Trace elements in highly alkaline water in the Chulymskaya well ("Omega", Tomsk Region).pdf Введение На юго-восточной окраине Западно-Сибирского артезианского бассейна на глубинах от 600 до 1 300 м развиты необычные для этих горизонтов содовые воды. Их уникальность заключается в том, что они являются весьма пресными (соленость 0,25-0,6 г/л), но сильнощелочными (рН 9,1-10,3). Такие щелочные воды известны в ряде районов мира: Омане, Португалии, Японии, Италии, Иордании, России (Кольский полуостров, Забайкалье) и других местах. Обычно они связаны с основными и ультраосновными породами [1-3], серпентинитами [4], сиенитами [5] и гранитами [6, 7]. В данном случае щелочные воды распространены в осадочных породах и никак не связаны с магматическими. Для выявления этой проблемы автором проводится изучение конкретных условий формирования пресных щелочных вод [8-10]. В статье представлены результаты одного из этапа этих исследований - изучение особенностей микрокомпонентного состава данных вод. Объект исследований Сильнощелочные воды встречены в двух скважинах: Чулымской, на глубине 1 266-1 277 м (отложения нижнего мела), и Касской, в интервалах глубин 640710 (К2) и 1 030-1 040 м (К1). Площадное развитие этих вод определить трудно, так как не хватает данных. Имеются литературные данные [11-13] по химическому составу по 12 скважинам в районе (рис. 1), где в интервале глубин 300-2 000 м зафиксированы аналогичные по составу воды: пресные содовые с относительно щелочной реакцией среды (рН от 8 до 9). Чулымская опорная скважина находится в 1,5 км от с. Тегульдет и в 200 км от г. Томска. Пробурена в 1956 г. до глубины 3 001 м в связи с поисками нефти и газа. С 1993 г. из нее добывается питьевая лечебно-столовая вода «Омега». Поскольку скважина эксплуатируется, вода детально изучена на химический, газовый и изотопный состав. Впервые исследован микрокомпонентный состав данной воды. Касская опорная скважина административно находится на территории Красноярского края. Скважина законсервирована, нет возможности для ее опробования, имеются лишь литературные данные [11] по составу вод. Фактический материал и методы исследования Состав подземных вод из скважины Чулымской получен при проведении полевых работ сотрудниками ТФ ИНГГ СО РАН и НИ ТПУ в 2009-2013 гг., а также по данным Томского НИИ курортологии и физиотерапии (1994-2006 гг.). Всего с 1994 по 2013 г. из скважины отобраны и проанализированы 15 проб воды. В каждой точке гидрогеохимического опробования in situ определились параметры быстроизменяю-щихся компонентов, таких как Eh, pH, температура, HCO3-, CO2, CO32- и др. Стационарно воды исследовались в проблемной научно-исследовательской гидрогеохимической лаборатории ТПУ, зарегистрированной в Системе аналитических лабораторий Госстандарта России. Для проведения полного химического анализа вод использовались традиционные методы, а также методы спектрального, атомно-абсорбционного анализа и др. Микрокомпонентный состав воды определялся масс-спектральным методом с индуктивно связанной плазмой (ICP-MS) в двух организациях: в химико-аналитическом центре «Плазма» (г. Томск) и в лаборатории георесурсов и окружающей среды г. Тулузы (Национальный центр научных исследований, Франция). Всего проанализированы три пробы. Геология, гидрогеология района и состав вмещающих отложений В геолого-структурном отношении территория исследований находится в зоне прогиба фундамента (Чулымский прогиб) Западно-Сибирской плиты на сочленении с Алтае-Саянской складчатой областью и Енисейским кряжем. В гидрогеологическом отношении район исследований приурочен к Чулымскому артезианскому бассейну, в разрезе которого отсутствует региональный K-P водоупор, характерный для Западно-Сибирского бассейна. Благодаря этому факту, а также наличию стока пресных трещинно-жильных вод Алтае-Саянского горного обрамления по зоне глубинных разломов в сторону бассейна и большим мощностям песчаников с высокими значениями пористости, пресные воды развиты до глубины 2 км. Питание вод происходит с Алтае-Саянского горного обрамления, где распространены пресные слабощелочные и щелочные воды в гранитах и метаморфических породах [11, 12]. Продуктивный водоносный горизонт их приурочен к илекской свите, представленной осадочными обломочными породами (песчаниками и алевролитами) нижнемелового возраста (Kjil) континентального генезиса. Отложения состоят из песков, песчаников и алевролитов, в основном кварцево-полевошпатовых, реже конгломератов. В составе песков и супесей до 50% кварца и до 40% кислых и основных плагиоклазов, К-полевых шпатов. Песчаники ожелезнены (присутствуют окислы железа до 2% и сидерит до 2,8%), карбонатность варьирует от 4 до 29%. Из акцессорных минералов широко распространены минералы группы эпидота (до 70% от содержания тяжелой фракции), зеленая роговая обманка (до 45%) и ильменит с магнетитом (до 25%). Из глин представлены гидрослюды, монтмориллонит и хлорит до 2%. Состав во-довмещающих отложений взят из отчетов [14, 15]. Химический состав вод Как показывают полученные данные (табл. 1), состав вод является достаточно стабильным в течение всего периода наблюдений (более 15 лет): воды постоянно являются исключительно маломинерализованными (сумма ионов от 261 до 404 мг/л), сильнощелочными (рН от 9,0 до 10,3), HCO3-Na (содовыми), отличаются низким содержанием ионов SO4, Cl, Ca, Mg, K, Fe, B, Сорг, но повышенными содержаниями SiO2 (от 16,1 до 31, 0 мг/л). Температура вод на устье равна 21-23°С, среда восстановительная (глеевая) Eh от -208 до -86 мВ. Незначительные колебания состава, которые наблюдаются в течение года, обусловлены влиянием вод верхних горизонтов, с которыми щелочные воды частично смешиваются при подходе к дневной поверхности. По составу эти воды близки азотным термам Забайкалья [7]. Выше- и нижележащие воды Чулымского бассейна отличаются пониженным значением рН (6,8-8,6). При этом вышезалегающие воды являются пресными (до 0,6 г/л) гидрокарбонатными кальциевыми или кальци-ево-магниевыми. Нижезалегающие воды являются солоноватыми (до 3,6 г/л) гидрокарбонатными натриевыми (содовыми), еще ниже - солеными (до 24 г/л) хлоридными натриевыми. В газовом составе преобладает азот (76-77%), затем кислород (18-19%), в небольших количествах присутствует метан (0,5%). До 1994 г. в воде отмечалось присутствие сероводорода, но в дальнейшем он не обнаруживался. Химический состав вь Т а б л и ц а 1 кощелочных вод, мг/л pH | I* | HCO3- | CO32- | SO42- | Cl- | Ca2+ | Mg2+ | Na+ | SiO2 | Сорг Дата отбора Скважина Чулымская, глубина 1 266-1 277 м (К1) 26.12.1994 9,5 364 162 28 - 7,1 2,0 - 85,0 26,6 - 28.04.1995 9,5 358 161 28 4,4 7,1 2,0 - 87,0 26,4 6,5 29.09.1995 9,6 372 150 33 20,4 7,1 2,0 - 94,5 20,6 5,8 21.11.1995 9,8 385 130 46 14,8 10,6 3,0 - 95,4 26,4 9,8 24.02.2000 10,3 280 73 82 2,0 4,9 4,0 2,0 89,0 - - 28.06.2000 9,8 261 141 50 2,5 4,2 2,0 1,0 92,0 - 4,1 23.08.2000 9,5 268 169 30 8,8 4,2 2,0 2,0 87,8 - - 07.10.2000 9,0 404 209 12 13,2 17,7 5,0 0,2 99,3 26,2 - 28.09.2006 9,6 309 162 36 9,6 1,5 0,4 0,1 94,0 16,1 - 11.08.2010 9,3 316 178 19 8,3 1,8 1,2 0,5 85,0 22,1 1,6 06.04.2011 10,1 296 102 65 7,7 1,7 0,7 0,1 94,1 31,0 1,2 12.07.2013 9,1 318 180 30 11,4 1,8 3,0 0,1 91,3 23,8 1,3 Глубина отбора, м Скважина Касская 640-710 (Кг) 9,9 0,2 70 30 - 16 9,0 6,0 45 - - 1 030-1 040 (КО 9,5 0,6 260 50 - 60 5,5 3,5 162 - - Азотные термы гидрокарбонатного натриевого типа Забайкалья [7] Средние значения по 18 родникам 9,1 396 132 13,6 27,3 17,3 2,2 0,1 98,8 85,7 - * Сумма ионов, прочерк - нет данных. Микрокомпонентный состав вод Микрокомпонентный состав вод представлен в табл. 2. Всего были проанализированы три пробы воды из опорной скважины Чулымской: две пробы (2010, 2013 гг.) в лаборатории георесурсов и окружающей среды г. Тулузы и одна проба (2010 г.) - в химико-аналитическом центре «Плазма». Определено содержание 64 элементов. Результаты двух лабораторий достаточно сопоставимы. Исключения составляют такие элементы, как ванадий, хром и марганец, содержания которых определены в «Плазме» в 10-500 раз выше, чем в лаборатории Франции. Примем этот факт за техническую ошибку, поскольку в лаборатории г. Тулузы все-таки проанализированы две пробы. Все элементы, кроме Na, Si, Sc, I, Ga и As, не превышают среднего значения по водам зоны гипергене-за [16]. В сопоставимых содержаниях - Na, F, Si, Ga, As, Br, J. В десятки раз меньше - Li, Be, B, Al, K, Ca, Ti, Cr, Fe, Cu, Zn, Se, Rb, Sr, Mo, Ag, Sb, Cs, Ba, Pb. В сотни раз меньше - Mn, Co, Ni, Zr, Nb, Cd, Sn, La, Th, U. В тысячи раз меньше - Mg, V. Т а б л и ц а 2 Микрокомпонентный состав воды из скважины Чулымской, ICP - MS, мкг/л (*нг/л) Компонент Содержание Среднее для зоны гипергенеза [16] Компонент Содержание Среднее для зоны гипергенеза[16] 1 2 3 1 2 3 Li - 3,1 2,0 13,0 Ag 0,01 нпо 0,26 Be 0,05 - - 0,19 Cd* 1,1 3,6 5,3 240,0 B 3,4 12,3 8,2 77,9 In* 0,1 9,0 16,9 - Na - 96 157 90 287 67 600 Sn 0,003 0,09 0,08 0,39 Mg - 34 23 18 200 Sb 0,02 0,04 0,03 0,68 F 180,0 - - 480,0 Te 0,006 - - - Al 20,0 31,2 25,8 226,0 J 22,0 - - 8,0 Si - 8 770 14 000 8 300 Cs 0,01 0,01 0,04 0,26 P - 45,9 48,6 58,0 Ba 0,9 2,5 2,7 18,3 К - 336 305 5150 Hf* 0,2 0,8 26,3 - Са - 1 588 840 39 200 Ta - нпо - Sc 3,70 2,44 - 0,07 W - 0,11 0,13 - Ti 0,64 1,3 нпо 17,4 Re - 9,1 нпо - V 4,6 0,01 0,02 1,34 Tl* - 6,0 - - Cr 4,1 0,64 0,51 3,03 Pb 0,39 0,08 0,59 2,97 Mn 112,0 1,9 0,6 54,5 Bi* - 0,39 0,38 - Fe - 10,7 11,9 481,0 La* 5,0 0,8 5,1 670,0 Co 0,003 нпо нпо 0,39 Ce* 8,1 9,8 16,1 - Ni 0,13 0,08 нпо 3,58 Pr* 1,9 1,0 9,1 - Cu 1,59 0,23 0,61 5,58 Nd* 2,0 8,9 нпо - Zn 14,1 36,7 5,98 41,4 Sm* 1,6 1,7 6,0 - Ga 0,31 0,60 0,45 0,37 Eu* нпо 1,1 19,5 - Ge 1,1 2,3 - - Gd* 0,4 2,8 нпо As 0,9 2,7 3,0 1,5 Tb* 0,3 0,2 4,3 - Se 0,13 нпо 0,72 Dy* 0,4 2,8 16,8 - Br 66,0 - - 85,2 Ho* 0,4 0,4 1,2 - Rb 0,14 0,24 0,27 1,86 Er* 1,0 0,1 7,2 - Sr - 33,0 24,7 183 Tm* 0,3 0,2 10,8 - Y 0,006 0,007 - - Yb* нпо 0,2 13,5 - Zr 0,019 0,022 0,04 1,20 Lu* нпо 0,4 5,9 - Nb 0,002 нпо - 0,450 Th* нпо 0,4 240,0 Mo 0,43 0,71 0,55 1,75 U* - 3,1 3,1 1 310,0 Примечание. 1 - определения проводились в химико-аналитическом центре «Плазма» (г. Томск) в 2010 г.; 2-3 - в лаборатории георесурсов и окружающей среды г. Тулузы (Франция) в 2010 г. и в 2013 г. соответственно. Прочерк - определения не проводились; жирным шрифтом отмечены превышения относительно среднего для зоны гипергенеза; курсивом - сомнительные анализы; нпо - не определилось. Рис. 1. Схема расположения объекта исследования: 1 - граница Западно-Сибирского артезианского бассейна; 2 - область распространения Чулымского артезианского бассейна; 3 - скважины; 4 - направление движения подземных вод; 5 - скважины с сильнощелочными водами (рН > 9) Рис. 2. Содержания анионогенных (а), катионогенных (б) элементов и элементов-комплексообразователей (в) в воде относительно средних значений для вод зоны гипергенеза (жирная линия) Такие элементы, как Ti, Co, Ni, Se, Nb, Ag, Ta, Re, Nd, Eu, Gd, Yb, Lu, Th присутствуют в содержаниях ниже пределов обнаружения. Бедность микрокомпонентами свидетельствует о низкой минерализации вод и высокой скорости водообмена, еще раз косвенно подтверждая инфильтраци-онное происхождение вод. Превышения содержаний относительно среднего для зоны гипергенеза по Na, Si, Ga и As незначительные, в 1,5-2 раза. Концентрации J превышены в 3 раза. Самое высокое превышение по Sc - в 50 раз. Последний факт заслуживает пристального внимания при дальнейших исследованиях. Превышение по натрию объясняется гидрокарбонатным натриевым (содовым) составом вод, тогда как для вод зоны гипергенеза более характерен гидрокарбонатный кальциевый состав. Высокие концентрации мышьяка характерны для щелочных подземных вод натриевого состава, особенно формирующихся в осадочных породах (среднее содержание As в таких породах повышено до и*10-3%). В случае минерализованных вод (при большом времени взаимодействия вод с породой) содержание As может достигать единиц и даже сотен мг/л. Поэтому выходы таких подземных вод на поверхность создают эффект безрудных гидрогеохимических аномалий [17]. Такая же ситуация с кремнием и йодом. Это объясняется тем, что в щелочных водах более активно мигрируют анионогенные элементы [18], т.е. образующие небольшие отрицательно заряженные ионы (B, C, Si, N, P, V, Cr, S, Se, Te, W, F, Cl, Br, I, Ge, As, Sb, Mo, Re). Тогда как катионогенные элементы, т.е. образующие большие положительные ионы (Li, Na, K, Rb, Tl, Cs, Sr, Ва, Ra, Fe2+, Mn2+), в щелочных условиях формируют слаборастворимые соединения, осаждаются и, следовательно, миграция их затруднена (рис. 2). По формам миграции между группами анионоген-ных и катионогенных элементов есть группа элемен-тов-гидролизаторов или элементов-комплексо-образователей, в которую входят все остальные элементы. Эти элементы, с одной стороны, характеризуются низкой растворимостью гидроксидных соединений, с другой - способны к образованию многочисленных хорошо растворимых комплексных соединений с ведущими катионами подземных вод. В исследуемых щелочных водах накопление их также затруднено, исключение составляют скандий и галий. Учитывая вышеизложенное, можно сделать следующие выводы. В Чулымском бассейне в отложениях мела и юры на глубинах до 600-1 300 м сложились благоприятные гидрогеологические условия для формирования пресных подземных вод: наличие стока пресных трещинно-жильных вод Алтае-Саянского горного обрамления по зоне глубинных разломов в сторону бассейна, большие мощности песчаников с высокими значениями пористости, отсутствие выраженных водоупоров. Наиболее детально состав данных вод исследован в скважине Чулымской, где добывается питьевая лечебно-столовая вода «Омега». Это воды сильнощелочные, содовые, по генезису - инфильтрационные, циркулируют в зоне активного водообмена, что подтверждается данными химического, газового и изотопного составов. По составу эти воды близки азотным термам Забайкалья. Впервые исследован микрокомпонентный состав данных вод, который подтвердил уже ранее выдвинутое их инфильтрационное присхождение благодаря изотопному и химическому анализу [8-10]. Все элементы, кроме Na, Si, Sc, I, Ga и As, не превышают среднего значения по водам зоны гипергенеза. Такие элементы, как Ti, Co, Ni, Se, Nb, Ag, Ta, Re, Nd, Eu, Gd, Yb, Lu, Th, присутствуют в содержаниях ниже пределов обнаружения. В таких щелочных условиях лучше мигрируют анионогенные элементы, чем и объясняется превышения по Si, I и As. Катионогенные элементы и элементы-комплексообразователей хуже мигрируют в щелочной среде. Исключением являются Sc и Ga. Самое высокое превышение по скандию - в 50 раз, изучение причин этого явления будет следующим этапом исследований данных уникальных вод. Автор благодарит научного сотрудника ТФ ИНГГ СО РАН Ирину Сергеевну Иванову за анализирование проб вод на масс-спектрометре в лаборатории георесурсов и окружающей среды г. Тулузы (Франция), а также своего научного консультанта профессора Степана Львовича Шварцева.

Скачать электронную версию публикации