной поверхности (H2), а также интенсивностью эвапоритового процесса (W). Другими словами, естественные ресурсы соленакопления зависят от неизменности протекания ряда природных процессов: AM2 = f(AH1 , AH2 , Q, H2, К, E, W). Причем из всей группы лишь два фактора подвержены воздействию человека — это
Рис. 3. Схема динамического равновесия природной системы оз. Баскунчак.
режим подземных вод, как наиболее динамичная и хрупкая составляющая равновесия системы, а также гидрологический режим озера (более реакционная составляющая).
Для определения режима рационального природопользования, т. е. такого хозяйствования, которое бы не привело к серьезным возмущениям в рассматриваемой системе, необходимо строго регламентировать деятельность в акватории озера, а также воздействие на подземные и поверхностные воды. Для определения параметров рационального природопользования в пределах природно-техногенной системы оз. Баскунчак и оценки величины естественного ресурса соленакопления нами была разработана система мониторинга режима поверхностных и подземных вод на территории водосборной площади озера.
Гидрография и поверхностный сток
Озеро Баскунчак является региональным водосборным бассейном. Гидрографическая сеть озера представляет собой широкую овражно-балочную систему. Многие авторы, изучавшие этот объект, выделяли разное количество источников поступления вод. А. Н. Семихатовым в 1933 г. и Н. А. Ладыженским в 1961 г. было выделено 19 источников. При детальной разведке в 1970-1974 гг. были обследованы 26 действующих источников. В 1986-1988 гг. при проведении работ ЛГУ исследовались 24 источника. В процессе мониторинга режима природных вод на месторождении оз. Баскунчак, организованного геологическим факультетом СПбГУ совместно с ВНИИ Галургии в 2004 г. для оценки естественного ресурса соленакопления, были выявлены 22 источника. Наличие большого количества водотоков, старых русел, оврагов не мешает выделить несколько характерных береговых зон, различающихся по дебиту и гидрохимии источников (табл. 1, 2).
По итогам работ 2004-2007 гг. из 22 водотоков и сухих русел (см. табл. 1, 2), наибольший интерес представляют ручьи северной группы, так как именно они несут 95% поверхностного стока. Данная группа источников расположена с северо-западной, северной и северо-восточной сторон озера и связана с сильно закарстованными гипсами Северо-Баскунчакчкого купола (см. рис. 1). Наиболее ярким примером служит ручей Улан-Благ, истоком которого является карстовый провал двухметрового диаметра.
Водотоки, относящиеся к данной группе, характеризуются высокими концентрациями хлористого натрия (в среднем 100 г/л) и высокими дебитами. В химическом составе вод этих ручьев (табл. 3) за последние 40 лет не произошло значительных изменений, особенно такая закономерность характерна для ручьев с большими дебитами, тогда как для водотоков с малыми дебитами возможны некоторые флуктуации состава.
Концентрация солей для большинства источников остается относительно стабильной во времени и составляет 6-12 масс. %. Усредненный состав приблизительно соответствует следующей формуле:
С1 92 Б04 7
м100-^ .
100 № 95 Са 4
Таблица 1. Дебит водотоков (ноябрь 2004 г.)
№ точки наблюдения Группа ручьев Название ручья Дебит ручья, л/с В общем стоке, %
1 Северный 163 68
2 Улан-Благ 48 20
3 Синий 12 5
4 Северная Пещерный 6 3
5 Белый 4 2
6 Родниковый 2 «-»
7 Безымянный < 1 < 1
8 Горькая речка < 1 < 1
9 Юго-западная и юго-восточная Кордон < 1 < 1
10 Рогатый « » « »
11 Корчемный « » « »
12 Южная Суриковский « » « »»
13 Терновый « » « »
Примечание. Прочерк в графе «дебит» означает, что на момент наблюдения русло ручья пересохло.
Таблица 2. Динамика водообильности некоторых ручьев
Название ручья Дебиты ручьев, л/с
2004 г. 2005 г. 2006 г. 2007 г.
Авг. Ноя. Май Авг. Ноя. Май Авг. Ноя. Май Окт. Ноя.
Северный 32 163 74 32 54 39 72 22 23 20 37
Улан-Благ 25 48 30 24 20 54 56 11 30 0 34
Кордон 0 0,2 0,2 0 0,1 0 1 0 0 0 1
Корчемный 0 0,8 1 0 0,6 0 0 0 0 0 0
Суммарный дебит по всем водотокам 60 237 123 60 81 97 136 36 54 21 73
Доля ручьев Северный и Улан-Благ от общего, % 95 89 85 93 91 96 94 92 98 95 97
Примечание. «0» в графе дебит указывает на то, что водоток в данный период пересох.
Таблица 3. Химический состав вод и дебиты основных источников, разгружающихся
в озеро Баскунчак
Название Средний дебит ручья, л/сут Макрокомпоненты, г/л
год дебит Натрий Магний Кальций Хлор Сульфаты Карбонаты Минерализация, г/л
Улан-Баг 1938 28,0 64,00 0,25 2,18 99,44 5,26 0,33 171,46
1961 32,0 54,00 0,22 1,95 81,78 5,10 0,22 143,27
1974 39,2 52,00 0,41 1,86 81,48 4,10 0,22 140,06
1987 56,5 54,40 0,33 1,98 84,10 5,74 0,20 146,30
Горькая речка 1961 1,3 19,68 1,76 2,28 37,92 2,07 0,10 63,92
1974 629,0 4,41 0,34 0,90 7,50 2,41 0,22 15,78
1987 0,2 8,30 0,90 1,20 14,20 4,40 0,08 29,08
Кордонный ручей 19611974 гг, 0,93 0,57 0,26 0,03 0,06 0,02 0,04 0,84 0,20 0,15 0,25 0,07 0,48 1,68 1,29
1987 0,60 0,78 0,01 0,02 1,04 0,13 0,23 2,21
По химическому составу это хлоридно-сульфатно-натриево-кальциевые воды (по Курнакову—Валяшко), они относятся к сульфатно-натриевому подтипу сульфатного класса. Общее количество растворенного гипса примерно отвечает пределу его растворимости в системе 2NaCl-CaSO4 и составляет 0,6-0,7 масс. %.
Химический состав вод и режим водотоков юго-западного, восточного и южного берегов озера резко отличаются от источников первой группы как существенно меньшими дебитами, так и гидрохимическими особенностями, хотя обусловлены и различными причинами. Водотоки, приуроченные к юго-западному и юго-восточному побережьям, связаны с песчаными отложениями морского и континентального генезиса, поэтому их воды являются пресными и имеют гидрокарбонатный состав. Южный район имеет ограниченную водосборную площадь, так как уже на расстоянии нескольких километров за горой Большое Богдо уклон грунтовых вод направлен в сторону р. Ахтубы, чем и объясняется невысокий дебит соответствующих водотоков (на момент наблюдений 2004-2007 гг. многие ручьи группы не действовали). По результатам опробования 1986-1988, 2004-2007 гг. воды относятся к сульфатно-гидрокарбонатно-натриево-кальциевыми. Их типовой состав имел вид
Б04 72 ИС03 22 С1 6 М6 -4-3-.
6 Na55Ca35Mg10
Глубокое залегание гипсовых и галитовых толщ южно-баскунчакского купола определяет невысокую минерализацию природных вод на данной территории.
Как показали многолетние наблюдения, дебит ручьев изменяется в широких пределах. Например, водообильность ручья Северного менялась восьмикратно (рис. 4).
Дебит, л/сек 250 -
0 ----------
Август Ноябрь Май Август Ноябрь Май Август Ноябрь Май Октябрь Ноябрь 2004 г. 2004 г. 2005 г. 2005 г. 2005 г. 2006 г. 2006 г. 2006 г. 2007 г. 2007 г. 2007 г.
— Северный ручей -ш-Улан-Бланг -»-Суммарный дебит (по всем ручьям) Рис. 4. Дебит ручьев Северный и Улан-Благ.
Такой разброс в водообильности поверхностных водотоков объясняется климатическими особенностями района. При невысоком показателе средней многолетней суммы осадков (240 мм), данная величина может меняться год от года в широких пределах (120-410 мм) [5].
Гидрогеологические условия
Многочисленными исследованиями установлено, что важную роль в питании озера водорастворимыми солями имеет подземный сток. Проведенными на этой территории исследованиями (Скляровой и Ковальского в 1975 г., В. В. Куриленко и А. С. Сеннова в 1988 г.; Е. Е. Фроловкого в 2002 г.) были выделены водоносные горизонты в хвалынских, хазарских, бакинских, апшеронских, меловых и кунгурских отложениях. При этом основную роль в подземном стоке играют три водоносные горизонта, приуроченные к различным комплексам пород:
• к нерасчлененным континентальным четвертичным отложениям (с QI-III);
• к морским хвалынским осадкам (mQhv);
• к гипсам кунгурского возраста (Р1).
Гидрохимические особенности подземных вод данных водоносных горизонтов определяются, помимо состава вмещающих пород, их положением относительно кровли кунгурских соляных пород.
На основе геологических данных, а также информации о гидродинамических условиях было проведено районирование территории и выделены следующие ли-толого-фациальные комплексы, определяющие пестроту химическогог состава подземных вод.
1. Северное гипсовое поле (территория в районе Северо-Баскунчакского соляного купола). В его пределах особую гидрохимическую обстановку (повышенная минерализация подземных вод до 300 г/л) создает наличие в зоне движения подземных вод пород Северо-Баскунчакского соляного купола;
2. Юго-восточная часть водосборного бассейна озера. Природные воды на данных участках отличаются малой минерализацией и скудным дебитом, что объясняется удаленным положением солянокупольных структур, а также минимальным градиентом напора подземных вод;
3. Юго-западная часть берегового обрамления озера. Данная зона представляет собой малую компенсационную впадину, в которой по причине небольших размеров не начался озерный солегенез, распространенные здесь природные воды пресные;
4. Южное гипсовое поле и гора Большое Богдо. Подземные и поверхностные воды здесь крайне скудны как по дебиту, так и по минерализации, что объясняется глубоким залеганием соляных пород купола.
Расположение, состав и строение Северо-Баскунчакского соляного купола определяет геохимические и гидродинамические особенности режима подземных и поверхностных вод западного и северного секторов оз. Баскунчак, что объясняется сочетанием ряда факторов. Во-первых, расположение Северо-Баскунчакского купола, который широким полукольцом охватывает западное, северное и северо-восточное побережья озера, являясь своего роды транзитным пунктом на пути движения подземных вод к озеру. Во-вторых, немаловажную роль играет строение самого купола. Наличие закарстованной гипсовой толщи в кровле купола благоприятствует транзиту подземных вод. В-третьих, положение галитовой толщи, которая, с одной стороны, расположена не слишком близко к поверхности, чтобы стать препятствием на пути движения подземных вод (галит в теле купола представляет собой массивную каменную соль, водоупор), но, с другой — и не настолько глубоко, чтобы прекратить насыщать водоносный горизонт солями.
Значения концентраций солей в подземных водах, контактирующих с породами Южно-Баскунчакского, Вактаусского и Кубатаусского куполов, заметно ниже. Данные солянокупольные структуры находятся дальше от оз. Баскунчак, имеют меньшие размеры и компактное расположение. Кроме того, галит залегает глубже (- 60 м, при - 40 м на северном гипсовом поле). Такое сочетание факторов можно считать неблагоприятным для процесса насыщения подземных вод солями. Помимо этого, в рассматриваемой области гидравлический градиент подземных вод наименьший для всего района, что и объясняет невысокую продуктивность данных зон по переносу галита. Таким образом, гидрохимические особенности подземных вод связаны не только с наличием солянокупольных структур, но и с их строением и расположением. Максимально выгодное для насыщения подземных вод солями сочетание всех факторов соответствует северной части озера.
Водоносный горизонт, приуроченный к нерасчлененным континентальным четвертичным отложениям (сОып), распространен с западной, северо-западной и северо-восточной сторон озера, и отделен от него породами Северо-Баскунчак-ского купола. На юго-восток от озера (за горой Большое Богдо) мощность горизонта увеличивается, проводимость в том же направлении возрастает, однако общий уклон подземных вод в пределах горы Большое Богдо имеет направление в сторону р. Ахтубы, то есть региональный подземный сток направлен в сторону от оз. Баскунчак. Наличие водонепроницаемых глинистых отложений обусловливает на определенных участках развитие локального напора. По химическому составу воды с западной стороны участка относят к гидрокарбонатному типу (по классификации Валяшко) [5]:
НС03 86 С18 Б04 6
М3 86 -3-— •
3,86 N 50 Са46 Mg4
С восточной стороны озера воды горизонта относятся к сульфатному и хлорид-ному типам [1]:
С1 90 Б0410 М145-4-•
14,5 №70 Mg18 Са12
Это объясняется близостью расположения к гипсовым полям, контактируя или находясь в непосредственной близости с которыми воды приобретают солоноватый или соленый характер.
Водоносный горизонт морских хвалынских отложений (mQlllhv) распространен между Северным гипсовым полем и береговой линией, а также в юго-западном районе рассматриваемого участка. Водовмещающими породами морских хвалынских отложений являются пески и суглинки. В районе западного и северного побережий, где водоносный горизонт контактирует с хемогенными пермскими осадками, они гидравлически связаны с водами кунгурских отложений. По химическому составу воды обычно относятся к сульфатному типу с минерализацией от 0,3 до 5 масс. %. При минерализации менее 1 г/л воды являются гидрокарбонатными натриевыми [5]:
НС0320 С115 Б04 15
М085 -3-4-.
0,85 N 40 Са 6 Mg6
В районе западного и северного побережий в связи с контактом с высокоминерализованным горизонтом соляного купола состав и общая минерализация меняются [1]:
С180 Б04 8
М42-4-
№80 Ca12Mg8
Водоносный горизонт, приуроченный к кунгурским отложениям, распространен в северной половине участка и приурочен к породам гипсовой толщи СБК. Во-допроводимость данного водоносного горизонта целиком и полностью обусловлена мощностью и фильтрационными свойствами кепрока, которые, в свою очередь, зависят от закарстованности пород. Каменная соль является водоупором и играет роль исключительно поставщика соли в подземные воды. Здесь имеет место рост минерализации сверху вниз по разрезу, т. е. к контакту гипсов с галитом. Общее содержание растворенных солей изменяется от нескольких десятых до 20 масс. % и более. Состав вод данного водоносного горизонта имеет вид [5]
С1 95 Б04 5
M75 -4-.
75 №88 Са6 Mg6
Но концентрации солей тем не менее могут подниматься гораздо выше, например, по материалам [13] в скважинах 3-1:
С1 98 БО. 2
м311-.
311 N 99 Са 1
Для определения режима подземных вод в 2004-2007 гг. на базе системы наблюдательных гидрогеологических скважин был организован мониторинг (рис. 5).
Рис. 5. Система наблюдательных гидрогеологических скважин.
По данным четырехлетних наблюдений режим подземных вод в целом можно считать стабильным, но при этом были отмечены незначительные флуктуации уровней (наблюдалось незначительное снижение значений за отчетный период) (рис. 6).
Снижение водообильности к 2007 г. отмечено как для подземных, так и для поверхностных вод, что, конечно же, связано с уменьшением количества осадков. Это подтверждается данными по динамике количества осадков за отчетный период (в 2004 г. был зафиксирован максимум осадков за последние годы — 410 мм, остальные годы данный параметр был близок к среднему значению 240 мм). Снижение абсолютных значений уровня подземных вод стало незначительным, что вносит столь
Ноя. 2004
Рис. 6. Изменение динамики уровня подземных вод (по данным за 2004-2007 гг., сглаженных комплексным фильтром).
же незначительные изменения при расчете подземного стока. Например, изменение градиента напоров подземных вод при таких понижениях составит менее 1%.
Оценка естественных ресурсов соленкапления
Освоение ресурсов оз. Баскунчак ведется уже не одну сотню лет. Это объясняется большим промышленным значением крупного месторождения поваренной соли высокого качества, легкодоступной для добычи. Первые расчеты количества вод, приносимых источниками в озеро, сделал П. А. Православлев в работе «К геологии окрестностей Баскунчакского озера». Первая разведка запасов производилась в 1924-1925 гг. После этого начались работы по определению химического состава соли, по разведке ресурсов данного месторождения (1930 г. — южная часть озера), первый подсчет запасов был произведен в 1937-1939 гг. После этого проводилась доразведка месторождения в 1959-1962, 1971-1975, 1990-1995гг. Подземный и поверхностный сток в некоторых из этих работ были оценены. В 1971-1975 гг. Астраханской ГРП была проведена детальная разведка Баскунчакского месторождения поваренной соли. В этой работе, проделанной в целом на высоком уровне, оценка подземного стока была выполнена на основе анализа расходной части водного баланса (результат расчетов — 3,2 млн.т./год), т. е. устанавливается максимальный объем вод, который может испаряться с поверхности озера за год. Такие расчеты следует считать приблизительными, дающими лишь верхнюю планку потенциальной возможности озера испарить конкретное количество рассолов, но не определяющими фактический привнос солей. Поверхностный сток был рассчитан на основе анализа дебита водотоков и их солености и составил 650 тыс. т/год. В 1986-1988 гг.
кафедрой гидрогеологии ЛГУ была проведена работа по подсчету поверхностного и подземного стока. Подземный сток составил 1,9 млн т/ год [5]. В 1992 г. повторная оценка подземного соляного стока составила чуть более 1 млн т/год.
Для оценки подземного и поверхностного стоков в оз. Баскунчак были использованы мониторинговые данные по системе наблюдательных скважин и замеры параметров водотоков, полученные нами в период работ 2004-2007 гг. (см. табл. 1, 2).
По результатам оценки поверхностного стока (на основе учета дебита водотоков и химического состава их вод, определенных нами) привнос соли составил от 200 до 400 тыс. т.
Полученные в результате мониторинга данные легли в основу гидродинамического моделирования, необходимого для количественной оценки параметров подземного стока в озеро. Модель строилась для первого от поверхности водоносного горизонта в двухмерной (плановой) напорно-безнапорной квазистационарной постановке. Водоносный горизонт определен как напорно-безнапорный, так как безнапорный водоносный горизонт имеет локальные зоны создания напора, приуроченные к развитиям глинистых линз в песчаных и суглинистых четвертичных породах. Моделировался стационарный режим подземных вод водосборной площади оз. Баскунчак. В соответствии с описанным выше районированием при помощи гидродинамического моделирования был рассчитан водоприток в стационарной постановке, отражающей естественный режим подземных вод (8-10 млн м3/год).
По результатам моделирования и наблюдений за особенностями химического состава подземных вод был рассчитан подземный соляной сток, который оценивается нами в 1-1,3 млн т/год. Естественные ресурсы соленакопления составляют 1,2-1,7 млн т/год, что соотносится с уровнем добычи солей на месторождении (11,5 млн т/год).
Система озера Баскунчак под воздействием антропогенного фактора и рациональная эксплуатация ресурсов
Природно-техногенная система оз. Баскунчак богата природными ресурсами. Роль антропогенного фактора на современном этапе развития природно-техноген-ной системы озера велика, а воздействие возможно как в акватории озера, так и на территории его водосбора. Однако в условиях, когда ресурсы единой природной системы эксплуатируются несколькими природопользователями несогласованно, нерациональная деятельность одного из них может привести к экологически неблагоприятным последствиям, значимым для всех природопользователей и жителей района, и разрушению уникального природного объекта.
Как было определено выше, наиболее уязвимыми компонентами природной системы оз. Баскунчак, связанными с её равновесием, являются природные воды и поверхностный соляной пласт (режим природных вод и гидрологический режим озера соответственно). Современная промышленная инфраструктура района представлена двумя горнодобывающими предприятиями (ОАО «Бассоль», «KNAUF Гипс Баскунчак»), каждое из которых воздействует, или может воздействовать, на указанные выше компоненты системы.
ОАО «Бассоль» — предприятие, добывающее соль в пределах верхнего соляного пласта озера. Соляной промышленный пласт представляет собой вытянутую
в меридиональном направлении асимметричную линзу, насыщенную рапой и частично покрытую с поверхности песчано-илистыми отложениями.
Поскольку стабильность гидрологического режима озера зависит от баланса между двумя процессами: тектоническим прогибанием котловины озера и компенсацией за счет накопления солей в процессе эвапоритовой седиментации, то изъятие озерной соли в процессе промышленной эксплуатации не могло не сказаться на равновесии системы озера. Отказаться от разработки соляного озера, которое является важным объектом социально-экономической структуры региона невозможно, поэтому необходимо определить рамки антропогенного воздействия, при котором влияние на природную систему будет минимизировано. Анализируя данные об эксплуатации месторождения в XX веке и те изменения, которые происходили с объектом, можно утверждать, что система обладает инерционностью по отношению к внешнему дестабилизирующему фактору. Минеральные пищевые соли оз. Баскунчак в промышленных масштабах разрабатываются с XIX века. Важными вехами в истории месторождения являются: строительство железной дороги (1882 г.), механизация добычи в 1920-е гг. (введение экскаваторов и механической распиловки пласта), изобретение и строительство принципиально нового инструмента добычи — солеком-байна в 1930-е гг. До 50-х гг. XX века объемы добычи плавно наращивались, но не превышали естественных ресурсов соленакопления. Каких-либо изменений в акватории оз. Баскунчак и его водосборной площади в данный период зарегистрировано не было (рис. 7).
Лишь в середине 50-х гг. XX века, когда объемы добычи резко превысили уровень привноса солей с природными водами (добыча 6 млн т, что в 4 раза превышает естественные ресурсы (рис. 7)), стали проявляться следующие негативные процессы:
• снижение гипсометрического уровня соляного пласта (на 2 м);
• продвижение терригенного материала с перефирийных частей озера к центру (снижение качества солей);
• активизации карстовых процессов.
Изменение гидрологического режима озера (понижение кровли соляного пласта) обусловило изменение режима подземных вод, что, в свою очередь, стало главным
7000 6000 5000 4000 3000 ,2000 1000 о
1870 1925 1969 1975 1978 1981 1984 1987 1990 1993 1996 1999 2002 2005 Год I I Средний уровень соляного пласта —♦— Уровень добычи
Рис. 7. Динамика добычи солей на оз. Баскунчак (линейный тренд, правая шкала, тыс. т/год) и уровенной поверхности озера (гистограмма, левая шкала, абс. отм., м).
фактором катастрофической активизации карстовых явлений в районе соляных куполов.
Кроме того, в результате снижения гипсометрического уровня соляного пласта терригенный материал стал распространяться по акватории озера, продвигаясь от периферии к ее центру. Загрязнение поверхностного пласта приводит к ухудшению качества добываемых и новообразующихся солей.
Снижение объемов добычи соли в начале девяностых годов XX века (0,91,8 млн т) привело к замедлению темпов опускания поверхности соляного пласта, замедлению продвижения пляжной полосы и стабилизации карстовых процессов. К последствиям повышенной добычи в течение более сорока лет можно отнести существенное загрязнение поверхности соляной линзы терригенным материалом, снижающим качество продукции, и продолжающийся процесс (сильно замедленный) наступления пляжной полосы. Очевидно, что для сохранения существующих гидрологических условий на данном объекте объем извлекаемого минерального сырья не должен превышать объемов поступающих в озеро солей.
Антропогенное воздействие на систему оз. Баскунчак не ограничивается добычей солей. В 2 км от акватории озера расположен гипсовый карьер (ЗАО «KNAUF ГИПС Баскунчак»), отрабатывающий кепрок соляного купола (Северо-Баскунчак-ский купол).
Разработка гипсового карьера началась в 1937 г., объемы годовой добычи составляют 680 тыс. т. (рис. 8).
Уровенная отметка подземных вод в контуре карьера--13 м., что на 9 метров
превышает уровень межкристальных рассолов оз. Баскунчак. До последнего времени горные работы в гипсовом карьере велись открытым способом в пределах безводной толщи гипсовых отложений (рис. 8), которая на сегодня практически выработана.
Абс. выс., м
Рис. 8. Схематический разрез толщ горных пород в районе гипсового карьера.
Дальнейшая отработка месторождения предполагалась в обводненной части геологического разреза, что определяет необходимость соответствующего понижения уровня подземных вод (стоит отметить, что подошва гипсовой толщи — 64 м, что на 42 м ниже уровня межкристальных рассолов озера).
Проведенное нами гидродинамическое моделирование процесса поэтапного осушения гипсового карьера показало, что реализация подобного способа отработки месторождения коренным образом изменит режим подземных вод. Даже водо-понижение до уровня озера повлечет за собой уменьшение объемов естественного ресурса соленакопления, изменение гидрохимической обстановки, ухудшение качества солей озера и увеличение карстовой активности. Проведение полного осушения гипсовых пород в контуре карьера (до отметки - 64 м) приведет к необратимым изменениям природной системы озера. Произойдет не просто уменьшение естественного ресурса, но и отток рассолов озера к гипсовому карьеру, разрушение промышленного пласта пресными водами вплоть до полной деградации месторождения солей.
Решение государственной экологической экспертизы, проведенной по вопросу реализации подобной стратегии развития карьера (2006 г.) блокировало дальнейшие работы. Долговременная и безопасная эксплуатация ресурсов комплекса возможна лишь при условии согласованного природопользования всех хозяйствующих субъектов и местных жителей района. С одной стороны, деятельность соляного предприятия не должна влиять на гидрологический режим озера, поскольку в противном случае произойдут изменения условий в пределах всей водосборной площади. С другой стороны, природопользователи и жители территории водосборной площади должны обеспечить неприкосновенность режима природных вод, влияющих на восстановление запасов озера и гидрологический режим.
Согласование хозяйственной деятельности всех физических и юридических лиц в пределах определенной территории возможно обеспечить путем создания особо охраняемой природной территории, в режиме которой будут указаны соответствующие ограничения.
Для целей ограничения, но не прекращения хозяйственной деятельности человека наилучшим образом подходит механизм природного заказника.
Государственными природными заказниками являются территории (акватории), имеющие особое значение для сохранения или восстановления природных комплексов или их компонентов и поддержания экологического баланса. Создание традиционных заказников направлено на рациональную эксплуатацию на основе непревышения восстановительного потенциала системы, что гарантирует существование экосистемы и воспроизводство необходимого элемента в будущем [14]. Например, охотохозяйство, где специалисты ведут учет поголовья животных и контролируют неприкосновенность условий их обитания. В случае превышения определенного предела численности разрешается контролируемый отстрел. При этом популяция животных поддерживается на уровне, позволяющем ей существовать. Все, что превышает рассматриваемый уровень, является объектом эксплуатации. Экосистема, в которой существует рассматриваемая популяция, также является неприкосновенной, так как является субстратом, на котором «развивается» популяция.
На системном уровне у такого заказника (его цели, способ создания и работы) есть много общего с месторождением озерных солей оз. Баскунчак. В обоих случаях
происходит эксплуатация природной системы на основе данных о восстановительном потенциале. Методологию создания традиционных заказников можно применить к созданию «эколого-геологического заказника».
Эколого-геологический заказник — это охранный статус эколого-геологической системы, в которой на основе данных о восстановительном потенциале системы эксплуатируются объекты геологической среды. Создание подобной особо охраняемой территории в границах природной системы оз. Баскунчак позволит вести рациональную эксплуатацию всех его ресурсов и обеспечить безопасное проживание населения.
Заключение
1. Месторождение минеральных солей озера Баскунчак является частью сложной природной системы, сформировавшейся на территории водосбора озера в результате соляной тектоники. Ценность месторождения определяется наличием механизма ежегодного природного восстановления запасов минеральных солей. Рассчитаны объемы естественных ресурсов соленакопления (1,2-1,7 млн т/год)
2. Установившийся в течение исторического времени баланс экзогенных (климатических, гидрогеологических, гидрологических, эвапоритовых) и эндогенных (солянокупольная тектоника) процессов определяет эколого-геологическую обстановку данной динамически равновесной системы.
3. Обоснованы ограничения хозяйственной деятельности в соответствии с тезисом о необходимости сохранения равновесного состояния системы естественным, что позволит минимизировать риск активизации негативных природных процессов при освоении ресурсов и сохранить уникальный природный объект. Предложено введение нового типа особо охраняемой природной территории — эколого-геологи-ческого заказника, в котором объектом охраны являлась бы находящаяся в состоянии динамического равновесия природно-техногенная система соляного озера, т. е. объект неживой природы.
4. Одним из методов сохранения уникальной природной системы обследованного озера Баскунчак может стать введение на данной территории режима «особо охраняемой природной территории» — эколого-геологического заказника, в котором на основе данных о восстановительном потенциале системы эксплуатировались бы объекты геологической среды.
Литературы:
1. Бобко П. С., Васильева Г. А. Гидрогеология соляных месторождений и вопросы их изучения. Л., 1967. С. 168.
2. Валяшко М. Г. Классификационные признаки соляных озер // Тр. Всесоюз. [науч.-иссл.] ин-та галлургии. 1952. Вып. 23.
3. Валяшко М. Г. Соляные озера. Методы их изучения и пути использавания. М., 1952. С. 54-57.
4. Валяшко М. В. Закономерности формирования химического состава природных вод. М.: Изд-во МГУ, 1981. 188 с.
5. Куриленко В. В. Современные бассейны эвапоритовой седиментации. Геология. Гидрогеология. Генезис. Рациональное недропользование и охрана окружающей среды. СПб.: Изд-во С. Петерб. унта, 1997. 376 с.
6. Amany G. Taher Inland saline lakes of Wadi El Natrun depression, Egypt // International Journal of Salt Lake Research. 1999. Vol. 8. P. 149-169.
7. Valero-Garces Blas L., Delgado-Huertas Antonio, Navas Ana, Machian Javier, Pene Lope Gonzalez-Sam-periz, Kelts Kerry. Quaternary palaeohydrological evolution of a playa lake: Salada Mediana, central Ebro Basin, Spain // Sedimentology. 2000. Vol. 47. P. 97-115.
8. Кузнецова С. В., Синяков В. Н. Аномалии геологической среды солянокупольных бассейнов и их влияние на природные и техногенные объекты // Волгоградская государственная архитектурно-строительная академия, 2000.
9. Куриленко В. В., Зеленковский П. С. Месторождение минеральных солей озера Баскунчак: геология, особенности современного соленакопления, механизмы природо- и недропользования // Вестн. С.-Петерб. ун-та. Сер. 7. 2008. Вып. 4. С. 17-32.
10. Милановский Е. В. Очерк геологии Среднего и Нижнего Поволжья. М.; Л.: Гостоптехиздат, 1940. 276 с.
11. Яншин А. Л. О глубине солеродных бассейнов и некоторых вопросах формирования мощных соляных толщ // Тр. Ин-та геологии и геофизики СО АН СССР. 1961. Т. 1. С. 38-57.
12. Авров В. Я. О генезисе солянеокупольных структур прикаспийской впадины 1976. 149 с.
13. Демидов В. А. Соляные купола восточной части прикаспийской впадины и их нефтегазопер-спективность // Геология нефти и газа. 1992. № 11. С. 12-31.
14. Федеральный закон № 33 «Об особо охраняемых природных территориях» (с изменениями) от 4 декабря 2006 г.;
Статья поступила в редакцию 20 июня 2013 г.
