София Романова - Бессточные водоемы Казахстана. Том 1. Гидрохимический режим

В аридное озеро поступают сульфатные, сульфатно-карбонатные воды рек, (более минерализованные) карбонатные и сульфатные воды подземного питания, а также сульфатные и карбонатные воды атмосферных осадков. Эти воды смешиваются с сульфатной водой озера. При смешении этих вод ведущим является смешение карбонатных и сульфатных вод, в результате чего происходят реакции двойного обмена, приводящие к труднообратимому изменению химического состава, т.е. к метаморфизации вод. В составе карбонатных вод (особенно грунтовых) содержится карбонат натрия. Он образуется в результате процессов осолонения солончаков, а также выветривания полевых шпатов, а затем вымывается грунтовыми водами и реагирует с сульфатами кальция и магния из сульфатных вод, вследствие чего карбонаты кальция и магния оседают, а вода озера Балкаш, так же как и озера Алаколя, обогащается сульфатом натрия:

CaSO 4+ Na 2CO 3→CaCO 3↓+ Na 2SO 4(1.1)

CaSO 4+ Na 2CO 3+ nH 2O → Na 2CO 3. CaCO 3↓. 5H 2O + Na 2SO 4+ (n-5)H 2O (1.2)

MgSO 4+ Na 2CO 3→ MgCO 3↓ + Na 2SO 4(1.3)

Относительно влияния подземных и грунтовых вод на гидрохимию водоема следует сказать следующее. Специальными гидрохимическими исследованиями установлено, что в береговых участках большинства аридных озер образуются довольно обширные и глубокие депрессии уровня грунтовых вод [11]. Эти депрессии обусловлены «фитилиевым эффектом» [24], более интенсивным испарением воды с поверхности грунтового потока, приближающегося к водоему. Выявлено также, что уровень воды в середине депрессии, площадь которой соизмерима с площадью ЗБ, примерно на 7,0 м ниже уровня воды в оз. Балкаш. Из–за наличия такой депрессии и мощного фильтрационного потока из береговой зоны озера в сторону депрессии устремляется значительная масса солей.

Как полагает профессор А.А. Турсунов, этот фактор является одним из главных расходных статей солевого баланса аридных водоемов. Аналогичные депрессии проявляются у берегов других континентальных озер и водохранилищ Казахстана.

В общем виде путь метаморфизации вод и рассолов всех типов М.Г.

Валяшко изображает следующей схемой: Р 1+ Р 2Р 3+ твердая фаза, где Р 3– метаморфизованная вода. По мнению Б.А. Беремжанова такие реакции могут иметь место не только в аридном водоеме, но и при возникновении соответствующих условий в реках и подземных водах. Возможно, в маломинерализованных частях озера или водотоках, питающих озеро, эти реакции будут идти гораздо медленнее, но в результате длительности смешения, карбонаты кальция и магния оседают, озёрная вода обогащается сульфатом натрия [81; 82].

В исследуемых водах озер имеется гидрокарбонат кальция. До последнего времени метаморфизующее действие гидрокарбоната кальция связывали с различными реакциями двойного обмена:

Реакция Валяшко:

Специальные исследования [81] показали, что все эти реакции действительно осуществляются, но по количеству образующихся твердых фаз ведущее значение имеет первая реакция. Получающиеся в этой реакции гипс и основной карбонат магния составляют 99% новообразованного осадка. При небольшом содержании сульфата магния в растворе реакция практически не происходит, а идет только разложение гидрокарбоната кальция. Но в основной массе, например, в балкашской воде, из–за высокого содержания гидрокарбонат – и карбонат – ионов при расчёте по условной методике связывания ионов в соли сульфата магния образуется мало; и поэтому здесь должно иметь место простое разложение гидрокарбоната кальция.

Как было отмечено выше, воды, поступающие в озёра, обычно вносят с собой большое количество взвешенных минеральных веществ, в которых содержатся частицы, способные к катионному обмену. Речные и грунтовые воды карбонатного типа несут коллоидно-глинистые частицы, поглощающий комплекс которых характеризуется обилием кальция. Содержащийся в коллоидно-глинистых частицах поглощающий комплекс попадает в смесь вод и может произвести катионный обмен, приводящий к садке труднорастворимых солей и увеличению относительной концентрации сульфатов по одной или нескольким из следующих схем:

Са (п.к.) + Na 2CO 32Na (п.к.) + СаCO 3(1.8)

Са (п.к.) + Na 2SO 42Na (п.к.) + Са SO 4(1.9)

Са SO 4+ Na 2CO 3Na 2SO 4+ СаCO 3(1.10)

Са SO 4+ MgCO 3Mg SO 4+ СаCO 3(1.11)

Са (п.к.) + 2NaCl 2Na (п.к.) + СаCl 2(1.12)

СаCl 2+ Na 2CO 32NaCl + СаCO 3(1.13)

СаCl 2+ MgCO 3MgCl 2+ СаCO 3(1.14)

Таким образом, метаморфизация воды, обусловленная реакциями ионообмена, также приводит к садке карбоната кальция.

Говоря о метаморфизации воды озера, нельзя упускать из вида прибрежную метаморфизацию , имеющую прямое влияние на изменение состава воды в озере (термин «прибрежная» метаморфизация впервые предложен Б.А. Беремжановым [81]). Балкаш в силу большой узрезанности береговой полосы имеет много заливов и шиганов. Вследствие периодического колебания уровня озера при очередном понижении его отделившиеся от Балкаша заливы, лагуны и озёра имеют самостоятельную жизнь. Вода в них быстрее и сильнее прогревается и слой испарения здесь больше, чем в открытом водоеме. В связи с этим озерная вода, являясь по существу раствором солей, постепенно концентрируясь, взаимодействует с углекислым газом воздуха, с береговыми и донными породами и поступающими в них поверхностными и грунтовыми водами. Появляется градиент концентрации, который из-за молекулярных эффектов еще больше усиливает миграцию солей из средних частей акватории озера в береговую зону. При смене направления ветра и сгоне воды большие площади мелководий обсыхают, содержащиеся в них гидрокарбонаты переходят в карбонаты, за счет «фитилиевого» эффекта соли поднимаются к поверхности, обезвоживаются, образуя белый налет. Ветер выполняет свою работу по так называемому «эоловому опреснению». Все эти процессы приводят к метаморфизации воды в отделившихся озерах.

При следующем подъёме уровня в Балкаше отделившиеся озёра затопляются и содержащиеся в них соли растворяются. Но к воде основного озера присоединяются уже не те соли, которые от неё отделились. В зависимости от глубины процессов, которые происходят в отделившихся озёрах, времени, в течение которого они были отделены, и если они успели изменить свой тип, то при воссоединении с балкашской водой они оказывают на неё метаморфизующее действие.

Накопившийся в отделившихся озерах коллоидный глинистый материал и содержащийся в них поглощающий комплекс (ПК) при смешении с балкашской водой также метаморфизует ее путем катионного обмена.

Следует отметить, что кроме многолетних больших циклов имеются более короткие периодические подъёмы и спады уровня внутри этих циклов. Кроме всего этого, на озере наблюдаются ежегодные весенние разливы и отливы. Все эти долговременные и кратковременные отделения части воды озера Балкаш в виде крупных или мелких озер приводят к полной или частичной метаморфизации, которая названа здесь прибрежной метаморфизацией воды озера. Специальными исследованиями 1986 г. автора показало, что в одном из полуотшнурованных заливов длиною около 5 км минерализация возрастала от 4,2 г/л до 9,9 г/л. Минерализация воды отшнурованных от Балкаша заливов в это время достигала 76,1 и 88,3 г/л. Аналогичное явление наблюдается и в другом аридном водоеме оз. Чаны. Здесь соленость воды постепенно возрастает по мере удаления от оз. Малый Чаны (1,17% о) до Ярославского плеса (7,85% о) [49]. При таких значениях минерализации в глубоких слоях воды происходит осаждение сульфатных солей. Благодаря подобному явлению многочисленные озера Прибалкашья служили и служат источником природных солей [81]. Перспективность Прибалкашья отмечалась Л.М. Гроховским [86] еще в 1963 г., который подсчитал общий запас мирабилита и тенардита в озерах, составляющий около 10 млн.т.