Отличительные особенности гидрохимических процессов водоемов аридной зоны

При увеличении общей минерализации воды озер Балхаш, Сасыкколь и Алаколь по их длине концентрация отдельных ионов изменяется своеобразно. Так, подсчётом хлорных коэффициентов для озера Балхаш показано, что с запада на восток увеличивается содержание карбонатных ионов: в западной части их нет, появляются они в районе от залива Тас — арал до места сужения западной и восточной частей озера (пролив Узын-арал или Сары — Есик), а в восточной половине происходит интенсивное обогащение воды карбонатами. Хлорные коэффициенты бикарбонат и кальций ионов непрерывно понижаются. Показатели сульфат и магний ионов в крайней западной части имеют низкие значения, в направлении на восток постепенно нарастают, восточнее Тас — арала достигают высокого значения и держатся на этом уровне, на протяжении всего озера, и только в крайнем восточном плесе несколько понижаются. Процессы с участием бикарбонатных, и кальций ионов, приводящие к садке кальцита, происходят даже в западной части с минерализацией около 2 г/л, а процессы с участием ещё и магний — иона, способствующие садке магниевого карбоната или доломита, протекают только в крайнем восточном плесе, где минерализация воды не превышает 5 г/л. Такое несоответствие между увеличением концентрации отдельных ионов и ростом общей минерализации может служить лишь указателем наличия процесса метаморфизации и является одной из отличительных особенностей аридных озер.

В настоящее время достаточно хорошо известен факт, что в гумидных озерах садка солей происходит при больших значениях минерализации и концентрации отдельных ионов (свыше 10 г/л). В воде Мирового океана и Каспийского моря с суммой солей около 30 г/л происходит садка солей только, соответственно, в глубоководных частях океана и заливе Карабогазгол с минерализацией значительно превышающей 50 г/л /8/. В озерах же аридных зон происходит садка солей при значительно меньших значениях минерализации и это отличает их от водоемов гумидных зон.

В отшнуровывающихся от Балхаша заливах, где сумма солей достигает 16 г/л, наблюдается садка не только карбонатов, но и сульфатов. А при интенсивном падении уровня воды Аральского моря и резком увеличении солености, стали одновременно осаждаться карбонаты, сульфаты и хлориды. Вместо ожидаемой твердой корки безвредных карбонатов образовались маршевые и корково-пухлые солончаки, легко развеваемые ветром на большие расстояния [16].

Процесс ускоренной садки (самосадки) солей в континентальных озерах обусловлен, по всей вероятности, мелководностью водоема, сильной инсоляцией, аридным климатом, интенсивным перемешиванием водных масс, т. е. прежде всего морфометрическими и климатическими факторами.

Разбирая причины и содержание процессов метаморфизации химического состава вод, необходимо руководствоваться одним из крупных достижений школы академика Н. С. Курнакова о направленном изменении химического состава вод и рассолов бассейнов под влиянием процессов метаморфизации. Причиной метаморфизации вод рассматриваемых озер служит смешение вод разных типов и различных концентраций, а также появлением в воде озер коллоидного глинистого материала, содержащего поглощающий комплекс. Доказано [4−7], что на осаждение солей при относительно небольших значениях минерализации большую роль играют суспенгели — мельчайшие частицы наносов, образующиеся из-за постоянного турбулентного перемешивания воды ветровыми волнами, их флотации в прибрежных зонах, взмучивания ила и донных отложений, абразивного износа крупных наносов при их вдольбереговом перемешивании. Кроме того, суспенгели являются хорошими сорбентами различных макро — и микрокомпонентов, газов, катализаторами ряда химических реакций, в частности, карбонатообразования и участниками гидрохимических процессов. В результате такого пути образуются твердые соли и относительно чистая вода, а аридный водоем освобождается от засоления.

Иными словами, вступает в силу механизм самосохранения, когда мутная вода аридного водоема и рек, содержащая глинистый коллоидный материал, путем ряда химических реакций и физических процессов очищает воду от растворенных минеральных и органических веществ.

В аридное озеро поступают сульфатные, сульфатно-карбонатные воды рек, (как правило, более минерализованные) карбонатные и сульфатные воды подземного питания, а также сульфатные и карбонатные воды атмосферных осадков. Эти воды смешиваются с сульфатной водой озера.

При смешении этих вод ведущим является смешение карбонатных и сульфатных вод, в результате чего происходят реакции двойного обмена, приводящие к труднообратимому изменению химического состава, т. е. к метаморфизации вод.

В составе карбонатных вод (особенно грунтовых) содержится карбонат натрия. Он образуется в результате процессов осолонения солончаков, а также выветривания полевых шпатов, а затем вымывается грунтовыми водами и реагирует с сульфатами кальция и магния из сульфатных вод, вследствие чего карбонаты кальция и магния оседают, а вода озера Балхаш, так же как и озера Алаколя, обогащается сульфатом натрия.

Относительно влияния подземных и грунтовых вод на гидрохимию водоема следует сказать следующее. Специальными гидрохимическими исследованиями установлено, что в береговых участках большинства аридных озер образуются довольно обширные и глубокие депрессии уровня грунтовых вод [17].

Эти депрессии обусловлены «фитилиевым эффектом», более интенсивным испарением воды с поверхности грунтового потока, приближающегося к водоему. Выявлено также, что уровень воды в середине депрессии, площадь которой соизмерима с площадью западной части Балхаша, примерно на 7,0 м ниже уровня воды в оз. Балхаш. Из-за наличия такой депрессии и мощного фильтрационного потока из береговой зоны озера в сторону депрессии устремляется значительная масса солей.

Как полагает профессор А. А. Турсунов, этот фактор является одним из главных расходных статей солевого баланса аридных водоемов. Аналогичные депрессии проявляются у берегов других континентальных озер и водохранилищ Казахстана.

В общем виде путь метаморфизации вод и рассолов всех типов М. Г. Валяшко изображает следующей схемой:

где Р₃— метаморфизованная вода. По мнению Б. А. Беремжанова такие реакции могут иметь место не только в аридном водоеме, но и при возникновении соответствующих условий в реках и подземных водах. Возможно, в маломинерализованных частях озера или водотоках, питающих озеро, эти реакции будут идти гораздо медленнее, но в результате длительности смешения, карбонаты кальция и магния оседают, озёрная вода обогащается сульфатом натрия [5].

В исследуемых водах озер имеется гидрокарбонат кальция. До последнего времени метаморфизующее действие гидрокарбоната кальция связывали с различными реакциями двойного обмена:

Специальные исследования авторов статьи показали, что все эти реакции действительно осуществляются, но по количеству образующихся твердых фаз ведущее значение имеет реакция Валяшко. Получающиеся в этой реакции гипс и основной карбонат магния составляют 99% новообразованного осадка. При небольшом содержании сульфата магния в растворе реакция практически не происходит, а идет только разложение гидрокарбоната кальция. Но в основной массе, например, в балхашской воде, из-за высокого содержания гидрокарбонат — и карбонат — ионов при расчёте по условной методике связывания ионов в соли сульфата магния образуется мало; и поэтому здесь должно иметь место простое разложение гидрокарбоната кальция.

Как было отмечено выше, воды, поступающие в озёра, обычно вносят с собой большое количество взвешенных минеральных веществ, в которых содержатся частицы, способные к катионному обмену. Речные и грунтовые воды карбонатного типа несут коллоидно-глинистые частицы, поглощающий комплекс которых характеризуется обилием кальция. Содержащийся в коллоидно-глинистых частицах поглощающий комплекс попадает в смесь вод и может произвести катионный обмен, приводящий к садке труднорастворимых солей и увеличению относительной концентрации сульфатов. Таким образом, метаморфизация воды, обусловливаемая реакциями ионообмена, также приводит к садке карбоната кальция.

Говоря о метаморфизации воды озера, нельзя упускать из вида так называемую «прибрежную метаморфизацию» , имеющую прямое влияние на изменение состава воды в озере (термин «прибрежная» метаморфизация впервые предложен Б.А. Беремжановым). Балхаш в силу большой изрезанности береговой полосы имеет много заливов и шиганов. Вследствие периодического колебания уровня озера при очередном понижении его отделившиеся от Балхаша заливы, лагуны и озёра имеют самостоятельную жизнь. Вода в них быстрее и сильнее прогревается и слой испарения здесь больше, чем в открытом водоеме. В связи с этим озерная вода, являясь по существу раствором солей, постепенно концентрируясь, взаимодействует с углекислым газом воздуха, с береговыми и донными породами и поступающими в них поверхностными и грунтовыми водами. Появляется градиент концентрации, который из-за молекулярных эффектов еще больше усиливает миграцию солей из средних частей акватории озера в береговую зону. При смене направления ветра и сгоне воды большие площади мелководий обсыхают, содержащиеся в них гидрокарбонаты переходят в карбонаты, за счет «фитилиевого» эффекта соли поднимаются к поверхности, обезвоживаются, образуя белый налет. Ветер выполняет свою работу по так называемому «эоловому опреснению». Все эти процессы приводят к метаморфизации воды в отделившихся озерах.

При следующем подъёме уровня в Балхаше отделившиеся озёра затопляются и содержащиеся в них соли растворяются. Но к воде основного озера присоединяются уже не те соли, которые от неё отделились. В зависимости от глубины процессов, которые происходят в отделившихся озёрах, времени, в течение которого они были отделены, и если они успели изменить свой тип, то при воссоединении с балхашской водой они оказывают на неё метаморфизующее действие.

Накопившийся в отделившихся озерах коллоидный глинистый материал и содержащийся в них поглощающий комплекс при смешении с балхашской водой также метаморфизует ее путем катионного обмена.

Следует отметить, что кроме многолетних больших циклов имеются более короткие периодические подъёмы и спады уровня внутри этих циклов. Кроме всего этого, на озере наблюдаются ежегодные весенние разливы и отливы. Все эти долговременные и кратковременные отделения части воды озера Балхаш в виде крупных или мелких озер приводят к полной или частичной метаморфизации, которая названа здесь прибрежной метаморфизацией воды озера. Специальными исследованиями 1986 г. автора статьи показано, что в одном из полуотшнурованных заливов длиною около 5 км минерализация возрастала от 4,2 г/л до 9,9 г/л. Минерализация воды отшнурованных от Балхаша заливов в это время достигала 76,1 и 88,3 г/л. Аналогичное явление наблюдается и в другом аридном водоеме оз. Чаны. Здесь соленость воды постепенно возрастает по мере удаления от оз. Малый Чаны (1,17%_о) до Ярославского плеса (7,85%_о, Михайлов Ю.Д.). При таких значениях минерализации в глубоких слоях воды происходит осаждение сульфатных солей. Благодаря подобному явлению многочисленные озера Прибалхашья служили и служат источником природных солей. Перспективность Прибалхашья отмечалась Л. М. Гроховским еще в 1963 г., который подсчитал общий запас мирабилита и тенардита в озерах, составляющий около 10 млн.т. [18].

Такого рода метаморфизацией пренебрегать нельзя, так как до 7% воды или более 2 млн.т. солей оз. Балхаш ежегодно расходуется на отшнурование и инфильтрацию в берега [4].

Выпавшие на дно осадки солей, в частности, карбонаты кальция и магния в аридных и гумидных озерах ведут себя по — разному. В водоемах гумидной зоны, которые относительно глубоки и слой испарения здесь не превышает осадки, в толще воды и у дна накапливается достаточно большая концентрация углекислого газа, продукта жизнедеятельности биоценоза. Осаждающиеся нерастворимые карбонаты по пути ко дну взаимодействуют с диоксидом углерода, превращаясь в растворимые гидрокарбонаты. Концентрация последних постепенно может повышаться.

В водоемах аридной зоны наблюдается иная картина. Зообентос и остальные виды биоценоза здесь скапливаются не у дна, а в мелководьях, которые достаточно защищены от ветра и губительных прямых солнечных лучей. Эти участки воды в своем составе содержат мало углекислого газа. Кроме того, из-за сильного ветрового перемешивания воды происходит дегазация диоксида углерода. В связи с этим карбонаты кальция и магния, другие соли свободно достигая дна, могут продолжительное время находиться в донных отложениях. Данное предположение нами подтверждено экспериментально.

В результате процессов взаимодействия сульфатных и карбонатных вод и ионообмена, характерных только для континентальных водоёмов, сформировался солевой состав современной воды озер Балхаш и Алаколь. Из вышесказанного следует, что состав воды этих озёр должен иметь характеризующие их отличительные особенности. Одной из отличительных особенностей состава воды изучаемых озер оказалось сравнительно малое содержание в них поваренной соли. Содержание её в балхашской и алакольской воде по сравнению с каспийской и аральской водой более чем в два раза, а при сравнении с черноморской и океанической водой — почти в 2,5 раза меньше. Наряду с малым содержанием поваренной соли вода имеет высокое значение сульфат — хлорного коэффициента SO/Cl^-. Значение этого показателя для балхашской воды превышает аральскую в 1,5 раза, каспийскую в 2,5, океанскую и черноморскую воду — в 10 раз, а для алакольской воды это значение ещё выше.

Следующей очень интересной особенностью состава воды аридных озер является содержание магний — иона, которого в сумме ионов приблизительно столько же, сколько в воде Каспийского и Аральского морей, но содержание сульфата магния в балхашской воде в 2, а в алакольской в 8 раз меньше.

Ещё одной отличительной особенностью оказалось отсутствие в воде изучаемых озер растворённого сульфата кальция (гипса).

За период с 1956 г. по 2007 г. общая минерализация воды бессточного оз. Балхаш увеличилась в среднем от 2,43 до 4,02 г/л, что опережает прогнозные величины [7]. Для озера сохраняется характерная горизонтальная дифференциация минерализации (увеличение более чем в 4 раза), вертикальная же ее стратификация проявляется очень редко в связи с сильным ветровым перемешиванием водных масс. Выявленная тесная взаимосвязь между содержанием главных ионов и минерализацией дает возможность определять компоненты химического состава воды расчетным путем с учетом водности года.

Как было отмечено выше, одной из уникальных особенностей оз. Балхаш является ярко выраженная метаморфизация химического состава воды, способствующая солеобразованию и соленакоплению. Так, процесс карбонатообразования в оз. Балхаш протекает почти в 10 раз интенсивнее, чем в других бессточных водоемах аридных зон. Вода сильно пересыщена карбонатом кальция, пересыщение неодинаковое и увеличивается в восточном направлении в разные годы (1941;2001 гг) от 3,00 до 32,7. Балансовый расчет карбонатов кальция и магния за 1985 г показал, что из воды озера выпадает в осадок 4,47 млн.т. в год, из них 2,46 в западной и 2,01 млн. т. в восточной части .

Исследование кристаллизации солей в процессе концентрирования воды континентального оз. Балхаш методом изотермического испарения (298^о К) позволило нам уточнить и дополнить установленный ранее [15] порядок осаждения и накопления карбоната магния и кальция, который отличается от морского пути. Количество карбоната кальция, выпадающего в осадок за счет испарения незначительное (50 и 126 тыс. т) и составляет для Западной (ЗБ) и Восточной (ВБ) частей озера, соответственно, 0,11 и 0,05% от общего запаса солей [7]. За счет политермического охлаждения в воде ЗБ образуется 0,20 млн.т. (0,12%) СаСО₃, а ВБ — сумма СаСО₃ и MgСО₃ в количестве 0,27 млн. т.(0,46% от общего запаса солей). В связи с этим при составлении солевого баланса озера необходимо учитывать количество выпадающих карбонатов не только за счет испарения, но и в период ледостава. Ледовый покров оз. Балхаш, содержащий в своем составе растворенные формы веществ (0,25−5,03 г/л), способствует некоторому увеличению минерализации подледной воды и оказывает влияние на протекание гидрохимических и гидробиологических процессов.

Определена доля участия донных отложений (среднезасоленные солончаки и илы) оз. Балхаш в процессах солеобразования. В системах «вода оз. Балхаш — донные отложения», «вода — глина» протекают сложные физико — химические процессы (катионный обмен, гидролиз, окисление — восстановление, обменные реакции, выщелачивание и др.), в результате которых осуществляется садка карбоната кальция и закрепляется повышенная закарбоначенность (до 26%). Это приводит к некоторому опреснению воды. Количество СаСО₃, образовавшегося за счет катионного обмена, мало (0,45%) по сравнению с общим его содержанием в иле (10,5%) [19−21]. водоем гидрохимический флотация Проведенные исследования имеют практическую направленность. Так, результаты ряда работ включены в Банк гидрохимической информации Казахстана и России, Ежегодники Качества поверхностных вод и эффективности проведенных мероприятий по территории деятельности Казахского УГКС за 1987;1990 гг. и Государственный Водный Кадастр «Ежегодные данные о качестве поверхностных вод суши».