Geochemistry and formation conditions of the natural water composition in the nothern outskirts of Kazan

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Казань расположена на левобережье Куйбышевского водохранилища, в восточной части Русской равнины. Площадь города составляет около 600 км², население – 1.3 млн человек. Расположение города у крупнейшего в Европе водохранилища и в области достаточного увлажнения определяет значительные ресурсы поверхностных и пресных подземных вод. Площадь города делится примерно на две равные части долиной р. Казанка, впадающей в водохранилище. В городской черте находятся и некоторые притоки Казанки – реки Нокса, Киндерка, Сухая, Солонка, а также около 280 озерных водоемов [16]. Наиболее крупными, широко известными и используемыми в первую очередь в рекреационных целях, являются озера Кабан, Лебяжье, Глубокое, Изумрудное и др.

Водной жемчужиной на северной окраине города является группа озер под общим названием “Голубое”. Они находятся в районе пос. Щербаково (14 км выше устья р. Казанка), где в виде цепочки отдельных водоемов располагаются на I надпойменной террасе правобережной части долины р. Казанка, вытягиваясь вдоль ее русла на 2.5 км в северо-восточном направлении, при удалении от него на 20–100 м. Вода в Голубых озерах солоноватая, и она отличается рядом весьма интересных и специфических особенностей состава. В настоящее время Голубые озера считаются уникальными солоноватоводными карстовыми озерами Среднего Поволжья [26]. Они широко известны, довольно популярны и используются в рекреационных и лечебных целях. Озера возникли на месте мощных восходящих выходов подземных вод (ПВ) нижнепермских отложений. Эти выходы когда-то именовались Щербаковскими ключами. Их суммарный дебит оценивался в 1.5 м³/с. На одном из них даже функционировала мельница [13, 20]. В 1994 г. с целью сохранения уникальных озерных комплексов был создан государственный природный заказник “Голубые озера” общей площадью около 2000 га.

Наиболее крупное – Большое Голубое озеро, расположено в 0.43 км южнее пос. Щербаково, является юго-западным окончанием цепочки Голубых озер и обладает среди них наибольшими размерами, в связи с чем и получило свое название. Это озеро вытянуто в меридиональном направлении. По данным разных лет [7, 10]: его протяженность – 555–800 м, ширина – до 100 м, площадь водного зеркала 2.73–4.6 га, объем – 20.4–60 тыс. м³, преобладающая глубина – менее 1.5–2.0 м (меньшие значения длины, площади и объема отмечаются в более поздней публикации). Вода поступает из двух карстовых провалов, расположенных в северной части озера и именуемых Большой и Малой пучинами. Первая представляет собой концентрический провал сложной формы в виде трех воронок с крутыми стенками, вложенных одна в другую. Стенки воронок сложены карбонатными породами казанского яруса. Глубина Большой пучины по данным замеров разных лет 13.0–18.3 м, диаметр до 50 м. В центральной части дна имеется узкая труба-понора глубиной до 4 м, возможно и более. Общий расход восходящих струй ПВ – до 680 л/с [7, 13, 26]. Малая пучина находится в 70 м восточнее Большой пучины. Ее глубина – 3.0–6.5 м, диаметр – 5 м. Большое Голубое озеро – сточное, оно отделено от р. Казанка дамбой. Расходы озерной воды по замерам преимущественно летнего периода – 480–900 л/с (в среднем около 850 л/с). На выходе озерной воды через дамбу до середины прошлого столетия функционировала гидроэлектростанция, питавшая располагавшийся здесь дом отдыха [7, 13]. Большое Голубое озеро используется для пеших и водных лодочных прогулок, купания и дайвинга. Голубые озера меньших размеров расположены северо-восточнее пос. Щербаково. Здесь многолюдно в течение всего года, так как они активно используются для оздоровительного купания.

Район расположения Голубых озер является зоной интенсивной разгрузки ПВ нижнепермских отложений, представленных сакмарским ярусом. Их субаэральные и субаквальные выходы отмечаются на значительном протяжении долины р. Казанка, а также в нижней части долины р. Солонка, правого притока Казанки. Устье Солонки находится в 0.9 км южнее южной оконечности Большого Голубого озера. Наиболее мощные восходящие родники отмечаются в русле и по левобережью Солонки в интервале 2.0–2.8 км от ее устья, по западному ограничению расположенного здесь пос. Кадышево. Суммарный дебит субаэральных выходов оценивается более чем в 400 л/с [13]. Состав этих родниковых вод близок к составу вод Голубых озер. Расход р. Солонка довольно существенно увеличивается в ее нижнем течении, и речная вода становится здесь солоноватой с минерализацией более 1 г/л. В районе расположения Голубых озер возрастают расход и минерализация воды р. Казанка [2, 3], последняя постепенно увеличивается вниз по течению до пос. Большие Дербышки (в 2.4 км ниже устья Солонки), где достигает 1.5–1.7 г/л [11]. По оценкам предшествующих исследований доля ПВ нижнепермских отложений в расходе р. Казанка в районе Голубых озер составляет около 30% [8].

Аномалии гидрохимического поля рассматриваемого района определяются ПВ отложений сакмарского яруса. Он сложен толщей карбонатно-сульфатного состава, в которой выделяют стерлитамакский и тастубский горизонты [6]. Стерлитамакский горизонт выполнен интенсивно трещиноватыми, кавернозными, в определенной степени закарстованными доломитами, гипсами и ангидритами, содержащими прослои известняков, известняковой и доломитовой муки, а также глин и алевролитов. Мощность горизонта может составлять 60 м. Он отличается значительной водообильностью. Дебиты водозаборных скважин достигают 16–20 л/с [8, 13]. Нижележащий тастубский горизонт мощностью 24–38 м сложен массивными ангидритами, гипсами, доломитами.

Тастубский горизонт в рассматриваемом районе, как и на большей части территории Татарстана, играет роль регионального водоупорного горизонта, разделяющего зоны активного и затрудненного водообмена [22]. Кровля сакмарских отложений в районе Голубых озер залегает на гипсометрической отметке ~ 0 м [7], тогда как уровень р. Казанки составляет 53.2 м. Условия формирования химического состава этих ПВ были выявлены еще в середине XX в. Они определяются относительно длительным взаимодействием первичных атмосферных осадков с карбонатно-сульфатными породами сакмарского яруса и перекрывающими их сульфатно-терригенно-карбонатными образованиями казанского яруса, которые характеризуются приповерхностным развитием в зоне Вятского вала – субмеридиональной положительной платформенной структуры, осевая наиболее приподнятая часть которой, характеризующаяся абсолютными отметками до 250–275 м, расположена в 60–90 км северо-северо-западнее Голубых озер. От осевой зоны Вятского вала, где кровля сакмарских отложений залегает на гипсометрических отметках около 200 м, указанные отложения плавно погружаются, а локализованные в них ПВ набирают минерализацию до 2.5 г/л, реже более, примерно соответствующую растворимости гипса в существующих условиях. Ионный состав этих вод преимущественно сульфатный кальциевый [13, 20, 25, 26] (здесь и далее составы природных вод согласно [21]). Они используются в лечебных целях (органы пищеварения) в санаториях “Казанский”, “Крутушка” и некоторых др.

Пьезометрическая поверхность стерлитамакского водоносного комплекса выше отметок рек в районе Голубых озер на 5–7 м [8], а в речных долинах она превышает и уровни всех вышележащих водоносных комплексов в пермских и плиоцен-четвертичных отложениях. Это является гидродинамической предпосылкой для восходящего перетекания. Наиболее масштабно оно проявлено вдоль ослабленных зон – зон повышенной трещиноватости вдоль долины р. Казанка и склонов локальной изометричной положительной структуры, установленной по кровле нижнеказанского подъяруса с амплитудой 20 м, – так называемого Кадышево-Щербаковского поднятия (р. Солонка в своем нижнем течении делает петлю на этом участке за счет огибания данной структуры) [8, 15].

Голубые озера и реки Солонка и Казанка представляют весьма интересный объект изучения. К настоящему времени имеются довольно полные сведения по их морфометрии, расходам и интенсивности водообмена; гидрохимии, включая изотопные данные; биологической продуктивности, рекреационному потенциалу, уровню антропогенного воздействия [1–4, 7–13, 20, 25, 26, 28 и др.].

Цели настоящего исследования – уточнение геохимии природных вод района расположения Голубых озер и определение доли ПВ стерлитамакских отложений (далее эти воды будут именоваться артезианскими) в расходах рек Солонка и Казанка.

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследованию подверглись водные объекты северной окраины г. Казань в районе пос. Щербаково и Кадышево – оз. Голубые, реки Солонка и Казанка, восходящие родники (рис. 1). В цепочке Голубых озер наиболее крупными являются озера: Большое Голубое, Малое Голубое и Проточное Голубое. Два последних находятся на северо-восточном замыкании озерной цепочки. Некоторые обобщенные данные по рекам и крупным озерам приведены в табл. 1 и 2.

 

Рис. 1. Обзорная карта с контуром района работ.

 

Таблица 1. Морфометрические характеристики и расходы рек Солонка и Казанка [4]

Река	Протяженность, км	Площадь бассейна, км2	Густота речной сети, км/км2	Среднемноголетний расход в устье, м3/с
Солонка	25.8	146.8	0.24	0.95
Казанка	140.0	2717.5	0.40	13.2

 

Таблица 2. Морфометрические и гидрологические данные по Голубым озерам [10]

Характеристики	Оз. Большое Голубое	Оз. Малое Голубое	Оз. Голубое Проточное
Площадь водного зеркала, га	2.73	0.32	0.24
Длина, м	555.0	182.0	276.0
Средняя ширина, м	49.2	17.7	8.6
Объем, тыс. м3	20.38	2.68	1.31
Максимальная глубина, м	16.0	3.7	2.0
Средняя глубина, м	0.7	0.8	0.6
Время полного водообмена, сут	0.33	0.077	0.125

 

Котловины Голубых озер имеют эрозионно-карстовое происхождение. Основной объем воды в них поступает за счет действия мощных субаквальных восходящих источников – одной из форм разгрузки артезианских вод. Вода озер стекает в р. Казанка. Она имеет голубоватый цвет за счет растворенного сероводорода, высокую прозрачность (на дне Большой пучины видны брошенные монеты), практически постоянную температуру в течение года 4–8°C (озера не замерзают зимой), преимущественно сульфатный кальциевый состав и минерализацию 2.0–2.5 г/л [7, 8, 10, 13, 20, 25, 26]. Вода оз. Большое Голубое по химическому составу аналогична сероводородным источникам курортов Хилово и Краинка [26]. Донные отложения Голубых озер обладают лечебными свойствами за счет своеобразного органоминерального комплекса [13, 28]. Ил Большого Голубого озера как лечебная грязь используется в упоминавшихся санаториях “Казанский” и “Крутушка”.

Субаквальные восходящие выходы артезианских вод (грифоны) очень часто отмечаются и в руслах Казанки и Солонки. В пределах последней грифоны максимально проявлены вдоль западной окраины пос. Кадышево. Здесь отмечаются и субаэральные восходящие одиночные и групповые родники с расходами, варьирующими от 3–5 до нескольких сот л/с. Родниковая вода по температуре, составу и минерализации идентична воде Голубых озер. Это однозначно указывает на их единый общий источник – стерлитамакский водоносный комплекс.

Реки Солонка и Казанка являются типичными равнинными реками восточно-европейского типа. Основное питание они получают за счет весеннего снеготаяния. Весеннее половодье спадает довольно быстро, и реки переходят на грунтовое питание, обеспечивающее устойчивую межень. Их долины хорошо разработаны и террасированы. Средняя скорость течения – 0.1 м/с [8, 15]. По гидрохимическим показателям качество воды (по [23]) р. Казанка по варьирует от слабо загрязненной 2 класса до экстремально грязной 5 класса. При этом наихудшие показатели качества отмечаются в период зимней межени (декабрь–февраль), качество речной воды ухудшается вниз по течению [9]. По изучению фитопланктона на 6 створах р. Солонка местные условия определяются как олиготрофные, а качество воды как “чистые – умеренно загрязненные воды” [1].

Геологические условия района определяются развитием в верхней части разреза платформенного полифациального комплекса пермских отложений, перекрытых рыхлыми полигенными плиоцен-четвертичными отложениями. Пермские отложения в составе уржумского (P₂ur) и казанского (P₂kz) ярусов вскрываются на отдельных участках речных долин и в приводораздельных частях склонов. Уржумские образования (мощностью до 50–60 м) отличаются преобладанием в разрезе пестроцветных континентальных глин и алевролитов. Их подошва залегает на абсолютных отметках 90–120 м [6]. Казанскими отложениями, имеющими морской генезис и сульфатно-терригенно-карбонатный состав, выполнено основание и нижние части речных долин. Их мощность может достигать 120 м. Плиоценовый комплекс (N₂) представлен в основном аллювиальными песчано-глинистыми отложениями. Ими выполнены палеодолины крупных рек, в том числе Солонки и Казанки. Палеодолина первой несколько смещена к западу от современного русла, а палеодолина Казанки практически совпадает с современной. Если врез Палео-Солонки не превышает первых десятков метров, то основание Палео-Казанки находится на уровне преимущественно глинисто-карбонатных пород нижнеказанского подъяруса, с размывом залегающих на сакмарских (стерлитамакских) образованиях [6]. Четвертичный комплекс представлен полигенными отложениями неоплейстоцена (Q₁) и голоцена (Q₂). На водоразделах и их склонах развиты элювиально-делювиальные суглинки мощностью до 10–12 м, а в речных долинах – аллювиальные песчано-глинистые образования мощностью до 46 м, слагающие пойму и надпойменные террасы (одну террасу на р. Солонка и три – на Казанке). В этой осадочной субгоризонтально залегающей толще формируются грунтовые и межпластовые безнапорные и напорные ПВ, формирующие типичные междуречные потоки, связанные водообменом по схеме А.Н. Мятиева. Основной объем их питания вне пределов речных долин приходится на инфильтрацию атмосферных осадков и нисходящее перетекание из вышележащих водоносных горизонтов. В речных долинах довольно существенную роль в приходной части водного баланса начинает играть восходящее перетекание с гидростратиграфического уровня стерлитамакских отложений. Зонами разгрузки ПВ являются овраги, речные долины и озерные котловины.

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Основными методами исследований были гидрометрическая и гидрохимическая съемки (рис. 2).

 

Рис. 2. Карта фактического материала: 1 – гидростворы и их номера; 2–4 – пункты опробования: 2 – оз. Голубые, 3 – восходящих родников, 4 – вод рек Солонка и Казанка. Гидропробы с пунктов опробования, обведенных красной окружностью, проанализированы на ICP-MS.

 

Гидрометрические исследования проведены на 8 гидростворах по р. Солонка в конце мая 2023 г. Работы велись согласно наставлениям гидропостам [19]. Глубины измерялись гидрометрической штангой, а скорости течения фиксировались гидрометрической вертушкой С-31 компании OTT (Германия). Параллельно с этим проводилось и опробование водопроявлений. Распределение гидропроб: р. Солонка – 14 проб, р. Казанка – 2 (в районе Голубых озер), оз. Голубые – 2 (с большого и одного из малых озер), восходящие родники в долине р. Солонка на западной и северной окраинах пос. Кадышево – 3. Привязка гидростворов и гидропроб проводилась с помощью GPS-приемника.

В гидропробах по соответствующим нормативным документам определялись значения основных интегральных показателей природных вод, а также концентрации макро- и мезокомпонентов. Основная часть последних детектировалась на ионном хроматографе Dionex ICS-1600 компании Thermo Scientific (США) – SO₄^2–, Cl^–, NO₃^–, NO₂^–, F^–, PO₄^3–, Br^–, Ca²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Li⁺. Гидрокарбонат-ион, перманганатная окисляемость и кремнекислота определялись титрованием, рН – потенциометрическим методом, а электропроводность – кондуктометрическим. Семь проб были проанализированы на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой iCAP Qc фирмы Thermo Scientific (Германия) с определением содержаний 65 элементов от лития до урана. Пробоподготовка осуществлялась с использованием особо чистых реактивов и деионизированной воды. Калибровка спектрометра проводилась на основе мультиэлементных стандартов ICP-MS-68A-A-100, ICP-MS-68A-B-100, ICP-MS-68A-C-100, High Purity Standards (США) с концентрацией в диапазоне от 1 до 1000 мкг/л каждого элемента. Проблема интерференционных наложений эффективно решалась системой KED (Kinetic Energy Discrimination), установленной в спектрометре. Полученные значения концентраций пересчитывались на исходное содержание с учетом данных по “пустому образцу”, аликвоты образца и разбавления раствора. Концентрациями выше предела обнаружения характеризовались следующие 53 элемента (в скобках отмечены пределы обнаружения, нг/л): Li (0.5), Na (448), Mg (1088), Al (2928), K (4328), Ca (188), Sc (0.1), Ti (8.2), V (3.6), Cr (26.8), Mn (0.3), Fe (17.9), Co (1.2), Ni (14.8), Cu (45), Zn (128), Ga (6.4), Ge (0.04), As (0.13), Se (0.01), Rb (0.08), Sr (25.9), Y (0.002), Zr (0.01), Nb (0.8), Mo (34.5), Cd (0.01), Sn (11.7), Sb (15.4), Cs (0.02), Ba (231.1), La (0.02), Ce (0.5), Pr (0.17), Nd (0.01), Sm (0.009), Eu (0.01), Gd (0.002), Tb (0.0008), Dy (0.01), Ho (0.0006), Er (0.0015), Tm (0.00002), Yb (0.0003), Lu (0.01), Hf (0.004), Ta (0.4), Re (0.0002), Tl (0.4), Pb (0.005), Bi (0.2), Th (0.04), U (0.1).

По изученному району имеется довольно значительное количество разновременных (с 1930-х гг.) аналитических данных различной полноты по составу природных вод. По ним максимальная вариабельность характерна для содержаний сульфатов и значений общей жесткости (в первую очередь, за счет ионов кальция). В большинстве случаев, сульфаты определялись гравиметрическим методом, основанным на определении массы осадка сульфата бария, а жесткость и ионы кальция – титриметрическим (комплексонометрическим) [24, 27]. Для определения корректности своих аналитических данных и возможности их сопоставления с материалами предшествующих исследований, а также использования последних в расчетах доли артезианских вод в расходе р. Казанка, авторы в каждой из своих 21 гидропробы концентрации сульфатов, ионов кальция и значений жесткости определяли не только ионно-хроматографическим, но и указанными традиционными методами. Оказалось, что разница в концентрациях не превышает 5–10%, а ионно-хроматографические данные, которые и рассматриваются далее, отличаются меньшими значениями. Это позволяет считать корректными как сопоставления гидрогеохимических данных, полученных разными методами и в разное время, так и выводы, сформулированные на их основе.

Для выявления наиболее общих и характерных особенностей состава, а также корреляционных связей между компонентами состава и разными группами природных вод использованы стандартный статистический, а также факторный (в модификации главных компонент) и кластерный анализы. Первый включал определение предельных значений (минимум-максимум), среднего, стандартного отклонения и медианы. Методы многомерной статистики использованы для обработки 7 проб поверхностных и подземных вод с данными по содержаниям значительного числа микрокомпонентов, выявленных масс-спектрометрическим методом.

Расходы р. Солонка увеличиваются вниз по течению. Для каждого гидроствора рассчитывались линейные приращения расхода от истока реки и на участке между соседними гидростворами по уравнениям:

∆Q₁ = Q_n⁄R_n, (1)

ΔQ₂ = (Q₁ − Q _(n−1) )⁄ (R₁ −R _(n−1) ), (2)

где ∆Q₁ и ∆Q₂ – приращения расходов от истока реки и на участке между соседними гидростворами соответственно (л/с∙м); Q_n– расход на определенном гидростворе (л/с), Q_(n-1)– расход на предыдущем (выше по реке) гидростворе (л/с); – расстояние определенного гидроствора от истока реки (м), R_(n-1)– расстояние предыдущего (выше по реке) гидроствора от истока реки (м).

Для определения доли артезианских вод в расходах рек Солонка и Казанка использовалась формула смешения [14]:

Q_a = Q_p (C_p − C_r) / (C_a −C_r), (3)

где Q_а и Q_р – расходы артезианских и речных вод (л/с, м³/с); С_а, С_р, С_r – концентрации иона индикатора в артезианских, речных и грунтовых водах соответственно (мг/л).

В качестве иона индикатора обычно используют хлор- или сульфат-ионы.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Природные воды района характеризуются весьма изменчивым составом (табл. 3). Максимальной вариабельностью обладают значения минерализации и жесткости, а также концентрации сульфатов и ионов кальция. Более однородное их распределение проявляется при рассмотрении отдельных выборок (табл. 4).

 

Таблица 3. Некоторые показатели состава природных вод района Голубых озер

Типы воды	Минерализация, мг/л	Жесткость, ммоль/л	Электропроводность, мкСм/см	рН	SO42–, мг/л
От HCO3/Mg-Ca до SO4/Ca	369–2443 1521 ± 656 1636	4.3–35.4 19.4 ± 9.2 21.6	279–1813 1215 ± 567 1382	7.13–8.47 7.59 ± 0.31 7.58	7.1–1393 766.8 ± 469 906.1

 

Окончание таблицы 3 (со сдвигом вправо)

HCO3–, мг/л	Cl–, мг/л	NO3–, мг/л	F–, мг/л	Ca2+, мг/л	(Na+K)+, мг/л
268–427 334 ± 48 329.5	2.3–13.8 7.2 ± 2.4 6.81	0.2–28.8 5.3 ± 6.3 3.83	0.09–1.17 0.34 ± 0.27 0.31	48.1–601.2 308.4 ± 160 336.7	4.0–118.3 40.8 ± 34.9 38.11

Примечание. В этой и в табл. 4 цифровые данные в первой строке – предельные значения (минимум–максимум), во второй – среднее ± стандартное отклонение, в третьей – медиана.

 

Таблица 4. Значения наиболее характерных параметров состава поверхностных и подземных вод

Выборка	Кол-во проб	Минерализация, мг/л	Жесткость ммоль/л	SO42–, мг/л	Ca2+, мг/л	Тип воды
р. Солонка (верховья)	4	369–583 471 ± 105 467	4.3–6.0 5.2 ± 0.87 5.23	7.1–18.5 10.3 ± 5.5 7.89	48.1–88.2 69.9 ± 17.9 71.7	HCO3/Mg-Ca
р. Солонка (низовья)	10	1045–1948 1625 ± 355 1748	11.6–25.0 20.4 ± 5.1 22.8	459.7–1118 876.1 ± 259 954.0	152.3–409 315.8 ± 90 348.7	HCO3-SO4/Ca
р. Казанка	2	1272–1282 1277 ± 6.8 1277	16.2–17.2 16.7 ± 0.7 16.7	493.3–559.6 526.5 ± 46.9 526.5	248.5–273 260.5 ± 17.0 260.5	HCO3-SO4/Mg-Ca
Оз. Голубое	2	2258–2382 2320 ± 87.7 2320	29.5–35.4 32.5 ± 4.1 32.5	1328–1335 1331.6 ± 4.5 1331.6	481.0–601 541.1 ± 85.0 541.1	SO4/Ca
Восходящие родники	3	1953–2443 2202 ± 245 2210	22–31.2 28.0 ± 5.2 30.8	993.4–1393 1194.9 ± 200 1198.4	424.8–513 478.3 ± 47.0 497.0	HCO3-SO4/Ca и SO4/Ca

Примечание. В последней графе указан преобладающий тип воды.

 

Гидрохимические данные по р. Солонка позволяют выделить в ее пределах два участка. На первом участке, протягивающемся на 20–21 км от истока реки (в табл. 4 он обозначен как верховье реки), вода относительно слабо минерализованная и умеренно жесткая, концентрации сульфатов и ионов кальция сравнительно незначительные. Второй участок охватывает 5 км нижнего течения (ниже моста автотрассы М-7 “Волга”). Здесь минерализация и жесткость вод практически непрерывно возрастают до приустьевой части реки, при этом основными компонентами состава являются SO₄^2– и Ca²⁺.

С гидрохимическими данными хорошо согласуются и гидрометрические (табл. 5). На первых 20–21 км русла линейные приращения расхода находятся в пределах 0.0052–0.0086 л/с∙м, а в нижнем течении (ниже гидроствора № 4) они превышают 0.016 л/с∙м. Максимальны эти приращения, достигающие почти 0.5 л/с∙м, по западной и юго-западной окраинам пос. Кадышево, где и фиксируются наиболее мощные субаэральные выходы артезианских вод. Более тесная связь гидрохимических и гидрометрических данных проявляется при учете данных по каждому гидроствору (табл. 6). Тесная положительная корреляция в изменении расходов и состава воды р. Солонка обусловлены разгрузкой артезианских вод. Долю этих вод в общем расходе реки и на каждом гидростворе можно определить по ф. (3). В качестве иона индикатора наиболее оптимальный сульфат-ион, так как именно он обладает максимальной информативностью (см. табл. 3, 4, 6).

 

Таблица 5. Расходы р. Солонка

№ гидроствора	Местоположение	Расстояние от истока, км	Расход, л/с	Линейное приращение расхода, л/с∙м
				от истока реки	от предыдущего гидроствора
1	д. Большие Ковали	1.90	16.40	0.0086	–
2	д. Берновые Ковали	8.35	66.08	0.0079	0.0077
3	д. Семиозерка	15.52	80.72	0.0052	0.002
4	Под мостом автотрассы М-7	20.38	131.33	0.0064	0.0104
5	СЗ окраина пос. Кадышево	22.18	359.16	0.0162	0.127
6	З окраина пос. Кадышево	22.75	601.62	0.0264	0.425
7	ЮЗ окраина пос. Кадышево	23.51	948.83	0.0404	0.457
8	Приустьевая часть реки (в 400 м от устья)	25.35	1279.41	0.050	0.180

Примечание. Минимальное значение приращения расхода между гидростворами 2 и 3 связано с тем, что на данном участке река зарегулирована двумя прудами-водохранилищами.

 

Таблица 6. Наиболее информативные показатели химического состава воды р. Солонка

Пункт опробования	Расстояние от истока реки, км	Тип воды	Минерализация, мг/л	Жесткость, ммоль/л	SO42–, мг/л	Ca2+, мг/л
Г/створ № 1	1.90	HCO3/Mg-Ca	538	5.89	7.91	80.16
Г/створ № 2	8.35	HCO3/Mg-Ca	583	6.00	7.87	88.18
Г/створ № 3	15.52	HCO3/Mg-Ca	369	4.34	7.10	48.10
Г/створ № 4	20.38	HCO3/Mg-Ca	397	4.57	18.50	63.29
С окраина пос. Кадышево	21.47	HCO3-SO4/Mg-Ca	1045	13.20	459.74	152.3
Г/створ № 5	22.18	SO4/Ca	1310	15.60	674.86	248.5
Г/створ № 6	22.75	SO4/Ca	1590	20.00	906.12	324.6
Г/створ № 7	23.51	SO4/Mg-Ca	1948	24.61	1082.2	368.7
ЮВ окраина пос. Кадышево	24.65	SO4/Mg-Ca	1912	24.41	1114.3	360.7
Г/створ № 8	25.35	SO4/Mg-Ca	1945	24.00	1118.5	372.7
Приустьевая часть	25.75	SO4/Mg-Ca	1860	24.01	1083.1	336.7

 

Для проведения расчетов значения концентраций сульфатов в грунтовых и артезианских водах определены следующим образом:

• в грунтовых водах – 10.3 мг/л (соответствует средней концентрации данного компонента в верхнем течении р. Солонка);
• в артезианских водах – 1393 мг/л (соответствует максимальной концентрации в таком типе вод (см. табл. 4) и близко к содержаниям, которые могут быть обусловлены растворением чистого гипса в существующих термодинамических условиях) (табл. 7).

 

Таблица 7. Обобщенные данные по величинам разгрузки артезианских вод в р. Солонка

№ г/створа	Общий расход, л/с	Расход				Линейное приращение между створами, л/с∙м
		артезианских вод		грунтовых вод
		л/с	%	л/с	%	артезианских вод	грунтовых вод
4	131.33	~0	~0	131.33	100	~0	0.0104
5	359.16	172.62	48.06	186.54	51.94	0.096	0.0307
6	601.62	389.78	64.79	211.84	35.21	0.381	0.0444
7	948.83	735.55	77.52	213.28	22.48	0.455	0.0019
8	1279.41	1025.42	80.15	253.99	19.85	0.158	0.0221

 

Таким образом, расход р. Солонка в приустьевой части в начальный период летней межени на 80% определяется артезианскими водами, именно они формируют вышеотмеченные особенности изменения расхода реки и состава речной воды в нижней 5-киллометровой части ее долины. В периоды глубокой зимней межени эта доля может и превышать 80%.

Значительный интерес представляет и определение доли артезианских вод в расходе р. Казанка. Ее средний многолетний годовой расход в устье – 13.2 м³/с (см. табл. 1). Содержания сульфатов на уровне третьей транспортной дамбы в г. Казань в осенне-зимний период по опробованию 2014–2017 гг. в рамках государственного мониторинга поверхностных водных объектов Республики Татарстан составляли 627–673 мг/л [4]. Осенью 2019 г. концентрации сульфатов на участке от Ленинской дамбы до третьей транспортной дамбы – 616–748 мг/л при минерализации речной воды 0.86–1.55 г/л и ее жесткости 10.7–20.5 ммоль/л [5]. В первой половине XX в. в осенне-зимний период были зафиксированы содержания сульфатиона – 739–780 мг/л, а в начале зимы (декабрь) 1956 г. – 801.6–853.24 мг/л [11, 13]. Для расчетных процедур можно принять концентрацию сульфатов в приустьевой части р. Казанка в начальный период зимней межени равной 700–800 мг/л. Среднемноголетний расход Казанки в районе пос. Большие Дербышки за период наблюдений 1932–1955 гг. – 12.6 м³/с [15]. Средняя концентрация сульфатов в зимний период по аналитике 1933–1953 гг. – 852.64 мг/л, а контрольные анализы данных опробования декабря 1956 г. дали значение 759.53 мг/л [11, 13] (к сожалению, более свежие данные по содержаниям здесь сульфатов отсутствуют). Для расчетных процедур можно принять концентрацию SO₄^2– на данном участке реки в начальный период зимней межени – 700–850 мг/л. Содержания сульфат-ионов в артезианских водах удобно оставить прежними – 1393 мг/л, а с их значениями в грунтовых водах возникают значительные сложности. Долина р. Казанка в своем среднем и нижнем течении интенсивно дренирует артезианские воды. В связи с этим грунтовые воды долинных плиоцен-четвертичных отложений обладают высокой до 2.5 г/л минерализацией, которая в основном определяется сульфатами и ионами кальция. В пределах г. Казань концентрации сульфатов в этих водах составляют 79.83–1330 мг/л, при преобладающих значениях более 700 мг/л [13]. В приводимой С.Г. Каштановым выборке есть только два значения – 79.83 и 179.88 мг/л, которые могут отражать содержания сульфатов в грунтовых водах без влияния артезианских вод. По существу, грунтовые воды в хорошо промытых песчано-глинистых аллювиальных плиоцен-четвертичных отложениях долины р. Казанка при их питании атмосферными осадками и за счет латеральной (боковой) фильтрации межпластовых вод из терригенно-карбонатных уржумских и верхнеказанских отложений (коренного обрамления долины) не могут иметь сульфатность более 100–200 мг/л. Так, содержания SO₄^2– в притоках р. Волга по ее правобережью в соседнем с изучаемым Верхнеуслонском административном районе в период летней межени, когда их основное питание является грунтовым, составляют 6.58–74.89 мг/л, а в ПВ уржумских и верхнеказанских отложений, разгружающихся в эти притоки, – 9.88–158.8 мг/л [18]. При наличии неопределенностей в содержаниях сульфатов в речной воде и грунтовых водах (без влияния разгрузки в грунтовые горизонты артезианских вод) наиболее оптимальным будет диапазонная оценка доли артезианских вод в расходе р. Казанка (табл. 8).

 

Таблица 8. Оценка доли артезианских вод в расходе р. Казанка (м³/с /%)

Cг, мг/л	Cр, мг/л
	700.0	750.0	850.0	700.0	800.0
	р. Казанка у пос. Б. Дербышки			Устье р. Казанка
10.3	6.28 / 49.9%	6.74 / 53.5%	7.65 / 60.7%	6.58 / 49.9%	7.54 / 57.1%
100.0	5.85 / 46.4%	6.33 / 50.3%	7.31 / 58.0%	6.13 / 46.4%	7.15 / 54.1%
200.0	5.28 / 41.9%	5.81 / 46.1%	6.87 / 54.5%	5.53 / 41.9%	6.64 / 50.3%

Примечание. C_г и C_р см. формулу (3).

 

Наиболее вероятная доля артезианских вод в расходах р. Казанка в ее приустьевой части и в створе у пос. Бол. Дербышки в начальный период зимней межени находится в пределах 42–60%. При этом в последнем случае она немного выше несмотря на увеличение вклада артезианских вод в питании реки в направлении ее устьевой части. Это связано с разбавляющим влиянием Куйбышевского водохранилища, воды которого обладают меньшими значениями минерализации и концентраций сульфатов [18, 28], так как самая нижняя часть долины Казанки с 1957 г. представляет собой Казанский залив водохранилища.

Макрокомпонентный состав вод Голубых озер, рек Казанка, Солонка и родников в долине последней изучается длительное время, и он хорошо известен. К сожалению, это не относится к их микрокомпонентному составу, литературные данные по которому крайне немногочисленны и включают концентрации единичных элементов. Из 53 вышеуказанных элементов, характеризующихся значимыми (ненулевыми) содержаниями по данным масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой, 20 можно использовать в геохимических целях, так как они испытывают некоторое концентрирование в определенных типах природных вод (рис. 3, здесь Ca, Mg, Na и K отнесены к микрокомпонентам условно, кластер-диаграмма подтверждается и результатами факторного анализа). Остальные 33 элемента отличаются индифферентным поведением.

 

Рис. 3. Кластер-диаграмма связей компонентов состава природных вод (7 проб, мера связи – коэффициент корреляции Пирсона (1-r)).

 

Диаграмма наглядно отражает наличие двух крупных кластеров. Первый включает элементы от бария до калия, образован компонентами, которые имеют тенденцию к относительному концентрированию в поверхностных и грунтовых водах. Второй – от лития до никеля, объединяет элементы, обладающие более высокими содержаниями в артезианских водах (табл. 9). Поведение алюминия не так закономерно. Его можно считать аморфным элементом. Диапазон концентраций алюминия 4–60.8 мкг/л, при преобладающих значениях 11.3–25.8 мкг/л. Отдельные повышенные всплески могут отмечаться как в грунтовых, так и в артезианских водах, что и определяет его положение на кластер-диаграмме.

 

Таблица 9. Микрокомпонентный состав природных вод

Компонент	Водопроявления
	р. Солонка		р. Казанка, ١ проба	оз. Голубое, 2 пробы	Восходящие родники, 1 проба
	верховья, 2 пробы	приустьевая часть, 1 проба
Li, мкг/л	5.08–5.34	24.96	26.39	27.8–28.5	28.06
Mg, мг/л	22.9–23.6	60.9	46.5	65.4–67.1	68.1
Sr, мг/л	0.18–0.25	5.21	3.96	6.7–7.2	6.8
Re, мкг/л	0.002–0.003	0.01	0.0096	0.015–0.018	0.016
Se, мкг/л	0.00–0.02	0.057	0.027	0.054–0.057	0.08
Na, мг/л	4.0–6.9	12.9	18.9	12.6–14.8	14.8
U, мкг/л	0.7–1.6	1.6	1.3	2.3–2.4	2.4
Cr, мкг/л	0.9–1.14	1.21	1.61	12.1–15.4	14.4
Cd, мкг/л	0.004–0.02	0.017	0.023	0.05–0.053	0.054
Ni, мкг/л	0.68–0.89	0.99	1.28	1.3–1.9	2.91
Fe, мг/л	0.07–0.12	0.1	0.16	0.0–0.007	0.009
Co, мкг/л	0.1–0.14	0.09	0.10	0.02–0.05	0.07
As, мкг/л	0.66–1.42	0.33	0.67	0.23–0.25	0.13
Ba, мкг/л	59.3–76.9	87.7	55.93	19.1–55.1	17.53
K, мг/л	1.8–2.8	2.35	3.65	1.97–1.98	2.04
Mn, мкг/л	25.9–35.0	118.69	90.58	12.4–12.8	7.85
Yb, нг/л	1.81–3.79	1.16	5.61	0.58–0.97	0.22
Lu, нг/л	0.58–0.82	0.48	2.41	0.000–0.51	0.085

 

Наиболее информативными элементами, обладающими максимальным накоплением в артезианских водах, являются Li, Mg, Sr, Ca, Re и Se, образующие единый кластер с наиболее тесными положительными корреляционными связями. Данные компоненты имеют тенденцию накопления с увеличением времени взаимодействия в системе “вода-порода”, часть из них по геохимическим свойствам близка к кальцию, являющемуся доминирующим катионом в рассматриваемых природных водах. Информативность рассмотренных 20 микрокомпонентов для разграничения разнотипных вод иллюстрируется другой кластер-диаграммой (рис. 4), построенной на основе их содержаний. Положение разнотипных водопроявлений на этой диаграмме очень близко к данным табл. 4, составленной на основе содержаний макрокомпонентов. Воды приустьевой части р. Солонка по составу ближе к артезианским водам, а воды Казанки более соответствуют водам верхнего течения Солонки. Это вполне закономерно, учитывая, что доля артезианских вод в расходе р. Солонка в ее приустьевой части составляет 80%, а в расходе р. Казанка на рассматриваемом участке – около 50%.

 

Рис. 4. Кластер-диаграмма связей разнотипных водопроявлений (7 проб, мера связи – Евклидово расстояние).

 

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Особенности макрокомпонентного состава вод оз. Голубое, р. Казанка и восходящих родников на окраине пос. Кадышево (см. табл. 4) хорошо согласуются с данными предшествующих исследований. Практическая неизменность этого состава во времени свидетельствует о постоянстве условий его формирования, обусловленных весьма слабыми вариациями природно-техногенных условий по крайней мере с середины XX в. На стабильность состава вод Голубых озер обращали внимание многие исследователи [10, 12, 26].

Изученные объекты отличаются и проявлениями гидрохимической зональности – вертикальной в Большом Голубом озере и латеральной в реках Казанка и Солонка. В первом случае по мере увеличения глубины озера с 0.7 до 15.0 м минерализация возрастает с 2051 до 2320 мг/л, а концентрации сульфатов и ионов кальция увеличиваются в диапазоне 1309–1390 мг/л и 431–597 мг/л соответственно [12]. Минерализация и жесткость (в первую очередь за счет SO₄^2– и Ca²⁺) вод Казанки постепенно и неуклонно увеличиваются от верховьев к устьевой части реки. Впервые детально это было показано профессором С.Г. Каштановым. Так, в верхнем течении Казанки преобладающая минерализация составляет 300–400 мг/л, вода имеет HCO₃/Mg-Ca состав, концентрации сульфатов не превышают 195 мг/л. В среднем течении (на участке Арск-Куркачи) меженная минерализация уже составляет 700–800 мг/л, содержания SO₄^2– могут достигать 400 мг/л, а Ca²⁺– 200 мг/л. В нижнем течении на протяжении 60–70 км происходит неуклонное увеличение концентраций практически всех компонентов, при доминировании SO₄^2– и Ca²⁺, концентрации которых могут достигать 1000 и 400 мг/л соответственно, а минерализация – 1500–1700 мг/л [11, 13]. С созданием Куйбышевского водохранилища в приустьевой части Казанки на протяжении 7–8 км сформировался так называемый Казанский залив, где происходит смешение вод реки и водохранилища, за счет чего, как отмечалось, происходит снижение минерализации и жесткости воды. Проявление этой зональности было подтверждено в ходе масштабных мониторинговых исследований р. Казанка в 2017 г. [3, 9]. Река Солонка отличается близким характером зональности. Минерализация и жесткость речной воды, также в первую очередь за счет SO₄^2– и Ca²⁺, возрастают от верховьев к низовьям. При этом практически линейное увеличение отмечается в нижней части русла (5 км), а верхняя более протяженная 20–21 км его часть отличается стабильными гидрохимическими показателями (см. табл. 6). Природа рассмотренных зональностей обусловливается долей артезианских вод в общем расходе рек, которая увеличивается вниз по их течению, а также степенью разбавления артезианских вод поверхностными и атмосферными водами в случае с Большим Голубым озером.

На бόльшем протяжении р. Солонка (от верховьев до гидроствора № 4) минерализация речной воды не превышает 0.6 г/л, а ее жесткость находится в диапазоне 4.3–6.0 ммоль/л. При этом концентрации SO₄^2– и Ca²⁺весьма незначительны. Подобные особенности состава характерны и для других малых рек, находящихся в сходных природно-техногенных условиях соседних областей, когда основное питание в меженные периоды осуществляется за счет грунтовых вод, локализованных в аллювиальных четвертичных и карбонатно-терригенных верхне- и среднепермских отложениях [18].

Оценка доли артезианских вод в расходах р. Солонка в ее приустьевой части в 80% в начальный период летней межени представляется весьма достоверной. Об этом свидетельствуют: согласованное поведение гидрохимических и гидрометрических данных; неизменность практически на всем протяжении реки характера верхней части геологического разреза, представленного аллювиальными песчано-глинистыми породами плиоцен-четвертичного возраста и среднепермскими терригенно-карбонатными образованиями; а также высокие значения минерализации и жесткости (за счет SO₄^2– и Ca²⁺), лишь немного уступающие соответствующим параметрам воды Голубых озер.

Довольно верной представляется и авторская 42–60% оценка доли артезианских вод в расходе р. Казанка на участке расположения Голубых озер и в ее приустьевой части. Некоторым подтверждением данной оценки являются расчеты сотрудников Института проблем экологии и недропользования АН РТ: приток в Казанку вод Большого и Малых Голубых озер обеспечивает около 20% суммарного объема речного стока на данном участке (здесь не учитывается вклад р. Солонка с 80% долей артезианских вод в расходе и многочисленных субаквальных и субфлювиальных источников артезианских вод); ежегодно с водами Голубых озер в Казанку поступает 61646 т сульфатов, что составляет 49% от их выноса со стоком реки [28].

Масс-спектрометрическая детекция значительного количества микрокомпонентов и использование для обработки их содержаний (несмотря на малое количество проб) методов многомерной статистики позволило выявить ассоциации компонентов, характеризующихся различной степенью концентрирования в приповерхностных и на более глубинных уровнях гидросферы. Это весьма важно для более точного выявления условий формирования состава природных вод на разных глубинных уровнях, более целенаправленного проведения дальнейших гидрогеохимических исследований, которые, в частности, могут подтвердить и уточнить намеченные закономерности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Природные воды северной окраины г. Казань обладают варьирующими в довольно широких пределах ионным составом и минерализацией. Специфику этой изменчивости во многом определяют подземные воды нижнепермских отложений, обладающие сульфатным кальциевым составом и минерализацией до 2.5 г/л, реже более. Их активная восходящая разгрузка в долинах рек Казанка и Солонка кроме гидродинамической предпосылки должна определяться проявлением интенсивной трещиноватости в пермских осадочных образованиях, а также невысокой мощностью и латеральной невыдержанностью глинистых прослоев в аллювиальном плиоцен-четвертичном долинном комплексе. Повышенная трещиноватость пермского основания речных долин может исходить уже из самого заложения рек, которые обычно тяготеют к ослабленным зонам верхней части земной коры. Некоторые предшествующие исследователи связывали зоны восходящей разгрузки артезианских вод в долине р. Солонка с наличием здесь локальной положительной структуры [7]. Такие структуры обычно характеризуются проявлением растягивающих напряжений, способствующих появлению трещин отрыва в их сводовых частях и на крыльях. Для Кадышево-Щербаковской положительной структуры максимальные артезианские водопритоки фиксируются в зонах субмеридиональной (на участке створов 6 и 7) и северо-восточной (на участке створов 5 и 6) ориентировки, такой же ориентировкой характеризуется цепочка Голубых озер вдоль русла р. Казанка, а минимальные – вдоль зоны субширотного направления (участок между гидростворами 7 и 8).

Отсюда может быть сделан вывод о максимальной проницаемости для артезианских вод трещинных зон субмеридионального и северо-восточного простирания и меньшей проницаемости трещинных зон субширотной и, вероятно, северо-западной ориентировки. Дополнительным фактором, благоприятствующим вертикальной восходящей фильтрации артезианских вод, является наличие положительных структур в верхней части геологического разреза, сводовые части которых расположены в пределах речных долин. Эти данные было бы интересно проверить на других участках долины р. Казанка, а также по долине р. Мёша, протягивающейся параллельно Казанке, расположенной в 30–40 км южнее и также дренирующей артезианские воды. Субширотно-субмеридиональная (ортогональная) и северо-восточная – северо-западная (диагональная) системы трещинных (разрывных) зон являются проявлением планетарной сетки трещиноватости, которая формируется за счет ротационных напряжений в процессе вращения Земли [17].

Разгрузка артезианских вод в долине р. Солонка начинается ниже моста через реку на трассе М-7 (ниже гидроствора № 4), а в долине р. Казанка важную роль она начинает играть в среднем и нижнем течении (ниже г. Арск). Это определяет повышенные значения минерализации, жесткости и сульфатности речных вод. Концентрации сульфатов учитываются при комплексной оценке степени загрязненности поверхностных вод. По действующему нормативному документу [23] они входят в обязательный перечень 15 ингредиентов и показателей качества воды для расчета комплексных оценок загрязненности. В исследованном районе повышенные содержания сульфатов имеют природный характер.

Природные факторы могут обеспечить сверхнормативные содержания в поверхностных водах железа, марганца и легко окисляемой органики (фиксируемой параметром биохимического потребления кислорода (БПК)), которые также фигурируют в этом обязательном перечне ингредиентов. В связи с этим, при расчетах различных показателей загрязнения поверхностных вод (комбинаторного, удельного комбинаторного индекса загрязненности и др.) необходимо учитывать условия формирования состава вод и отделять превышения предельно допустимых концентраций ингредиентов, определяемых природными и антропогенными факторами. Только в таком случае можно получить объективную пространственно-временную картину загрязненности поверхностных вод.

Очень важным обстоятельством является постоянство во времени (по крайней мере с середины XX в.) качественных показателей природных вод в изученном районе. Это свидетельствует о неизменности природно-техногенных условий, в первую очередь, за счет высокой скорости водообмена и невысокой интенсивности техногенного пресса.

Артезианские воды отличаются от грунтовых и поверхностных вод в районе Голубого озера концентрированием следующих микрокомпонентов: Li, Sr, Re, Se, Cr, U, в меньшей степени Cd и Ni. В поверхностных и грунтовых водах отмечаются более высокие содержания – Ba, Fe, Mn, As, Co. Критическое использование этих данных при дальнейших исследованиях также было бы весьма целесообразным.

Авторы выражают глубокую благодарность руководству и сотрудникам лаборатории геохимии, изотопного и элементного анализа Казанского федерального университета за проведенный анализ 7 гидропроб на масс-спектрометре с индуктивно связанной плазмой iCAP Qc.

About the authors

R. Kh. Musin

Kazan Federal University

Author for correspondence.
Email: Rustam.Musin@kpfu.ru
Russian Federation, Kremlevskaya ul. 18, Kazan, 420008

A. R. Idiyatullina

Kazan Federal University

Email: idiyatullina.2001@mail.ru
Russian Federation, Kremlevskaya ul. 18, Kazan, 420008

A. D. Khamitov

Kazan Federal University

Email: AyDKhamitov@kpfu.ru
Russian Federation, Kremlevskaya ul. 18, Kazan, 420008

K. R. Minnebaev

Kazan Federal University

Email: minnebayev17@gmail.com
Russian Federation, Kremlevskaya ul. 18, Kazan, 420008

References

Supplementary files