Гидрогеологические условия формирования подземного стока в Онежское озеро

Гидрогеологические условия формирования подземного стока в Онежское озеро

Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН, Петрозаводск, Россия

Онежское озеро является вторым по величине водоемом Европы, уступая по площади водной поверхности и объему водной массы лишь Ладожскому озеру. Оба озера расположены в умеренном поясе, в зоне избыточного увлажнения, в зоне сочленения Балтийского (Фенноскандинавского) кристаллического щита с Русской плитой в районе обширного распространения четвертичных отложений.

До настоящего времени Онежское озеро остается единственным крупным озером России, для которого не проводилась количественная оценка формирования подземного водного и солевого баланса. Вместе с тем, без знаний о подземном водообмене озера и суши водный баланс озера остается незамкнутым. Опыт предыдущих исследований (Каспийское море, Ладожское озеро, озера Байкал, Балхаш) [1, 2] показывает, что подземный сток в крупные водоемы оказывает существенное влияние на формирование водного, солевого, температурного и гидробиологического режимов береговой зоны озер.

В естественном состоянии Онежское озеро принимало сток с водосборного бассейна площадью 53100 км2. Площадь самого водоема составляла 9720 км2. После строительства Верхне-Свирской ГЭС озеро стало водохранилищем, и его водосборная площадь увеличилась до 57300 км2, а площадь водохранилища – до 9840 км2 [3]. Около 70% территории бассейна озера относится к Республике Карелия, остальная часть расположена в Ленинградской, Вологодской и Архангельской областях.

В Онежское озеро впадают 1152 реки, из которых лишь 52 имеют длину более 10 км. Более половины бассейна занято водосборами трех главных его притоков: рек Шуи, Суны, Водлы. Суммарный речной среднемноголетний годовой сток в Онежское озеро равен 17,8 км3. Вытекает из озера лишь одна река – Свирь, крупнейший приток Ладожского озера (рис.1).

Для изучения и количественной оценки подземного стока используются методы исследования, основанные в первую очередь на анализе условий формирования подземного стока в пределах водосборной и, прежде всего, прибрежной части суши, сток с которой направлен непосредственно в озеро, минуя речную сеть [1, 2]. Следовательно, подземный сток в Онежское озеро формируется в пределах гидрографических районов 3, 4, 6, 7 (рис.1.), где выделяются различные по площади участки прибрежной зоны с непосредственным подземным стоком в озеро. Подземный сток, направленный в реки, притекающие в озеро, количественно уже учтен в объеме среднемноголетнего речного стока.

Котловина Онежского озера располагается на стыке двух крупных морфоструктурных зон, резко различных по особенностям строения рельефа побережья и дна озера. Для северной части свойственен резко расчлененный рельеф побережья и дна с частыми выходами коренных пород фундамента и маломощным покровом рыхлых отложений. Южная зона характеризуется широким развитием мощной толщи озерно-ледниковых и озерных отложений при полностью выровненном рельефе [4].

Сложность геологического строения района Онежского озера определяется тем, что он располагается в краевой части Балтийского щита на границе с Русской плитой и здесь развиты разные по строению и времени образования тектонические структуры. В строении щита принимают участие в различной степени метаморфизованные архейские и протерозойские породы кристаллического фундамента и рыхлые четвертичные отложения. В южной части бассейна распространены породы осадочного чехла Русской платформы.

Породы архейских образований развиты преимущественно в восточной части водосборного бассейна. Породы представлены главным образом различными по составу гнейсо-гранитами, широко развиты мигматиты. Гнейсо-граниты секутся интрузиями гранитов, плагиогранитов, здесь расположен крупный габброноритовый массив.

В строении разреза нижнепротерозойских образований в Заонежье принимают участие породы ятулийского (известняки и доломиты), людиковийского (карбонатные и шунгитсодержащие сланцы) и калевийского (песчано-глинитсые сланцы) надгоризонтов. Вся толща осадочных и вулканогенно-осадочных образований пронизана пластовыми интрузиями габбро-долеритов. Широко развиты омоложенные в неоген-четвертичное время разломы

Район западных малых притоков располагается в пределах вепсского терригенного комплекса. Породы представлены песчаниками, кварцито-перчаниками с прослоями сланцев. Структура прорывается крупными интрузиями габбро-диабазов.

Район южных притоков располагается в пределах осадочного чехла, сложенного породами верхнего девона (глины, алевролиты, песчаники) и нижнего карбона (известняки и доломиты).

Трещинные воды имеют повсеместное распространение и приурочены к верхней трещиноватой зоне кристаллического массива. Мощность зоны региональной трещиноватости пород изменяется обычно от 20-30 до 70-80 м. В зонах тектонических нарушений глубина распространения трещиноватости увеличивается до м, редко достигает 300 и более метров. Глубина развития и степень трещиноватости в интрузивных породах и гранитогнейсах архея, как правило, меньшая, чем в осадочно-вулканогенных образованиях. По данным бурения наиболее интенсивная трещиноватость отмечается до глубин 30-40 м, глубже породы становятся слаботрещиноватыми. Результаты геофизических исследований показывают, что зоны эффективной трещиноватости пород, где они обладают фильтрационными свойствами, прослеживается до 40-60 м, причем максимальная скорость движения вод (в среднем 0,2-0,6 м/сут) в большинстве случаев установлена на глубине до 10-20 м.

В целом следует подчеркнуть, что как и в области распространения экзогенной трещиноватости, так и в тектонических зонах наиболее высокие фильтрационные параметры характерны для глубин до 40-50 м. Аналогичные закономерности изменения фильтрационных свойств кристаллических пород установлены и для Финляндии, где по результатам бурения скважин на воду определено, что основные водопритоки получены в интервале глубин до 50 м, глубже водоприток заметно уменьшается [5].

Водовмещающие кристаллические породы на большей части территории обводнены на всю мощность трещиноватой зоны, и зеркало подземных вод располагается в вышележащих четвертичных образованиях. Только на возвышенных участках кристаллические породы могут быть сдренированы на 1- 5 м, редко до 10 м.

Фильтрационные свойства трещиноватых пород изменчивы и, как правило, низкие. Дебит родников обычно составляет сотые и десятые доли литра в секунду и очень редко превышает 1 л/с. Удельный дебит скважин изменяется от 0,001 до 0,.5 л/с, чаще от 0,01 до 0,1 л/с. Этот показатель в зонах тектонических разломов несколько выше. Средние коэффициенты водопроводимости пород различных структурно-формационных комплексов примерно одного порядка (колеблются в пределах 1-10 м2/сут) и характеризуют кристаллические породы в целом как слабообводненные. Несколько повышенными фильтрационными свойствами отличаются доломиты и известняки ятулия. В пределах распространения терригенно-карбонатных пород туломозерской свиты действует один из немногих в Карелии водозаборов подземных вод – Повенецкий, с эксплуатационными запасами 1000 м3/сут. Наименее проницаемы архейские гранитогнейсы.

Ведущую роль в формировании подземного стока кристаллического массива играет строение четвертичного покрова. Прибрежные части Онежского озера покрыты четвертичными отложениями почти сплошным плащом весьма неравномерной мощности. Максимальная мощность (до 40-50 м и более) наблюдается в местах развития краевых образований ледника (северная часть бассейна), а также в ряже глубоких понижений докембрийского фундамента на западном побережье озера. В остальных районах мощность четвертичных отложений зависит от рельефа поверхности докембрия, и чем более рельеф расчленен, тем резче происходит смена мощностей по площади. Расчлененный рельеф свойственен не только северной части побережья, но характерен и для дна северной части котловины озера. В южной же части котловины происходит смена песчаных отложений сначала глинистыми песками, а затем ленточными глинами, мощность которых превышает 20 м [4].

Подземные воды всех типов четвертичных отложений гидравлически тесно связаны между собой, а также с трещинными водами кристаллических пород и поверхностными водами. От состава и мощности четвертичных отложений во многом зависят условия питания подземных вод, емкостные и фильтрационные параметры водоносной зоны, определяющие в целом расход подземного потока. Высокое значение модулей подземного стока характерно для территорий, которые сложены песчаными, главным образом флювиогляциальными (озовыми) и озерно-ледниковыми отложениями мощностью 10 и более метров. Такие образования широко развиты в Заонежье и районе Повенецкого залива. На участках, где кристаллические породы непосредственно перекрыты обводненными флювиогляциальными или озерно-ледниковыми отложениями (не мореной) даже небольшой мощности, водопритоки в скважины из трещиноватых пород заметно увеличиваются (в среднем удельный дебит скважин составляет 0,1 л/с, водопроводимость 10-15 м2/сут) [6]. Работы по разведке и оценке эксплуатационных запасов подземных вод в отложениях водно-ледникового комплекса на территории Карелии показали, что водопроводимость флювиогляциальных песчаных отложений составляет м2/сут [7].

Режим трещинных вод относительно постоянный в районах, где развит четвертичный покров. Температура подземных вод не испытывает здесь заметных сезонных колебаний и составляет 3-50С; отмечается постоянство химического состава. Менее устойчивым режимом обладают воды на участках выхода кристаллических пород на поверхность.

.Подземные воды, как правило, безнапорные. Лишь на участках, где в покровных отложениях преобладают глинистые фракции, воды приобретают напор и скважины в прибрежной зоне озера, где распространены озерные глины и суглинки, изливают. Исключение составляют повсеместно напорные горизонты осадочного чехла.

Питание подземных вод осуществляется полностью за счет инфильтрации атмосферных осадков, величина которой составляет обычно 70-100 мм/год [6]. Среднегодовая величина инфильтрации в песчаных отложениях достигает 560 мм/год [8].

Уровень подземных вод на равнинных участках залегает на небольшой глубине – в пределах первых пяти метров, на возвышенностях глубина залегания увеличивается до 10 м, иногда достигая 20 м. В целом зеркало подземных вод в несколько сглаженном виде отражает рельеф территории.

Общие гидрогеологические условия открытого кристаллического массива, характеризующегося отсутствием региональных водоупоров, определяют довольно простую схему движения подземных вод для всех комплексов водовмещающих пород. Водосборы поверхностных и подземных вод совпадают, движение подземных вод направлено от водоразделов к ближайшим поверхностным водотокам и водоемам.

Анализ геологических, геоморфологических и гидрогеологических условий водосборного бассейна Онежского озера дал возможность выделить 4 основных района дренирования, в первом приближении совпадающими с гидрографическими районами малых притоков.

Район дренирования вод гранито-гнейсов и четвертичных отложений. Район расположен на восточном побережье Онежского озера к северу от устья р. Андомы до устья р. Пяльмы

Район дренирования нижнепротерозойских пород ятулийского, людиковийского и калевийского надгоризонтов и четвертичных отложений. Район расположен к северу от устья р. Суна вдоль берегов Заонежья и Повенецкого залива.

Район дренирования вепсского терригенного комплекса и четвертичных отложений. Район расположен на западном побережье Онежского озера южнее г. Петрозаводск до устья р. Свирь.

Район дренирования осадочных пород палеозоя и четвертичных отложений. Район расположен в южной части бассейна от устья р. Свирь до устья р. Андомы.

Анализ особенностей и закономерностей формирования подземного питания Онежского озера, гидродинамические расчеты удельных характеристик подземного притока непосредственно в озеро, количественная оценка поступления солей в озеро с подземными водами позволит определить роль подземных вод в формировании водного и солевого баланса озера.

Исследования поддерживаются грантом РФФИ .

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] , , (1984). Подземный водообмен суши и моря. Ленинград, Издательство Гидрометеоиздат.

[2] , (1989). Подземные воды в водном балансе крупных регионов. Москва, Издательство Наука.

[3] Бассейны рек Балтийского моря, Онежского и Ладожского озер (1986) В.: Государственный водный кадастр. Т. 1. РСФСР. Вып. 5. Ленинград, Издательство Гидрометеоиздат.

[4] , Ц, , (1971). Строение и история котловины Онежского озера. Петрозаводск, Издательство Карелия.

[5] National Board of Waters (1983). Ronka E. Drilled wells and groundwater in the Precambrian crystalline bedrock of Finland. № 52. Finland.

[6] , , (1987). Ресурсы и геохимия подземных вод Карелии. Петрозаводск: Издательство Карельского филиала АН СССР.

[7] , , (2006). Гидрогеологические условия и ресурсы подземных вод. В: Водные ресурсы Республики Карелия и пути их использования для питьевого водоснабжения. Опыт карельско-финляндского сотрудничества Петрозаводск-Куопио, Издательство КарНЦ РАН, 2006. С.113-127.

[8] National Board of Waters (1985). Soveri fluence of meltwater on the amount and composition of groundwater in Quaternary deposits in Finland.. № 63. Finland. Helsinki.