Причины возникновения вертикальной гидрогеохимической зональности

Многие исследователи пытались объяснить природу вертикальной гидрогеохимической зональности. Причём главное внимание уделялась объяснению наиболее распространённой прямой зональности. Трудно ответить на вопрос, почему в большинстве случаев отсутствует связь между составом водовмещающих пород и химическим составом вод.

Предложен целый ряд гипотез, трактующих формирование зональности. Детальный анализ (и тем более критика) этих гипотез выходит за пределы нашего небольшого курса.

Захоронение испарительно сконцентрированных в поверхностных условиях морских вод и их метаморфизация в результате взаимодействия с вмещающими породами; в этом случае вода сингенетична первичным вмещающим породам.

Инфильтрационная гипотеза, связывающая формирование гидрогеохимической зональности с процессами взаимодействия в системе вода–порода

Гипотеза подземного испарения (В.А. Сулин, М.Е. Альтовский) предполагает, что проникающие в недра инфильтрационные воды нагреваются, образующиеся при этом водяные пары увлекаются вверх пузырьками газа различного происхождения, рассеянного в подземных водах. Таким образом, допускается как бы “перекачивание” водяных паров из нижележащих слоёв в верхние, в результате чего внизу формируются рассолы вплоть до очень концентрированных.

Гипотеза самодиффузии или трансляционной дифференциации ионов (О.Я. Самойлов, Д.С. Соколов) предполагает, что в разрезе бассейнов, где подземные воды медленно перемещаются из областей питания к зонам разгрузки, существует дополнительный поток частиц растворённого вещества (ионов) и растворителя (молекул воды). При этом движение молекул воды, не входящих в ближайшее окружение ионов, направлено вверх (самодиффузия молекул воды), гидратированные ионы передвигаются вниз. Такой процесс служит главной причиной формирования нормального гидрогеохимического разреза — нарастание минерализации с глубиной. Распределение же ионов связано с разной скоростью так называемого трансляционного (скачкообразного) движения различных ионов относительно молекул воды.

Диффузионно–осмотическая гипотеза (П.Н. Палей, Дж. Брэдхофт и др.) предполагает, что под действием геотермического градиента или градиента давления через глинистые толщи, как через полупроницаемые мембраны, происходит избирательный перенос молекул воды вверх, а оставшийся в нижней части разрез концентрируется.

Гипотеза ювенильного (эндогенного) происхождения зональности вследствие удаления (дегазации) легколетучих компонентов (вода, хлор и т.д.) из земной коры и мантии

Гипотеза гравитационной или гравитационно-конвекцмонной дифференциации ионов (К.В. Филатов) основана на разнице в ионной плотности химических элементов. Ионная плотность определялась как частное от деления атомного веса на объём иона. Согласно этой гипотезе анионы и катионы располагаются в подземных водах в соответствии с величиной их ионной плотности. Ионы с наименьшей плотностью (НСО₃^–) должны, таким образом, размещаться в верхней части разреза, с наибольшей (Сl^–, Вг^–, I^–) — в самой нижней. Сульфатный ион, характеризующийся промежуточной величиной ионной плотности, должен занимать промежуточное положение в разрезе.

Дегидратационная, объясняющая обратную зональность разбавлением пластовых соленых вод и рассолов связанной водой, выделяющейся из пород на больших глубинах при дегидратации.

Процессы, которые рассматриваются в приведенных гипотезах, вероятно, имеют место в определённых условиях в подземной гидросфере, однако с позиций доминирования какого–то одного процесса нельзя объяснить такое сложное явление как гидрогеохимическая зональность. Вопрос о механизме формирования зональности требует дальнейшего изучения.

В настоящее время для объяснения причин гидрогеохимической зональности как планетарного явления все чаще привлекаются методы физико-химической термо-и гидродинамики. Приложение теории массопереноса к познанию формирования химического состава рассолов седиментационных бассейнов, позволяет установить и подтвердить, что имеются два основных источника массы химических элементов для этих рассолов:

–седиментационные воды морских осадков или солеродных бассейнов

–твердая фаза, с которой взаимодействуют седиментационные и инфильтрационные воды и рассолы. Это связано с тем, что гетерогенная система твердая фаза–жидкая фаза осадков термодинамически неравновесна.

Среди множества условий и факторов, влияющих на формирование химического состава подземных вод и на распределение его по разрезу, одним из важнейших является динамика подземных вод.

Зависимость гидрогеохимической зональности от гидрогеодинамической.

Минерализация воды по вертикали обратно пропорциональна скорости движения воды в водоносных слоях. Гидрогеодинамическая зональность первична, а гидрогеохимическая – вторична.

Можно с определённостью сказать, что гидрогеохимическая зональность объясняется историей геологического развития региона, в ходе которой литологический состав пород, тектоническое строение, глубина эрозионного вреза и множество других факторов оказывали своё влияние на формирование зональности. Это относится как к прямой зональности, о которой мы больше всего говорили, так и к обратной, и к переменной.

Нарушение прямой гидрогеохимической зональности может быть вызвано вторжением пресных подземных вод из внешних областей питания, например, из горных массивов. Мы уже говорили в наших лекциях, что водоносные горизонты питающиеся атмосферной водой в горах, могут погружаться под дно моря, где иногда наблюдаются субмаринные пресные источники. Из этого примера понятно формирование разрезов, представленных водоносным горизонтом с морскими водами, захоронёнными вместе с морскими отложениями, ниже которого располагается пресноводный водоносный горизонт. Нарушение прямой гидрогеохимической зональности бывает связано с наличием в разрезе соленосных или гипсоносных отложений, растворение которых или маточные рассолы, захоронённые в них при седиментации, обусловливают повышенную минерализацию подземных вод прилегающих частей разреза. Кстати, здесь уместно отметить, что иногда можно встретить ошибочное мнение, что в нормальном гидрогеохимическом разрезе зона гидрокарбонатных вод сменяется вниз по разрезу зоной сульфатных вод, а дальше зоной хлоридных вод. Дело в том, что зона сульфатных вод отсутствует во многих бассейнах; более того, сульфатные воды, как правило, появляются там, где есть сульфатные породы. Дело даже ещё сложнее. В разрезе могут присутствовать сульфатные породы, а сульфатных вод может не быть. Например, среди девонских межсолевых и подсолевых отложений Припятского прогиба широко распространены пласты ангидритов, а рассолы здесь хлоридные. Это связано с тем, что в бассейнах галогенеза накопление сульфатных солей нередко осуществлялось в среде хлоридных, а не сульфатных рассолов. Наиболее же вероятная причина формирования сульфатных вод в разрезе — это растворение сульфатных пород.

Причиной обратной гидрогеохимической зональности может быть появление в нижней части разреза, где пластовые температуры свыше 130–150 °С, петрогенных вод, которые представляют собой выделившуюся химически связанную воду минералов (главным образом, монтмориллонита), и которые существенно опресняют находящиеся здесь подземные воды или рассолы. Вполне вероятно, что именно этой причиной объясняется намечающееся уменьшение минерализации рассолов в низах гидрогеохимического разреза Припятского прогиба. Опреснение подземной гидросферы петрогенными водами нередко сопровождается появлением существенного количества гидрокарбонатных ионов. Это связано с тем, что при температурах, при которых освобождается кристаллизационная и конституционная вода минералов, одновременно интенсифицируется разложение рассеянного органического вещества и гидролиз карбонатных пород. Оба этих процесса сопровождаются выделением углекислоты. Один из районов, где эти процессы особенно ярко выражены, — Западная Сибирь. Здесь, в юрских и меловых отложениях, установлены многочисленные трассирующиеся глубинными разломами аномальные зоны, где гидрогеохимические изменения заключаются в значительном снижении минерализации подземным вод (на 10–40 г/л) в нижних частях чехла по сравнению с вышележащими и в преобразовании вод из хлоридных в гидрокарбонатные.

Мы коснулись горизонтальной и вертикальной зональностей распределения минерализации и ионного состава подземных вод.

И хотя вопросы о зональности газов, органических веществ, окислительно-восстановительного потенциала выходят за рамки курса, мы очень кратко осветим эти вопросы.

Зональность газового состава подземных вод (на примере платформенных областей)

Дадим лишь крайне сжатую обобщённую характеристику газовых зон по вертикали гидрогеохимического разреза. Для газов характерна вертикальная зональность. С глубиной меняются состав и газонасыщенность подземных вод. Зональность газового состава подземных вод отличается в геосинклинальных и платформенных областях. В геосинклинальных областях наиболее развиты воды, обогащенные углекислотой и азотом, в платформенных – важное место занимает сероводород и метан.

Если в неглубоких водах зоны активного водообмена преобладают кислород и азот при газонасыщенности не более 100 мг/л, то в глубоких водах зоны затруднённого водообмена преобладающим газом становится метан, газонасыщенность вод достигает 10 000 мг/л. С глубиной уменьшается роль азота и возрастает роль углекислого газа, сероводорода и водорода (при преобладающем значении метана и тяжёлых углеводородов).

Причины и процессы формирования газового состава подземных вод и их газовой зональности разнообразны: различные химические реакции, биохимические процессы, радиоактивный распад, поступление газов из воздуха, земной коры и мантии. Генетически чистые скопления газов практически не встречаются.

Основные газы в осадочных породах платформ, краевых прогибов и межгорных впадин (метан, тяжелые углеводороды, сероводород, азот) имеют преимущественно химическое и бактериологическое происхождение. Метан и углеводороды образуются в результате биохимических и химических термокаталитических процессов на разных стадиях преобразования органических веществ, начиная с диагенетической. Главным источником органических веществ являются осадочные породы. Сероводород имеет обычно биохимическое происхождение, но при высокой температуре может поступать в подземные воды в результате термокаталитических преобразований серосодержащих органических и неорганических веществ. Азот имеет преимущественно воздушное и биохимическое происхождение.

Зональность распределения органических веществ в подземных водах

По мере движения подземных вод в глубокие водоносные горизонты содержание растворенного в них органического вещества увеличивается, а качественный состав изменяется. Так, если в грунтовых водах общее количество С_орг в среднем равно 30 мг/л, то в глубоких напорных водах оно увеличивается до 50 мг/л. При этом рост содержания С_орг в водах нефтегазоносных районах более существенный, чем в водах вне нефтегазоносных, это объясняется большей обогащенностью пород рассеянным органическим веществом. Наряду с увеличением С_орг по мере движения подземных вод на глубину растет содержание органического азота – от 0,1 (в водах областей питания) до 0,7 мг/л (в глубоких напорных водах).

Основную долю органического вещества во всех водах вне нефтегазовых месторождений оставляют летучие нейтральный и основные соединения, к которым относятся летучие эфиры, летучие низкомолекулярные спирты (этиловый, метиловый, пропиловый), углеводороды (терпены, бензол, другие ароматические углеводороды), летучие амины и др.

Максимальное обогащение органическим веществом происходит в приконтурных водах нефтяных и газоконденсатных месторождений (С_орг 379 и 826 мг/л, соответственно).

Во всех водах природа органического вещества одинакова. Воды нефтегазовых месторождений существенно отличаются от других вод преобладанием в их составе органических кислот жирного ряда (уксусной, муравьиновой, масляной и т.д.). Нефтегазовые залежи влияют на изменение этого соотношения в сторону увеличения углеводородов в водах и уменьшения гумусовых веществ.

Таким образом, с углублением в стратисферу подземные воды обогащаются органическим веществом, которое становится все более метаморфизованным и устойчивым к воздействию различных природных факторов.

Окислительно-восстановительная зональность (ОВЗ)

Изменение окислительно-восстановительных состояний подземных вод тесно связано с вариацией их кислотно-щелочных свойств. Особое влияние на формирование ОВЗ имеет скорость движения подземных вод – чем ниже скорость движения, т.е. чем больше степень взаимодействия с породами и чем больше степень отвлечения кислорода на окислительные реакции, тем больше вероятность снижения ЕН подземных вод.

Выделяют горизонтальную и вертикальную виды ОВЗ. Пластовая или горизонтальная зональность выражается следующим рядом: кислородные воды (Eh более 200 мВ) → бескислородные и бессульфидные воды (Eh 200–100мВ) → сульфидные воды (Eh менее 100мВ, а чаще всего 0 мВ). Смена действия этих систем обычно определяется уменьшение скорости фильтрации.

Для образования сульфидных вод необходимо:

–предварительное снижение окислительно-восстановительного потенциала до 100мВ вследствие деятельности других потенциалзадающих систем, например кислорода и железа;

–существование источника сульфатов в подземных водах и породах;

–обеспеченность процесса сульфат-редукции соответствующими и достаточными массами органических веществ в породах и подземных водах.

Вертикальная окислительно-восстановительная зональность выражается в закономерном изменении значений Eh подземных вод с глубиной их формирования. Она проявляется как в грунтовых водах, так и пластовых. Грунтовые воды далеко не всегда характеризуются высокими значениями Eh, в них обнаруживаются даже отрицательные значения. Наиболее ярко ОВЗ проявляется в пластовых водах.

Седиментогенные хлоридные рассолы

Приложение теории массопереноса к познанию формирования химического состава рассолов седиментационных бассейнов, позволяет установить и подтвердить, что имеются два основных источника массы химических элементов для этих рассолов:

–седиментационные воды морских осадков или солеродных бассейнов

–твердая фаза, с которой взаимодействуют седиментационные и инфильтрационные воды и рассолы. Это связано с тем, что гетерогенная система твердая фаза–жидкая фаза осадков термодинамически неравновесна.

Первичная основа формирования хлоридных рассолов – испарительное концентрирование морской воды в солеродных бассейнах. В дальнейшем сформировавшиеся таким образом рассолы захороняются вместе с вмещающими осадочными породами и подвергаются геохимической метаморфизации в этих породах в ходе дальнейшей геологической эволюции структур. В данном случае происхождение самого растворителя и многих компонентов этих рассолов обязано тем же процессам концентрирования морской воды, которые привели к формированию галогенных формаций

Поэтому седиментогенные рассолы имеют тот же возраст, что и сами галогенные формации и сингенетичны по этому по отношению к этим формациям. Для понимания процессов формирования таких седиментогенных рассолов обратимся к современному понятию такого явления, как галогенез. По определению М.Г. Валяшко: «Галогенез – это процесс формирования концентрированных рассолов и разнообразных солей на поверхности земли в открытых бассейнах путем постепенного сгущения при испарении». Галогенез имеет большое значение для образования как твердых соединений, так и высококонцентрированных рассолов. Таким образом, седиментогенные рассолы, в отличие от инфильтрогенных являются результатом геохимического концентрирования вещества.

Геохимические особенности испарительного концентрирования морской воды

(см. рис. в презентации)

Геохимические преобразования первичных рассолов в ходе их последующей геохимической эволюции

(см. рис. в презентации)

Из классических представлений о процессах формирования хлоридных седиментационных рассолов можно сделать следующие выводы

–высокие концентрации основной массы компонентов химического состава седиментогенных рассолов являются результатом концентрирования морской воды вследствие испарения в солеродных бассейнах, а микрокомпоненты накапливаются в результате межфазовых процессов массопередачи в системе порода–рассол

–особенности формирования седиментогенных рассолов определяют формирование в них характерных геохимических соотношений, которые являются генетическими признаками этих рассолов – Бром-хлорное отношение и т.д. (см. рис. в презентации).

–высокие концентрации многих рудных элементов, позволяют рассматривать эти рассолы в качестве вероятных источников рудного вещества при формировании стратиформных рудных месторождений полиметаллических

Итак, распределение растворенных веществ в напорных водах бассейнов пластового типа преломляется через:

–генетические особенности вод

–вещественный состав пород

–степень подвижности подземных вод

–термодинамическую обстановку.

Состав захороняющихся вод определяется стадией и условиями формирования на поверхности земли. Поэтому состав вод геологического круговорота различен.

При захоронении вод основным источником растворенных веществ становятся породы. При этом выделятся литологические фации:

–низкой солености – пресноводные песчано-глинистые отложения (в резервуарах сложенных пресноводными фациями минерализация не превышает 10–35 г/л)

–нормальной солености – морские карбонатные (100–120 г/л)

–высокой солености – соленосные (гипс–200–250 г/л, каменной соли –320 г/л, калийных солей – 500–700г/Л).

ВОПРОСЫ ПРИКЛАДНОЙ ГИДРОГЕОХИМИИ [Вопросы геохимии подземных вод, используемых для хозяйственно–питьевого назначения, в качестве промышленных, минеральных, термальных. Гидрогеохимические исследования при поисках полезных ископаемых. Гидрогеохимические вопросы охраны окружающей среды]

Подземные воды — самый ценный вид полезных ископаемых. Они применяются для питья, для разнообразных хозяйственных целей, они используются в качестве лечебного и профилактического средства в медицине, из подземных вод извлекают ряд промышленно полезных химических элементов. Термальные подземные воды являются носителем энергии. Кроме того, химический состав подземных вод служит важным индикатором при поисках различных полезных ископаемых и является важнейшим показателем загрязнения окружающей среды. Весь комплекс вопросов, связанных с использованием самих подземных вод и информации об их составе для решения практических задач, входит в круг проблем прикладной гидрогеохимии, которые мы кратко рассмотрим в настоящей лекции.

Вопросы геохимии подземных вод, используемых для хозяйственно–питьевого назначения. Несомненно, из всей большой сферы вопросов практического использования подземных вод, вопрос номер один — питьевое водоснабжение. Этот вопрос имеет два аспекта. Первый — обеспечение необходимых объёмов воды. Этот аспект рассматривается в общей гидрогеологии и подземной гидродинамике, и мы его касаться не будем. Второй аспект — качество воды и слежение за ним — задача гидрогеохимии.

Степень использования подземных вод для питьевого водоснабжения быстро и неуклонно растёт. В весьма существенной степени питьевое водоснабжение в нашей республики основано на использовании подземных вод. В Беларуси в настоящее время используются для питьевого водоснабжения воды четвертичных, меловых, девонских и верхнепротерозойских отложений. Здесь нельзя не сказать и о совершенно недопустимых фактах, связанных с использованием пресных подземных вод. В ряде мест, например, в Минске, большие объёмы высококачественных подземных вод используются в хозяйственных целях, в то время как в определенные периоды населению некоторых районов подаётся вода из Вилейско–Свислочской системы.

Вообще же подземные воды, используемые для централизованного водоснабжения, чрезвычайно разнообразны по минерализации и химическому составу. Как правило, используются воды с минерализацией до 1 г/л и по согласованию с санитарными органами до 1,5 г/л; однако при смешении с поверхностными водами и при разбавлении дистиллятом используются подземные воды даже с минерализацией от 1–3 до 5–8 г/л.

Основные ресурсы подземных питьевых вод сосредоточены в водоносных горизонтах, залегающих на глубинах до 300 м, как исключение — до 700 м.

В настоящее время в пресных подземных водах обнаруживается около 80 химических элементов. Однако ГОСТ, используемый для оценки качества питьевых подземных вод нормирует сравнительно небольшое число компонентов (23). Назовём предельно допустимые концентрации (ПДК) для некоторых компонентов: Сl — 350 мг/л, SO₄ — 500 мг/л, Σ Fe — 0,3 мг/л, нитраты — 10 мг/л, Be — 0,0002 мг/л.

Влияние химического состава питьевых вод на организм человека сложное. Так, ГОСТ определяет максимально допустимую минерализацию питьевых вод величиной в 1 г/л. Но очень малая минерализация (до 100 мг/л) также ухудшает качество воды, а лишённая солей вода вообще считается вредной, так как понижает осмотическое давление внутри клеток.

Фтор попадает в организм человека главным образом с водой. Недостаток фтора в воде является причиной одного из самых распространённых заболеваний — кариеса зубов, избыток фтора вызывает флюороз.

Намечается связь между жёсткостью воды, т.е. концентрацией в ней соединений кальция и магния, и смертностью от некоторых заболеваний сердечно–сосудистой системы. Поэтому ГОСТом нормируется и жёсткость питьевой воды.

Число элементов, нормируемых стандартом питьевых вод, в дальнейшем будет возрастать. Это будет связано с развитием биохимии, развитием аналитических методов определения элементов в водах и продолжающимся загрязнением подземных вод в результате деятельности человека. Причём ограничения по применению вод для питьевых целей будут касаться, главным образом, микрокомпонентов. Дело в том, что в процессе биологической эволюции организм человека приспособился к значительным вариациям макрокомпонентного состава питьевых вод, но не был приспособлен к возрастанию в них концентраций многих микроэлементов. Поэтому человек болезненно реагирует на возрастание концентраций микрокомпонентов возникновением эндемических заболеваний.

Среди нормируемых ГОСТом компонентов химического состава питьевых вод выделяются две группы. Первая включает элементы, предельно допустимая концентрация которых всегда намного больше их фоновых естественных концентраций в пресных и маломинерализованных водах. Это медь, молибден, свинец, цинк. Превышение допустимых концентраций этих элементов в питьевых водах, как правило, связано с процессами искусственного загрязнения. Поэтому попадания этих элементов в воду, хотя и трудно, но можно избежать, ликвидируя источник загрязнения.

Вторую группу образуют элементы, ПДК которых близки к их фоновым концентрациям в маломинерализованных водах. Это Fе, F, Ве, Se, Sr, Мn. Другими словами, превышение ПДК по этим элементам может осуществляться вследствие естественных процессов. Для территории Беларуси таким, одним из наиболее вредных, элементов является железо, содержание которого очень часто в пресных водах значительно выше ПДК. Для удаления железа применяется аэрирование воды — принудительное окисление железа кислородом с целью осаждения окисного железа.

Мы сейчас говорили о питьевых водах. Определённые требования предъявляются и к воде для технологических целей. Используемая в области производства вода имеет различное назначение. В пищевой и бродильной промышленности она является своего рода сырьём, к которому предъявляются определенные требования. В сахарном производстве необходимо, чтобы вода имела минимальную минерализацию, в пивоваренном — требуется отсутствие CaSO₄, в винокуренном — нежелательно присутствие СаСl₂ и МgСl₂.

В воде, используемой в фотопромышленности, текстильной и бумажной промышленности, нормируется присутствие железа, марганца, кремневой кислоты и, особенно, радиоактивных веществ. Наиболее высокие требования предъявляются к химическому составу воды, идущей для питания паровых котлов. В этом случае, вредна, в первую очередь, жёсткость.

Важным мероприятием, которое проводится на месторождениях питьевых и технических подземных вод, являются наблюдения за изменением состава вод с точки зрения его соответствия назначению. Химический состав подземных вод ряда районов интенсивного водоотбора уже давно не соответствует тому, что был установлен при разведочных работах и при оценке эксплуатационных запасов. Причин этому много. Это промышленное загрязнение, перетекание вод из других горизонтов, вызванное неправильным режимом водоотбора и др.

Вопросы геохимии промышленных вод. Промышленными называются природные воды (подземные и поверхностные), содержащие такие концентрации элементов, которые обеспечивают в конкретным гидрогеологических условиях на данном уровне развития технологии экономически целесообразную их добычу и переработку.

История использования подземных вод для промышленного извлечения полезных компонентов начинается с солеварения, которое производилось в России уже в 15–16 веках. В дальнейшем природные (в том числе подземные) воды становятся промышленным сырьём для получения ценных и редких компонентов. Эта тенденция продолжается и в настоящее время. Совсем недавно 97 % перспективных запасов лития капиталистических стран приходилось на гранитные пегматиты. Сейчас же 55 % мировых запасом лития сосредоточено в природных водах. В США 85 % всего лития добывается из подземный рассолов так называемых сухих озёр Сёрлз, Сильвер–Пик и Большого Солёного. В СНГ из подземных вод в промышленных масштабах извлекают в настоящее время только бром и иод (Туркмения, Крым). Однако изученность подземных вод позволяет надеяться на расширение как ассортимента добываемых из подземных вод элементов, так и районов добычи.

Специализированные исследования распределения химических элементов в подземных водах показали, что среди всего многообразия этих вод имеется только несколько их геохимических типов, которые могут представлять интерес в качестве промышленных. Такими подземными водами являются: а) пластовые рассолы артезианских бассейнов платформ, краевых прогибом и межгорных впадин; б) трещинно–жильные и пластовые углекислые воды горно–складчатых областей, особенно в районах позднечетвертичного и современного магматизма; в) парогидротермы районов современного магматизма.

Наибольший интерес для нас представляет первый из названных типов промышленных вод — рассолы. Такие рассолы приурочены к геологическим структурам, содержащим галогенные формации. В генетическом отношении эти рассолы представляют собой метаморфизованные (т.е. преобразованные при взаимодействии с породами) маточные (седиментационные) рассолы солеродных бассейнов. Промышленные рассолы известны в ряде бассейнов: в Ангаро–Ленском, Волго–Уральском, ряде бассейнов Западной Европы, бассейне Мичиган (США), в Припятском прогибе в Беларуси. Промышленные рассолы приурочены к подсолевым, межсолевым и внутрисолевым отложениям. Здесь уместно сказать, что в бассейнах с эвапоритами (солями) рассолы обычно присутствуют и в надсолевом осадочном комплексе. Однако, эти рассолы другого генетического типа; сформировались они в результате выщелачивания верхних частей соленосных толщ (они так и называются “рассолы выщелачивания”) и содержат очень мало редких элементов. Рассолы выщелачивания характеризуются высокими отношениями Cl/Br (> 200–1000) и r Na/r Cl (> 0,9) (r — означает эквивалентную форму выражения концентрации).

Маточные (или седиментационные) рассолы характеризуются очень низкими отношениями Cl/Br (до 30–50) и r Na/r Cl (до 0,01 и менее). С помощью этих коэффициентов гидрогеохимики различают рассолы разного происхождения.

Итак, промышленные рассолы подсолевых, межсолевых и внутрисолевых отложений имеют максимальную для подземных вод минерализацию (до 640 г/л) и содержат наиболее высокие из известных в настоящее время концентраций рубидия (960 мг/л), цезия (25 мг/л), бора (23 г/л), стронция (10 г/л), брома (17 г/л), калия (60 г/л), магния (110 г/л), кальция (205 г/л). Главная причина формирования высоких содержаний редких элементов в такого рода рассолах — испарительное концентрирование морской воды ещё на поверхности при образовании солевых отложений и накопление этих элементов преимущественно в жидкой фазе.

Велики запасы таких промышленных рассолов у нас в Припятском бассейне. Общая масса химических элементов в белорусских подземных рассолах оценена нами такими цифрами: иод — 40 млн т, бор — 100 млн т, стронций — 3,4 млрд т, бром — 6,5 млрд т. Проблемой, препятствующей использованию рассолов Припятского прогиба, является низкая технологичность рассолов, вследствие значительной минерализации и высоких концентраций мешающих компонентов (Na, Ca и др.). Говоря другими словами, сейчас отсутствует приемлемая технология комплексного использования вещества рассолов, которая, к тому же, предполагала бы безопасную утилизацию отходов производства. В отсутствие технологии разделения рассолов на отдельные полезные продукты ищется и находится применение белорусским рассолам в целом, практически без какой–бы то ни было переработки. Так, их можно при определённом разбавлении использовать для компрессов и ванн при радикулитах, остеохондрозах и т.п., как аналог широко распространённого средства — бишофита; их можно использовать для приготовления негорючих строительных блоков; для подкормки сельскохозяйственных культур. Наконец, начинают пытаться применить рассолы как средство, блокирующее влияние радионуклидов на организм культурных растений и домашних животных, а значит и человека. Главными загрязнителями территории Беларуси после аварии на Чернобыльской АЭС оказались радиоактивные изотопы стронция и цезия, т.е. как раз тех элементов, которых много в рассолах. Если рассолы добавлять в пищу скоту или в почву, на которой произрастают растения, то потребность организмов в стронции и цезии будет удовлетворяться, главным образом, за счет нерадиоактивных изотопов из подземных рассолов. (Помните, как в первые дни после аварии, когда ещё не распался радиоактивный иод, Минздрав рекомендовал принимать раствор иода).

Второй тип промышленных подземных вод — углекислые воды с минерализацией 5–35 г/л и высокими концентрациями лития, рубидия, цезия, бора, мышьяка, сурьмы, германия — установлен в районах альпийской складчатости (Кавказ, Камчатка, Италия, Япония и др.). Положительный фактор для использования вод этого типа — их небольшая минерализация, отрицательный — небольшие эксплуатационные запасы и небольшие дебиты скважин.

Третий тип промышленных подземных вод — парогидротермы (перегретые воды) районов современного вулканизма. Далеко не все парогидротермы содержат высокие концентрации редких элементов, а только те из них, которые ассоциируют с породами (например, галогенными), являющимися мощным источником таких элементов. Такое сочетание имеет место в Италии, где установлены бороносные парогидротермы Тосканы. Эти парогидротермы, имеющие температуру 100–240 °С и содержащие сотни мг/кг бора, используются для извлечения этого элемента после использования вод в геотермальных станциях.

Сказав о парогидротермам, мы по существу перешли к вопросу о геохимии термальных вод. Наполним, что термальными называются подземные воды с температурой выше 35 °С. Различаются термальные воды (абсолютное преобладание жидкой фазы), парогидротермы (паро–водяная смесь) и горячие пары воды.

Значение геохимических исследований термальных вод, используемых для теплоэнергетических целей (а таким образом эти воды активно используются в США, Мексике, Исландии, Новой Зеландии), состоит в том, что при разведке месторождения и подготовке его к эксплуатации кроме температуры и дебита скважин изучают также химический и газовый состав вод, чтобы избежать выпадения осадка а эксплуатационном оборудовании, учесть возможную агрессивность вод, спланировать режим эксплуатации месторождения и условия сброса отработанных вод. Значение геохимических исследований термальных вод состоит также и в том, что эти воды часто содержат повышенные или высокие концентрации ценных, в том числе биологически активных компонентов, имеющим промышленное или лечебное значение. Во многих случаях целесообразно использовать термальные воды одовременно для теплофикации, лечебных целей и извлечения химических элементов. Кстати говоря, теплоэнергетика в странах СНГ оказывается не главной областью применения термальных вод. Эти воды здесь для энергетики используются пока недостаточно. Можно назвать Камчатку, где работает Паужетская геотермальная электростанция, где термы Паратунской гидротермальной системы используются для обогрева теплиц, детских лагерей и санатория; можно назвать Тбилиси, Махачкалу, Баку, Грозный, Майкоп, где используется подземное тепло.

Термальные воды по составу исключительно разнообразны и приурочены как к складчатым областям, так и к платформам. В складчатых областях они тяготеют к районам интенсивного проявления кайнозойского вулканизма и новейших тектонических движений, где наблюдаются многочисленные выходы термальных вод на поверхность земли, связанные с зонами крупных тектонических разломов, а особенно с узлами их пересечения.

Большие ресурсы термальных вод сосредоточены и в пределах платформ, в том числе древних. Здесь значительное место среди термальных вод принадлежит хлоридным натриевым и кальциевым рассолам, залегающим в нижней части чехла. Большая масса термальных рассолов сосредоточена и в Припятском прогибе. Их температура здесь обычно 40–70 °С. Максимальные же температуры рассолов в Припятском прогибе превышают 100 °С. Когда–то давно поднимался вопрос об изучении возможности использования белорусских рассолов для энергетических целей. Однако, тогда, когда республика получала в достатке дешевые энергоносители из Сибири, использование наших рассолов для энергетики было признано нецелесообразным. С тех пор, насколько мне известно, этот вопрос не поднимался и не изучался.

Вопросы геохимии минеральных вод. Минеральными водами называются воды, которые в силу особенностей своего состава оказывают лечебное или профилактическое воздействие на организм человека. Уже само определение говорит о том, что минеральные воды — предмет гидрогеохимических исследований, главная цель которых познание состава, условий распределения и механизма формирования.

Минеральные воды могут использоваться для питья и ванн. В соответствии с ГОСТом к минеральным питьевым водам относят воды с минерализацией не менее 2 г/л или содержащие биологически активные микрокомпоненты в количестве не ниже бальнеологических норм, принятых для питьевым минеральных вод.

Состав минеральный вод очень разнообразен. По классификации В.В. Иванова и Г.А. Невраева выделяются 97 типов минеральных вод и 8 основных бальнеологических групп вод: 1 — без специфических компонентов и свойств, 2 — углекислые, 3 — сульфид­ные (сероводородные), 4 — железистые, мышьяковистые и с высоким содержанием марганца, меди, алюминия и др. элементов, 5 — бромистые, иодистые, 6 — с высоким содержанием органических веществ, 7 — радоновые, 8 — кремнистые термы.

Минеральные воды без специфических компонентов и свойств оказывают бальнеологическое действие на организм человека за счёт общего солевого состава и минерализации. Газовый состав их в основном азотный и метановый. Минеральные воды этой группы наиболее распространены, в том числе в Беларуси и в том числе на территории её юго–восточной части, где мы сейчас находимся и минеральные воды которой описаны в книге А.В. Кудельского и Г.А. Сербина.

Вот некоторые примеры. Хлоридно–гидрокарбрнатные и гидрокарбонатно–хлоридные натриевые воды небольшой минерализации (2–6 г/л) приурочены к триасовым, пермским, карбоновым и девонским отложениям западной части Припятского бассейна. Они являются аналогами вод российского курорта “Обухово”, где они применяются при лечении заболеваний желудка, печени и желчевыводящих путей.

Хлоридно–сульфатные смешанного катионного состава воды с минерализацией до 5 г/л распространены в девонских отложениях северо–западной части Припятского прогиба, применяются в санатории–профилактории Белорусского калийного комбината в Солигорске для лечения заболеваний желудка, печени и желчного пузыря.

Сульфатно–хлоридные натриевые воды с минерализацией до 5 г/л получены из пород триаса и перми в районе г. Гомеля. Эти воды являются аналогами широко известных феодосийских и липецких минеральных вод. Используются в санатории–профилактории Гомельского отделения Белорусской железной дороги для лечения желудка, печени, желчного пузыря и поджелудочной железы. Такого же типа минеральная вода используется на курорте Нарочь.

Белорусские минеральные воды без специфических компонентов и свойств используются также для розлива в бутылки: Минские, Гомельская, Речицкая и др.

Углекислые воды. Это наиболее ценные воды, широко распространённые на Кавказе (Боржоми, Нарзан и др.) и, к сожалению, отсутствующие в Беларуси. Лечебный эффект определяется, главным образом, высокой концентрацией СO₂. Минерализация изменяется от долей до 90 г/л.

Cульфидные (сероводородные) воды характеризуются содержанием сероводорода не менее 10 мг/л и большим разнообразием состава и минерализации. Среди них встречены гидрокарбонатные (мшанецкий тип), сульфатные (сергиевский тип) и хлоридные (мацестинский тип). Эти воды применяются преимущественно для ванн. Известны проявления сероводородных хлоридных натриевых рассолов в соленосных отложениях южной части Припятского прогиба близ Ельска. Эти рассолы пока не используются, хотя они являются аналогами сульфидных рассолов курорта Усть–Качка Пермской области, широко применяемых в лечебных целях.

Говоря о железистых, мышьяковистых водах и водах с высоким содержанием Mn, Al, Cu и других элементов, остановимся на железистых водах, которые обнаружены в зоне сочленения Микашевичско–Житковичского выступа и Припятского прогиба. Эти воды залегают в песчаных отложениях верхнего протерозоя, являются хлоридными магниево–кальциево–натриевыми с минерализацией 4,5 г/л и содержанием двухвалентного железа до 90 мг/л. Эти воды близки издавна известным Марциальным водам (Карелия), которые используются для лечения железодефицитных анемий.

Что касается бромистых и иодистых вод, то мы в лекциях уже неоднократно говорили о иодо–бромных рассолах Припятского прогиба. Эти рассолы имеют весьма высокую минерализацию (320–450 г/л), они могут использоваться для ванн с предварительным разбавлением до минерализации 20–30 г/л и применяться для лечения заболеваний опорно–двигательного аппарата, сердечно–сосудистых и функциональных растройств нервной системы.

Минеральные воды с высоким содержанием органических веществ. Типичным примером являются давно известные воды Трускавца в Предкарпатье (тип Нафтуся). Основной бальнеологический эффект связан с действием органических веществ преимущественно нефтяного происхождения. Минерализация этих вод весьма различна. Даже в пределах одного курорта Трускавца встречаются пресные, солёные и рассольные минеральные воды с высоким содержанием органических вещаете (0,02–0,03 г/л).

Радоновые воды — минеральные воды, содержащие радона более 185 Бк/л (беккерель/л). Эти воды разные по составу: пресные и солоноватые, гидрокарбонатные и сульфатные, и сложного состава, содержащие кроме радона другие биологически активные компоненты. Широко известны радоновые воды Пятигорска и Цхалтубо на Кавказе. Имеются такие воды и в Беларуси. Обнаружены они в Гродненской области и связаны с породами кристаллического фундамента.

И, наконец, кремнистые термы — воды с температурой более 35 °С, содержащие не менее 50 мг/л H₂SiO₃. Часто эти воды содержат повышенные концентрации и других лечебных компонентов. Выделяют азотные, азотно–метановые, метановые и углекислые кремнистые термы. Много разновидностей этих вод встречено на Северном Кавказе, в Тянь–Шане, на Камчатке. Солевой состав этих вод разноображен, минерализация до 10–15 г/л.

Гидрогеохимические исследования интенсивно применяются при поисках полезных ископаемых. Существует целый специальный раздел гидрогеохимии — гидрогеохимический метод поисков полезных ископаемых. Этот метод используется при поискам рудных месторождений, месторождений солей, нефтяных месторождений. Метод базируется на том, что вещество каждого месторождения термодинамически устойчиво только в той геохимической обстановке, в которой оно было сформировано. Но большинство полезных ископаемых, которые мы ищем, находятся в других условиях, нежели те, где они образовались. Например, залежь соли, находящаяся на глубине 500 м, образовалась когда–то на поверхности в бассейне галогенеза; залежь сульфидных руд находится сейчас близ поверхности, где пластовая температура 20 °С, а сформировалась в ходе магматического процесса при температуре 800 °С и т.п. Поэтому вещество полезного ископаемого оказывается не в равновесии со средой, где оно находится. А главным компонентом этой среды является подземная вода. Полезное ископаемое разрушается, его вещество рассеивается, при этом вода обогащается специфическими компонентами. Образуется гидрогеохимический или водный ореол рассеяния. Водные ореолы рассеяния выделяются на фоне вод, не подверженных влиянию залежи полезного ископаемого. Эти воды называются фоновыми, а их химический состав фоновым. Водные ореолы рассеяния вытянуты по направлению движения вод. По их форме и распределению специфических компонентов в водах можно прогнозировать местоположение залежи.

При взаимодействии подземных вод с неглубокозалегающими сульфидными залежами происходит окисление сульфидов и образование сульфатов. Воды ореола рассеяния оказываются обогащёнными сульфатами соответствующих металлов и приобретают кислую реакцию. Степень проявления водных ореолов зависит от интенсивности нейтрализации кислых сульфатных вод вмещающими породами. Нейтрализация особенно сильно протекает, когда породы карбонатные.

Основными процессами, приводящими к водному рассеянию вещества несульфидных месторождений (каменная и калийная соль, флюорит, бораты, редкометальные пегматиты, месторождения урана, вольфрама и др. элементов в кристаллических породах), являются растворение и выщелачивание, в том числе углекислотное, гидратация, гидролиз, ионный обмен.

Качественные признаки водных ореолов несульфидных месторождений чрезвычайно разнообразны. Они изменяются от максимального увеличения хлоридности и общей минерализации подземных вод в районах каменных и калийных солей до минимального увеличения концентраций отдельных редких элементов в ореольных водах месторождений редкометальных пегматитов.

В комплекс исследований, предполагаемых гидрогеохимическим методом поиска полезных ископаемых, входит большой круг задач, которые решаются на различных стадиях геолого–поисковых работ. Эти задачи сводятся к поиску и детальному изучению водных ореолов, оконтуриванию рудных узлов, полей и зон.

При нефтепоисковых и нефтеразведочных работах также широко применяется гидрогеохимический метод. Суть его сводится к нахождению гидрогеохимических критериев нефтегазоносности. Как и в случае с твёрдыми полезными ископаемыми основанием для изучения подземных вод с целью выявления нефтяной залежи служит то, что нефть, контактируя с водой, изменяет её состав. В подземных водах, находящихся в зоне влияния нефтяных залежей, по сравнению с фоновыми водами отмечаются повышенная газонасыщённость, более высокое содержание отдельных компонентов, органического вещества, пониженная концентрация сульфатов, которые восстанавливаются под действием углеводородов, повышенная концентрация аммония — продукта окисления нефти, отмечается обогащённость некоторыми металлами. Применяется информация и о других компонентах подземных вод для выработки критериев нефтегазоносности. В такого рода работах часто предлагаются комплексные критерии, представляющие собой произведение или отношение концентраций отдельных компонентов (например, NН₄/SО₄), что усиливает контрастность показателей нефтеносности. Используется сложный математический аппарат, например, дискриминантный анализ, когда по множеству показателей создаётся как бы портрет уже известного месторождения и потом он “примеряется” к площадям, для которых делается прогноз нефтеносности. Вообще же установление гидрогеохимических критериев нефтеносности — это отдельная и большая задача для каждого нефтегазоносного бассейна. Это связано с большим разнообразием как условий залегания и формирования нефти, так и гидрогеологических и гидрогеохимических условий в разных бассейнах.

Гидрогеохимические вопросы охраны окружающей среды. Интенсивное развитие промышленности во многих странах мира, которое наблюдается в последние десятилетия, укрупнение городов, интенсификация сельского хозяйства и его химизация — всё это привело и приводит к значительному загрязнению окружающей среды. Подземные воды — один из важнейших элементов окружающей среды и объект, наиболее чутко реагирующий на техногенное воздействие. Поэтому гидрогеохимические исследования имеют очень большое значение в деле охраны окружающей среды от загрязнения.

Главным источником поступления в подземные воды токсических веществ являются сточные воды промышленных предприятий. Наибольшее количество загрязняющих воду компонентов (тяжёлые металлы, opганическое вещество и т.д.) поступает со сточными водами предприятий нефтеперерабатывающей, химической, целюлозно–бумажной, металлургической, текстильной промышленности.

Интенсификация сельского хозяйства, использование химических удобрений, сооружение крупных животноводческих комплексов приводит к появлению в подземных водах химикалиев, в том числе пестицидов, содержащих соли тяжёлых металлов, нитратов, фосфора, сульфатов и т.д.

Существенным источником загрязнения подземных вод являются коммунально–бытовые сточные воды.

Специфическим видом загрязнения является радиоактивное, изучение кoтоpoгo по известным причинам интенсивно ведётся в Беларуси.

Приведём некоторые отдельные примеры, характеризующие техногенную загрязнённость пресных подземных вод Беларуси, в том числе района г. Гомеля, по данным лаборатории гидрогеологии Института геологических наук Национальной академии наук Беларуси. Следует отметить, что промышленное и коммунально–бытовое загрязнение отличается сильным изменением качества вод, но имеет относительно локальный характер. Сельскохозяйственное же загрязнение отличается меньшей интенсивностью, но охватывает огромные площади сельхозугодий и является региональным. Иcключитeльно сильными источниками загрязнения подземных вод первых от поверхности водоносных горизонтов являются отвалы фосфогипса на химзаводе г. Гомеля, шламонакопители и поля фильтрации ПО “Азот” г. Гродно. Минерализация этих вод превышает 3 г/л, содержание сульфатов 1,7 г/л (ПДК — 500 мг/л), нитратов — 182 мг/л (ПДК — 10 мг/л), аммиака — 60 мг/л. Наиболее интенсивное загрязнение пресных подземных вод наблюдается в Солигорском промрайоне. Минерализация грунтовых вод, подверженных хлоридно–натриевому засолению, достигает здесь в некоторых случаях 200 г/л. Происходит существенное ухудшение качества воды на водозаборах. В районе водозабора “Озерщина” (г. Речица) грунтовые воды загрязнены нефтепродуктами, содержание которыx достигает 0,7 мг/л (ПДК — 0,3 мг/л).

В сельскохозяйственных районах республики основными загрязняющими компонентами являются азотистые соединения, хлориды, сульфаты. В настоящее время около 70 % колодцев имеют воду с содержанием нитратов выше ПДК. Между тем, именно на использовании грунтовых вод (т.е. вод колодцев) базируется практически всё питьевое водоснабжение сельского населения. Потенциально опасным источником загрязнения подземных вод являются pадиоактивные выбросы от аварии на Чернобыльской АЭС. Существенного влияния поверхностного paдиоaктивнoгo загрязнения на качество подземных вод пока не установлено. Однако в грунтовых водах и на некоторых прирусловых и инфильтрационных водозаборах (водозабор “Сож”, г. Гомель) отмечается тенденция к росту содержания в подземных водах стронция–90.

В Беларуси, как и во многих других странах, существуют государственные подразделения, занимающиеся вопросами оценки и прогноза загрязнения подземных вод и других объектов среды жизнеобитания человека, проводящие экспертизы различных проектов, связанных с вмешательством человека в природную среду. Задачей первостепенной важности является создание единой и постоянно действующей системы экологического мониторинга, т.е. слежения за состоянием окружающей среды. Одно из важнейших мест в этой системе бу-дет принадлежать гидрогеохимическим исследованиям.

Говоря о роли гидрогеохимии в охране окpyжающей среды, мы сделали акцент на контроль за химическим составом подземных вод при их загрязнении различными видами отходов. Это область, где контроль за экологическим состоянием подземных вод необходим, но сам по себе он положение дел с загрязнением вод существенно не исправит. Кардинальной стратегичeскoй задачей в области охраны окружающей сpеды является переход промышленности и сельского хозяйства на экологически безопасныe технологии. Другими словами, если не будет источников загрязнения, то не нужен будет и контроль за загрязнением.

Вместе с тем, изменение состава подземных вод, имеющие вредные экологические последствия, могут возникать в условиях вмешательства человека в природу, не связанного с внесением загрязняющих веществ, например, при сооружении горных выработок, мелиоративных работах и т.д. Во всех таких случаях нарушается равновесие в природной системе: изменяется режим движения подземных вод, активизируются окислительные процессы, что может приводить к нежелательному засолению подземных вод, возрастанию их агрессивности по отношению к карстующимся породам и т.д. Поэтому и в этих случаях гидрогеохимические исследования необходимы.

 ПРИНЦИПЫ СОСТАВЛЕНИЯ ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИХ КАРТ И ПРОФИЛЕЙ [Обзор существующих гидрогеологических карт. Общие принципы составления гидрогеохимических карт. Виды карт: общая гидрогеохимическая, поисковые карты качества]

Правильные гидрогеохимические выводы могут быть сделаны лишь в том случае, если собранные фактические данные будут тщательно систематизированы и обработаны. Одним из важнейших приёмов систематизации гидрогеохимических материалов является графический. Это гидрогеохимические карты, профили и разрезы.

Гидрогеохимические карты являются частным случаем гидрогеологических карт. На гидрогеологических картах отображаются подземные водоносные системы, комплексы, горизонты. Содержание гидрогеологического картографирования определяется его масштабом. В зависимости от масштаба топографической и геологической основы, на которой строится гидрогеологическая карта, различают следующие виды гидрогеологических карт: 1) обзор­ные (мельче 1 : 1 000 000), 2) мелкомасштабные (1 : 1 000 000 – 1 : 500 000), 3) среднемасштабные (1 : 200 000 – 1 : 100 000), 4) крупномасштабные (1 : 50 000 – 1 : 25 000) и 5) детальные (1 : 25 000 и крупнее). По целевому назначению гидрогеологическое картирование может быть общим, отраслевым или частным.

В качестве основных и обязательных элементов, отображаемых на общей гидрогеологической карте, принято считать водоносные и водоупорные толщи, водопроницаемость и водообильность пород, положение уровней и направление движения подземных вод, степень их минерализации и состав, водопункты (источники, скважины). Такая карта даёт комплексную количественно–качественную характеристику подземных водоносных систем.

Частные карты отображают лишь некоторые гидрогеологические параметры. К таким картам можно отнести динамические, показывающие напоры, давления и направление движения подземных вод; гидрогеотермические, показывающие распределение температур подземных вод; гидрогеохимические, которые мы рассмотрим ниже; гидрогеологические карты отдельных водоносных горизонтов.

Когда частная гидрогеологическая карта преследует вполне определённую практическую цель, она становится отраслевой. Таковы, например, карты основных горизонтов подземных вод, пригодных для питьевого водоснабжения.

При гидрогеологических исследованиях составляются карты самого различного масштаба и целевой направленности. Однако их основой всегда являются обзорные гидрогеологические карты общего назначения. На них в качестве главного элемента картирования, который наносится цветным фоном, обычно показывается площадь распространения первых от поверхности водоносных горизонтов и водоупоров.

Перейдём к собственно гидрогеохимическим картам. Они преследуют цель, показать графическими средствами закономерности распространения подземных вод различного состава и происхождения, а также характер гидрогеохимических процессов. Поскольку эти процессы по–разному протекают в различных водоносных системах (комплексах, горизонтах, зонах), то на гидрогеохимических картах обычно показывают соответствующую информацию в рамках определённых водоносных систем. Карты, на которых показан химический состав подземных вод или закономерности распространения какого-либо из компонентов их солевого состава. Гидрохимические карты являются важным элементом выявления загрязнения подземных вод.

Общая гидрогеохимическая карта должна, прежде всего, дать ясное представление: 1) об условиях залегания подземных вод, что показывается изогипсами кровли и подошвы основных водоносных комплексов; 2) о направлении движения подземных вод, что показывается гидроизогипсами, гидроизопьезами и стрелками; 3) о распространении подземных вод различного химического состава (минерализации и типа вод), что показывается цветом и штриховкой. Пресные гидрокарбонатные воды принято показывать голубым цветом, сульфатные — жёлтым, хлоридные — красным. Чем выше общая минерализация, тем темнее тон.

Так как всю необходимую гидрогеохимическую информацию часто трудно показать на одной общей карте, применяют так называемый метод параллельных карт. Т.е. для одного и того же водоносного комплекса или горизонта строят несколько карт, например, карты минерализации, типов вод, содержания отдельных ионов, соотношения отдельных ионов, газового состава, интенсивности гидрогеохимических процессов (например, выщелачивания горных пород) и т.д.

Широко при гидрогеохимическом картировании используется метод изолиний: линий равной минерализации (изоминеры), равных концентраций каких–либо растворённых компонентов (изоконы).

Нередко построение гидрогеохимических карт требует серьезной подготовительной, в том числе математической, работы с данными химического анализа подземных вод. В частности речь идёт о том, что часто приходится картировать какой–либо гидрогеохимический показатель (минерализацию, концентрацию отдельных ионов) для водоносного комплекса достаточно большой мощности, в разрезе которого величина этого показателя может существенно изменяться. Так происходит при построении гидрогеохимических карт для межсолевых и подсолевых отложений девона Припятского прогиба. Мощность межсолевого комплекса, к примеру, достигает 500 м в нормально осадочных фациях (ни говоря уже о вулканогенно–осадочных, где она значительно больше). В пределах этих 500 м минерализация и состав рассолов существенно меняются. Поэтому приходится искать математические зависимости минерализации и состава от глубины, которые в разных зонах прогиба оказывались разными, и с помощью найденных математических выражений определять величину картируемого показателя для кровли комплекса и картировать его именно для кровли. При этом на построенной карте изображается графическое и математическое выражение зависимости гидрогеохимического показателя от глубины, чтобы можно было по карте определить величину показателя в любой точке объёма комплекса.

Вообще же гидрогеохимические карты очень разнообразны по существу изображаемой информации и масштабу в зависимости от конкретных целей, которые преследуются картографированием. Основной трудностью при составлении гидрогеологических карт является многообразие показателей, которые должны быть отражены на картах. Кроме того, затруднение вызывает и многоэтажность водоносных горизонтов и комплексов. Совершенно Очевидно, что не может быть гидрогеологической карты, соответствующей стандартной геологической карте, которая отображает лишь геологическое строение земной поверхности. Но геология тоже не довольствуется лишь стандартной геологической картой; существуют различные структурные, пластовые, литофациальные и многочисленные другие карты, характеризующие различные аспекты геологического строения района. В гидрогеологии нет точного эквивалента обычной геологической карты, так как, во-первых, подземные воды не имеют сплошного однородного распространения ни непосредственно под поверхностью земли, ни на каком-либо другом уровне, во-вторых, они не имеют такого простого универ­сального признака, как геологический возраст. Совершенно очевидно, что должна составляться серия параллельных карт. Для отображения на картах многоэтажности водоносных горизонтов и комплексов предложен ряд приемов. Так, известен метод «просвечивания», метод карт-срезов на различных отметках). М. Е. Альтовский, М. В. Чуринов и другие исследователи предложили поступать следующим образом. Если каждый нижезалегающий; водоносный горизонт имеет большую площадь развития, площади, на которых распространены одновременно эти водоносные горизонты или комплексы, закрашиваются цветом, присвоенным наиболее молодому из них. Если, наоборот, площадь развития ниже-залегающих горизонтов меньше, чем верхних, на карте соответствующим цветом закрашивается площадь распространения самого верхнего горизонта, а внутри показывается распространение нижних горизонтов цветными контурами со стрелками, направленными внутрь. Однако достаточно полная характеристика водоносных комплексов при значительном числе их в разрезе может быть дана лишь серией (атласом) карт. Иногда можно пользоваться серией параллельных карт на прозрачном мате­риале, накладываемых друт на друга. В гидрогеологии нефтяных и газовых месторождений прочно вошло в практику составление различных гидрогеологических карт для отдельных водоносных горизонтов и ком­плексов. При этом каждый горизонт или комплекс характеризуется серией параллельных частных карт (карта гидроизопьез, различные гидрогеохимические карты — минерализации, газонасыщенности, типов вод, содержания отдельных анионов, соотношения отдельных ионов, газового состава и др.). Широко используется метод изолиний: изопьез, изотерм, изохим, или изокон, — линий равного содержания (концентраций) любых растворенных компонентов: изоминер — линий равной общей минерализации, изохлор — линий равного содержания хлора и т. п. Зоны между определенными изолиниями закрашиваются соответствующими цветами или штриховкой.

Для построения поисковых карт качества подземных вод, показывают поля загрязнения вод разными компонентами и оконтуривают зоны, в пределах которых концентрации компонентов ниже предельно допустимых по ГОСТу. Таким образом, определяют зоны, которые по качеству подземных вод могут рассматриваться как перспективные для водоснабжения.

Существуют карты минеральных вод. Известной картой такого рода является карта провинций минеральных вод СССР, составленная под руководством Н.И. Толстихина. Эта карта не только иллюстрирует закономерности распространения главнейших типов минеральных вод, но и облегчает решение некоторых вопросов поисков месторождений полезных ископаемых.

На некоторых картах изолиниями показывается положение гидрогеохимических зон, например, подошвы пресных вод или кровли рассолов.

Для анализа гидрогеохимических условий больших территорий составляют карты–срезы на различных глубинах (100, 200, 400 м и т.д.).

Строятся всевозможные палеогидрогеохимические карты, на которых даётся информация о распределении минерализации, химических и генетических типов подземных вод в прошлые отрезки геологического времени.

При гидрогеохимических поисках рудных месторождений составляются карты гидрогеохимических ореолов рассеяния соответствующих элементов.

Для многих водоносных комплексов Беларуси построены оригинальные карты степени насыщенности подземных вод по различным минералам (кальциту, доломиту, гипсу, ангидриту, портландиту, галиту и сильвину). Основным картируемым параметром на этих картах является соотношение произведения активностей ионов и произведения растворимости минералов (методику расчёта степени насыщенности вод мы рассматривали в одной из лекций). Эти карты помогают изучить распределение в разрезе и по площади подземных вод разной степени агрессивности по отношению к породам и разной способности высаживать вторичные минералы, что важно для прогнозирования карстовых явлений, для целей подземного строительства, для оценки кольматации пород–коллекторов и предсказания процессов кольматации бурового оборудования, а также для изучения особенностей формирования подземных вод.

В настоящее время в геологическое картографирование стал активно внедряться метод компьютерного построения карт. Это очень прогрессивный метод, который позволяет быстро перепробовать различные варианты построения, что часто бывает нужно в практической работе. Вместе с тем, компьютерные карты требуют “ручной” корректировки геологом, так как в картографических программах трудно учесть многочисленные факторы, влияющие на распределение подземных вод, например, тектонические разломы.

Важными приёмами обработки и подачи гидрогеохимической информации являются кроме карт гидрогеохимические профили и разрезы. Одно из наиболее важных гидрогеохимических построений — гидрогеохимический профильный разрез. Такие разрезы позволяют установить закономерности в распределении подземных вод разного состава по пласту и в вертикальном направлении, выявить аномальные гидрогеохимические участки и установить причины появления последних, что важно для решения практических и теоретических задач. Строятся гидрогеохимические профильные разрезы на структурно–тектонической или литолого–фациальной основе. На разрезах могут показываться или отдельные моменты геохимии подземных вод (катионы, анионы, минерализация, микроэлементный состав и др.), или относительно полные сведения о химическом составе воды, или районирование территории по принципу использования подземных вод в практических целях. В качестве примера гидрогеохимического (гидрогеологического) профильного разреза приведём разрез в районе сочленения Микашевичско–Житковичского выступа и Припятского прогиба, где установлены железистые минеральные воды.

Вопросы геохимии минеральных вод.

Геохимические типы минеральных и термальных вод

К минеральным (лечебным) водам относятся природные воды, которые могут оказать на организм человека лечебное действие, обусловленное повышенным содержанием полезных, биологически активных компонентов ионно-солевого и газового состава, либо общим водно-солевым составом воды, а также органическими веществами (см. таблицу в презентации). Уже само определение говорит о том, что минеральные воды — предмет гидрогеохимических исследований, главная цель которых познание состава, условий распределения и механизма формирования. Минеральные воды могут использоваться для питья и ванн. В соответствии с ГОСТом к минеральным питьевым водам относят воды с минерализацией не менее 2 г/л или содержащие биологически активные микрокомпоненты в количестве не ниже бальнеологических норм, принятых для питьевым минеральных вод.

Существует несколько классификаций минеральных вод (А.М. Овчинникова, В.В.Иванова, Г.А. Невраева). Состав минеральный вод очень разнообразен. Классификация А.М.Овчинникова построена по принципу формирования минеральных вод в различных геохимических обстановках – окислительной, восстановительной и метаморфической. Наиболее разнообразна первая группа, к которой относятся железо-и мышьяковосодержащие воды; воды обогащенные органическим веществом; сульфатные, хлоридные и переходные хлоридно-сульфатные воды. Ко второй группе относятся азотные термальные, метановые и сероводородные воды. К третьей группе относятся углекислые воды, которые в соответствии с общим химическим составом подразделяются на пять типов:

Кисловодский нарзан – HCO₃–Ca

Железноводск, Джермук, Пятигорск, Карловы вары – HCO₃–SO₄–Na и Cl – HCO₃–Ca

Боржоми – HCO₃–Na

Ессентуки –– HCO₃– Cl –Na

Арзни – Cl –Na

В.В.Иванов и Г.А. Невраев выделили восемь основных бальнеологических групп:

–лечебные без специфических компонентов и свойств

–углекислые

–сульфидные (сероводородные)

–железистые, мышьяковистые и с высоким содержанием марганца, меди, алюминия, цинка и др.

–бромистые, йодистые

–с высоким содержанием органического вещества

–радоновые

–кремнистые термы.

Минеральные лечебные воды подразделяются на воды питьевые и наружного применения. В соответствии с ГОСТ 13273-88 выделяются две группы питьевых вод: лечебно-столовые (1–10 г/л) и лечебные применяемые по назначению врача (10–15 г/л), а при наличии мышьяка, бора и др. биологически активных компонентов с минерализацией менее 10 г/л.

В настоящее время приняты следующие нормы для специфических биологически активных компонентов:

– CO₂ 500г/л

– H₂S (HS) 10 мг/л

– Rn 185 Бк/л

– Fe 20мг/л

– As 0,7 мг/л, 1,5 мг/л

– Br 25 мг/л

– H₂SiO₃+HSiO₃^- 50 мг/л

– HBO₂+BO₃^- 50мг/л

– органическое вещество до 10 мг/л (лечебно-столовые) и до 30 мг/л (лечебные ванны).

Очень часто минеральные лечебные воды являются термальными и содержат несколько биологически активных компонентов.

Минеральные воды без специфических компонентов и свойств оказывают бальнеологическое действие на организм человека за счёт общего солевого состава и минерализации. Газовый состав их в основном азотный и метановый. Минеральные воды этой группы наиболее распространены, в том числе в Беларуси особенно на территории её юго–восточной части. Вот некоторые примеры. Хлоридно–гидрокарбонатные и гидрокарбонатно–хлоридные натриевые воды небольшой минерализации (2–6 г/л) приурочены к триасовым, пермским, карбоновым и девонским отложениям западной части Припятского бассейна. Они являются аналогами вод российского курорта “Обухово”, где они применяются при лечении заболеваний желудка, печени и желчевыводящих путей.

Хлоридно–сульфатные смешанного катионного состава воды с минерализацией до 5 г/л распространены в девонских отложениях северо–западной части Припятского прогиба, применяются в санатории–профилактории Белорусского калийного комбината в Солигорске для лечения заболеваний желудка, печени и желчного пузыря.

Сульфатно–хлоридные натриевые воды с минерализацией до 5 г/л получены из пород триаса и перми в районе г. Гомеля. Эти воды являются аналогами широко известных феодосийских и липецких минеральных вод. Используются в санатории–профилактории Гомельского отделения Белорусской железной дороги для лечения желудка, печени, желчного пузыря и поджелудочной железы. Такого же типа минеральная вода используется на курорте Нарочь.

Белорусские минеральные воды без специфических компонентов и свойств используются также для розлива в бутылки: Минские, Гомельская, Речицкая и др.

Углекислые воды

В соответствие с современными представлениями и нормами, к углекислым относятся подземные воды, содержащие более 500 мг/л растворенной CO₂.

Такие воды широко распространены в структурах альпийской складчатой системы, а также в прилегающих к этим структурам зонам эпиплатформенного орогенеза.

Подземные воды могут содержать значительное количество углекислоты, ибо ее растворимость в водах возрастает с ростом давления. Растворимость углекислоты уменьшается с ростом температуры. При этом воды разного состава способны растворять различное количество углекислоты. Существует следующий ряд: H₂O > NaCl> CaCl₂.

Кроме углекислоты эти воды содержат комплекс других спонтанных газов, который зависит от геолого-исторических особенностей структур и литолого-геохимических особенностей слагающих их пород. Среди растворенных газов содержится кроме углекислоты и водород, и кислород, и метан, и азот.

Происхождение углекислоты связано с метаморфическим разложением карбонатсодержащих пород за счет кислых вод, с дегазацией глубинных зон земной коры, поступления из очагов магматизма, бактериальное разложение органических веществ, окисление органики, декарбоксилизация липидов.

Основными гидрогеологическими структурами, содержащими углекислые воды, являются артезианские бассейны пластово-трещинных вод в осадочных и вулканогенно-осадочных породах, бассейны трещинно-жильных вод в кристаллических и метаморфических породах, наложенные и заполненные осадочными породами впадины в пределах массивов кристаллических и метаморфических пород.

Совершенно особый тип кислых термальных и высокотермальных вод формируется в структурах современного вулканизма. Минерализация изменяется до 300-320г/л, а температура от нескольких до 300 градусов Цельсия и более.

Основными составляющими углекислых вод являются инфильтрационные атмосферные воды, погребенные морские седиментационные, метаморфические, за счет термометаморфических процессов. В районах современного вулканизма имеется участие ювенильных вод.

Формирование химического состава обычно связано с взаимодействием в сложных системах: инфильтрационные воды– углекислый газ– породы

Инфильтационные воды– морские воды– углекислый газ– породы

Наличие хлора часто связано с взаимодействием с галогенными отложениями.

Химический состав закономерно меняется в соответствии со структурно-тектонической зональностью земной коры. Чем моложе и менее промыты геологические структуры, чем более развиты в них пликативные дислокации, содержащие седиментационные воды, тем более распространены в них хлоридные воды..

В более древних и более промытых структурах зон эпиплатформенного орогенеза, находящихся на более поздних стадиях структурно-тектонического развития хлорида значительно меньше до полного отсутствия. Высокая хлоридность в углекислых водах в этом случае сохраняется лишь в районах развития галогенных формация (Рейнский грабен). Углекислые воды. Это наиболее ценные воды, широко распространённые на Кавказе (Боржоми, Нарзан и др.) и, к сожалению, отсутствующие в Беларуси. Лечебный эффект определяется, главным образом, высокой концентрацией СO₂. Минерализация изменяется от долей до 90 г/л.