Термальные воды Сихотэ-Алиня: состав и условия формирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.07, кандидат геолого-минералогических наук Брагин, Иван Валерьевич

• Брагин, Иван Валерьевич
• кандидат геолого-минералогических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат геолого-минералогических наук Брагин, Иван Валерьевич

Введение.

Глава 1. Основные определения и понятия.

Глава 2. Методика исследований.

Глава 3. Азотные термальные воды.

3.1. Термальные воды Сихотэ-Алиня.

3.1.1. Физико-географические условия Сихотэ-Алинской области термальных вод.

3.1.2. Геологические и гидрогеологические факторы, способствующие формированию термальных вод Сихотэ

Алиня.

Глава 4. Основные проявления (месторождения) азотных термальных вод Сихотэ-Алиня. История открытия. Геолого-гидрогеологические условия.

4.1. Анненские термальные воды.

4.2. Тумнинские термальные воды.

4.3. Амгинские термальные воды.

4.4. Чистоводненские термальные воды.

Глава 5. Геохимия минеральных термальных вод Сихотэ-Алиня.

5.1. Химический состав азотных терм Сихотэ-Алиня.

5.1.1. Основные ионы.

5.1.2. Микроэлементы.

5.1.3. Редкоземельные элементы (РЗЭ).

Глава 6. Условия формирования вод.

6.1. Особенности взаимодействия вода-порода месторождений термальных вод Сихотэ-Алиня.

6.2. Изотопы кислорода, водорода, стронция в изученных термальных водах Сихотэ-Алиня.

6.3. Состав растворенных и спонтанных газов и их происхождение.

6.4. Температура глубинного резервуара.

6.5. Концептуальная модель формирования термальных вод Сихотэ-Алиня.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Термальные воды Сихотэ-Алиня: состав и условия формирования»

Природные воды интересовали человека с древнейших времен. Как только человек начал замечать, что минеральные воды могут оказывать существенное влияние на состояние его здоровья, появилась потребность в исследовании основ формирования их состава. Узнавая новое, человечество начало применять минеральные воды для оздоровления. С тех пор появилась потребность в углубленном исследовании тонких механизмов формирования и накопления в подземных водах различных химически и биологически активных компонентов (Крайнов, 1992).

Изучение проблемы формирования как подземных вод в целом, так и минеральных вод в частности, традиционно развивается по двум направлениям: гидродинамическому и гидрогеохимическому, которые тесно связаны между собой. Данная работа посвящена решению основных задач гидрогеохимического направления, т.е. установлению общих закономерностей формирования химического состава минеральных вод и роли взаимодействия вода-порода в образовании определенного геохимического типа вод, генезису воды и растворенных газов. Конечной целью исследований было создание целостной концептуальной геохимической модели формирования конкретного геохимического класса минеральных вод.

Данных по химическому составу вод, особенно по основным ионам, накоплено достаточно много, но без изучения состава водовмещающих горных пород и их влияния на состав подземных вод разобраться в процессах формирования месторождений довольно трудно.

Подземные минеральные термальные воды являются сложными многофазными системами, содержащими в растворенном виде различное количество веществ, как органических, так и неорганических, а также и газов.

К настоящему времени, благодаря работам различного рода специалистов, изучены важнейшие гидро-, газо-, геохимические характеристики и типы минеральных вод Европейской части России, на базе которых работают крупные бальнеолечебницы, курорты. Регионы Дальнего Востока России по своему географическому положению и климатическим условиям имеют хорошие перспективы для организации санаторно-курортного лечения. Но, несмотря на это, проявления минеральных термальных вод Дальнего Востока изучены и освоены еще недостаточно. Поэтому автор данной работы уделил внимание восполнению имеющихся пробелов.

Дальний Восток отличается очень сложным геолого-гидрогеологическим строением, наличием разновозрастных и разнотипных водовмещающих пород, широким развитием разломов. Только на территории Сихотэ-Алинской складчатости находится около 10 известных участков проявлений и месторождений термальных вод, в числе которых наиболее известными являются месторождения Чистоводное и Амгу в Приморском крае, Тумнин и Анненское в Хабаровском крае. За время работы над диссертацией автор участвовал в полевых экспедиционных работах на этих месторождениях и имел возможность отобрать образцы термальных и фоновых вод, образцы водовмещающих горных пород, а также растворенных и спонтанно выделяющихся газов. С применением новейшего аналитического оборудования это позволило впервые и на новом уровне изучить химический состав вод, особенности минерального и химического состава пород, взаимодействующих с водой, уточнить газовый состав вод, провести термодинамические расчеты основных показателей термальных вод, создать модель их формирования.

В работе автор рассматривает группу термальных вод, распространение которых захватывает прибрежную часть Приморского и южную часть Хабаровского края. Изученные месторождения рассматриваются относительно основной геолого-тектонической структуры региона - Сихотэ-Алинской складчатой системы, оказывающей основное влияние на формирование терм данной группы. Для сравнения приведены данные, полученные при непосредственном участии диссертанта, Монголо-Охотского пояса и Байкальского рифта, а также использование литературных данных, позволило сопоставить изученный класс вод с месторождениями Корее и Европы.

Проблемами формирования азотных термальных вод в настоящее время мало занимаются, особенно это касается Дальнего Востока России. Существующий геохимический банк данных по азотным термам устарел, и он касался только основных ионов и некоторых специфических, имеющих лечебный эффект (В, Вг и др.). Первые опубликованные достоверные данные по микроэлементному составу для Приморских азотных терм приведены в работах Лучаниновой В.П. и др. (1992), Чудаевой В.А. и др. (1999), для Хабаровских терм в работе ВоШоубЫ ТчГ.У. еХ а1. (2004). В то же время, разрозненные материалы по отдельным объектам не позволяют выявить региональные геохимические закономерности формирования азотных терм.

Актуальность работы. По бальнеологическим показателям термальные воды Сихотэ-Алиня не уступают многим известным курортам Европы, Сибири и Юго-Восточной Азии. Изучение термальных вод на рассматриваемой территории продолжается уже около века. Первым этапом изучения был описательный, в этот период были обнаружены и описаны проявления термальных вод, в единичных случаях начато их использование. Второй этап - гидрогеологическое изучение проявлений, выделение месторождений, изучение химического и газового состава, выявление закономерностей условий формирования изучаемых вод. Третий этап связан с разносторонним гидрогеохимическим исследованием вод. Эти исследования позволили получить данные о химическом и газовом составе термальных вод на современном уровне. Работы, интерпретирующие химический состав азотных терм, как результат взаимодействия системы вода-порода, немногочисленны. Оригинальная парадигма о стадийности формирования химического состава вод в результате взаимодействия вода-порода, предложенная С.Л. Шварцевым, позволяет по-новому рассмотреть геохимические процессы формирования азотных терм. Поэтому автором особое внимание уделялось изучению именно этой системы. С другой стороны, в региональном плане для большой территории Сихотэ-Алиня (протяженность с юго-запада на северо-восток более 1000км) детальных работ, выполненных по единой методике, практически нет. Полученный автором уникальный материал по месторождениям термальных вод Сихотэ-Алиня, анализ и обобщение данных предшественников позволили выявить основные геохимические факторы, определяющие формирование месторождений азотных терм.

Актуальность проблемы вызвана не только научным, но и практическим интересом. Результаты работы могут быть использованы при доразведке и расширении минеральной базы действующих санаториев и курортов, осуществлении прогноза изменения химического состава и обеспечении рациональной эксплуатации разрабатываемых месторождений термальных вод. Представляемая работа содержит современные сведения по геологии, гидрогеологии, гидрогеохимии и генезису термальных вод Сихотэ-Алиня.

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является определение состава термальных вод Сихотэ-Алиня с использованием новейших достижений аналитической техники и установление условий их формирования. Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

1. определение состава вод (макро- и микроэлементы) и изотопных отношений в них;

2. проведение геохимической типизации изученных терм;

3. выяснение генезиса термальных вод;

4. установление особенностей формирования химического состава азотных термальных вод Сихотэ-Алиня.

Методы исследования и фактический материал. Данная работа является итогом исследований, выполненных диссертантом в период обучения в аспирантуре. Маршрутные и другие гидрогеологические исследования выполнены непосредственно автором на наиболее известных разведанных месторождениях термальных минеральных вод Сихотэ-Алиня.

Фактический материал получен автором в результате работ, проводимых в качестве аспиранта Дальневосточного Геологического Института ДВО РАН под руководством зав. лабораторией и научного руководителя д.г.-м.н. О.В. Чудаева. В процессе работы также привлекались материалы производственных отчетов В.В. Кулакова, С.И. Батюкова, Н.М. Богаткова и других исследователей. Часть фактического материала получена при совместной работе с В.А.Чудаевой (ТИТ ДВО РАН).

Основные методы исследования: полевые маршруты с целью обследования месторождений термальных минеральных вод на территории юга Дальнего Востока (Приморский и Хабаровский края), отбора проб горных пород, гидрогеохимическго опробования подземных пресных (фоновых) и минеральных вод; определение основных физико-химических параметров вод в полевых условиях (рН, ЕЬ, БЕС, БО, Т°С, НСОз" - путем титрования и др.); определение концентраций основных ионов методом жидкостной хроматографии; установление концентраций микроэлементов, включая редкие земли (РЗЭ), а также содержания изотопов кислорода и водорода методом масс-спектрометрии; в выявление содержания изотопов трития методом альфа-бета спектрометрии; определение содержания газовой компоненты методом газовой хроматографии; изучение аншлифов водовмещающих пород методом рентгеноспектрального микрозондового анализа; теоретические разработки, включающие установление условий формирования химического состава термальных вод, и компьютерное моделирование с использованием программного обеспечения (НуёгоОео, АяиаСЬеш, Wateq4f).

Научная новизна. Впервые для группы термальных вод Сихотэ-Алиня, на новом аналитическом уровне, получены данные по микроэлементному и изотопному составу вод, а также содержанию РЗЭ. Основываясь на полученных данных, диссертантом сделаны выводы о происхождении водной и газовой компонент вод, определены условия формирования химического состава термальных вод, выявлены основные процессы, контролирующие поступление химических элементов в воду. Установлены особенности, присущие изученному типу вод, а также построена концептуальная геохимическая модель формирования азотных термальных вод Сихотэ-Алиня. Проведено сравнение изученных терм с водами сходного геохимического типа Монголо-Охотского пояса, Байкальского рифта, Горного Алтая и др.

Практическая ценность. Результаты работы могут быть использованы при доразведке и расширении минеральной базы действующих санаториев, курортов и бальнеолечебниц, осуществлении прогноза изменения химического состава терм и обеспечении рациональной эксплуатации разрабатываемых месторождений термальных вод.

Апробация работы. Представленная работа была выполнена в лаборатории океанического литогенеза и рудообразования ДВГИ ДВО РАН. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на Международном совещании в Японии, 2006 (ЛСА8Р-5), конференции молодых ученых «Современные проблемы геохимии», Иркутск, 2007; 12-ом международном симпозиуме «Взаимодействие вода-порода» (\VRI-12), Китай, 2007; на международном совещании по водным ресурсам и качеству вод стран Азиатско-Тихоокеанского региона (СРС-2008), Владивосток, 2008; на 38-м международном симпозиуме гидрогеологов (1АН-2010), Польша, 2010; а также на 1-ой и 3-ей региональной конференциях молодых ученных

Современные проблемы геологии, геохимии и геоэкологии Дальнего Востока России», Владивосток (2006 и 2010 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, среди которых 3 статьи в центральных изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 статья находится в печати.

Исследования термальных вод Сихотэ-Алиня проводились автором с 2005 г. и были поддержаны грантами РФФИ 07-05-00282-а, ДВО РАН № 09-III-B-08-448, №10-3-В-08-194, №i 1-3-В-08-176.

Структура и объем работы. Настоящая кандидатская диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения и списка литературных источников, состоящего из 67 наименований. Работа изложена на 105 страницах, включая 24 рисунка и 9 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Гидрогеология», Брагин, Иван Валерьевич

Заключение

Изученные минеральные подземные воды локализованы в восточной части Сихотэ-Алинского вулканогенного пояса и являются низкоминерализованными (минерализация 0.14-0.27 мг/л), слабощелочными (рН 8.0-9.4) азотными термами. По условиям формирования гидрокарбонатные натриевые воды (Тумнин, Амгу, Чистоводное) относятся к трещинно-жильным водам, формирующимся в массивах кристаллических пород, в то время как сульфатно-гидрокарбонатные натриевые (Анненские) располагаются преимущественно в вулканогенно-осадочных породах. Выходы термальных вод приурочены к зонам тектонических нарушений (сдвигам и трещинам). Обращает на себя внимание последовательное увеличение температуры вод с юга на север Сихотэ-Алиня, что может быть связано с увеличением глубины циркуляции вод, а также с повышением термоградиента.

Сравнение изученных термальных вод с термами аналогичного типа Монголо-Охотского пояса (Кульдур), Байкальского рифта, Горного Алтая (Белокуриха) и других проявлений показало, что основной вклад в общую минерализацию вод (TDS) вносит натрий, гидрокарбонат-ион и отчасти кремний, содержание которых зависит от температуры вод. Также следует отметить увеличение содержания сульфат-иона в областях, где среди водовмещающих пород встречаются осадочные породы, с вкрапленностями сульфидов (Анненские, Амгу, Байкальский рифт, Белокуриха). Обратная зависимость между содержанием натрия и кальция объясняется тем, что в процессе формирования химического состава вод натрий имеет преимущество перед кальцием в процессе выщелачивания его из породообразующих минералов. Содержание в водах кальция ограничено карбонатным барьером, который приводит к связыванию кальция во вторичные минералы, например кальцит. Можно сказать, что изученные воды уже прошли этап первичного накопления в них кальция и находятся на стадии накопления натрия.

Содержание и поведение химических элементов в изученных термальных водах контролируется скоростью водообмена и формированием вторичных равновесных минералов. Впервые полученные данные по редкоземельным элементам свидетельствуют об их низкой концентрации, близкой к содержанию РЗЭ в атмосферных осадках. Минералом, контролирующим содержания Ьа, Се, N(1, 8ш, вё в изученных термах является монацит.

Таким образом, формирование геохимического облика термальных вод Сихотэ-Алиня - довольно сложный процесс. По данным результатов изотопных исследований изученные термальные воды представляют собой молодые инфильтрационные воды. Геохимический облик воды формируется в результате активного взаимодействия с вмещающими породами, в силу равновесно-неравновесного характера такого взаимодействия. Перед выходом на дневную поверхность термальные воды смешиваются с водами зоны гипергенеза, окончательно формируя свой химический состав. Газовая составляющая терм имеет атмогенное происхождение и не оказывает существенного влияния на химический состав вод, поскольку представлена, в основном, инертным азотом, не участвующим в химических реакциях.

Список литературы диссертационного исследования кандидат геолого-минералогических наук Брагин, Иван Валерьевич, 2011 год

1. Алекин O.A. Основы гидрогеохимии. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1970. 443с.

2. Барабанов JI.H., Дислер В.Н. Азотные термы СССР. Москва: Геоминвод, 1968.- 120 с.

3. Богатков Н.М. Минеральные источники Приамурья // Вопросы специальной гидрогеологии Сибири и Дальнего Востока. Иркутск, 1962. С.48-52.

4. Богатков Н.М., Кулаков В.В. Анненские термы. //Советская геология. 1966. -№5.-С. 153-155.

5. Боголюбов А.Н., Корпляков О.П., Бенкевич Л.Г., Юденич B.C. Изотопы гелия в подземных водах Приморья // Геохимия. 1984. - №8. - С. 1241-1244.

6. Брагин И.В., Челноков Г.А. Геохимия термальных вод юга Дальнего Востока // Современные проблемы геохимии: материалы конференции молодых ученых, Иркутск, 4-7 апреля 2007г. Иркутск: Изд-во Института географии им. В .Б. Сочавы СО РАН, 2007. - С. 87-90.

7. Брагин И.В., Челноков Г.А. Геохимия термальных вод Сихотэ-Алиня. Газовый аспект // Вестник ДВО РАН. 2009. - №4. - С. 147-151.

8. Виноградов А.П. Геохимия редких и рассеянных элементов в почвах. Москва: изд-во АН СССР, 1957.-239с.

9. Гаррелс P.M., Крайст Ч.Л. Растворы, минералы, равновесия. Москва: Мир, 1968.-367с.

10. Гидрогеология СССР, том 25 (Приморский край). Москва: Недра, 1969. 371с.

11. Гидрогеология СССР, том 23 (Хабаровский край и Амурская область). Москва: Недра, 1971.-405с.

12. ГОСТ 13273-88 Воды минеральные питьевые лечебные и лечебно-столовые. Технические условия. Москва: Недра, 1988. 15с.

13. Замана JI.B. О происхождении сульфатного состава азотных терм Байкальской рифтовой зоны // Геохимия. 2000. - №3. - С. 361-363.

14. Замана JI.B., Аскаров Ш.А., Борзенко C.B., Чудаев О.В., Брагин И.В. Изотопы сульфидной и сульфатной серы в азотных термах баунтовской группы (Байкальская рифтовая зона) // Доклады РАН. 2010. - том 435. - №3. -С. 369-371.

15. Иванов В. В., Невраев Г. А. Классификация подземных минеральных вод. Москва: Недра, 1964. 167с.

16. Каргина А.П., Рудич В.В. Минеральные воды Дальнего Востока. Владивосток: Дальнаука, 1994. 37с.

17. Кирюхин В.А., Резников A.A. Новые данные по химическому составу азотных терм юга Дальнего Востока // Вопросы специальной гидрогеологии Сибири и Дальнего Востока. Иркутск, 1962. С. 71-83.

18. Крайнов С.Р. Геохимия редких элементов в подземных водах. Москва: Недра, 1973. -295с.

19. Крайнов С.Р., Швец В.М. Гидрогеохимия. Москва: Недра, 1992. 237с.

20. Куликов Г.В., Жевлаков A.B., Бондаренко С.С. Минеральные лечебные воды СССР. Справочник. Москва: Недра, 1991. 399с.

21. Ленский JI.A. Физика и химия трития. Москва: Энергоиздат, 1981. 113с.

22. Ломоносов И.С. Геохимия и формирование современных гидротерм Байкальской рифтовой зоны. Новосибирск: Наука, 1974. 166с.

23. Лучанинова В.П., Каргина А.П., Рудич В.В. Минеральные воды Приморского края и их использование// Вестник ДВО РАН. 1992. - №4. - С. 125-129.

24. Овчинников А.М. Общая гидрогеология. Изд. 2-ое, испр. и доп. Москва: Госгеолтехиздат, 1955. 385с.

25. Перельман А.И., Геохимия природных вод, Монография. Москва: Наука, 1982,.- 154с.

26. Посохов Е.В. Общая гидрогеохимия. Л.: Недра, 1975. 208с.

27. Рыженко Б.Н., Барсуков Вик., Князева С.Н. Химические характеристики (состав, pH, Eh) системы порода/вода.1 Система гранитоиды/вода.// Геохимия. 1996. -№5. -С. 436-454.

28. Рыженко Б.Н. Крайнов С.Р. О влиянии соотношения реагирующих масс породы на формирование химического состава природных водных растворов в системах, открытых по С02 //Геохимия. 2000. - №8. - С. 803-815.

29. Рынков B.C. Подземные воды Дальнего Востока. Владивосток: Дальнаука, 1988. -78с.

30. Сойфер В. Н., Горячев В. А., Вакуловский С. М., Катрич И. Ю. Тритиевые исследования природных вод в России. Москва: ГЕОС, 2008. 286с.

31. Уткин В.П. Сдвиговые дислокации, магматизм и рудообразование. Москва: Наука, 1989,- 161с.

32. Ханчук А.И., Раткин В.В., Рязанцева М.Д., Голозубов В.В., Гонохова Н.Г. Геология и полезные ископаемые Приморского края. Владивосток: Дальнаука, 1995. 68с.

33. Челноков А.Н., Челнокова Б.И., Дружинина М.В., Алексеенко О.И. Результаты региональной оценки прогнозных ресурсов минеральных вод Приморского края за 1991-94 гг. // Фонды Приморгеолкома, ПГГП Гидрогеологической экспедиции. Владивосток, 1994. 500с.

34. Челноков Г.А., Харитонова H.A. Углекислые минеральные воды юга Дальнего Востока России // Владивосток: Дальнаука, 2008. 165 с.

35. Чудаева В.А., Чудаев О.В., Челноков А.Н., Эдмунде М., Шанд П. Минеральные воды Приморья (химический аспект). Владивосток: Дальнаука, 1999. 160с.

36. Чудаева В.А., Чудаев О.В. Качество природных вод Дальнего Востока // Вестник ДВО РАН. 2001. - №2. - С. 28-36.

37. Чудаева В.А., Чудаев О.В. Особенности химического состава воды и взвесей рек Приморья (Дальний Восток России) // Тихоокеанская геология. 2011. - том 30, №2.-С. 102-119.

38. Чудаев О.В. Состав и условия образования современных гидротермальных систем Дальнего Востока России. Владивосток: Дальнаука, 2003. 211с.

39. Чудаев О.В., Чудаева В.А., Брагин И.В. Геохимия термальных вод Сихотэ-Алиня // Тихоокеанская геология. 2008. - том 27. - №6. - С. 73-81.

40. Шварцев C.JI. Взаимодействие вод с горными породами // Основы гидрогеологии. Гидрогеохимия. Ред. Шварцев C.JI. Новосибирск: Наука, 1982. С. 92-116.

41. Шварцев С.JI. Общая гидрогеология. Москва: Недра, 1996. 325с.

42. Шварцев C.JI. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. Москва: Недра, 1998. 366с.

43. Юшакин Е.П. Отчет об обследовании минеральных источников Приморского края. //Рукопись Приморского геологического управления. Владивосток. 1968. - 298с.

44. Arnorsson, S., Gunnlaugsson, Е. & Svavarsson, Н. The chemistry of geothermal waters in Iceland III. Chemical geochemistry in geothermal investigations. Geochim. Cosmochim. Acta 47. 1983. - pp. 567-577.

45. Ball, J.W. & Nordstrom, D.K. 1991. User's manual for WATERQÍ4 with revised thermodynamic data base and test cases for calculating speciation of minor, trace and redox elements in natural waters. U.S.Geol.Surv.Open File Rep., 91-183.

46. Boldovski N.V., Kulakov V.V. Continental hydrothermal systems in the South of the Far East// Tectonics, Magmatism and Metallogeny. Proceedings of the Interim IAGOD conference. Vladivostok/Russisa: 1-20 September. 2004. - P. 623-625.

47. Chudaev O.V. Chudaeva V.A., Bragin I.V. Chemical Composition and Origin of the Coastal Zone Thermal Springs in Far East Russia // Management and Sustainable Development of Coastal Zone Environments. India, New Delhi: Springer, 2010. -pp. 162-174.

48. Chudaeva V.A. Lutsenko Т., Chudaev O.V., Chelnokov A.N., Edmunds M., Schand P. Thermal waters of the Primorye region. Eastern Russia: Proceedings of International58.