Типизация месторождений пресных подземных вод Татарстана для целей оценки эксплуатационных запасов
logo1-color


Типизация месторождений пресных подземных вод Татарстана для целей оценки эксплуатационных запасов

Доля подземных вод в общем балансе водоснабжения Республики Татарстан составляет около 40 %. При этом текущие и, тем более, перспективные потребности удовлетворены далеко не полностью, а основная часть действующих водозаборов централизованного и автономного водоснабжения эксплуатирует неутвержденные запасы подземных вод. В связи с этим, в настоящее время для Татарстана весьма актуальна постановка гидрогеологических исследований, целью которых является выявление и оценка эксплуатационных запасов подземных вод (ЭЗПВ) новых месторождений, а также оценка ЭЗПВ уже освоенных участков. Состав, методика и объемы работ для целей ЭЗПВ определяются особенностями гидрогеологических условий исследуемого месторождения и закономерностями формирования ЭЗПВ.

В последнее десятилетие для целей хозяйственно-питьевого водоснабжения на территории Татарстана была разведана целая серия месторождений подземных вод в разных гидрогеологических условиях (рис.1, табл.1). Полученный в процессе этих работ обширный материал, характеризующий закономерности формирования ЭЗПВ в разных частях Татарстана, был обобщен в виде типизации месторождений пресных подземных вод, разработанной применительно к задачам оценки ЭЗПВ.

statia-5-tablstatia-5-ris-1

Территория Республики Татарстан согласно схемы гидрогеологического районирования [ 1 ] приурочена к Волго-Сурскому и Камско-Вятскому артезианским бассейнам (рис.1). Характерной чертой этих бассейнов является региональное распространение нижнепермской гипсово-ангидритовой толщи, разделяющей всю обводненную толщу осадочных пород на две резко различные гидродинамические системы - зону активного водообмена (зона пресных вод) и зону затрудненного водообмена. Зона активного водообмена содержит водоносные горизонты и комплексы, перспективные для организации водоснабжения. Основные особенности гидрогеологических условий этой части разреза артезианских бассейнов определяются геологическим строением верхнепермской карбонатно-терригенной толщи, в которой распространены относительно выдержанные хорошо проницаемые пласты трещиноватых песчаников и известняков. В таких пластах локализованы ресурсы подземных вод. Водоносные пласты разделены слабопроницаемыми глинистыми отложениями. Тем не менее, гидравлическая взаимосвязь между водоносными пластами сохраняется. Питание водоносных горизонтов происходит на водораздельных пространствах путем перетекания воды из грунтового в субнапорные горизонты. Разгрузка осуществляется на склонах речных долин в виде родников и субаквально в мелкие водотоки, в притальвеговых зонах крупных рек подземные воды разгружаются в грунтовый водоносный горизонт или непосредственно в русло.

В верхней части гидрогеологического разреза (зона пресных вод) на отдельных участках речных долин наиболее обводненные пласты, как правило, выклиниваются или оказываются размытыми (в нижних частях склонов водоразделов или в притальвеговых зонах речных долин). Таким образом, площади их развития ограничены и формирование ресурсов пресных подземных вод происходит в пределах частных водосборов. Региональное распространение имеют водоносные пласты, залегающие ниже местных базисов дренирования и содержащие солоноватые воды. Сплошность водоносных пластов верхней части гидрогеологического разреза на некоторых участках нарушена палеоврезами, сформированными пра-реками и заполненными песчано-глинистыми и гравийно-галечными (в тальвегах) плиоценовыми осадками. В долинах наиболее крупных современных рек таких как Волга и Кама продуктивные водоносные пласты также размыты и замещены мощным речным аллювием.

Для рассматриваемой территории характерны довольно сложные гидрогеохимические условия. Так, при погружении водоносных горизонтов на относительно небольшие глубины существенно увеличивается минерализация подземных вод вследствие роста содержаний Ca и SO­4 ( что определяет увеличение общей жесткости), или концентраций Na и SO4 (при этом возрастают и концентрации В). В некоторых случаях, при наличии гипсов в залегающих выше местных базисов дренирования водоносных пластах, подземные воды в таких пластах характеризуются повышенной жесткостью. Увеличение жесткости подземных вод верхней части гидрогеологического разреза наблюдается также на участках региональной разгрузки сульфатных вод нижнепермских водоносных горизонтов в вышележащие горизонты пресных подземных вод. Участки региональной разгрузки приурочены к современным долинам рек Волги, Камы, Меши, Казанки и др.

Таким образом, гидрогеологические и гидрогеохимические условия зоны активного водообмена рассматриваемой территории имеют ряд специфических особенностей, отличающих эту территорию от классических артезианских бассейнов. В связи с этим, возникла необходимость в разработке типизации распространенных на территории Татарстана месторождений подземных вод для целей оценки ЭЗПВ.

В соответствии с типизацией месторождений пресных подземных вод, разработанной Б.В.Боревским и Л.С.Язвиным для целей оценки ЭЗПВ [2], на территории Татарстана распространены месторождения трех типов:

Тип I - В речных долинах (на прибрежных участках);

Тип IV- В ограниченных по площади структурах;

Тип V – В бассейнах и потоках грунтовых вод.

С учетом своеобразия гидрогеологических и гидрогеохимических условий, а также условий формирования ЭЗПВ месторождений подземных вод на территории Татарстана в рамках перечисленных типов были выделены четыре основных подтипа МППВ:

I-А - в речных долинах равнинных рек;

IV-А - в ограниченных по площади структурах, в трещинных коллекторах (локальные зоны интенсивной трещиноватости, генетически связанные с разрывной тектоникой);

IV-Б2 - в ограниченных по площади структурах, в рыхлообломочных коллекторах, в погребенных речных долинах;

V-А – в потоках грунтовых вод трещинно-карстовых массивов.

В подтипе V-А с учетом особенностей условий формирования ЭЗПВ было выделено два самостоятельных вида месторождений:

V-А1 - в потоках субнапорных трещинно-пластовых вод,

V-А2 - в потоках трещинно-пластовых и трещинно-карстовых грунтовых и субнапорных вод, формирующих родниковый сток.

Рассмотрим основные особенности формирования эксплуатационных запасов подземных вод и возможности их освоения применительно к каждому выделенному типу месторождения.

I-А. Месторождения в речных долинах (в прибрежных зонах) распространены в долинах наиболее крупных рек (Волга, Кама) и включают в себя два вида:

Для вида I1 характерна локализация ресурсов подземных вод в относительно мощной (15-20 м и более) толще четвертичных аллювиальных отложений, характеризующихся высокой проницаемостью. В этом случае строение месторождения может быть схематизировано как однослойное. Основной источник формирования эксплуатационных ресурсов подземных вод – притоки с бортов речных долин и поверхностный сток, инфильтрующийся (в паводковые периоды) в поровые коллекторы. В условиях длительной эксплуатации доля привлекаемого речного стока в балансе водоотбора увеличивается. Разгрузка подземных вод осуществляется в реки. Типичные примеры таких месторождений это фрагмент долины р.Волги в районе г.Зеленодольска и фрагмент долины р.Камы в районе г.Нижнекамска.

Для вида I2 характерно двухслойное строение: аллювиальные четвертичные отложения перекрывают пласты верхнепермских карбонатно-терригенных интенсивно трещиноватых коренных пород, в которых локализованы, в основном, эксплуатационные ресурсы подземных вод. ?сточники их формирования: инфильтрация речных вод и приток подземных вод со склоновых частей долин (по трещиноватым пластам коренных пород). В меженные периоды преобладает последняя составляющая, что иногда определяет ухудшение качества вод месторождения в зимнюю межень. Типичный пример – Прибрежно-Чистопольское месторождение (водозабор «Грунтовый»).

Наиболее эффективное освоение эксплуатационных ресурсов подземных вод месторождений подтипа I-А может быть достигнуто посредством сооружения линейных водозаборов, вытянутых вдоль речных русел.

IV2. Месторождения в ограниченных по площади структурах приурочены к палеоврезам, заполненным древним плиоценовым аллювием крупных пра-рек (прежде всего, Волги и Камы) (рис.2). Эти структуры представляют собой протяженные довольно широкие (до 3-7 км) часто извилистые полосы с глубиной эрозионного вреза от 80-100 м до 150-200 м. (рис.3). Водовмещающие породы – пески, в нижних частях разреза крупнозернистые со щебнем, галькой и гравием, переходящие вверх по разрезу в среднезернистые и далее в мелкозернистые пески с прослоями песков, алевритов и суглинков. Подземные воды, приуроченные к песчаным отложениям неоген-четвертичных отложений, представлены пресными водами с минерализацией преимущественно 0,2-0,3 г/л. В пределах погребённых палеодолин жёсткость и минерализация подземных вод постепенно повышаются сверху вниз по разрезу, достигая в нижних частях разреза значений минерализации 0,6-0,8 г/л и жёсткости 7-10 мг-экв/л.

statia-5-ris-2statia-5-ris-3

Плиоценовые палеодолины «вложены» в терригенно-карбонатную толщу верхнепермских отложений, представленную трещиноватыми мергелями, песчаниками, известняками и доломитами (иногда закарстованными). На большей части территории подземные воды верхнепермских горизонтов имеют минерализацию 0.4-0.6 г/л. Однако, в связи с тем, что эти горизонты подстилаются гипсово-ангидритовой нижнепермской толщей, содержащей хлоридные натриевые воды с минерализацией 5-9 г/л, в местах интенсивной разгрузки снизу минерализация подземных вод верхнепермских водоносных горизонтов достигает значений 2-3 г/л (рис.3).

В процессе работы водозаборов подземных вод в плиоценовых палеодолинах возможно привлечение некондиционных по показателям жесткости и минерализации вод из нижних частей разреза. Поэтому, для этого подтипа месторождений Татарии наряду с гидродинамическими ограничениями, которые накладываются на прогнозные понижения подземных вод и дебиты водозаборов, определяющим является прогноз изменения гидрогеохимических условий под влиянием эксплуатации. Основным ограничением величины водоотбора на месторождения подтипа IV-Б2 является вероятность привлечения водозаборными скважинами солоноватых или соленых вод как из водоносных пластов, приуроченных к коренным породам, так и поступлением некондиционных вод из нижней части разреза самих палеодолин. Обоснование проектных эксплуатационных нагрузок водозаборов в этом случае проводится по результатам решения оптимизационных геомиграционных задач.

Питание подземных вод месторождений подтипа IV-Б2 происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и речного стока из мелких водотоков и водоемов, располагающихся в полосе развития палеовреза. Основными источниками формирования ЭЗПВ в этих условиях являются инверсия разгрузки подземных вод в водотоки и привлечение поверхностного стока. Месторождения подтипа IV-Б2 по условиям формирования ЭЗПВ ( по источникам формирования) делятся на месторождения связанные и не связанные с поверхностными водотоками:

1. В условиях эксплуатации происходит привлечение поверхностных вод из крупных рек и Куйбышевского водохранилища, доля привлекаемых запасов в балансе водоотбора может достигать 20 %. Типичный пример таких месторождений - Приказанская группа месторождений, приуроченные к палеодолине р.Волги в районе г.Казани (рис.2).

2. В условиях эксплуатации привлечение стока крупных рек исключено. Типичный пример такого месторождений – Черемшанское месторождение, расположенное в Закамье (палеодолины р.Камы и ее наиболее крупных притоков) (рис.4).

statia-5-ris-4

Очевидно, более благоприятные условия для организации водоотбора присущи месторождениям, где возможно активное привлечение поверхностных вод. Поэтому, как показывает опыт, здесь при эксплуатации целесообразно использовать мощные водозаборные узлы, размещенные вдоль оси палеовреза. На месторождениях, не связанных с крупными поверхностными водотоками, привлечение некондиционных вод, при отсутствии возможностей для активизации притоков поверхностного стока, более вероятно. Поэтому, для эксплуатации таких месторождений целесообразно использовать протяженные линейные водозаборы, вытянутые вдоль оси палеовреза.

V1. Месторождения в потоках субнапорных трещинно-пластовых вод на территории Татарстана распространены наиболее широко. Они приурочены к площадям развития верхнепермских карбонатно-терригенных трещиноватых пород. Ресурсы подземных вод локализованы в наиболее проницаемых пластах верхне- и нижнеказанских трещиноватых песчаников и известняков, имеющих как правило незначительную мощность (10-20 м) и разделенных слабопроницаемыми глинистыми прослоями. Таким образом, гидравлическая взаимосвязь между горизонтами затруднена. Подземные воды субнапорные, что определяет их перетоки сверху-вниз по разрезу в области питания и снизу-вверх – в области разгрузки.

По условиям формирования эксплуатационных запасов подземных вод месторождения вида V-А1 дифференцированы на три подвида:

1. Месторождения, эксплуатационные запасы которых формируются за счет атмосферных осадков, инфильтрующихся в пределах частных водосборов, ограниченных линиями поверхностных водоразделов и реками. Разгрузка подземных вод осуществляется в реки, как правило, субаквально. Типичный пример – Тумбарлинское месторождение (район г.Бавлы), где продуктивный горизонт приурочен к «среднеспириферовым известнякам» нижнеказанского подъяруса и дренируется р.Тумбарлинкой (рис.5).

statia-5-ris-5

2. Месторождения, эксплуатационные запасы подземных вод которых также формируются за счет инфильтрации атмосферных осадков в пределах частных водосборов. Однако, частные водосборы в этом случае ограничены линией поверхностного водораздела и слабопроницаемым палеоврезом, заполненным глинистыми плиоценовыми осадками и потому экранирующим поток. Таким образом, фильтрация подземных вод осуществляется в режиме «подпора», разгрузка осуществляется в местную гидросеть. Типичные примеры – месторождения Лесной Зай и Степной Зай. На этих месторождениях продуктивный горизонт приурочен к пласту «среднеспириферовых известняков», размытых на левобережье, соответственно, р.Лесной Зай и р.Зай и замещенных глинистыми плиоценовыми осадками, экранирующими поток подземных вод (рис.6).

statia-5-ris-6

3. Месторождения, формирование эксплуатационных запасов подземных вод которых также происходит в пределах частных водосборов (за счет атмосферных осадков), но замкнуты эти водосборы глубокими эрозионными врезами рек. Таким образом, продуктивные горизонты оказываются денудированными, циркулирующие в них подземные воды разгружаются в мелкие ручьи или непосредственно на дневную поверхность (пластовые выходы), что приводит к образованию заболоченности. Типичный пример – месторождение Урсай-Ключ (район г.Азнакаево). Для этого месторождения характерно наличие двух продуктивных горизонтов приуроченных к известнякам врехнеказанского и к песчаникам нижнеказанского подъярусов. В долине р.Стярле продуктивные горизонты полностью размыты и частично замещены плиоценовыми осадками. В результате разгрузки подземных вод на правобережье р.Стярле сформировались значительные заболоченные площади (рис.7).

statia-5-ris-7

Охарактеризованные особенности внутреннего строения месторождений вида V-А1 указывают на то, что наиболее эффективно ресурсы подземных вод могут быть привлечены водозаборными рядами, заложенными в соответствии с видом месторождений, вдоль дренирующей реки ( подвиды V-А1(1) и V-А1(2) ) или вдоль тылового шва (или кромки) эрозионного вреза, ограничивающего площадь распространения продуктивных горизонтов (подвид V-А1(3) ).

V2. Месторождения в потоках трещинно-пластовых и трещинно-карстовых грунтовых и субнапорных вод, формирующих родниковый сток как и месторождения подтипа V-А1, приурочены к площадям распространения верхнепермских карбонатно-терригенных пород. Эксплуатационные запасы подземных вод здесь также формируются за счет атмосферных осадков в пределах частных водосборов и локализованы в пластах песчаников и известняков, характеризующихся интенсивной трещиноватостью.

От месторождений подтипа V-А1 отличаются лишь условиями разгрузки – подземные воды выводятся на поверхность родниками, приуроченными к различным частям склонов речных долин.

Месторождение подтипа V-А2 имеют и ряд особенностей, связанных с их изучением и эксплуатацией:

- при оценке ЭЗПВ таких месторождений геологоразведочные работы должны быть ориентированы именно на изучение родникового стока (изменчивости расходов и качества подземных вод, выводимых родниками);

- освоение запасов месторождений возможно только посредством каптажа одиночных родников или сооружения присклоновых водосборных галерей, каптирующих группы родников;

- родники в Татарстане исторически имеют большое значение в обеспечении потребностей населения, при этом эксплуатационные запасы используемых участков с каптированными родниками никогда ранее не были оценены.

Приведенные обстоятельства и определили целесообразность выделения этого типа месторождений. Типичные примеры месторождений подтипа V-А2 – родники урочища Урсай Ключ, которые включены в схему освоения месторождения Урсай Ключ; группы родников в районе г.Лениногорска.

IV-А. Месторождения в локальных зонах интенсивной трещиноватости, генетически связанных с разрывной тектоникой судя по имеющимся данным, относятся к наименее распространенным на территории РТ.

На таких месторождениях сформировавшиеся за счет инфильтрации атмосферных осадков и речного стока эксплуатационные запасы подземных вод в промышленных количествах сосредоточены в локальных трещиноватых зонах, генетически связанных с разрывной тектоникой. Такие зоны дренируют блоки пористых и слаботрещиноватых интенсивно литифицированных пород и отводят воду к местным базисам дренирования. Разгрузка осуществляется в виде родников, а также – субаквально. Типичный пример месторождения подтипа IV-А – Тетюшинское месторождение подземных вод. Наиболее эффективным при освоении месторождений подтипа IV-А представляется каптаж подземных вод в пределах локальных зон трещиноватости, на участках, приуроченных к областям разгрузки.

Геолого-гидрогеологическая изученность территории Татарстана достаточно высокая, что позволило выделить не только классические типы и подтипы МППВ, но и типичные для территории Татарстана виды и подвиды, каждый из которых характеризуется своими закономерностями формирования ЭЗПВ. Для дальнейшего изучение закономерностей формирования ЭЗПВ месторождений целесообразна постановка системы мониторинга при проектировании будущих водозаборов на разведенных месторождениях подземных вод.

 

Литература

  1. Гидрогеология СССР. Сводный том. М. Недра. 1976.
  2. Боревский Б.В., Дробноход Н.И., Язвин Л.С. "Оценка запасов подземных вод", Киев, Высща школа, 1989.