ГЕОХИМИЯ КАРБОНАТНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ПРИРОДНЫХ ПРЕСНЫХ ВОД И ЕЕ ИНДИКАТОРНОЕ ЗНАЧЕНИЕ В ЭКОЛОГО-ГЕОХИМИЧЕСКИХ И ПРОГНОЗНО-МЕТАЛЛОГЕНИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ (НА ПРИМЕРЕ БАЙКАЛЬСКОГО РЕГИОНА)

Список принятых сокращений 3
Введение 4
Глава 1. Карбонатные отложения (накипь) природных пресных вод: условия и факторы образования
Глава 2. Материалы и методы исследований 18
2.1. Фактический материал, отбор проб 18
2.2. Экспериментальные исследования 21
2.3. Лабораторно-аналитические исследования 22
2.4. Обработка данных 29
Глава 3. Краткий очерк природно-климатических, геологических и геоэкологических особенностей Байкальского региона
3.1. Геологическое строение 32
3.2. Ландшафтно-геохимические условия 35
3.3. Гидрогеологические и гидрогеохимические особенности 35
3.4. Геоэкологическая обстановка 41
Глава 4. Особенности поведения химических элементов в процессе кипячения воды
Глава 5. Геохимические особенности карбонатных отложений природных пресных вод Байкальского региона
5.1. Региональные особенности 62
5.2. Особенности элементного состава накипи в районах со слабой техногенной 74 нагрузкой
5.3. Особенности элементного состава накипи в районах с сильной техногенной 87 нагрузкой
5.4. Геохимическая типизация карбонатных отложений природных пресных вод 95
Глава 6. Минеральный состав карбонатных отложений природных пресных вод 97
6.1. Минеральный состав матрицы 97
6.2. Микроминеральный состав 103
6.3. Особенности нахождения урана в солевых отложениях питьевых вод по 107 данным f-радиографии
Глава 7. Минералого-геохимические особенности карбонатных отложений 110 природных пресных вод в зоне разгрузки термального источника (скважина Г-1, Тункинская впадина)
Заключение 127
Список литературы

Купить

Актуальность работы. Вода играет чрезвычайно важную роль в организме человека, являясь одним из основных путей поступления химических элементов в организм. Поэтому изучение ее химического состава - это одна из приоритетных задач, которая решается при эколого-геохимических исследованиях. Качество используемых для питьевого снабжения вод строго регламентируется нормативными документами (СанПиН 2.1.4.1074-01, СанПиН 2.1.4.1175-02, ГН 2.1.5.1315-03, ГН 2.1.5.2280-07, ГН 2.1.5.2307-07 и др.).
Химический состав воды определяется комплексом факторов как природного, так и антропогенного характера. В числе основных природных факторов формирования химического состава воды - это состав вмещающих пород водоносных комплексов, процессы взаимодействия в системе «вода-порода» (Шварцев, 1996 и др.). В элементном составе воде отражаются как специфика геохимической специализации геологических комплексов, так и техногенное воздействие от функционирующих комплексов природно-техногенных систем. Информативность геохимических показателей воды позволяет использовать их при разработке геохимических методов поисков месторождений полезных ископаемых (Сауков, 1976; Барсуков и др., 1981; Соловов, 1985; Справочник ..., 1990 и др.) и оценке экологического состояния объектов гидросферы в условиях антропогенной нагрузки (Сапрыкин, 1989; Сает и др., 1990; Иванов, 1994-1997 и др.).
Общеизвестно, что природные воды, используемые для питьевого водоснабжения населения, являются пресными, слабокислыми, гидрокарбонатными кальциево-магниевыми (Кирюхин и др., 1989, 1993; Крайнов, Швец, 1987, 1992; Геологическая эволюция ., 2005 и др.). С преобладанием в химическом составе воды карбонатной составляющей, представленной НСОз-, Ca2+, Mg2+, связан один из наиболее важных санитарно-гигиенических нормативов воды - жесткость. Данный параметр, в свою очередь, обуславливает такой физико-химический процесс, как накипеобразование, который характерен для вод с высоким показателем жесткости. Образующиеся солевые образования как в природных, так и в технических условиях, в том числе в бытовой теплообменной аппаратуре, в которой производится кипячение воды, состоят преимущественно из кальцита, арагонита, доломита и ряда других минералов. На их долю приходится до 99,0-99,9 % вещественного состава подобных
образований (Лепокурова, 2005; Шварцев и др., 2007; Pentecost, 2005; Cowan, Weintritt, 1976, Минеральные ..., 2002 и др.). Накипеобразование является негативным фактором в системах питьевого водоснабжения на разных этапах подготовки, очистки и транспортировки (Cowan, Weintritt, 1976; Лапотышкина, Сазонов, 1982; Вологдина, 2001; Минеральные ..., 2002; Присяжнюк, 2003 и др.).
Природным аналогом накипи могут являться травертины - преимущественно карбонатные образования, формирующиеся при разгрузке природных вод в тех или иных геологических обстановках (Лепокурова, 2005; Шварцев и др., 2007; Pentecost, 2005 и др.). Подобного рода образования как природного, так и техногенного происхождения можно рассматривать как пример специфического геохимического сорбционного барьера (Крайнов, Швец, 1987), при котором происходит осаждение не только двухвалентных элементов, но и многих других вследствие малой величины показателя произведения растворимости. Учитывая, что одной из основных форм нахождения многих химических элементов в низкоминерализованных водах, используемых для питьевого водоснабжения, являются карбонатные комплексы, образующиеся при кипячении солевые отложения (накипь) с большой долей вероятности наследуют гидрогеохимические особенности воды. Это обусловлено процессами изоморфного замещения (Mg, Fe, Zn, Sr и др.), сорбции на поверхности образующихся карбонатных минералов. Тем самым, эти процессы определяют геохимическую специфику формирующихся карбонатных образований (Карбонаты ..., 1987). Для гидротермального карбонатообразования это достаточно хорошо известно (Наумов, 1959; Рихванов и др., 19861, 19862 и др.), что положено в основу различных вариантов методов поисков месторождений полезных ископаемых по гидротермальным карбонатным минералам (Голева, Смирнова, 1982; Язиков, Рихванов, 1982; Рихванов, Пшеничкин, 1985). Поэтому, по нашему мнению, формирующиеся солевые отложения в бытовой теплообменной аппаратуре, вероятнее всего, обладают такой же информативностью, что и определило цель наших исследований.
Исследования показывают (Эколого-геохимические ..., 2006; Язиков и др., 2004, 2009; Tapkhaeva et al., 2010; Монголина и др., 2011; Соктоев и др., 20142), что солевые отложения (накипь), формирующиеся в бытовых условиях при кипячении воды, характеризуют качество вод на протяжении длительного времени, поскольку имеют значительное время формирования (до нескольких месяцев и лет). Кроме этого, результаты изучения накипи в Горном Алтае (Робертус и др., 2014) показывают, что ее элементный состав коррелирует с составом водовмещающих пород, что соответствует современной теории геологической эволюции системы «вода-порода» (Геологическая эволюция ..., 2005, 2007; Шварцев, 2008). Данное обстоятельство, на наш взгляд, может быть использовано для выявления природных геохимических аномалий, обусловленных геохимически специализированными комплексами горных пород, рудопроявлениями и месторождениями.
Актуальность работы также определяется малой изученностью объекта с точки зрения элементного состава как для целей экогеохимии, так и для прогнозно-металлогенических целей.
Цель работы: изучить индикаторную роль элементного состава карбонатной составляющей природных пресных вод, представленной солевыми отложениями (накипью), для эколого-геохимических и прогнозно-металлогенических исследований на примере Байкальского региона.
Задачи исследований:
1. Исследовать зависимость элементного состава формирующихся карбонатных отложений от общих гидрогеохимических показателей и микроэлементного состава воды; выявить особенности поведения химических элементов в процессе кипячения воды;
2. Оценить содержание и распределение химических элементов, в том числе редких, редкоземельных и радиоактивных, и выявить их индикаторное значение в карбонатных отложениях природных пресных вод (накипи) в районах с разной природно-техногенной обстановкой;
3. Выделить геохимические типы карбонатных образований (накипи) по уровням концентрации, ассоциациям и соотношениям химических элементов;
4. Изучить особенности минерального состава матрицы и выявить микроминеральные фазы химических элементов в карбонатных образованиях (накипи);
5. Обосновать возможность использования карбонатных отложений природных пресных вод в прогнозно-металлогенических целях и для оценки степени техногенной трансформации территории.
Объектом исследования являются карбонатные отложения (накипь) природных пресных вод. Предметом исследования - их элементный и минеральный состав. Территория исследования - Байкальский регион, значительная часть которого является особо охраняемой территорией мирового значения.
Фактический материал и методы исследования. В основу работы положены образцы накипи, травертинов и воды, отобранные сотрудниками кафедры геоэкологии и геохимии Томского политехнического университета (ГЭГХ ТПУ) в сотрудничестве с сотрудниками Бурятского государственного университета (БГУ) (профессор, д.г.н. Т.Т. Тайсаев), Геологического института СО РАН (инженер С.В. Бартанова), Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (н.с., к.г.-м.н. А.В. Паршин) при непосредственном участии автора. Общее количество проб карбонатных отложений из бытовой теплообменной аппаратуры составляет 181, также проанализировано 26 проб воды и 20 проб травертинов.
Базовым аналитическим методом для определения элементного состава накипи и травертинов являлся инструментальный нейтронно-активационный анализ на 27 химических элементов (ядерно-геохимическая лаборатория Международного инновационного научно-образовательного центра (МИНОЦ) «Урановая геология» кафедры ГЭГХ ТПУ, аналитики - с.н.с. А.Ф. Судыко, Л.В. Богутская). Для установления особенностей поведения химических элементов в системе «вода-накипь» применялся комплекс методов: ионная хроматография, потенциометрия, титриметрия, кондуктометрия, фотоколориметрия, масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой (научно-образовательный центр (НОЦ) «Вода», кафедра гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии Томского политехнического университета (ГИГЭ ТПУ), руководитель - к.г.-м.н, доцент А.А. Хващевская). Анализ ряда образцов выполнялся также методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой в ООО «Химико-аналитический центр «Плазма» (г. Томск, директор - Н.В. Федюнина). В полевых условиях при отборе воды производилось измерение pH, Eh и температуры (pH-009(I), ORP-200). Минеральный состав образцов определялся методом рентгеновской дифрактометрии на приборах ДРОН-3М, Bruker D2 Phaser (лаборатория методов исследования вещественного состава природных объектов МИНОЦ «Урановая геология» ГЭГХ ТПУ, заведующий лабораторией - Г.А. Бабченко), Rigaku Ultima IV (ОАО «ТомскНИПИнефть», аналитик - Ю.М. Лопушняк). Отдельные аномальные по содержанию пробы накипи изучались на сканирующем электронном микроскопе Hitachi-3400N с энергодисперсионной приставкой для микроанализа (лаборатория электронно-микроскопической диагностики МИНОЦ «Урановая геология» кафедры ГЭГХ ТПУ, аналитик - С.С. Ильенок).
Защищаемые положения:
1. Воды, используемые для питьевого водоснабжения на территории Байкальского региона, являются гидрокарбонатными магниево-кальциевыми и характеризуются доминирующей ролью карбонатной составляющей (72 %), что обуславливает формирование кальцита (в ряде случаев с содержанием Mg до 13 %) и арагонита как главных минералов в составе накипи. При этом отмечается значимая положительная корреляция содержания кальцита с содержанием Fe, Cr, Co, а арагонита - со Sr. Кальцит является преобладающим минеральным видом в составе накипи в пределах рифтогенных впадин: Тункинской и Баргузинской.
2. Геохимическая специализация карбонатных отложений природных пресных вод на территории Байкальского региона проявляется в повышенных концентрациях Zn, Ca, Sr, Cs, Ce. Предлагается выделить несколько типов карбонатных отложений, выделяющихся по содержанию, ассоциациям и соотношениям химических элементов, например: 1) баргузинский, 2) среднеселенгинский, 3) тункинский.
3. Элементный состав накипи отражает гидрогеохимические особенности природных пресных вод, обусловленных, прежде всего, их карбонатной составляющей (НСОз-, Ca2+, Mg2+), также специфику геологического строения и металлогеническую специализацию Байкальского региона и может быть использован как индикатор при прогнозно-металлогенических исследованиях на Ag, Au, U. В зонах интенсивного техногенеза в элементном составе накипи появляются новые геохимические ассоциации химических элементов.
4. Повышенные концентрации ряда химических элементов (Zn, Ba, Ag, Au, REE) способствуют образованию их собственных минеральных фаз в накипи: карбонатов, силикатов, сульфатов, фосфатов. Уран в карбонатных отложениях находится как в рассеянной (молекулярной) форме, так и в виде собственных минеральных микрофаз.
Научная новизна:
• получены новые данные по особенностям поведения химических элементов в процессе карбонатообразования, происходящего в условиях кипячения воды;
• доказано, что минеральный состав солевых отложений, образующихся при кипячении воды, имеет преимущественно карбонатный состав, обусловленный общей гидрогеохимической спецификой используемых пресных вод;
• впервые получены оценки средних содержаний химических элементов в карбонатных отложениях природных пресных вод Байкальского региона;
• показаны региональные особенности накопления химических элементов в сравнении с другими территориями (Томская, Павлодарская области, Республика Алтай);
• установлены тенденции поведения химических элементов в процессе кипячения воды в бытовых условиях;
• с высокой долей вероятности доказано, что образующиеся при кипячении солевые образования отражают как гидрогеохимические особенности вод, обусловленные преобладающей ролью карбонатной составляющей, так и геологические и металлогенические особенности района формирования природных вод;
• выявлены собственные микроминеральные фазы химических элементов, присутствующих в избытке, в карбонатной матрице отложений.
Практическая значимость. Проведено дифференцирование изученных районов Байкальского региона по уровням концентрации химических элементов и их ассоциациям в карбонатных отложениях, что позволило выявить возможные источники избыточного концентрирования элементов и оценить степень экологической опасности используемых природных вод.
Повышенные концентрации Ag, Au, U в карбонатных образованиях из природных пресных вод позволяют использовать геохимические показатели данных отложений для целей металлогенического прогнозирования (благороднометальная специализация Тункинской впадины, высокий урановый потенциал локальных межгорных впадин мезозойского возраста, в том числе Боргойской и Баргузинской).
Показано, что в процессе кипячения не происходит одновременного осаждения химических элементов: ряд элементов (Li, Na, Si, K, Cr, Cs, W, P, Co, Ga, Rb, Mo, Sn, Sb, U) остается в растворенном состоянии. При этом их концентрация может возрастать на 2-3 порядка, что представляет потенциальную экологическую опасность для здоровья человека.
Материалы, полученные в процессе выполнения работы, использованы при проведении занятий по курсам «Экологический мониторинг», «Медицинская геология», а также при написании курсовых и дипломных работ бакалаврами и магистрантами направления «Экология и природопользование» Института природных ресурсов ТПУ.
Личный вклад. Автором совместно с коллегами проведен отбор и подготовка проб, изучен химический и минеральный состав солевых образований. Автором лично проведена статистическая обработка данных, дана интерпретация полученных результатов и сформулированы защищаемые положения.
Достоверность защищаемых положений обеспечена статистически значимым количеством проб солевых отложений (накипи), применением современных аттестованных высокочувствительных аналитических методов (ИНАА, ICP-MS, ионная хроматография, потенциометрия, титриметрия, кондуктометрия, фотоколориметрия, рентгеновская дифрактометрия, сканирующая электронная микроскопия), выполненных в аккредитованных лабораториях (НОЦ «Вода» ТПУ, МИНОЦ «Урановая геология» ТПУ, ООО «ХАЦ «Плазма»), а также глубиной проработки фактического материала и литературы по теме диссертации. Анализ и обработка эмпирических данных проводились с использованием программ Statistica 6.0, MS Excel, Corel Draw, ArcGis, Adobe Photoshop.
Апробация работы и публикации. Результаты работы по теме диссертации докладывались на Международных и Всероссийских научно-практических конференциях: «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2010-2015 гг.), «Экология России и сопредельных территорий» (г. Новосибирск, 2011, 2012 г.), «Экология Южной Сибири и сопредельных территорий» (г. Абакан, 2010-2012 гг.), «Современные проблемы геохимии» (г. Иркутск, 2012, 2013 г.), «Ломоносов-2012» (г. Москва, 2012 г.), «Новые идеи в рудообразовании» (г. Москва, 2013 г.), International Forum on Strategic Technologies (г. Улан- Батор, 2013 г.) «Минералогия техногенеза» (г. Миасс, 2014 г.), «Эндогенная активность Земли и биосоциальные процессы» (г. Москва, 2014 г.), VII Сибирской научно-практической конференции молодых ученых по наукам о Земле (г. Новосибирск, 2014 г.), 6th International Conference on Medical Geology (г. Авейро, Португалия, 2015 г.), IX Международной биогеохимической школе «Биогеохимия техногенеза и современные проблемы геохимической экологии» (г. Барнаул, 2015 г.).
Основное содержание и научные положения по диссертации изложены в 32 статьях и тезисах докладов, в том числе 5 статей опубликованы в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень ВАК, и 2 статьи - в журнале и материалах конференции, цитируемых базами данными Scopus и Web of Science.
Работа выполнялась в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы» (проект № 14.740.11.1036), гранта РНФ «Биогеохимический мониторинг в районах хвостохранилищ горно-добывающих предприятий с учётом микробиологических факторов трансформации минеральных компонентов», проекта ТПУ BHY_Paris VI_132_2014 «Разработка критериев экологического районирования территорий на основе изучения геохимических изменений компонентов окружающей среды», х/д № 1-497/13 по г. Закаменск совместно с ОО «Бурятское региональное объединение по Байкалу» (г. Улан-Удэ).
Структура и объем работы. Диссертация объемом 148 страниц состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературы из 233 источников. Работа содержит 84 рисунков и 20 таблиц.
Во введении обоснована актуальность темы и проведенных исследований. Определены цель и задачи диссертации, показаны основные результаты, представлена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, обозначен личный вклад автора и апробация работы. В первой главе представлен краткий обзор исследований, посвященных изучению солевых отложений, которые образуются в системах водоснабжения. Вторая глава содержит сведения о материалах и аналитических методах. В третьей главе описана природно-климатическая, геологическая, ландшафтно-геохимическая, гидрогеологическая и геоэкологическая характеристика Байкальского региона. В четвертой главе представлены результаты изучения системы «вода - накипь», в частности взаимосвязи элементного состава солевых отложений с гидрогеохимическими показателями и микроэлементным составом воды. Также в данной главе обсуждаются данные, полученные в ходе экспериментальных исследований по выявлению особенностей поведения химических элементов в процессе многократного кипячения воды. Пятая глава посвящена изучению элементного состава солевых отложений природных пресных вод на территории Байкальского региона. В шестой главе рассмотрены особенности минерального состава солевых образований. В седьмой главе рассмотрены результаты изучения накипи, элементный состав которой формируется под вероятным влиянием гидротермальной системы, в местности Вышка (Тункинская впадина). В заключении перечислены основные результаты и выводы по диссертационной работе.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность научному руководителю, доктору геолого-минералогических наук, профессору кафедры ГЭГХ ТПУ Леониду Петровичу Рихванову за научное сопровождение и методическую помощь на всем протяжении выполнения работы.
Особую благодарность автор выражает первому научному руководителю д.б.н., профессору кафедры ГЭГХ ТПУ Н.В. Барановской. За содействие в полевых работах автор признателен д.г.н., профессору Бурятского государственного университета Т.Т. Тайсаеву, инженеру Геологического института СО РАН (г. Улан-Удэ) С.В. Бартановой, к.г.-м.н., научному сотруднику Института геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (г. Иркутск) А.В. Паршину, магистранту Института природных ресурсов ТПУ В.И. Евграфовой.
За ценные советы, консультации и конструктивные замечания автор благодарен д.г.-м.н., профессорам С.Л. Шварцеву, В.К. Попову, Е.Г. Язикову, С.И. Арбузову, к.г.-м.н. В.А. Домаренко, И.С. Соболеву, Ю.В. Робертусу, Д.В. Юсупову, Т.А. Монголиной, к.х.н. Н.А. Осиповой, аспирантам Е.А. Филимоненко, А.Р. Ялалтдиновой, Ш.Ж. Арыновой (Усеновой).
Автор благодарит аналитиков, без профессионального труда которых не состоялась бы эта работа: с.н.с А.Ф. Судыко, Л.В. Богутскую, Г.А. Бабченко, С.С. Ильенка, Н.И. Шердакову, М.Г. Камбалину, Е.Ю. Каричеву, И.С. Мазурову, Н.В. Федюнину, к.х.н. С.Н. Путилина, Ю.М. Лопушняка, к.г.-м.н. М.В. Шалдыбина, д.г.-м.н., в.н.с. В.А. Пономарчука.
Автор признателен за ценные замечания, высказанные в процессе обсуждения устных сообщений на конференциях и при рецензировании статей: д.г.-м.н. Е.М. Дутовой (ТПУ), В.И. Гребенщиковой (ИГХ СО РАН), В.А. Попову (ИМин УрО РАН), С.Б. Бортниковой (ИНГГ СО РАН), В.Д. Страховенко (ИГМ СО РАН), чл.-корр. РАН В.А. Петрову (ИГЕМ РАН), д.ф.-м.н. А.В. Викулину (ИВиС ДВО РАН), к.г.-м.н. Е.А. Амплиевой, В.В. Крупской, Г.Д. Киселевой (ИГЕМ РАН), В.А. Бычинскому (ИГХ СО РАН), С.С. Потапову (ИМин УрО РАН), главному геологу Д.А. Самовичу (Байкальский филиал «Сосновгеология»).

Купить