Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние изученности проблемы, методика исследований П
1.1. Состояние изученности проблемы 11
1.2. Краткая характеристика методики исследований 17
2. Геохимия подземных вод 23
2.1. Региональная гидрогеохимия 23
2.1.1. Геохимия подземных вод Алтае-Саянской складчатой области 23
2.1.1.1. Природные условия, определяющие особенности геохимии подземных вод . 23
2.1.1.2. Геохимия подземных вод 35
2.1.2. Геохимия подземных вод платформенного обрамления северных и северо западных окраин Алтае-Саянской складчатой области ИЗ
2.2. Гидрогеохимия локальных объектов 126
2.2.1. Геохимия подземных вод горнорудных объектов 126
2.2.2. Геохимия подземных вод территорий водозаборов и систем водоснабжения... 182
2.2.3. Геохимия подземных вод урбанизированных территорий (на примере г.Томска) 210
3. Вторичные гидрогенные минеральные новообразования 226
3.1.Природные вторичные гидрогенные минеральные новообразования... 229
3.1.1. Оксидно-гидроксидные минеральные новообразования 230
3.1.2. Карбонатные минеральные новообразования 236
3.2.Природно-техногенные минеральные новообразования (на водозаборах из подземных источников)
3.2.1. Морфология и внутреннее строение 261
3.2.2. Химический состав 265
3.2. 2. Минеральный состав 277
4. Физико-химическое моделирование гидрогеохимических процессов 293
4.1. Краткая характеристика особенностей моделирования 294
4.2. Результаты моделирования взаимодействий в системе "вода-порода" 296
4.2.1. Взаимодействие воды с алюмосиликатными породами 296
4.2.2. Взаимодействие воды с карбонатными породами 300
4.2.3. Взаимодействие воды с карбонатно-алюмосиликатными породами 302
5. Парагенезисы современных гипергенных образований региона 314
6. Прикладные аспекты научных результатов работы 334
6.1. Совершенствование теории и практики гидрогеохимического метода поисков рудных МПИ 334
6.1.1. Особенности формирования гидрогеохимического фона рудогенных элементов 335
6.1.2. Оценка ресурсов рудных объектов 344
6.2. Гидрогеохимия, механизмы мобилизации и концентрирования золота (в связи с совершенствованием гидрогеохимического метода поисков золоторудных объектов) 348
Заключение 365
Литература 368
- Краткая характеристика методики исследований
- Природные условия, определяющие особенности геохимии подземных вод
- Оксидно-гидроксидные минеральные новообразования
- Результаты моделирования взаимодействий в системе "вода-порода"
Введение к работе
Актуальность исследований. Приповерхностная часть земной коры, в которой протекают низкотемпературные геологические процессы и которая академиком А.Е.Ферсманом была определена понятием "зона гипергенеза", все более привлекает внимание исследователей самого широкого профиля. Практически все процессы в ней протекают с участием подземных вод, которые, являясь активной составляющей геологической среды, участвуют в преобразовании, миграции и концентрировании вещества и, преобразуясь сами, служат носителями информации, необходимой для принятия тех или иных научных и инженерных решений. С их участием происходит разрушение существующих и формирование новых месторождений полезных ископаемых. Именно в этой зоне формируются пресные и слабоминерализованные воды, используемые для водоснабжения и являющиеся стратегическим сырьем - важнейшим пищевым продуктом, обеспечивающим существования человека. Вместе с тем, зона гипергенеза - это активно эксплуатируемая, легко уязвимая и наиболее подверженная техногенному воздействию часть геологических недр, от состояния которой в значительной мере зависит экологическая безопасность территории.
Учитывая уникальную значимость подземных вод зоны гипергенеза, представляется чрезвычайно актуальным и важным изучение их химического состава и происходящих с их участием процессов. Эти вопросы относятся к сфере интересов гидрогеохимии зоны гипергенеза - активно развивающегося научного направления, современные подходы которого базируются на идеях о равновесно-неравновесном характере, самоорганизации и стадийности эволюционных преобразований в системе вода - порода. Развитие этих научных представлений и расширение возможностей компьютерного моделирования создают новую методологическую основу для выявления закономерностей и механизмов формирования гипергенных продуктов (состава воды и минеральных новообразований) и количественной оценки геологической деятельности подземных вод. В рамках этой проблемы, входящей в число приоритетных направлений науки, и определена постановка данной работы, а Алтае-Саянский регион и прилегающие территории Западной Сибири выбраны в качестве объекта исследований как представляющие особый интерес с позиций разнообразия природных ландшафтно-климатических и геолого-структурных условий.
Цель исследований.
Установить особенности геохимии и формирования состава подземных вод зоны гипергенеза Алтае-Саянской складчатой области и ее платформенного обрамления на количественном уровне с использованием современных методов обработки информации и приемов физико-химического моделирования. Задачи исследований:
Выявить закономерности изменчивости химического состава подземных вод на региональном и локальном уровнях в природных и природно-техногенных условиях.
Установить формы миграции основных макро и микроэлементов в различных типах подземных вод.
Оценить характер и степень равновесия подземных вод с широким спектром минералов (алюмосиликатов, карбонатов, сульфатов, хлоридов, оксидов и гидроксидов).
Установить минеральный состав образующейся вторичной твердой фазы и изменчивость содержаний химических элементов в водах в ходе эволюции системы "вода-порода", оценить масштабы гипергенных преобразований.
Выявить закономерности формирования парагенезисов современных гипергенных образований (геохимических типов подземных вод и ассоциаций минералов равновесной вторичной твердой фазы) и оценить возможное воздействие на них некоторых факторов техногенеза.
Оценить роль подземных вод в мобилизации и концентрировании рудогенных элементов в зоне гипергенеза (на примере золота).
Исходные материалы и методы исследований. Решение поставленных задач основано на результатах многолетних, начиная с 1978 г., исследований, выполнявшихся в рамках инициативной, хоздоговорной и госбюджетной (по заданиям Минобразования РФ, конкурсам грантов и проектам научно-исследовательских программ различного уровня) тематики научно-исследовательских работ Томского политехнического университета, Томского государственного архитектурно-строительного университета и Томского филиала Института геологии нефти и газа СО РАН, в которых автор принимал непосредственное участие. Под руководством и при непосредственном участии автора в ряде золоторудных районов Салаира, Кузнецкого Алатау и Восточного Саяна на площади 3000 км2 проведены гидрогеохимические съемки и гидрогеохимические исследования в горных выработках, опробовано порядка 4 тысяч водопроявлений. Изучались макро- и микрокомпонентный, газовый, органический, микробиологический, изотопный состав вод и вещественный состав природных и природно-техногенных вторичных минеральных новообразований.
В работе использованы опубликованные источники, а также фондовые материалы геологических организаций, в т.ч. базы данных гидрогеологической информации Томской, Кемеровской, Новосибирской областей, Красноярского края, Республики Хакасия и Республики Алтай, любезно предоставленные автору для использования в научных целях.
Методологически исследования базируются на фундаментальных законах термодинамики и физической химии, положениях о причинно-следственных связях ведущих природных факторов и параметров химического состава подземных вод, современных научных представлениях об эволюции системы "вода-порода".
Для хранения, обобщения и обработки информации и картографических построений использовались методы математической статистики и ГИС технологий, реализованные в пакетах программ EXCEL, Statistica, Surfer, Maplnfo, ArcView, приемы морфоструктурно-гидрогеологического анализа, а также физико-химические расчеты и моделирование с использованием пакетов программ Селектор-С и HG32.
Исследования состава подземных вод и твердых минеральных фаз выполнены с применением современных сертифицированных аналитических методов в лабораториях и аналитических центрах ТПУ, ТГАСУ, ТГУ, СНИИГГиМС, ОИГГиМ СО РАН, геологических организаций региона.
Защищаемые положения
1. Основные закономерности распространения, миграции, геохимии подземных вод и формирования гипергенных продуктов определяются ландшафтными и гипсометрическими условиями, типами гидрогеологических структур, составом водовмещающих пород и интенсивностью водообмена. С физико-химических позиций, совокупное влияние этих факторов определяет режимы взаимодействий в системе "вода-порода" и их продолжительность. Закономерная изменчивость состава подземных вод прослеживается как на региональном, так и на локальном уровнях, а характеристики гидродинамического и гидрогеохимического полей поддаются функциональному описанию через параметры рельефа и другие количественные оценки природных факторов.
2. Неотъемлемой частью формирования химического состава подземных вод является вторичное гидрогенное минералообразование. Минералы равновесной вторичной фазы выводят из подземных вод элементы, лимитируя уровень их накопления в водах. Подземные воды региона неравновесны с первичными алюмосиликатными минералами и равновесны со многими вторичными алюмосиликатными, гидроокисными, силикатными, карбонатными и сульфатными минералами. Спектр минералов равновесной вторичной фазы расширяется по мере эволюции системы вода - порода и степени преобразования породы, а в природных
условиях от гольцовых, горно-луговых ландшафтов и ландшафтов заболоченной средней тайги к горно-таежным, лесостепным и степным ландшафтам.
Парагенетические ассоциации современных гипергенных продуктов (геохимических типов вод и ассоциаций минералов равновесной твердой фазы, формирующихся в единстве) подчиняются вертикальной и широтной зональности распространения. Эволюционные преобразования геохимических типов вод, характеризующиеся переходом от НСОз-Са, (S04-НСОз-Ca-Mg) к НСОз-Na и к S04-Mg, S04-Ca, S04- Na, Cl-Na составам, происходят благодаря последовательному накоплению в них типоопределяющих элементов с повышенной растворимостью их соединений и присущи водам любого генезиса (природного, природно-техногенного, техногенного). Вторичное гидрогенное минералообразование может протекать как с резкими перепадами, так и без существенных изменений или стабилизацией содержания химических элементов в растворе. Отсутствие резких перепадов в содержаниях минералообразующих химических компонентов наиболее характерно для элементов - комплексообразователей.
Рудогенные элементы на определенном этапе развития системы вода-порода, достигая минералообразующих величин, способны формировать собственные вторичные минералы даже из фоновых вод. Масштабы концентрирования элементов зависят от минералообразующей способности и количества вод, участвующих в минералообразовании, и длительности процесса. Применительно к золоту, химически наиболее инертному элементу, при наличии его крупных самородных выделений в гипогенных источниках геологическая роль подземных вод сводится к разрушению минералов- носителей золота, а галогенные золотины становятся центрами минералообразования для его гидрогенной составляющей.
Научная новизна работы.
Показана роль вторичного минералообразования в формировании химического состава подземных вод.
Впервые для региона проведено физико-химическое моделирование взаимодействия подземных вод с различными типами горных пород и показана эффективность его использования для решения обратных задач при оценке геологической деятельности подземных вод.
Установлен минералогический состав современных минеральных новообразований, равновесных с подземными водами, выявлены закономерности их формирования и распространения с учетом влияния пространственно-временных факторов.
Определены парагенезисы современных гипергенных продуктов и установлена их
пространственная приуроченность.
Количественно оценены масштабы гипергенных преобразований исходных пород и формирования современного вторичного минералообразования.
Разработаны принципиально новые подходы к оценке гидрогеохимического фона рудогенных элементов, базирующиеся на количественной оценке процессов, происходящих в системе"вода - порода".
Доказана возможность и оценены масштабы формирования гидрогенной составляющей золотоносных россыпей.
Практическая значимость работы и реализация результатов исследований.
Результаты исследований могут быть использованы при поисках и разведке месторождений рудных полезных ископаемых, обосновании выбора и анализе экологического состояния источников водоснабжения, при изучении процессов вторичного минералообразования, совершенствовании системы мониторинга, планировании и реализации мероприятий по рациональному использованию и охране подземных вод. Разработанные способы и приемы обработки и анализа гидрогеохимической информации позволяют более обоснованно оценивать перспективы региона на оруденение, в том числе и золотое, оценивать ресурсы предполагаемых рудных объектов, в том числе по результатам единичных наблюдений, прогнозировать изменение состава подземных вод при техногенном воздействии.
Результаты исследований вошли в отчеты по госбюджетным, хоздоговорным и инициативным темам научно-исследовательских работ Проблемной гидрогеохимической лаборатории и кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии ТПУ, кафедры водоснабжения и водоотведения ТГАСУ, используются Региональным агентством по недропользованию по Сибирскому федеральному округу, Территориальным агентством по недропользованию по Республике Хакасия, ФГУП "Новосибирскгеология", и другими организациями. Материалы исследований используются в учебном процессе в Томском политехническом университете.
Реализация и апробация работы.
Основные положения работы обсуждались на Международных симпозиумах по методам прикладной геохимии (Иркутск, 1981, 1994; Орлеан, 1987; Москва, 1997), XXVII Конгрессе Международной ассоциации гидрогеологов (Ноттингем, 1999), Международном симпозиуме по фундаментальным и прикладным проблемам охраны окружающей среды (Томск, 1995), Международной конференции по технике и технологии очистки и контроля качества воды (Томск, 1999), IV Международном симпозиуме «Наука и технология»
(Ульсанский университет, Корея, 2000), Международной научно-технической конференции «Горно-геологическое образование в Сибири. 100 лет на службе науки и производства» (Томск, 2001), Международной конференции «Научные основы сохранения водосборных бассейнов» (Улан Уде -Улан-Батор, 2004), Международной конференции, посвященной 75-летнему юбилею гидрогеохимии (Томск, 2004), I и II Всесоюзных совещаниях по физико-химическому моделированию в геохимии и петрологии (Иркутск, 1980, 1988), Всесоюзном совещании по геохимии ландшафтов (Новороссийск, 1986), Региональном совещании по геохимическим методам поисков (Челябинск, 1981), III и IV Всесоюзных совещаниях по геохимическим методам поисков МПИ (Самарканд, 1982; Ужгород, 1988), Всесоюзном и Всероссийском гидрогеохимических совещаниях (Томск, 1986, 1993), Всесоюзном и Всероссийских совещаниях по подземным водам (Иркутск-Южно-Сахалинск, 1988; Тюмень, 1997; Красноярск, 2003), Всесоюзном симпозиуме по изотопам в гидросфере (Каунас, 1990), Всероссийской научно-практической конференции по геоэкологическому картированию (Москва, 1998), Всеуральском совещании по рациональному использованию и охране подземных вод (Свердловск, 1989), Региональных совещаниях по современным проблемам гидрогеологии и гидрогеохимии Сибири (Томск, 1996) и актуальным вопросам геологии и географии Сибири (Томск, 1998), региональной конференции геологов Сибири, Дальнего Востока и Северо-Востока Сибири (Томск, 2000), конференциях «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Западно-Сибирской плиты и ее складчатого обрамления» (Тюмень, 1982, 1983,1985,1987), научном семинаре по минералогии техногенеза (Миасс, 2000), юбилейных конференциях, посвященных 100-летию М.А.Усова (Томск, 1983) и П.А.Удодова (Томск, 2003), научной конференции «Природные ресурсы Забайкалья и проблемы природопользования» (Чита, 2001), научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития минерально-сырьевого комплекса и производительных сил Томской области» (Томск, 2004), научно-практической конференции «Основные водохозяйственные проблемы и пути их решения» (Томск, 2005), научно-технических советах ПГО «Новосибирскгеология», «Запсибзолото», Территориального агентства по недропользованию по Республике Хакасия, научных семинарах проблемной гидрогеохимической лаборатории и кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии ТПУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 76 научных работ, в том числе 5 коллективных монографий и 10 статей в журналах, включенных в перечень ВАК. Написано более 20 производственных и научно- производственных отчетов.
Структура и объемы работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем работы 390 страниц текста, включающего 115 таблиц, 120 рисунков и
351 наименование библиографических источников.
В процессе исследований автор работы обращался за советами и консультациями к докторам наук М.Б.Букаты, И.К.Карпову, А.Ф.Коробейникову, Е.А.Пономареву, Н.М.Рассказову, Л.П.Рихванову, Г.М.Рогову, кандидатам наук В.К.Бернатонису, Л.А.Казьмину, Д.С.Покровскому, К.В.Чудненко. Многие вопросы обсуждались в разное время с коллегами по совместной работе В.Я.Бычковым, И.В.Вологдиной, В.Г.Ворошиловым, Р.Ф.Зарубиной, Ю.Г.Копыловой, К.И. и К.К.Кузевановыми, З.В.Лосевой, А.А.Лукиным, Н.Г.Наливайко, А.К.Полиенко, А.Я.Пшеничкиным, А.С.Тайлашевым Н.А.Трифоновой, А.Д.Фатеевым, Е.В. и Е.И.Черняевыми. Огромную поддержку и помощь в проведении работ и сборе фактического материала автор получила от сотрудников производственных организаций Э.И.Большакова, А.А.Булатова, И.П.Васильева, О.А.Влащенко, В.М.Елисеева, Г.А.Жульминой, О.А.Журбиной, П.А.Зейба, В.Г.Иванова, А.А.Калашниковой, А.И.Казеннова, В.Е.Кац, А.С.Кривошеева, А.И.Ламинского, В.М.Людвига, В.АЛьготина, Ю.В.Макушина, В.С.Медникова, В.А.Мельниковой, В.Д.Мисюка, А.И.Неволько, В.В.Нечаева, Г.Л.Плевако, В.Г.Свиридова, А.С.Скогоревой, Г.П.Тарасова, Т.А.Фадиной.
Указанным лицам, а также сотрудникам Проблемной гидрогеохимической лаборатории и кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии ТПУ, студентам, участвовавшим в полевых экспедициях и обработке гидрогеохимической информации, автор выражает искреннюю благодарность.
Автор благодарен доктору геолого-минералогических, профессору П.С.Чубику, оказавшему активное содействие в организации завершения данной работы и особую признательность выражает доктору геолого-минералогических наук, профессору С.Л.Шварцеву - учителю и консультанту, определившему основную направленность научных исследований.
Краткая характеристика методики исследований
Методика исследований в соответствии с задачами работы носила комплексный характер. Источником информации для исследований по геохимии подземных вод послужили материалы, полученные непосредственно автором или под его руководством в процессе выполнения плановых госбюджетных, хоздоговорных и инициативных тем, материалы, геологоразведочных, водоснабженческих и природоохранных предприятий и организаций, а также сведения, приведенные в научных публикациях. Для хранения и последующего рационального использования геохимической информации была создана база данных, в которую, кроме основной гидрогеохимической информации вносились формальные характеристики (геопространственная привязка, источник информации, дата опробования и др.), внешние факторы (геологическая приуроченность, геоморфологические параметры и т.д.), необходимые для разделения данных или решения разнообразных исследовательских задач. Обработка информации выполнялась с использованием методов математической статистики (Афифи, Эйзен, 1982) и ГИС технологий, реализованных в пакетах программ EXEL, BMDP, СОМИ, Statistica, Surfer, Mapbifo, Arc View.
Выявление закономерностей изменчивости параметров химического состава подземных вод базировалось на законе о всеобщей связи и взаимной обусловленности различных природных явлений, а именно, на его положениях о причинно-следственных связях ведущих природных факторов (климата, рельефа и типа горной породы) и параметров химического состава подземных вод. При рассмотрении региональных гидрогеохимических закономерностей и получении обобщенных характеристик в основу систематизации многочисленных данных были положены ландшафтно-климатическая и геолого-структурная принадлежность территорий. Широко использовались обобщенные характеристики, полученные другими исследователями (Шварцев, 1998, Смоленцев, 1987 , Ермашева, 1999 и др.), которые при наличии нового фактического материала пересчитывались или дополнялись и уточнялись. Дополнения коснулись, главным образом, обобщенных характеристик подземных вод межгорных впадин, уточнения - отдельных горно-складчатьк структур и АСО в целом. При этом в расчетах средних значений (кларков) для отдельных структур учитывались площадные соотношения распространенности в них тех или иных ландшафтов, а для АСО, наряду с последними, и площадей межгорных впадин.
Применительно к рудным районам, находящимся в практически одинаковых широтных условиях, из ведущих природных факторов рассматривалось влияние высотных условий рельефа и состава водовмещающих отложений. При изучении роли рельефа широко практиковались элементы и приемы метода морфоструктурно-пщрогеологического анализа (Лукин, 1987). Наиболее детально роль рельефа и его производных изучалась на примере Центральнинского и Егорьевского районов, различающихся и по составу водовмещающих отложений. Особенности формирования вод алюмосиликатных водовмещающих образований рассмотрены на примере первого, а карбонатных, карбонатно-алюмосиликатньк - второго.
В исследованиях использовались следующие параметры, тесно связанные с характером рельефа и измеряемые непрерывными величинами: отметки областей питания (Н max) и разгрузки (Hmin), уклон водной поверхности (UKL), длина пути фильтрации подземных вод (ДЬР), ширина водосборного бассейна (HIR), превышение области питания над областью разгрузки (ДН).
Кроме того, использовались известные классификационные показатели форм рельефа: порядки речных долин (ПД) в понимании Р.Е. Хортона (Horton,1941) и типы морфоструктур по А.А. Лукину (1986), измеряемые дискретными величинами. В случае необходимости, например, для дискретно оцениваемого значения порядка долин, имеющего высокие корреляционные связи с параметрами, измеряемыми непрерывными величинами, методом множественной и линейной регрессии получали непрерывный ряд значений порядка долин. Последний, например, для наиболее мелких водотоков в Центральнинском районе описывается уравнением вида ПД1 = -1,8591 + 0,0139ДН - 0,732 UKL + 0,89 HTR
В приведенном примере для расчетов использовалось 135 измерений, а коэффициент множественной корреляции составляет 0,87. Кроме указанных факторов оценивались одновременное влияние высотных условий, порядков речных долин, дренирующих подземные воды разной глубины и состава пород, а для отдельных объектов еще и роль экспозиции склонов. В последнем случае отдельно рассматривался речной и родниковый сток.
На начальных этапах исследований, когда нет ясности о характере связей элементов химического состава друг с другом и с параметрами, отражающими влияние того или иного фактора, применялся корреляционный и факторный анализ, проверка гипотез о равенстве средних содержаний элементов в выборках, разбитых по факторам. Из методов факторного анализа нами, в основном, использовался R - метод.
Для установления вида функциональных связей факторов и параметров химического состава вод использовались графические построения, причем для построения линий или поверхностей изменения содержаний химических элементов под влиянием основных ведущих факторов использовались не отдельные единичные наблюдения, а значения, подсчитанные по нескольким (не менее 20) реализациям. Все данные, согласно количеству исследуемых факторов, были разбиты на ячейки, в которых подсчет средних выполнялся, в основном, методом Эндрюса. Подсчет средних этим методом позволяет получить устойчивые оценки, характеризующие фоновый процесс, не требует предварительного ручного формирования фоновой выборки, удаления максимальных и минимальных значений переменной, в связи с тем, что при расчете экстремальным значениям присваивается меньший удельный вес (Афифи, Эйзен, 1982).
Наконец, для отдельных элементов химического состава вод, характеризующихся линейной или близкой к линейной связью с несколькими геоморфологическими параметрами, получали уравнения множественной линейной регрессии.
В ряде случаев, при отсутствии достаточного для статистических исследований объема информации, использовался совмещенный анализ карт распределения элементов химического состава вод и карт "природных факторов": порядков речных долин, морфоструктур, гипсометрических уровней и др.
Природные условия, определяющие особенности геохимии подземных вод
Алтае-Саянская складчатая область, занимающая обширные пространства юга Средней Сибири, представляет собой систему глубоко эродированных, большей частью затаеженных горных хребтов (Западного и Восточного Саянов, Танну-Ола и Сангилена, Горного Алтая, Кузнецкого Алатау и др.), между которыми располагаются крупные (Тувинские, Рыбинская, Кузнецкая, Минусинские) и более мелкие (Усть-Канская, Кош-Агачская, Неня-Чумышская и др.) межгорные впадины (табл. 2.1, рис. 2.1).
Гетерогенные слоисто-глыбовые сооружения Алтае-Саянской складчатой области на юге продолжаются в Монголию, на западе и юго-западе граничат с Центрально-Казахстанской и Тянь-Шаньско-Джунгаро-Памирской палеозойскими складчатыми областями, на севере и северо-западе перекрываются осадочным чехлом Западно-Сибирской плиты, а на северо-востоке граничат с Восточно-Сибирской платформой. Рельеф Алтае-Саянской складчатой области чрезвычайно разнообразен (рис. 2.2). Его обобщенные характеристики приведены в табл. 2.2, а более подробная информация по отдельным геологическим структурам в табл. 2.3. Основную часть территории Алтае-Саянской складчатой области занимают горноскладчатые структуры (порядка 80 %). В пределах горных хребтов здесь преобладает среднегорный рельеф с абсолютными высотами 1000 - 2000 м, на долю которого приходится 34,6 % площади (табл. 2.2). Только в осевых частях хребтов развиты участки высокогорного рельефа с альпийскими формами. Наиболее широко высокогорный рельеф развит на юге, главным образом, на Алтае (хребты Кутунский, Чуйский, Чи-хачева и др.), где наблюдаются наибольшие высоты (гора Белуха, 4620 м абс. высоты, хребет Катунский), в пределах Восточного и Западного Саяиа, Тану-Ола, Сангелена (хребты Кры-жина, Тукшинского, Шапшальский, Канского Белогорья, массива Мунгун-Тайга и др.). Низкогорный рельеф и всхолмленные возвышенности характерны для предгорий Алтая, Саян, Кузнецкого Алатау, структур Салаира и Колывань-Томской складчатой зоны. В целом же, в северо-западном направлении горные массивы последовательно сменяются всхолмленными возвышенностями и возвышенными равнинами Салаира, Колывань-Томской складчатой зоны и, наконец, равнинами Западной и Восточной Сибири. Рис. 2.2. Высотные условия Алтае-Саянской складчатой области Абсолютные высоты: 1-менее 150 м; 2- 150-600 м; 3-600-900 м; 4- 900-1800 м; 5-1800-3000 м; 6- более 3000 м
Межгорные впадины характеризуются равнинным, пологохолм истым, холмисто-увалистым, куэстовым рельефом, иногда довольно расчлененным (особенно в периферических частях впадин) и содержащим отдельные останцовые, местами скалистые возвышенности. Наиболее пониженные центральные части впадин располагаются в широком диапазоне высотных отметок, от 125 -150 м (Рыбинская впадина) и 200 - 300 м (Кузнецкая и Минусинские котловины) до 500 - 800 м (Тувинские впадины) и даже 1000-1200 м (Алтайские впадины).
В тесной связи с геологическими структурами и типами рельефа находятся ландшафтные зоны Алтае-Саянской складчатой области (табл. 2.4, рис. 2.3). Субальпийские луга и горные тундры приурочены к высокогорьям и среднегорьям и занимают около 20 % площади региона. Зона таежных лесов распространена на территориях среднегорного и низкогорного рельефа, а также в пределах всхолмленных предгорий.
Таежные леса - это наиболее распространенный в различных высотных условиях тип ландшафта, суммарно на его долю приходится 55,6 % площади Алтае-Саянской складчатой области. Степные и лесостепные ландшафты преобладают в межгорных котловинах, но широко развиты и на значительной части предгорий и среднегорий. На склонах южной экспо зиции они нередко непосредственно смыкаются с тундровыми высокогорьями. Подтаежные леса занимают периферийные части межгорных котловин.
Количество атмосферных осадков, тесно связанное с распределением абсолютных высот и экспозицией склонов, на большей части территории составляет 400 - 600 мм в год, возрастая по мере приближения к высокогорным районам до 1000 -1600 мм и более (рис. 2.5). В межгорных впадинах наибольшее количество осадков отмечается в
Рыбинской (до 600 мм) и Кузнецкой (340 мм у подножий Салаира, 365 - 585 мм в центре и до 1300 мм в предгорьях Кузнецкого Алатау) впадинах, наименьшее - в центральных частях Минусинских и Тывинских впадин, в засушливых степных районах (до 150 - 310 мм).
В пределах большей части территории, занятой горными сооружениями, осадки значительно превышают испарение, величина которого с высотой уменьшается от 300 до 100 мм в год, а в центральных засушливых частях Минусинских, Тувинских и Убсунур - Тесхем-ской впадин испарение значительно превышает осадки.
Геологическое строение Алтае-Саянской складчатой области рассмотрено в работах ЛВАлабина, В.И.Баженова, АЛБулынникова, БДВасильева, ИЛГудкова, П.Ф.Иванкина, АФ.Коробейникова, МПКортусова, АМКузьмина, ВАКузнецова, ЮАКузнецова, ВАОбручева, МАУсова, В.В.Хоментовского, ФДШахова, Ю.Г.Щербакова и многих других исследователей. Установлено, что, в целом, Алтае-Саянская складчатая область характеризуется мозаично-блоковом строением: в ней сочленяются складчатые зоны северо-западного, широтного, меридионального и северо-восточного простираний, имеющие различный возраст. Здесь выделяются зоны салаирской (предпозднекембрийской), каледонской (преддевонской), раннегерцинской (раннекаменноугольной) и позднегерцинской (послекаменноугольной) складчатости, а также докембрийские массивы.
Горные сооружения сложены осадочными, вулканогенными и интенсивно метамор-физованными породами, которые собраны в сильно сжатые, местами, опрокинутые складки, разбиты многочисленными разломами и прорваны интрузиями разного состава (рис 2.6, табл. 2.5). На долю метаморфизованных пород приходится 14,3 %, осадочных и вулканоген-но-осадочных - 41,6 % площади.
Породы межгорных артезианских бассейнов литифицированы в стадии выше среднего катагенеза, в связи с чем основную роль в формировании их фильтрационных и емкостньк свойств играют трещинные коллекторы, а значение пористости невелико. Осадочные отложения, вмещающие пластово-трещинные и трещинные воды, обладают неоднородной водо-обильностью. На фоне в целом невысокой обводненности повышенной водообильностью обладают песчанистые и карбонатные разности пород в верхней, наиболее трещиноватой зоне, особенно в долинах рек и депрессиях рельефа (Покровский и др., 2001).
Разрезы артезианских бассейнов, а зачастую и гидрогеологических массивов завершаются отложениями неоген-четвертичного возраста, представленными широким спектром генетических типов, фаций и литологических разностей. Общими их чертами являются низкая степень литификации, поровые коллекторы, определяющие емкостные и фильтрационные свойства, и преимущественно пластовый характер залегания водовмещающих пород.
Водообильность пород зоны насыщения, в целом, невелика. Дебиты источников, по результатам наших наблюдений, изменяются от сотых долей до первых литров в секунду. Большей водообильностью характеризуются породы гипсометрически более высотных районов и во всех районах - карбонатные породы или зоны их контактов с алюмосиликатными. Дебиты карстовых источников достигают десятков литров в секунду.
Оксидно-гидроксидные минеральные новообразования
Из группы оксидов и гидроксидов минералы железа, марганца и алюминия можно наблюдать практически повсеместно, обнаруживая значительные концентрации их современных новообразований не только в зонах окисления рудных месторождений, но и в местах выхода подземных вод на поверхность.
Образования преимущественно железистых оксидно-гидроксидных соединений, были нами изучены в самых различных высотных условиях таежных ландшафтов Алтае-Саянской складчатой области, где, как неоднократно отмечалось, для них наиболее благоприятны условия распространения. Оксидно-гидроксидные осадки зафиксированы нами на выходах вод различной степени солености, как ультрапресных Восточного Саяна (Ольховско-Чибижекский район) и Кузнецкого Алатау (Центральнинский район), формирующихся среднегорных высотных условиях, так и умеренно пресных и собственно пресных Салаира и Колывань-Томской складчатой зоны, формирующихся в низкогорных высотных условиях (см. гл. 2). Несмотря на различия в минерализации, для этих вод общим является относительное обогащение их железом. В качестве примера приводим данные состава вод родников Салаира, отлагающих оксидно-гидроксидные железистые образования (табл. 3.2). Из таблицы видно, что содержания железа в водах этих родников в несколько раз выше, чем в водах общей выборки (см. табл. 2.65)
Осадки оксидно-гидроксидных соединений формируют различные корочки и примазки, а порой и концентрически-зональные образования. Морфологически они представляют собой высокодисперсные охристые образования. В их валовом составе (табл. 3.3) преобладают окислы железа, кремния и алюминия (в среднем, 33,74; 20,85; 6,22 "/((Соответственно). Доля потерь при прокаливании составляет значительную часть от массы осадков - от 21-73 до 32,77 %. Существенно более низки, но также, иногда, значительны доли окислов фосфора (до 8,8%), кальция (до 7,45 %) и магния (2,43%).
В формировании химического состава осадков важная роль принадлежит органическому веществу. Роль органического вещества достаточно хорошо проявляется при анализе взаимосвязи биогенных компонентов химического состава с гумусовой составляющей.
Наиболее высокие (50,8 %) значения содержания РегОз характерны для осадков, сформировавшихся в водах самых верхов геологического разреза и в более высоких гипсометрических условиях (рис. 3.1). Для распределения кремнезема характерна противоположная картина. Минимальным содержанием SiC 2 (5,8%) характеризуются осадки вод самых верхов геологического разреза. Наблюдается увеличение содержаний SiC 2 от осадков среднегорья (10,04%) к осадкам низкогорья (21,73 и 29,17%). Подобный характер изменений характерен и для соединений кальция и фосфора. Окислы алюминия распределяются несколько иным образом, и в целом наблюдается уменьшение значений содержаний от осадков среднегорий к осадкам низкогорий. Содержания окислов магния и натрия в осадках выражаются первыми процентами, при этом явных закономерностей в распределении не отмечается. Что касается таких компонентов, как МпО, SO3 и ТЮг, входящих в базовый перечень определений силикатного анализа, то в формировании общей массы осадков они имеют сугубо подчиненное значение, их содержания выражаются долями процента. Однако в распределении МпО, SO3 наблюдается закономерное увеличение их содержания от осадков из гипсометрически более высоких к осадкам гипсометрически более низких областей.
Формирующиеся минеральные новообразования помимо основных компонентов выводят из раствора и элементы-примеси. Об этом свидетельствуют данные анализа микроэлементов, приведенные в таблице 3.5.
Удаление элементов-примесей из вод может осуществляться различными путями. Наряду с формированием собственных минералов, большое, возможно, и ведущее значение имеют изоморфный или сорбционный механизмы захвата микроэлементов формирующимися минеральными новообразованиями. Многие микроэлементы, находящиеся в подземной воде в недонасыщенном состоянии, не выводятся из водной миграции в виде собственных минералов, но хорошо сорбируются или осаждаются оксидно-гидроксидными соединениями.
Согласно данным проведенного спектрального и нейтронно-активационного анализов такие элементы, как Fe, Р, Ga, Hg, As, Br, Ba, Sr, Co, Eu, накапливаются в оксидно-гидроксидных образованиях.
Вторичное карбонатообразование - широко распространенный в зоне гипергенеза процесс. Как утверждают в своем обзоре, базирующемся на анализе материала около двух сотен литературных источников, Г.А.Вайлс и А.С.Гоуди (Viles and Goudie, 1998), пресноводные карбонатные отложения (известные также под названием известковые туфы, травертиновые постройки) описаны, за исключением Антарктики, на каждом континенте. Имеется много данных о туфах в Европе и Азии. В Европе туфовые отложения широко распространены в Великобритании, Ирландии, Югославии, Испании, Франции, Австрии, Италии, Бельгии, Германии, Чехии, Венгрии, Греции, Франции, Люксембурге, Португалии, Бельгии, Польше. В пределах Азии туфы распространены в Индии, Непале, Афганистане, Китае, Вьетнаме. На среднем востоке туфы обнаружены в Израиле, Турции и Египте. Туфовые отложения зафиксированы в некоторых частях Африки, включая Алжир, Ливию, Марокко, Чад, Южную Африку и Мадагаскар. В Северной Америке туфы отмечены в Йеллоустонском парке, Нью Мехико, Айдахо, Западной Вирджинии, Аризоне и Калифорнии. В Центральной и Южной Америке туфы описаны относительно скудно, но обнаружены в Бразилии, Мексике. В пределах Австралии туфовые отложения найдены в нескольких карстовых полях на северо-западе и на ограниченных площадях в Новой Зеландии.
Разнообразные генетические типы и формы аккумуляции карбонатов (известковые туфы и близкие им отложения) распространены и достаточно подробно описаны и в различных регионах России на Кавказе, Забайкалье, Камчатке (Плюснин и др., 2000/ Байков, и др., 1983; Максимович, 1963, 1969), Сибири (Удодов и др., 1971; Бутвиловский, 1993; Орлова, 1925; Уткин, 2000; Шварцев и др., 1983; Дутова, 2000/ Цыкин, 1985/ Покровский, 1966/ Рогов, Попов, 1986/ Ольховатенко, 1986; Петрова и др., 2000 и многие другие).
В пределах изучаемого региона, как показали наши исследования, наиболее благоприятны для формирования карбонатов регионального распространения таежные, лесостепные и степные ландшафты, от низкогорий до низменностей. Карбонаты встречаются в различных геологических и геоморфологических условиях зоны гипергенеза горноскладчатых сооружений и межгорных впадин Алтае-Саянской складчатой области, и прилегающих структур Западной Сибири.
Морфология этих формирующихся новообразований очень разнообразна. В современных корах выветривания, донных осадках водоемов и водотоков карбонаты входят в смесь глинистых высокодисперсных образований. Здесь, по нашим оценкам, в общей массе образующейся вторичной твердой фазы на долю карбонатов в зависимости от состава разрушающихся пород приходится от первых единиц до десятков процентов.
В зоне трещиноватости карбонаты зачастую встречаются в виде хорошо раскристаллизованного кальматиругощего материала, заполняющего трещины (рис. 3.2). Часто встречаются они в виде тонкодисперсного цемента в четвертичных аллювиальных отложениях. Очень ярко выражены такие явления в Горном Алтае в обнажениях террасовых отложений притоков реки Катунь.
В почвенных горизонтах карбонаты зачастую представлены самостоятельными выделениями. Причем, например, в каштановых почвах равнин Западной Сибири встречаются и разнообразные формы карбонатных стяжений и самые плотные карбонатные конкреции -«белоглазка» и «журавчики». В горных же каштановых почвах Алтая обильно развиты корочки (друзы), одевающие сплошным покровом обломки пород (Атлас ..., 1978).
Результаты моделирования взаимодействий в системе "вода-порода"
Изучение особенностей взаимодействия воды с алюмосиликатами проводились на примере взаимодействия с породами складчатых структур Кузнецкого Алатау: интрузивными - гранитами, плагиогранитами (средний минералогический состав центральной части Центральнинского массива), кварцевыми диоритами (средний минералогический состав краевой части Центральнинского массива) и вулканогенными породами - эффузивами основного состава (средний минералогический состав образований средне-саралинской свиты кембрия Саралинский район).
Наиболее детально остановимся на результатах моделирования взаимодействия воды (при Т=10 С, Р0бщ=1 атм, РСО2=10"2 5 атм) с гранитоидами центральной части Центральнинского массива, средний минералогический состав которых представлен плагиоклазом №30 (60 %), кварцем (20 %), роговой обманкой (5 %), биотитом (7 %), калиевым полевым шпатом (8 %). В исследуемом интервале масштабов преобразования исходных пород система, соответственно формирующемуся минералогическому составу вторичной твердой фазы, характеризуется пятью стадиями эволюции и пятью соответствующими стехиометрическими типами химического состава вод (табл. 4.1). Состав раствора по абсолютным значениям, соотношениям компонентов и другим параметрам находится в строгом соответствии с составом равновесной ему твердой фазы.
При растворении одним литром воды 10 мг исходной породы 70 % массы элементов переходит в жидкую фазу и лишь 30% идет на формирование вторичных минералов каолинита и гетита. При дальнейшем растворении (10 - 125 мг породы) формируется каолинит -гидрослюдистая твердая фаза, а распределение элементов характеризуется приблизительно равным отношением твердой и жидкой фаз. В дальнейшем вторичные минералы приобретают гидрослюдисто - каолинитовый состав, а затем (при растворении свыше 158 мг породы) сменяются минералами монтмориллонит - гидрослюдисто - кварцевого состава. При растворении одним литром воды более 889 мг исходной породы в составе твердой вторичной среды появляются карбонаты, а преобладающим является монтмориллонит (рис.4.1).
На всех этапах эволюции система характеризуется повышением рН и уменьшением доли элементов, переходящих в жидкую фазу. Наибольшие колебания в поведении химических элементов в воде присущи элементам, входящим в структуры образующихся вторичных минералов, и изменения эти приурочены к границам минеральных зон. Особенно резкие колебания с тенденцией к выводу элементов из раствора присущи калию при образовании гидрослюд, а кальцию и магнию - при образовании карбонатов. На протяжении всей эволюции независимо ведет себя натрий, полностью переходящий в жидкую фазу.
Увеличение парциального давления СОг при взаимодействии вод с гранитоидами на последовательность вторичного минералообразования в целом не влияет, а лишь сдвигает начало образования тех или иных твердых фаз к более поздним этапам и, соответственно, способствует накоплению больших содержаний элементов в водах.
Взаимодействие вод с кварцевыми диоритами, по сравнению с разрушением более кислых разностей пород, характеризуется несколько иными изменениями содержаний элементов в жидкой фазе и минералогического состава - твердой. В составе твердой фазы появляются железосодержащие минералы, причем в процессе всей эволюции железо связывается гетитом. На более поздних этапах значимость гетита в удалении железа уменьшается, но существенно повышается роль монтмориллонитов. Кроме того, иначе выглядит роль магния. При взаимодействии вод с более основными породами на определенной стадии он связывается образующимися монтмориллонитами, в то время как при взаимодействии с более кислыми породами он практически полностью переходит в воды. Следует отметить также, что для начала карбонатообразования требуется разрушение относительно меньшего количества основных пород, нежели кислых. Иначе говоря, породы, содержащие большие количества кальция способны к более раннему равновесию взаимодействующих с ними вод относительно вторичного кальцита. Важно и то, что при взаимодействии вод с породами типа основных эффузивов, характеризующихся практически полным отсутствием калиевосодержащих минералов, на первых этапах взаимодействия формируется вторичная фаза, представленная гетитом, каолинитом, кварцем, позднее ассоциация дополняется монтмориллонитами, карбонатами. В этом случае во вторичной фазе гидрослюдистые минералы могут не образовываться вовсе.
Результаты моделирования взаимодействия вод с алюмосиликатами (химический состав вод, минералогический состав твердой фазы) на той или иной стадии взаимодействия и определенных условиях (Т, РСОг) вполне сопоставимы с реальными наблюдениями состава природных подземных вод и кор выветривания соответствующих пород в различных ландшафтных зонах и регионах. Так, например, химический состав вод, равновесных с каолинитом и гетитом, моделируемый в процессе разрушения литром воды первых десяти миллиграммов гранитов и плагиогранитов (при РССЬ = Ю-1 5, 10 2 атм.), схож с составом вод тропических областей (Гвинея, Берег Слоновой Кости), приводимым в работе С.Л. Шварцева (1978). Состав вод, равновесных с каолинит-гидрослюдами, гидрослюдами-каолинитом, по-лученный при растворении большей массы этих же пород (при РСОг=10 - 10 атм) схож с составом вод горных районов умеренно влажного климата (Красноярский хребет, горы в Сьерра-Невада), приводимым в той же работе. Наиболее же хорошо с моделируемым составом вод тех же пород сопоставим состав вод гранитов и плагиогранитов Центральнинского района, причем, состав вод моделируемый при растворении порядка 30-100 мг 1 литром воды (при РСОг=Ю 2 0 атм), схож с составом вод зоны региональной трещиноватости, дренируемых речной сетью, а состав вод, полученный при разрушении большего количества пород сопоставим с составом более глубоких вод, опробованных нами в выработках горных предприятий района.
