Механизмы формирования химического состава природных вод в различных ландшафтно-климатических зонах горно-складчатых областей Центральной Евразии

Актуальность. Подземные воды, как важнейший элемент гидросферы Земли, активно
участвуют в двух разнонаправленных процессах – рассеяния и концентрирования химических
элементов, обусловливая геологическое преобразование вещества земной коры. Природные
воды по своему составу весьма разнообразны, и природа этого разнообразия до сих пор
вызывает споры среди ученых различных областей знаний. Взглянуть по-новому на эту
проблему возможно при комплексном анализе всех компонентов окружающего мира: воды,
породы, газов и органических веществ с учетом взаимодействий, которые между ними
происходят, т.е. рассматривая систему вода-порода-газ-органическое вещество. В работах С.Л.
Шварцева (Геологическая эволюция….2004, 2007) показано, что указанная система «способна к
прогрессивной и даже антиэнтропийной эволюции, которая обеспечивает непрерывный рост
все более сложных структур и явлений».
В процессе эволюции система вода-порода проходит ряд этапов, на каждом из которых
формируются вторичный минеральный комплекс, соответствующий геохимический тип вод и
геохимическая среда, между которыми существует глубокая генетическая связь. Геохимические
свойства минералов и многокомпонентность состава вод, влияет на взаимодействие в системе
вода-порода в конкретной геохимической обстановке, которая сказывается на растворении
первичных пород и на осаждении вторичных минералов, а, следовательно, и на формировании
особенностей химического состава природных вод. Выделяется несколько типов
взаимодействия: латеритный, сиаллитный, бисиаллитный, содово-лессовый и солеобразующий,
каждый из которых подразделяется на несколько подтипов. Специфика формирующегося
химического состава природных вод при разных типах взаимодействия определяется
соотношением масштабов преобразования горных пород и органического вещества при разных
гидродинамических режимах. По мере эволюции системы вода-порода на фоне общего
увеличения объема разрушающихся пород и роста солености воды число связанных элементов
возрастает, а освобождаемых относительно уменьшается, т.е. постепенно часть подвижных
элементов переходит в разряд неподвижных. Таким образом, в аспекте учения о миграции
химических элементов, важнейшей фундаментальной проблемой является обоснование влияние
факторов самоорганизации системы вода-порода на механизмы дифференциации химических
элементов в процессе ее геологической эволюции.
Цель исследований – выявление особенностей механизмов взаимодействия вод с горными
породами в различных ландшафтно-климатических условиях горно-складчатых областей
центральной Евразии и обоснование роли внешних и внутренних факторов эволюционного
развития системы вода-порода на рассеяние и концентрирование химических элементов.
Основные задачи:
1. Изучить химический состав природных вод во всех районах исследования и выявить
его особенности.
2. Оценить состояние насыщенности вод алюмосиликатными, карбонатными,
сульфатными минералами.
3. Установить для каждого рассматриваемого объекта этап эволюционного развития
системы вода-порода и обосновать геохимический тип вод.
4. Выявить особенности рассеяния и концентрирования химических элементов в системе
вода-порода.
5. Описать механизмы взаимодействия вод с горными породами в различных условиях
геохимической среды на разных этапах эволюционного развития системы вода-порода.
6. Оценить роль климатических и геолого-структурных факторов в формировании состава
геохимических типов вод.
Объектами научного исследования являются подземные и поверхностные воды
восточного склона Полярного Урала, района озера Поянху (Китай); Тувинской межгорной
впадины и ее горного обрамления, Минусинских межгорных впадин; углекислые холодные и
термальные подземные воды западного склона Восточного Саяна (на примере природного
комплекса Чойган), а процессы формирования их состава представляют предмет исследования.
Выбранные объекты исследования позволяют проследить механизмы взаимодействия вод с
горными породами на начальных этапах эволюционного развития системы вода-порода в
различных ландшафтно-климатических условиях.
Фактический материал и личный вклад автора. В основу работы положены материалы
совместных полевых и камеральных исследований сотрудников ТПУ в сотрудничестве с ООО
НПО «ГЕОСФЕРА» (г. Томск), Восточно-Китайским Технологическим Университетом (г.
Наньчан), Китайским Геологическим Университетом (г. Пекин), Наньчанским Университетом
(г. Наньчан), Манчестерским Университетом (г. Манчестер), Научно-исследовательским
институтом медико-социальных проблем и управления Республики Тыва (г. Кызыл),
Институтом земной коры СО РАН (г. Иркутск), полученные при личном участии автора.
Временной интервал исследований охватывает период с 2005 по 2017 гг., за который было
отобрано 1058 проб воды и 12 проб вторичной минеральной фазы. Основные результаты
получены при выполнении проектов, поддержанных РФФИ, АВЦП, ФЦП, Госзадание Наука
(проектная часть), в которых автор являлся руководителем или ответственным исполнителем.
В рамках научных исследований автор выполняла обработку и интерпретацию большого
объема гидрогеохимических данных по нескольким регионам, непосредственно осуществляла
физико-химические расчеты и моделирование процессов, происходящих в системе вода-порода,
для решения проблемы формирования химического состава природных вод в различных
ландшафтно-климатических условиях. Собственные фактические данные, а также обобщение и
систематизация имевшегося материала позволили автору обосновать механизмы формирования
химического состава вод в разных ландшафтно-климатических условиях горно-складчатых
областей центральной Евразии на примере конкретных природных объектов.
Методы исследования и подходы базируются на научном положении о геологической
эволюции системы вода-порода с позиции ее равновесно-неравновесного состояния (Шварцев,
1998, Геологическая эволюция…., 2005, 2007). На каждом этапе эволюционного развития
формируется определенный гидрогенно-минеральный комплекс, объединяющий вторичную
минеральную фазу, геохимический тип вод и геохимическую среду. Геохимический тип
выделяется на основе равновесия вод с той или иной вторичной фазой, по сути, состав вод есть
разность между составом растворяемых горных пород и той частью элементов, из которых
образуются вторичные минералы. В отличие от химического типа название геохимического
типа формируется с учетом параметров водного раствора, влияющих на формирование
вторичной минеральной фазы, а не содержащихся в составе вод в преобладающем количестве.
Исследование в рамках работы предполагало комплексный подход, включающий анализ
климатических, геологических и гидрогеологических условий, максимально полное изучение
вещественного состава вод и вторичной минеральной фазы (при наличии), применение
термодинамических расчетов, выявление особенностей химического состава природных вод в
конкретных условиях и обоснование процессов его формирования.
Анализ вещественного состава вод выполнялся в аккредитованной Проблемной научно-
исследовательской лаборатории гидрогеохимии ТПУ методами титриметрии, потенциометрии,
ионной хроматографии, спектрофотометрии, масс-спектрометрии с индуктивно связанной
плазмой. Исследование минерального и химического состава вторичной фазы осуществлялось в
Центре коллективного пользования ТПУ, Нано-центре ТПУ атомно-эмиссионным,
рентгенофазовым методами и др.
Физико-химические расчеты, необходимые для выявления форм миграции химических
элементов и расчета равновесий воды с основными минералами выполнялись с использованием
программного комплекса HydroGeo, Селектор, GWB и PHREEQC.
Положения, выносимые на защиту:
Первое защищаемое положение. В природных водах гумидных областей на начальных
этапах эволюции системы вода-порода происходит активное растворение горных пород и
переход максимального количества элементов в раствор, в том числе и таких элементов-
гидролизатов как Fe, Al, Mn, а также РЗЭ и кремния. Формирование химического состава вод
обусловлено взаимным влиянием процессов растворения минералов горных пород и
комплексообразования, при определяющей роли геохимической среды. В условиях
многолетней мерзлоты геохимическая среда способствует накоплению указанных элементов в
водном растворе, а в условиях субтропического климата геохимическая среда подземных вод
способствует удалению указанных элементов из раствора и их накоплению во вторичной
минеральной фазе.
Второе защищаемое положение. В аридных условиях на территории межгорных впадин
распространены разнообразные по составу и минерализации воды. Специфика вод в этих
условиях определяется особенностями состава вмещающих отложений – наличием вкраплений
сульфидных минералов и эвапоритов, а также процессами испарительного концентрирования,
наиболее ярко проявляющимися в формировании состава соленых озер. Под влиянием
испарительного концентрирования происходит трансформация анионного состава вод,
повышается соленость и изменяется геохимический тип вод, но неизменным остается этап
эволюционного развития системы вода-порода.
Третье защищаемое положение. В условиях тектоно-магматической активизации в
зонах разрывных нарушений формируются термальные и холодные углекислые подземные
воды. Обогащение подземных вод углекислотой влияет на геохимическую среду,
соответственно, и на процессы взаимодействия их с горными породами. В условиях
геохимической среды углекислых вод наблюдается смещение начала вторичного
карбонатообразования, повышается агрессивность вод к вмещающим алюмосиликатным
породам, усиливаются процессы гидролиза, что сопровождается накоплением химических
элементов в водах и приводит к формированию солоноватых вод, а также способствует
дальнейшему эволюционному развития системы вода-порода.
Четвертое защищаемое положение. В горно-складчатых областях центральной Евразии
в одной ландшафтно-климатической зоне в результате эволюционного развития системы вода–
порода формируются различные геохимические типы вод, соответствующие определенным
стадиям их взаимодействия с горными породами и обусловленные влиянием зональных
(климатических) и азональных (геолого-структурных) факторов. Особенности азональных
геохимических типов природных вод определяются влиянием, прежде всего, геолого-
структурных факторов.
Достоверность научных результатов обеспечивается применением современных
теоретических подходов к обоснованию механизмов формирования химического состава
природных вод, значительным объемом фактического материала, полученным лично автором и
в результате ранее проведенных исследований других авторов, выполнением аналитических
исследований в аккредитованных лабораториях современными надежными
высокочувствительными методами, обсуждением результатов исследований на конференциях и
представлением исследований научной общественности в формате публикаций, в
рецензируемых российских и зарубежных изданиях.
Научная новизна работы:
 Для природных вод всех районов исследования по состоянию их насыщенности
вторичными минералами обоснованы геохимические типы вод, соответствующие строго
определенному этапу эволюционного развития системы вода–порода.
 Показана распространенность более 50 химических элементов в геохимических типах
вод районов с гумидным климатом;
 Обосновано влияние геохимической среды на растворение первичных минералов и
образование вторичной минеральной фазы;
 Проведена систематизация состава подземных вод на основе особенностей механизмов
формирования химического состава.
 Показана распространенность РЗЭ в природных водах с различной геохимической
обстановкой и обоснована ее роль в миграции РЗЭ в разных ландшафтно-климатических
условиях.
 Обоснованы механизмы взаимодействия вод в разных природно-климатических зонах
горно-складчатых областей центральной Евразии.
 Показана роль климатических и геолого-структурных факторов в формировании
геохимических типов вод в горно-складчатых областях центральной Евразии
Практическая значимость. Результаты исследований использовались для
совершенствования технологии гидрогеохимических поисков МПИ и эколого-геохимических
исследований, а также при обосновании геохимических показателей повышения нефтеотдачи в
рамках хоздоговорных работ. Некоторые полученные выводы могут быть использованы
организациями, занимающимися поиском и эксплуатацией минеральных вод, развитием
рекреационных ресурсов, а также решением экологических и хозяйственно-питьевых проблем.
Механизмы формирования химического состава вод районов распространения многолетней
мерзлоты могут быть использованы для разработки мероприятий по освоению Арктики в
аспекте поиска МПИ, обеспечения населения качественной питьевой водой, обоснования
сооружения объектов инфраструктуры. Результаты исследований используются в
образовательном процессе в рамках реализации дисциплин «Общая гидрогеология»,
«Гидрогеохимические методы поисков МПИ» и при выполнении ВКР магистрами.
Апробация. Основные положения и результаты исследований представлялись на
международных и всероссийских конференциях: Международном симпозиуме по
взаимодействию вод с горными породами в 2013 г. (WRI 13, г. Авиньон, Франция) и в 2016
(WRI 14 г. Эвора, Португалия), Всероссийской конференции с участием иностранных ученых
«Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» в 2012 (г. Томск) и в
2015 (г. Владивосток), Всероссийских конференциях, посвященных 80- и 85-летию кафедры
ГИГЭ ТПУ (2010, 2015 гг.) и на многих других научных мероприятиях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 60 работ, в том числе 20 в журналах из
перечня изданий, рекомендованных ВАК, а также 15 – в журналах, индексируемых Web of
Science и Scopus. Статьи написаны в соавторстве со специалистами, которые не имеют
возражений против защиты данной работы.