Геохимия термальных вод провинции Цзянси (Китай)

В мировой практике термальные воды активно используются в качестве
экологически чистого и практически возобновляемого источника энергии. Например, в
таких странах как США, Исландия, Италия, Германия, Мексика, Турция, Франция,
Нидерланды и другие до 50 % теплообеспечения осуществляется за счёт термальных вод
(Baioumy et al., 2015). Кроме этого, благодаря своему химическому составу, термы
обладают бальнеологическими свойствами и используются населением в лечебно-
профилактических целях.
Проявления термальных вод отмечаются преимущественно в районах
тектонической активизации, где, с одной стороны, атмосферные осадки проникают на
значительные глубины по трещинно-жильным и трещинным системам, а с другой
стороны, глубинные флюиды проникают в верхние гидрогеологические этажи, что
способствует формированию подземных вод, обладающих специфическим
геохимическим обликом. Значительную роль термальные воды играют в минерало- и
рудообразовании, процессах метаморфизма горных пород, при обосновании
термодинамических условий недр и др. (Кононов, 1983; Зверев, 2011; Лаврушин, 2012).
В этой связи, процессы и механизмы формирования терм являются предметом
исследований специалистов разных отраслей.
Одним из примеров областей с широким распространением термальных вод
является провинция Цзянси, на территории которой обнаружены проявления терм
разного состава. Изучению термальных вод рассматриваемого региона посвящено
значительное количество работ (Zhou, 1996; Sun, 1998; Sun and Li, 2001; Zhou and Zhang,
2001; Chen, 2008 и др.), которые ограничивались описанием макрокомпонентного состава
терм, распространённости лишь некоторых микрокомпонентов, имеющих
бальнеологическое значение, газового состава и изотопов воды и углерода. Между тем
обоснование процессов и механизмов формирования химического состава терм на базе
комплексного их исследования не осуществлялось.
Объектом исследований являются термальные воды провинции Цзянси,
формирование состава которых представляет предмет исследования.
Цель работы – выявление процессов и механизмов формирования состава
термальных вод провинции Цзянси на основе их комплексного исследования.
Достижение поставленной цели возможно при условии решения следующих задач:
1. Проанализировать условия и выявить закономерности распространения
термальных вод в пределах исследуемого региона.
2. Выявить особенности химического состава и форм нахождения серы и провести
типизацию рассматриваемых термальных вод.
3. Изучить состав стабильных изотопов воды (δD, δ18O), углерода (δ13С) и серы
(δ34S) для выявления генезиса и основных процессов формирования термальных вод.
4. Установить характер термодинамического равновесия терм с основными
минералами и оценить изменение площадей активных поверхностей растворяемых
минералов в процессе взаимодействия в системе вода-порода.
5. Оценить глубину и температуру циркуляции термальных вод и разработать
концептуальную модель их формирования.
Фактический материал и методы исследования. В основу работы положены
результаты экспедиционных исследований, проведённых на территории провинции
Цзянси в 2015 и 2017 гг. Всего опробовано 18 термальных родников для изучения общего
химического, изотопного состава и для определения различных форм серы. Кроме этого,
в работе использованы материалы предыдущих исследований, полученные сотрудниками
Восточного китайского технологического университета по газовому и химическому
составу 11 термальных родников исследуемого региона.
Непосредственно на месте отбора проб были определены pH и температура.
Аналитические исследования химического состава воды проводились в аккредитованной
проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии НИ ТПУ (г. Томск)
и Центре химического анализа и физических испытаний Восточного китайского
технологического университета (г. Наньчан, Китай) методами ионообменной
хроматографии, титриметрии, масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой и
атомной абсорбции. Анализ изотопного состава воды (δD, δ18O) осуществлялся в Центре
химического анализа и физических испытаний Восточного китайского технологического
университета. Содержание различных форм серы проанализировано в лаборатории
ИПРЭК СО РАН (г. Чита). Анализ изотопного состава растворённых сульфидных
(δ34S(S2- )) и сульфатных форм (δ34S(SO42-)), и углерода (δ13C(HCO3-)) осуществлялся
методом изотопной масс-спектрометрии в лаборатории стабильных изотопов ДВГИ ДВО
РАН (г. Владивосток).
Настоящее исследование базируются на сформулированной д.г.-м.н., профессором
С.Л. Шварцевым концепции о геологической эволюции системы вода-порода (Шварцев,
1998). Суть концепции заключается в том, что вода непрерывно растворяет первичные
минералы и формирует вторичные минеральные фазы, что приводит к изменению
химического состава вод и геохимической среды. При этом состав раствора определяется
разностью между количеством химических элементов, поступающих в раствор по мере
растворения горных пород, и количеством элементов, связываемых вторичными
минералами. Взаимодействие воды с горными породами является эволюционным,
стадийным процессом, каждый этап которого характеризуется определённым
геохимическим типом вод, набором образованных вторичных минералов и
геохимической средой.
Расчёт равновесий термальных вод провинции Цзянси с минералами
водовмещающих пород осуществлялся с помощью программных комплексов HydroGeo,
PhreeqC и Geochemist’s Workbench. Для расчёта площадей активной поверхности
растворяемых минералов применена методика (Marini et al., 2000; Scislewski and Zuddas,
2010), где в качестве исходных данных использован химический состав терм. Расчёт
глубинных температур осуществлялся с применением различных геотермометров и
модели смешения Si-энтальпия, глубины циркуляции рассчитаны с помощью формулы
(Li and Li, 2010) и данных по геотермальному градиенту (Wan, 2012).
Личный вклад. Автор принимал участие в полевых экспедициях по отбору проб
термальных вод в провинции Цзянси в 2015 г., в 2017 г. в том числе и в период научной
стажировки в Восточном китайском технологическом университете. Кроме этого,
автором выполнены сбор, обработка, анализ и интерпретация полученных
гидрогеохимических данных, проведены термодинамические расчёты, расчёты
глубинных температур и глубин циркуляции вод. Обработка данных осуществлялась
самостоятельно с помощью программных комплексов HydroGeo, PhreeqC, Geochemist’s
Workbench, Corel Draw, ArcGIS и средств Microsoft Office. Кроме этого, автором освоена
и применена методика расчёта площадей активной поверхности растворяемых минералов
во время прохождения научной стажировки в Университете Сорбонна (г. Париж,
Франция) под руководством профессора Пьерпаоло Зуддаса при финансовой поддержке
Стипендии Президента Российской Федерации для обучения за рубежом в 2018/2019
учебном году.
Научная новизна. 1) Показано, что в пределах территории провинции Цзянси на
достаточно близком расстоянии друг от друга разгружаются разные по составу
термальные воды, комплексное изучение которых проведено на современном
аналитическом уровне. 2) Впервые для исследуемых терм обосновано поведение
соединений серы в разных геохимических обстановках. 3) Для термальных вод
рассматриваемого региона впервые проведена оценка их равновесия с основными
минералами водовмещающих пород и установлено, что термальные воды находятся на
разных этапах эволюционного развития системы вода-порода. 4) Выявлены отличия в
интенсивности растворения и площадях активных поверхностей минералов (поверхности
контакта терм с минералами) на различных стадиях развития системы вода-порода. 5)
Разработана концептуальная модель формирования термальных вод исследуемого
региона, описаны процессы и механизмы формирования терм разного состава.
Положения, выносимые на защиту:
Первое защищаемое положение. На территории провинции Цзянси формируются
азотные термы и термальные воды с повышенным CO2, выходы которых приурочены к
глубинным разломам и локализуются преимущественно в пределах распространения
гранитных пород. Азотные термы щелочные, умеренно пресные, HCO3-Na типа,
характеризуются высокими концентрациями Si, F- и преобладанием соединений S2- среди
восстановленных форм серы. Термальные воды с повышенным CO2 собственно пресные
и солоноватые, разнообразных химических типов от HCO3-Na до SO4-Na,
характеризуются более кислыми условиями среды, наличием свободной угольной
кислоты, высоким парциальным давлением CO2 и преобладанием S0 среди
восстановленных форм серы.
Второе защищаемое положение. Термальные воды провинции Цзянси находятся
на разных стадиях эволюционного развития системы вода-порода. Термы с повышенным
CO2 равновесны с глинистыми минералами, кальцитом и достигают стадии насыщения к
флюориту, характеризующейся интенсивным растворением горных пород и большей
площадью контакта терм с минералами. Азотные термальные воды характеризуются
более разнообразным набором равновесных минералов (глинистые минералы, кальцит,
флюорит, ломонтит и др.) и достигают стадии насыщения к альбиту, характеризующейся
меньшими интенсивностью растворения горных пород и площадями контакта терм с
минералами.
Третье защищаемое положение. Термальные воды провинции Цзянси имеют
инфильтрационное происхождение. Атмосферные осадки по разломам проникают в
недра Земли до глубины 3-6 км, где нагреваются до температуры 108-166 ℃ и непрерывно
взаимодействуют с горными породами. При движении от области питания к области
разгрузки в термальных водах с повышенным СО2 происходит интенсивное обогащение
вод химическими элементами при углекислотном выщелачивании и окисление
сульфидов, а в азотных термах – активное удаление химических элементов из раствора в
результате вторичного минералообразования и интенсивное протекание процесса
сульфатредукции.
Практическая значимость. Результаты проведённого комплексного
исследования вещественного состава, обоснование процессов и механизмов
формирования термальных вод провинции Цзянси могут быть применены для разработки
рациональной схемы их использования. При эксплуатации месторождений термальных
вод часто наблюдаются осложнения в технологическом процессе, обусловленные
солеотложением и коррозией оборудования, прогнозирование которых невозможно без
глубокого изучения состава терм и особенностей их взаимодействия с минералами.
Локализуясь в пределах районов тектонической активизации, рассматриваемые воды
подвержены влиянию современных тектонических факторов, следовательно, результаты
исследование их состава могут быть использованы для прогнозирования сейсмических
событий. Материалы, полученные при выполнении исследования, использованы в
образовательном процессе на базе Томского политехнического университета при
проведении практических занятий по дисциплинам «Общая гидрогеология» для
студентов отделения геологии Инженерной школы природных ресурсов.
Достоверность полученных результатов обеспечена применением подхода,
основанного на новейших теоретических положениях, использованием современного
высокоточного оборудования в аккредитованных лабораториях при анализе химического
и изотопного состава термальных вод, апробацией основных научных результатов на
различных международных конференциях и публикацией в рецензируемых российских и
зарубежных журналах. Часть диссертационного исследования выполнена при
финансовой поддержке грантов РФФИ 15-55-53122 ГФЕН_а «Геохимия азотных
термальных вод Забайкалья (Россия) и провинции Цзянси (юго-восточный Китай)»,
РФФИ 18-55-80015 БРИКС_т «Экологическая геохимия и очистка от органического
загрязнения на примере водных систем районов Китая, Индии и России» и РНФ 17-17-
01158 «Механизмы взаимодействия, состояние равновесия и направленность эволюции
системы солёные воды и рассолы-основные и ультраосновные породы (на примере
регионов Сибирской платформы)».
Апробация результатов. Основные положения и результаты научного
исследования были представлены на: Всероссийской конференции, посвящённой 85-
летию кафедры ГИГЭ ТПУ в 2015 г., Международном научном симпозиуме студентов и
молодых учёных им. академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр» в
2015, 2016 и 2017 гг. (г. Томск), Международном симпозиуме по взаимодействию вод с
горными породами в 2016 г. (WRI-15, г. Эвора, Португалия) и в 2019 г. (WRI-16, г. Томск,
Россия), на научном семинаре в Восточном китайском технологическом университете в
2017 г. (г. Наньчан, Китай), на Совещании по подземным водам Сибири и Дальнего
Востока с международным участием в 2018 г. (г. Новосибирск), Всероссийской
конференции с участием иностранных учёных «Геологическая эволюция взаимодействия
воды с горными породами» в 2018 г. (г. Чита) и на других научных мероприятиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав,
заключения, списка литературы, состоящего из 212 наименований. Работа изложена на
126 страницах, включая 38 рисунков и 22 таблицы.
Публикации. По материалам исследования опубликовано 18 работ, 7 из которых в
изданиях, индексируемых международными базами данных Web of Science, Scopus и 2 –
в журнале, рекомендованном ВАК, 11- РИНЦ.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность за
вовлечение в науку, безграничную поддержку и научное вдохновение, бесценный опыт,
высокую требовательность и неиссякаемую энергию своему первому научному
руководителю д.г.-м.н, профессору Степану Львовичу Шварцеву. За своевременную и
разностороннюю поддержку, ценные научные советы автор благодарит своего
настоящего научного руководителя, д.г.-м.н., зав. каф. – рук. отделения геологии ИШПР
НИ ТПУ Наталью Владимировну Гусеву. Автор выражает благодарность зав. лаб.
геоэкологии и гидрогеохимии ИПРЭК СО РАН, д.г.-м.н. Светлане Владимировне
Борзенко за научные дискуссии, постоянную поддержку и тёплое отношение.
Огромная признательность выражается сотрудникам Восточного китайского
технологического университета (г. Наньчан, Китай) в лице профессора Чжаньсуэ Суня и
его коллег. За консультацию, яркие дискуссии и обучение методике расчёта площадей
активных поверхностей минералов автор благодарит профессора Университета
Сорбонны Пьерпаоло Зуддаса.
За проявленное внимание и конструктивную критику автор признателен к.г.-м.н.
Копыловой Ю.Г. За проведение лабораторных исследований благодарность заведующей
проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии НИ ТПУ, к.г.-м.н.
Хващевской А.А. и её сотрудникам. Автор признателен сотрудникам ТФ ИННГ СО РАН
в лице и.о. директора, д.г.-м.н. Лепокуровой О.Е., инженерам Поповой Б.В. и Волошину
А.И. и к.г.-м.н. Трифонову Н.С., сотрудникам отделения геологии НИ ТПУ: д.г.-м.н.
Дутовой Е.М., д.г.н. Савичеву О.Г, д.г.-м.н. Рихванову Л.П., кандидатам геолого-
минералогических наук Никитенкову А.Н., Токаренко О.Г., Кузеванову К.И. Также автор
благодарит в.н.с. ИПРЭК СО РАН, к.г.-м.н. Заману Л.В. за ценные комментарии. За
дружескую поддержку и научные дискуссии автор признателен кандидатам геолого-
минералогических наук Камневой О.А., Солдатовой Е.А., Брагину И.В., Шестаковой
А.В., Пургиной Д.В. и Моисеевой Ю.А. Кроме этого, автор искренне благодарен своей
семье и близким за моральную поддержку и терпение.