Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности минеральных вод хакасии 9-40
2. Характеристика основных типов подземных минеральных вод хакасии 41
2.1. Ширинское месторождение минеральных вод 41
2.1.1. Климат 41-44
2.1.2. Геоморфология 44-45
2.1.3. Геологическое строение 46
2.1.3.1. Тектоника 46-48
2.1.3.2. История геологического развития 48-50
2.1.4. Гидрогеологические условия 50-51
2.1.5. Общая характеристика гидрогеохимических условий Ширинского месторождения 51-55
2.2. Алтайское месторождение минеральных вод 55
2.2.1. Климат 55
2.2.2. Геоморфология 55-57
2.2.3. Геологическое строение 57-58
2.2.3.1. Тектоника 58
2.2.3.2. История геологического развития 58-60
2.2.4. Гидрогеологические условия 60-64
2.2.5. Общая характеристика гидрогеохимических условий Алтайского месторождения 64-67
2.3. Ханкульское месторождение минеральных вод 67
2.3.1. Климат 67-68
2.3.2. Гидрологические условия 68
2.3.3. Геологическое строение 68-70
2.3.3.1. Тектоника 70-72
2.3.4. Гидрогеологические условия 72-76
2.3.5. Общая характеристика гидрогеохимическихусловий Ханкульского месторождения 76-95
2.4. Дикоозерское месторождение радоновых минеральных вод 95
2.4.1. Рельеф 95
2.4.2. Климат 95
2.4.3. Гидрография 96
2.4.4. Геологическое строение 96-98
2.4.4.1. Тектоника 99
2.4.5. Гидрогеологические условия 99-101
2.4.6. Общая характеристика гидрогеохимических условий дикоозерского месторождения 102-105
2.5. Азотные кремнистые термальные воды Абаканского Горячего Ключа 106
2.5.1. Рельеф 106
2.5.2. Геологическое строение 106-107
2.5.3. Гидрогеологическая схема района источника 107-108
2.5.4 Общая характеристика гидрогеохимических условий Абаканского Горячего Ключа 109-111
2.6. Равновесие минеральных вод с алюмосиликатами 127-131
3. Геохимия минеральных вод хакасии 112-113
3.1. Гидрохимическая зональность подземных вод Хакасии 113-114
3.2. Гидрогеохимические особенности минеральных вод Хакасии 115-123
3.3. Равновесия вод с горными породами 123-124
3.3.1. Равновесие минеральных вод с карбонатами 124-126
3.3.2. Равновесие минеральных вод с гипсом 126-127
3.3. Геохимические типы воды 131-133
4. Формирование химического состава минеральных вод хакасии 134-136
4.1. Формирование минеральных вод выщелачивания
4.2. Формирование минеральных вод континентального засоления 138-139
4.3. Формирование сульфатных натриевых вод
5. Направления использования 136-138
5.2.4.1. Бальнеологические свойства радоновых минеральных вод 163-165
Дикоозерского месторождения 166
Заключение
Литература опубликованная 167-179
Литература фондовая 180-182
Приложения 183
- Гидрогеологические условия
- Равновесие минеральных вод с алюмосиликатами
- Гидрогеохимические особенности минеральных вод Хакасии
- Формирование сульфатных натриевых вод
Введение к работе
Актуальность: Удивительное свойство минеральных вод исцелять различные недуги известно с глубокой древности. Они остаются одним из основных бальнеотерапевтических средств и в наши дни. Актуальной на сегодняшний день в курортологии является проблема вовлечения местных природных факторов в курортологическую практику. Природа щедро наградила Хакасию гидроминеральными ресурсами, однако используются они слабо. Одна из проблем состоит в том, что недостаточно изучены пути формирования состава минеральных вод, без чего нельзя прогнозировать и вести поиски известных в регионе ранее и новых бальнеологических их типов.
В регионе согласно классификации минеральных вод выделяются: минеральные воды, действие которых определяется ионным составом и величиной общей минерализации; бромные; кремнистые термальные и радоновые. Наиболее широко распространена первая группа вод, в состав которой входят и сульфатные натриевые воды, вызывающие особый интерес.
Геохимией минеральных вод занимались A.M. Овчинников, В.В. Иванов, Л.А. Яроцкий, Н.И. Толстихин, Е.В. Посохов, В.Б. Адилов, СР. Крайнов, В.М. Швец и многие др.. Формирование состава вод в процессе испарительного их концентрирования отражена в работах Г.Н. Каменского, O.K. Ланге, В.А. Ковды, М.Г. Валяшко. Качественно новый подход в решении вопроса формирования химического состава вод в условиях аридного климата разработан С.Л. Шварцевым. Им выдвинуто положение о том, что равновесие воды с горными породами носит двоякий характер: вода всегда неравновесна с эндогенными минералами, которые она непрерывно растворяет, но одновременно вода равновесна с гидрогенными минералами, которые она формирует. С этих позиций открываются новые возможности для уточнения условий формирования состава минеральных вод.
Цель работы: Изучить особенности состава основных типов подземных минеральных вод Хакасии, выявить их основные геохимические типы и пути формирования, дать бальнеологическую оценку каждому из этих типов.
Задачи: 1. Обобщить данные о химическом составе минеральных вод Хакасии
2. Рассчитать равновесие минеральных вод с алюмосиликатными,
карбонатными и сульфатными минералами вмещающих пород
3. Выделить их геохимические типы
4.Рассмотреть факторы и процессы формирования минеральных вод 5. Дать бальнеологическую характеристику минеральных вод Хакасии
и указать их бальнеологические группы.
Объекты исследования: Минеральные воды Республики Хакасия,
включая Абаканский Горячий Ключ, Дикоозерское, Алтайское, Ханкульское,
Ширинское, Кузнецовское месторождения и скважины в пределах горного
отвода ЗАО ЗДК «Золотая звезда».
Материалы и методы исследований. В основу работы положены результаты исследований минеральных вод, проведенных испытательной лабораторией (ИЛ) природных лечебных ресурсов Томского НИИ курортологии и физиотерапии с 1980 по 2003 гг. на территории Хакасии (при участии автора в 1998-2003 гг.). В Хакасии было исследовано 16 водопроявлений минеральных вод, из которых отобрано и проанализировано 84 пробы. Химические анализы были выполнены химиками-аналитиками ИЛ природных лечебных ресурсов Томского НИИКиФ НІГ. Сидориной, Л.Я. Полюхович, А.А. Коханенко с использованием различных физико-химических методов: колориметрических при определении №іь NO2, NO3, Fe, НгБіОз, Н3ВО3, Br, J, F, фенолов; титриметрических - Mg, Ca, CI, HCO3, CO3, перман-ганатная окисляемость; гравиметрических — SO4, сухой остаток; расчетных - Na+K, М; инверсионной вольтамперометрии - Zh, Cd, Pb, Си, Hg. Также использованы результаты химических анализов, выполненных в лаборатории физико-химических испытаний Южной геофизической экспедиции (ЮГФЭ), лаборатории Минусинской ГГП, лаборатории Республиканского ЦСЭН, любезно предоставленных нам для исследования Г.Ю. Трояновым, А.С. Кривошеевым, P.M. Нуриевым в процессе совместных работ. При интерпретации результатов исследований были использованы программы Exel, HydroGeo, и др. При написании работы использованы практические советы сотрудников кафедры гидрогеологии и инженерной геологии. В работе использованы фондовые материалы Минусинской ГГП, Территориального фонда геологической информации Республики Хакасия, Испытательной лаборатории природных лечебных ресурсов Томского НИИКиФ, а также опубликованные данные по ранее проведенным на территории Хакасии исследованиям.
Научная новизна: Изучены и систематизированы основные типы подземных минеральных вод Хакасии. Впервые для региона рассмотрены равновесия минеральных вод с карбонатными, сульфатными и алюмосиликатными минералами методами численного физико-химического моделирования и выделены основные геохимические типы, выявлены условия формирования кремнистых, радоновых, бромных, гидрокарбонатно-сульфатных и сульфатных натриевых вод как результат стадийного взаимодействия системы «вода — порода». Выделены новые и уточнены имеющиеся бальнеологические типы вод.
Защищаемые положения:
1. В Хакасии развиты разнообразные по химическому составу и
минерализации подземные минеральные воды, залегающие
преимущественно в верхнедевонских и кембрийских отложениях. Их
эксплуатационные запасы на 2002 г составляют 350 м3/сут. Подавляющая
часть этих вод связана с зоной активного водообмена.
2. Развитые в регионе минеральные воды, за небольшим исключением,
относятся к типу выщелачивания, и их формирование обусловлено
определенной стадией взаимодействия в системе вода-порода. Доля
процессов континентального засоления в формировании сульфатных
натриевых вод составляет только 12-16 %, в других типах она либо выше
(Алтайское месторождение), либо отсутствует полностью (Абаканский Горячий Ключ).
3. Бальнеологические свойства большинства подземных минеральных вод Хакасии определяются химическим составом, величиной минерализации, наличием специфических компонентов (кремний, радон, бром) и температурой. С учетом общепринятой классификации в регионе выделены воды различных бальнеологических типов (Кисегачский, Чебоксарский, Махачкалинский) и выделены типы не включенные в ГОСТ 13273-88 (Абаканский горячий, Ширинский и Ширинский бромный).
Практическая значимость. Проведенные исследования позволяют наметить новые перспективные объекты на минеральные воды и дать бальнеологическую характеристику их лечебного применения. В частности, для решения вопроса расширения ассортимента разливаемых местных минеральных вод рекомендуются минеральные сульфатные воды различной минерализации (2-5 г/дм3), вскрытые в пределах Кузнецовского месторождения и горного отвода и ЗАО ЗДК «Золотая звезда». В Таштыпском районе перспективным для курортологического освоения являются термальные кремнистые воды «Абаканского Горячего Ключа». В процессе выполнения работы были разработаны 14 предварительных заключений о составе и качестве минеральных вод и 6 бальнеологических заключений на минеральную воду. Подготовленные бальнеологические заключения используются для розлива минеральной воды «Ханкуль» (ОАО «АЯН»), «Рейнгольд» (курорт «Озеро Шира»), «Лукьяновская» (ООО «Тонус»), «Преображенская» (ООО «Минеральные воды Хакасии»); для наружного применения в Центре санаторной реабилитации «Туманный» используются минеральные воды Дикоозерского месторождения.
Апробация работы: По теме диссертации опубликовано 21 печатная работа. Результаты работы доложены на V-VII-ом Международном Симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых имени академика М.А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2001, 2002, 2003), Международном симпозиуме «Чистая вода России-2003» (Екатеринбург, 2003), XVII Всероссийском совещании «Подземные воды Востока России» (Красноярск, 2003), научной конференции «Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири» (Томск, 2003). Результаты исследований включены в «Кадастр природных лечебных ресурсов Сибирского региона» и пособие для врачей «Природные лечебные факторы Сибири (показания и противопоказания к санаторно-курортному лечению). Реестр курортных и лечебно-оздоровительных местностей».
Работа выполнена в ПНИЛ гидрогеохимии учебно-научно-производственного центра «Вода» Института геологии и нефтегазового дела ТПУ в рамках проекта «Исследование механизмов формирования геохимических типов вод аридных ландшафтов (на примере Республики Хакасия)» и в соответствии с проектом программы Минобразования РФ «Университеты России - фундаментальные исследования» и является составной частью исследований по «Составлению гидрогеохимической карты Республики
Хакасия» по заданию УПР по РХ. Также работа выполнялась в испытательной лаборатории природных лечебных ресурсов Томского НИИ курортологии и физиотерапии в рамках договора с Министерством здравоохранения России (фрагмент «Оценка современного состояния рекреационного потенциала восточных регионов Сибири») и программы КПР РХ «Оценка бальнеологических свойств и экологического состояния гидроминеральных ресурсов Республики Хакасии». Работа проводилась в тесном контакте с Минусинской ГТП, УПР по РХ и Южной геофизической экспедиции ОАО Красноярскгеология.
Автор глубоко признателен своему научному руководителю доктору геолого-минералогических наук, профессору Степану Львовичу Шварцеву за большое внимание и высокую требовательность к работе. Особую благодарность автор выражает второму научному руководителю кандидату геолого-минералогических наук, директору УНПЦ «Вода» Юлии Григорьевне Копыловой за ценные консультации и оказание действенной помощи на всех этапах выполнения работы.
Автор благодарен коллегам по Томскому НИИ курортологии и физиотерапии - директору д.м.н, профессору Е.Ф. Левицкому за искреннюю заинтересованность и поддержку при выполнении работы, руководителю испытательной лаборатории природных лечебных ресурсов ТНИИКиФ Н.К. Джабаровой и всем сотрудникам лаборатории за самую разнообразную помощь в написании работы. Особая благодарность химикам-аналитикам ИЛ природных лечебных ресурсов Н.Г. Сидориной, Л.Я. Полюхович, А.А Коханенко, выполнившим весь комплекс физико-химических исследований минеральных вод и оказавшим консультативную помощь в работе, сотрудникам ПНИЛ гидрогеохимии И.В. Сметаниной и Т.И. Романовой за огромную разнообразную помощь в работе.
Автор выражает благодарность сотрудникам Минусинской ГТП А.С. Кривошееву, А.А. Калашниковой, Е.Л. Дорожкиной, директору ООО «Минеральные воды Хакасии» A.M. Халявину за помощь при сборе первичной информации и ценные советы. Автор искренне признателен заместителю начальника УПР и охраны окружающей среды МПР России по РХ К.В. Лысогорскому, начальнику геологического отдела МПР России А.А. Булатову, главному гидрогеологу ЮГФ Г.Ю. Троянову, ведущему инженеру-гидрогеологу ФГУ ТФ информации по природным ресурсам и охране окружающей среды МПР России по РХ Ю.Ф. Кочееву, гидрогеологу ЗАО ЗДК «Золотая звезда» P.M. Нуриеву за ценные консультации, бескорыстную помощь, искреннюю заинтересованность и поддержку.
При написании работы автор пользовался советами сотрудников кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии и особенно доцента, к.г-м.н. О.Ф. Зятевой. Всем большое спасибо.
Работа состоит из 5 глав, введения и заключения. Общий объем работы 200 страниц машинописного текста, включая 45 рисунков, 21 таблицу и списка литературы содержащего 191 наименование (опубликованная литература) и 40 наименований фондовой литературы.
Гидрогеологические условия
В гидрогеологическом отношении территория месторождения входит в состав Южно-Минусинского бассейна пластово-блоковых вод. С учетом геологического строения и принципов гидрогеологической стратификации, на территории Алтайского месторождения выделяются следующие гидрогеологические подразделения (Принципы..., 1998; Методическое письмо..., 1999): современный относительно водоупорный озерный горизонт; водоносный нижнекаменноугольный терригенно-карбонатный комплекс; водоносный верхнедевонский терригенный комплекс (рис. 1 1).
Современный относительно водоупорный озерный горизонт приурочен к озерным отложениям озер Алтайское I и II. Водовмещающими породами являются супеси и мелкозернистые пески. Маломощные прослои, линзы глин, суглинков и илов являются местными водоупорами, по которым развита верховодка. Мощность горизонта 2-12 м. По гидродинамическому признаку воды безнапорные, по типу — порово-пластовые, статические уровни на глубине до 5 м. Коэффициент фильтрации 0.78 м/сут, водопроводимости — 5.5 м2/сут. Питание горизонта - за счет атмосферных осадков, разгрузка — в озеро. По химическому составу воды гидрокарбонатные натриевые слабощелочные с минерализацией 1 г/дм3.
Водоносный нижнекаменноугольный терригенно-карбонатный комплекс распространен в северо-западной и юго-восточной частях района. Водовмещающие породы - песчаники, туффиты, туфы, алевролиты и известняки. Мощность обводненной трещиноватости 20-30 м. Воды безнапорные, статические уровни устанавливаются на глубинах 4.8-13.3 м. Коэффициенты фильтрации изменяются от 3.3 до 17.3 м/сут. По химическому составу воды сульфатно-гидрокарбонатные и гидрокарбонатно-сульфатные натриевые слабощелочные с минерализацией 1.4-1.7 г/дм3.
Водоносный верхнедевонский терригенный комплекс распространен в центральной части района работ. Водовмещающими являются песчаники и алевролиты. Пласты аргиллитов служат водоупорами. Суммарная вскрытая мощность комплекса 10-40 м. По гидродинамическому признаку воды трещинные, напорные. Напоры 30-40 м обусловлены наличием в разрезах слабопроницаемых пород. Пьезометрические уровни устанавливаются на глубинах 0.7 м (вблизи озера) и 53.1 м - на куэсто-грядовом рельефе. Дебиты скважин от 0.2 до 2.8 л/с при понижениях 0.9-4.0 м. Коэффициент водопроводимости колеблется в пределах от 7.8 до 91.0 м2/сут. Режим подземных вод, вероятно, нарушен. Питание комплекса осуществляется за счет инфильтрации атмосферных осадков, перетока из водоносного комплекса нижнекаменноугольных отложений в северной части территории; разгрузка - в бессточные котловины и, частично в водоносный нижнекаменноугольный
Для характеристики качества вод Алтайского месторождения минеральных вод были использованы результаты химических анализов вод Минусинской ГГП и ТНИИКиФ в ходе опытно-фильтрационных работ и при проведении рекогносцировочного исследования в 1993-94 гг.; а также результаты исследований химического состава вод месторождения ТНИИКиФ в 1993-2003 гг. Результаты химических анализов воды месторождения (на примере скв. 3) приведены в табл.2. Скважиной вскрыт водоносный верхнє девонский терригенный комплекс, к которому приурочены минеральные воды. Опробование проведено в интервалах глубин 0-50, 50-100, 100-150 м, результаты отражены в таблице 2.
В интервале 0-50 м вскрыты воды с минерализацией 2.5 г/дм3. Концентрация основных, определяющих состав ионов, изменяется в незначительных пределах, что можно проследить на рисунке 12: натрий (суммарно с калием) от 620.9 мг/дм3 до 639.5 мг/дм3; кальций - 37.2-41.2 мг/дм3; магний - 104.8-110.8 мг/дм3; хлорид - 489.3-496.4 мг/дм3; сульфат - 650.1-696.2 мг/дм3; гидрокарбонат - 591.5-609.1 мг/дм3. Реакция водной среды (рН) изменяется от 7.8 до 8.2. Анализируя полученные результаты, можно сделать вывод, что во время откачки в данном интервале макрокомпонентный состав подземных вод оставался стабильным
Ханкульское месторождение минеральных вод расположено в районе железнодорожной станции Ханкуль. В орографическом отношении оно приурочено к юго-западной части Южно-Минусинской котловины. С северо-запада примыкает к восточному отрогу Кузнецкого Алатау - хребту Большой Саксыр, с юго-востока ограничен р. Абакан, с запада - р. Камыштой, с востока и северо-востока - р. Уйбат и Саксарской оросительной системой.
По характеру рельефа район Ханкульского месторождения делится на две части: равнинную и низкогорную. Равнинная часть представлена Уйбатской степью с холмисто-равнинным рельефом, осложненным двумя поднятиями — Ханкульским и Кирбинским. Для равнинной части характерны невысокие холмы и увалы, вытянутые вдоль склона хребта Б. Саксыр. Абсолютные отметки рельефа - 330-450 м, понижаясь в долине р. Абакан до 300 м. На юге -примыкает к Ханкульскому поднятию, абсолютные высоты которого достигают 600 м. Кирбинское поднятие расположено на северо-востоке. Оно довольно сглаженное и имеет две выраженных в рельефе вершины: г. Хазатигей и г. Улух Кирба. Низкогорная, северо-западная часть территории, в пределах хр. Б. Саксыр характеризуется умеренными высотами (от 500-700 м до 1100-1200 м) и резким уступом опускается в сторону Южно-Минусинской впадины.
Климат района резко континентальный, с холодной продолжительной зимой и коротким жарким летом. Среднегодовая температура воздуха за последние десятилетия — 0.6С - +2.3 С. Минимальная абсолютная температура достигает -40С, максимальная - +37С. Осадков выпадает в среднем 309 мм в год, причем распределены они неравномерно. Дожди чаще всего выпадают в виде кратковременных, сильных ливней и примерно 70% их приходится на летний период. Испаряемость в среднем составляет 665 мм, испарение - 434 мм в год. Отношение величин испаряемости к количеству осадков равно 2.1, что характеризует климат района как недостаточно влажный (аридный). Среднемесячная абсолютная влажность воздуха изменяется от 1.8 мб в зимние месяцы до 14 мб - в летние. В значительной степени на сухость климата влияет и сильный ветер. Преобладающее направление ветров юго-восточное.
Гидрографическая сеть представлена р. Абакан и рядом озер (Ханкуль, Соленое и др.). Река Абакан (юго-восточная граница территории месторождения) не имеет единого русла, для нее характерна многорукавность. Довольно широко в районе распространены озера. Вода в озерах соленая, с минерализацией от 5.9 г/дм (оз. Безыменное-2) до 27.7 г/дм (оз. Соленое). Химический состав воды обычно сульфатный, реже гидрокарбонатно-сульфатный натриевый. Озерные террасы заболочены, переувлажнены. Питание озер, в основном, атмосферное. В сухие годы площадь озер уменьшается, в дождливые - увеличивается. Вода озер из-за высокой минерализации используется местным населением для лечения «диким» способом и не используется в хозяйственно- питьевых целях.
Кроме рек и озер на склоне хр. Большой Саксыр имеются родники, которые дают начало небольшим ручьям, исчезающим под толщей элювиально-делювиальных отложений через 1-2 км.
Равновесие минеральных вод с алюмосиликатами
Разнообразие водовмещающих пород требует индивидуального подхода к проблеме их взаимодействия с водами. Взаимодействия системы вода — порода имеет различный характер: карбонаты и сульфаты растворяются в воде конгруэнтно, алюмосиликаты — инконгруэнтно. В связи с этим для изучения характера и масштабов накопления компонентов представляется необходимым изучение равновесия минеральных вод с горными породами, являющимися источниками элементов, и с минералами, которые формируются из раствора, и препятствующими накоплению соответствующих элементов в водной среде. Этот подход рассмотрен в работах многих исследователей, занимавшимися изучением гидрогеохимических процессов в зоне гипергенеза (Шварцев, 1978, 1998; Зверев, 1982, 1993 и др.).
Для объяснения причин неравномерного накопления химических элементов в минеральных водах нами изучено их равновесие с ведущими карбонатными, сульфатными и алюмосиликатными минералами. Равновесие изучалось по методике P.M. Гаррелса и Ч.Л. Крайста (1968) путем нанесения результатов анализа химического состава вод, контролирующих то или иное минеральное равновесие, на диаграммы полей устойчивости конкретных минералов. Расчеты показателей состояния системы вода — порода проведены с использованием программы HydroGeo, разработанной М.Б. Букаты (1999).Для выяснения степени изменения насыщенности минеральных водотносительно карбонатов (кальцита) с изменением степени их солености ищелочности использован индекс неравновесности. По мре увеличениящелочности раствора индекс неравновесности уменьшается и при рН 7.6становится равным нулю, т.е. достигается равновесие воды с кальцитом (рис.38).Как видно из рисунков 38, 39 насыщение карбонатами наблюдается в минеральных водах Дикоозерского, Ханкульского, Алтайского месторождений, а также водах вскрытых отдельными скважинами (5, 20 Ширинского месторождения и скважины lzz, 2zz и 3zz). Воды этих скважин имеют минерализацию от 0.6 до 4.9 г/дм3 и рН 7.7-9.1 и насыщены карбонатом кальция, который не растворяется а, наоборот, высаживается из раствора. После насыщения вод карбонатами становится затруднительным накопление в них кальция. В общей эволюционной схеме развития системы вода - горная порода (по С.Л. Шварцеву) кальцит выступает своеобразным барьером на пути установления равновесия воды с кальциевыми алюмосиликатами.
Наименее минерализованные, из представленных в данной работе вод -воды Абаканского Горячего Ключа. Преобладающим анионом является гидрокарбонат-ион. Содержание магния и натрия в воде источника по сравнению с кальцием невелико. Катионный состав представлен магнием и кальцием. Источник расположен в долине р. Бедуй (высогорный ландшафт), а горные районы характеризуются активным водообменом, это обуславливает низкую минерализацию воды источника. Низкие концентрации хлора и сульфат-иона в водах источника свидетельствует об отсутствии значительного влияния на их состав процессов континентального засоления.
С увеличением времени взаимодействия минеральных вод с горными породами увеличивается минерализация вод, что в свою очередь приводит к росту степени их насыщения карбонатами кальция (рис.39). Насыщение обусловлено общей эволюцией состава вод: от пресных (Абаканский Горячий Ключ) к сильно соленым (скважина № 1 Ширинского месторождения) по мере уменьшения интенсивности водообмена, что влечет за собой увеличение времени взаимодействия системы вода-порода.сланцев, чередующихся друг с другом по простиранию и падению. С запада сланцы обрезаются гранитоидами, на востоке сменяются известняками. Для Дикоозерского месторождения характерен интенсивный водообмен, хотя для остальных в этом списке вод, насыщенных карбонатом кальция характерны замедленный водообмен и значительно высокая минерализация.
Очень близки к насыщению сульфатные натриевые воды, вскрытые скважиной 1 мвх с минерализацией 2.0 г/дм3 и рН 7.75. Неравновесны с кальцитом минеральные воды, вскрытые скважинами 1, 9 Ширинского месторождения и кремнистые термальные воды Абаканского Горячего Ключа, что, возможно связано с пониженным значением величины реакции водной среды (рН 7.0-7.6).Приведенные данные показывают, большинство минеральных вод Хакасии равновесны с кальцитом, который по мере концентрирования солей в растворе непрерывно выпадает в осадок.
Гидрогеохимические особенности минеральных вод Хакасии
Как уже отмечалось, наряду с типичными водами континентального засоления, в регионе широко развиты воды более сложного состава и формирования. Основная отличительная их черта состоит в том, что они являются сульфатными натриевыми с повышенным содержанием сульфат-иона (до 6463 мг/дм3) и низким (0.03-0.15) CI/SO4 отношением, рН этих вод изменяется от слабо щелочной (7.7) до щелочной (9.1), соленость - от 2.0 до 5.0 г/дм3.
Все они приурочены к верхнедевонскому водоносному комплексу, содержащему прослои гипса, особенно в тубинской свите. По химическому составу они в основном сульфатные, реже гидрокарбонатно-сульфатные натриевые.139
Источником сульфат-иона этих вод могут являться гипсы тубинской свиты, которые растворяются по реакции:
CaS04 = Са2+ + S042 Как видно, наряду с сульфат-ионом в раствор поступают ионы кальция. Поэтому возникает вопрос: почему в подземных водах доминирует натрий, а не кальций. Чтобы объяснить этот феномен, необходимо отметить, что все эти воды, за исключением скважин 1 и 9 Ширинского месторождения, насыщены относительно кальцита (рис.38, 39). Из этого вытекает следствие, что ион кальция, формирующийся при растворении гипса не может концентрироваться в растворе, поскольку он должен переходить в осадок и садиться в виде кальцита по реакции:Са2+ + 2НС03 = 2СаС03 + Н20 + С02
При этом не следует забывать, что воды равновесные с кальцитом, остаются неравновесны с алюмосиликатами (рис. 41, 42, 43, 44,45), которые их поэтому растворяют и, соответственно, за счет этого в растворе происходит накопление катионов магния, кальция, натрия, из которых, как мы уже отмечали, кальций связывается в форме кальцита, магний — Mg-монтмориллонита, а натрий концентрируется в растворе. Следовательно, трансформация сульфатных кальциевых вод в сульфатные натриевые происходит по реакции растворения одного из первичных алюмосиликатов и гипса с одновременным образованием какого-либо глинистого минерала и кальцита. Примером такой реакции может служить приведенная ниже реакция:2NaAlSi308 + 10Н2О + С02 + CaS04 = Al2Si205(OH)4 + СаС03 + 2Na +SOf- + 4H4Si04
Следовательно, формирование сульфатных натриевых вод прежде всего определяется растворением гипса в пределах верхнедевонских отложений, который выступает основным источником сульфат-иона. Источником же натрия являются алюмосиликатные минералы. Поэтому формирование этих вод - это результат двух процессов:1) растворения гипса и минералов алюмосиликатных горных пород2) концентрирования в процессе континентального засоления.В каждом типе минеральных вод это соотношение хотя и разное, но преобладает влияние вмещающих горных пород. Поэтому этот тип отнесен нами к водам выщелачивания (табл.17 ).
В приведенной таблице степень испарительной концентрации нами оценивалась по хлор-иону, поскольку этот элемент не имеет дополнительных источников (за исходное содержание хлора принято - 19.0 мг/дм , а сульфат иона - 27.1 мг/дм ). В то же время дополнительным источником сульфат-иона выступает гипс и, как мы видели, сульфиды. Поэтому и по разному меняется CI/SO4 отношение в разных типах минеральных вод. Так в водах Кузнецовского месторождения концентрация по хлору (относительно типичных вод выщелачивания) составляет 6.0, а по сульфат-иону — 39.9. Значит большая часть сульфат-иона заимствована из горных пород (гипсов), а меньшая -сконцентрирована за счет испарения. Эта же картина характерна для Ханкульского и Ширинского (скв. 5, 9, 20) месторождений и минеральных вод горного отвода ЗАО «Золотая Звезда».
Более сложная картина характерна для скв. 1 Ширинского месторождения. С одной стороны, мы видим близость концентрации солей по хлору и сульфату (степень концентрирования равна 238 и 245, соответственно). Но с другой стороны, как мы уже видели, в этой скважине имеются дополнительные источники серы за счет окисления сульфидов. Это кажущиеся противоречие объясняется тем, что воды в этой скважине насыщены гипсом и поэтому сульфат-ион не может выше концентрироваться, т.к. встречает геохимический барьер в виде гипса. Такая же картина имеет место и в скважине № 9 Ширинского месторождения.
Следовательно, для вод Ширинского месторождения мы имеем исключительно интересную схему формирования состава минеральных вод: они вначале растворяют гипс, а затем его формируют за счет дополнительных источников серы поступающих за счет окисления сульфидов. Такая сложная природная система может существовать длительное время потому, что одна и та же вода равновесна с гипсом, но неравновесна с сульфидами и кальцитом.
Наконец, воды Алтайского месторождения, которые являются типичными водами континентального засоления, формируются в основном за счет испарительного концентрирования солей. При этом хлор концентрируется несколько в большей мере, чем сульфат-ион. Возможно это связано с тем, что начальные концентрации этих ионов в атмосферных осадках были иными.
Таким образом, в регионе развиты преимущественно воды выщелачивания, которые растворяют разные типы горных пород и которые только в незначительной степени (12-16 %) подвержены процессам континентального засоления. Исключение составляют воды скважины 1 Ширинского месторождения, которые в большей мере связаны с процессами испарительного концентрирования. Типичными представителями вод континентального засоления являются только воды Алтайского месторождения.
Формирование сульфатных натриевых вод
Провинция аридного климата ассоциируется в гидрогеологическом отношении с областями континентального засоления. Географически она связана с обширными депрессиями, впадинами, низменностями, отличающимися недостаточным естественным дренажом и большой частью преобладанием испарением над осадками. Для провинции континентального засоления (Шварцев, 1998) характерен испарительный режим подземных вод, неглубоко залегающих в малопроницаемых отложениях.
Химический состав подземных вод Хакасии, как было показано выше (см. гл. 2), типичен для вод континентального засоления. Воды пресные (Абаканский Горячий Ключ, Дикоозерское месторождение) и маломинерализованные (Ширинское, Ханкульское, Кузнецовское, Алтайское месторождения, скважины в пределах горного отвода ЗАО ЗДК «Золотая звезда»), в основном холодные, редко горячие (Абаканский Горячий Ключ), слабо щелочные (щелочные), с пестрым анионно-катионным составом.
Для вод Хакасии инфильтрация атмосферных осадков происходит не только в областях выхода водовмещающих отложений на дневную поверхность, но и вследствие инфильтрации через перекрывающие толщи. В распределении вод различной минерализации и состава по площади большое значение принадлежит литологии, генезису водовмещающих пород и особенностям рельефа.
В водах региона содержание сульфат-иона, за редким исключением, доминирует над хлор-ионом, что можно проследить в таблице 14. Это говорит о наличии в водах дополнительных источников серы, в качестве которых выступают гипсоносные отложения и, возможно сульфиды (Yanxin Wang и др., 2000). Приведенные данные показывают, что соленость вод изменяется в широких пределах от 0.4 г/дм3 до 17.2 г/дм3. Величина реакции водной среды, характеризуемая рН изменяется от 6.6 до 9.1. Химический состав минеральных вод изменяется от гидрокарбонатных кальциево-магниевых в пресных водах (М 0.4-0.6 г/дм3) до сульфатных натриевых (хлоридно-сульфатно-гидрокарбонатных натриево-магниевых) и сульфатных натриево-магниевых в слабосолоноватых водах (М 2.0-2.8 г/дм3). Для среднесоленых вод характерен сульфатный натриево-магниево-кальциевый и сульфатный натриевый состав (М 4.2-4.9 г/дм3). Сильносоленые бромные воды (М 17.2 г/дм3) характеризуются сульфатно-хлоридным натриевым составом. Следует заметить, что название воды приводится по классификации С.А. Щукарева.
Анализируя полученные данные, можно сделать вывод, что в условиях испарительного концентрирования с увеличением минерализации подземных вод происходит смена их ионно-солевого состава от гидрокарбонатного кальциево-магниевого до сульфатно-хлоридного натриевого. Концентрация подвижных элементов (натрий, кальций, магний) возрастает в водах по мере увеличения их минерализации, т.е., увеличения времени их прохождения в горных породах. Однако рост не у всех элементов одинаков. Преобладающим катионом в водах выступает натрий в концентрации от 28.3 мг/дм3 до 5413 мг/дм3. Для натрия характерен наибольший рост, так как он не задерживаетсяникакими барьерами и по мере роста солености увеличивается его концентрация. При минерализации 0.4-2.5 г/дм3 кальций преобладает над магнием, при дальнейшем увеличении минерализации вод магний преобладает над кальцием. Зависимость основных компонентов солевого состава от величины общей минерализации можно проследить на графике , из которого видно, что с увеличением солености в целом происходит рост концентрации основных компонентов анионно-катионного состава минеральных вод. В катионном составе вод с минерализацией от 2.0 до 17 г/дм3 преобладающим выступает сульфат-ион, а в водах с соленостью 2 г/дм3 - гидрокарбонат-ион.Неравномерность концентрирования химических элементов в водах и связанное с этим их различное поведение устанавливается по разному соотношению в них отдельных химических элементов (табл. 15), что свидетельствует о наличии геохимических барьеров, препятствующих накоплению их в растворе.свидетельствует отношение Mg/Ca (рис. 30). В условиях интенсивного водообмена (Абаканский Горячий Ключ, Дикоозерское месторождение) кальций резко доминирует над магнием. Низкие концентрации хлора и магния в указанных источниках свидетельствует об отсутствии влияния на их состав процессов континентального засоления. По мере уменьшения интенсивности водообмена увеличивается концентрация магния в водах, а кальция -уменьшается, чем и обусловлен рост Mg/Ca коэффициента.
Наивысшее значение Mg/Ca коэффициента (2.7) отмечено для минеральных вод Алтайского месторождения (М 2.5 г/дм3). При дальнейшем росте солености (до 4.6 г/дм ) Mg/Ca коэффициент уменьшается, так как концентрация магния преобладает над концентрацией кальция. В сульфатных натриевых водах, вскрытых скважиной 2zz, отмечается его понижение практически в 2 раза. В водах Ширинского месторождения, вскрытых скважиной 1, при минерализации 17.2 г/дм и рН 6.6 наблюдается рост Mg/Ca коэффициента. В целом же концентрации кальция в минеральных водах Хакасии невелики и отношение Mg/Ca практически меняется от 0.2-1.0, что позволяет предполагать (Копылова, 2000) наличие причин, препятствующих накоплению кальция в водах, в частности процессов вторичного минералообразования.
