Шаблон распределения потока карстовых вод по разлому в бассейне источника Баоту, Шаньдун, Китай

Почему источники важны для города

В самом сердце Цзинаня, города на севере Китая, славящегося своими чистыми, бурлящими источниками, настоящая драма разворачивается под землёй. Эти знаковые источники питают скрытые реки подземных вод, которые проходят через трещиноватые и растворённые породы. В исследовании рассматривается, как крупные разломы земной коры и карстовые проходы в известняке совместно направляют подземные воды к группе источников Баоту — и как те же пути могут переносить загрязнения в сторону города. Расшифровывая эту невидимую «водопроводную сеть», учёные дают подсказки по сохранению притока источников и безопасности питьевой воды Цзинаня.

Скрытый ландшафт под городом

Под бассейном источника Баоту залегает толстый комплекс древнего известняка и доломита, постепенно растворявшегося слабокислой дождевой водой в течение миллионов лет. Этот процесс высек сложную сеть пор, трещин и подземных каналов. Крупные разломы пронизывают эти породы, действуя либо как плотные барьеры, либо как открытые проводники. Вместе они формируют трёхчастную схему: дождь и снег впитываются в грунт в возвышенных южных горах, вода движется под землёй по центральной зоне, где разломы и карстовые формы направляют поток, и, наконец, подземные воды поднимаются и выходят как источники в северной низменной равнине. Исследование показывает, что общая картина — южное питание, центральный сток, северный выброс — составляет «скелет» местной системы водоснабжения.

Химия, рассказывающая историю

Чтобы понять, как вода перемещается по этой скрытой сети, команда собрала более 200 проб воды из источников, скважин и поверхностных потоков в период с 2014 по 2021 год. Измеряли растворённые ионы, такие как кальций, магний, бикарбонат и сульфат. В карстовых подземных водах, в водах пор в рыхлых отложениях и в поверхностных водах доминировал положительно заряженный ион кальция, тогда как основными анионами были бикарбонат и сульфат. Общее количество растворённых веществ было умеренным и относительно стабильным, с небольшими год‑к‑году колебаниями. Эти химические сигнатуры указывают на простой, но значимый процесс: вода, набирающая минералы по мере выветривания и растворения пород. Карбонатные минералы, такие как кальцит и доломит, в основном находятся близко к насыщению — то есть почти достигли предела растворимости — тогда как соли вроде гипса и галита продолжают растворяться, постепенно подпитывая воду сульфатами и другими ионами.

Как разломы перестраивают подземный поток

Одна химия не показывает, где именно течёт вода, поэтому исследователи создали детальную трёхмерную компьютерную модель бассейна, используя данные скважин, карты и высотную съёмку. Они применили специализированное программное обеспечение для моделирования подземных вод, чтобы симулировать движение воды по 13 геологическим слоям на глубину до 600 метров. Тщательно откалибровав модель по измеренным уровнем воды, они обнаружили, что в целом подземные воды текут с более высоких юго‑восточных участков к более низким северо‑западным. Но разломы делают этот путь далёким от прямого. Разлом Цяньфошань препятствует течению в своей южной части, но пропускает воду в северной, искривляя и отклоняя подземные потоки. Напротив, разлом Чаомидиан обладает высокой проницаемостью вдоль всей длины, втягивая воду с обеих сторон как сток и формируя коридор концентрированного потока. Эти структуры превращают бассейн в ряд связанных, но различающихся зон с разными скоростями и маршрутами подземного движения воды.

Отслеживание невидимого загрязнителя

Чтобы исследовать, как загрязнение может распространяться в этой системе, команда использовала нитрат — распространённый компонент удобрений и сточных вод — в качестве модельного загрязнителя. Они ввели непрерывные источники нитратов вблизи крупных разломов и проследили, как развивались смоделированные пласты загрязнения в течение 20 лет при разных значениях проницаемости разломов. Когда разлом Чаомидиан имел высокую проводимость, шлейф распространялся быстро и широко вдоль каналов, связанных с разломом. Вдоль разлома Цяньфошань его северный проницаемый участок позволял шлейфу продвигаться, тогда как южный плотный участок действовал как барьер, предотвращая переход. В каждом сценарии, при наличии перепада давления, движущего поток, шлейфы продолжали расти со временем, даже при умеренных значениях проницаемости. Это подчёркивает, как разломы могут одновременно фокусировать и ограничивать загрязнение, создавая узкие, но далеко простирающиеся зоны риска.

Что это значит для источников и людей

В совокупности химические данные и результаты моделирования дают понятную картину для неспециалистов: знаменитые источники Цзинаня питаются устойчивой системой подземных вод, ориентированной разломами, направления основных потоков которой стабильны во времени, но детальные маршруты сильно зависят от строения и проницаемости разломов и карстовых каналов. Те же особенности, которые доставляют чистую горную воду к источникам, могут ускорять перемещение загрязнений, если они попадут в систему. Выявив ключевые зоны питания, то, как крупные разломы направляют воду, и где шлейфы загрязнения вероятнее всего распространятся, исследование предлагает научную «дорожную карту» для охраны источников, установления более безопасных практик использования земель и планирования долгосрочного управления подземными водами в Цзинане и подобных карстовых районах по всему миру.

Цитирование: Gang, S., Jia, T., Deng, Y. et al. The distribution pattern of the fault karst water flow system in the Baotu spring Basin, Shandong, China. Sci Rep 16, 9857 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39308-7

Ключевые слова: карстовые подземные воды, течение, контролируемое разломами, источник Баоту, нитратное загрязнение, численное моделирование