Геохимия подземных вод севера Алтае-Саянского горного обрамления, формирующих травертины

Актуальность. В последнее время особое внимание исследователей разных стран привлекает проблема взаимодействия воды с горными породами. Достаточно сказать, что по этой тематике уже проведено 11 международных симпозиумов, 12-ый пройдет в Китае в 2007 г., предыдущий проходил в США в 2004 г, проводятся весьма разносторонние исследования этой системы, включая минералогические, геохимические, изотопные, экспериментальные, гидрогеологические, рудообразующие и многие др. аспекты. В настоящее время теория взаимодействия воды с горными породами относительно детально разработана с общегеохимических позиций, экспериментального моделирования алюмосиликатов, физико-химического моделирования процессов выветривания и т. д. Как показал C.JI. Шварцев, в водах зоны гипергенеза выделяется несколько стадий взаимодействия воды с горными породами, на которых отмечается вторичное минералообразование, в частности, травертинообразование. На юге Западной Сибири широким распространением пользуется маломощные травертины, образующиеся из холодных пресных вод, генезис которых не может быть объяснен ни одной из существующих схем вторичного карбонатообразования. Поэтому представляется интересным рассмотрение процесса травертинообразования как определенный этап взаимодействия воды с горными породами.

Цель данной работы заключается в рассмотрении геохимических особенностей холодных маломинерализованных подземных вод севера Алтае-Саянского горного обрамления, включая изотопный состав, отлагающих травертины.

Объектом нашего исследования являются подземные воды, отлагающие карбонатные травертины, севера Алтае-Саянского горного обрамления.

Основные задачи исследований можно сформулировать следующим образом: 1) изучить распространенность, морфологию и состав травертиновых образований в регионе- 2) исследовать химический, газовый и микробиологический состав подземных вод, отлагающих карбонатные травертины- 3) изучить изотопной состав углерода как подземных вод, так и травертинов и водорастворенных газов- 4) рассмотреть источники вещества подземных вод. включая СОг- 5) выявить механизмы, разработать ведущие модели травертинообразования и выделить основные этапы формирования подземных вод в регионе.

Исходный материал и методы исследований. В основу диссертационной работы положены материалы личных исследований автора, проведенные в процессе экспедиционных работ в составе Проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии Томского политехнического университета (ТПУ), начиная с 2000 г., а также в составе лаборатории гидрогеохимии и геоэкологии Томского филиала Института геологии нефти и газа СО РАН (ТФ ИГНГ СО РАН), начиная с 2002 г., при выполнении госбюджетных и хоздоговорных работ. Также в работе обработан материал предыдущих лет большого коллектива исследователей, полученных в ходе тематических работ при участии П. А. Удодова, Ю. Г. Копыловой, C.JI. Шварцева, В. М. Матусевича, Н. В. Григорьева, Е. М. Дутовой, А. А. Лукина и многих других сотрудников кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии ТПУ.

В итоге обобщены анализы по геохимии, включая изотопию, подземных вод, отлагающих травертины, начиная с 1964 г., на территории Колывань-Томской складчатой зоны, северо-запада Салаира и юга Кузбасса. Всего в регионе изучено 119 мест травертинообразования, химический, газовый и микробиологический состав вод, исследован изотопный состав углерода воды, травертинов и водорастворенного газа и минералого-петрографический состав травертинов.

Научная новизна. На основе собранного за последние 40 лет материала, автором выяснены и впервые нанесены на карту родники и мелкие ручьи, отлагающие травертины, составлена база данных с макрои микрокомпонентным, газовым и изотопным составом воды. Наиболее полно проанализирован состав травертинов, рассчитан их химический и минералогический состав. Изучен изотопный состав углерода и сделаны выводы об источнике углекислого газа и других водорастворенных элементов. Подробно исследовано равновесие данных вод с карбонатными и алюмосиликатными минералами. Разработан новый механизм травертинообразования из холодных пресных вод. Впервые травертинообразование рассматривалось как определенный этап взаимодействия воды с горными породами.

Предлагаемые методы, подходы и представления о процессах карбонатообразования в системе вода-порода являются абсолютно новыми, хотя и слабо разработанными, но положительно воспринятыми научной общественностью, поскольку основаны на серьезных результатах экспериментальных данных по растворению алюмосиликатов в различных средах как в России, так и в лучших лабораториях Европы и США.

Защищаемые положения:

1. Холодные маломинерализованные воды, отлагающие травертины, не равновесны с первичными алюмосиликатами, которые служат источником химических элементов и, в частности, кальция на всех этапах взаимодействия воды с горными породами. При гидролизе алюмосиликатов образуется также ОН", который при взаимодействии с С02 формирует гидрокарбонат-ион. Вдоль потока движения воды содержания Са2+ и НС03″ в водах растут и на некоторой глубине достигается равновесие воды с кальцитом. В общем случае кальцит начинает выпадать при достижении минерализации > 600 мг/л и рН > 7.3.

2. В регионе имеются два генетических типа СОг, сопровождающих образование травертинов: 1) биогенный, который в свою очередь делится еще на два подтипа: почвенный, связанный с холодными пресными водами неглубокого залегания и угольный, связанный с содовыми водами Кузбасса и 2) глубинный (метаморфогенный), генетически не связанный с водами, в которых он распространен.

3. Карбонаты «садятся» не потому, что выделяется С02, а потому, что происходит насыщение воды кальцитом (арагонитом) вследствие непрерывного растворения неравновесных с нею алюмосиликатов. СО2, в свою очередь, выделяется потому, что осаждаются карбонаты, а не наоборот, как принято считать. Таким образом, травертины — это следствие равновесно-неравновесного состояния системы вода-порода, а выделяющаяся свободная С02 отражает минимальное количество образующихся карбонатов в рассматриваемой системе.

Практическая значимость работы заключается в оценке влияния процессов травертинообразования на миграцию химических элементов в водах и на качество вод. Результаты исследований могут быть использованы различными геологическими организациями, занимающимися гидрогеохимическими поисками МПИ и решением экологических и хозяйственно-питьевых проблем.

Апробация работы. Отдельные разделы работы были доложены на 17 международных и 8 региональных конференциях: на Международном научном симпозиуме студентов, аспирантов и молодых ученых им. академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» (Томск, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005), на Всероссийской молодежной научной конференции «Гидроминеральные ресурсы Восточной Сибири» (Иркутск, 2000), на Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий. Экологический катализ» (Новосибирск, 2001, 2002), на Южно-Сибирской Международной конференции студентов и молодых ученых «Экология Южной Сибири» (Абакан, 2001, 2002), на Годичном собрании Минералогического общества «Роль минералогических исследований в решении экологических проблем (теория, практика, перспективы развития)» (Москва, 2002), на Всероссийской научной конференции «Проблемы поисковой и экологической геохимии Сибири» (Томск, 2003), на Сибирской международной конференции молодых ученых по наукам о Земле (Новосибирск, 2004), на Международной научной конференции «Фундаментальные проблемы современной гидрогеохимии» (Томск, 2004), на научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития минерально-сырьевого комплекса и производительных сил Томской области» (Томск, 2004). Доклады отмечены 11 дипломами международного уровня I, II, III степеней. По теме диссертации опубликованы 32 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения и списка литературы, насчитывающего 70 наименования отечественных и зарубежных изданий. Материал диссертации изложен на 142 страницах, иллюстрирован 38 рисунками и содержит 14 таблиц.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключение данной работы необходимо отметить несколько выводов:

1. На юге Западной Сибири, в частности в Колывань-Томской складчатой зоне, на Салаире, и в Кузбассе, широким распространением пользуются карбонатные травертины, большая часть которых связана с холодными пресными водами, генезис которых не укладывается в классическую схему вторичного карбонатообразования. Всего в данном регионе нами выявлено 118 таких мест травертинообразования, при детальных исследованиях их количество может быть удвоено или даже утроено. Значительно реже встречаются травертины, генезис которых обусловлен выходом на дневную поверхность высокоуглекислых слабокислых солоноватых вод содового типа. Как, например, Терсинские минеральные воды на юго-востоке Кузнецкого бассейна. На фоне такого разнообразия карбонатообразования из пресных вод, это лишь единственный случай в регионе.

2. Травертины, отлагающиеся из холодных пресных вод, как правило, имеют невыдержанную по потоку протяженность и небольшую мощность от 2−5 до 30−40 см. Постройки имеют форму чаш, ванн, конусов выноса, каскадов, площадных покровов и т. д. Осаждающиеся карбонаты представляют собой псевдоморфозы по растительным остаткам и мхам, которые рассматриваются как центры кристаллизации минералов. Это прочные и пористые породы, сероватых и буроватых оттенков. При изучении в шлифах установлено, что травертины сложены большей частью не кальцитом, а арагонитом, которые позже кристаллизуется в кальцит. Также в составе отложений присутствуют пленки гидроокислов железа — лимонита и тонкодисперсных коломорфных образований водного окисла марганца — бернессита.

3. Холодные (4−14°С) пресные (300−1100, при средней 580 мг/л) воды являются инфильтрационными азотно-кислородно-углекислыми гидрокарбонатными кальциевыми, которые формируют зону активного водообмена. Содержания свободной С02 в водах невысоки, обычно 20−60 мг/л, что является чуть выше фона для данного региона и не позволяет отнести к причине осаждения карбонатов выделение С02.

4. Источником С02 в подземных водах и осаждающихся из них карбонатов на юге Западной Сибири, как показали изотопные данные, служит почвенное и подпочвенное органическое вещество. На Салаире гидрокарбонат-ион в равной мере наследует изотопный состав исходных карбонатных пород и растворяющей их биогенной углекислоты. В Кузбассе наряду с биогенной углекислотой в формировании гидрокарбонат-иона содовых вод принимает участие угольная (биохимическая) углекислота. В Терсинских минеральных водах появляется С02 иного генезиса. Здесь по крупному региональному разлому поднимается с глубин.

13 метаморфогенный углекислый газ, обогащенный изотопом С '.

5. В результате участия биогенной С02 в реакциях гидролиза алюмосиликатов образуются НСОз" и Са2+. Вдоль потока движения воды содержания Са2+ и НСОз" в водах растут и на некоторой глубине достигается равновесие воды с кальцитом (арагонитом), начинают формироваться вторичные карбонаты (травертины). Такие воды характеризуются общей минерализацией более 0.6 г/л (НСОз" > 400 мг/л, Са2+ > 80 мг/л) и рН более7.3.

6. Другой тип вод, отлагающих травертины (Терсинские углекислые минеральные воды), отличается повышенной минерализацией (4−5 г/л), характером геохимической среды (рН 6.4 — 6.6) и связан с зоной замедленного водообмена. Об этом свидетельствует их содовый состав и повышенные содержания хлора, что характерно для вод этой зоны на глубине 0.4 — 1.0 км. Но основное отличие этого типа вод — наличие С02, который, как показал изотопный анализ, генетически не связан с этими водами, а поступает с большей глубины и имеет скорее всего метаморфическое происхождение. Наличием С02 объясняются более низкие значения рН вод, обычно не характерные для содовых вод Кузнецкого бассейна.

7. Карбонаты садятся не потому, что из раствора выделяется С02, а потому, что в неравновесно-равновесной системе вода — порода достигается равновесие водного раствора с кальцитом (арагонитом), образование которого сопровождается выделением С02. В этом состоит общность механизмов образования травертинов независимо от источника С02. По количеству выделяемого С02 можно судить о количестве выпадающих карбонатов в единицу времени в конкретной геологической системе.

8. По разработанному нами механизму травертины образуются не только и не столько на поверхности земли или близповерхностной части разреза, но везде, где достигается равновесие с кальцитом (арагонитом). Осаждение карбонатов на поверхности — это лишь частный случай более общего процесса, который широко развит в верхней части земной коры практически всюду, где есть вода: осадочных бассейнах, гидротермальных системах, корах выветривания, морском дне и т. д.