Гидрогеологические условия западной части Курганской области // Вестник Пермского ун-та. – Пермь, 2001. – Вып. 3. – Геология – С. 159-178. — Лаборатория геологии техногенных процессов

Рассмотрены гидрогеологические условия западной части Курганской области, обусловившие экологическое состояние территории. Состояние подземных вод в значительной степени зависит от истории геологического развития территории (геолого-структурных и литолого-фациальных особенностей). Отмечено влияние подземных вод на активизацию инженерно-геологических процессов. Предложены пути решения проблем качества вод и возможности развития неблагоприятных процессов на данной территории.

Гидрогеологические условия территории во многом определяют общее ее состояние. Комфортность проживания, экологическая ситуация тесно связаны с качеством подземных вод, условиями водоснабжения из подземных источников, защищенностью от загрязнения, глубиной залегания с которой связаны условия строительства и эксплуатации сооружений. В свою очередь, гидрогеологические условия в значительной мере обусловлены историей геологического развития территории.

Исследования гидрогеологических условий и их связи с одной стороны с историей геологического развития территории, с другой стороны с современной экологической ситуацией проведены на примере западной части Курганской области. Здесь предполагается строительство крупного промышленного объекта.

Для района характерны небольшие запасы подземных вод, высокая минерализация и своеобразный химический состав, несколько необычные для артезианских бассейнов условия питания и разгрузки, возможное ухудшение качества подземных вод в процессе эксплуатации водозаборов, также связанная с грунтовыми водами активизация инженерно-геологических процессов. Отмеченное своеобразие тесно связано с геолого-структурными и литолого-фациальными особенностями территории района.

Учитывая указанные особенности в данном районе был проведен комплекс работ, включающий оценку состояния территории на базе фондовых материалов, инженерно-экологические изыскания и оценку воздействия на окружающую среду.

Исследуемый район в структурно-тектоническом плане относится к области Среднего Зауралья. Территория представляет собой западную окраинную часть Западно-Сибирской мезозойской плиты, прилегающую с востока к палеозойским структурам Урала [11]. Геологический разрез территории характеризуется четко выраженным двухъярусным строением. Нижний ярус образован дислоцированными и метаморфизованными породами палеозоя, которые образуют кристаллический фундамент территории и являются восточным продолжением Уральской складчатой системы [5, 16].

На палеозойских породах, представленных на исследуемой территории карбонатно-терригенными породами турнейско-визейского яруса нижнего карбона, с размывом залегает мощный покров верхнемезозойских и кайнозойских пород, представляющих собой типичный платформенный чехол. Мощность мезо-кайнозойского покрова закономерно увеличивается в северо-восточном направлении.

В гидрогеологическом отношении район исследований расположен в пределах крайней западной части Тобольского артезианского бассейна, характеризующегося увеличением мощности пород осадочного чехла по мере погружения складчатого фундамента от Урала в северо-восточном направлении. Мощность и фильтрационные свойства водоносных и водоупорных пород во многом зависят от приуроченности к тектоническим структурам в палеозойском фундаменте, унаследованным структурам в осадочном чехле и к эрозионным формам речных долин.

На территории района выделено три гидрогеологических этажа. Верхний этаж, включающий грунтовые водоносные горизонты в четвертичных, неогеновых и олигоценовых песчано-глинистых отложениях и первый межпластовый горизонт в опоках и песчаниках нижнего эоцена, соответствует зоне активного водообмена. Средний этаж охватывает подземные воды верхнемеловых отложений и соответствует условиям затрудненного водообмена. Нижний этаж включает водоносные горизонты нижнемеловых отложений и палеозойских комплексов и соответствует условиям замкнутого режима. В пределах трех гидрогеологических этажей выделяются пять структурно-гидрогеологических комплексов: антропоген-олигоценовый, палеогеновый, верхнемеловой, нижнемеловой и палеозойский.

Первый от поверхности антропоген-олигоценовый комплекс распространен в терригенных континентальных отложениях четвертичного, плиоценового и олигоценового возраста. Эти отложения сплошным чехлом переменной мощности перекрывают более древние, преимущественно морские отложения и представлены разнообразными глинистыми образованиями, песками, реже гравием.

По условиям залегания и литолого-стратиграфическим особенностям пород в составе антропоген-олигоценового комплекса выделяются: водоносный комплекс четвертичных отложений, спорадически обводненная толща отложений плиоцена, водоносный горизонт отложений олигоцена.

Ввиду сложившихся гидрогеологических и геоморфологических особенностей района подземные воды антропоген-олигоценового комплекса целесообразно характеризовать соотносительно с геоморфологическими элементами.

Подземные воды антропоген-олигоценового комплекса речных долин. В пределах речных долин воды водоносного комплекса четвертичных отложений распространены в виде грунтового потока, приуроченного к аллювиальным отложениям р. Миасс и притоков. Эти отложения представлены переслаиванием песчано-глинистых и песчано-гравийно-галечниковых грунтов средней мощностью около 7-10 м.

Обводненность аллювиальных отложений изменчива. Наиболее водообильны отложения русловых фаций поймы и первой надпойменной террасы. Отложения высоких террас полностью или частично сдренированы. Подземные воды аллювиальных отложений безнапорные. Свободный уровень располагается на глубинах 0-10 м. Зеркало подземных вод в сглаженной форме повторяет рельеф. Поток направлен от бортов долины к руслу и вниз по течению реки. Питание осуществляется инфильтрацией. Разгрузка происходит в реки и пойменные озера и болота. Часть подземных вод перетекает в водоносный горизонт нижнего эоцена (опоковый горизонт). В непосредственной близости от русла реки происходит обратное перетекание подземных вод из опокового горизонта в аллювиальный. Колебания уровня зависят в основном от климатических факторов. Амплитуды сезонного колебания уровня находятся в пределах 0,4-1,5 м.

На территории террас р. Миасс и притоков в аллювиальных отложениях встречены пресные воды со средней минерализацией 0,5 г/л. Слабосолоноватые и соленые воды встречены только на территории населенных пунктов. В пределах речных террас преобладают воды гидрокарбонатно-кальциевого состава. Водородный показатель изменяется от 6,8 до 7,9. Подземные воды, распространенные на территории поймы р. Миасс и притоков в пределах района исследований, существенно отличаются от вод речных террас составом и более высокой минерализацией — до 5,8 г/л, при средних значениях 1,2-1,5 г/л. В весенний период, когда питание подземных вод поймы осуществляется за счет внедрения более пресных речных вод, минерализация значительно снижается.

Состав вод пестрый. Для менее минерализованных вод характерно преобладание гидрокарбонатов, для более минерализованных — сульфатов при повышенных значениях хлоридов. Так, содержание сульфатов может достигать 3230 мг/л, хлоридов — 800, натрия — 1060, кальция — 550, магния — 350, общего железа — 10,3 мг/л. Водородный показатель, обычно близкий к нейтральным значениям, на отдельных участках поймы опускается до 4,2-4,3. В подземных водах на территории пойм зафиксировано высокое содержание ряда микроэлементов. Содержание марганца, бария, лития, бора выше установленных норм.

Подземные воды антропоген-олигоценового комплекса приводораздельных пространств. На большей части приводораздельных пространств покровные четвертичные отложения представлены глинистыми грунтами небольшой мощности. Под ними залегают песчано-глинистые отложения кустанайской свиты плиоцена и наурзумской и куртамышской свит олигоцена.

По условиям залегания и литолого-стратиграфическим особенностям вмещающих пород в пределах приводораздельных пространств выделяют спорадически водоносный комплекс покровных четвертичных отложений, спорадически водоносный горизонт отложений плиоцена и водоносный горизонт в олигоценовых отложениях.

Подземные воды четвертичных отложений в пределах приводораздельных пространств приурочены к маломощным прослоям песков и супесей в глинистых грунтах. Средняя мощность четвертичных отложений обычно составляет первые метры, а максимальная не превышает 10 м. Глубина залегания вод составляет первые метры. Питание осуществляется за счет атмосферных осадков.

Спорадически обводненная толща отложений плиоцена. Плиоценовые отложения представлены кустанайской свитой и развиты в виде пятен на водораздельных участках под четвертичными отложениями. Водоносность их связана с прослоями и линзами песков, находящихся среди мергелистых и гипсоносных глин. Суммарная мощность прослоев и линз не более 3-5 м.

Водоносный горизонт отложений олигоцена. Отложения верхнего и среднего олигоцена распространены только на водораздельных пространствах рассматриваемой территории. Водовмещающими породами являются пески и алевриты средней мощностью не более 6 м, которые переслаиваются, а местами фациально замещаются глинами. Общая мощность олигоценовых отложений на возвышенных участках может достигать 10 м и более. На отдельных участках водораздельных пространств они могут отсутствовать. Глубина залегания уровня составляет 2-11 м. Водообильность отложений невысокая.

В целом воды антропоген-олигоценового комплекса на территории приводораздельных пространств характеризуются неглубоким залеганием уровня, который обычно составляет первые метры и лишь на возвышенных участках может достигать 10 м и более. Колебания уровня зависят в основном от климатических факторов. Амплитуды сезонного колебания уровня находятся в пределах 0,5-1,2 м. Воды безнапорные, реже слабонапорные. Питание вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и талых вод в период снеготаяния.

Разгрузка на придолинных участках осуществляется в аллювиальный поток грунтовых вод и в отложения овражно-балочного делювия, на удаленных от реки участках — в озера и болота. Часть разгрузки происходит в результате испарения с поверхности грунтовых вод. Часть подземных вод перетекает вниз через чеганский и ирбитский водоупорные толщи в опоковый водоносный горизонт.

На водораздельных пространствах преобладают пресные воды со средней минерализацией 0,5 г/л. Состав вод преимущественно гидрокарбонатно-кальциевый. Водородный показатель изменяется от 6,4 до 8,2. Слабосолоноватые и соленые воды встречены на территории населенных пунктов.

Палеогеновый комплекс представлен водоносным горизонтом нижнего эоцена, отделенным от вышележащего антропоген-олигоценового комплекса водоупорными породами среднего и верхнего эоцена — нижнего олигоцена.

Водоупорные породы среднего, верхнего эоцена и нижнего олигоцена представлены толщей морских тонкодисперсных терригенных пород чеганской и ирбитской свит, представляющих собой региональный водоупор.

Чеганские отложения, мощность которых на водораздельных пространствах в описываемом районе составляет 27-39 м, представлены плотной глиной. Ирбитские отложения, мощностью 25-45 м, имеют повсеместное распространение на территории района.

Фильтрационные свойства водоупора определяются его мощностью, литологическим составом, тектоническими особенностями территории и глубиной эрозионного вреза речной сети. В долинах р.Миасс и р.Чумляк (нижняя часть) глины чеганской серии полностью размыты, и водоупор представлен только диатомитами ирбитской свиты. Он крайне несовершенен, изобилует водопроницаемыми гидрогеологическими окнами, через которые на территории террас происходит перетекание в нижнеэоценовый водоносный горизонт вод антропоген-олигоценового комплекса, а на территории поймы — разгрузка нижнеэоценового горизонта в аллювиальные отложения. На водоразделах, где водоупор представлен двухслойным разрезом, его водопроницаемость резко снижается. Коэффициент фильтрации чеганско-ирбитского водоупора здесь составляет около 7·10^-5 м/сут [18].

Водоносный горизонт нижнего эоцена (опоковый горизонт) представлен морскими отложениями серовской свиты и сложен кремнистыми и глинистыми опоками, опоковидными глинами, кварцево-глауконитовыми песчаниками. Этот горизонт имеет региональное распространение и является основным источником водоснабжения района.

Мощность отложений серовской свиты в пределах рассматриваемой территории изменяется от 35 до 56 м, в юго-западной части района — 23 м. Нижняя граница водоносных серовских отложений достаточно четкая и проходит по кровле плотных водоупорных глин палеоцена (талицкая свита). Горизонт имеет двухчленное строение. Нижняя часть, мощностью 12 м сложена серыми кварцевыми песчаниками с примесью полевошпатовых и глауконитовых разностей, мелкозернистыми на опаловом цементе. Верхняя часть мощностью около 30 м представлена разностями опок, иногда глинистых или песчанистых.

Водообильность горизонта отличается большой пространственной изменчивостью и зависит от степени трещиноватости, литолого-фациального состава, мощности водовмещающих пород и проницаемости покровных и подстилающих водоупоров. Определяющий фактор водоносности и водопроводимости — трещиноватость, которая обусловлена возникновением неравномерных напряжений в пределах речных долин, а также деформациями в пределах тектонических структур и разрывных нарушений. Наибольшей проводимостью характеризуются прирусловые части долины.

Формирование подземных вод опокового горизонта отличается от распространенных представлений о формировании стока в межпластовых горизонтах крупных артезианских бассейнов [3, 4, 19]. Особенностью является отсутствие в опоковом горизонте регионального потока со стороны горноскладчатого Урала. Орографические и гидрогеологические водоразделы для него совпадают, и в пределах каждого крупного речного бассейна осуществляется полный цикл подземного стока. Такими водоразделами на территории района являются на севере р. Миасс-р. Теча, на юге р. Миасс-р. Уй.

Питание нижнеэоценового водоносного горизонта происходит большей частью за счет перетекания из антропоген-олигоценового водоносного комплекса, в основном в прибортовых частях речных долин и на водораздельных пространствах. Часть питания получается перетеканием снизу из меловых пород. На расстоянии 600-800 м от русла происходит инверсия перетекания. Разгрузка подземных вод происходит перетеканием вверх через ирбитскую водоупорную толщу в аллювиальный горизонт и далее в р. Миасс.

Воды опокового горизонта на территории района характеризуются значительной изменчивостью, как по величине минерализации, так и по составу. В целом для района характерно распространение на территории водораздельных пространств подземных вод хлоридного состава с высокой минерализацией, иногда достигающей 3-5 г/л. В прибортовой части долины р. Миасс, где осуществляется основное питание опокового горизонта, распространены главным образом пресные гидрокарбонатные и гидрокарбонатно-сульфатные воды с минерализацией до 1 г/л. К днищам речных долин, где происходит разгрузка опокового горизонта, приурочены воды с преобладанием хлоридов и сульфатов и минерализацией 1-3 г/л.

Верхнемеловой комплекс представлен водоносным горизонтом зайковской и камышловской свит верхнего мела, отделенным от вышележащего нижнеэоценового горизонта водоупорными породами ганькинской свиты верхнего мела и талицкой свиты палеоцена.

Водоупорные породы талицкой свиты палеогена представлены плотными глинами, иногда с прослойками песчаника на глинистом цементе, мощностью от 9 до 19 м. Отложения ганькинской свиты представлены глинами и мергелями, мощностью 50-56 м.

Ганькинская и талицкая толщи рассматриваются как единый водоупор (верхнего мела — палеоцена). Общая мощность водоупорных отложений на территории района ориентировочно составляет 60-70 м.

В зонах разлома палеозойского фундамента снижается мощность и увеличивается запесоченность отложений талицкой и ганькинской свит. При обновлении разломов в более позднее время в мезокайнозойских породах возникали зоны дробления. На таких участках имеют место гидрогеологические окна и наблюдается переток из верхнемелового водоносного горизонта в нижнеэоценовый [7]. Водоупорные породы талицкой и ганькинской свит обладают морским генезисом и содержат поровые растворы с солевым комплексом морских илов, состав которых может оказывать влияние на качество воды нижнеэоценового водоносного горизонта.

Водоносные отложения зайковской и камышловской свит представлены опоками, опоковидными глинами, песчаниками на опоковом цементе. Мощность отложений составляет 12-20 м. Отложения камышловской свиты сложены песчаниками на опоковом и глинистом цементе, мощностью 40 — 48 м, залегающими на водоупорных отложениях уватской свиты верхнего мела.

Общая мощность водоносного горизонта в пределах района исследований составляет 52-68 м. Глубина залегания кровли в юго-западной части района в долине р. Чумляк 144 м, в восточной части района в долине р. Миасс — 168 м. На водораздельных пространствах глубина залегания кровли достигает 180-200 м [2]. Горизонт распространен повсеместно. Воды верхнемеловых отложений напорные. В скважинах на водораздельных пространствах уровень устанавливается вблизи поверхности, а в скважинах, расположенных в долине р. Миасс, наблюдается самоизлив. Напоры вод верхнемеловых отложений превышают напоры нижнеэоценового водоносного горизонта, что обуславливает их влияние на качество воды, используемой для питьевого водоснабжения.

В гидрохимическом отношении на исследуемой территории воды верхнемеловых отложений пестрые, как по величине минерализации, так и по составу. Наблюдается тенденция увеличения минерализации воды от горноскладчатого Урала в северо-восточном направлении, по мере погружения кровли водоносного горизонта. Так на границе Курганской и Челябинской областей, воды верхнемелового водоносного горизонта имеют минерализацию менее 1 г/л и гидрокарбонатно-натриевый состав. В пределах района исследований минерализация воды составляет 1-1,5 г/л, состав воды преимущественно гидрокарбонатно-хлоридно-натриевый. Восточнее описываемой территории минерализация верхнемеловых вод составляет 1,5-2 г/л. Воды имеют преимущественно хлоридно-гидрокарбонатно-натриевый состав. Далее на северо-восток минерализация верхнемеловых вод может достигать 5 г/л и более [14]. Для вод верхнемеловых отложений характерно также увеличение минерализации с глубиной.

Нижнемеловой водоносный комплекс на территории района представлен песчано-глинистыми континентальными отложениями, залегающими на породах палеозойского фундамента. От водоносного комплекса верхнего мела нижнемеловой водоносный комплекс отделен мощной водоупорной толщей глин кузнецовской свиты. Глубина залегания отложений нижнего мела в долине р. Миасса у с. Белоярское составляет 177 м [14]. Восточнее, по мере погружения палеозойского фундамента, глубина залегания верхнемеловых отложений закономерно увеличивается. Литологический состав нижнемеловых отложений представлен толщей переслаивающихся аргиллитов, алевролитов, глин, алевритов, песков и песчаников. Водоносными среди них являются слоистые пачки тонкозернистых песков и песчаников с отдельными маломощными прослоями глин и аргиллитов. Воды напорные. Уровень воды в скважине, вскрывшей нижнемеловые отложения у с. Белоярское, установился на 10 м выше устья.

Химический состав подземных вод континентальных отложений комплекса в большинстве случаев соответствует составу подземных вод перекрывающих их верхнемеловых отложений. Подземные воды отложений нижнего мела имеют в своем составе большое количество растворенных газов, в основном метано-азотного состава [9, 10].

Палеозойский водоносный комплекс на территории района вскрыт на границе с Челябинской областью у с. Якупово среди песчаников и сланцев на глубине 75 м. Воды пресные, с минерализацией 0,4 г/л [14]. По мере погружения палеозойского фундамента в восточном направлении минерализация подземных вод комплекса значительно повышается — до 6-17 г/л. Состав воды становится хлоридно-натриевым.

Современная экологическая обстановка исследуемой территории в значительной степени обусловлена гидрогеологическими условиями сформировалась во многом под влиянием геологического развития района. Длительное существование на рассматриваемой территории условий морского бассейна примерно с туронского века мелового периода до раннеолигоценового времени определило своеобразие гидрогеохимических условий района. Морские условия формирования значительной части пород обусловили их специфичный геохимический состав, который по сравнению с вышележащими континентальными отложениями, отличается значительными концентрациями водорастворимых солей, микроэлементов Mn, Fe, S, Sr, Ba, Li, Co, Cu. В составе пород морского генезиса присутствуют неустойчивые минералы аутигенного происхождения (пирит, сидерит, гипс). Указанный геохимический фон определил низкое качество подземных вод, являющихся единственным источником водоснабжения территории.

Подземные воды антропоген-олигоценового водоносного комплекса слабо защищены от загрязнения с поверхности. Основными источниками загрязнения являются территории населенных пунктов. Источниками загрязнения служат свалки твердых и жидких бытовых отходов, навозохранилища, скотомогильники, золошлаковые отходы, выгребные ямы, сброс промышленных и бытовых стоков, внесение удобрений. Это приводит к увеличению содержания макрокомпонентов, соединений азота, минерализации. Минерализация воды на загрязненных участках может достигать 6-9 г/л. Вблизи источников загрязнения значительно повышается содержание сульфатов и хлоридов. Основными загрязняющими веществами являются соединения азота. Так, содержание нитратов на отдельных участках достигает 2000 мг/л (в 44 раза выше ПДКп — предельно допустимые концентрации для воды централизованных систем питьевого водоснабжения определяемые СанПиН 2.1.4.559-96), нитритов — 15 мг/л (в 5 раз выше ПДКп), аммония — 123 мг/л. Отмечается повышенное содержание общего железа (рис. 1).

Рис. 1 — Схема загрязнения антропоген-олигоценового комплекса

Первый межпластовый горизонт в нижнеэоценовых отложениях является основным источником водоснабжения района. Оценка защищенности подземных вод горизонта, учитывающая глубину залегания подземных вод, мощность перекрывающих слабопроницаемых отложений, их литологию и фильтрационные свойства [6], показала, что наиболее опасной зоной являются прибортовые части речных долин, где происходит основное питание горизонта. На этих участках глинистые отложения чеганской свиты полностью размыты или имеют небольшую мощность. Водоупорные отложения представлены тонкодисперсными породами ирбитской свиты.

В пределах речных долин, ввиду повышенной трещиноватости отложений, проницаемость водоупорных отложений возрастает, и поверхностное загрязнение может проникать в водоносный горизонт. На водораздельных пространствах подземные воды нижнеэоценового горизонта более защищены от загрязнения. Водоупорные отложения, перекрывающие горизонт, здесь представлены глинами чеганской свиты и тонкодисперсными кремнистыми породами ирбитской свиты общей мощностью около 70-80 м.

В гидрохимическом отношении воды горизонта на территории района пестрые как по величине минерализации, так и по составу: в южной и центральной части района распространены слабосолоноватые и соленые воды, непригодные для питьевых нужд; пресные воды, с минерализацией до 1 г/л, распространены в северной части района на левобережье р. Миасс, где к ним приурочено Чумлякское месторождение подземных вод. Подземные воды верхнемелового и более глубоких горизонтов на территории исследуемого района не используются для питьевого водоснабжения ввиду повышенной минерализации.

Чумляское месторождение представляет собой систему гидравлически связанных через толщи слабопроницаемых пород трех водоносных горизонтов: аллювиального, нижнеэоценового (опокового) и верхнемелового. Продуктивным является водоносный горизонт в нижнеэоценовых отложениях.

Формирование эксплутационных ресурсов месторождения происходит в основном за счет вод опокового горизонта, а также в пределах прибортовых частей речных долин за счет перетекания из аллювиального водоносного горизонта. На этих участках покровный региональный водоупор, образованный тонкодисперсными терригенными породами чеганской и ирбитской свит среднего эоцена — нижнего олигоцена, крайне несовершенен и представлен только кремнистыми породами ирбитской свиты (рис. 2). Таким образом, на качество вод продуктивного нижнеэоценового горизонта оказывают влияние состав вод аллювиальных отложений антропоген-олигоценового комплекса, геохимические особенности водоупорных и водовмещающих пород морского генезиса, состав вод верхнемелового горизонта.

Централизованное водоснабжение осуществляется из двух скважин, эксплуатирующих опоковый водоносный горизонт, с водоотбором 1,3-2,0 тыс. м³/сут. Вода имеет гидрокарбонатно-натриевый состав и минерализацию 1,1-1,2 г/л (рН составляет 6,8-7,7). ПДКп превышены по содержанию бора в 2,8-4 раза (1,4-2,0 мг/л), брома — в 3-3,5 раза (0,6-0,7 мг/л), эпизодически содержанию железа — до 2,6 раз (до 2,6 мг/л). В пределах месторождения в опоковом горизонте на отдельных участках распространены воды с минерализацией свыше 1,5-2 г/л. В ряде населенных пунктов для хозяйственно-питьевого водоснабжения используются индивидуальные скважины. В большинстве из них ПДКп превышают содержание железа — до 8,7 раз (8,7 мг/л), бора — до 5,2 раз (2,6 мг/л), марганца — до 5 раз (0,48 мг/л), лития — до 3,7 раз (0,112 мг/л) (рис. 3). Таким образом, геохимические особенности формирования водоносных горизонтов создают серьезную проблему для водоснабжения территории.

Рис. 2 — Гидрогеологический разрез в районе пос. Чумляк

Среди инженерно-геологических процессов, наблюдаемых на исследуемой территории, следует отметить подтопление. Зоной наибольшего развития подтопления является территория г. Щучье, где сочетание особенностей природных условий и техногенных факторов привели к повышению уровня грунтовых вод, достигающему критических величин и осложняющему условия строительства и эксплуатации зданий и сооружений.

Рис 3 — Максимальные превышения ПДК воды водопроводов

Территория города характеризуется близким к поверхности залеганием грунтовых вод и почти повсеместным развитием процесса подтопления. Подземные воды на территории города имеют в основном безнапорный характер и приурочены к четвертичным суглинкам с прослоями и линзами пылеватых песков, залегающих среди глин неогенового возраста. Установившийся уровень подземных вод в центральной и западной частях города зафиксирован на глубине от 0-0,6 м, в северной части — до 2,1-3,7 м (рисунок 4).

Рис. 4 — Глубина залегания грунтовых вод на территории г. Щучье.

В формировании процесса подтопления участвуют сложные причинно-следственные связи между естественными и техногенными факторами и источниками подтопления, которые обуславливают его динамику и масштабы проявления. Как правило, на территории городов ведущую роль играет группа техногенных факторов, природные же создают фон для формирования процесса подтопления, в разной мере способствующий или препятствующий его проявлению [1].

Данные о геологических, геоморфологических, гидрологических и гидрогеологических особенностях исследуемой территории позволяют говорить, что сочетание природных факторов создает благоприятный фон для развития процесса подтопления на исследуемой территории. Среди естественных факторов важную роль играют особенности геологического разреза, в том числе близкое залегание к поверхности регионального водоупора глин чеганской свиты олигоцена.

Кровля водоупора в западных и восточных частях города залегает на глубине 3,5-7,0 м, в центральных и северных частях — 6,0-14,9 м. Кроме того, водовмещающие неоген-четвертичные грунты не выдержаны по мощности и часто содержат прослои и линзы слабопроницаемых суглинков и глин, что обуславливает низкую проницаемость водовмещающей толщи.

Развитие процесса подтопления обусловлено и особенностями уровенного режима грунтовых вод, которые выражаются в тесной гидравлической связи подземных вод с водами многочисленных озер. Важное значение для развития процесса имеют также равнинный рельеф и низкая дренированность территории.

На комплекс природных условий, создающих естественную предрасположенность района к развитию процесса подтопления, на территории города накладываются техногенные факторы: неудовлетворительное состояние водопровода, отсутствие системы сбора ливневого стока и канализации. Развитию подтопления способствует слив жидких отходов заводом противопожарного машиностроения в оз. Окунево, расположенное в центральной части города.

Наряду с подтоплением в инженерно-экологические исследования входило изучение толщи чеганских глин, особенности минерального состава которых могут явиться причиной активизации на рассматриваемой территории неблагоприятных инженерно-геологических явлений, связанных с агрессивными свойствами грунтов и подземных вод.

Сине-зеленые глины чеганской свиты, в стратиграфическом плане относимые к верхней части верхнего эоцена и нижнего олигоцена выступают основанием фундаментов. Глины характеризуются сульфатным составом водной вытяжки, высоким содержанием минеральных солей и водорастворимых форм микроэлементов Mn, Sr, Ni, Zn, Ba, Co, Сu и Li. На отдельных участках территории исследований водная вытяжка чеганских глин характеризуется низкими значениями водородного показателя (до 4,3). Грунтовые воды, залегающие на рассматриваемой территории, на глубине 0,0 — 1,85 м, характеризуются гидрокарбонатно — сульфатно — натриевым составом, минерализацией в пределах 0,5-1,2 г/л и водородный показателем 6,4 — 8,0 [8, 13].

Сине-зеленые глины обладают сильной сульфатной агрессивностью к бетону нормальной проницаемости на портландцементе. Низкое значение водородного показателя водной вытяжки чеганских глин свидетельствует о формировании в отдельных случаях среднеагрессивных сред к бетону нормальной проницаемости, а с учетом низкого коэффициента фильтрации толщи сильноагрессивных сред. Грунтовые воды на отдельных участках характеризуются сильной сульфатной и слабой общекислотной агрессивностью к бетону нормальной проницаемости на портландцементе.

Формирование агрессивных свойств грунтов и грунтовых вод связано со специфичным геохимическим и минеральным составом глин чеганской свиты, которые существенно отличаются от покрывающих отложений и определены естественными условиями образования рассматриваемой толщи в условиях неглубокого морского бассейна и последующими диагенетическими преобразованиями морских осадков. Застойный гидродинамический режим морского бассейна способствовал повсеместной пиритизации осадков.

Проведенные дополнительные исследования литолого-минерального состава грунтов территории показали, что чеганские глины содержат стяжения пирита. Присутствие пирита создает дополнительный потенциал формирования агрессивности грунтов и вод за счет развития окислительных процессов при проведении строительных работ, благодаря облегченному доступу кислорода.

Анализ литолого-минеральных и геохимических особенностей чеганских глин позволяет говорить о развитие в настоящее время на отдельных участках процессов окисления пирита. Признаками окисления являются: увеличение содержания сульфат-ионов в кровле свиты; кислая реакция среды водной вытяжки; присутствие в минеральном составе глин комплекса минералов, характерного для сернокислотного процесса гипса, ярозита, сидерита [15, 20]. Микробиологические исследования показали присутствие в глинах на участках с низкими значениями водородного показателя среды водной вытяжки тионовых бактерий, которые являются важным фактором развития сернокислотного процесса [12, 17]. В условиях водно-воздушной среды и действия тионовых бактерий сине-зеленые глины повышают кислотность контактирующих с ними водных сред; с течением времени за счет развития окисления наблюдается увеличение содержания сульфатов.

Развитие процессов окисления пирита повлечет за собой снижение водородного показателя среды, поступление в грунтовые воды сульфатов, что приведет к повышению сульфатной и общекислотной агрессивности грунтов и грунтовых вод. Учитывая указанные процессы, грунты и подземные воды следует относить к сильноагрессивным к бетону нормальной проницаемости на портландцементе по содержанию сульфатов и общекислотной агрессивности. Кроме того, повышение кислотности среды увеличит подвижность Fe, Al и катионогенных элементов Cu, Zn, Co, Mn и Ni, в меньшей степени Sr, Ba, и Li, которые присутствуют в рассматриваемых грунтах в водорастворимых формах.

Пути решения проблем. Основные экологические проблемы, возникающие при строительстве и эксплуатации промышленного объекта и развитии инфраструктуры, связаны с увеличением водоотбора подземных вод Чумлякского месторождения и в связи с этим снижением качества вод, а также с возможной активизацией неблагоприятных инженерно-геологических процессов.

Для снижения минерализации и концентрации железа, бора, брома, марганца и лития в подземных водах опокового горизонта используемых для водоснабжения при увеличенном водоотборе предложено станции водоочистки. Развитие инфраструктуры г. Щучье, строительство канализации и городских очистных сооружений, водовода в целом окажет положительное влияние на состояние грунтовых вод на территории города и в районе существующих свалок твердых и жидких отходов. Учитывая высокую стоимость защиты подземных конструкций от сильноагрессивных сред, следует рассмотреть возможность снижения агрессивности грунтов и подземных вод, вызванной окислением пирита, путем нейтрализации продуктов окисления, например, добавкой карбонатов (известняка) в грунты при обратной засыпке в строительные котлованы.

Библиографический список

Абрамов С.К., Дегтярев Б.М., Дзекцер Е.С. Прогноз и предотвращение подтопления грунтовыми водами территорий при строительстве. — М.: Стройиздат, 1978. — 176 с.
Антипин В.И., Барабашкин М.Я., Сигов А.П. Подземные воды Зауралья и возможности их использования для водоснабжения колхозов, совхозов и МТС // Гидрогеологический сборник по вопросам водоснабжения сельского хозяйства в районах Урала и Зауралья. — М.: Госгеолтехиздат, 1956. — С.9-34.
Всеволожский В.А., Манукян Д.А., Штенгелов Р.С. Условия формирования и особенности оценки ресурсов подземных вод Тобольского бассейна //Изучение и картирование ресурсов подземных вод.-М.: Наука, 1974. — С.159-170.
Гармонов И.В. и др. Подземные воды юга Западной Сибири и условия их формирования// Труды лаб. гидрогеол. проблем им. Ф.П.Саваренского. — М., 1961. — Т.33.
Геология СССР. Пермская, Свердловская, Челябинская и Курганская области.- М.: Недра, 1969. — Т.XII.- Ч.1. Геологическое описание. Кн.2.-304 с.
Гольдберг В.М. Гидрогеологическое обоснование размещения полигонов промышленных отходов// Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. — М.: Наука, 1995. — № 3. -С.43-50.
Елохина С.Н., Сродных Э.М. Использование комплексной характеристики водоупора для прогноза гидрогеологических окон // Использование поверхностных и подземных вод Урала и проблемы управления ими. — Красноярск, 1983. — С. 49-50.
Казакевич С.В., Меньшикова Е.А. Оценка возможности изменения состава и формирования агрессивности грунтовых вод в пиритсодержащих грунтах // Геология и полезные ископаемые Западного Урала: Материалы регион. науч.- практ. конф./ Перм. ун-т.-Пермь, 2000.-С.290-292.
Ковальчук А.И., Вдовин Ю.П., Козлов А.В. Формирование химического состава подземных вод Зауралья. — М.: Наука, 1980.
Ковальчук А.И., Козлов А.В. Сравнительная оценка химического состава и генезис глубинных вод Предуралья и Зауралья // Гидрогеология и инженерная геология Урала: труды Свердловского горного института им. В.В.Вахрушева. — Свердловск, 1972. -С.20-28.
Кононенко И.И., Халевин Н.И., Блюмин М.А., Ященко В.Р. Современная геодинамика Урала. — Свердловск: УрО АН СССР, 1990.
Крамаренко Л.Е. Геохимическое и поисковое значение микроорганизмов подземных вод. — Л.: Недра, 1983.
Максимович Н.Г., Меньшикова Е.А., Казакевич С.В., Шлыков В.Г. Минералогия чеганских глин и ее инженерно-геологическое значение // Проблемы минералогии, петрографии и металлогении. Научные чтения памяти П.Н.Чирвинского: Сб.науч.ст.-Пермь, 2000.-С.40-43.
Славянова Л.В. Подземные воды Курганской области и их использование для водоснабжения //Вопросы гидрогеологии и инженерной геологии. — М.: Госгеолтехиздат, 1961. — Сб.19. — С.3 — 21.
Смирнов С.С. Зона окисления сульфидных месторождений. — М.: Из-во АН СССР, 1951.
Умова Л.А., Цаур Г.И., Шатров В.П. Палеогеография Восточного склона Урала и Зауралья в меловое и палеоценовое время. — Свердловск, 1968.
Чухров Ф.В., Ляликова Н.Н., Горшков А.И. О роли микроорганизмов в образовании ярозитов //Докл. АН СССР, 1978.
Штенгелов Р. С. Формирование и оценка эксплуатационных запасов пресных подземных вод. — М.: Недра, 1988. — 231 с.
Штенгелов Р.С., Всеволожская М.А. Районирование артезианской области по условиям формирования эксплуатационных запасов подземных вод (на примере нижнеэоценового водоносного горизонта Тобольского бассейна) // Оценка и рациональное использование ресурсов подземных вод.- М.: Наука, 1980.- С.207-222.
Hawkins A.B., Pinches G.M. Cause and significance of heave at Llandough hospital, cardiff case history of ground floor heave to gypsum growth // Quarterly Journal of Engineering Geology. — London, 1987. — Vol. 20. — P.41-57.