Geochemistry of underground waters of the Bakchar iron ore deposit area (Tomsk region).pdf В зоне гипергенеза и более глубоких горизонтах,включая артезианские бассейны и их склоны, ниже зоныокислительной геохимической обстановки, широкимраспространением пользуются железосодержащие под-земные воды [1]. Основные факторы и закономерноститакого распределения железа в водах известны, сложнееобстоит дело с источниками и механизмами накопленияэтого элемента в водах. Для выявления этих проблемначиная с 2008 г. нами проводится изучение конкретныхусловий формирования железосодержащих вод с ис-пользованием термодинамического моделирования про-цессов в системе «вода - порода» на территории Том-ской области [2, 3]. В данной работе представлены ре-зультаты одного из этапов этих исследований - изучениегеохимии подземных вод района крупнейшего Бакчар-ского железорудного месторождения.К сожалению, геохимия подземных вод непосредст-венно рудоносных горизонтов не изучена. Авторами затри года (2009-2011 гг.) были организованы и проведе-ны экспедиционные работы на территории Бакчарскогои близлежащих районов Томской области: отобраны33 пробы подземных вод (рис. 1). В каждой точке гидро-геохимического опробования in situ определились пара-метры среды Eh, pH, T, Fe2+ и Fe3+. Макрокомпонентныйи микрокомпонентный составы воды исследовались вПроблемной научно-исследовательской гидрогеохими-ческой лаборатории (ТПУ), зарегистрированной в Сис-теме аналитических лабораторий Госстандарта России.Изучение термодинамических равновесий в системе«вода - порода» проходило при помощи программногокомплекса HydroGeo, подготовленного М.Б. Букаты [4]и сертифицированного в Росатомнадзоре.Рис. 1. Схема расположения пунктов отбора проб воды: 1 - Бакчарское железорудное месторождение; 2 - скважины и их номер;3 - граница Бакчарского района; 4 - населенные пункты; 5 - линия гидрогеохимического разреза (см. рис. 2)Район исследованийРайон исследования расположен в 200 км к северо-западу от г. Томска в слабо обжитом таежно-болотистом районе. Здесь располагаются два крупныхместорождения железистых руд - Бакчарское и Пар-бигское. Первое располагается в междуречье рр. Ан-дарма и Икса, притоков р. Чая (рис. 1); второе - в вер-ховье р. Парбиг. Возраст рудоносных отложений оттурона до эоцена. Они состоят из кварц-хлорит-глауконитовых песчаников, песков и алевролитов спрослоями гравелитов. На лучше изученном участке,по данным девяти скважин, средняя мощность рудонос-ной залежи наиболее продуктивного бакчарского гори-зонта 25,7 м при среднем содержании железа 37,4% исредней мощности перекрывающих пород 191 м.Руды сформированы в песчаных, хорошо прони-цаемых отложениях, перекрытых сверху и снизу менеепроницаемыми глинами и алевролитами. Очень важно,что изначально пески являлись кварцево-железистыми,содержали глауконит, магнетит, ильменит, полевыешпаты, биотит, мусковит, пироксен, сфен, роговуюобманку и другие алюмосиликаты. Через эти горизон-ты с самого начала их формирования фильтровалисьогромные массы воды. Такая гидрогеологическая си-туация сохранилась и до наших дней.Гидрогеологический разрез региона характеризует-ся двухэтажным строением, объединяющим две гидро-динамические зоны: интенсивного и замедленного во-дообмена. Замедленный водообмен характерен длянижней части гидрогеологического разреза и объеди-няет, согласно общей гидрогеологической схеме За-падно-Сибирского артезианского бассейна, три водо-носных комплекса: водоносный комплекс отложенийсеноманского, альбского и аптского возраста, водонос-ный комплекс отложений баррет-готеривского и ва-ланжинского возраста и водоносный комплекс юрскоговозраста. Граница зоны замедленного водообмена под-тверждается гидрогеохимическими показателями и,прежде всего, повышенной величиной общей минера-лизацией (> 1 г/дм3). Максимальная мощность зоныинтенсивного водообмена достигает 800 м.Зона активного водообмена включает в себя два во-доносных комплекса: отложения антропогенового и нео-ген-олигоценового возраста (Q - Р3) и турон-нижнеоли-гоценового возраста (K2 - Р3). Максимальная мощностьзоны интенсивного водообмена достигает 800 м.Территория Бакчарского месторождения располо-жена в сильно обводненных отложениях, представлен-ных двумя верхними водоносными комплексами, со-стоящими из пяти горизонтов. Воды этих горизонтовявляются частью единой гидродинамической системыЗападно-Сибирского артезианского бассейна. Водонос-ные горизонты разделены выдержанными водоупор-ными породами. Воды всех горизонтов напорные, чтоговорит о наличии отдаленной, но, вероятно, единойобласти питания. Коэффициент фильтрации по ограни-ченным данным составляет 3-5 м/сут, что являетсявесьма большим значением для глубин 200-400 м.Рудные горизонты также относятся к водоносным, хотяперемежаются с горизонтами глауконит-лептохлорито-выми глинистыми рудами, весьма слабо водопрони-цаемыми, и с глинами морского происхождения [5].Первый от поверхности постоянно действующийводоносный горизонт приурочен к песчаным отложе-ниям четвертичного и верхнеолигоценового возрастатобольской (QII tb) и лагернотомской (Р3 lt) свит. Ихобщая мощность достигает 50 м.Второй водоносный горизонт представлен песчано-алевритовыми отложениями среднего олигоцена ново-михайловской свиты (Р3 nm), мощность которых дости-гает 40-50 м.Третий водоносный горизонт сложен песками верх-неэоцен-нижнеолигоценового возраста юрковской сви-ты (P2-3 jur). Мощность водовмещающих пород превы-шает 50 м. Воды активно используются большинствомводозаборов хозяйственно-питьевого назначения, в томчисле пос. Бакчар, Поротниково.Четвертый водоносный горизонт приурочен к отло-жениям ганькинской свиты (K2 gn), образован обвод-ненными песками мощностью до 25-30 м. Он, без раз-деляющего водоупора, переходит непосредственно вжелезорудную толщу.В основании гидрогеологического разреза, под руд-ной толщей, залегает пятый водоносный горизонт,приуроченный к отложениям песков нижней частиипатовской свиты (K2 ip).Химический состав подземных водРезультаты лабораторных исследований некоторыхподземных вод района представлены в таблице. Глуби-на отбора от 20 до 400 м.Подземные воды трех первых от поверхности во-доносных горизонтах (QII tb - Р3 lt, Р 3 nm, Р2-3 jur) зале-гают в песчано-гравийных, с прослоями глин, суглин-ков и лигнитов, отложениях. Они являются пресными(минерализация от 0,4 до 0,7 г/л, в среднем 620 мг/л),нейтральными и слабощелочными (рН 6,8-7,8), жест-кими (5-9,4 мг-экв/л), гидрокарбонатными кальциевы-ми и кальциево-магниевыми (рис. 2). Эти воды обога-щены Fе до 10 мг/л, в среднем 4 мг/л, что превышаетпредельно допустимые концентрации (ПДК) для пить-евых вод в 13-30 раз. Также в повышенных концентра-циях содержится Mn до 2 мг/л, что в 20 раз превышаетПДК. Содержание перманганатной окисляемости (ПО)колеблется от 2 до 5 мгО/л, кремния - от 8 до 16 мг/л.Воды данных горизонтов используются для питьевоговодоснабжения не только Бакчарского района, но и вТомске и Томской области.Подземные воды верхнемеловых отложений вклю-чают в себя два водоносных горизонта, приуроченныхк песчано-глинистым образованиям ганьковской (К2 gn)и ипатовской (K1-2 ip) свит. Воды ганьковской свитыпресные, но уже с более повышенной минерализацией(0,6-1,2 г/л). Наблюдается смена состава вод от гидро-карбонатных кальциевых до гидрокарбонатных на-триевых (содовых). Отсюда большой разброс значенийпо жесткости (от 0,3 до 9,6 мг-экв/л). Относительновыше залегающих вод отличаются повышенной щелоч-ностью (рН 6,8-8,6). Ион хлора в повышенных содержа-ниях присутствует практически во всех пробах. Содер-жание колеблется от 2 до 139 мг/л, в среднем составляет48 мг/л. Иногда в повышенных концентрациях встреча-ется сульфат-ион до 11 мг/л. Содержание Fe в водах,наоборот, уменьшается до 2,9 мг/л в среднем, но в целомвсе еще высокое. Уменьшается содержание марганца доуровня ПДК, а также содержание Si и ПО.Воды ипатовской свиты вскрывает в районе лишьодна скважина у д. Кенга на глубине 370-390 м. Изнее отобраны две пробы воды (№ 44, 91). Это уже ми-нерализованные воды (М от 2,4 до 2,7 г/л), по составухлоридные натриевые, с щелочной реакцией среды(рН 7,8-8,1) и низким значением жесткости (4 мг-экв/л).Содержание Fe резко уменьшается до уровня ПДК.Уменьшается также в 2 раза содержание Si. ПО остает-ся на уровне вышезалегающих вод.Как следует из этих данных, в четвертичных и па-леогеновых отложениях развиты пресные, а в меловых -пресные и солоноватые воды (рис. 2). Все это подтвер-ждает высокую промытость геологических структурэтого региона.Практически все подземные воды района, как и все-го региона, содержат повышенные и высокие концен-трации ионов Fe до 30 мг/л [7, 2]. При этом в водахчетвертичных, неогеновых и палеогеновых отложений(первого водоносного комплекса) содержание железа в1,5-2 раза выше, чем в водах верхнемеловых отложе-ниях. Железо в подземных водах представлено в ос-новном двухвалентной формой Fe2+ (90…95%), и этаформа является основной миграционной формой ионовжелеза в рассматриваемых водах.Характеристики и химический состав подземных вод района Бакчарского месторожденияEh pH ƒ HCO3- SO42- Cl- Ca2+ Mg2+ Na+ K+ Feобщ Fe2+ Si Mn ПОНомерпробыНаселенныйпунктТемпера-тура, °C мВ - мг/л мгО/лТри первых от поверхности водоносных горизонта (QII tb-Р3 lt, Р3 nm, Р2-3 jur)2 Бакчар 5 -10 7,3 527 403 2,6 0,6 94 15,9 9,5 1,2 3,3 3,0 8,1 0,49 2,14 Вавиловка 7 -66 7,3 641 488 2,2 7,5 102 22,0 18,0 1,6 4,0 3,8 11,3 0,13 2,57 Высокий Яр 6 -79 7,1 561 415 2,1 4,0 102 8,5 28,0 1,6 2,7 2,4 13,7 0,17 4,68 Парбиг 5 -38 7,1 643 492 1,0 0,8 114 19,5 15,0 1,2 2,3 2,0 12,9 0,37 3,09 Кенга 4 -98 7,5 410 305 2,1 1,8 82 11,0 7,5 0,9 7,5 6,0 8,3 0,42 2,810 Кедровка 5 -32 7,4 693 525 2,2 0,9 112 22,0 30,0 1,2 2,1 2,0 13,6 0,28 4,612 Гореловка 6 -76 6,9 675 512 3,2 6,2 126 20,7 6,0 1,3 9,5 8,0 8,83 0,19 4,313 Подгорное 5 -68 7,1 721 512 2,7 35,5 114 28,1 27,0 1,3 6,0 5,2 11,0 0,20 4,615 Восточное 5 -55 7,1 638 488 2,6 1,2 114 15,9 15,0 1,4 5,3 4,9 10,6 0,14 4,942 Бакчар 11 -55 6,8 551 390 0,1 0,6 94 12,2 16,0 0,8 1,4 1,4 12,0 - -45 Кенга 6 -21 7,6 609 451 0,1 0,9 100 17,1 14,0 1,0 1,8 1,4 15,4 - -46 Новая Бурка 10 193 7,6 540 384 0,1 0,7 90 17,1 10,0 0,7 0,2 0,1 12,9 - -48 Григорьевка 12 -17 7,8 589 409 0,1 6,8 82 23,2 18,5 1,2 4,0 4,0 12,2 - -50 Овражное 10 -42 7,5 740 549 0,1 4,0 104 31,7 30,0 1,7 5,7 5,7 13,8 - -51 Бундюр 8 33 7,1 707 506 0,1 1,0 112 20,7 22,5 1,2 2,9 0,2 16,0 - -52 Бородинск 11 -20 7,7 673 506 0,1 0,9 106 30,5 12,5 0,9 5,5 0,6 9,8 - -92 Гореловка 7 -105 7,0 641 464 0,5 3,6 118 24,7 8,5 1,4 9,8 9,3 8,0 - 5,194 Подгорное -80 7,2 590 384 0,5 35,5 94 18,3 30,7 1,1 5,5 5,1 10,9 - 5,4Водоносный комплекс отложений верхнего мела (K2 gn, K2 ip)1 Бакчар 7 -46 7,2 886 634 11,3 22,4 116 35,4 65,0 2,2 1,1 0,8 10,8 0,10 3,83 Бакчар 10 -150 8,6 726 390 9,7 59,3 2 2,4 225,0 1,4 4,3 4,0 4,0 - 1,05 Поротниково 7 -28 7,3 835 634 2,1 1,7 112 23,2 60,0 2,0 2,0 1,7 9,1 0,19 3,76 Плотниково 6 -37 7,2 1062 744 2,4 51,1 126 40,3 95,0 2,7 2,2 2,0 10,1 0,13 3,711 Усть-Бакчар 5 -45 7,0 871 525 2,2 115,4 126 24,4 76,0 2,1 6,3 6,0 13,9 0,65 4,541 Плотниково 8 -36 6,9 1168 817 0,1 12,8 138 31,7 95,0 2,5 1,3 1,1 12,0 - -43 Богатыревка 11 -78 8,2 594 378 6,0 23,4 4 1,2 170,0 1,0 0,3 0,2 6,2 - -44 Кенга 11 -100 8,1 2652 402 0,1 1266,6 46 20,7 900,0 6,0 0,4 0,4 7,5 - 3,449 Нижняя Тига 8 -14 7,2 800 561 0,1 5,2 104 26,8 43,0 2,2 3,1 0,6 15,0 - -91 Кенга 11 -109 8,0 2427 359 0,1 1189,0 46 25,0 800,0 7,8 0,5 0,5 5,4 - -93 Усть-Бакчар 7 -58 7,4 868 503 0,5 138,5 116 31,7 77,5 1,8 10,3 9,8 5,3 - 5,3Примечание. ƒ - общая минерализация; ПО - перманганатная окисляемость; «-» - нет данных.Рис. 2. Схематический гидрогеохимический профиль по линии I-II (см. рис. 1). Составлен на основе геологического разреза [6].1 - глинистые практически не водоносные породы; 2 - песчаники ожелезненные (Fе = 20-30%); 3 - железные руды (Fе = 30-45%);(4-6) - площади распространения вод с минерализацией (в г/л) различного ионно-солевого состава:4 - до 0,7 (НСО3-Сa и НСО3-Сa-Mg рН 6,8-7,8); 5 - 0,6-1,2 (НСО3-Сa и НСО3-Na рН 6,8-8,6); 6 - > 2,5 (Cl-НСО3--Na и Cl-Na pH > 8);7 - изолинии минерализации; 8 - скважины и интервалы опробования (в кружке - минерализация воды, г/л)Равновесие подземных водс вмещающими породамиПринято считать, что главным источником железавыступают его основные минералы: сульфиды, оксиды икарбонаты. Разработанные 40-50 лет назад схемы фор-мирования железосодержащих вод в основном сохрани-лись, хотя очевидно, что они не соответствуют фактиче-ски наблюдаемым данным. Все рассмотренные источни-ки в водах и процессы его мобилизации в природе име-ют место, но они формируют локальное совершенноисключительное явление, частный случай и не приводятк образованию целых провинций, в которых практиче-ски повсеместно (на той или иной глубине) развиты же-лезистые воды. Региональный и более естественныймеханизм мобилизации железа - это растворение алю-мосиликатов водой, т.е. объяснение проблемы железо-содержащих вод с позиций общей теории взаимодейст-вия воды с горными породами [8, 9].Были проведены термодинамические расчеты со-стояния равновесия подземных вод и с различными кар-бонатными и алюмосиликатными минералами (рис. 3,4). Расчеты показали, что все воды неравновесны спервичными минералами водовмещающих пород: по-левыми шпатами, мусковитом, биотитом, гранатами,пироксенами, роговыми обманками, эпидотом, хлори-том и многими другими, поля равновесия которых рас-полагаются еще выше за пределами рисунка. Вместе стем исследуемые воды равновесны с монтмориллони-тами, иллитами, каолинитом и другими глинами, атакже кальцитом и сидеритом (рис. 4). Следовательно,в этих условиях минералы первой группы активно рас-творяются, особенно пироксены, эпидот и роговые об-манки, которые неустойчивы в этих условиях и, соот-ветственно, выступают источником железа и другихэлементов. Затем в результате инконгруэнтного рас-творения формируют вторичные минералы, связываю-щие часть Si, Al, Ca, Mg, Na, K и Fe.На рис. 4, е представлена диаграмма полей устойчи-вости части вторичных железистых алюмосиликатов исидерита с нанесением данных по составу исследуемыхподземных вод. На диаграмме показаны поля устойчи-вости Fe-селадонита (гр. глауконита) KFeAlSi4O10(OH)2 идафнита (гр. хлорита) Fe5Al2Si3O10(OH)8. Нетрудно видеть,что равновесие подземных вод устанавливается и с эти-ми минералами. Следовательно, подземные воды районаБакчарского месторождения насыщены не только раз-личными окислами, гидроокислами, карбонатами Fe, нои глинистыми алюмосиликатами Fe, которые здесь по-этому и образуются.Согласно используемой нами классификации [8, 9]названия водам дается по составу тех элементов, кото-рые связываются кристаллической решеткой образуе-мого в этой системе вторичного минерала. В нашемслучае воды относятся к кремнистому кальциево-железистому геохимическому типу вод. КремнистыеCa-Fe воды формируются в верхних горизонтах многихартезианских бассейнов, в корах выветривания, зонахтектонических нарушений, в массивах кристалличе-ских пород, межгорных бассейнах и т.д. Такие водыимеют максимальное (несколько десятков мг/л) содер-жание железа среди подземных вод хозяйственно-питьевого назначения и формируют целые провинции,связанные с зональным распределением химическихэлементов в водах. Такие провинции отличаются высо-ким содержанием Fe и других элементов (Mn, Sr, Se, V,Mo, иногда Cr, Be, As, F).Таким образом, фильтрующаяся вода в первую оче-редь растворяла полевые шпаты и другие минералытерригенной составляющей вмещающих пород. Приэтом сложилась геохимическая среда, близкая по ос-новным параметрам (pH, Eh, O2, CO2, Fe2+, Fe3+, Si, со-леность и т.д.) к современной. Наиболее характерныечерты этой среды - глеевая околонейтральная обста-новка, пресные и слабосолоноватые воды, повышенныесодержания Fe. Такая среда, в первую очередь, обеспе-чила образование гидроокислов и карбонатов Fe: гид-рогетита и сидерита. Si и Al при этом, как и обычно,связывались глинами, но повышенные содержания вводах Fe и Mg обеспечивали условия, при которыхвместо монтмориллонита формировались железистыехлориты (лептохлориты) и, вероятно, глауконит. Есте-ственно, что при этом частично формировались и дру-гие глинистые минералы (иллит, монтмориллонит,глауконит и др.), а также кальцит, с которым такие во-ды всегда равновесны. Говоря иначе, формировался тотнабор вторичных минералов, который мы и наблюдаемна месторождении.Рис. 3. Равновесия подземных вод Бакчарского района с кальцитом (а) и сидеритом (б) при пластовой и стандартной температурах:1 - воды трех первых от поверхности водоносных горизонтов (QII tb - Р3 lt, Р 3 nm, Р2-3 jur); 2 - воды ганьковской свиты (К2 gn);3 - воды ипатовской свиты (K1-2 ip)Рис. 4. Диаграмма равновесия кальциевых (а), магниевых (б), натриевых (в), калиевых (г), кальциево-натриевых (д)и железосодержащих (е) минералов с подземными водами Бакчарского района. См. условные обозначения на рис. 3.Стрелкой серого цвета показано направление эволюции состава водВыводыПодземные воды района Бакчарского железорудно-го месторождения, заключенные в пяти водоносныхгоризонтах, практически повсеместно содержат повы-шенные и высокие концентрации ионов Fe до 30 мг/л.Воды от пресных до слабоминерализованных, по со-ставу от гидрокарбонатных кальциевых до гидрокар-бонатных натриевых и даже хлоридных натриевых.Обогащены, кроме железа, также марганцем, органиче-ским веществом и обеднены свободным О2. При этом вводах четвертичных, неогеновых и палеогеновых от-ложений содержание железа в 1,5-2 раза выше, чем вводах верхнемеловых отложениях. Как показали тер-модинамические расчеты, воды равновесны с гидро-окислами, карбонатами и глинистыми алюмосиликата-ми Fe, т.е. в системе образуются гидрогетит, сидерит,лептохлорит. Также формируются кальцит и другиеглинистые минералы: иллит, монтмориллонит, глауко-нит. Поэтому глубже по разрезу появляются содовыеводы, обедненные кальцием и железом. Однако этиэлементы продолжают поступать в раствор вследствиенеравновесного состояния вод с вмещающими первич-ными алюмосиликатами, т.е. постоянного их растворе-ния. В нашем случае, по принятой классификацииС.Л. Шварцева, воды относятся к кремнистому каль-циево-железистому геохимическому типу вод и спо-собны образовать ассоциацию вторичных железистыхминералов, наблюдаемую в осадочных железорудныхместорождениях типа Бакчарского.

Скачать электронную версию публикации