Содовые подземные воды юго-востока Западной Сибири: геохимия и условия формирования

Актуальность. Содовые подземные воды являются достаточно уникальными
образованиями. В природе они широко распространены, но отличаются разнообразием
химического (при общем преобладании HCO3- и Na+), газового, органического и
изотопного состава. При этом генезису и условиям формирования содовых вод
посвящено много исследований (Е.В. Посохов, Н.И. Базилевич, Ю.П. Никольская, В.А.
Ковда, И.Н. Антипов-Каратаев, С.Л. Шагоянц, Н.М. Фролов, из последних R. Blake, G.
Matthess, K. Kimura, C.A.J. Appelo, D. Postma, F. May, В.А. Казанцев, J. Jankowski, B.
McLean, А.И. Гавришин, С.Л. Шварцев, В.Г. Попов, Р.Ф. Абдрахманов, С.Р. Крайнов,
Б.Н. Рыженко и мн. др.), но до сих пор нет единой точки зрения. В некотором смысле
содовые воды служат зеркалом противоречий в современной гидрогеохимии (Шварцев,
2004в). Существуют две основные конкурирующие гипотезы: 1) ионно-обменных
процессов или катионного обмена, согласно которой сода образуется путем вытеснения
из коллоидного комплекса поглощенного Na растворенным в воде Са по реакции К.К.
Гедройца, и 2) геологическая, согласно которой сода образуется за счет выветривания
массивно-кристаллических. Обе гипотезы сталкиваются с определенными трудностями.
В частности, рассматриваемые нами содовые воды юго-востока Западной Сибири
распространены в основном в осадочных песчано-глинистых неморских отложениях, а
значит, формирование их состава не укладывается в объяснения обеих основных
концепций. Между тем проблема содовых вод может быть решена в рамках общей
теории взаимодействия воды с горными породами, которая в настоящее время активно
разрабатывается учеными всего мира (Р.М. Гаррелс, Г. Хельгесон, И. Тарди, Т. Пачес, Д.
Дривер, Д.К. Нордстром и мн. др.), и могла бы снять все противоречия. С
общегеохимических позиций она достаточно детально разработана С.Л. Шварцевым
(1978, 2007), который рассматривает содообразование как определенный этап
взаимодействия воды с горными породами, наступающий с момента насыщения вод
кальцитом. Кроме того, изучение условий формирования содовых вод может быть
ключом к пониманию формирования разного состава вод, поскольку они занимают
промежуточное положение между верхними пресными HCO3-Ca и нижними солеными
Cl-Na водами (Пиннекер, 1977), а значит, определяют механизм и направленность
такого процесса.
Объектом исследований являются содовые подземные воды юго-востока
Западной Сибири. Здесь в пределах мощных осадочных пород представлено их большое
разнообразие, а в формировании состава принимает участие более полная система вода –
порода – газ (метан, углекислый газ) – органическое вещество (уголь, болотная
органика).
Цель работы. Выявить условия и механизмы формирования содовых вод
применительно к юго-востоку Западной Сибири в рамках общей теории взаимодействия
воды с алюмосиликатными породами.
Основные задачи:
1) Выявить закономерности распространения и гидрогеологической
зональности содовых вод в регионе;
2) Изучить геохимические особенности содовых вод, включая химический
(макро- и микрокомпонентный), газовый, органический и изотопный состав, с
выделением разных типов и их характерных признаков;
3) Оценить равновесие содовых вод относительно ведущих минералов
вмещающих пород с выявлением контролирующих параметров формирования
вторичных минералов и состава вод;
4) Разработать модель формирования содовых вод разных типов и определить
ведущие механизмы их формирования.
Фактический материал и личный вклад автора. В основу диссертационной
работы положены материалы полевых исследований сотрудников ТФ ИНГГ СО РАН
(Среднеобской экспедиционный отряд) и ТПУ (Проблемная научно-исследовательская
лаборатория гидрогеохимии), в том числе при личном участии автора, с 2000 по 2015 гг
при выполнении госбюджетных и хоздоговорных работ. Всего было исследовано в
регионе 460 проб содовых вод из 157 скважин до глубин 2320 м (а также некоторые Cl–
HCO3–Na воды до 2835 м) и 118 родников. Основные данные были получены при
совместных работах ТФ ИНГГ СО РАН с ООО «Газпром добыча Кузнецк» по
гидрогеологии, гидрогеохимии и экологии территорий потенциальной промышленной
добычи угольного метана Кузбасса (х/д № 01-177, № 97, 211-06-1, 66-07-1, 345-08-1,
412-01, 403-13, 415-01). Кроме этого использованы фондовые материалы: ОАО
«Промгаз», ЗАО «Метан Кузбасса», ПГО «ЗапСибгеология», ПГ Южно-Кузбасская ГРЭ,
треста «Кузбассуглеразведка» (Томусинская ГРП), частично ФГУП «Красновоярская
ГГЭ», ОАО «Томскгеомониторинг», ВНИГРИ, ВСЕГИНГЕО, ЗапСибНИГНИ, Западно-
Сибирского геологического управления. Также в работе обработан материал
предыдущих лет большого коллектива исследователей, полученных в ходе
тематических работ при участии сотрудников кафедры ГИГЭ ТПУ и ТФ ИНГГ СО РАН.
Разработка фундаментальной научной проблемы осуществлялась при финансовой
поддержке РФФИ (гранты 06-05-64233-а, 07-05-02002-э_д, 07-05-07038-д, 07-05-12005-
офи, 09-05-00647- а, 09-05-99034-р_офи, 11-05-98016-р_сибирь_а, 13-05-00062-а, 13-05-
98070-р_сибирь_а, 14-05-31095-мол_а, 14-05-00171-а, 15-35-50436-мол_нр, 16-05-00155-
а, 16-35-50103-мол_нр, 17-05-00042_а) и РНФ (17-17-01158).
Научная новизна. 1) показано, что содовые воды в регионе имеют весьма
разнообразный состав, в том числе выявлены совершенно уникальные с высокой (~ 25
г/л) и низкой (~0,2 г/л) соленостью; 2) впервые детально изучен изотопный состав
водорастворенного углерода содовых вод, в результате чего установлено, что воды
угольных отложений имеют необычные положительные значения δ13С (НСО3 и СО2) до
+31‰; 3) рассчитан характер равновесия содовых вод с широким набором первичных и
вторичных минералов, который показал, что все они, независимо от минерализации и
рН, равновесны с кальцитом и глинами, но неравновесны с первичными Ca-Mg-Fe-
алюмосиликатами; 4) впервые для региона разработана модель формирования содовых
вод, кратко заключающаяся в следующем: в результате равновесно-неравновесного
характера системы вода – алюмосиликатная порода происходит перераспределение
химических элементов и большая часть Ca, Mg, Fe уходит из вод вместе с карбонатами
и глинами, а Na продолжает концентрироваться; 5) показано, что многообразие состава
содовых вод связано с разным временем взаимодействия в системе и с особенностями
среды (наличием или отсутствием дополнительного источника СО2 и органики), это
18 13
нашло дополнительное подтверждение данными изучения изотопов О и С; 6)
впервые объяснена природа масштабного фракционирования изотопов углерода: при
длительной эволюции системы вода-порода–уголь-метан происходит
преимущественное концентрирование С в водной фазе (СО2, затем НСО3-), а затем во
вторичных карбонатах (СО32-), а 12С – в метане.
Практическая значимость. Результаты исследований использовались при
написании 7 отчетов по х/д работам с ООО «Газпром добыча Кузнецк», начатые в связи
с первой в России крупномасштабной добычей угольного метана. Данные по изотопам,
например, позволили оценить источник СО2, иногда появляющегося в метановом газе.
Поскольку содовые воды активно используются для питьевых и бальнеологических
целей, некоторые полученные выводы могут быть использованы различными
организациями, занимающимися поиском и эксплуатацией минеральных вод, а также
решением экологических и хозяйственно-питьевых проблем. Автор применяет
материалы исследований в учебном процессе ТПУ при ведении курсов «Гидрогеохимия
зоны гипергенеза» и «Синергетика водно-геологических проблем».
Методы и подходы решения поставленных задач определяются ранее
сформулированным С.Л. Шварцевым новым положением о равновесно-неравновесном
состоянии и наличии геологической эволюции системы вода-порода. Вода всегда не
равновесна относительно эндогенных минералов, которая поэтому их и растворяет, что
и обеспечивает непрерывную эволюцию состава вод, но равновесна к определенному
набору вторичных минералов. Состав подземных вод определяется разностью между
растворяемыми горными породами и образующимися вторичными минералами, при
участии органического вещества и газов. Поэтому при исследовании процессов
содообразования будет использован комплексный подход, базирующийся на изучении
гидрогеологических условий; химического (включая микрокомпонентного), газового и
органического состава вод; анализе изотопов воды и водорастворенного углерода;
применении термодинамических расчетов при анализе физико-химических равновесий
содовых вод с ведущими минералами горных пород с приведением данных натурных
наблюдений; выявлением контролирующих параметров формирования вторичных
минералов и состава вод; поиску механизмов, определяющих начало процесса
содообразования; изучению параметров среды и времени взаимодействия системы
вода–порода.
Основной объем химико-аналитических работ был выполнен в аккредитованной
Проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии ТПУ методами
титриметрии, потенциометрии, ионной хроматографии, фотоколориметрии,
высокотемпературного каталитического окисления, масс-спектрометрии с индуктивно-
связанной плазмой. Изотопный анализ воды и водорастворенного углерода проводился
в ТФ АО «СНИИГГиМС» (г.Томск), в ИГМ СО РАН (г.Новосибирск) и в Национальном
центре научных исследований г. Тулузы (Франция). Расчет степени насыщенности
подземных вод минералами осуществлялся методами равновесной термодинамики
(Гаррелс, Крайст, 1968) с использованием программного комплекса HydroGeo,
разработанного М.Б. Букаты и сертифицированного в Росатомнадзоре (Букаты, 2002).
Положения, выносимые на защиту.
1) Содовые воды на юго-востоке Западной Сибири пользуются региональным
распространением, залегают в различных осадочных мезо-кайнозойских отложениях на
разных глубинах в зоне замедленного (иногда активного) водообмена и занимают
промежуточное положение между верхними пресными HCO3-Ca и нижними солеными
Cl-Na водами. Геохимическое разнообразие их проявлений позволило разделить их на
пять основных типов.
2) Все содовые воды региона независимо от их типа равновесны с
карбонатами и глинами и неравновесны с первичными Ca-Mg-Fe-алюмосиликатами.
Такое равновесно-неравновесное состояние системы обеспечивает для каждого типа
свой набор равновесных вторичных минералов, при этом с ростом солености и рН вод
их количество растет.
3) Содовые воды – это продукт взаимодействия системы инфильтрационные
воды – алюмосиликатные породы – газ – органическое вещество при условии наличия
равновесия с кальцитом, обеспечивающее накопление в растворе НСО3- и Na+, т.е. соды.
Многообразие содовых вод объясняется разным временем взаимодействия компонентов
указанной системы и наличием дополнительных факторов (органика, CO2, CH4, уголь и
др.). Процесс содообразования сопровождается фракционированием изотопов углерода
и кислорода.
Достоверность полученных результатов основывается на: 1) новейших
теоретических положениях; 2) значительным объемом полученных данных обширного
региона и их соответствии с результатами, полученными другими авторами в данной
области исследований; 3) использовании современного высокоточного оборудования в
сертифицированных лабораториях для анализа воды и газа; 4) апробацией основных
научных положений на различных конференциях и публикацией в рецензируемых
журналах; 5) выполнением заданий грантов РФФИ и РНФ.
Апробация результатов. Отдельные разделы работы были доложены и
обсуждены на конференциях различного уровня: Международном симпозиуме
«Взаимодействие вода-порода» (International symposium “Water-Rock interaction”) в 2013
г (WRI-14, г.Авиньон, Франция) и в 2016 г (WRI-15, г.Эвора, Португалия);
Международной мультидисциплинарной научной конференции по геологии
(International Multidisciplinary Scientific GeoConference) в 2015, 2017 гг (SGEM-15,
SGEM-17, г.София, Болгария); Всероссийской конференции с участием иностранных
ученых «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» в 2012
(г.Томск) и в 2015 (г.Владивосток); Всероссийском совещании по подземным водам
востока России в 2006, 2012 (г.Иркутск) и 2015 (г.Якутск) гг; Всероссийских
конференциях, посвященные 75-, 80- и 85-летию кафедры гидрогеологии и инженерной
геологии ТПУ в 2005, 2010 и 2015 гг (г.Томск); II Всероссийской молодежной научно-
практической школе-конференции в 2014 г (Шира); VII Сибирской научно-
практической конференции молодых ученых по наукам о Земле в 2014 г
(г.Новосибирск), научной конференции «Современные проблемы геохимии» в 2007
(г.Иркутск), Всероссийской молодежной научной конференции с участием иностранных
ученых «Трофимуковские чтения – 2015» (г.Новосибирск) и ряд других конференций.
Часть работы взята из кандидатской диссертации (Томск, 2005) и обсуждалась еще в
студенчестве и аспирантуре на 17 международных и 8 региональных конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 работ, в том числе одна
монография (в соавторстве) и 18 статей в базах данных Scopus и Web of Science, в
которых полностью представлены все защищаемые положения. Всего имеется 28 статей
в рецензируемых российских и зарубежных изданиях из перечня ВАК. Статьи написаны
в соавторстве со специалистами, которые не имеют возражений против защиты данной
работы.