Е. А. Солдатова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природный ресурсов, г




Скачать 306.62 Kb.
НазваниеЕ. А. Солдатова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природный ресурсов, г
страница1/2
Дата15.12.2012
Размер306.62 Kb.
ТипДокументы
  1   2
Определение фоновых концентраций микрокомпонентов в водах Томь-Яйского междуречья

Е.А.Солдатова

Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природный ресурсов, г. Томск, 2a61@mail.ru

В связи с постепенным истощением разведанных запасов месторождений полезных ископаемых назрела острая необходимость осуществления поисковых работ. При этом геологические условиях, в которых проводятся поисковые работы, все более и более усложняются. В сложившейся ситуации следует вспомнить об эффективности геохимических методов поисков, среди которых особое место занимают гидрогеохимические поиски, отличающиеся глубинностью, высокой площадной представительностью проб и экспрессностью результатов опробования.

Эффективность гидрогеохимического метода поисков рудных месторождений в условиях полузакрытых структур, в своих работах доказал П.А. Удодов совместно с сотрудниками Томского политехнического института. Опыт гидрогеохимических исследований в Сибири на площади Колывань-Томской складчатой зоны, частью которой является Томь-Яйское междуречье, показал, что с их помощью можно обнаружить перспективные участки на различные зоны минерализации [Удодов, 1962, 1971]. В настоящее время с развитием теории об эволюционном развитии системы вода-порода [Шварцев, 1996, 1998; Алексеев, Рыженко, Шварцев, 2005; Шварцев, Рыженко, Швец, 2007] и появлением высокочувствительных методов анализа стало возможным совершенствовать методику гидрогеохимических поисков, и тем самым получать достоверную гидрогеохимическую информацию и качественно интерпретировать ее.

Целью представленного исследования являлось определение фоновых концентраций микрокомпонентов в водах Томь-Яйского междуречья, в связи с проведением гидрогеохимических поисков. В рамках данной цели поставлены следующие задачи: изучение химического состава вод Томь-Яйского междуречья и выделение геохимических типов вод как однородных совокупностей для определения фоновых содержаний химических элементов.

В административном отношении изучаемая территория относится к Томскому району Томской области. Томский район расположен в юго-восточной части Томской области и представляет собой часть Западно-Сибирской низменности. В геоморфологическом отношении Томь-Яйское междуречье представляет собой расчлененную равнину с густой эрозионной сетью и абсолютными отметками от 80 до 280 м с общим уклоном к северу [Колубаева, 2010]. В региональном плане район исследования представляет собой северную часть Колывань-Томской складчатой зоны. Генетически Колывань-Томская складчатая зона входит состав позднепалеозойской Обь-Енисейской складчатой зоны Западной Сибири. В геологическом строении принимают участие образования от среднего девона до современных осадков включительно, образующие два структурных этажа. Нижний структурный этаж сложен палеозойскими отложениями, сильно дислоцированными в позднегерцинскую фазу тектогенеза с образованием линейно вытянутых в северо-восточном направлении складок. Верхний структурный этаж, представленный рыхлыми, главным образом песчанно-глинистыми отложениями мезо-кайнозойского осадочного чехла мощностью от 0 до 40 м, значительно увеличивающуюся (до 100 и более м) в пределах наложенных эрозионно-тектонических впадин на склоне зоны при ее погружении в сторону Западно-Сибирской низменности [Удодов, 1971]. На поверхности палеозойских образований широко распространена древняя кора выветривания преимущественно каолинит гидрослюдистого состава, реже встречаются бокситоносные глины [Шварцев, 1998].

На территории района по условиям залегания и разнообразию химического состава выделяют два типа подземных вод. Один из них приурочен к отложениям верхнего структурного мезо-кайнозойского этажа, а второй к образованиям палеозойского фундамента. Каждый из них, в свою очередь разделяется в зависимости от приуроченности их к различным геолого-структурным элементам и литолого-стратиграфическим горизонтам на соответствующие обводненные комплексы [Удодов, 1971]. Воды верхнего структурного этажа относятся к порово-пластовому типу, а нижнего – к трещинному, обусловленному наличием в верхней части коренных пород мощной зоны трещиноватости [Шварцев, 1998]. На водораздельных пространствах и в долинах рек [Государственная геологическая карта масштаба 1:200 000, 2008] между водоносными комплексами верхнего и нижнего структурных этажей может существовать гидравлическая связь, объясняющаяся частым отсутствием там глинистых водоупорных пород коры выветривания [Колубаева, 2010]. Верхний структурный этаж подразделяется на четыре гидрогеологических комплекса: слабоводоносный неоген-четвертичный; водоносный палеогеновый; слабоводоносный верхнемеловой; водоупорный локально-водоносный юрский [Государственная геологическая карта масштаба 1:200 000, 2008]. В нижнем этаже выделяется локально-слабоводоносный протерозойско-палеозойский комплекс [Государственная геологическая карта масштаба 1:200 000, 2008].

Полевые работы в районе междуречья рек Томь и Яя, на которых базируется работа автора, проводились в период с 1992 по 2009 годы сотрудниками Томского политехнического университета и НПО «Геосфера». Гидрогеохимическое опробование, являясь одним из важнейших этапов гидрогеохимических поисков в целом, определяет точность и достоверность получаемой информации. При этом густота сети опробования зависит от сложности гидрогеологического и геологического строения территории, развития на исследуемой территории многолетнемерзлых пород, густоты речной сети, обводненности территории и других факторов. Гидрогеохимическое опробование на территории Томь-Яйского междуречья осуществлялось преимущественно по речной сети в меженный период, также опробовались озера, естественные и искусственные выходы подземных вод, стоки и отстойники. Для исследования химического состава использовались разнообразные методы анализа, наиболее современными из которых являлись масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой и атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно связанной плазмой. На основе полученных результатов была создана база данных, включающая более 1000 точек опробования.

При изучении вещественного состава вод района исследований использовались разнообразные методы анализа. Для определения макрокомпонентного состава и основных показателей геохимической среды природных растворов был применен стандартный набор методов – титриметрия, потенциометрия, турбидиметрия, фотоколориметрия, пламенной фотометрии. Для определения микрокомпонентов в водах использовался нейтронно-активационный анализ, спектральный анализ, инверсионная вольтамперометрия, фотоколориметрия, потенциометрия для определения концентрации иона фтора, атомно- абсорбционная спектроскопия для определения содержаний ртути и лития, флюориметрия для определения бора. Наиболее современным из используемых в работе методов являлась масс-спектрометрия с индуктивно связанной плазмой, применяемая для определения около 70 элементов, в том числе группы редкоземельных.

На исследуемой территории преобладают гидрокарбонатные кальциевые и магниево-кальциевые воды. Минерализация изменяется от 102,77 до 2753,49 мг/л, главным образом воды пресные. Геохимическая среда характеризуется значениями pH от 6,3 до 8,3. Общая жесткость изменяется в широких пределах, от 0,9 до 19,6 мг-экв/л, наиболее часто встречаются воды средней жесткости (3–6 мг-экв/л) и жесткие (6–9 мг-экв/л). В отдельных точках отмечаются повышенные относительно фоновых содержания иона аммония (до 230 мг/л) и нитратов (до 565 мг/л), а также иона калия, доля которого в сумме катионов достигает 31%. Такие воды отнесены к техногенно загрязненным, состав и физические свойства которых изменены под влиянием человеческой деятельности [Колубаева, 2010].

В целом концентрации макрокомпонентов превышают значения кларка речных вод и средние содержания в водах зоны выщелачивания [Войткевич, 1977, Шварцев, 1998] по соответствующим показателям (таблица 1). Исключения составляют SO42- и Si в сравнении с кларком речных вод и SO42, NO2-, F- и Si при сопоставлении со средними содержаниями этих компонентов в водах зоны выщелачивания.

Особенностью состава природных вод Томь-Яйского междуречья являются повышенные концентрации стронция, лития, ртути по сравнению с кларком речных вод [Войткевич, 1977] и средним содержанием в водах зоны выщелачивания [Шварцев, 1998]. Район исследований характеризуется высокими содержаниями Feобщ, до 26 мг/л, что свидетельствует о развитии в районе исследований провинции железистых вод [Солдатова, 2011].

Таблица 1

Химический состав вод Томь-Яйского междуречья

Компонент

Единицы измерения

Содержание

Среднее

Максимальное

Среднее в водах зоны выщелачивания[1]

Кларк речных вод[2,3]

pH




7.59

8.26

6.75



HCO3-

мг/л

362.63

1098.00

146

52.00[2]

SO42-

6.74

90.00

12.4

8.25[2]

Cl-

15.69

1553.00

10.1

5.50[3]

NO2-

0.165

3.00

0.10

0.03[2]

NO3-

8.35

565.00

1.56

0.44[2]

F-

0.232

3.79

0.23

0.10[3]

Ca2+

90.04

210.00

27.40

12.00[3]

Mg2+

14.97

117.12

11.2

2.90[3]

Na+

17.23

840.00

13.80

5.00[3]

K+

4.00

175.00

1.84

2.00[3]

NH4+

2.37

230.00

0.52

0.02[2]

Si

4.94

12.03

6.77

6.00[3]

Сумма

524.90

2753.49

239.00

100.00[2]

Общая жесткость

мг-экв/л

5.73

19.6





Feобщ

мкг/л

675.00

26000.00

424.00

40.00[3]

Li

15.07

160.00

6.20

2.50[3]

Sr

337.20

1597.00

88.70

50.00[3]

Hg

0.225

24.00

0.041

0.07[3]

Примечания: [1] по С.Л. Шварцеву

[2] Martin et al., 1979, Meybeck, 1979, 1982

[3] по А.П. Виноградову (1967), с дополнениями по В.Н. Иваненко (1979), В.В. Гордееву и А.П. Лисицыну (1979) и В.В. Гордееву (1983)

Для определения достоверных фоновых концентраций микрокомпонентов в водах Томь-Яйского междуречья массив данных был разделен на однородные геохимические совокупности по равновесию вод с породообразующими минералами, прежде всего алюмосиликатами. Однородность выделенных совокупностей обусловлена единством процессов формирования химического состава внутри каждого типа, а также масштабами разрушения горных пород [Гусева, 2010].

Степень насыщенности вод относительно вторичных минералов оценивалась по индексу неравновесности, исходя из принципа минимизации энергии:

, (1)

где К – константа химической реакции, Q – квотант реакции [Шварцев, 1998].

По мере насыщения вод относительно какого-либо соединения значение индекса неравновесности А уменьшается, стремясь к нулю, при пересыщении вод его значения становятся отрицательными; нулевое значение характеризует равновесное состояние системы [Шварцев, 1998; Колубаева, 2010].

Расчеты индекса неравновесности производились с использованием электронных таблиц MS Excel. Для наглядного отображения результатов термодинамических расчетов данные анализов химического состава были нанесены на диаграммы полей устойчивости минералов при стандартных условиях.

Анализ равновесия показал, что воды насыщены к гидроокислам и глинистым минералам и не равновесны с эндогенными алюмосиликатами. В некоторых точках достигается равновесие вод с кальцитом за счет растворения первичных алюмосиликатов.

Помимо оценки равновесия вод к алюмосиликатным минералам была рассмотрена возможность насыщения вод к карбонатным и сульфатным минералам за счет конгруэнтного растворения пород соответствующего состава. Полученные данные показали, что воды Томь-Яйского междуречья достигают равновесия с карбонатными минералами – кальцитом, доломитом, реже магнезитом и родохрозитом. Насыщение вод сульфатными минералами не наступает, исключение составляют лишь несколько точек опробования, воды в которых равновесные с баритом. Причина этому – повышенное содержание сульфат-иона в рассматриваемых точках, источником которого возможно является техногенный загрязнитель.

По равновесию вод с вторичными минералами выделено 4 однородные геохимические совокупности, являющиеся геохимическими типами вод в соответствии с классификацией С.Л. Шварцева [Шварцев, 2007] – 1) совокупность кислых железисто-алюминиевых вод, равновесных с гиббситом, 2) совокупность алюминиево-кремнистых вод, равновесных с каолинитом, 3) совокупность кремнисто-кальциево-магниевых вод, равновесных с минералами группы монтмориллонитов, 4) совокупность щелочных карбонатно-кальциевых вод, равновесных с кальцитом. Каждая последующая совокупность характеризуется более длительным временем взаимодействия в системе вода–порода и, соответственно, большей минерализацией вод.

Фоновые концентрации химических элементов, с целью повышения достоверности получаемой гидрогеохимической информации, рассчитывались отдельно для каждой выделенной гидрогеохимической совокупности, поскольку, являясь однородными, они позволяют провести статистическую обработку гидрогеохимических данных и с большей степенью надежности определить параметры распределения химических элементов в выборках.

В рамках каждой совокупности с применением аппарата математической статистики были рассчитаны основные параметры распределения – среднее (арифметическое и геометрическое), дисперсия выборки, медиана, мода, максимальное и минимальное значения, выборочный коэффициент эксцесса и выборочный коэффициент асимметрии.

За фоновые содержания химических элементов принимаются средние значения в каждой выборке при учете закона распределения. В качестве условия применимости нормального и логнормального законов распределения были использованы следующие неравенства [Беус, 1975]:

, где A – выборочный коэффициент асимметрии,

E – выборочный коэффициент эксцесса,

N – количество элементов выборки.

Таким образом, было выяснено, что распределение химических элементов большинства выборок подчиняется логнормальному закону распределения, реже – нормальному (преимущественно выборка железисто-алюминиевых вод).

Описанный выше способ позволяет довольно быстро и точно оценить фоновые содержания для большого массива данных. Полученные статистические данные по основным микрокомпонентам приведены в таблице 1, где фоновые концентрации химических элементов сравниваются с их средним содержанием в водах зоны выщелачивания [Шварцев, 1998].

Следует отметить, что наиболее неоднородным распределением практически по всем элементам характеризуется кислый железисто-алюминиевый геохимический тип вод. Практически для всех элементов в данном типе вод характерна высокая величина стандартного отклонения (табл. 2). Высокая степень неоднородности во всех типах вод отмечается также для группы редкоземельных элементов.

Анализ особенностей поведения микроэлементов в разных геохимических типах вод (таблица 2) позволил выделить три группы элементов по идентичности поведения: Si, Ti, Cr, Mn, As, Rb, Sr, Mo, Sn, Ba, La, Ce, Eu, Yb, U, концентрации которых растут от железисто-алюминеевых вод к щелочных кремнистым карбонатно-кальциевых водам; Al, Fe, Li, Sc, V, Co, Ni, Cu, Zn, Br, Ag, Cd, Sb, Cs, Sm, Hf, Au, Hg, Pb, Th, средние содержания этих элементов уменьшаются в том же направлении; Tb, Lu, Ta, элементы, для которых характерны приблизительно равные концентрации во всех геохимических типах вод. Перечисленные группы отражают особенности миграции химических элементов в водах различных геохимических типов.

Среди факторов, влияющих на особенности поведения рассмотренных элементов в геохимических типах вод, стоит отметить изменение условий миграции (рН, Eh, минерализация и др.), масштабы поступления элементов в воды и их удаление в результате взаимодействия в системе вода–порода. Так высокие содержания As, Mn, Ba, U, Ti в щелочных водах, в нехарактерной для них среде миграции, обусловлены, вероятно, значительными масштабами обогащения вод этими элементами. Для La, Eu, Yb, отмечается незначительное повышение содержаний от кислых к щелочным условиям, что не характерно для редкоземельных элементов, это может быть связано с масштабами обогащения вод этими элементами. Тоже самое касается Ce, однако, повышение его концентрации от кислых условий к щелочным является более значительным.


Таблица 2

Р
  1   2

Похожие:

Е. А. Солдатова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природный ресурсов, г iconЕ. А. Солдатова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природный ресурсов, г
Целью данного исследования является определение фоновых концентраций микрокомпонентов в водах Томь-Яйского междуречья, в связи с...
Е. А. Солдатова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природный ресурсов, г iconНациональный исследовательский «томский политехнический университет» С. И. Кузнецов, Т. Н. Мельникова, В. М. Петелина
Решение задач по физике разного уровня сложности: учебное пособие / С. И. Кузнецов; Т. Н. Мельникова, В. М. Петелина.; Национальный...
Е. А. Солдатова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природный ресурсов, г iconНациональный исследовательский томский политехнический университет энергетический институт

Е. А. Солдатова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природный ресурсов, г iconФизические воздействия на пробу в вольтамперометрическом анализе
Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 634050, пр. Ленина, 30
Е. А. Солдатова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природный ресурсов, г iconНаучно-методические основы численного прогноза деформирования грунтовых оснований
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный...
Е. А. Солдатова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природный ресурсов, г iconПрограмма конференции 23 25 мая 2012 г. Киев, Украина Дислокация мест проведения конференции Национальный технический университет Украины “кпи”, корпус №9: ул. Политехническая, №35, метро «Политехнический институт»
Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» (нтуу «кпи»)
Е. А. Солдатова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природный ресурсов, г iconМинералого-геохимические особенности уролитов томского района и их связь с факторами природной среды и техногенного воздействия
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный...
Е. А. Солдатова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природный ресурсов, г iconС. И. Кузнецов методика решения задач по кинематике
Методика решения задач по кинематике: учебное пособие / С. И. Кузнецов; Национальный исследовательский Томский политехнический университет....
Е. А. Солдатова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природный ресурсов, г iconОбесцвечивание природных сапфиров
Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Научно-исследовательский институт нанофотоники...
Е. А. Солдатова Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Институт природный ресурсов, г iconУчреждение высшего профессионального образования «национальный исследовательский томский государственный университет»
Гато. Ф. Р-1313. Оп. Д. 182. Л. 13; Д. 209. Л. 1; Д. 212. Л. 11; Д. 213, Л. 2; Та
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница