Тема: ГЕОХИМИЯ УГЛЕКИСЛЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД СЕВЕРО-ВОСТОКА ТУВЫ

Актуальность работы. Многочисленные термальные и холодные углекислые источники находятся в активных вулканических областях по всему миру. Проявления этого типа минеральных вод в мире установлены во многих районах Турции, Ирана, Индонезии, Афганистана, Монголии, КНДР, Армении, Польши, Болгарии, Франции и др. Самые известные области распространения месторождений углекислых минеральных вод в России и странах СНГ - Кавказ, Памир, Тянь-Шань, Дальний Восток, Забайкалье, Восточные Саяны.
Углекислые воды относятся к категории наиболее ценных и широко распространенных минеральных вод, на базе которых создаются лечебные курорты и санатории. В настоящее время углекислые воды представляют собой уникальные объекты не только с точки зрения изучения их бальнеологических свойств, сохранения и рационального использования углекислых вод, как полезного ископаемого, но и с точки зрения установления генезиса этих вод, выяснения источников углекислоты и понимания процессов, способствующих накоплению в углекислых водах высоких концентраций многих химических элементов (Si, Sr, Li, U, Th, Rb, Cs, B, As, Ge и др.).
Формирование месторождений углекислых минеральных вод - весьма сложный процесс, определяющийся многими факторами, часто накладывающимися друг на друга. Изучением проблемы формирования и генезиса углекислых вод, их распространения в различных геолого-гидрогеологических обстановках занимались в разное время такие выдающиеся ученые как В.В. Иванов, Г.А. Невраев, А.М. Овчинников, Е.В. Посохов, С.В. Обручев, Г.С. Вартанян, Л.А. Яроцкий, В.А. Кирюхин и др. Однако, до сих пор спорными остаются вопросы, связанные с установлением источников компонентов в углекислых водах (микроэлементов, газов, углекислоты) и процессах, происходящих в них.
По наличию и качеству разнообразных минеральных вод Республика Тыва не уступает другим регионам России, в том числе здесь широко распространены углекислые воды, исследованию которых посвящены работы С.В. Обручева, В.Г. Ткачук, И.С. Ломоноса, Е.В. Пиннекера, Н.И. Толстихина, Г.М Шпейзера, Ю.И. Кустова, К.М. Рычковой, Д. Ганчимэг, К.Д. Аракчаа, Ю.Г Копыловой, А.М. Плюснина, А.И. Оргильянова, П.С. Бадминова, И.Г. Крюковой и др. Результаты предыдущих исследований углекислых вод Тувы касались в основном гидрогеологических и гидрогеохимических аспектов изучения. До настоящего времени остаются нерешенными вопросы происхождения компонентов ионно-солевого и газового состава воды, органического вещества, не рассмотрена роль взаимодействия в системе вода-порода-газ при формировании химического состава. Работы по изучению распространенности в углекислых водах широкого комплекса химических элементов, в том числе редких, редкоземельных и радиоактивных не многочисленны. Практически не рассмотрен характер геохимической обстановки и не предложено единой комплексной схемы формирования холодных и термальных углекислых минеральных вод Тувы.
В связи с этим, целью настоящей работы изучение геохимических особенностей и условий формирования химического состава углекислых минеральных вод северо- востока Тувы.
Объектами исследования являются углекислые воды северо-востока Тувы. Основные задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели:
• рассмотреть особенности химического и газового состава исследуемых углекислых вод и определить физико-химические процессы, контролирующих состав вод;
• провести изотопные исследования кислорода, водорода и углерода углекислых вод для установления генезиса воды и углекислого газа;
• определить состояние термодинамического равновесия подземных вод с минералами горных пород;
• установить глубинную температуру циркуляции углекислых вод;
• разработать схему формирования химического состава углекислых вод северо-востока Тувы.
Исходный материал и методы исследования. Основой для работы послужили материалы, полученные в результате комплексного гидрогеохимического опробования с участием автора летом 2013 г. и 2016 г. в составе научной экспедиции, организованной Лабораторией аржаанологии и туризма (ООО «АржаанЛаб» г. Кызыл) совместно с сотрудниками проблемной научно-исследовательской лабораторией гидрогеохимии ТПУ и коллегами из Института земной коры СО РАН (г. Иркутск), а также фондовые материалы. Всего автором было отобрано 40 проб подземных вод и 26 проб газовой фазы.
Быстроменяющиеся параметры (pH, Eh, Т°С), а также содержание углекислоты измерялись непосредственно на месте опробования. Комплексный анализ химического состава подземных вод выполнялся в проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии Томского политехнического университета методами титриметрии, потенциометрии, ионной хроматографии, спектрофотометрии, масс- спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и др. Аналитические исследования изотопов кислорода и водорода выполнены в ресурсном центре Санкт-Петербургского государственного университета «Геомодель» (г. Санкт-Петербург, Россия), углерода - в лаборатории изотопно-аналитических методов ИГМ СО РАН (г. Новосибирск, Россия).
Наименование химического типа вод давалось в соответствии с классификацией Щукарева (1934). Название химического типа воды складывается отдельно из ведущих анионов и катионов, расположенных в порядке их убывания, содержания которых превышают 25 мг-экв%.
Для понимания процессов, происходящих в системе вода-порода и установления источников химических элементов воде, использовались программы, разработанные на основе термодинамических методов расчетов минеральных равновесий. Результаты представлены на диаграммах полей устойчивости алюмосиликатных, карбонатных и сульфатных минералов, выполненных в программном комплексе (ПК) Geochemist’s Workbench (GWB). Расчеты индексов насыщения вод вторичными минералами осуществлялось в ПК PhreeqC.
Оценка глубинных температур подземных вод выполнялась с использованием геохимических геотермометров, разработанных Фурнье и Трусделлом (1973) и методом оценки статистической параметров Рида и Спичера (Reed, 1984).
Полученные данные самостоятельно были обработаны с помощью средств Microsoft Office, картографические построения осуществлялись с помощью программ ArcGis и CorelDraw.
Личный вклад автора заключался в сборе и обработке фактического материала. В составе научной экспедиции автором проведено опробование родников северо-востока Тувы. Полученные результаты анализ и интерпретация полученных результатов. Полученные данные самостоятельно обработаны с помощью программных комплексов Corel Draw, ArcGis, PhreeqC, OriginLab, GWB, а также средств Microsoft Office. Автором изучены особенности химического и газового состава подземных вод, особенности распределения микроэлементов в углекислых водах, рассчитаны равновесия подземных вод с основными минералами вмещающих горных пород, установлен генезис углекислого газа и воды, произведена оценка глубинных температур формирования подземных вод с помощью геохимических геотермометров, и разработана схема формирования углекислых вод северо-востока Тувы.
Научная новизна:
1. Наиболее полно и на новом аналитическом уровне проведено комплексное исследование вещественного состава минеральных углекислых вод северо-востока Тувы, получены данные по микроэлементному составу вод, а также содержанию РЗЭ.
2. Для всех углекислых вод впервые определен состав свободного и растворенного газа, сделаны выводы об условиях его формирования.
3. Впервые изучен изотопный состав углерода в родниках северо-востока Тувы и сделаны выводы о происхождении водной и газовой компонент вод;
4. Впервые определены глубинные температуры циркуляции углекислых вод северо-востока Тувы.
5. Разработана схема формирования химического состава углекислых вод северо- востока Тувы с обоснованием источников химических элементов и газа на основании полученных результатов анализа химического и газового состава подземных вод, расчетов глубинных температур и равновесия подземных вод с минералами горных пород.
Научно-практическая значимость работы. Полученные данные по основным закономерностям формирования углекислых вод могут быть применены для их комплексного и рационального использования, для разработки рекомендаций с целью сохранения ресурсов минеральных вод.
Результаты представленных исследований использовались при выполнении работ по грантам 16-35-00324 мол_а «Геохимия углекислых минеральных вод юго-западных склонов Восточного Саяна» (2016-2017гг.), в котором автор являлся руководителем, Госзадание «Наука» № 5.1931.2014/к «Геохимия элементов-гидролизатов в гумидных областях как основа совершенствования технологии водоподготовки)» и гранта РНФ 1717-01158 «Механизмы взаимодействия, состояние равновесия и направленность эволюции системы соленые воды и рассолы - основные и ультраосновные породы (на примере регионов Сибирской платформы)».
Апробация работы. По материалам диссертационного исследования опубликовано 15 работ, в том числе 4 работы в журналах, индексируемых международными базами данных (Web of Science, Scopus) и журналах из списка ВАК.
Отдельные разделы диссертации представлены на Международных и Всероссийских конференциях: Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2017 г.), Международном симпозиуме имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2015 - 2017 гг.), Всероссийском научном форуме «Наука будущего, наука молодых» (г. Казань, 2016 г.), научно-практической конференции аспирантов
(Postgraduate Research Conference) в Манчестере в 2016-2017 гг., Всероссийской научной конференции с международным участием "Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами" (г. Чита, 2018 г.).
Структура и объем работы. Настоящее диссертационное исследование состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературных источников, состоящего из 121 наименования. Работа изложена на 147 страницах, включая 39 рисунков и 20 таблиц.
Благодарности. Автор признателен своему научному руководителю, идейному вдохновителю к.г.-м.н., Наталье Владимировне Гусевой за помощь, поддержку и внимание на всех этапах подготовки диссертационного исследования.
За ценный вклад, наставления и комментарии автор благодарит д.г.-м.н., профессора Степана Львовича Шварцева. Слова признания автор выражает к.г.-м.н., главному инженеру ПНИЛ гидрогеохимии Ю.Г. Копыловой, благодаря которой удалось собрать базу данных по минеральным водам Тувы. Автор выражает огромную благодарность заведующей лаборатории ПНИЛ гидрогеохимии, к.г.-м.н.,
А.А. Хващевской и ее сотрудникам за проведение лабораторных исследований и обсуждение результатов.
Огромную признательность автор выражает директору НИИ медико-социальных проблем и управления Республики Тыва (г. Кызыл) к. х. н. К.Д. Араакча за организацию полевых исследований и предоставленную возможность принять в них участие, а также А.Ю. Оргильянову, И.Г. Крюковой и П.С. Бадминову из Института земной коры СО РАН (г. Иркутск) за полученный опыт и знания во время совместных полевых работ.
Обучению в программных комплексах и содействию в проработке некоторых глав диссертационной работы способствовал профессор Манчестерского университета доктор Дэвид Полия.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Углекислые воды северо-востока Тувы приурочены к активным зонам разрывных нарушений, по которым в водоносные системы поступает природный газ в свободной форме, представленный преимущественно СО2 (87-97 об.%) и содержащий Rn в количестве от 4 до 948 Бк/л. В составе растворенного газа кроме СО2 (12-97 об.%) присутствуют газы атмосферного генезиса N2 (2,5-70 об. %) и O2 (0,6-18 об. %).
2. В областях проявления новейшего вулканизма на северо-востоке Тувы выделяются две группы углекислых родников. Первая группа включает термальные и холодные воды, разгружающиеся на абсолютных отметках 1500-1600 м, а вторая группа - холодные родники, расположенные на отметках 1600-1800 м. На основе результатов расчета геотермометров и равновесия вод с вторичными минералами установлено, что глубинная температура формирования вод первой группы составляет в среднем 100°С для термальных и 72°С для холодных, а для вод второй группы - 91°С.
3. Углекислые воды северо-востока Тувы имеют инфильтрационное происхождение. Атмосферные осадки поступают в гидрогеологическую систему в области питания, проникают по разломам до глубины 3-4 км, нагреваются, обогащаются химическими элементами за счет растворения горных пород и поступления СО2 преимущественно метаморфогенного, реже мантийного генезиса.

Купить

На северо-востоке Тувы в зонах проявления глубинных разломов и развития трещиноватости формируются разнообразные по составу и температуре углекислые воды. Установлено, что в районе исследования развиты слабосолоноватые холодные углекислые воды с минерализацией от 680 до 1540 мг/л, с содержанием СО2 от 600 до 1780 мг/л, по химическому составу преимущественно гидрокарбонатные кальциево-магниевые/натриевые, имеющие слабокислую среду. Воды родников Даштыг-Хем и Верхний Кадыр-Ос являются наиболее минерализованными (минерализация 2343 и 2753 мг/л соответственно) с высокими концентрациями углекислоты (1373 и 1584 мг/л), гидрокарбонатными кальциево-натриевыми и кальциево-магниевые соответственно, но в первом отмечается более высокое содержание Na (более 290 мг/л) и S1O2 (62 мг/л), а в последнем самые высокие концентрации НСО3-, Cl-, Ca2+, Mg2+, Na+ по сравнению с другими изучаемыми углекислыми водами.
Термальные углекислые воды проявляются только на востоке Тувы имеют температуру до 39 °С и отличаются гидрокарбонатным натриево-кальциевым составом, с преобладанием Na в катионном составе, с минерализаций в среднем 2207 мг/л и концентрацией углекислоты 730 мг/л, характеризующиеся преимущественно восстановительной обстановкой (Eh от +183 до -170 мВ).
Агрессивное воздействии углекислоты, кислая среда, а также повышенная температура способствуют более активному выщелачиванию элементов из вмещающих пород и их накоплению в растворе. Полученные новые данные по концентрациям микрокомпонентов для исследуемых вод установили высокие содержания микроэлементов (Si, Sr, Li, U, Th, Rb, Cs, B, As, Ge и др.), в зоне рудной минерализации отмечаются накопления редкоземельных элементов в высоких количествах.
Состав растворенных в воде газов представлен преимущественно углекислым газом, в меньшей степени азотом и кислородом. Углекислые воды Чойгана как холодные, так и термальные обогащены радоном, чему способствует эманирование гранитов, воды относятся к слаборадоновым.
Проявления углекислых минеральных вод на северо-востоке Тувы приурочено к зонам кайнозойской тектоно-магматической активизации и к зоне глубинного Азасско-Жомболойского разлома, подводящего углекислый газ. По происхождению воды являются метеорными, положение области питания подземных вод оценивается на высоте порядка 1600-3000 м. По изотопному анализу 513С в термальных водах установлен источник СО2, связанный с контактовым метаморфизмом карбонатных пород при высоких температурах, при этом в других источниках возможно подмешивание мантийного СО2.
Все рассматриваемые углекислые воды северо-востока Тувы пересыщены по отношению к алюмосиликатным минералам (каолиниту, мусковиту, монтмориллонитам), кварцу, в термальных водах и некоторых холодных этап первичного накопления кальция проходит и достигается равновесие с карбонатными минералами (кальцитом, доломитом, стронцианитом). В то же время воды неравновесны анальцимом, анортитом, альбитом, гипсом и ангидритом.
Согласно прогнозным расчетам глубинных температур все углекислые воды формируются под воздейтвием высокого теплового потока при температурах 70- 130°С на глубине порядка 3-4 км, при этом температура разгрузки зависит от положения области разгрузки вод, наличия выводящих широких разломов, обуславливающих время и длину пути миграции этих вод на земную поверхность, приводящей к остыванию воды.

Купить