Современный химический состав вод озер Мазуевской карстовой депрессии

Карстовые озера - уникальные водные объекты, отличающиеся от других генетических типов озер большим разнообразием условий питания и стока, морфометрическими и генетическими характеристиками озерных котловин, водным и гидрохимическим режимом. Эволюция их протекает достаточно быстро, часто рядом располагаются озера на различных стадиях развития, что позволяет охарактеризовать процессы формирования озерных котловин и химического состава их вод.

Согласно карстологическому районированию, Мазуевская карстовая депрессия является частью Кишертского (Кишерт-ско-Суксунского) района преимущественно гипсового и карбонатно-гипсового карста, включает в себя карстовую р. Мазу-евку и Мазуевскую озерную депрессию. Депрессия протягивается с северо-запада на юго-восток почти на три километра и имеет ширину около 400 м. В районе Ма-зуевской депрессии насчитывается большое количество карстово-спелеологических объектов. Впервые депрессия обследована В.А. Варсанофьевой в 1911 г. Кафедра динамической геологии и гидро

геологии Пермского государственного университета изучает депрессию с 1957 г. Последние обследования проводились в 2014 и 2017 гг. Схема отбора проб представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема опробования озер Мазуевской депрессии

Геологические, гидрогеологические и карстологические условия территории

Кишертско-Суксунский карстовый район расположен в зоне сочленения Уфимского вала и Юрюзано-Сылвенской депресии (Горбунова, 1965; Горбунова и др., 1992).

Мазуевская озерная карстовая депрессия образовалась на восточном крыле Уфимского вала за счет выщелачивания сульфатных отложений (гипсов и ангидритов) поповской свиты и частично филипповского горизонта кунгурского яруса пермской системы. Формирование депрессии продолжается в настоящее время, об этом свидетельствуют свежие провалы.

Исходя из особенностей геологического строения, в пределах Мазуевской депрессии выделяются следующие подразделения:

• •    сульфатно-карбонатные отложения кунгурского яруса (Р 1 kg);

• •    терригенные породы соликамской свиты уфимского яруса – (Р 2 u sl ),

• •    карстово-обвальные (N-Q) и элювиально-делювиальные отложения (edQ).

Кунгурский ярус сложен мергелями, доломитизированными мергелями, глинами, глинистыми известняками, песчаниками с прослоями и линзами гипса и ангидрита. В терригенном комплексе уфимской свиты распространены мергели с прослоями алевролитов, аргиллиты с прослоями песчаников. Карстово-обвальные и элювиально-делювиальные отложения представлены глиной щебнистой с прослоями суглинка щебнистого.

Исследуемая территория расположена в зоне разгрузки карстовых вод Уфимского вала. Воды, сформированные в его пределах, образуют единый водоносный горизонт пресных, гидрокарбонатно-кальциевых вод. Сток подземных вод сконцентрирован в наиболее закарстован-ных и трещиноватых зонах, а также по литологическим контактам пород. Разгрузка вод горизонтальной и сифонной циркуляции Уфимского вала осуществляется в виде нисходящих и восходящих источников, фильтрации в аллювий и карстовые брекчии, а также в выветрелые гипсы, что создает условия для образования сульфатно-кальциевых вод с минерализацией до 3 г/дм3.

В районе преобладают закрытый и подаллювиальный типы карста, который характеризуется разнообразными формами проявления. Мазуевский участок относится ко второй стадии развития гипсового карста – это озерная депрессия с сульфатными источниками. Морфометрические параметры озерных котловин представлены в табл. 1.

Таблица 1. Морфометрические характеристики озерных котловин

Номер озера (название)	Форма в плане	Морфометрические характеристики, м			Примечание
		длина	ширина	глубина
№1	круг	34,0	34,0	4,0	Озеро в карстовом чашеобразном понижении. Борта умеренно пологие, заросли кустарником
№2	эллипс	30,0	60,0	0,8	Карстовое озеро в блюдцеобразном понижении. Борта пологие, дно плоское
№3	круг	30,0	30,0	0,5	Карстовое озеро в блюдцеобразном понижении. Борта заросли кустарником, сглаженные, дно плоское
№4	круг	50,0	50,0	1,5-2	Озеро в карстовом чашеобразном понижении. К.А. Горбуновой (1957 г.) отмечено как озеро Малое
№5	эллипс	215,0	80,0	6,0	Озеро в карстовом чашеобразном понижении. К.А. Горбуновой в 1958 г. отмечено как озеро Большое. В 2014 г. экспедицией кафедры отмечено как Светлое
№6 (Черная Яма)	овал	60,0	50,0	4,5	Дно плоское, северный и северо-восточный склоны крутые, южный – пологий
№7 (Озеро со сплавиной)	круг	65,0	65,0	-	Озеро затянуто сплавиной, заросло молодым лесом
№8 (Карасье)		400	до 110	4,5	Озеро полностью затянуто сплавиной, открытые участки имеются у северо-западного и частично восточного берега

Рис. 2. Схема движения подземных вод и расположения карстовых озер

Депрессия протягивается с северо-запада на юго-восток почти на три километра и имеет ширину около 400 м. В ней развиты такие поверхностные формы карста, как воронки, карстовые озера, поно-ры, восходящий сульфатный источник.

Сток подземных вод внутри депрессии направлен с северо-запада от зоны поглощения к зоне восходящей сифонной разгрузки в долине р. Мазуевка, являющейся притоком основной дрены – р. Сылвы (рис. 2).

По гидрологической классификации р.Сылва относится к транзитным нейтральным рекам. Соотношение дождевого и подземного питания 85 и 15% соответственно (без учета талых вод) (Максимович, 1969). Пересекая различные районы и участки, сложенные карстующимися сульфатными и карбонатными породами, р. Сылва имеет сбалансированное и стабильное содержание основных макрокомпонентов, что позволяет использовать химический состав речных вод как «эталон» для определения преобладающего источника питания (атмосферного, поверхностного, подземного) для различных водо-проявлений района (Катаев, 2017). Химический состав и минерализация р.Сылва по результатам опробования в 2014 г. выше и ниже впадения р. Мазуевка следующие: минерализация 332 и 379 мг/дм³ соответственно, содержание НСО 3 ^- – 180 и 210 мг/дм³, SО 4 ^2- – 103 и 131 мг/дм³, Ca²⁺ – 80 и 93 мг/дм³.

Характеристика вод покровных отложений

Верховодка и грунтовые воды в тонких проницаемых прослоях на водоразделах и их склонах формируются только в корот- кие периоды интенсивного снеготаяния и при продолжительных обильных ливнях. По фондовым данным воды верховодки гидрокарбонатно-кальциевые, магниевые, с минерализацией от 0,1 до 1,0 г/л. Глубина залегания верховодки в д. Мазуевка, выявленная скважинами и колодцами, колеблется от 0,2 до 7,0 м, чаще всего составляет 1-3 м.

Характеристика вод коренных отложений

Высокая водообильность закарстован-ных пород поповской свиты объясняется благоприятными условиями питания подземных вод за счет инфильтрации и ин-флюации атмосферных осадков через трещины, поноры и воронки. Коэффициент фильтрации достигает 100-200 м/сут.

Химический состав подземных вод кунгурской карбонатно-сульфатно-терригенной свиты характеризуется разнообразием и пестротой. По анионному составу выше вреза эрозионной сети формируются гид-рокарбонатные, гидрокарбонатно-сульфат-ные, сульфатно-гидрокарбо-натные, реже сульфатные воды с различным сочетанием катионов. Ниже уровня местных дрен получили развитие сульфатные, сульфат-но-хлоридные и хлоридные воды. Режим подземных вод свиты тесно связан с выпадением атмосферных осадков, амплитуда колебания УГВ не превышает 3-4м (Килин и др., 2015).

Химический состав озерных вод

По результатам экспедиции кафедры в 2014 и 2017 гг. было опробовано восемь карстовых озер, а также восходящий сульфатный карстовый источник подземных вод. Опробование проводилось с целью выявления изменений в химическом составе вод. Пробы отбирались как с поверхности озер, так и с глубины (о. Карасье). Химический состав озерных вод определяется тремя гидрохимическими фациями: гидрокарбонатно-кальциевой, гидрокарбонатно-кальциево-сульфатной и сульфатно-гидрокарбонатно-кальциевой (Крутик, 2016). Сравнение данных о современном фациальном составе с данными прошлых лет приведено в табл. 2.

Таблица 2. Фациальный состав озерных вод Мазуевской депрессии (по Г.А. Максимовичу)

Год	Источник	Номер и название озера
		№1	№2	№3	№4	№5 Большое/ Светлое	№6 Черные ямы	№7 Озеро со сплавиной	№8 Карасье
1958	Максимович, 1969	-	-	-	-	SO 4 2--Са2+-HCO 3 -	HCO 3 - -Ca2+-Mg2+	HCO 3 -- Na+-Ca2+	HCO 3 --SO 4 2--Ca2+
1969	Ященко, 1973	-	-	-	-	SO 4 2--Са2+-HCO 3 -	HCO 3 --Са 2+	HCO 3 --Са2+	HCO 3 --Са2+
2006	фонды	HCO 3 --Са2+	HCO 3 -- SO 4 2--Na+- Са2+	HCO 3 --SO 4 2--Ca2+	-	-	-	-	-
2007	фонды	HCO 3 --Са2+	HCO 3 --Са2+-Mg2+	HCO 3 --Ca2+-Na+	-	SO 4 2--HCO 3 --Са2+	-	-	-
2008	фонды	HCO 3 --Са2+	HCO 3 --Ca 2+ (Na+)	-	-	HCO 3 --SO 4 2- -Ca2+	-	-	-
2009	фонды	HCO 3 --Са2+- SO 4 2-	HCO 3 --Ca 2+ (Na+)	HCO 3 --SO 4 2--Na+	-	HCO 3 - SO 4 2- -Са2+	-	-	-
2010	фонды	HCO 3 --Ca2+-Na+	HCO 3 --Ca 2+ (Na+)	-	-	-	-	-	-
2014	фонды кафедры	HCO 3 --Са2+	HCO 3 --Са2+	HCO 3 --Са2+	HCO 3 --Са2+-SO4 2-	SO 4 2--Са2+-HCO 3 -	HCO 3 --Са2+-SO4 2-	HCO 3 --Са2+	HCO 3 --Са2+
2017	фонды кафедры	HCO 3 --Са2+	HCO 3 --Са2+	HCO 3 --Са2+	-	SO 4 2--Са2+-HCO 3 -	-	HCO 3 --Са2+	HCO 3 --Са2+

По генетической классификации (Максимович, 1969) на исследуемой территории выделены два типа озер – карстовые озера зоны вертикальной нисходящей циркуляции , озера зоны горизонтальной циркуляции карстовых вод .

По характеру питания (Катаев, 2000) все исследованные озера относятся к двум типам: озера-воронки поверхностного питания , озера-воронки со смешанным питанием .

Карстовые озера зоны вертикальной нисходящей циркуляции (область поглощения) формируются в коррозионных и коррозионно-суффозионных воронках и котловинах, днища которых находятся выше уровня карстовых вод.

Постепенно гидродинамическая связь с горизонтом карстовых вод исчезает в результате кольматации трещин и поноров на дне озерной котловины, и она заполняется талыми, дождевыми и отчасти грунтовыми водами. По условиям питания такие озера относятся к типу озера-воронки поверхностного питания и характеризуются содержанием основных анионов и катионов в следующих диапазонах значений: HCO3- (50–180 мг/дм3), SO42- (1–160 мг/дм3), Ca (25 –70 мг/дм3) и низкой минерализацией (150–350 мг/дм3) (Катаев, 2017).

Карстовые озера-воронки поверхностного питания водами атмосферных осадков и поверхностного стока

Озеро №3 (период исследований 20062017) – воды от ультрапресных до пресных, с 2006 г. минерализация уменьшается, в 2010 г. озеро полностью пересохло, а в последующие годы наблюдается очень низкая минерализация – 97–113 мг/дм³, что говорит о преимущественном питании талыми и дождевыми водами.

Озеро №4 (период исследований 2014). Воды озера пресные, в химическом составе преобладают гидрокарбонат-ионы и катионы кальция.

Озеро №6 (Черные ямы) (период исследований 1958, 1969, 2014) – воды от ультрапресных до пресных, с преоблада- нием гидрокарбонат-ионов и катионов кальция.

Озеро №7 (Озеро со сплавиной) (период исследований 1958, 1969, 2014, 2017) – воды от ультрапресных до пресных, в 2017 г. зафиксирована минерализация 74 мг/дм³, а в предыдущие годы она составляла не менее 170 мг/дм³.

Озеро №8 (Карасье) (период исследований 1958, 1969, 2014, 2017) – самое большое озеро депрессии. Является геологическим памятником природы, входит в список ООПТ регионального значения. Расположено в юго-восточной части, замыкая собой цепочку озер. Практически полностью затянуто сплавиной. В 2014 г. проведено опробование в южной оконечности озера на открытом участке воды с трех глубин – 1,5; 2 и 4,5 м, изменений химического состава с глубиной не зафиксировано. Воды за весь период опробования ультрапресные, с преобладанием гидрокарбонат-ионов и катионов кальция.

Среднее содержание Mg2+ для всех озер этого типа 12,8 (5,1-46,2) мг/дм3, Cl- – 6,5 (0,5-10) мг/дм3.

Стоит отметить, что высокое содержание катионов натрия и калия характерно для периода с 2006 по 2010 г., а в последующие годы не превышает 5 мг/дм3. Повышенное содержание Mg2+ встречается спорадически.

Карстовые озера зоны горизонтальной циркуляции карстовых вод (область подземного стока) формируются в воронках и котловинах различного генезиса, представляют собой гидрогеологические окна. Дно этих озер вскрывает горизонт подземных карстовых вод. В таких условиях основное питание озер осуществляется за счет подземных и грунтовых вод, в меньшей степени за счет атмосферных осадков. Химический состав озер определяется характером доминирующего питания. Так для озер с преобладающим питанием водами покровных отложений характерны следующие диапазоны содержаний основных анионов и катионов: HCO3- (250– 600 мг/дм3), SO42- (1–150 мг/дм3), минерализация от 350 до 1100 мг/дм3. Для озер с доминирующим питанием водами коренных карстующихся сульфатных отложений характерно преобладание SO42- (300– 700 мг/дм3) при невысоком содержании HCO3-(50–150 мг/дм3) (Катаев, 2017).

Карстовые озера-воронки смешанного питания с доминирующим питанием водами покровных отложений

Озеро №1 – за весь период исследований (2006-2017) воды пресные, в химическом составе преобладают гидрокарбонат-ионы и катионы кальция.

Озеро №2 (период исследований 20062017) – воды от пресных до пресных с относительно повышенной минерализацией. В 2007 г. зафиксирована наибольшая минерализация за весь период наблюдений – 1012 мг/дм³ (в остальные годы не более 630 мг/дм³) за счет гидрокарбонат-ионов (750 мг/дм³) и катионов кальция (152 мг/дм³).

Озера-воронки с доминирующим питанием водами коренных карстующихся сульфатных отложений

Озеро №5 (Большое/Светлое) на протяжении всего периода исследований (1958, 1969, 2007-2009, 2014, 2017) имеет относительно стабильный химический состав, гидрохимическая фация определяется сульфат-ионами, гидрокарбонат-ионами и катионами кальция. Однако в 2008–2009 гг. зафиксировано снижение содержания сульфат-ионов и катионов кальция, в результате чего произошла смена формации с сульфатной на гидро-карбонатную.

Источники зоны горизонтальной циркуляции разгружаются в аллювий речных долин или подрусловые пустоты.

Родниковая яма с грифонами (№11) Относится к типу расширенных устьев восходящих карстовых источников, питающихся напорными пластовыми водами (Горбунова, 1968). Расположена в пойме р. Мазуевка, западнее оз. Карасье. Воды родника солоноватые, с сульфатно-кальциевой фацией. Содержание основных компонентов за 2014-2017 гг. колеблется в следующих пределах: НСО 3 ^- – 284–311 мг/дм³, SО 4 ^2- – 939-1032 мг/дм³,

Ca2+ – 404–449 мг/дм3, Na+K – 1–4,5 мг/дм3, Mg2+ – 29–35 мг/дм3. Минерализация – 1669–1695 мг/дм3, жёсткость – 25,3

мг-экв/дм3, водородный показатель – 7,3. Содержание основных макрокомпонентов представлено в табл. 3.

Таблица 3. Содержание основных макрокомпонентов в озерных водах Мазуевской депрессии

Озеро	Среднее содержание основных анионов и катионов (Min-Max значение), мг/дм 3
	НСО 3-     \	SO 42-        \	Са 2+      \	Минерализация
Карстовые озера-воронки поверхностного питания водами атмосферных осадков и поверхностного стока
№3	146 (70–220)	46 (1–120)	35 (18–84)	267 (97–468)
№4	285	165	49	58
№6	159 (134–183)	8,5 (1–16)	40 (28–53)	226 (200–264)
№7	124 (54–172)	3,5 (0,7–9)	27 (16–45)	165 (74–229)
№8	109 (85–140)	17 (1–33)	25 (16–32)	167 (143–180)
Карстовые озера-воронки смешанного питания с доминирующим питанием водами покровных отложений
№1	316 (268–366)	15,5 (1,2–52)	67 (54–82)	449 (386–531)
№2	390 (262–750)	27 (0,6–115)	81 (60–152)	562 (368-1012)
Озера-воронки с доминирующим питанием водами коренных карстующихся сульфатных отложений
№5     \	221 (119–373) \	360 (110–778) \	181 (60–435) \	813 (514–1600)

Выводы

Таким образом, по результатам исследований воды озерных котловин Мазуев-ской депрессии характеризуются двумя гидрохимическими формациями – гидро-карбонатной и сульфатной. Формационный состав на протяжение всего периода наблюдений практически не изменялся.

Фациальный состав вод более изменчив, он находится в прямой зависимости от количественного содержания основных компонентов – HCO 3 ^-, SO 4 ^2- и Ca²⁺, а также связан с эпизодическим увеличением таких элементов, как Mg²⁺ и Na+K. Это в основном обусловлено эволюцией озерных котловин, дно которых со временем заполняется осадками, происходит коль-матация придонных трещин, в результате чего уменьшается подток карстовых вод и усиливается влияние состава атмосферных осадков и сезонных вод поверхностного стока. Кроме того, фациальная изменчивость может быть связана с годовым ходом осадков в регионе, уменьшение которых способствует снижению уровня подземных вод и, как следствие, – сокращению их доли в питании озер.

Полученные данные позволили уточнить характер питания озер, а также до- полнить гидрохимическую модель указанного района.

Кроме того, авторами были исследованы ранее не изученные озера в северозападной части депрессии, что позволило более полно охарактеризовать химизм и морфологию карстовых озер.