Дейтерий и кислород-18 в подземных водах зоны активного водообмена
Температурные, а следовательно, географические и палеогеографические вариации изотопного состава атмосферных осадков, а также изменение изотопного состава воды в процессе неравновесного испарения, характерного для континентальных регионов, позволяют решать целый ряд гидрогеологических задач, связанных с изучением динамики подземных вод зоны активного водообмена. Некоторые примеры решения таких задач на основании обобщения опыта зарубежных и советских ученых приведены Ю.Б. Селецким.
Заметное обогащение грунтовых вод дейтерием и кислородом-18 за счет испарения атмосферных осадков в процессе инфильтрации через зону аэрации наблюдается главным образом в районах с аридным климатом. Изменения изотопного состава подземных вод в результате обменных реакций в системе «вода—порода» для вод зоны активного водообмена практически не наблюдаются. Рассмотрим несколько подробнее ряд задач, решаемых путем изучения распределения стабильных изотопов в поверхностных водотоках и подземных водах зоны активного водообмена.
Связь подземных вод с поверхностными водоемами. Как указывалось выше, содержание дейтерия и кислорода-18 в поверхностных водоемах в результате процессов неравновесного испарения практически всегда превышает концентрации этих изотопов в атмосферных осадках и водах поверхностного стока. Трансформация в количественном составе изотопов и в их соотношении служит естественной меткой, позволяющей судить о наличии или отсутствии подпитывания подземных вод из поверхностного водоема.
При исследованиях, выполненных с помощью указанного метода на юго-западе Турции, оказалось возможным опровергнуть гипотезу о наличии связи между двумя большими озерами, где происходит потеря воды через закарстованные известняковые формации, и несколькими высокодебитными родниками в карбонатных породах. В другом случае было сделано подобное заключение об отсутствии связи африканского оз. Чала с несколькими родниками в том же районе.
С помощью изотопных и гидрохимических методов Э. Мазор установил отсутствие гидравлической связи вод р. Иордан и питающего се родника Панеум (Банняс) с вышерасположенным кратерным озером Боуль (Рам). Воды озера, расположенного на высоте 940 м над уровнем моря, по содержанию дейтерия и кислорода-18 близки к морским водам. Такой состав озерных вод обусловлен их интенсивным испарением в условиях аридного климата. В роднике Панеум (Банияс), расположенном на 600 м ниже озера, bD = -40% H b18O = -8%. В роднике же Масада вблизи озера, содержание дейтерия, кислорода-18 и хлор-ионов аналогично озерным водам, что указывает на их непосредственную гидравлическую связь.
Испарительное концентрирование тяжелых изотопов было использовано для выявления местных областей питания в северной части Сахары (Алжир) и солончака Шотт-эль-Ходна. В первом районе установлено, что локальное питание подземных вод происходит в зонах развития больших песчаных эргов, что особенно характерно для Большого западного эрга. Это подтверждается повышенными содержаниями дейтерия и кислорода-18 в грунтовых водах вблизи эрга по сравнению с подземными водами региона в целом, а также изменением углового коэффициента корреляционной зависимости до 5,3±0,5 (рис. 23).
В поле развития солончака Шотт-эль-Ходна неглубокие, залегающие в аллювиальных четвертичных и континентальных меловых отложениях подземные воды имеют различное происхождение в различных зонах. К югу от области развития солончаков указанные воды (по изотопным данным) испарялись интенсивнее по сравнению с глубокими подземными водами. Это объясняется разгрузкой последних в приповерхностные водоносные горизонты и значительным испарением с зеркала грунтовых вод, уровень которых находится на глубине менее 1 м. Такое предположение подтверждается также параллельным ростом минерализации воды и содержания b18O.
В северной и восточной зонах солончака по изотопным данным отмечается современное инфильтрационное питание, существенную роль в котором играет инфильтрация атмосферных осадков из вадей (сухих русел). Инфильтрация осадков происходит, по всей вероятности, довольно интенсивно, поскольку экспериментальные точки bD и b18O располагаются вдоль прямой bD=8b18O+10, характерной для атмосферных осадков.
Данные по распределению в водах трития, углерода-13 и углерода-14 позволили не только качественно оценить гидравлическую взаимосвязь подземных вод с поверхностными водоемами, но и рассчитать временные параметры водообмена.
Сезонность в питании подземных вод. Сезон поступления атмосферных осадков в подземные воды можно определить на основании различия в изотопном составе метеорных вод теплых л холодных сезонов года. Обычно содержание дейтерия и кислорода-18 в грунтовых водах соответствует средневзвешенному содержанию изотопов в водопритоке за большой период времени. Поэтому кратковременные вариации в содержании дейтерия и кислорода-18 могут прослеживаться в водах высокодинамичных водоносных горизонтов, например в областях развития карста.
Так, при исследовании подземных вод в районе карстового плато Горт (Западная Ирландия) по концентрациям кислорода-18 установлено, что восполнение запасов подземных вод происходит почти целиком за счет атмосферных осадков, выпадающих в зимние периоды. Это предположение основано на сравнении среднего изотопного состава кислорода-18 для атмосферных осадков (-5,4%) с изотопным составом кислорода подземных вод (b18O достигает -7,2%). В условиях климата Западной Ирландии летние осадки практически не поступают в подземные воды, расходуясь на эвапотранспирацию.
Отмечается, что в пустынях Сахара и Калахари современное питание водоносных горизонтов происходит за счет отдельных ливней, значительно облегченных тяжелыми изотопами по сравнению со средневзвешенным изотопным составом атмосферных осадков.
Выявление источников питания подземных вод в эпоху последнего оледенения. В эпоху последнего плейстоценового оледенения среднегодовые температуры для всех областей земного шара были ниже современных. Например, для экваториальной части Атлантики примерно на 5—6° С, для Карибского бассейна на 7—8° С, для экваториальной части Тихого океана на 3—4° С. В северных частях современного пояса пустынь в ледниковые эпохи выпадали ливневые осадки. Это вызывалось отклонением ветров западного переноса к югу из-за огромных ледников. Климатические изменения безусловно отразились на уменьшении концентраций дейтерия и кислорода-18 в покровных ледниках северных широт и плювиальных осадках ряда современных областей с аридными климатическими условиями.
Окончание последнего ледникового периода (граница плейстоцен— голоцен) наступило примерно 10 тыс. лет тому назад. Влияние осадков плювиальных эпох на восполнение запасов подземных вод аридных регионов отмечается по изотопным данным для современных пустынь Африки, Аравийского полуострова и Средней Азии. И. Фогель и Д. Эххальт радиоуглеродным методом определили возраст пресных подземных вод Западной пустыни Египта, который составил 20—30 тыс. лет, т. е. основное восполнение запасов этих вод происходило за счет плювиальных осадков периода последнего оледенения плейстоцена. Такой вывод хорошо согласуется с данными по содержанию в подземных водах дейтерия и кислорода-18, которое значительно ниже, чем в современных атмосферных осадках этого региона и даже Центральной Европы. Аналогичные данные получены также при изучении подземных вод Сахары, Синайского полуострова, Саудовской Аравии, бассейна Потигуар в Северной Бразилии и др.
Области питания подземных вод. Изменения изотопного состава атмосферных осадков в зависимости от температуры их конденсации позволяют решать ряд практических гидрогеологических задач, связанных с выявлением областей питания исследуемых вод. Одна из первых попыток подобного рода исследований была предпринята в Исландии. По результатам этих исследований была построена карта распределения изоконцентраций дейтерия по юго-западной части страны. Позже подобная карта построена Б. Арнасоном для всей территории Исландии.
На основании изучения распределения дейтерия и кислорода-18 в атмосферных осадках установлены относительные доли местных и высокогорных осадков в питании подземных вод равнины Чинандега (Никарагуа). Среднее значение b18O для атмосферных осадков, выпадающих на равнине и частично расходующихся на восполнение запасов грунтовых вод, составляет —5,9%. В ходе изотопной съемки было установлено, что содержание кислорода-18 в атмосферных осадках, выпадающих на склоны Кордильер на различных высотных отметках, убывает согласно уравнению b18O = -5,653—0,0026E (где E — высота места отбора пробы над уровнем моря, м). Наклон прямой, описываемой уравнением, составляет —0,26 % о/100 м. В скважине, пробуренной на равнине (280 м над уровнем моря), вскрыты воды с b18O = -7,18%, что указывает на расположение области питания этих вод выше 600 м над уровнем моря. Аналогичные исследования проводились в Греции.
Естественная изотопная метка, образующаяся в атмосферных осадках, использовалась для выявления областей, из которых поступает вода в горные выработки. С помощью этой метки исследовали поступление воды в 7-километровый тоннель через горный массив Австрийских Альп. Установлено, что в тоннель в основном поступают воды, инфильтрующиеся сверху через массив горных пород. Такое заключение сделано на основании того, что содержание дейтерия в водопритоках вдоль тоннеля практически соответствовало его высотному распределению (AbD = -3%/100 м) для данного района. С помощью трития была определена минимальная вертикальная скорость инфильтрации воды, которая оказалась равной примерно 20 м/год. Аналогичные исследования были выполнены на Монбланском тоннеле (длина 11,6 км).
В приведенных примерах выявление областей питания путем интерпретации изотопных данных основывается главным образом на различии в изотопном составе атмосферных осадков, обусловленном процессами конденсации атмосферной влаги. В то же время кинетические факторы испарения масс морской воды для районов с различными климатическими условиями приводят к тому, что «глобальная» корреляционная зависимость в координатах bD—b18O изменяется. Так, для Восточного Средиземноморья эта) зависимость имеет вид: bD = 8bl8O+22 и отличается от корреляционной зависимости X. Крейга, характерной для областей, питающихся влагой Атлантического океана bD = 8b18O+10. Этот факт также используется при изучении влагопереноса и питания подземных вод за счет атмосферных осадков различного происхождения.
Оценка взаимосвязи водоносных горизонтов. Так как изотопный состав подземных вод разных водоносных горизонтов различен, то по распределению стабильных изотопов водорода и кислорода можно судить о степени их взаимосвязи. Подобную задачу можно решить на основании анализа гидродинамических и гидрохимических данных. Однако в ряде случаев изотопные исследования подземных вод позволяют не только уточнить, информацию, полученную другими способами, но и являются единственно возможным инструментом для этого решения, например, при крупномасштабной гидрогеологической съемке труднодоступных территорий.
Дж. Деак с помощью изотопных и гидрохимических методов проводил исследования условий восполнения запасов подземных вод в районе Большой Венгерской равнины. В частности, исследовалась возможность поступления напорных подземных вод. из верхнеплейстоценовой формации, сложенной карбонатными породами, через относительно водоупорный глинисто-лёссовый разделительный слой в четвертичный песчаный горизонт грунтовых вод (область Надькуншаг). Для этой цели были использованы данные пo распределению дейтерия в обоих водоносных горизонтах. Значительное различие концентраций дейтерия в водах напорного водоносного горизонта (bDср = -86%) и в грунтовых водах (bDcp = -63%) позволило сделать вывод о крайне незначительной разгрузке вод верхнеплейстоценового горизонта в грунтовые воды. Эти результаты были подтверждены данными определения возраста подземных вод по радиоуглероду.
Аналогичные исследования по изучению взаимосвязи водоносных горизонтов проводились в Алжире, Тунисе, Саудовской Аравии.
Определение пропорций смешения вод различного генезиса. Использование изотопных меток при изучении процессов смешения подземных вод основано на различии концентраций дейтерия или кислорода-18 в составляющих смеси.
И. Виноград и И. Фридман рассчитали пропорцию смешения вод из различных областей питания для групп родников, происхождение которых не имело однозначной трактовки на основании классических гидрогеологических методов. Средние концентрации дейтерия составили в области питания I bD=-113%, в области II bD=-103% о, в области разгрузки bD=-106%. Среднее значение расхода воды известно и составляло 57,5 тыс. м3/сут. При решении соответствующих уравнений было определено, что из первой области питания поступает около 20 тыс. м3/сут или 35% от общего расхода воды в зоне разгрузки. Примененная методика расчета, как отмечают авторы, может быть использована при соблюдении следующих условий: содержание дейтерия (или кислорода-18) при статистическом анализе должно значимо различаться в обоих компонентах смеси; содержание изотопов должно оставаться постоянным или почти постоянным во времени; другими компонентами, участвующими в смешении вод, можно пренебречь; изотопный состав воды не изменяется в результате взаимодействия с водовмещающими породами.
Б. Пейн и П. Шретер изучали процесс инфильтрации воды из р. Чимбо (Эквадор) в подземные воды. Средний изотопный состав речной воды составляет bD = -47,0±0,7%; b18O = -7,34±0,09%. В атмосферных осадках, выпадающих на равнине в основном в течение 7 месяцев в году (~2000 мм), содержания дейтерия и кислорода-18 определены соответственно bD = -24,1±0,8%; b18O = -4,43±0,07%о. Грунтовые воды, сопряженные с рекой, имеют средний изотопный состав bD ~ -30% о и b18O = -4%. На основании этих данных авторы рассчитали долю питания водоносного горизонта грунтовых вод за счет локальных атмосферных осадков, нижний предел которой составляет 73 ±5%. Отмечена также донная фильтрация из реки в более глубокие водоносные слои. На основании изучения распределения дейтерия по разрезу водоносного горизонта (—31,9, —39,2, —46,7%) была рассчитана доля атмосферных осадков на глубинах 10, 40 и 80 м, которая составила соответственно 66%, 23% и около 1%.
Аналогичные исследования изотопными методами по изучению пропорций смешения вод различного генезиса проводились и при изучении источников водопрнтока в горные вырабоки.
Исследования взаимосвязи сопряженных гидрогеологических и гидрологических бассейнов (исследование водного баланса). Решение подобных задач, как правило, является основной проблемой гидрологических исследований. Однако определение составляющих подземного питания поверхностных водотоков или подпитывание водоносных горизонтов грунтовых вод входит в сферу гидрогеологических исследований. Некоторые примеры использования дейтерия и кислорода-18 для выявления взаимосвязи подземных вод были приведены выше. Здесь мы рассмотрим пример решения балансовой задачи, имеющей гидрогеологическое значение только с использованием данных по концентрациям стабильных изотопов водорода и кислорода в различных составляющих водного баланса гидролого-гидрогеологической системы. Следует подчеркнуть, что преимущество этих природных изотопных индикаторов воды заключается в том, что при их движении не происходит потери индикатора, например в результате осаждения, сорбции породой, избирательного биологического поглощения и т. д. Скорость перемещения такого индикатора равна скорости движения водных масс как в поверхностных водотоках, так и в пористых средах, каковыми являются водоносные горизонты. Уравнение водного баланса речной системы может быть представлено в виде
где Qр, Qпод, Qпов — составляющие суммарного расхода воды в реке, подземного и поверхностного стока соответственно; Rр, Rпод, Rпов — концентрация изотопов соответственно в суммарном стоке и его составляющих.
Это уравнение позволяет вычислить долю подземного стока в питании реки при известных значениях Rp, Rпод и Rпов. Оно, естественно, справедливо лишь при использовании идеального изотопа, концентрация которого в подземных водах не меняется в течение длительных периодов времени. Однако данные о содержании, например 18O, могут быть также использованы.
Подобные исследования выполнены в бассейне Дишма, расположенном в Швейцарских Альпах. Как и следовало ожидать, здесь установлено значительное различие в значениях b18O в речном базисном стоке, атмосферных осадках и снежном покрове, формирующем поверхностный сток в реки. Небольшие колебания значений b18O в стоке показывают, что в периоды снеготаяния и интенсивного выпадения дождей вклад подземных вод в поверхностный сток весьма незначителен. Аналогичные данные получены при исследовании дейтерия. Хотя общий расход воды в реках бассейна увеличивается после каждого сильного дождя, содержание кислорода-18 в речной воде увеличивается только в исключительных случаях, когда пробу отбирали из малых по расходу водотоков (ручьев) во время очень сильного ливня. Однако в целом изотопный состав воды стока близок к среднему за многолетний период составу атмосферных осадков. Это может происходить лишь в том случае, если река питается из водоносного горизонта, время пребывания воды в котором составляет несколько лет.
В заключение следует отметить, что кроме перечисленных задач с использованием концентраций дейтерия и кислорода-18 можно решать и другие гидрогеологические проблемы. В частности, выявлять сезонность в питании подземных вод и рассчитывать долю питания за счет атмосферных осадков различных сезонов года, что характерно для подземных вод карстовых регионов, исследовать движение подземных вод в районе действующих водозаборов, идентифицировать поступление в водоносные горизонты современных и древних морских вод, что характерно для прибрежных районов и др. Наиболее достоверные данные удается получить при комплексном использовании различных стабильных и радиоактивных изотопов в комбинации с гидрохимическими и гидрогеологическими данными. Этому вопросу, в частности, посвящен специальный сборник МАГАТЭ.