Сайт кафедри  географії ДНУ
Кафедра географії історичного факультету Дніпровського національного університету імені Олеся Гонара     
.
Навігація


Форма входу
    Вітаємо на нашому сайті!

Токаренко О. Г.

Томский политех. ун-т, каф. гидрогеол., инжен. геологии и гидрогеоэкологии, аспирант

Научный руководитель: д.г.-м.н., проф. Шварцев С.Л., к.г.-м.н., доц. Копылова Ю.Г.

РАВНОВЕСИЕ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД КУЗБАССА С АЛЮМОСИЛИКАТНЫМИ МИНЕРАЛАМИ

 

В Кузбассе еще в середине прошлого столетия выявлены проявления содовых метановых (Борисовских и Березовоярских) и углекислых (Терсинских) вод. Изучение вопросов формирования их состава невозможно без рассмотрения состояния равновесия с водовмещающими отложениями.

Однако проблема генезиса содовых вод крайне спорна и может быть решена с позиций общей теории взаимодействия воды с горными породами, которая уже относительно детально разработана с общегеохимических позиций. Процесс содообразования рассматривается как определенный этап взаимодействия воды с горными породами, который наступает с момента насыщения вод кальцитом [2].

В этой связи основной целью данной работы является изучение состояния равновесия минеральных вод с алюмосиликатами, а также с кальцитом, как вторичного продукта взаимодействия вод с алюмосиликатами, с последующим моделированием масштабов осаждения этих минералов из водного раствора.

В основу работы положены материалы исследований химического состава Борисовских и Терсинских минеральных вод автором с 2003 по 2006 гг. в составе полевой экспедиции Томского филиала Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, а также сотрудниками проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии Институт геологии и нефтегазового дела Томского политехнического университета. Данные химического состава Березовоярских минеральных вод любезно предоставлены ФГУП «Красновоярская ГГП». Объектом исследования являлись воды эксплуатационных скважин: Терсинское месторождение – скв. №1011, Борисовское – скв. 11бис и Березовоярское – скв. №110 бис.

Борисовское и Березовоярское месторождения территориально принадлежат Крапивинскому району Кемеровской области. Борисовское месторождение приурочено к своду антиклинальной структуры (Южно-Борисовская антиклиналь), где породы повышенно трещиноваты. Гидрогеологический разрез месторождения слагают достаточно древние терригенные образования, представленные песчано-глинистыми угленосными отложениями верхнепермского возраста (Ерунаковская и Ильинская подсерии). Гидрогеологический разрез Березовоярского месторождения представлен переслаиванием песчаников, алевролитов, аргиллитов балахонской серии верхнепермского возраста, повсеместно обогащенных давсонитом (NaAl(CO3)(OH)2). Терсинское месторождение территориально находится юго-восточнее в области предгорья Кузнецкого Алатау и принадлежит Новокузнецкому району. Месторождение приурочено к Терсинскому антиклинальному поднятию и имеет сложные гидрогеологические условия, обусловленные сильной трещинноватостью пород и тесной гидравлической связью подземных вод всех водоносных комплексов. Водовмещающие породы здесь также как и на Борисовском и Березовоярском месторождениях являются алюмосиликатными и представлены угленосными пермо-карбоновыми отложениями песчаников, алевролитов, аргиллитов и пластами каменного угля балахонской серии.

Как показали исследования химического состава, Борисовская минеральная вода является холодной (11ºС на устье) слабосолоноватой (2875 мг/л), гидрокарбонатной натриевой по составу со слабощелочной реакцией водной среды (рН=8,2). Воды имеют крайне низкие содержания ионов кальция (не более 2 мг/л) и магния (0,6 мг/л), поэтому являются очень мягкими (0,15 мг-экв/л). Отличаются невысоким содержанием хлор-иона (92 мг/л), сульфат-иона (1.3 мг/л) и кремния (до 3,6 мг/л) при несколько повышенных концентрациях фтора (3,5 мг/л) и лития (0,9 мг/л). По данным газового состава минеральные воды являются азотно-метановыми (33 и 60% соответственно).

При тех же слабощелочных условиях водной среды (рН=8,2), Березовоярские воды несколько отличаются по своему составу. Эти воды холодные (6–7 ºС),солоноватые (3352 мг/л), относятся к гидрокарбонатно-хлоридному натриевому химическому типу. Воды очень мягкие(0,4 мг-экв/л), содержание кальция и магния в них не превышает 4 и 2,4 мг/л, соответственно.Но вместе с тем, в их составе отмечены повышенные содержания хлор-иона (до 625 мг/л) и сульфат-иона (до 25 мг/л), в несколько раз превышающие их содержания в Борисовских и Терсинских водах, что говорит о более длительном времени взаимодействия вод с горными породами. Также обнаружены высокие концентрации марганца (до 20 мг/л) и фтора (до 6,5 мг/л) при достаточно низких, как и в Борисовских, содержаниях кремния. По газовому составу воды азотно-метановые (15 и 68% соответственно).

Исследование Терсинской минеральной воды показало, что она также является холодной (13 ºС), солоноватой (4806 мг/л), но уже со слабокислой реакцией водной среды (рН=6,6). Понижение рН происходит из-за присутствия высокого содержания растворенной углекислоты (51-82% от общего газового состава). В связи с этим содержания ионов кальция и магния также существенно отличаются от их концентраций в вышеупомянутых минеральных водах и достигают 255 и 81 мг/л, соответственно, воды очень жесткие (более 20 мг-экв/л). По химическому типу вода гидрокарбонатная натриево-кальциевая. Это также типичный представитель содовых вод с несколько повышенным содержанием хлор-иона (135 мг/л). Особую ценность вода имеет за счет наличия кремниевой кислоты, содержание которой составляет 85,5 мг/л, тогда как кондицией для минеральных вод является 50 мг/л [ГОСТ 13273-88]. Также высоки концентрации двухвалентного железа (более 10 мг/л) и фтора (до 3,5 мг/л).

При наличии достаточно существенных отличий в ионно-солевом составе рассматриваемых минеральных вод, доминирующим среди анионов является гидрокарбонат-ион, что и определяет химический тип вод. Среди катионов доминирует натрий и его содержания в минеральных водах месторождений практически одинаковы: в борисовских – 862 мг/л, в березовоярских – 1001 мг/л и в терсинских – до 1000 мг/л.

На основе имеющихся данных химического состава нами была выполнена оценка их равновесия с алюмосиликатными горными породами. Расчет равновесия воды с горными породами был проведен по методике, изложенной в работах Дривера [1] и др. Обогащение вод химическими элементами в пределах алюмосиликатных пород и, отчасти, карбонатных пород протекает по следующей схеме:

CaCO3 + H2O + CO2 = Ca2+ + 2HCO3                                                         (1)

           

2CaAl2Si2O8 + 4H2O + 2CO2 = Al4Si4O10(OH)8 + 2CaCO    (2)

         Альбит                                      Глинистый минерал           Кальцит

Установлено, что образование кальцита в реакции (2) может произойти лишь при определенной величине минерализации (более 0,6 мг/л) и при рН не менее 7,4 или тогда, когда произведение [Ca2+]*[CO32–] превысит 10–8,3 [2].

Удаленность системы вода-порода от состояния термодинамического равновесия может быть определена через индекс неравновесности, который определяется как А=lg(K/Q), где K – константа реакции, а Q – квотант реакции или параметр насыщенности – величине обратной индексу неравновесности.

Подпись: Рис. 1 Система HCl-H2O-Al2O3-Ca-SiO2 при температуре 22ºС с нанесением данных по минеральным водам Кузбасса (1–Терсинские; 2–Борисовские;
3–Березовоярские)

 

Характер равновесия минеральных вод с алюмосиликатами показан на рис. 1. Из диаграммы видно, что все минеральные воды являются неравновесными к первичным алюмосиликатам (анортиту, альбиту), но в то же время равновесны с продуктами их выветривания. Все точки минеральных вод находятся в полях устойчивости монтмориллонита кальциевого состава, но в разной степени удалены от линии насыщения к нему. Так, Борисовские минеральные воды находятся практически на границе между насыщением к каолиниту и Сa-монтмориллониту, склоняясь в сторону последнего. Более насыщенными к Ca-монтмориллониту являются воды Терсинского и Березовоярского месторождений.

 

Особое внимание стоит обратить на карбонатный барьер, который встречается на пути установления равновесия минеральных вод с первичными алюмосиликатами. Известно, что по мере увеличения содержаний кальция в природных водах и рН водной среды происходит насыщение вод карбонатами кальция и он начинает выпадать из раствора [2]. Это явление можно наблюдать и в Терсинских минеральных водах. Здесь, благодаря интенсивному проявлению процессов углекислотного выщелачивания, в условиях кислой среды (рН=6,6) воды являются насыщеннымик кальциту (рис. 1). Равновесие к данному минералу достигается уже при давлении РCO2=102,5 Па, которое характерно в основном для речных вод. Если условно провести линию значений насыщения кальцитом равную  РCO2=102.8–3.2 Па, что характерно для подземных вод, то степень насыщенности вод кальцитом увеличивается. Пересыщение вод карбонатом кальция и удаление из раствора CO2 при смене геохимических условий приводит к осаждению СaCO3 в виде натечных карбонатных образований или известковых туфов (травертинов), которые можно наблюдать на месторождении.

Установить количество высаживаемых из раствора минералов, а также их масштабы становится возможным при помощи моделирования гидрогеохимических процессов с использованием программного комплекса HydroGeo 32 [Букаты, 2003], который основан на базе термодинамических констант и методе минимизации энергии Гиббса. При настройке программы в выборку были включены эндогенные алюмосиликатные минералы - анортит CaAl2Si2O8, альбит NaAlSi3O8, карбонатные вторичные минералы - арагонит CaCO3,  кальцит CaCO3, доломит CaMg(CO3)2 и вторичные алюмосиликаты – монтмориллонит Al2Si4O10(OH)2 кальцийсодержащий монтмориллонит Ca15Al1.9Si4O10(OH)2 и каолинит Al2Si2O5(OH)4.Результаты моделирования представлены в табл. 1.

 

 

Таблица 1. Степень равновесия минеральных вод Кузбасса к алюмосиликатным и карбонатным минералам и масштабы вторичного минералообразования

Минерал

Минеральные воды

Борисовская

Березовоярская

Терсинская

Анортит

–37,2 / 0

–38,6 / 0

–11,5 / 0

Арагонит

–8,3 / 0

0,8 / 0

2,7 / 247

Кальцит

–8,4 / 0

0,7 / 0

2,6 / 0

Доломит

–15,4 / 0

3,6 / 0

6,3 / 595

Каолинит

–1,2 / 0,2

––

33,2 / 0

Са-монтмо-риллонит

1,3 / 0

10,2 / 0

39,0 / 0

Примечание: В дроби числитель – значение параметра насыщенности (отрицательное значение – состояние недонасыщенности, положительное – насыщенности); знаменатель – высажено из раствора, мг/л.

Из таблицы видно, что все минеральные воды находятся в глубоко неравновесном состоянии с анортитом, но в то же время являются насыщенными к вторичным карбонатам и алюмосиликатам. В Терсинских и, отчасти, в Березовоярских водах, наблюдается равновесное состояние с кальцийсодержащими минералами (арагонитом, кальцитом и в большей частью с доломитом), которые в достаточно больших количествах могут высаживаться из раствора углекислых минеральных вод. Полученные результаты также подтверждают ранее сделанный вывод о насыщенном состоянии вод относительно глинистых минералов, причем степень насыщенности тем больше, чем выше минерализация вод (табл.). Глинистые минералы могут высаживаться из раствора в щелочных условиях метановых вод, хотя и в незначительных количествах (до 0,7 мг/л).

Таким образом, минеральные воды Кузбасса находятся в равновесно-неравновесном состоянии с алюмосиликатными породами: воды неравновесны к первичным породам, но в то же время равновесны к их продуктам взаимодействия, в частности, с кальцийсодержащими минералами, что способствует накоплению натрия в водах и ведет к формированию содовых вод.

 

Информационные источники:

1.Дривер Дж. Геохимия природных вод. – М.: Мир, 1985. – 440 с.

 

2.Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза.– М.: Недра, 1998. – 366 с.


Новини


  Погода

  Партнеры

  Реклама

  Календарь

  Погода

.
Кафедра географії, історичний факультет Дніпровського національного університету імені Олеся Гончара (106 Географія, 242 Туризм, 014.07 Середня освіта (Географія))
© 2006-2019. Поширення матеріалів сайту дозволяється за умови посилання на www.ggf-dnu.org.ua
© Розроблення та підтримка сайту - Гаврюшин Олександр (admin@ggf-dnu.org.ua)