Основные геохимические типы и провинции минеральных и термальных вод

ОСНОВНЫЕ ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ТИПЫ И ПРОВИНЦИИ МИНЕРАЛЬНЫХ И ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МИНЕРАЛЬНЫХ ВОДАХ

 

К минеральным (лечебным) водам, по А. М. Овчинникову, относятся природные воды, которые могут оказывать на организм человека лечебное действие, обусловленное повышенным содержанием полезных, биологически активных компонентов ионно-солевого и газового состава, либо общим ионно-солевым составом воды, а также органическим веществом.

Среди основных типов минеральных (лечебных) вод следует выделить железо- и мышьяксодержащие, сероводородные (сульфидные), углекислые, радоновые, йодные, бромные, борные, кремнистые, содержащие органические вещества (типа «Нафтуся») (см прил.1).

Существует несколько классификаций минеральных вод. Среди них наиболее известны классификации А. М. Овчинникова, В. В. Иванова и Г. А. Невраева.

Классификация А. М. Овчинникова построена по принципу формирования минеральных вод в различных геохимических обстановках - окислительной, восстановительной и метаморфической*. Наиболее разнообразна первая группа, к которой относятся: 1. железо- и мышьяксодержащие воды, воды, обогащенные органическим веществом, сульфатные, хлоридные и переходные хлоридно-сульфатные воды.

Ко второй группе относятся: азотные термальные, метановые и сероводородные воды.

К третьей группе относятся углекислые воды, которые в соответствии с общим химическим составом подразделяются на пять типов: 1) НСО3-Са (Кисловодский нарзан); 2) НСО3-SО4-Na и С1-НСО3-Са (Железноводск, Джермук, Пятигорск, Карловы Вары), 3) щелочные НСО3-Nа (Боржоми), 4) соляно-щелочные НСОз-С1-Nа (Ессентуки), 5) С1-Na (Арзни).

В. В. Иванов и Г. А. Невраев по ионному составу выделили девять классов минеральных вод, а среди основных бальнеологических групп семь наименований:

А - без специфических компонентов и свойств,

Б - углекислые,

В- сульфидные (сероводородные),

Г-железистые, мышьяковистые и с высоким содержанием Mn,Cu,AL,Zn,

Д - бромные, йодные и с высоким содержанием органических веществ,

Е - радоновые,

Ж - кремнистые термальные.

Минеральные лечебные воды подразделяются на воды для внутреннего (питьевые) а наружного (для ванн) применения. В соответствии с ГОСТ 13273-88 выделяются две большие группы питьевых вод - лечебно-столовые с минерализацией от 1 до 10 г/л и лечебные, применяемые по назначению врача, с минерализацией от 10 до 15 г/л. В отдельных случаях, в зависимости от химического состава допускается применение лечебных вод и более высокой минерализации (Баталинская - 21 г/л, Лугела - 52 г/л).

Очень часто минеральные лечебные воды являются термальными и содержат несколько биологически активных компонентов, т.е. поликомпонентны. Примером является азотная термальная минеральная вода Ходжа-Обигарм в Гиссарском хребте Тянь-Шаня: минерализация 0,4-0,5 г/л; общий химический тип -НСО3-С1-Nа; рН 8,9-9,2; Т 97°С;

Rn 27-216 Бк; Н2SiО3 120-160 мг/л; F 18,7-27,1 мг/л; Н2S (общ) 5,3 мг/л; НS-5,2 мг/л; СО2 0,05% (пар); О2 19,6%; N2 79-99% (пар); в воде содержатся Mn, Ni, Ag, Pt, Fe, Al, Ti, Cu, Mo, Cr, Cd, Li. Ga, Ge, Ba, K.

 

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ТИПЫ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД

 

Ниже приведена краткая характеристика минеральных вод в соответствии с классификацией А. М. Овчинникова, учитывающей геохимические условия их формирования.

Железосодержащие минеральные воды

Лечебное воздействие этих вод обусловлено повышенным содержанием в них железа. Обычные содержания железа в этом типе минеральных вод составляют 20-70 мг/л. Первый курорт, открытый в России Петром I, это Марциальные Воды, расположенный в районе Петрозаводска. Ниже приведен химический состав воды четырех источников, действующих в районе этого курорта:

 

Ионы	Номер источника
	1	2	3	4
Na++K+	5,2	16,5	5,3	8
Mg2+	13,3	26,5	30,2	33,7
Ca2+	26,2	45,4	38,8	60,4
Fe2+	5,8	23,4	61,3	97,6
Fe3+	1,8	2,3	1,9	2,3
Cl-	0,4	1,1	1,4	0,7
SO42-	66,7	192,7	235,5	242,3
HCO3-	86,6	116,5	116,2	132,4
ΣA-K	214	432	505	592
pH	6,4	6	6	6,4

 

По содержанию железа минеральные воды делятся на три группы: слабожелезистые (с содержанием ΣFe от 20 до 40 мг/л), крепкие (с содержанием ΣFe от 40 до 100 мг/л) и очень крепкие (с содержанием ΣFe более 100 мг/л). Минеральные железосодержащие воды используются в основном в качестве питьевых лечебно-столовых вод.

Азотные термальные воды

Такие минеральные воды формируются в разнообразных геологических структурах. В их газовом составе преобладает N2, а минерализация изменяется от сотен до 30 г/л. Обычно азотные термальные воды формируются в структурах областей новейшей активизации (тектонических зонах эпиплатформенного орогенеза), характеризующихся наличием разрывных дислокаций. Азотные термальные воды имеют различные геохимические особенности. Наиболее распространены азотные термальные воды бассейнов трещинно-жильных вод в массивах кристаллических пород. Они приурочены к областям молодых тектонических движений в пределах крупных массивов кристаллических пород, где атмосферные воды проникают по разломам на большую глубину и приобретают высокую (до 100°С и более) температуру. Такие воды широко распространены в зонах эпиплатформенного орогенеза Тянь-Шаня, Дальнего Востока. Примером может являться Горячинская минеральная вода в Забайкалье:

 

M0,8 T54°C pH 9,3.

 

Характерными особенностями этого геохимического типа термальных вод являются относительно малая (менее 1,5 г/л) минерализация, значительные (до 100 мг/л и более) концентрации кремнекислоты, а также высокие содержания таких анионогенных элементов как F,W,Mo,Ge.

Газонасыщенность азотных вод невелика. Максимальные содержания суммарного азота в этих водах изменяются от миллиграммов на литр до 50 мг/л. Помимо азота, эти воды часто содержат в своем газовом составе высокие концентрации гелия (до 5*10-2 мл/л), инертных газов (Ar, Kr, Xe до 2%). Иногда присутствуют 02 и СО. Еh азотных вод изменяется от +300 до -250 мВ.

Основной геохимический облик азотных термальных вод определяют следующие процессы - гидролитическое разложение силикатов по схеме: Na, К, Са- силикат +Н2О→каолинит+H3SiO4-+OH-+Na+,K+,Ca2+; растворение и выщелачивание пород, растворение СО2 с образованием НСО3-.

Исходя из геотермических условий конкретных структур, глубина формирования азотных термальных вод может достигать 3000 м и более, при этом величина He/Ar этих вод и палеогидрогеологический анализ развития геологических структур показывают достаточно длительное (n*106 лет) время существования термальных вод в этих структурах. тов.

Азотные термальные воды Забайкалья по содержанию дейтерия и кислорода-18, по данным И. С. Ломоносова, близки к поверхностным водам этого региона. Это свидетельствует о том, что азотные термальные воды являются инфильтрационными образованиями. Судя по величине Ar/N2∙100, а также изотопному составу (40Аr/36Аr, 36Аr/38Аr, 38Аr/40Аr), в газовом составе азотных терм преобладают N2 и Аr воздушного происхождения.

Азотные термальные минеральные воды, как правило, поликомпонентны, так как содержат ряд специфических биологически активных компонентов (Н2SiО3, Rn, F, Н2S и др.). На основе этих вод действует большое число курортов (Кульдур в Хабаровском крае, Белокуриха на Алтае).

Метановые воды

Это широко распространенный геохимический тип минеральных вод, залегающих, как правило, в осадочных битуминозных или нефтегазоносных отложениях. Эти воды имеют различную минерализацию и сложный химический и газовый состав. В случае присутствия в геологических структурах галогенных формаций в них формируются минерализованные воды С1-Nа-Са состава. В газовом составе, помимо СН4 (и других углеводородов), присутствуют азот, сероводород и другие газы. Вследствие низкой растворимости метана в воде при атмосферном давлении, большая его часть при выходе (или выводе) воды на земную поверхность выделяется в виде спонтанного газа и в воде при давлении 0,1 МПа и Т 37°С остается всего 17-24 мг/л растворенного СН4.

Примером бальнеологического использования метановых вод является курорт Нальчик, вода которого имеет следующий состав:

 

M18 T80°C pH 7,3.

Углекислые воды

Содержание растворенного СО2 в углекислых водах изменяется в широких пределах, оно обычно составляет 1-3 г/л, но в глубоких горизонтах крупных месторождений углекислых вод может достигать 40 г/л. Соотношение между растворенной и свободной СО2, выделяющейся при выходе углекислых вод на поверхность, колеблется в пределах 1-4. Газовый фактор (соотношение между объемами газа и воды в 1 л) в углекислых водах обычно составляет 4-5, но может достигать 20.

Растворимость СО2 в водах увеличивается с ростом давления. Так, если в обычных условиях поверхности при 20°С растворимость СО2 приблизительно составляет 1,7 г/л, то при давлении 5 МПа оно возрастает до 60 г/л. Эта цифра принципиально соответствует тем максимальным содержаниям СO2, которые известны в настоящее время в подземных водах. Растворимость углекислоты в подземных водах уменьшается с ростом их температуры. При этом воды разного химического состава способны растворять различные количества углекислоты. В этом отношении существует следующий ряд: Н2О>NaС1> >СаС12.

Ниже приводится отношение растворимости газов в 1 М растворе NaС1 к растворимости в воде при 70 °С (по А. Эллису):

 

СН4	H2	N2	CO2
0,79	0,86	0,78	0,82

 

Кроме углекислого газа эти воды обычно содержат комплекс других газов, который зависит от геолого-исторических особенностей структур и литолого-геохимических особенностей слагающих их пород. Так, для структур, сложенных осадочными породами, характерно сонахождение СО2 с Н2S, СН4, а также с более сложными углеводородами (С2Н4, С3Н8); для районов современного магматизма корового типа - парагенезис СО2, Н2S, SО2,SO3, N2, Не, NН3, НСl, НF, СН4 (и более сложные углеводороды). В зависимости от парагенетических ассоциаций газов среди углекислых вод выделяют собственно углекислые, азотно-углекислые, сероводородно-углекислые, водородно-угле-кислые, метано-углекислые, и т. д,

Для углекислых вод характерна значительная гамма органических веществ, включающих гуминовые и нафтеновые кислоты, фульвокислоты, фенолы, масла, нейтральные и кислые смолы, нефтяные углеводороды, при сумме Cорг до 40 мг/л. Максимальная величина минерализации таких вод может достигать 320 г/л, а температура ≥300°C.

Основными процессами формирования химического состава углекислых вод являются: растворение и выщелачивание водовмещающих пород, ионный обмен, взаимодействия с седиментационными и современными водами, окисление и восстановление элементов с переменной валентностью.

Важной особенностью углекислых вод является наличие в отдельных их геохимических типах высоких концентраций лития, рубидия, цезия, бора, мышьяка, сурьмы, германия, ртути, фтора.

Детальные исследования показали, что распределение Li, Rb, Cs, В, Аs, Sb, Gе в углекислых водах контролируется литолого-геохимическими особенностями водовмещающих пород

Радоновые воды

Радоновые воды в соответствии с инструкцией подразделяются на: очень слабо радоновые (185- 750 Бк), слаборадоновые (750-1500 Бк), радоновые средней концентрации (1500-7500 Бк) и высокорадоновые (более 7500 Бк).

Воды с концентрацией радона от 37 до 185 Бк применяются как лечебные только при условии организации процедур в проточных бассейнах. Для питьевого лечения применяются высокорадоновые воды.

Радоновые воды обычно развиты в зонах разломов кристаллических и метаморфических пород древних платформ (Восточно-Европейской, Сибирской), молодых (Кавказ) и древних (Урал, Казахстан) складчатых поясов. Их образование связано с радиоактивным распадом и эманированием пород, обогащенных радиоактивными элементами. Связь радоновых вод с породами, обогащенными органическим веществом, обусловлена свойствами органических веществ сорбировать радиоактивные элементы.

Радоновые воды, могут иметь высокую температуру; они, как правило, маломинерализованные (менее 1 г/л), щелочные (рН до 9), азотные (по преобладанию N2), SO4-HCO3-Ca и SO4-Cl-Na состава.

Условия формирования терм

Основные запасы термальных вод в современных гидротермальных системах формируются в результате инфильтрации вглубь атмосферных осадков или сохранения в недрах вод морского генезиса. По данным изотопного состава кислорода, водорода и серы, большая часть гидротерм районов молодого и современного вулканизма имеет инфильтрационное происхождение, на долю магматического флюида (ювенильных вод) приходится лишь несколько процентов.

Источником тепла для всех перечисленных выше геохимических типов термальных вод является региональное тепловое поле.

Источниками растворенного вещества (макро- и микрокомпонентов, газов) являются в основном вмещающие породы. Часть из них поступает в гидротермальную систему вместе с инфильтрационными и морскими водами.

Процессы формирования состава термальных вод имеют некоторые особенности, связанные с температурным фактором. Одна из них заключается в фазовых переходах подземных вод, происходящих обычно в приповерхностных зонах разгрузки гидротерм.

Некоторые геохимические типы термальных вод обладают повышенной агрессивностью и способностью к солеотложению, другие содержат в больших концентрациях рудные и редкие элементы, некоторые из которых являются биологически активными компонентами минеральных термальных вод. Сложный компонентный и газовый состав термальных вод осложняет их непосредственное использование на ГеоТЭС, в системах тепло- и водоснабжения, в промышленности и сельском хозяйстве. В этих случаях применяются теплообменники, в которых термальные воды отдают свое тепло обычным пресным водам.

 

Литий, рубидий, цезий

Это типичные катионогенные элементы. Степень их катионогенности увеличивается в соответствии с уменьшением электроотрицательности элементов (в кДж/моль):

Li523< Na495< K419< Rb406<Cs377

Содержание щелочных элементов в океанической воде составляет, мг/л: Li 0,15-0,2; Nа 10354-10500; К 380-387,5; Rb 0,12-0,2; Cs 0,0005, а величины Na/К 27; К/Rb 1900, В океане, по данным Т. Ф. Бойко, содержится Li 1,0%, Rb 0,17% и Сs 0,08% от того их количества, которое находится в выветривающихся средних изверженных породах.

Бром

Бром - типичный анионогенный элемент, характеризующийся очень высокой растворимостью его соединений с основными катионами химического состава подземных вод.

Основным концентратором брома в земной коре являются высокоминерализованные подземные воды и хлоридные соли галогенных формаций; при этом основные запасы богатых бромом рассолов связаны с древними солеродными бассейнами. Геохимическая история накопления брома в подземных рассолах связана с историей морских и океанических вод и процессами галогенеза. Среднее содержание брома в океанической воде составляет приблизительно 65 мг/л при величине Cl/Br, равной 293-300. В зависимости от геологической истории морских бассейнов содержания брома в их водах могут изменяться. Минимальные содержания брома установлены в водах морских бассейнов, потерявших связь с океаном, в формировании которых существенное значение имеет континентальный сток (Каспийское, Аральское моря). В них водах содержание брома уменьшается до 2 мг/л, а величина Cl/Br возрастает до 2000.

Бром связывается элементами-комплексообразователя (Zn, Cu и др.) в комплексные соединения только в маломинерализованных (<1-5г/л) водах, в которых концентрации элементов-комплексообразователей соизмеримы с концентрациями брома. Соединения брома с катионами природных вод хорошо растворимы, поэтому при испарительном концентрировании морских вод бром не образует собственных минералов, он накапливается в этих водах лишь частично изоморфно осаждается с хлоридами, поскольку: riCl-1,8*10-8 см, riBr-1,96*10-8 см.

Йод

Йод - анионогенный элемент с ярко выраженными биофильными свойствами. Соединения йода с главными катионами химического состава подземных вод, также как и соединения брома, хорошо растворимы, поэтому йод может концентрироваться в подземных водах до очень высоких содержаний.

Высокие содержания йода известны и в наиболее метаморфизованных рассолах Сl-Са-Nа типа с минерализацией более 400 г/л. Соответственно разнообразен и химический состав подземных вод с высокими содержаниями йода. Это не только Cl-Nа-Са и С1-Са-Nа метаморфизованные рассолы, но и относительно мало минерализованные (М менее 35 г/л) С1-Nа воды с высокими содержаниями НСО3- и щелочной реакцией. Такие воды с высокими содержаниями йода широко распространены в нефтегазоносных структурах альпийской зоны складчатости.

Формы йода в подземных водах разнообразны: молекулярная I2, ионная в виде йодида I- и йодата IO3- и комплексная с органическим веществом I...С. Молекулярная и ионная формы нахождения йода в воде зависят от рН: I2 ↔I-+ IO3-

Высокие концентрации йода определяются скорее не условиями формирования определенных геохимических типов подземных вод, а общими геохимическими условиями формирования этих вод.

Иод не может накапливаться в результате ювенильных эндогенных процессов, так как он практически отсутствует в водах вулканических областей. Вся вулканическая деятельность Земли дает всего 1,2 тыс. т. йода в год.

Источниками высоких содержаний йодных вод могут быть лишь осадочные породы (в основном, глинистые), обогащенные органическим веществом, так как по А. П. Виноградову, количество йода накапливающегося в морских илах пропорционально содержанию органического вещества и количеству мелкой фракции (<0,01 мм) ила.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

минеральный термальный промышленный вода

В данном реферате были рассмотрены типы промышленных вод, их применение и способы использования.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

Крайнов С.Р., Швец В.М. Гидрогеохимия: Учеб. для вузов.-М.:Недра, 1992.-463 с.(МГРИ).

ПРИЛОЖЕНИЕ

 

Минеральные воды	Формула химического состава	Специфические компоненты
Углекислые воды: 1) Кисловодский нарзан		CO2=1,9 г/л
2) Ессентуки-17		CO2=2,3 г/л
Сероводородные воды курорта Сочи-Мацеста		H2S=419 мг/л
Радоновые воды курорта Цхалтубо		Rn=13,5-20,3 Бк/л
Железосодержащие воды курорта «Марциальные воды» скв. 2		Fe=36 мг/л
Мышьяксодержащие воды курорта Зуби		H3AsO4=13 мг/л
Йодные воды курорта Нальчик		HBO3=146 мг/л Br=44 мг/л F=5мг/л

 

ОСНОВНЫЕ ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ТИПЫ И ПРОВИНЦИИ МИНЕРАЛЬНЫХ И ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД