Конспект лекций Минск, 2000 г. Рекомендуемая литература

Вопросы геохимии промышленных вод. Промышленными называются природные воды (подземные и поверхностные), содержащие такие концентрации элементов, которые обеспечивают в конкретным гидрогеологических условиях на данном уровне развития технологии экономически целесообразную их добычу и переработку.
История использования подземных вод для промышленного извлечения полезных компонентов начинается с солеварения, которое производилось в России уже в 15–16 веках. В дальнейшем природные (в том числе подземные) воды становятся промышленным сырьём для получения ценных и редких компонентов. Эта тенденция продолжается и в настоящее время. Совсем недавно 97 % перспективных запасов лития капиталистических стран приходилось на гранитные пегматиты. Сейчас же 55 % мировых запасом лития сосредоточено в природных водах. В США 85 % всего лития добывается из подземный рассолов так называемых сухих озёр Сёрлз, Сильвер–Пик и Большого Солёного. В СНГ из подземных вод в промышленных масштабах извлекают в настоящее время только бром и иод (Туркмения, Крым). Однако изученность подземных вод позволяет надеяться на расширение как ассортимента добываемых из подземных вод элементов, так и районов добычи.
Специализированные исследования распределения химических элементов в подземных водах показали, что среди всего многообразия этих вод имеется только несколько их геохимических типов, которые могут представлять интерес в качестве промышленных. Такими подземными водами являются: а) пластовые рассолы артезианских бассейнов платформ, краевых прогибом и межгорных впадин; б) трещинно–жильные и пластовые углекислые воды горно–складчатых областей, особенно в районах позднечетвертичного и современного магматизма; в) парогидротермы районов современного магматизма.
Наибольший интерес для нас представляет первый из названных типов промышленных вод — рассолы. Такие рассолы приурочены к геологическим структурам, содержащим галогенные формации. В генетическом отношении эти рассолы представляют собой метаморфизованные (т.е. преобразованные при взаимодействии с породами) маточные (седиментационные) рассолы солеродных бассейнов. Промышленные рассолы известны в ряде бассейнов: в Ангаро–Ленском, Волго–Уральском, ряде бассейнов Западной Европы, бассейне Мичиган (США), в Припятском прогибе в Беларуси. Промышленные рассолы приурочены к подсолевым, межсолевым и внутрисолевым отложениям. Здесь уместно сказать, что в бассейнах с эвапоритами (солями) рассолы обычно присутствуют и в надсолевом осадочном комплексе. Однако, эти рассолы другого генетического типа; сформировались они в результате выщелачивания верхних частей соленосных толщ (они так и называются “рассолы выщелачивания”) и содержат очень мало редких элементов. Рассолы выщелачивания характеризуются высокими отношениями Cl/Br (> 200–1000) и r Na/r Cl (> 0,9) (r — означает эквивалентную форму выражения концентрации).
Маточные (или седиментационные) рассолы характеризуются очень низкими отношениями Cl/Br (до 30–50) и r Na/r Cl (до 0,01 и менее). С помощью этих коэффициентов гидрогеохимики различают рассолы разного происхождения.
Итак, промышленные рассолы подсолевых, межсолевых и внутрисолевых отложений имеют максимальную для подземных вод минерализацию (до 640 г/л) и содержат наиболее высокие из известных в настоящее время концентраций рубидия (960 мг/л), цезия (25 мг/л), бора (23 г/л), стронция (10 г/л), брома (17 г/л), калия (60 г/л), магния (110 г/л), кальция (205 г/л). Главная причина формирования высоких содержаний редких элементов в такого рода рассолах — испарительное концентрирование морской воды ещё на поверхности при образовании солевых отложений и накопление этих элементов преимущественно в жидкой фазе.
Велики запасы таких промышленных рассолов у нас в Припятском бассейне. Общая масса химических элементов в белорусских подземных рассолах оценена нами такими цифрами: иод — 40 млн т, бор — 100 млн т, стронций — 3,4 млрд т, бром — 6,5 млрд т. Проблемой, препятствующей использованию рассолов Припятского прогиба, является низкая технологичность рассолов, вследствие значительной минерализации и высоких концентраций мешающих компонентов (Na, Ca и др.). Говоря другими словами, сейчас отсутствует приемлемая технология комплексного использования вещества рассолов, которая, к тому же, предполагала бы безопасную утилизацию отходов производства. В отсутствие технологии разделения рассолов на отдельные полезные продукты ищется и находится применение белорусским рассолам в целом, практически без какой–бы то ни было переработки. Так, их можно при определённом разбавлении использовать для компрессов и ванн при радикулитах, остеохондрозах и т.п., как аналог широко распространённого средства — бишофита; их можно использовать для приготовления негорючих строительных блоков; для подкормки сельскохозяйственных культур. Наконец, начинают пытаться применить рассолы как средство, блокирующее влияние радионуклидов на организм культурных растений и домашних животных, а значит и человека. Главными загрязнителями территории Беларуси после аварии на Чернобыльской АЭС оказались радиоактивные изотопы стронция и цезия, т.е. как раз тех элементов, которых много в рассолах. Если рассолы добавлять в пищу скоту или в почву, на которой произрастают растения, то потребность организмов в стронции и цезии будет удовлетворяться, главным образом, за счет нерадиоактивных изотопов из подземных рассолов. (Помните, как в первые дни после аварии, когда ещё не распался радиоактивный иод, Минздрав рекомендовал принимать раствор иода).
Второй тип промышленных подземных вод — углекислые воды с минерализацией 5–35 г/л и высокими концентрациями лития, рубидия, цезия, бора, мышьяка, сурьмы, германия — установлен в районах альпийской складчатости (Кавказ, Камчатка, Италия, Япония и др.). Положительный фактор для использования вод этого типа — их небольшая минерализация, отрицательный — небольшие эксплуатационные запасы и небольшие дебиты скважин.
Третий тип промышленных подземных вод — парогидротермы (перегретые воды) районов современного вулканизма. Далеко не все парогидротермы содержат высокие концентрации редких элементов, а только те из них, которые ассоциируют с породами (например, галогенными), являющимися мощным источником таких элементов. Такое сочетание имеет место в Италии, где установлены бороносные парогидротермы Тосканы. Эти парогидротермы, имеющие температуру 100–240 °С и содержащие сотни мг/кг бора, используются для извлечения этого элемента после использования вод в геотермальных станциях.
Сказав о парогидротермам, мы по существу перешли к вопросу о геохимии термальных вод. Наполним, что термальными называются подземные воды с температурой выше 35 °С. Различаются термальные воды (абсолютное преобладание жидкой фазы), парогидротермы (паро–водяная смесь) и горячие пары воды.
Значение геохимических исследований термальных вод, используемых для теплоэнергетических целей (а таким образом эти воды активно используются в США, Мексике, Исландии, Новой Зеландии), состоит в том, что при разведке месторождения и подготовке его к эксплуатации кроме температуры и дебита скважин изучают также химический и газовый состав вод, чтобы избежать выпадения осадка а эксплуатационном оборудовании, учесть возможную агрессивность вод, спланировать режим эксплуатации месторождения и условия сброса отработанных вод. Значение геохимических исследований термальных вод состоит также и в том, что эти воды часто содержат повышенные или высокие концентрации ценных, в том числе биологически активных компонентов, имеющим промышленное или лечебное значение. Во многих случаях целесообразно использовать термальные воды одовременно для теплофикации, лечебных целей и извлечения химических элементов. Кстати говоря, теплоэнергетика в странах СНГ оказывается не главной областью применения термальных вод. Эти воды здесь для энергетики используются пока недостаточно. Можно назвать Камчатку, где работает Паужетская геотермальная электростанция, где термы Паратунской гидротермальной системы используются для обогрева теплиц, детских лагерей и санатория; можно назвать Тбилиси, Махачкалу, Баку, Грозный, Майкоп, где используется подземное тепло.
Термальные воды по составу исключительно разнообразны и приурочены как к складчатым областям, так и к платформам. В складчатых областях они тяготеют к районам интенсивного проявления кайнозойского вулканизма и новейших тектонических движений, где наблюдаются многочисленные выходы термальных вод на поверхность земли, связанные с зонами крупных тектонических разломов, а особенно с узлами их пересечения.
Большие ресурсы термальных вод сосредоточены и в пределах платформ, в том числе древних. Здесь значительное место среди термальных вод принадлежит хлоридным натриевым и кальциевым рассолам, залегающим в нижней части чехла. Большая масса термальных рассолов сосредоточена и в Припятском прогибе. Их температура здесь обычно 40–70 °С. Максимальные же температуры рассолов в Припятском прогибе превышают 100 °С. Когда–то давно поднимался вопрос об изучении возможности использования белорусских рассолов для энергетических целей. Однако, тогда, когда республика получала в достатке дешевые энергоносители из Сибири, использование наших рассолов для энергетики было признано нецелесообразным. С тех пор, насколько мне известно, этот вопрос не поднимался и не изучался.