Гидрогеология и гидрогеохимия месторождения радоновых вод "Каменское" (г. Новосибирск)

Abstract

Актуальность исследования состоит в получении новых сведений о гидрогеологии и гидрогеохимии слабоизученных месторождений радоновых вод города Новосибирска на юге Западной Сибири. Новосибирск относится к числу тех немногих городов России, которые были заложены на гранитах - источнике эманации радона (222Rn). В геологическом отношении изучаемая территория приурочена к внутренней области крупного Новосибирского гранитоидного массива. Научных обобщений имеющегося фактического материала не проводилось. Цель: выявление особенностей гидрогеологического строения и гидрогеохимии месторождения радоновых вод «Каменское», изучение форм миграции химических элементов в водах и оценка степени их насыщения относительно ряда карбонатных, сульфатных и силикатных минералов. Методы. Отбор проб выполнялся в соответствии с общепринятыми методиками. Обобщение и анализ гидрогеохимических данных проводилось с применением программных средств Microsoft Excel, STATISTICA, SURFER, Grid Master. В среде программных комплексов Visual Minteq и WATEQ4f выполнены физико-химические расчеты форм миграции химических элементов в радоновых водах и степени их насыщения к ряду породообразующих минералов. Результаты: в гидрогеологическом разрезе месторождения радоновых вод «Каменское» геологоразведочными работами установлено два водоносных комплекса (сверху вниз): поровых вод четвертичных отложений и трещинно-жильных вод верхнепалеозойских гранитов. В условиях Центрального района города Новосибирска, где почти вся площадь поверхности покрыта асфальтом и занята под сооружения и инфильтрация атмосферных осадков осложнена, естественный режим питания подземных вод нарушен. Порово-пластовые воды четвертичных отложений, воды зоны региональной трещиноватости и трещинно-жильные воды верхнепалеозойских гранитов находятся в единой области смешения, на которую оказывают влияние процессы подтопления и антропогенного загрязнения. В этой связи в водоносном комплексе верхнепалеозойских гранитов выделяется две гидрогеохимической зоны: верхняя - воды зоны региональной трещиноватости в зоне подтопления в условиях антропогенного воздействия, и нижняя - трещинно-жильные минеральные радоновые воды. Минеральные радоновые трещинно-жильные воды гранитов, не подверженные антропогенному влиянию установлены в скв. 4п (интервал 73-74 м) и в скв. 16 на глубинах от 73 до 128 м. Они холодные собственно пресные HCO3 Na-Ca и HCO3 Na-Mg-Ca состава с величиной общей минерализации от 613,4 до 689,9 мг/дм3 с содержанием кремния 10,3-13,6 мг/дм3. Они характеризуются рН от нейтральных до слабощелочных (6,9-7,8), кислородно-азотным составом водорастворенных газов. Установленная активность 222Rn варьирует в диапазоне 1101-1570 Бк/дм3 (сильно радоновые воды по классификации Н. И. Толстихина); содержания: 238U от 5,6∙10-3 до 6,5∙10-3 мг/дм3 и 226Ra от 2,7∙10-9 до 1,8∙10-8 мг/дм3. С ростом общей минерализации радоновых вод доля простых катионных форм Mg2+, Ca2+, Na+, Sr2+, Ba2+ в растворе уменьшается, это связано с образованием труднорастворимых карбонатных и сульфатных соединений. В радоновых водах формы Fe(II) представлены в виде Fe2+, FeHCO3+, FeCO3 0. Fe(III) мигрирует в форме положительно заряженных гидроксокомплексов Fe(OH)2 + и нейтральных Fe(OH)3 0. Среди форм миграции марганца доминирует простой катион Mn2+ (43,71-99,99 %), остальные формы представлены MnHCO3 + (9,89-28,27 %), MnCO3 0 (0,01-37,39), еще в меньшей степени MnSO4 0 (0,20-2,25 %), MnCl+ (0,04-1,12 %) и MnOH+ (0,01-0,05 %). Химические формы миграции тяжелых металлов (никеля и меди) представлены в виде свободных катионов (Ni2+, Cu2+), гидрокарбонатных (NiHCO3 -, CuHCO3 -) и карбонатных (NiCO3 0, CuCO3 0) комплексов. Медь также мигрирует в нейтральной форме Cu(OH)2 0. Бериллий (1 класс опасности) мигрирует в форме гидроксокомплекса Be(OH)2. Установленные особенности геохимических типов вод, долевого распределения форм и коэффициентов водной миграции химических элементов выявили усложнение состава равновесных минералов от сидерита, ферригидрита и гриналита в поверхностных водах до их насыщения кальцитом, доломитом, магнезитом, родохрозитом и тальком в трещинно-жильных водах верхнепалеозойских гранитов. Формы миграции химических элементов обуславливают механизмы растворения/осаждения минеральных соединений.

The relevance of the research consists in obtaining new information on hydrogeology and hydrogeochemistry of underexplored fields Novosibirsk radon waters in the south of Western Siberia. Novosibirsk is one of those few cities in Russia that were laid on granites - a source of radon emanation (222Rn). The study area is confined to the inner area of the large Novosibirsk granitoid massif. There were no scientific generalizations of the available factual material. The aim of the research is to identify the features of the hydrogeological structure and hydrogeochemistry of the mineral hydro-radon occurrence «Kamenskoe» and to study the forms of migration of chemical elements and the saturation degree to minerals. Methods. Sampling was carried out in accordance with generally accepted methods. Compilation and analysis of hydrogeochemical data was carried out using the software Microsoft Excel, STATISTICA, SURFER, Grid Master. In the environment of Visual Minteq and WATEQ4f software packages, physicochemical calculations of the migration forms of chemical elements in radon waters and the degree of their saturation to a number of rock-forming minerals were performed. Results. In the hydrogeological section of the «Kamenskoe» hydro-radon occurrence two aquifers: pore water of Quaternary aquifer and fissure-vein waters of Upper Paleozoic granites, were established (from top to bottom). In the central part of Novosibirsk, the infiltration of atmospheric precipitation is complicated, the natural regime of groundwater supply is disturbed. Pore-stratal waters of Quaternary sediments, waters of the zone of regional fracturing and fracture-vein waters of Upper Paleozoic granites are located in a common mixing area, which is influenced by flooding and anthropogenic pollution. Thus, in the water-bearing complex of the Upper Paleozoic granites, two hydrogeochemical zones are distinguished: the upper one is the waters of the regional fracturing zone in the flooding area under anthropogenic impact, and the lower one is the fractured-vein mineral radon waters. Mineral radon fissure-vein waters of granites are not subject to anthropogenic influence and are installed in well no. 4p (interval 73-74 m) and in well no. 16 at depths from 73 to 128 m. They are cold, fresh, HCO3 Na-Ca and HCO3 Na-Mg-Ca composition with TDS from 613,4 to 689,9 mg/dm3 and silicon content 10,3-13,6 mg/dm3 . They are characterized by pH from neutral to slightly alkaline (6,9-7,8) and oxygen-nitrogen composition of water-dissolved gases. The established activity of 222Rn varies in the range of 1101-1570 Bq/dm3 (strongly radon waters according to the classification of N.I. Tolstikhin); content: 238U from 5,6∙10-3 to 6,5∙10-3 mg/dm3 and 226Ra from 2,7∙10-9 to 1,8∙10-8 mg/dm3 . With an increase in the total mineralization of radon waters, the proportion of simple cationic forms of Mg2+, Ca2+, Na+ , Sr2+, Ba2+ in solution decreases, which is associated with the formation of hardly soluble carbonate and sulfate compounds. In radon waters, Fe(II) forms are presented as Fe2+, FeHCO3 +, FeCO3 0. Ferrum (III) migrates in the form of positively charged hydroxo complexes Fe(OH)2 + and neutral Fe(OH)3 0. Among the forms of manganese migration, the simple cation Mn2+ (43,71-99,99 %) dominates, the remaining forms are represented by MnHCO3 + (9,89-28,27 %) and MnCO3 0 (0,01-37,39), to an even lesser extent MnSO4 0 (0,20-2,25 %), MnCl+ (0,04-1,12 %) and MnOH+ (0,01-0,05 %). The chemical forms of migration of heavy metals (nickel and copper) are presented in the form of free cations (Ni2+, Cu2+), hydrocarbonate (NiHCO3 -, CuHCO3 -) and carbonate (NiCO3 0, CuCO3 0) complexes. Copper also migrates in the neutral form Cu(OH)2 0. Beryllium (hazard class 1) migrates in the form of the hydroxo complex Be(OH)2. The established features of the geochemical types of waters, the proportional distribution of forms and coefficients of water migration of chemical elements revealed the complication of the composition of equilibrium minerals from siderite, ferrihydrite, and greenalite in surface waters to saturation with calcite, dolomite, magnesite, rhodochrosite, and talc in fractured vein waters of the Upper Paleozoic granites. The forms of migration of chemical elements determine the mechanisms of dissolution/precipitation of mineral compounds.