Равновесно-неравновесное состояние природных вод территории Торейских озер (Восточное Забайкалье) с ведущими минералами вмещающих пород

Abstract

Актуальность работы связана с вопросами формирования химического состава подземных вод в природных обстановках, решение которых, в рамках рассматриваемой гипотезы о взаимодействии воды с породами, невозможно без понимания степени равновесия вод с минералами вмещающих пород. Особую специфику этой проблеме придает широкое распространение на территории трещиноватых вулканогенных структур и соленых озер, а также засушливый климат. При этом существующие гипотезы выделяют испарительные процессы как ведущий фактор, приводящий к засолению вод, игнорируя все прочие. Между тем для подземных вод это неочевидно. Общая теория взаимодействия в системе вода-порода может раскрыть механизм формирования вод разного состава, выделить разные этапы соленакопления, включая содовый этап, который нельзя объяснить только процессами испарения. Для этого необходимо провести расчеты степени насыщенности вод относительно минералов вмещающих пород. Цель: оценить равновесно-неравновесное состояние природных вод территории с минералами вмещающих пород на разных этапах эволюционного развития, определить возможный набор вторичных минералов на каждом этапе и выделить необходимые гидрогеохимические параметры для их образования. В дальнейшем результаты будут использоваться для изучения механизмов формирования подземных вод. Объекты. На пути формирования химического состава подземные воды проходят несколько этапов своего развития, среди них: атмогенный (атмосферные воды как источник питания), литогенный (при взаимодействии с вмещающими породами) и испарительный (при взаимодействии с озерными водами, подвергающимся испарению). Чтобы проследить всю эволюцию состава, кроме непосредственно подземных вод верхней динамической зоны (родники, колодцы и скважины глубиной до 70 м, всего 69 проб), также были изучены атмосферные (6 проб), речные (9 проб) и озерные (10 проб) воды. Методы. Макрокомпонентный состав воды определялся современными стандартными методами: титриметрическим, потенциометрическим, фотометрическим, атомно-абсорбционной спектрометрией с пламенной атомизацией и пламенной атомно-эмиссионной спектрометрией в ИПРЭК СО РАН, микрокомпонентный - методом ICP-MS в ТПУ. Петрографические и минералогические исследования вмещающих пород проводились при помощи растровой электронной микроскопии в ТГУ. Физико-химическое моделирование равновесий в системе вода-порода рассчитывалось с использованием программного комплекса HydroGeo. Затем результаты расчетов сравнивались с натурными наблюдениями. Результаты. Термодинамические расчеты в системе вода-порода показали, что все природные воды района Торейских озёр от атмосферных осадков до соленых озер неравновесны относительно первичных алюмосиликатов (в особенности базальтов, встреченных на севере района исследований), которые они непрерывно растворяют на всем протяжении этого взаимодействия, и равновесны относительно вторичных минералов, которые они формируют (гиббсит, каолинит, монтмориллониты, различные карбонаты, хлориты, альбит, микроклин, мусковит и др.). Приведены полученные нами при расчетах основные физико-химические параметры (химический состав, рН и соленость воды), контролирующие образование определенного вторичного минерала.

The relevance of the work is related to the issues of the groundwater's chemical composition formation in environmental conditions, the solution of which, within the framework of the considered hypothesis of the interaction of water with rocks, is impossible without understanding the stage of water's equilibrium with minerals of host rocks. This problem is particularly specific due to the wide distribution of fissured volcanogenic structures and salt lakes in the territory, as well as the dry climate. At the same time, existing hypotheses single out evaporation processes as the key factor leading to water salinization, ignoring all others. Meanwhile, this is not obvious for groundwater. The general theory of interaction in the water-rock system can reveal the mechanism of water's different composition formation, distinguish different stages of salt accumulation, including the soda stage, which cannot be explained only by evaporation processes. To do this, it is necessary to calculate the degree of water saturation relative to the minerals of the host rocks. The aim of the research is to assess the equilibrium-nonequilibrium state of the natural waters in the territory with minerals of host rocks at different stages of evolutionary development, to determine the possible set of secondary minerals at each stage and to identify necessary hydrogeochemical parameters for their formation. In the future, the results will be used to study the mechanisms of groundwater formation. Objects. During chemical composition formation, groundwater goes through several stages of its development, among them: atmospheric (atmospheric waters as a source of nutrition), lithogenic (when interacting with host rocks) and evaporative (when interacting with lake waters that undergo evaporation). In order to trace the entire evolution of the composition, in addition to the directly groundwater of the upper dynamic zone (springs, wells and boreholes up to 70 m deep, 69 samples in total), atmospheric (6 samples), river (9 samples) and lake (10 samples) waters were also studied. Methods. Water's macrocomponent composition was determined by modern standard methods: titrimetric, potentiometric, photometric, atomic absorption spectrometry with flame atomization and flame atomic emission spectrometry at the INREC SB RAS (Chita), microcomponent - by the ICP-MS method at TPU (Tomsk). Petrographic and mineralogical studies of host rocks were carried out using scanning electron microscopy at TSU (Tomsk). Physico-chemical modeling of equilibria in the water-rock system was calculated using the HydroGeo software package. Then the calculation results were compared with natural observations. Results. Thermodynamic calculations in the water-rock system showed that all natural waters of the Torey Lakes area from atmospheric precipitation to salt lakes are nonequilibrium with respect to primary aluminosilicates (especially basalts, which are found in the north of the study area), which they continuously dissolve throughout this interaction, and are in equilibrium with respect to secondary minerals they form (gibbsite, kaolinite, montmorillonites, various carbonates, chlorites, albite, microcline, muscovite, etc.). The paper introduces the main physicochemical parameters (chemical composition, pH and salinity of water) obtained by the authors in the calculations, which control the formation of a certain secondary mineral.