Помощь студентам в учебе
ЖЕЛЕЗСОДЕРЖАЩИЕ ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ СРЕДНЕОБСКОГО БАССЕЙНА
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРИРОДНЫХ ВОД РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ 11
ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ И ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА
2.1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА
ИССЛЕДОВАНИЙ 21
2.2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИЧЕСКОМ СТРОЕНИИ
РАЙОНА 40
ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 50
3.2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.2.1. ОТБОР ПРИРОДНЫХ ВОД (ПОЛЕВЫЕ РАБОТЫ) 52
3.2.2. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 54
ГЛАВА 4. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА
ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧАЕМОГО РАЙОНА 56
4.2. ПОДЗЕМНЫЙ СТОК ЗОНЫ АКТИВНОГО ВОДООБМЕНА НА
ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ СРЕДНЕОБСКОГО БАССЕЙНА 71
ГЛАВА 5. ЖЕЛЕЗО И МАРГАНЕЦ В ПОЧВАХ И ГОРНЫХ
ПОРОДАХ
5.1. ОБЩИЕ ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЖЕЛЕЗА И
МАРГАНЦА 75
5.2. СОДЕРЖАНИЕ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА В ПОЧВАХ РЕГИОНА.. 80
5.3. СОДЕРЖАНИЕ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
РЕГИОНА 86
ГЛАВА 6. ГЕОХИМИЯ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ПОДЗЕМНЫХ
ВОД РЕГИОНА
6.1.. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БОЛОТНЫХ ВОД 99
6.2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД 103
6.3. РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ
ПОДЗЕМНЫХ ВОД 118
6.4. ВЕРТИКАЛЬНАЯ ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ЗОНАЛЬНОСТЬ
ПОДЗЕМНЫХ ВОД 122
ГЛАВА 7. ФОРМИРОВАНИЕ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ
ПОДЗЕМНЫХ ВОД РАЙОНА
7.1. ФОРМЫ МИГРАЦИИ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА В ПОДЗЕМНЫХ
ВОДАХ 126
7.2. РАВНОВЕСИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД С МИНЕРАЛАМИ
ВОДОВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД 136
7.3. ИСТОЧНИКИ Fe И Mn В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ 140
7.4. МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ
ПОДЗЕМНЫХ ВОД 145
ГЛАВА 8. ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПО УЛУЧШЕНИЮ
КАЧЕСТВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД 148
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 164
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРИРОДНЫХ ВОД РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ 11
ГЛАВА 2. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ И ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА
2.1. ФИЗИКО-ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА
ИССЛЕДОВАНИЙ 21
2.2. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕОЛОГИЧЕСКОМ СТРОЕНИИ
РАЙОНА 40
ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 50
3.2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.2.1. ОТБОР ПРИРОДНЫХ ВОД (ПОЛЕВЫЕ РАБОТЫ) 52
3.2.2. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ 54
ГЛАВА 4. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ РАЙОНА
ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ
ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧАЕМОГО РАЙОНА 56
4.2. ПОДЗЕМНЫЙ СТОК ЗОНЫ АКТИВНОГО ВОДООБМЕНА НА
ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ СРЕДНЕОБСКОГО БАССЕЙНА 71
ГЛАВА 5. ЖЕЛЕЗО И МАРГАНЕЦ В ПОЧВАХ И ГОРНЫХ
ПОРОДАХ
5.1. ОБЩИЕ ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЖЕЛЕЗА И
МАРГАНЦА 75
5.2. СОДЕРЖАНИЕ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА В ПОЧВАХ РЕГИОНА.. 80
5.3. СОДЕРЖАНИЕ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА В ГОРНЫХ ПОРОДАХ
РЕГИОНА 86
ГЛАВА 6. ГЕОХИМИЯ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ ПОДЗЕМНЫХ
ВОД РЕГИОНА
6.1.. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БОЛОТНЫХ ВОД 99
6.2. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД 103
6.3. РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ
ПОДЗЕМНЫХ ВОД 118
6.4. ВЕРТИКАЛЬНАЯ ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ЗОНАЛЬНОСТЬ
ПОДЗЕМНЫХ ВОД 122
ГЛАВА 7. ФОРМИРОВАНИЕ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ
ПОДЗЕМНЫХ ВОД РАЙОНА
7.1. ФОРМЫ МИГРАЦИИ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА В ПОДЗЕМНЫХ
ВОДАХ 126
7.2. РАВНОВЕСИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД С МИНЕРАЛАМИ
ВОДОВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД 136
7.3. ИСТОЧНИКИ Fe И Mn В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ 140
7.4. МЕХАНИЗМЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗОСОДЕРЖАЩИХ
ПОДЗЕМНЫХ ВОД 145
ГЛАВА 8. ПУТИ РЕШЕНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПО УЛУЧШЕНИЮ
КАЧЕСТВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД 148
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 164
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Подземные воды играют важную роль в жизни человека, так как являются основным источником для хозяйственно- питьевого водоснабжения. Разнообразие химического состава подземных вод часто предопределяет несоответствие качества вод санитарно-гигиеническим требованиям и к необходимости водоподготовки. Среди химических элементов, осложняющих использование подземных вод для водоснабжения населения, является железо, которое широко распространено на территории Среднеобского бассейна.
Железосодержащими С.Р. Крайнов с соавторами (2004) называют воды с повышенным содержанием железа, в отличие от железистых минеральных, к которым относятся воды, оказывающие физиологическое воздействие на организм человека (Овчинников, 1963). Железосодержащие воды обычно содержат от 1 до 20 мг/л, иногда до 40 мг/л суммарного железа. В зоне активного водообмена гумидного климата широко развиты
железосодержащие пресные и реже солоноватые воды: на Кольском полуострове, Карелии, Архангельской, Вологодской и других областях севера Европейской части России, Урале, Западной и Восточной Сибири, Дальнем Востоке, Забайкальском и Приморском краях (Крайнов и др., 2004), Белоруссии (Кудельский и др., 1986), Литве (Diliunas, Jurevicius, 1998) и т.д. Такие же железосодержащие воды развиты на небольшой глубине и во многих артезианских бассейнах: Московском, Припятском, Чулымском, Амурском, Минусинском и др. (Крайнов и др., 2004)
Особенно показательна в этом плане Западная Сибирь, в недрах которой железосодержащие воды пользуются наиболее широким распространением, образуя целую провинцию. Начиная с глубин 10-30 м, а на территории болот даже 2-5 м, подземные воды повсеместно обогащены железом, содержания которого нередко достигают 30-40 мг/л (Иванова и др., 2010; Видяйкина, 2009; Шварцев и др., 2007, 2002; Инишева, Инишев, 2000; Бычков и др., 1990; Ермашова, 1979). Вместе с тем многие детали 4
механизмов концентрирования Fe в подземных водах до сих пор слабо изучены. Особенно это касается источников Fe, которые и по настоящее время вызывают дискуссии (Appelo, Postma, 2005).
ЦЕЛЬЮ данной работы является изучение условий формирования пресных железосодержащих подземных вод и выявление в них источников железа.
ОБЪЕКТАМИ исследований в данной работе являются пресные железосодержащие подземные воды, включая болотные, в пределах юговосточной части Среднеобского бассейна (Гидрогеология СССР, 1977), которые распространены в породах от четвертичного до палеозойского возраста.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ можно сформулировать следующим образом:
1. исследовать химический состав подземных вод основных водоносных комплексов зоны активного водообмена юго-восточной части Среднеобского артезианского бассейна;
2. изучить распространенность железосодержащих подземных вод на территории юго-восточной части Среднеобского бассейна;
3. выявить основные формы миграции железа и особенности его накопления в подземных водах;
4. установить степень равновесия железосодержащих подземных вод с основными минералами водовмещающих горных пород;
5. выявить возможные источники железа и механизмы формирования железосодержащих подземных вод.
ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В основу диссертационной работы положены фондовые и личные данные автора по химическому составу железосодержащих подземных вод.
Химический анализ железосодержащих вод проводился в проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии научно
образовательного центра «Вода» ИПР ТПУ, а также в лаборатории георесурсов и окружающей среды г. Тулузы Национального центра научных исследований (Франция). Непосредственно в полевых условиях in situ проводился анализ для быстроизменяющихся компонентов, таких как Т, Eh, pH, удельная электрическая проводимость с использованием портативного мультипараметрового анализатора Water Test. Содержание ионов HCO3-, CO32 , SO42 , Ca2+, Mg , Fe2+ и Fe3+, NO3 , NO2 , СО2св и растворенный О2 Асв
определялись при помощи колориметрического и титриметрического методов. В стационарных лабораториях для определения макро- и микрокомпонентного состава подземных вод были использованы следующие методы анализов: титриметрия, фотоколориметрия, пламенная фотометрия, потенциометрия, турбидиметрия, беспламенная атомно-абсорбционная спектрометрия, инверсионная вольтамперометрия, жидкостная
хроматография, инфракрасная спектроскопия, масс-спектрометрический метод с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS).
При обработке данных химического состава автором использовались следующие программные комплексы: Microsoft Excel, Corel Draw, Surfer. Расчеты термодинамических равновесий в системе вода-порода проводились при помощи физико-химических методов, разработанных в 1960-х годах Р.М. Гаррелсом и Ч.Л. Крайстом (Гаррелс, Крайст, 1968). Гидрогеохимические расчеты осуществлялись с помощью программного пакета HydroGeo (Букаты, 2002).
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. Результаты исследований получены на современном сертифицируемом аналитическом оборудовании с использованием современных методик исследования химического состава вод. Теория построена на новых фактах и данных полученных автором, а также на обобщении данных по теме диссертации, опубликованных в ведущих российских и зарубежных изданиях. Использованы современные методы компьютерной обработки аналитических данных, а также физико-химические методы для изучения форм миграции железа и марганца в подземных водах.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Детально изучена геохимия подземных вод юго-восточной части Среднеобского бассейна. Приведены новые данные по химическому составу подземных вод верхней гидродинамической зоны. Впервые определен микрокомпонентный состав железосодержащих подземных вод масс-спектрометрическим методом с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS). Выявлена вертикальная геохимическая зональность распределения железа в подземных водах. При помощи программного пакета HydroGeo рассчитаны основные формы миграции железа в подземных водах и степень равновесия подземных вод с ведущими минералами водовмещающих пород при пластовых условиях. На базе идей С.Л. Шварцева о геологической эволюции системы вода-порода обоснована новая точка зрения об источниках железа в подземных водах, а также выявлены новые механизмы формирования железосодержащих пресных подземных вод.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА заключался в сборе и обработке фактического материала. Начиная с 2009 г. автор принимал участие в экспедиционных работах в составе лаборатории гидрогеохимии и геоэкологии Томского филиала Института геологии нефти и газа СО РАН (ТФ ИНГГ СО РАН), в результате которых лично было отобрано 125 проб железосодержащих подземных вод. В процессе работы изучены фондовые и опубликованные материалы большого коллектива исследователей, полученные в ходе тематических работ при участии П.А. Удодова, Н.А. Ермашовой, Н.М. Рассказова, Ю.К. Смоленцева, Ю.Г. Копыловой, И.М. Земсковой, В.К. Попова, Л.И. Инишевой, С.Л. Шварцева, Д.С. Покровского, О.Г. Савичева, М.А. Здвижкова, Н.В. Видяйкиной и многих других, в результате которых обобщены геохимические данные по 240 точкам опробования подземных вод, 47 из которых являются болотными.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
1. В верхней гидродинамической зоне изучаемого бассейна широко развиты пресные околонейтральные (рН от 6,8 до 7,5) железосодержащие (Реобщ до 30 мг/л) воды с высоким содержанием растворенных органических веществ (Сорг от 10 до 160 мг/л), которые приурочены к небольшим глубинам (преимущественно до 200 м) и развиты в условиях глеевой (Eh от -100 до +50 мВ) геохимической среды.
2. По экспериментальным и расчетным данным в подземных водах
Fe2+ мигрирует в основном в простой ионной форме (до 99 %), при
повышенных содержаниях органических веществ возрастает доля комплексных соединений с фульвокислотами (до 30 %), а с ростом рН увеличиваются содержания гидрокарбонатных и карбонатных комплексов, доля последних растет с глубиной, достигая в водах верхнемеловых отложений максимальных значений (до 22 %). Fe3+ мигрирует в основном в виде различных гидроксокомплексов, однако, в водах богатых органическим веществом возрастает доля органических комплексов с фульво- и гуминовыми кислотами (до 40 %).
3. Подземные воды бассейна неравновесны с первичными алюмосиликатами: полевыми шпатами, мусковитом, биотитом, пироксенами, роговыми обманками, а также с эпидотом, хлоритом и др., которые они интенсивно растворяют. При этом подземные воды равновесны с гидроокислами, карбонатами и глинистыми алюмосиликатами, включая железистые (Fe-селадонит, дафнит и лептохлорит), которые образуются в этих условиях. Основным источником железа выступают алюмосиликатные минералы неравновесные с водой, которая переводит все химические элементы, включая Fe, в раствор. Накапливаясь в последнем, в благоприятной геохимической среде значительная часть железа после достижения равновесия выпадает в форме вторичных минералов (окислов, гидроокислов, карбонатов и железистых алюмосиликатов и др.), сохраняя при этом его высокие концентрации в растворе. В отличие от подземных в болотных водах основным источником железа выступает органическое вещество, которое заимствует его из пород в процессе своего формирования путем накопления за счет нижележащих подземных вод через корневую систему растений.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В крупных населенных пунктах центральное водоснабжение поставляет воду надлежащего качества, достигаемого при помощи станций обезжелезивания. Однако в сельской местности, где более 30 % жителей пользуются водой без предварительной ее подготовки, проблема высокого содержания Fe в подземных водах стоит все еще остро. Результаты работы могут быть использованы при обосновании выбора источников водоснабжения, а также при обосновании выбора и оценке эффективности методов и технологий водоподготовки.
СВЯЗЬ РАБОТЫ С НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ И НАУЧНОИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИМИ ТЕМАМИ. Результаты исследований уже использованы при выполнении региональных грантов РФИИ: № 09-05-00647, № 09-05-99034, № 11-05-98016; а также международных грантов РФФИ: № 08-05-92500, № 11-05-93112. Полученные результаты также использованы при выполнении государственного контракта № 11.519.11.6044.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Отдельные разделы работы были представлены на 7 международных российских конференциях, в том числе и зарубежных: на Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2010), на V Международном научнопрактическом Российско-германском семинаре КарлсТом 2010 (Томск, 2010), на Международной конференции, посвященной 80летию кафедры ГИГЭ Томского политехнического университета (Томск, 2011), на VIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «География, геоэкология, геология: опыт научных исследований» (Украина, Днепропетровск, 2011), на Международной научно-практической конференции «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии» (Москва, 2011), на XX Всероссийском совещании по подземным водам Востока России «Подземная гидросфера» (Иркутск, 2012), на Всероссийской конференции «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» (Томск, 2012).
По теме диссертации опубликовано 10 работ, 3 из которых напечатаны в журналах, рекомендованных ВАК: «Разведка и охрана недр», 2010 г.; «Известия Томского политехнического университета», 2011 г.; «Вестник Томского государственного университета», 2011 г.; одна статья принята в журнал «Водные ресурсы».
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 175 наименований отечественных и зарубежных изданий. Материал диссертации изложен на 180 страницах, иллюстрирован 44 рисунками и содержит 17 таблиц.
БЛАГОДАРНОСТИ. За постоянную поддержку автор благодарен своему научному руководителю д.г.-м.н., профессору Степану Львовичу Шварцеву. Искреннюю признательность автор также выражает Олесе Евгеньевне Лепокуровой. Автор благодарен М.А. Здвижкову, Е.В. Домрочевой, а также коллективу ПНИЛ гидрогеохимии НОЦ «Вода» ТПУ, благодаря которым удалось собрать личную базу данных по химическому составу железосодержащих подземных вод исследуемой территории. Отдельно автор выражает благодарность научному консультанту Олегу Сергеевичу Покровскому, старшему научному сотруднику лаборатории георесурсов и окружающей среды г. Тулузы, Национального центра научных исследований Франции за научные консультации и предоставленную возможность проведения анализов.
Также автор выражает благодарность своей семье за поддержку, понимание и терпение.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ (09-05-99034, 09-05-00647, 1105-98016, 08-05-92500, 11-05-93112), тревел-грантов фонда М. Прохорова, а также
государственного контракта № 11.519.11.6044.
Железосодержащими С.Р. Крайнов с соавторами (2004) называют воды с повышенным содержанием железа, в отличие от железистых минеральных, к которым относятся воды, оказывающие физиологическое воздействие на организм человека (Овчинников, 1963). Железосодержащие воды обычно содержат от 1 до 20 мг/л, иногда до 40 мг/л суммарного железа. В зоне активного водообмена гумидного климата широко развиты
железосодержащие пресные и реже солоноватые воды: на Кольском полуострове, Карелии, Архангельской, Вологодской и других областях севера Европейской части России, Урале, Западной и Восточной Сибири, Дальнем Востоке, Забайкальском и Приморском краях (Крайнов и др., 2004), Белоруссии (Кудельский и др., 1986), Литве (Diliunas, Jurevicius, 1998) и т.д. Такие же железосодержащие воды развиты на небольшой глубине и во многих артезианских бассейнах: Московском, Припятском, Чулымском, Амурском, Минусинском и др. (Крайнов и др., 2004)
Особенно показательна в этом плане Западная Сибирь, в недрах которой железосодержащие воды пользуются наиболее широким распространением, образуя целую провинцию. Начиная с глубин 10-30 м, а на территории болот даже 2-5 м, подземные воды повсеместно обогащены железом, содержания которого нередко достигают 30-40 мг/л (Иванова и др., 2010; Видяйкина, 2009; Шварцев и др., 2007, 2002; Инишева, Инишев, 2000; Бычков и др., 1990; Ермашова, 1979). Вместе с тем многие детали 4
механизмов концентрирования Fe в подземных водах до сих пор слабо изучены. Особенно это касается источников Fe, которые и по настоящее время вызывают дискуссии (Appelo, Postma, 2005).
ЦЕЛЬЮ данной работы является изучение условий формирования пресных железосодержащих подземных вод и выявление в них источников железа.
ОБЪЕКТАМИ исследований в данной работе являются пресные железосодержащие подземные воды, включая болотные, в пределах юговосточной части Среднеобского бассейна (Гидрогеология СССР, 1977), которые распространены в породах от четвертичного до палеозойского возраста.
ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ можно сформулировать следующим образом:
1. исследовать химический состав подземных вод основных водоносных комплексов зоны активного водообмена юго-восточной части Среднеобского артезианского бассейна;
2. изучить распространенность железосодержащих подземных вод на территории юго-восточной части Среднеобского бассейна;
3. выявить основные формы миграции железа и особенности его накопления в подземных водах;
4. установить степень равновесия железосодержащих подземных вод с основными минералами водовмещающих горных пород;
5. выявить возможные источники железа и механизмы формирования железосодержащих подземных вод.
ИСХОДНЫЙ МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. В основу диссертационной работы положены фондовые и личные данные автора по химическому составу железосодержащих подземных вод.
Химический анализ железосодержащих вод проводился в проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии научно
образовательного центра «Вода» ИПР ТПУ, а также в лаборатории георесурсов и окружающей среды г. Тулузы Национального центра научных исследований (Франция). Непосредственно в полевых условиях in situ проводился анализ для быстроизменяющихся компонентов, таких как Т, Eh, pH, удельная электрическая проводимость с использованием портативного мультипараметрового анализатора Water Test. Содержание ионов HCO3-, CO32 , SO42 , Ca2+, Mg , Fe2+ и Fe3+, NO3 , NO2 , СО2св и растворенный О2 Асв
определялись при помощи колориметрического и титриметрического методов. В стационарных лабораториях для определения макро- и микрокомпонентного состава подземных вод были использованы следующие методы анализов: титриметрия, фотоколориметрия, пламенная фотометрия, потенциометрия, турбидиметрия, беспламенная атомно-абсорбционная спектрометрия, инверсионная вольтамперометрия, жидкостная
хроматография, инфракрасная спектроскопия, масс-спектрометрический метод с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS).
При обработке данных химического состава автором использовались следующие программные комплексы: Microsoft Excel, Corel Draw, Surfer. Расчеты термодинамических равновесий в системе вода-порода проводились при помощи физико-химических методов, разработанных в 1960-х годах Р.М. Гаррелсом и Ч.Л. Крайстом (Гаррелс, Крайст, 1968). Гидрогеохимические расчеты осуществлялись с помощью программного пакета HydroGeo (Букаты, 2002).
ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ. Результаты исследований получены на современном сертифицируемом аналитическом оборудовании с использованием современных методик исследования химического состава вод. Теория построена на новых фактах и данных полученных автором, а также на обобщении данных по теме диссертации, опубликованных в ведущих российских и зарубежных изданиях. Использованы современные методы компьютерной обработки аналитических данных, а также физико-химические методы для изучения форм миграции железа и марганца в подземных водах.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. Детально изучена геохимия подземных вод юго-восточной части Среднеобского бассейна. Приведены новые данные по химическому составу подземных вод верхней гидродинамической зоны. Впервые определен микрокомпонентный состав железосодержащих подземных вод масс-спектрометрическим методом с индуктивно-связанной плазмой (ICP-MS). Выявлена вертикальная геохимическая зональность распределения железа в подземных водах. При помощи программного пакета HydroGeo рассчитаны основные формы миграции железа в подземных водах и степень равновесия подземных вод с ведущими минералами водовмещающих пород при пластовых условиях. На базе идей С.Л. Шварцева о геологической эволюции системы вода-порода обоснована новая точка зрения об источниках железа в подземных водах, а также выявлены новые механизмы формирования железосодержащих пресных подземных вод.
ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА заключался в сборе и обработке фактического материала. Начиная с 2009 г. автор принимал участие в экспедиционных работах в составе лаборатории гидрогеохимии и геоэкологии Томского филиала Института геологии нефти и газа СО РАН (ТФ ИНГГ СО РАН), в результате которых лично было отобрано 125 проб железосодержащих подземных вод. В процессе работы изучены фондовые и опубликованные материалы большого коллектива исследователей, полученные в ходе тематических работ при участии П.А. Удодова, Н.А. Ермашовой, Н.М. Рассказова, Ю.К. Смоленцева, Ю.Г. Копыловой, И.М. Земсковой, В.К. Попова, Л.И. Инишевой, С.Л. Шварцева, Д.С. Покровского, О.Г. Савичева, М.А. Здвижкова, Н.В. Видяйкиной и многих других, в результате которых обобщены геохимические данные по 240 точкам опробования подземных вод, 47 из которых являются болотными.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ:
1. В верхней гидродинамической зоне изучаемого бассейна широко развиты пресные околонейтральные (рН от 6,8 до 7,5) железосодержащие (Реобщ до 30 мг/л) воды с высоким содержанием растворенных органических веществ (Сорг от 10 до 160 мг/л), которые приурочены к небольшим глубинам (преимущественно до 200 м) и развиты в условиях глеевой (Eh от -100 до +50 мВ) геохимической среды.
2. По экспериментальным и расчетным данным в подземных водах
Fe2+ мигрирует в основном в простой ионной форме (до 99 %), при
повышенных содержаниях органических веществ возрастает доля комплексных соединений с фульвокислотами (до 30 %), а с ростом рН увеличиваются содержания гидрокарбонатных и карбонатных комплексов, доля последних растет с глубиной, достигая в водах верхнемеловых отложений максимальных значений (до 22 %). Fe3+ мигрирует в основном в виде различных гидроксокомплексов, однако, в водах богатых органическим веществом возрастает доля органических комплексов с фульво- и гуминовыми кислотами (до 40 %).
3. Подземные воды бассейна неравновесны с первичными алюмосиликатами: полевыми шпатами, мусковитом, биотитом, пироксенами, роговыми обманками, а также с эпидотом, хлоритом и др., которые они интенсивно растворяют. При этом подземные воды равновесны с гидроокислами, карбонатами и глинистыми алюмосиликатами, включая железистые (Fe-селадонит, дафнит и лептохлорит), которые образуются в этих условиях. Основным источником железа выступают алюмосиликатные минералы неравновесные с водой, которая переводит все химические элементы, включая Fe, в раствор. Накапливаясь в последнем, в благоприятной геохимической среде значительная часть железа после достижения равновесия выпадает в форме вторичных минералов (окислов, гидроокислов, карбонатов и железистых алюмосиликатов и др.), сохраняя при этом его высокие концентрации в растворе. В отличие от подземных в болотных водах основным источником железа выступает органическое вещество, которое заимствует его из пород в процессе своего формирования путем накопления за счет нижележащих подземных вод через корневую систему растений.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. В крупных населенных пунктах центральное водоснабжение поставляет воду надлежащего качества, достигаемого при помощи станций обезжелезивания. Однако в сельской местности, где более 30 % жителей пользуются водой без предварительной ее подготовки, проблема высокого содержания Fe в подземных водах стоит все еще остро. Результаты работы могут быть использованы при обосновании выбора источников водоснабжения, а также при обосновании выбора и оценке эффективности методов и технологий водоподготовки.
СВЯЗЬ РАБОТЫ С НАУЧНЫМИ ПРОГРАММАМИ И НАУЧНОИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИМИ ТЕМАМИ. Результаты исследований уже использованы при выполнении региональных грантов РФИИ: № 09-05-00647, № 09-05-99034, № 11-05-98016; а также международных грантов РФФИ: № 08-05-92500, № 11-05-93112. Полученные результаты также использованы при выполнении государственного контракта № 11.519.11.6044.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ. Отдельные разделы работы были представлены на 7 международных российских конференциях, в том числе и зарубежных: на Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2010), на V Международном научнопрактическом Российско-германском семинаре КарлсТом 2010 (Томск, 2010), на Международной конференции, посвященной 80летию кафедры ГИГЭ Томского политехнического университета (Томск, 2011), на VIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «География, геоэкология, геология: опыт научных исследований» (Украина, Днепропетровск, 2011), на Международной научно-практической конференции «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии» (Москва, 2011), на XX Всероссийском совещании по подземным водам Востока России «Подземная гидросфера» (Иркутск, 2012), на Всероссийской конференции «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» (Томск, 2012).
По теме диссертации опубликовано 10 работ, 3 из которых напечатаны в журналах, рекомендованных ВАК: «Разведка и охрана недр», 2010 г.; «Известия Томского политехнического университета», 2011 г.; «Вестник Томского государственного университета», 2011 г.; одна статья принята в журнал «Водные ресурсы».
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 175 наименований отечественных и зарубежных изданий. Материал диссертации изложен на 180 страницах, иллюстрирован 44 рисунками и содержит 17 таблиц.
БЛАГОДАРНОСТИ. За постоянную поддержку автор благодарен своему научному руководителю д.г.-м.н., профессору Степану Львовичу Шварцеву. Искреннюю признательность автор также выражает Олесе Евгеньевне Лепокуровой. Автор благодарен М.А. Здвижкову, Е.В. Домрочевой, а также коллективу ПНИЛ гидрогеохимии НОЦ «Вода» ТПУ, благодаря которым удалось собрать личную базу данных по химическому составу железосодержащих подземных вод исследуемой территории. Отдельно автор выражает благодарность научному консультанту Олегу Сергеевичу Покровскому, старшему научному сотруднику лаборатории георесурсов и окружающей среды г. Тулузы, Национального центра научных исследований Франции за научные консультации и предоставленную возможность проведения анализов.
Также автор выражает благодарность своей семье за поддержку, понимание и терпение.
Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ (09-05-99034, 09-05-00647, 1105-98016, 08-05-92500, 11-05-93112), тревел-грантов фонда М. Прохорова, а также
государственного контракта № 11.519.11.6044.
В центральной части Западной Сибири в верхней гидродинамической зоне, включая болотные системы, широко развиты пресные железосодержащие воды. Максимальное содержание железа приурочено к околонейтральным (рН от 6,8 до 7,5) водам с высоким содержанием растворенных органических веществ неоген-четвертичных и палеогеновых отложений, где формируется благоприятная для накопления Fe2+ глеевая (Eh от -100 до +50 мВ) геохимическая обстановка. Ниже по разрезу, по мере насыщения вод гидроокислами, глинами и карбонатами Fe, доля этого элемента, связываемого вторичными минералами, увеличивается, а содержание в воде соответственно уменьшается. Кроме того, с глубиной уменьшается содержание растворенного органического вещества, что затрудняет накопление Fe2+ в растворе.
По экспериментальным и расчетным данным железо в подземных водах мигрирует в основном в простой ионной форме Fe2+, при повышенных содержаниях органических веществ возрастает доля комплексных соединений с фульвокислотами.
Термодинамические расчеты равновесия болотных и подземных вод с водовмещающими породами показали, что основным источником железа в подземных водах выступают алюмосиликатные минералы осадочных пород (полевые шпаты, роговые обманки, пироксены, биотит, эпидот и другие), с которыми воды всегда неравновесны и которые они интенсивно растворяют. Накапливающиеся при этом в растворе элементы обеспечивают его равновесие с гидроокислами, карбонатами Fe, глинами, включая железистые, кальцитом и многими другими, которые часть Fe2+, как и иных элементов, выводят из раствора, но оставшаяся, равновесная с этими минералами, часть Fe в растворе оказывается значительной вследствие благоприятной для этого геохимической среды.
Источником железа в болотных водах региона также являются алюмосиликатные породы, но опосредованно, поскольку железо до этого 162
проходит стадию концентрирования в растениях. Наличие большого количества органики способствует накоплению Fe3+ и Fe2+ в виде органоминеральных комплексов. Кроме первичных алюмосиликатных пород, болотные воды, вследствие низкой солености и значений рН, а также высоких содержаний органических веществ, остаются неравновесными также к кальциту и сидериту, что обеспечивает их более высокую способность к концентрированию этого элемента по сравнению с нижележащими в
По экспериментальным и расчетным данным железо в подземных водах мигрирует в основном в простой ионной форме Fe2+, при повышенных содержаниях органических веществ возрастает доля комплексных соединений с фульвокислотами.
Термодинамические расчеты равновесия болотных и подземных вод с водовмещающими породами показали, что основным источником железа в подземных водах выступают алюмосиликатные минералы осадочных пород (полевые шпаты, роговые обманки, пироксены, биотит, эпидот и другие), с которыми воды всегда неравновесны и которые они интенсивно растворяют. Накапливающиеся при этом в растворе элементы обеспечивают его равновесие с гидроокислами, карбонатами Fe, глинами, включая железистые, кальцитом и многими другими, которые часть Fe2+, как и иных элементов, выводят из раствора, но оставшаяся, равновесная с этими минералами, часть Fe в растворе оказывается значительной вследствие благоприятной для этого геохимической среды.
Источником железа в болотных водах региона также являются алюмосиликатные породы, но опосредованно, поскольку железо до этого 162
проходит стадию концентрирования в растениях. Наличие большого количества органики способствует накоплению Fe3+ и Fe2+ в виде органоминеральных комплексов. Кроме первичных алюмосиликатных пород, болотные воды, вследствие низкой солености и значений рН, а также высоких содержаний органических веществ, остаются неравновесными также к кальциту и сидериту, что обеспечивает их более высокую способность к концентрированию этого элемента по сравнению с нижележащими в