Геохимия углекислых минеральных вод северо-востока Тувы

Актуальность работы. Многочисленные термальные и холодные углекислые источники находятся в активных вулканических областях по всему миру. Проявления этого типа минеральных вод в мире установлены во многих районах Турции, Ирана, Индонезии, Афганистана, Монголии, КНДР, Армении, Польши, Болгарии, Франции и др. Самые известные области распространения месторождений углекислых минеральных вод в России и странах СНГ – Кавказ, Памир, Тянь-Шань, Дальний Восток, Забайкалье, Восточные Саяны.
Углекислые воды относятся к категории наиболее ценных и широко распространенных минеральных вод, на базе которых создаются лечебные курорты и санатории. В настоящее время углекислые воды представляют собой уникальные объекты не только с точки зрения изучения их бальнеологических свойств, сохранения и рационального использования углекислых вод, как полезного ископаемого, но и с точки зрения установления генезиса этих вод, выяснения источников углекислоты и понимания процессов, способствующих накоплению в углекислых водах высоких концентраций многих химических элементов (Si, Sr, Li, U, Th, Rb, Cs, B, As, Ge и др.).
Формирование месторождений углекислых минеральных вод – весьма сложный процесс, определяющийся многими факторами, часто накладывающимися друг на друга. Изучением проблемы формирования и генезиса углекислых вод, их распространения в различных геолого-гидрогеологических обстановках занимались в разное время такие выдающиеся ученые как В.В. Иванов, Г.А. Невраев, А.М. Овчинников, Е.В. Посохов, С.В. Обручев, Г.С. Вартанян, Л.А. Яроцкий, В.А. Кирюхин и др. Однако, до сих пор спорными остаются вопросы, связанные с установлением источников компонентов в углекислых водах (микроэлементов, газов, углекислоты) и процессах, происходящих в них.
По наличию и качеству разнообразных минеральных вод Республика Тыва не уступает другим регионам России, в том числе здесь широко распространены углекислые
воды, исследованию которых
И.С. Ломоноса, Е.В. Пиннекера,
К.М. Рычковой, Д. Ганчимэг,
А.И. Оргильянова, П.С. Бадминова, И.Г. Крюковой и др. Результаты предыдущих
посвящены работы С.В. Обручева, В.Г. Ткачук, Н.И. Толстихина, Г.М Шпейзера, Ю.И. Кустова, К.Д. Аракчаа, Ю.Г Копыловой, А.М. Плюснина,
5
исследований углекислых вод Тувы касались в основном гидрогеологических и гидрогеохимических аспектов изучения. До настоящего времени остаются нерешенными вопросы происхождения компонентов ионно-солевого и газового состава воды, органического вещества, не рассмотрена роль взаимодействия в системе вода-порода-газ при формировании химического состава. Работы по изучению распространенности в углекислых водах широкого комплекса химических элементов, в том числе редких, редкоземельных и радиоактивных не многочисленны. Практически не рассмотрен характер геохимической обстановки и не предложено единой комплексной схемы формирования холодных и термальных углекислых минеральных вод Тувы.
В связи с этим, целью настоящей работы изучение геохимических особенностей и условий формирования химического состава углекислых минеральных вод северо– востока Тувы.
Объектами исследования являются углекислые воды северо-востока Тувы. Основные задачи, решение которых необходимо для достижения поставленной цели:
 рассмотреть особенности химического и газового состава исследуемых углекислых вод и определить физико-химические процессы, контролирующих состав вод;
 провести изотопные исследования кислорода, водорода и углерода углекислых вод для установления генезиса воды и углекислого газа;
 определить состояние термодинамического равновесия подземных вод с минералами горных пород;
 установить глубинную температуру циркуляции углекислых вод;
 разработать схему формирования химического состава углекислых вод северо-востока Тувы.
Исходный материал и методы исследования. Основой для работы послужили материалы, полученные в результате комплексного гидрогеохимического опробования с участием автора летом 2013 г. и 2016 г. в составе научной экспедиции, организованной Лабораторией аржаанологии и туризма (ООО «АржаанЛаб» г. Кызыл) совместно с сотрудниками проблемной научно-исследовательской лабораторией гидрогеохимии ТПУ и коллегами из Института земной коры СО РАН (г. Иркутск), а также фондовые материалы. Всего автором было отобрано 40 проб подземных вод и 26 проб газовой фазы.

6
Быстроменяющиеся параметры (pH, Eh, T°С), а также содержание углекислоты измерялись непосредственно на месте опробования. Комплексный анализ химического состава подземных вод выполнялся в проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии Томского политехнического университета методами титриметрии, потенциометрии, ионной хроматографии, спектрофотометрии, масс- спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и др. Аналитические исследования изотопов кислорода и водорода выполнены в ресурсном центре Санкт-Петербургского государственного университета «Геомодель» (г. Санкт-Петербург, Россия), углерода – в лаборатории изотопно-аналитических методов ИГМ СО РАН (г. Новосибирск, Россия).
Наименование химического типа вод давалось в соответствии с классификацией Щукарева (1934). Название химического типа воды складывается отдельно из ведущих анионов и катионов, расположенных в порядке их убывания, содержания которых превышают 25 мг-экв%.
Для понимания процессов, происходящих в системе вода-порода и установления источников химических элементов воде, использовались программы, разработанные на основе термодинамических методов расчетов минеральных равновесий. Результаты представлены на диаграммах полей устойчивости алюмосиликатных, карбонатных и сульфатных минералов, выполненных в программном комплексе (ПК) Geochemist’s Workbench (GWB). Расчеты индексов насыщения вод вторичными минералами осуществлялось в ПК PhreeqC.
Оценка глубинных температур подземных вод выполнялась с использованием геохимических геотермометров, разработанных Фурнье и Трусделлом (1973) и методом оценки статистической параметров Рида и Спичера (Reed, 1984).
Полученные данные самостоятельно были обработаны с помощью средств Microsoft Office, картографические построения осуществлялись с помощью программ ArcGis и CorelDraw.
Личный вклад автора заключался в сборе и обработке фактического материала. В составе научной экспедиции автором проведено опробование родников северо-востока Тувы. Полученные результаты анализ и интерпретация полученных результатов. Полученные данные самостоятельно обработаны с помощью программных комплексов Corel Draw, ArcGis, PhreeqC, OriginLab, GWB, а также средств Microsoft Office. Автором изучены особенности химического и газового состава подземных вод, особенности

7
распределения микроэлементов в углекислых водах, рассчитаны равновесия подземных вод с основными минералами вмещающих горных пород, установлен генезис углекислого газа и воды, произведена оценка глубинных температур формирования подземных вод с помощью геохимических геотермометров, и разработана схема формирования углекислых вод северо-востока Тувы.
Научная новизна:
1. Наиболее полно и на новом аналитическом уровне проведено комплексное исследование вещественного состава минеральных углекислых вод северо-востока Тувы, получены данные по микроэлементному составу вод, а также содержанию РЗЭ.
2. Для всех углекислых вод впервые определен состав свободного и растворенного газа, сделаны выводы об условиях его формирования.
3. Впервые изучен изотопный состав углерода в родниках северо-востока Тувы и сделаны выводы о происхождении водной и газовой компонент вод;
4. Впервые определены глубинные температуры циркуляции углекислых вод северо-востока Тувы.
5. Разработана схема формирования химического состава углекислых вод северо- востока Тувы с обоснованием источников химических элементов и газа на основании полученных результатов анализа химического и газового состава подземных вод, расчетов глубинных температур и равновесия подземных вод с минералами горных пород.
Научно-практическая значимость работы. Полученные данные по основным закономерностям формирования углекислых вод могут быть применены для их комплексного и рационального использования, для разработки рекомендаций с целью сохранения ресурсов минеральных вод.
Результаты представленных исследований использовались при выполнении работ по грантам 16-35-00324 мол_а «Геохимия углекислых минеральных вод юго-западных склонов Восточного Саяна» (2016–2017гг.), в котором автор являлся руководителем, Госзадание «Наука» No 5.1931.2014/к «Геохимия элементов-гидролизатов в гумидных областях как основа совершенствования технологии водоподготовки)» и гранта РНФ 17- 17-01158 «Механизмы взаимодействия, состояние равновесия и направленность эволюции системы соленые воды и рассолы – основные и ультраосновные породы (на примере регионов Сибирской платформы)».

8
Апробация работы. По материалам диссертационного исследования опубликовано 15 работ, в том числе 4 работы в журналах, индексируемых международными базами данных (Web of Science, Scopus) и журналах из списка ВАК.
Отдельные разделы диссертации представлены на Международных и Всероссийских конференциях: Международной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов» (Москва, 2017 г.), Международном симпозиуме имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр» (г. Томск, 2015 – 2017 гг.), Всероссийском научном форуме «Наука будущего, наука молодых» (г. Казань, 2016 г.), научно-практической конференции аспирантов (Postgraduate Research Conference) в Манчестере в 2016–2017 гг., Всероссийской научной конференции с международным участием “Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами” (г. Чита, 2018 г.).
Структура и объем работы. Настоящее диссертационное исследование состоит из введения, 7 глав, заключения и списка литературных источников, состоящего из 121 наименования. Работа изложена на 147 страницах, включая 39 рисунков и 20 таблиц.
Благодарности. Автор признателен своему научному руководителю, идейному вдохновителю к.г.-м.н., Наталье Владимировне Гусевой за помощь, поддержку и внимание на всех этапах подготовки диссертационного исследования.
За ценный вклад, наставления и комментарии автор благодарит д.г.-м.н., профессора Степана Львовича Шварцева. Слова признания автор выражает к.г.-м.н., главному инженеру ПНИЛ гидрогеохимии Ю.Г. Копыловой, благодаря которой удалось собрать базу данных по минеральным водам Тувы. Автор выражает огромную благодарность заведующей лаборатории ПНИЛ гидрогеохимии, к.г.-м.н., А.А.Хващевской и ее сотрудникам за проведение лабораторных исследований и обсуждение результатов.
Огромную признательность автор выражает директору НИИ медико-социальных проблем и управления Республики Тыва (г. Кызыл) к. х. н. К.Д. Араакча за организацию полевых исследований и предоставленную возможность принять в них участие, а также А.Ю. Оргильянову, И.Г. Крюковой и П.С. Бадминову из Института земной коры СО РАН (г. Иркутск) за полученный опыт и знания во время совместных полевых работ.

9
Обучению в программных комплексах и содействию в проработке некоторых глав диссертационной работы способствовал профессор Манчестерского университета доктор Дэвид Полия.