Конспект лекций Минск, 2000 г. Рекомендуемая литература

Институт геохимии и геофизики Национальной академии наук Беларуси
Белорусский государственный университет


А.А. Махнач


ГИДРОГЕОХИМИЯ
(конспект лекций)

Минск, 2000 г.
Рекомендуемая литература

1. С.Р. Крайнов, В.М. Швец “Основы геохимии подземных вод”. М.: Недра, 1980.

2. С.Р. Крайнов, В.М. Швец “Гидрогеохимия”. М.: Недра, 1992.
3. Е.В. Посохов “Общая гидрогеохимия”. Л.: Недра, 1975.
4. К.Е. Питьева “Гидрогеохимия”. М.: МГУ, 1988.
5. В.С. Самарина “Гидрогеохимия”. Л.: ЛГУ, 1977.
6. А.М. Овчинников “Гидрогеохимия”. М.: Недра, 1970.
7. “Основы гидрогеологии. Т. 3. Гидрогеохимия”. Новосибирск: Наука, 1982 (С.Л. Шварцев, Е.В. Пиннекер, А.И. Перельман).


1. ВВЕДЕНИЕ
[Предмет и задачи гидрогеохимии, её место среди других наук,
структура, основные этапы развития. Области применения
гидрогеохимических данных]

Мы начинаем изучать курс “Гидрогеохимия”. Сразу хочу обратить ваше внимание, что вам придётся, а вернее, наверняка, приходилось слышать другое похожее слово: “гидрохимия”. В чём разница между этими понятиями? Простого и однозначного ответа на этот вопрос нет. Одни считают, что это одно и то же, и полагают, что объектом изучения и гидрогеохимии, и гидрохимии являются все природные воды. Другие считают, что гидрохимия — наука о поверхностных водах (рек, озёр, морей, атмосферы), а гидрогеохимия — наука о подземных водах. Анализ зарождения гидрогеохимии показывает, что она возникла в недрах прежде всего гидрогеологии. Поэтому под термином “гидрогеохимия” следует понимать науку, занимающуюся исследованием подземной гидросферы Земли. Именно так мы и будем её понимать, и будем считать синонимами термины “гидрогеохимия” и “геохимия подземных вод”.

Итак, “гидрогеохимия” — это наука, возникшая на стыке гидрогеологии и геохимии и занимающаяся изучением вещественного (ионного, газового, изотопного) состава подземных вод, процессов его формирования, истории и миграции химических элементов в подземной гидросфере. Таким образом, мы определили предмет гидрогеохимии, или, другими словами, то, чем она занимается. Я привёл вам простое и понятное определение предмета “гидрогео­химии”. Иногда дают более сложное определение предмета этой науки, подчёркивая, что нельзя понять происхождение химического состава подземных вод без учёта того, в какой среде они находятся. А находятся они, как известно, в горных породах. Ещё в глубокой древности Аристотель говорил, что вода такова, каковы породы, по которым она протекает. Так вот, другое определение предмета гидрогеохимии звучит так: “гидрогеохимия” — наука о взаимодействии воды с горными породами, газами и органическим веществом, его (взаимодействия) природе, эволюции, внутренних и внешних источниках, о формировании состава подземной гидросферы и её геохимической роли в геологической истории Земли.
Гидрогеохимия тесно связана с другими дисциплинами из цикла наук о Земле. Понятна, и мы уже отмечали это, связь гидрогеохимии с гидрогеологией и геохимией. Понятна связь её с гидрологией и гидрохимией, потому что очевидна связь химического состава подземной воды и речной или дождевой, которая фильтруется в недра. Гидрогеохимия тесно связана с литологией и петрографией, потому что вода взаимодействует с породами, которые (например, кварцевый песок и каменная соль) совершенно по–разному растворяются и обогащают воду химическими элементами. Гидрогеохимия связана с минералогией, так как минералы растворяются подземной водой и кристаллизуются из неё в недрах (так называемые вторичные или катагенетические минералы), и в обоих случаях изменяется состав воды. Гидрогеохимия использует данные тектоники. Тектонические движения изменяют пути и скорость движения воды, что способствует смешению вод разных типов, изменению условий взаимодействия с породами и в конечном итоге изменению химического состава вод. Говоря о связи гидрогеохимии с тектоникой, приведём такой пример. Ещё в 1925 г. гидрогеолог И.И. Никшич заметил приуроченность термальных источников Туркмении к тектонической границе Туранской плиты и складчатых сооружений Копетдага. Позднее было получено много фактов о специфичности состава подземных вод в зонах тектонических разломов и других тектонических границ. Можно привести более неожиданные примеры взаимодействия гидрогеохимии и с другими науками, например, с палеонтологией. Обогащение морской воды определёнными химическими соединениями в местах разгрузки подземных вод на дно моря может приводить к вспышкам жизнедеятельности одних и гибели других организмов. Примеры такого рода можно продолжать, однако достаточно уже приведенных, чтобы сделать вывод о том, что гидрогеохимия тесно взаимодействует с другими геологическими дисциплинами.
Вместе с тем, она занимает своё определённое место среди других наук о Земле, так как ни одна из них, кроме гидрогеохимии, не ставит перед собой цель определить химический состав подземных вод и понять, как же он сформировался.
Каковы задачи гидрогеохимии и области применения результатов гидрогеохимических исследований? Удобнее всего ответить на этот вопрос, рассмотрев структуру гидрогеохимии как науки, т.е. разобрав, из каких разделов она состоит. Многие естественные науки состоят из двух основных разделов: теоретического и прикладного: теоретическая физика и прикладная физика, теоретическая математика и прикладная математика. Что же касается наук о Земле, то здесь помимо этих разделов можно выделить ещё и региональный. Это совершенно естественно, так как, несмотря на то, что в пределах разных геологических регионов находятся общие черты, всё–таки все регионы различны и по–своему во многом уникальны. Одними и теми же вопросами физики ядра или химии полимеров можно с одинаковым успехом заниматься в Минске, Москве и Владивостоке. Но геологу, проработавшему 10 – 15–20 лет, например, на Дальнем Востоке и приехавшему на работу в Беларусь, требуется ещё 5–10 лет, чтобы хорошо познакомиться с местной геологией. Таким образом, как и в других науках о Земле, в гидрогеохимии важное место занимает региональная гидрогеохимия. Поскольку и до распада СССР, и тем более теперь, в силу известных общественно–политических обстоятельств, Белорусский университет готовил и готовит специалистов, главным образом, для Беларуси, я думаю, что было бы полезно в программу каждого изучаемого курса, будь–то тектоника, минералогия или гидрогеохимия, внедрить разделы по тектонике, минералогии, гидрогеохимии Беларуси. В настоящей программе нашего курса такого раздела пока нет. Но я при чтении лекций буду давать примеры на нашем белорусском материале.
Итак, первый раздел гидрогеохимии — региональная гидрогеохимия. В её задачи входит исследование пространственных закономерностей водной миграции элементов, формирования состава подземной гидросферы, гидрогеохимической зональности в пределах определённого региона. Региональная гидрогеохимия создаёт базу фактического материала для теоретических построений, которые выполняются уже в рамках теоретической гидрогеохимии, и для решения прикладных задач, разрабатываемых прикладной гидрогеохимией. Говоря о региональной гидрогеохимии, хотелось бы подчеркнуть, что подземные воды несут большую информацию о земных недрах. Вода, контактирующая с горными породами, изменяет свой химический состав и даёт нам сведения об этих породах. Вода, сохранившаяся от древних эпох, информирует нас о геологических событиях прошлого. Таким образом, проведение регионального гидрогеохимического анализа даёт нам информацию не только об истории и природе самой воды, но и о других аспектах геологического строения региона: его литологии, палеогеографии, тектонике. В этой связи я предлагаю вам ознакомиться с очень интересной книгой санкт–петербургского гидрогеолога А.И. Короткова “Гидрогеохимиче­ский анализ при региональных геологических и гидрогеологических исследованиях”. Л.: Недра, 1983.
Второй раздел нашей науки — теоретическая гидрогеохимия. В этом разделе могут быть в свою очередь выделены такие подразделы (или части). 1) Общая гидрогеохимия, изучающая особенности состава и строения подземных вод, факторы, процессы и обстановки их формирования, взаимодействие в системе вода – порода – газ – органическое вещество, геохимию отдельных химических элементов в подземных водах. 2) Генетическая гидрогеохимия, исследующая формирование состава различных генетических типов подземных вод. 3) Историческая гидрогеохимия или палеогидрогеохимия, занимающаяся изучением эволюции водной миграции элементов и роли воды в геологической истории.
Наконец, третий раздел гидрогеохимии — прикладная гидрогеохимия. Здесь выделяются: 1) Геохимия пресных питьевых и технических подземных вод, главная задача которой оценка качества воды. Это, по–видимому, главная задача прикладной гидрогеохимии и, я думаю, совершенно понятно почему. Далеко не везде ситуация с пресной водой такая благоприятная, как в Беларуси. Вы, конечно, знаете, что в некоторых регионах и странах вообще нет пресной воды. Например, на некоторых островам Бахрейна пресную, или вернее, почти пресную воду добывают так. Ныряльщики, снабжённые кожаными мешками, погружаются в определённых местам на дно моря и набирают там почти пресную воду, наличие которой связано с разгрузкой водоносных горизонтов, питающихся в прилегающей горной местности. В некоторых странах, например в Индии, пресную воду разливают и продают в бутылках, и стоит она дороже прохладительных напитков. Интересно, что Белорусское государственное геологическое предприятие (есть такое в Минске) сейчас собирается строить в Минске по итальянской технологии завод по розливу в бутылки пресной воды, добываемой на окраине Минска, и продавать эту воду в Тюмень, где очень плохо обстоит дело с питьевой водой, и в Саудовскую Аравию. 2) Геохимия минеральных лечебных вод. Эта часть гидрогеохимии концентрирует своё внимание на выявлении в подземных водах физиологически активных компонентов химического и газового состава и в существенной степени связана с медициной. Большие запасы минеральных вод имеются в разных частях Беларуси, но, к сожалению, ассортимент этих вод неширокий. В основном, это хлоридные натриевые воды. 3) Геохимия промышленных вод. Этот раздел прикладной гидрогеохимии рассматривает подземные воды как жидкую руду, из которой можно получать многие ценные компоненты. Весь получаемый в СНГ йод и бόльшая часть брома добываются из подземных промышленных вод. Из этих вод можно добывать также литий, рубидий, цезий, стронций, бор и другие компоненты. Богатейший бассейн очень концентрированных подземных вод (рассолов) имеется в Беларуси. Это Припятский прогиб, где промышленные рассолы залегают в подсолевых и межсолевых девонских отложениях. По нашим подсчётам, общая масса химических элементов в подземных рассолах Припятского бассейна оценивается такими цифрами: йод — 40 млн т, бор — 100 млн т, стронций — 3,4 млрд т, бром — 6,5 млрд т. Но, к сожалению, это богатство пока не используется из–за отсутствия экологически приемлемой технологии извлечения этих химических элементов из рассолов. 4) Рудопоисковая и нефтегазопоисковая гидрогеохимия. Применение гидрогеохимических данных для поисков и разведки залежей руд и углеводородов основано на том, что подземные воды, контактирующие с полезным ископаемым, могут накапливать в себе продукты его разрушения или каким–то другим образом изменять свой состав. Например, в Беларуси подземные воды вблизи залежей нефти оказываются обогащены аммонием и обеднены сульфатами. 5) Следующая очень важная часть прикладной гидрогеохимии может быть названа экологической гидрогеохимией. Целью этого направления являются оценка и прогноз изменения вещественного состава воды как главного компонента окружающей среды при вмешательстве в неё человека. Такие оценки и прогноз крайне важны, при изучении качества питьевых и технических вод, для решения задач, связанных со строительством инженерных сооружений, разработкой месторождений полезных ископаемых, при мелиоративных работах, при изысканиях для подземных хранилищ газа и для проектирования участков подземного захоронения промышленных отходов. При строительстве Минского метрополитена на одном из участков трассы была обнаружена сильная коррозия железобетонных конструкций, которая могла бы иметь опасные последствия, если бы причина не была вовремя обнаружена. Гидрогеохимическое изучение строительного участка показало, что о грунтовых (подземных) водах здесь весьма значительное содержание ряда агрессивных органических веществ, поступающих в воду из неисправных сливных сооружений расположенного неподалёку пивоваренного завода. В последние годы в связи с аварией на Чернобыльской АЭС получило сильное развитие, особенно у нас в республике, эколого–гидрогеохимическое направление, которое можно назвать радиогидрогеохимия и которое занимается изучением вопросов миграции в подземных водах радионуклидов. 6) Наконец, в качестве последнего направления прикладной гидрогеохимии я назову геотехнологическую гидрогеохимию, которая участвует в разработке нового прогрессивного метода разработки месторождений полезных ископаемых — подземного выщелачивания. Смысл этого метода состоит в том, что в одни скважины закачивается вода или другая жидкость, агрессивная по отношению к полезному ископаемому, а другими скважинами на поверхность подаётся раствор полезного компонента. В одних случаях, как на Мозырском месторождении каменной соли (Мозырский сользавод) реагентом является просто вода, а в других — более агрессивные растворы. Например, при подобном способе разработки урановых месторождений применяется сернокислотное выщелачивание. Но в любом случае важно предвидеть, к каким изменениям в химическом составе вод водоносного комплекса, содержащего залежь полезного ископаемого, приведут эти геотехнологические мероприятия.
Какие же методы использует гидрогеохимия? Их можно подразделить на методы получения исходной информации и методы её обработки. Исходной информацией для гидрогеохимика служат, главным образом, данные о вещественном составе воды: т.е. о наборе и концентрации в ней химических элементов, а точнее ионов, газов, органических веществ и изотопов. Для получения такой информации кроме стандартного химического анализа служат инструментальные методы: эмиссионный спектральный, пламенно–фотометрический, атомно–абсорбционный, нейтронно–активационный, хроматографический, масс–спектрометрический. Для изучения структуры самой воды, то есть самого растворителя, служат методы ядерно–магнитного резонанса и инфракрасной спектроскопии. К методам получения первичной гидрогеохимической информации можно также отнести ряд манипуляций с горными породами и минералами, направленных на извлечение сведений о том, какая подземная вода насыщала породы в прошлые геологические эпохи. Это водные вытяжки из пород, отпрессовывание из них так называемых поровых растворов, о чём мы будем говорить в нашем курсе дальше, а также ультрамикрохимический анализ жидких и газово–жидких включений в минералах.
К методам обработки исходной информации относятся вычисление так называемых генетических коэффициентов пропорциональности между компонентами состава, методы математической статистики, термодинамические расчёты, построение гидрогеохимических карт, схем, разрезов, блок–диаграмм и т.д.
Мы назвали, конечно, не все методы, которые применяются в гидрогеохимии. Однако даже самый полный перечень методов не даёт представления о методологии, то есть об общих принципах и подходах научного исследования. Что же касается методологии гидрогеохимии, то она, как другие геологические науки, опирается на принцип актуализма, т.е. “настоящее — ключ к познанию прошлого”. Кроме того, важно подчеркнуть, что поскольку подземные воды — продукт длительной геологической истории, то выявление гидрогеохимических закономерностей немыслимо без исторического подхода, Далее, поскольку познать общие гидрогеохимические закономерности можно только путём изучения и сопоставления гидрогеохимических явлений в отдельных регионах, то гидрогеохимия в своих построениях опирается на сравнительный подход. Наконец, поскольку нельзя познать подземную воду вне связи с водой поверхностной, горными породами, органическим, в том числе живым веществом и другими субстанциями Земли, то гидрогеохимическое исследование нуждается в комплексном подходе. Таким образом, методологической основой гидрогеохимии, как и других геологических наук, является комплексный сравнительно–исторический подход, или метод.
Истоки гидрогеохимии через химию и геологию уходят в глубокую древность к работам Аристотеля и Плиния Старшего, которые уже тогда пытались разгадать причины разнообразия природных вод, в частности в связи с широким использованием термальных вод. Отдельные важные положения, которые в будущем легли в основу гидрогеохимии, можно найти в работах А. Аль–Бируни, Г. Агриколы, Р. Бойля, М.В. Ломоносова, А. Лавуазье, Ж. Ламарка, В.М. Севергина, Ж. Эли де Бомона, Э. Зюсса, Д.И. Менделеева, Ф. Кларка. Однако наибольший вклад в становление гидрогеохимии внёс В.И. Вернадский. В 1933–1936 гг. им был создан фундаментальный труд “История природных вод”, который является непревзойдённым по глубине и размаху обобщением. В этой работе не только обобщён с геохимических позиций накопленный к тому времени материал, заложивший основы гидрогеохимии, но и вскрыто совершенно особое положение природных вод в геологической истории Земли, возникновении и развитии жизни.
Выдающуюся роль в развитии гидрогеохимии сыграли такие исследователи как Н.К. Игнатович, Г.Н. Каменский, А.М. Овчинников, Е.В. Посохов, М.Е. Альтовский, М.Г. Ва­ляшко, С.Р. Крайнов, В.М. Швец, С.Л. Шварцев, Е.В. Пиннекер, Л.Н. Капченко, В.И. Кононов, А.В. Щербаков, И.К. Зайцев, Е.А. Басков, С.И. Смирнов и др.
В развитии гидрогеохимии на обозримом отрезке истории можно условно выделить два последовательных этапа. Первый — до середины 60–х годов нашего столетия, характеризуется накоплением огромного объёма эмпирических данных об изменениях химического состава подземных вод в различных геологических ситуациях. Были разработаны основы региональной гидрогеохимии, сформулированы принципы геохимической зональности подземных вод, получены сведения о распространении в подземных водах большого числа (~80) химических элементов, органических веществ, микрофлоры и газов.