Результаты электрометрических исследований водной среды реки Селенга, ее притоков и акватории озера Байкал

Задачей тематической группы проекта «Дельта Селенги – естественный фильтр Байкала» лаборатории геоэлектромагнетизма ОФП БНЦ СО РАН было исследование электромагнитных процессов и явлений в дельте реки Селенга и прилегающей акватории озера Байкал на основе комплексного, синхронного и долговременного контроля гидросферы, литосферы и атмосферы дельты и прибрежной зоны с целью разработки радиофизических индикаторов состояния экосистемы дельты реки Селенга. Под радиофизическими индикаторами состояния мы понимаем тесно связанные с условиями окружающей среды физические величины (удельная электропроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемости, температура, плотность и т.д.), отображающие количественные характеристики контролируемых процессов и явлений, протекающих в дельте реки Селенга и озерных водоемах. Выделены следующие характеристики природных сред:

• 1)    физические свойства;

• 2)    характеристики состава;

• 3)    характеристики строения и состояния.

Экспериментальные исследования проводились методами электрометрии и лабораторного анализа проб воды и льда с использованием кондуктометра ММЗЧ-04 с датчиком УК-0.2/1, кондуктометра DIST WP3 фирмы “Hanna Instruments” и измерителя температуры и минерализации Primo-3.

Данных об электрических характеристиках воды и донного грунта дельты р. Селенга и оз. Байкал в литературе немного [1-5], весьма слабо изучены и естественные электромагнитные поля акватории. Между тем знание этих характеристик необходимо при решении ряда практических задач геологии, геофизики и физической экологии. В работах [6-8] показана целесообразность широкого использования удельного электрического сопротивления (УЭС) ^∗ природных вод ρ при геофизических, геологических и гидрологических исследованиях. Изучение электрических свойств поверхностных и грунтовых вод и электромагнитных полей на акваториях позволяет определить геоэлектрическое строение дна в прибрежной и глубоководной частях акваторий, установить связь электромагнитных явлений с физическими процессами в водной толще, ледовом покрове и земной коре Байкальской впадины. Для Байкала актуальна и техническая задача создания электромагнитных систем связи, навигации и телеуправления подводных и надводных исследовательских аппаратов.

Относительная комплексная диэлектрическая проницаемость воды ε к = ε +i60 λσ является функцией частоты, степени минерализации (солености), температуры и давления и хорошо описывается соотношениями, следующими из релаксационной теории Дебая ( λ - длина волны, м). Измерениями установлено, что удельная электропроводность σ (величина обратная УЭС) и диэлектрическая проницаемость ε природной воды слабо изменяются с частотой до 100 МГц и по величине близки к их значениям при постоянном токе. Изменение температуры на 1ºС увеличивает σ природной воды в пределах 2-3%, температурный коэффициент ε ≈ 0.35 град^-1. Увеличение σ воды при росте давления составляет 1% на 100 атмосфер и до глубины 1000 м влияние давления на σ воды можно не учитывать. В целом электропроводность воды изменяется в очень широких пределах от 4.3 ⋅ 10^-5 до 20 См/м ( ρ =0.05 ÷ 2.3 ⋅ 10⁴ Ом ⋅ м) [5].

Методика измерений и обработки результатов

В кондуктометрическом методе непосредственными измеряемыми величинами являются удельное электрическое сопротивление воды ρ , выражаемое в Ом ⋅ м, либо величина, обратная сопротивлению, σ - электропроводность воды, выражаемая в См/м. Прямой метод измерения сопротивления воды основан на применении закона Ома. Однако прямой метод обладает малой чувствительностью и на практике используют косвенный метод, состоящий в сравнении неизвестного сопротивления R_x с образцовыми (точно известными) сопротивлениями R изв . С этой целью используют мосты постоянного и переменного тока. Мост постоянного тока часто использует симметричную схему, характеризующуюся равенством "плечей отношения". Работа такой схемы напоминает процедуру взвешивания. Точки равновесия R_x= R _изв . В схемах постоянного тока при низком потенциале проявляется эффект поляризации зарядов. Применение переменного тока резко снижает эффекты, связанные с поляризацией электродов, и поэтому является необходимым условием для получения более точных результатов. При измерении кажущегося (или эффективного) удельного сопротивления воды в первом приближении можно пренебречь реактивной проводимостью, т.к. для используемых низких частот f <  20 кГц удельная электропроводность σ >>  ωε , где ω =2 π f, ε - диэлектрическая проницаемость пробы воды. Для устранения влияния поляризации электродов в кондуктометрических измерениях используются приемы Кольрауша, которые, как правило, полностью не устраняют поляризацию [9]. Для балансировки моста параллельно плечу сравнения подключают конденсатор переменной емкости или же магазин емкостей.

Измерение кажущегося удельного сопротивления проб воды осуществлялось с помощью кондуктометра ММЗЧ-04 (рабочая частота 1000 Гц) с датчиком УК-0,2/1. ММЗЧ-04 представляет собой мост переменного тока с магазином емкостей. Величина УЭС воды определяется по формуле: ρ = R каж [кОм]/k, где k - постоянный коэффициент датчика, зависящий от геометрии ячейки [9]. Пробы воды охлаждались в холодильной камере до +0,1ºС, затем вода нагревалась под воздействием комнатной температуры до 16 ÷ 25ºС. Измерения УЭС проводились через один градус. Погрешность оп-

• - УЭС – величина, обратная удельной электропроводности воды, измеряется в Ом ⋅ м.

ределения ρ не превышала 2%. Измерения УЭС вод рек, ручьев, озер и других водоемов, протекающих или находящихся на обследуемой территории в полевых (естественных) условиях, выполнялись с помощью кондуктометра DIST WP 3 и измерителя температуры и минерализации Primo-3. Указанный кондуктометр определяет значения УЭС воды, приведенные к температуре воды 25ºС. При этом определялась температура воды и бралась проба воды для определения в лаборатории с помощью кондуктометра ММЗЧ-04 истинного значения УЭС воды при фактической температуре, которую она имела на момент взятия пробы воды. Для перерасчета в полевых условиях значения УЭС воды, получаемого с помощью кондуктометра DIST WP 3, при фактической температуре воды, отличной от 25ºС, необходимо определение коэффициентов α и β , которые входят в формулу зависимости УЭС воды от температуры, т.е. ρ(t)=ρ0[1+ α (t-25º)+ β (t-25º)²].

На рис. 1 приведены тарировочные кривые для кондуктометров ММЗЧ-04 и DIST WP 3, результаты измерений проб воды и их анализ. В табл.1 приведены УЭС проб воды, взятых в дельте реки Селенга, заливе Сор-Запорная губа и других местах Байкальского региона. Данные указывают на существенную изменчивость УЭС проб воды в различных точках взятия проб воды как на реке Селенга, так и в других водоемах и грунтовых водах из-за различной минерализации воды. Установлено низкое УЭС грунтовых вод (высокая минерализация), взятых из колодцев, лежащих в районе дельты р. Селенга. Горные реки Хаим, Горная и некоторые другие имеют более высокие УЭС воды, чем байкальская вода. На рис. 2 представлены сезонные вариации УЭС воды реке Селенга в районе г. Улан-Удэ. Пробы брались ежемесячно начиная с августа 1998 г. Максимальные значения УЭС наблюдаются в зимние месяцы, когда сток воды минимален. Минимальное УЭС имеет место в весенний период (конец марта–апрель–начало мая), когда происходит интенсивное таяние снега и сток загрязненных поверхностных вод в реку. Сезонный ход УЭС имеет устойчивый характер с годичным ритмом. Летние значения УЭС также достаточно стабильны от года к году. Изменение УЭС воды от лета к зиме составляет 80-170 Ом^.м, т.е. более 2 раз в сторону увеличения. Следует отметить нелинейность зависимости ρ (t). Для всех проб воды проведена аппроксимация измеренных зависимостей ρ (t) полиномом 2-й степени: ρ (t) = ρ 15 [1+ α (t-t 15 )+ β (t-t 15 )²] и определены коэффициенты α и β , характеризующие температурный коэффициент УЭС (табл. 1).

Для девяти проб воды, взятых в заливе Сор-Запорная губа озера Байкал, линейный член α изменяется в пределах (2,3 ÷ 2,8) ⋅ 10^-2 град^-1, а квадратичный член β в пределах (4,8 ÷ 8,6) ⋅ 10^-4 град^-2.

Рис. 2. Сезонные вариации УЭС воды р. Селенга в районе г. Улан-Удэ (дебаркадер Речного порта).

Рис. 1. Тарировочные кривые для кондуктометров ММЗЧ-04 и DIST WP 3.

На рис. 3 представлены некоторые температурные зависимости УЭС проб воды для реки Селенга и других водоемов, а также грунтовых вод. По данным измерений, река Селенга имеет более низкое УЭС, чем байкальская вода в глубоководных частях акватории. Так, по данным работ [3, 5], приведенное к 18°С УЭС в верхнем 100 м слое воды изменяется от 83 до 105 Ом - м и в среднем составляет 91 Ом - м. Температура байкальской воды в слое 0-200 м изменяется в течение года от 0.1 до 15 ^ 23°С. На больших глубинах она постоянна в течение года и равна 3.2 ^ 3.8°С. Сезонные изменения температуры воды, достигающие 15-18ºС, приводят к образованию градиентной геоэлектрической среды, обусловленной хорошо выраженной температурной слоистостью водной массы. При этом разница сопротивлений между слоями воды может достигать 35-40 Ом - м. Геоэлектрический разрез верхнего слоя воды имеет сезонную зависимость. Так, подледный период и период весеннего прогревания (январь–начало июля) характеризуются плавным уменьшением сопротивления с возрастанием глубины до 100-150 м. Градиент сопротивления при этом незначительный и слой скачка УЭС в это время отсутствует. В период весенней гомотермии (третья декада июля–начало июля) температура всей толщи воды становится равной 3.3-4ºС. Горизонтальное распределение температуры верхних слоев воды в эти периоды наиболее стабильно, что указывает на отсутствие горизонтальных неоднородностей УЭС с масштабом 1-5 км. Первая половина года наиболее благоприятна для калибровочных электромагнитных измерений. Горизонтальная и вертикальная циркуляция вод создают более сложную картину горизонтального и вертикального распределения УЭС воды во вторую половину лета и осенью. Изучена миграция солевых включений в ледовом покрове оз. Байкал. Концентрация солей изменяется от 18 до 2.5 мг/л (при минерализации воды 120 мг/л). При невысоком снежном покрове лед озера сильно опресняется и в середине зимы при толщине льда около 1 м распределение концентрации солей по высоте имеет минимум 2.5 мг/л в центральной и нижней части керна. Верхний слой 0-4 см имеет концентрацию 18 мг/л (для сравнения – дистиллированная вода имеет 10 мг/л). УЭС воды из керна льда при температуре 2°С изменяется от 1670 до 8640 Ом - м в слое 40-50 см (верхний предел значительно выше УЭС бидистиллированной воды).

Рис. 3. Температурные зависимости УЭС проб воды, взятых в дельте реки Селенга и других водоемах Байкальского региона.

УЭС проб воды, взятых в дельте реки Селенга и других водоемах Байкальского региона

№	Место взятия пробы воды	ρ 15 , Ом ⋅ м	α .10-2, град 1	β .10-4, град-2
1	Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 1, 52008’33”N, 106017’28”E, 29.08.01	81	-2.8	5.1
2	Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 2, 52008’55”N, 106017’08”E, 29.08.01	82.3	-2.6	5.5
3	Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 3, 52009’12”N, 106016’50”E, 29.08.01	78.5	-2.7	5.1
4	Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 4, 52009’43”N, 106016’01”E, 29.08.01	84.2	-2.7	4.8
5	Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 5, 52010’15”N, 106015’34”E, 29.08.01	74.4	-2.4	8.3
6	Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 6, 52010’30”N, 106015’07”E, 29.08.01	84.4	-2.6	6.3
7	Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 8, 52009’16”N, 106017’41”E, 29.08.01	82.6	-2.4	8.6
8	Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 9, 52009’34”N, 106018’33”E, 29.08.01	84.1	-2.3	8.3
9	Байкал, р-он с. Истомино, залив Сор-Запорная губа, проба 10, 52007’57”N, 106017’19”E, 29.08.01	73.6	-2.4	8.2
10	р. Селенга, г. Улан-Удэ, 25.08.01	90.3	-2.6	6.9
11	р. Селенга, р-он с. М.Колесово, 30.08.01	82.1	-2.6	5.9
12	р. Селенга, р-он с. Ранжурово, 29.08.01	84.9	-2.2	9.4
13	р. Селенга, с. Фофаново	70.8	-2.1	10.2
14	р. Селенга, с. Красный Яр	67.9	-1.4	18.3
15	р. Селенга, протока Лобаниха	77.2	-2.8	2.6
16	Залив Провал, р-он с. Оймур	12.4	-2.4	6.5
17	р. Горная, р-он с. Мостовка, 30.08.01	207.7	-2.6	7.3
18	р. Турка, 25.08.02	175	-2.1	14.5
19	р. Хаим, 25.08.02	256	-1.7	6.8
20	Байкал, пирс в с. Истомино, 52009’12”N, 106019’25”E	67.9	-2.3	9.4
21	Байкал, р-он п. Горячинск, 25.08.02	106.7	-3.9	7.0
22	Колодец в с. Истомино, h=6 м (база ЛДЗ), 28.08.01	29.9	-2.5	8.2
23	Колодец в с. Истомино, h=6 м, 28.08.01	19.1	-2.4	9.4
24	Колодец в с. Ранжурово, 52010’41”N, 106025’30”E, 30.08.01	16.4	-2.2	6.5
25	Колодец с. Оймур, 52019’14”N, 106048’41”E, 17.03.02	49	2.4	3.8
26	Озеро у радиостанции РВ-63 вблизи п.Селенгинск, 27.08.01	98.2	-2.1	13.6
27	Вода из керна льда, залив Провал (h=35-40 см), 17.03.02	1750	–	–
28	Вода из керна льда, Баргузинский залив (h=30-50 см)	6500	–	–
29	Отстой №1 Селенгинского ЦКК, 5.08.02	8	–	–
30	Отстой №2 Селенгинского ЦКК, 5.08.02	8	–	–
31	Отстой №3 Селенгинского ЦКК, 5.08.02	7,5	–	–
32	р. Хаим, 25.08.02	256	–	–
33	Горячинск, источник, 25.08.02	16	–	–
34	Дельта Селенги, Протока Шаманка, 15.08.02	85	–	–
35	На русле р. Селенга (у о. Байкал), 15.08.02	84	–	–
36	Дельта Селенги, маяк на о. Гусевский, 15.08.02	86	–	–
37	Дельта Селенги, о. Гнилой, 15.08.02	83	–	–
38	Дельта Селенги, о. Семеновский, 15.08.02	83	–	–
39	р. Шара Горхон, 2.09.02	356	–	–
40	р. Курба Кул, 2.09.02	314	–	–
41	р. Талут, 2.09.02	292	–	–
42	р. Алан, 2.09.02	232	–	–
43	р. Могой, 2.09.02	77	–	–
44	р. Хасурта, 2.09.02	35	–	–

В табл. 2 представлены измерения УЭС воды реки Селенга в створе вблизи ст. Наушки.

Профиль УЭС воды р. Селенга в створе вблизи ст. Наушки 24.06.2003 г.

№ мерной точки створа	T,ºC	Минерализация, мг/л	ρ , Ом∙м	Глубина реки, h, м
1	17,7	186	44,1	1,5
2	17,5	180	41,3	2
3	17,6	186	41	2,1
4	17,5	186	41,3	1,8
5	17,8	185	40,3	3,2
6	17,9	185	39,4	1,2
7	18	186	39,4	0,7

Координаты створа 53º 23’ 09’’ N; 106º 04’ 59’’ Е, расстояние между мерными точками составляет 10 м.

Выводы

• 1.    Данные кондуктометрических исследований водной среды реки Селенга и акватории озера Байкал показывают существенную изменчивость УЭС в различных пунктах взятия проб воды из-за различной ее минерализации. Установлено низкое УЭС грунтовых вод, взятых из колодцев, расположенных в районе дельты р. Селенга.

• 2.    В результате ежемесячных измерений УЭС проб воды в реке Селенга в районе г. Улан-Удэ получен сезонный ход УЭС воды с годичным ритмом. Изменение УЭС воды, приведенное к одной температуре (4^оС), от лета к зиме составляет 20-25% в сторону увеличения. Абсолютные значения естественного хода УЭС воды от лета к зиме составляют 80-170 Ом ⋅ м, т.е. увеличиваются более чем в 2 раза.

Статья подготовлена при финансовой поддержке Междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 56 и грантов РФФИ № 08-02-98007, № 09-05-98611, № 08-05-98038, № 08-05-98044.