Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2023, № 2, стр. 67-81

ВВЕДЕНИЕ

Республика Татарстан (РТ) расположена на востоке Русской платформы, в пределах Волго-Уральской антеклизы. Мезозойские образования развиты здесь лишь по правобережью Куйбышевского водохранилища, в крайней юго-западной части Татарстана (это южная часть Предволжского региона РТ), где они перекрывают пермские образования. Максимальная мощность мезозоид – 390 м, площадь их развития ~2870 км². Они легко распознаются по темно-серой (до черной) окраске, резкому преобладанию глинистых разностей, а также обилию полиминеральных конкреций и фаунистических остатков [2, 14]. Мезозойский осадочный комплекс во многом определяет гидрогеоэкологические условия обширной территории, в первую очередь, проблематичность организации качественного хозяйственно-питьевого водоснабжения. Водопроводящая часть разреза преимущественно представлена довольно маломощными прослоями тонко-, мелкозернистых песчаников, характеризующихся низкой водопроводимостью. Поэтому водозаборные скважины часто полностью пересекают мезозойскую глинистую толщу и их фильтры устанавливаются на уровне коллекторов пермских отложений. Глубина таких скважин может превышать 300 м, а качество перехватываемых подземных вод (ПВ) не соответствует питьевым стандартам. Повышенная минерализация (3–7 г/л) обычно сопровождается высокими значениями жесткости (до 50 ммоль/л и более, здесь и далее под жесткостью понимается общая жесткость) и сверхнормативными концентрациями ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$, Fe_общ, B, реже Sr, Br, Al, Se и некоторых др. компонентов. Питьевая некондиционность ПВ за счет жесткости и/или Fe, B, Mn и кремнекислоты может проявиться и при отсутствии негативного влияния какого-либо антропогенного или техногенного фактора, и при вскрытии водоносных горизонтов на небольших глубинах 40–60 м, как в толще самих мезозойских отложений, так и в составе пермских образований, залегающих под маломощным мезозойским чехлом.

Мезозойские отложения обогащены органическим веществом. Его выщелачивание и концентрирование могут привести к формированию минеральных лечебных вод. Их примером является вода известной торговой марки “Волжанка”, разливаемая в пос. Ундоры (Ульяновская обл.), который расположен в 4–5 км южнее границы РТ. В самом Татарстане в последние 10 лет в разрезе юрских отложений выявлены аналогичные ПВ. Водозаборная скважина и цех розлива находятся в пос. Большие Тарханы (в 15 км северо-восточнее пос. Ундоры). Вода реализуется как “Тарханская–3” [11]. Один из первооткрывателей Тарханского месторождения – профессор Р.Л. Ибрагимов – считает, что источником органических веществ являются тела битумов, залегающих в подстилающих пермских отложениях [8].

Выявление условий формирования состава ПВ в мезозойской толще, природы повышенных концентраций отмеченных компонентов и органического вещества, особенностей влияния вод мезозойских отложений на ПВ пермских образований, а также характера и динамики изменения во времени их состава представляют значительный научно-практический интерес.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования являлись ПВ пермских и мезозойских отложений Предволжского региона РТ, площадь которого составляет ~9700 км². Гидрогеологические условия данной территории изучались в 1996–2001 гг. в ходе проведения гидрогеологосъемочных работ масштаба 1:200 000. Исследования в северной части региона выполнены специалистами ФГУП “Волгагеология” (Кочуров Е.Ю. и др., 2001), а в южной – ТГРУ ПАО “Татнефть” (А.В. Солнцев и др., 2001). Значительный фактический материал этих работ (более 1500 анализов ПВ) позволяет проводить различного рода построения и обобщения. В 2019–2020 гг. ПВ региона подвергнуты площадному опробованию ГУП “Геоцентр РТ” в ходе выполнения мониторинговых исследований (500 гидропроб). Аналитика этих двух этапов опробования включает: рН, сухой остаток, жесткость, перманганатную окисляемость, кремнекислоту; ионный состав: ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$, ${\text{CO}}_{3}^{{2 - }}$, ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }}$, Cl^–, ${\text{NO}}_{3}^{ - }$, ${\text{NO}}_{2}^{ - }$, ${\text{PO}}_{4}^{{3 - }}$, Ca²⁺, Mg²⁺, (Na+К)⁺ , ${\text{NH}}_{4}^{ + }$; микрокомпонентный состав: Al, As, B, Ba, Be, Br, Cd, Cu, Cr, F, Fe_общ, I, Mn, Mo, Ni, Pb, Se, Sr, Zn, нефтепродукты.

Предволжский регион расположен в пределах Волго-Сурского артезианского бассейна, на северной окраине Приволжской возвышенности. Здесь денудационные и эрозионно-аккумулятивные поверхности чередуются в гипсометрическом интервале 53 м (НПУ Куйбышевского вдхр.) – 270 м (ЮЗ часть региона). Наиболее крупная река – Свияга. Ее долина протягивается в субмеридиональном направлении параллельно руслу р. Волга и делит площадь региона на две примерно равные части. В указанном гипсометрическом интервале вскрываются пермские, юрско-меловые и плиоцен-четвертичные отложения. Первые представлены образованиями казанского и уржумского ярусов средней перми, а также северодвинского и вятского ярусов верхней перми.

Морской сероцветный терригенно-сульфатно-карбонатный комплекс казанских отложений имеет мощность около 100 м. В его составе преобладают карбонатные породы, на долю которых приходится 55–100% разреза. Подчиненную роль играют гипсы и ангидриты (до 40%), глины (до 15%), алевролиты (до 7%) и песчаники (до 6%) [14]. Мощности отдельных прослоев могут достигать 9 м, но в основном они находятся в диапазоне 3–5 м. На некоторых участках отмечается битуминизация пород.

На основе особенностей строения разрезов и палеонтологической характеристики различают верхнеказанский и нижнеказанский подъярусы, обладающие мощностями до 50 м, редко более. Вдоль долин рек в пределах положительных структур вскрываются лишь верхнеказанские отложения. Их кровля в северной и центральной части региона расположена на отметках (30–50) – (90–114) м. В южной части Предволжья эти отметки составляют минус (40–70) м, а в юго-западной – минус (80–140) м. Уржумские и верхнепермские отложения имеют близкий состав и сходное строение. Это чередование континентальных красноцветных песчаников, алевролитов и глин, содержащих прослои мергелей, известняков и доломитов. Породы обычно не выдержаны по простиранию, характеризуются незакономерной сменой по разрезу и наличием размывов. Мощности прослоев редко превышают 5–6 м. В этом карбонатно-терригенном матриксе присутствуют гипсы в виде отдельных зерен, корочек, линзовидных прослоев (толщиной до 1.5 м) и прожилков. Общая мощность уржумских отложений достигает 110 м, а верхнепермских (татарских) – 130 м [14].

Юрские образования с размывом перекрывают пермские. Их стратиграфический диапазон – от батского яруса средней юры до титонского (волжского) яруса верхней юры. Общая мощность 100–120 м. Они представлены преимущественно морскими сероцветными глинами, содержащими маломощные прослои тонко-, мелкозернистых песков и мергелей. Глины в основании разреза безызвестковые, в средней и верхней части известковистые. Они часто содержат мелкую вкрапленность пирита, железистые конкреции. Практически по всему разрезу участками отмечаются выделения гипса в виде мелких зерен и корочек, а также лимонит-гипсовых конкреций. В его нижней части отмечаются многочисленные углефицированные растительные остатки. Примерно в центральной части – многочисленные конкреции мергелей. Пески обычно глауконит-кварцевые, мощности их прослоев редко превышают 0.5–1.0 м. Максимальная обогащенность псаммитовым материалом отмечается в основании и прикровельной части – на уровне батского и волжского ярусов. В пределах последнего также встречаются глины с прослоями горючих сланцев, и отмечаются прослои (0.1 м) конгломератов с галькой фосфоритов. Дополнительной особенностью разреза являются значительное количество фаунистических остатков и обогащенность органическим веществом [14]. Так, содержание органики в волжских горючих сланцах, представленной сапропелевым коллоальгинитом, составляет 18–25% [15]. Стратиграфическая полнота разрезов увеличивается в южном и юго-западном направлениях. Структурная поверхность по кровле батских отложений в этих направлениях плавно снижается от 180–216 м до минус (70–113 м), ее средний уклон ~0.004. В зонах максимального погружения юры отмечается размыв пермских отложений вплоть до верхнеказанского подъяруса включительно.

Стратиграфический диапазон меловых отложений – от готеривского яруса нижнего мела до кампанского верхнего мела. Площадь их развития ~1500 км². Нижнемеловые образования общей мощностью до 210 м во многом подобны юрским. В разрезе преобладают глинистые породы. Также отмечаются конкреции мергелей, тонкая вкрапленность пирита, выделения гипса. Присутствуют прослои глинистых сланцев с обильным растительным детритом. Основной объем невыдержанных прослоев (до 1.0 м) песчаников, реже мергелей приходится на альбский ярус. В верхнем отделе мощностью до 62 м наряду с глинами довольно широко распространены песчаники, мергели, мел и опоки. Мергели и опоки участками цеолитоносные [2, 14].

Основные поля развития плиоцен-четвертичных отложений – речные долины, в первую очередь, долина р. Свияга. Ее ширина достигает 10–12 км. Мощность аллювия – до 150 м. В его нижней части обычно развиты пески, реже гравийники и галечники, а в верхней – супесчано-суглинистые породы.

В охарактеризованной осадочной толще локализованы межпластовые ПВ с широко варьирующим составом и минерализацией. Они образуют междуречные потоки, основными областями питания которых являются водораздельные пространства, а разгрузки – речные долины и Куйбышевское вдхр. В разрезе водоносные горизонты связаны межпластовым взаимодействием по схеме А.Н. Мятиева [1]. В зоне развития пресных ПВ могут быть выделены следующие водоносные и слабоводоносные комплексы: плиоцен-четвертичный (N₂-Q), меловой (K), юрский (J), татарский (P₃t), уржумский (P₂ur), верхне- (P₂kz₂) и нижнеказанский (P₂kz₁). Ресурсы пресных ПВ составляют 928.7 тыс. м³/сут, а величина разведанных запасов – 74 тыс. м³/сут. Основная часть месторождений пресных ПВ сосредоточена в плиоцен-четвертичных отложениях долины р. Свияга. Предволжский регион является сельскохозяйственным. Здесь нет крупных населенных пунктов и промышленных предприятий. Численность населения ~130 тыс. человек, степень залесенности – 12% [5].

Решение основных задач проводилось на основе обработки гидрогеохимической информации двух отмеченных выше этапов изучения территории. Аналитические данные по родникам и скважинам первоначально были привязаны к гидрогеологическим подразделениям. Далее они распределены по 24 водосборным бассейнам, представляющим достаточно изолированные гидрогеодинамические системы примерно с едиными условиями формирования состава ПВ (рис. 1).

Границы бассейнов представлены крупными поверхностными водоразделами, обычно являющимися и водоразделами ПВ, а также крупными речными долинами – основными зонами разгрузки. Площади этих структур – 200–600 км². Для получения данных, свободных от флуктуаций ландшафтных и техногенных условий, опробованные водопункты были оцифрованы. Учитывалось соотношение лесных и полевых участков на водосборной площади; расположение в областях питания, транзита и разгрузки, а также относительно населенных пунктов, являющихся в Предволжье РТ основными источниками загрязнения ПВ. Учет перечисленных параметров крайне необходим для родников и скважин, дренирующих первые от поверхности водоносные горизонты и комплексы. Далее аналитическая информация по составам ПВ, дополненная данными по водопунктам (дебит, глубина залегания и др.), была подвергнута статистическому анализу, включая факторный и кластерный методы. На заключительном этапе построены гидрогеохимические карты в масштабе 1: 200 000 на указанные 7 водоносных комплексов

Наличие аналитических данных двух этапов площадного опробования (преимущественно периодов летней межени) предполагает рассмотрение характера и динамики изменения во времени состава ПВ. Это можно сделать на основе сопоставления разновременных данных по одним и тем же водопунктам, а также данных, осредненных по гидростратиграфическим уровням, по уравнениям:

где $~{{C}_{{t2~}}}$ и ${{C}_{{t1}}}$ – концентрации компонентов (значения параметров) состава ПВ на периоды времени 2019–2020 гг. и 1996–2001 гг. соответственно; ΔC₁ и ΔC₂ – разница концентраций (значений) в мг/л (ммоль/л) и % соответственно.

Питьевое качество ПВ оценивалось на основе [13]. Для подтверждения некоторых выводов привлекались анализы водных вытяжек мезозойских пород, выполненные ранее [9]. Рассмотрение геохимии и условий формирования состава ПВ проведено по южной части Предволжья, примерно южнее широты пос. Камское Устье. Именно здесь развиты мезозойские отложения, и в полном стратиграфическом объеме представлено их пермское обрамление.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

ПВ в южной части Предволжского региона отличаются крайне высокой вариативностью (табл. 1).

Особенности изменения во времени некоторых показателей их состава отражены в табл. 2–3. В целом отмечается тенденция улучшения со временем качественных показателей ПВ, проявляющаяся и при анализе данных по одним и тем же водозаборным скважинам (62 объекта уровней P₃t, P₂ur и P₂kz₂). Это связано со снижением техногенного пресса, обусловленного прогрессирующим снижением деловой активности и продолжающейся депопуляцией изученной территории.

Качество рассматриваемых ПВ не всегда удовлетворяет питьевым стандартам. Доля некондиционных вод даже в самой верхней части разреза – на уровне меловых и татарских отложений – может достигать 40%, а на уровне верхне- и нижнеказанского комплексов – почти 100%. Основным параметром, лимитирующим питьевое использование ПВ, является жесткость. В родниковых водах повышенная жесткость иногда сопровождается сверхнормативными концентрациями нитратов. На отдельных участках последние достигают 929 мг/л. В большинстве случаев это отмечается в пределах населенных пунктов и на их окраинах. Максимально широкий спектр компонентов со сверхнормативными концентрациями характерен для вод казанских отложений. Здесь жесткость часто сопровождается повышенными значениями (в скобках коэффициенты превышения ПДК): минерализации (до 7.1), концентраций ${\text{SO}}_{4}^{{3 - }}$ (8.2), (Na+K)⁺ (6), Sr (1.5), B (14), Fe (16) и некоторых др. компонентов. Такие воды иногда используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения. ${\text{NO}}_{3}^{ - }$, Na⁺, B и Sr характеризуются санитарно-токсикологическим показателем вредности и в основном относятся ко второму классу опасности. Повышенные концентрации нитратов могут способствовать развитию рака желудка и заболеванию крови (метгемоглобинемия); бора – нарушению углеводного обмена и снижению репродуктивной функции; стронция – к поражению костного аппарата, натрия – к гипертонической болезни [6].

Высокая вариативность состава и качества ПВ, а также проявления латеральной и вертикальной гидрогеохимических зональностей определяются такими природными факторами, как интенсивность водообмена, минералого-геохимические особенности водовмещающих сред и характер питания. Раскрытие их роли будет проводиться на основе материала 1996–2001 гг., что связано с масштабностью опробования и комплексностью аналитических данных этого времени.

Снижение структурных поверхностей в южном и юго-западном направлениях определяет различия в условиях залегания основных гидрогеологических подразделений. В северной части района первыми от поверхности залегают татарский и уржумский комплексы. В районе пос. Камское Устье в нижней части водораздельных склонов локально обнажается верхнеказанский комплекс. По мере движения в южном направлении пермские отложения последовательно перекрываются юрскими и меловыми образованиями, мощности которых постепенно увеличиваются. При этом площади приповерхностного развития пермских отложений постепенно сокращаются вплоть до полного их перекрытия более молодыми комплексами. Учитывая различие в строении пермских и мезозойских отложений (преобладание глин в составе последних), можно говорить о более затрудненном водообмене в комплексах мезозоид. Это хорошо подтверждается данными по составу родниковых вод. В области развития мезозоид они более жесткие и минерализованные, а также несколько обогащены бором по сравнению с ПВ вне этой области. Интерес представляет и повышенная кремнекислотность вод меловых отложений (табл. 4, 5).

Затрудненный характер водообмена определяет меньшую степень промытости мезозойских отложений в сравнении с пермскими, что отражается на минерализации ПВ. Ее росту могут способствовать и повышенная углекислотная агрессивность ПВ юрского комплекса (отражающаяся повышенными концентрациями гидрокарбонатов), определяющая более активное взаимодействие с водовмещающим минеральным матриксом, а также возможное сохранение в минералого-геохимическом комплексе мезозоид первичного морского ионно-солевого комплекса. Углекислотная агрессивность ПВ обычно определяется активностью углекислого газа. Повышенное парциальное давление последнего в разрезе юры весьма вероятно за счет его низкой проницаемости и обогащенности органическим веществом. Увеличение времени взаимодействия в системе “вода–порода” ведет и к некоторому накоплению в водах мезозойских отложений и бора, кларк которого в осадочных породах по А.П. Виноградову составляет 100 г/т. А повышенная кремнекислотность вод меловой части разреза определяется развитием здесь опок.

Данные табл. 4 и 5 наглядно иллюстрируют и роль характера питания ПВ. Родниковые воды в естественных условиях получают основное питание за счет инфильтрации атмосферных осадков, обычно имеющих SO₄–HCO₃/Na–Ca состав со среднегодовой минерализацией не более 50 мг/л [5]. Другим источником питания могут являться воды смежных водоносных комплексов. Вне поля развития мезозойской толщи родниковые воды имеют атмосферное питание и минимальное время взаимодействия в системе “вода–порода”, определяемое частым чередованием проницаемых и слабопроницаемых пород при высокой степени расчлененности рельефа. Подтверждением этого являются практически идентичные составы и качество вод татарского и уржумского комплексов. Подобная картина отмечается и в других районах Предволжского региона [4]. В области развития мезозоид в формировании состава родниковых вод определенную роль начинают играть воды смежных, в первую очередь вышележащих, гидрогеологических подразделений. Именно с этим связаны здесь более высокая минерализация, жесткость и бороносность вод пермских отложений, в сравнении с таковыми вне этой области.

Вышеотмеченные гидрогеохимические особенности проявляются и при анализе скважинных материалов. Для получения корректных данных они сгруппированы по следующим глубинным интервалам установок фильтров (м): до 50, 50–100, 100–150, 150–200, 200–250, 250–300 (табл. 6–7, данные по казанским комплексам очень близки, подавляющая часть учтенных скважин находится в области транзита ПВ).

Эти таблицы наглядно отражают существенные различия в составах вод пермских и мезозойских отложений, а также довольно яркие проявления латеральной и вертикальной гидрогеохимической зональности.

Вне области развития мезозойских образований ПВ характеризуются относительно равномерным нарастанием минерализации и жесткости с глубиной. При этом гидрокарбонатный анионный состав постепенно через переходные подтипы сменяется сульфатным, катионный же состав преимущественно сохраняется постоянным – магниево-кальциевым. Рост минерализации связан с увеличением концентраций, в первую очередь, сульфатов и компонентов жесткости. Хлориды и натрий обычно играют подчиненную роль. Существенное увеличение сульфатности вод отмечается с глубинного интервала 100 м. Параллельно идет снижение содержаний гидрокарбонатов. Данные особенности состава подземных вод обусловлены процессами выщелачивания карбонатных пород, которые с глубиной сменяются выщелачиванием и растворением сульфатных пород. Последнее может вызвать выпадение в осадок некоторого количества карбонатов кальция и магния, за счет пересыщения ПВ этими компонентами. Процессы гидролиза и катионного обмена, которые обычно переводят в растворы щелочные компоненты, играют подчиненную роль.

Существенно иная картина отмечается в области развития мезозойских отложений. Нарастание минерализации и жесткости с глубиной имеет нелинейный характер. Существенный рост первой, как и в вышеописанном случае, отмечается с глубинного уровня 100 м. Это нарастание в основном происходит за счет сульфатов и натрия, в меньшей степени хлоридов, а концентрации гидрокарбонатов начинают снижаться. Снижение отмечается и для параметра жесткости в глубинном интервале 100–150(200) м (за исключением казанских водоносных комплексов). На этом глубинном уровне в отдельных случаях возможно развитие содовых ПВ. Необходимо отметить и более высокий уровень минерализации и жесткости, а также более активное участие хлоридов и натрия в формировании составов ПВ в пермских отложениях, залегающих под мезозойской толщей, в сравнении с таковыми вне ее (табл. 8).

Данные гидрогеохимические особенности, в первую очередь, обусловлены более затрудненным водообменом, вероятно протекающим в более восстановительных условиях и на уровне юрского комплекса при повышенной парциальной активности СО₂. Более длительное взаимодействие в системе “вода–порода” при преобладании в мезозойском разрезе терригенных пород способствует активному проявлению процессов гидролиза алюмосиликатных минералов, приводящих к выводу в раствор щелочных и щелочноземельных элементов. Параллельно с этим происходит выщелачивание карбонатного вещества. Протеканию указанных процессов способствует и повышенная активность СО₂. Все это приводит к формированию гидрокарбонатных смешанных по катионному составу ПВ, что и отмечается в верхней части меловых и юрских отложений (до глубинного уровня 50 м). Глубже за счет выщелачивания гипсов и сульфидных минералов возрастает содержание сульфатов, ПВ приобретают SO₄–HCO₃ и HCO₃–SO₄ составы. При этом их катионный состав сохраняется прежним – трехкомпонентным (часто при преобладании Na), но с глубины 100 м отмечается снижение жесткости, и катионный состав может стать натриевым.

Снижение жесткости фиксируется в водах как юрских, так и подстилающих их татарских и уржумских отложений. Параллельное нарастание содержаний натрия и снижение жесткости с глубиной обусловлены продолжающимся активным гидролизом алюмосиликатов, высаливанием карбонатов кальция и магния, а также ионным обменом по схеме Гедройца (Ca и Mg раствора вытесняют поглощенный Na). Обогащение поглощенного комплекса натрием может быть следствием сохранения в юрских породах первичного морского ионно-солевого комплекса. Об этом может свидетельствовать и некоторая обогащенность вод юрского комплекса хлоридами (до 227 мг/л), которая является дополнительной характерной чертой этого гидростратиграфического уровня.

ПВ татарского и уржумского комплексов в области развития мезозоид довольно сильно отличаются от вод этих же комплексов вне данной области. Их состав ближе к составу вод юрских отложений. Во многом это связано с влиянием питания, часть которого приходится на нисходящее перетекание из юрского комплекса.

С различной длительностью взаимодействия ПВ с вмещающим минеральным матриксом и влиянием характера питания связаны и особенности состава вод казанских комплексов. В области развития мезозоид они являются более минерализованными за счет практически всех макрокомпонентов. Важная особенность этих ПВ – сохранение преимущественно Mg–Ca катионного состава при подчиненной роли Na (за исключением участков проявления интенсивной восходящей фильтрации, проявляющейся в долинах относительно крупных рек). Это связано с преобладающим сульфатно-карбонатным составом водовмещающих пород при второстепенной роли глинистой составляющей (что определяет невысокую интенсивность процессов гидролиза и ионного обмена), а также ограниченностью питания из вышележащей части разреза.

Дополнительными особенностями состава ПВ в области развития мезозойских отложений являются несколько более высокие уровни концентраций железа, а также значений рН и окисляемости. Это связано с обогащенностью мезозоид органическим веществом. В целом оно должно обусловливать проявление относительно восстановительных условий, что благоприятствует накоплению и миграции закисного железа (до 4.1 мг/л в водах юры и 12.0 мг/л в ПВ подстилающих отложений). Также здесь проявлена тенденция к увеличению значений рН до глубинного уровня 150 м (до рН = 9.30). Щелочные условия способствуют осаждению карбонатов кальция и магния. Основной глубинный уровень снижения жесткости в области развития мезозойских отложений – как раз уровень 100–150 м.

Интенсивность водообмена снижается с глубиной. С ее ростом происходит увеличение минерализации, в первую очередь, за счет сульфатов кальция и магния (рис. 2). С глубинным параметром значимо положительно коррелируют и концентрации Sr, Br, B и Fe (компоненты перечислены в порядке уменьшения значений коэффициентов парной корреляции, r = 0.38–0.77), а отрицательная корреляция проявлена у HCO₃, SiO₂ и Mn (r = –(0.46–0.77), все остальные микрокомпоненты ведут себя индифферентно). Максимальная активность последних обычно отмечается на глубинах до 100 м. Это характерно и для нитратов. Особый интерес представляет кластер, образованный хлоридами, щелочными компонентами и органическим веществом. Эти компоненты тесно скоррелированы друг с другом (r = = 0.73–0.92), при этом связь с глубинным фактором незначимая (r = 0.0–0.34). Данный кластер в какой-то степени может отражать наличие первичного морского ионно-солевого комплекса в составе водовмещающих пород. Это весьма вероятно для образований юрского возраста на участках их перекрытия меловыми отложениями.

В юрском комплексе минерализация с глубиной увеличивается прежде всего за счет сульфатов, хлоридов и натрия. Жесткость с глубиной снижается. Из микрокомпонентов, концентрации которых часто превышают нормативные значения для питьевых вод, бор повышенную активность проявляет в содовых водах, а железо на глубинных уровнях до 100 м. Интересным является нарастание окисляемости и концентраций нефтепродуктов с глубиной (r = 0.26 и 0.52). Это может свидетельствовать о возможности локального обогащения органическим веществом ПВ в отдельных частях разреза юрских отложений, концентрации которого могут превысить минимальное значение для соответствующего типа минеральных лечебных вод. Так, минеральные воды торговой марки “Волжанка” приурочены к стратиграфическому уровню волжских отложений, а воды марки “Тарханская-3” – к батским. Содержания органического углерода в первом типе воды составляют 5–10, а во втором – 5–8 мг/л [11]. При этом водорастворенное органическое вещество может иметь двойственную природу – вещество непосредственно мезозойских отложений (фаунистические и битуминозные органические остатки “сланцевой плиты”, залегающей в основании волжских отложений, и поровые растворы келловейских глин для “Волжанки” [11]), а также вещество относительно глубинных углеводородсодержащих флюидов по [10], сформировавших битумные залежи в пермских отложениях Предволжского региона, и, по устному сообщению Э.А. Королева, фиксируемых в виде жидкой нефти в центральных частях баритовых конкреций в келловейских глинах. Органическое вещество битумных залежей по Р.Л. Ибрагимову как раз и ответственно за обогащение им ПВ в районе Тарханского месторождения [7]. Это предположение базируется на наличии в ЮВ части Предволжского региона 12 битумопроявлений в верхнеказанских карбонатных породах [3], одно из которых непосредственно соседствует с этим месторождением минеральных вод.

Дополнительно о слабой промытости мезозойских отложений и их обогащенности органическим веществом могут свидетельствовать данные водных вытяжек [9]. Вытяжки готовились на основе дистиллированной и талой снеговой воды (36 проб с основных разностей пород). Максимальные значения минерализации (до 931 мг/л) и окисляемости (до 9.0 мг О₂/л) приходятся на глины волжского (J₃v) и готеривского (K₁g) ярусов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Комплекс мезозойских отложений, сложенный преимущественно морскими глинами, характеризуется весьма своеобразными гидрогеохимическими и гидрогеодинамическими условиями. Совместно они определяют крайне неблагоприятные гидрогеоэкологические условия довольно обширной территории. Маломощные прослои водопроницаемых пород в мезозойском глинистом матриксе обусловливают значительные трудности в перехвате подземных вод для организации централизованного хозяйственно-питьевого водоснабжения местного населения. На это накладывается неблагоприятное качество значительного объема ПВ. Доля некондиционных в питьевом отношении родниковых вод превышает 50%, а скважинных вод составляет не менее 90%.

До глубинного уровня 100 м основной параметр, лимитирующий питьевое использование, – жесткость. Она часто сопровождается сверхнормативными концентрациями железа, марганца, бора, к которым в районах населенных пунктов добавляются нитраты. С глубинного интервала 100 м практически по всему разрезу как в мезозойских отложениях, так и в подстилающих их пермских образованиях жесткость за счет высаливания карбонатов кальция и магния снижается, при этом ПВ могут приобрести натриевый катионный состав, а содержания натрия превысить ПДК. Параллельно с этим происходит значительный рост концентраций бора, с частым сохранением сверхнормативных концентраций железа и минерализации более 1 г/л.

В крайней юго-западной части под комплексом мезозоид ПВ отличаются и повышенными относительно питьевого стандарта концентрациями сульфатов, стронция и брома. Общий повышенный уровень минерализации ПВ мезозойских отложений (за счет содержаний практически всех анализировавшихся компонентов) в сравнении с водами пермских образований вне области развития мезозоид определяется прежде всего более длительным взаимодействием в системе “вода-порода” в условиях более высокого парциального давления углекислого газа и более низких значений окислительно-восстановительного потенциала, а также за счет особенностей состава мезозойских образований (обогащенность органическим веществом, высоковероятное сохранение части первичного морского ионно-солевого комплекса, наличие карбонатных и сульфатных минеральных выделений; одновременное проявление процессов гидролиза, выщелачивания, высаливания и ионного обмена).

Охарактеризованная недостаточно благоприятная гидрогеоэкологическая обстановка определяет целесообразность проведения в регионе специализированных медико-экологических исследований. Проблемы качества питьевого водоснабжения в какой-то степени могут определять депопуляцию изученной территории, что обусловливает снижение техногенного пресса на окружающую среду и проявление тенденции некоторого улучшения качественных показателей пресных подземных вод за последние 20–25 лет.

Мезозойские отложения оказывают весьма существенное влияние на геохимию ПВ, локализованных как в них самих, так и в подстилающих пермских отложениях. В свою очередь, эта геохимия во многом определяет процессы вторичного минералообразования и зависит от них. Источником вещества для многих конкреций, локальных зон проявления сульфидной, кремнистой и карбонатной минерализации (Fe(OH)₃, Fe₂S, CaCO₃, CaMg(CO₃)₂, SiO₂) может служить вещество пород рассматриваемой части разреза, выщелоченное подземными водами в его верхней части и отложенное в более нижней. В областях проявления нисходящей фильтрации (перетекания) начальным глубинным уровнем отчетливо проявленного высаливания можно считать уровень 100 м. При этом максимально контрастно солеотложение проявлено в области развития мезозойских отложений, в первую очередь в разрезе юры.

Особенности состава ПВ мезозойских отложений позволяют считать их перспективными не только в плане выявления новых месторождений минеральных лечебных вод, обогащенных органическим веществом, но и вод с повышенными содержаниями кремнекислоты (в разрезе меловых отложений); а также вод, обогащенных железом (в составе юрского комплекса), сероводородом (в составе верхнеказанского комплекса) и минеральных вод группы “без специфических компонентов и свойств” по [8].

Известные максимальные содержания кремнекислоты в виде SiO₂ составляют 45.9 мг/л (см. табл. 7). По устным данным Э.А. Королева и Р.Х. Зайнуллина в нижней части обрывистых склонов правобережья Волги, сложенных юрскими отложениями, фиксируются родники, на выходе которых отмечаются многочисленные бурые охры гидроокислов железа. На Тарханской площади в 1955 г. пласт верхнеказанских битумоносных доломитов мощностью 3–6 м был испытан, и в результате получен приток сероводородной воды с пленкой битума [3]. Кроме этого, в районе с. Сюкеево (правобережье Волги в 18 км юго-западнее пос. Камское Устье) еще в XIX в. использовались сероводородные источники, формирование которых связывают с наличием битумной залежи в верхнеказанских доломитах [7]. Источником сероводорода являются сульфат-ионы, восстановление которых может происходить по следующей схеме [1]:

При этом возможно существенное изменение Еh и рН условий, которое может определить выпадение в осадок сульфидов Fe, Pb, Cu и др. халькофильных элементов, а также осаждение карбонатов Ca и Mg.

ПВ рассмотренного комплекса мезозойских и пермских отложений во многих случаях могут представлять собой минеральные лечебные воды “без специфических компонентов и свойств”. Так, на Тарханском месторождении три пространственно сближенные скважины каптируют воды трех типов [11]. Скважина № 1 глубиной 36.4 м вскрывает SO₄–HCO₃/Na–Mg–Ca воды с минерализацией 1.2–1.6 г/л в песчаниках волжского водоносного горизонта (J₃v). Эти воды близки к водам Кисловодского типа (если не учитывать СО₂). Скважина № 3 глубиной 125 м вскрывает водоносный горизонт песчаников батского яруса (J₂bt), где развиты SO₄–HCO₃/Mg–Ca–Na воды с минерализацией 0.8–1.1 г/л и повышенным содержанием органических веществ (аналог “Волжанки”). Скважина № 4 имеет глубину 150 м. Она вскрывает отложения татарского комплекса (P₃t). Перехватываемые скважиной воды имеют HCO₃–SO₄/Na состав и минерализацию 1.3–2.6 г/л [7, 11]. Все три вида минеральных лечебных вод пригодны для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта и обмена веществ, при этом воды в скважинах 1 и 4 по существу являются водами “без специфических компонентов и свойств”. Приведенные особенности состава вод различных водоносных горизонтов Тарханского месторождения являются дополнительным подтверждением вышеописанной вертикальной гидрогеохимической зональности в области развития мезозойских отложений.