ПРОЦЕССЫ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОКАРБОНАТНЫХ НАТРИЕВЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В СИСТЕМЕ ДОЖДЕВАЯ ВОДА – ПЕСЧАНИК

С помощью моделирования изучены процессы физико-химических взаимодействий дождевой воды с песчаником. Установлено, что в результате взаимодействия уже при минерализации 55 мг/кг Н₂О формируется раствор чистого содового состава, который до 200 мг/кг Н₂О имеет резко окислительные свойства, сменяющиеся при превышении этой величины на резко восстановительные. При минерализации 30 мг/кг Н₂О в результате интенсивного увеличения гидроксид-иона раствор становится высокощелочным. Из раствора активно выводится кальций в результате формирования в твердой фазе не только кальцита, доля которого не превышает 15 %, но в основном ломонтита, содержание которого достигает 25 %. Накопление в растворе высоких концентраций натрия обусловлено отсутствием его вторичных минеральных образований в значительном интервале изменения отношений порода/вода. В пластовых условиях раствор имеет карбонатный состав. Этот раствор, переведенный из пластовых условий в поверхностные, в результате взаимодействия с атмосферой преобразуется. Уменьшается рН раствора, и он приобретает резко окислительные свойства. При этом содержание катионов, сульфатов, фтора и хлора остается на уровне, соответствующем пластовым условиям, но кардинальные изменения претерпевают компоненты карбонатной системы и соединения кремния. Гидросиликатный ион преобразуется в оксид кремния, который выпадает в осадок. Карбонатные ионы преобразованы в гидрокарбонатные, а чтобы раствор сохранил состояние равновесия после ухода из него представительного количества гидросиликатного иона, дополнительно были сформированы гидрокарбонатные ионы. Количество углерода, необходимое для их формирования, было заимствовано из атмосферы. Раствор стал гидрокарбонатным, и из него практически исчез гидросиликатный ион. Различные варианты расчета модельного раствора, равновесного с атмосферой, соотносятся с представительной группой подземных вод содового типа. Результаты расчетов подтверждаются натурными наблюдениями за формированием аутигенных минералов, проведенными на значительной части территории России.

1. Абдрахманов Р.Ф., Попов В.Г. Геохимия и формирование подземных вод Южного Урала. Уфа: Гилем, 2010. 420 с.

2. Appelo C.A.J., Postma D., 1994. Geochemistry, Groundwater and Pollution. Brookfield, Rotterdam, 536 p.

3. Berman R.G., 1988. Internally-Consistent Thermodynamic Data for Minerals in the System Na2O–K2O–CaO–MgO–FeO–Fe2O3–Al2O3–SiO2–TiO2–H2O–CO2. Journal of Petrology 29 (2), 445–522. https://doi.org/10.1093/petrology/29.2.445.

4. Blake R., 1989. The Origin of High Sodium Bicarbonate Waters in the Otway Basin, Victoria, Australia. In: D.L. Miles (Ed.), Water-Rock Interaction (WRI-6). Proceedings of the 6th International Symposium (August 3–6, 1989, Malvern, UK). Brookfield, Rotterdam, p. 83–85.

5. Чудненко К.В. Термодинамическое моделирование в геохимии: теория, алгоритмы, программное обеспечение, приложения. Новосибирск: ГЕО, 2010. 287 с.

6. Дислер В.Н. Гидрогеологический анализ регионального распространения ломонтита на Сахалине // Литология и полезные ископаемые. 1981. № 5. С. 137–151.

7. Holland T.J.B., Powell R., 1990. An Enlarged and Updated Internally Consistent Thermodynamic Dataset with Uncertainties and Correlations: The System K2O–Na2O–CaO–MgO–MnO–FeO–Fe2O3–Al2O3–TiO2–SiO2–C–H2–O2. Journal of Metamorphic Geology 8 (1), 88–124. https://doi.org/10.1111/j.1525-1314.1990.tb00458.x.

8. Johnson J.W., Oelkers E.H., Helgeson H.C., 1992. SUPCRT 92: Software Package for Calculating the Standard Molal Thermodynamic Properties of Mineral, Gases, Aqueous Species, and Reactions from 1 to 5000 Bars and 0° to 1000 °C. Computers & Geosciences 18 (7), 899–947. https://doi.org/10.1016/0098-3004(92)90029-Q.

9. Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. Новосибирск: Наука, 1981. 247 с.

10. Kimura K., 1992. Mechanism of the Forming of Ground Water with High Content of Sodium Bicarbonate onto the Plains Part of the Formation Kobe (Japan). Ground Water Hydrogeology 32 (1), 5–16.

11. Копорулин В.И. О происхождении цеолитового цемента в песчано-гравийных породах юго-восточной части Иркутского бассейна // Доклады АН СССР. Серия петрографическая. 1961. Т. 31. № 1. С. 174–177.

12. Копорулин В.И. Типы вторичных изменений песчано-гравийных пород угленосной толщи Иркутского бассейна и их возможная связь с подземными водами // Известия АН СССР. Серия геологическая. 1962. № 3. С. 72–87.

13. Копорулин В.И. Вещественный состав, фации и условия формирования угленосной толщи центральной части Иркутского бассейна. М.: Наука, 1966. 166 c.

14. Копорулин В.И. Об эпигенетическом формировании крустификационного хлорита в песчано-гравийных породах // Литология и полезные ископаемые. 1968. № 5. С. 95–99.

15. Копорулин В.И. Мезозойские и кайнозойские терригенные отложения Северо-Востока и Дальнего Востока России. М.: Наука, 1992. 126 с.

16. Koporulin V.I., 2013. Formation of Laumontite in Sedimentary Rocks: A Case Study of Sedimentary Sequences in Russia. Lithology and Mineral Resources 48, 122–137. https://doi.org/10.1134/S002449021302003X.

17. Коржинский Д.С. Факторы равновесия при метасоматозе // Известия АН СССР. Серия геологическая. 1950. № 3. С. 21–49.

18. Krainov S.R., Belousova A.P., Ryzhenko B.N., 2001а. Formation of High-Alkali Groundwater in Upper Aquifers. Water Resources 28, 491–501. https://doi.org/10.1023/A:1012372904504.

19. Krainov S.R., Belousova A.P., Ryzhenko B.N., 2001b. Geochemical Systems Producing High-Carbonate Alkaline Groundwaters in Upper Aquifers. Geochemistry International 39 (12), 1147–1159.

20. Крайнов С.Р., Рыженко Б.H., Швец В.М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты. М.: ЦентрЛитНефтегаз, 2012. 672 с.

21. Lepokurova O.E., 2020. Mechanisms of the Formation of Sodium Bicarbonate Groundwaters in the Southeast of West Siberia. Geochemistry International 58, 1477–1504. https://doi.org/10.1134/S0016702920130042.

22. Lepokurova O.E., Shvartsev S.L., 2019. Geochemistry of Soda Waters of the Chulym–Yenisei Artesian Basin (West Siberia). Russian Geology and Geophysics 60 (5), 558–569. https://doi.org/10.15372/RGG2019044.

23. Лепокурова О.Е., Зятева О.Ф. Химический состав минеральной воды «Омега» (Томская область) // Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 319. № 1. С. 172–177.

24. Matthess G., Frimmel F.H., Hursch P., Usdowski H.-E. (Eds), 1992. Progress in Hydrogeochemistry. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 544 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-76629-9.

25. Усть-Илимское водохранилище. Подземные воды и инженерная геология территории / Ред. М.М. Одинцов. Новосибирск: Наука, 1975. 218 с.

26. Parkhurst D.L., Christenson S., Breit G.N., 1996. Ground-Water-Quality Assessment of the Central Oklahoma Aquifer, Oklahoma – Geochemical and Geohydrologic Investigations. U.S. Geological Survey Water Supply Paper 2357, 101 p. https://doi.org/10.3133/wsp2357C.

27. Павлов С.Х. Особенности строения и процессы формирования сложнопостроенного гидрогеохимического разреза в Байкальской рифтовой зоне // Науки о Земле и недропользование. 2021. Т. 44. № 2. С. 159–166. https://doi.org/10.21285/2686-9993-2021-44-2-159-166.

28. Павлов С.Х., Чудненко К.В. Формирование метановых вод Тункинской впадины // Современная гидрогеология нефти и газа (фундаментальные и прикладные вопросы: Материалы всероссийской научной конференции, посвященной 85-летию профессора А.А. Карцева (21–23 сентября 2010 г.). М.: ГЕОС, 2010. С. 67–72.

29. Pavlov S.Kh., Chudnenko K.V., 2013. Formation of Nitrogen-Rich Hot Springs: Modeling Physicochemical Interactions in a Water-Granite System. Geochemistry International 51, 981–993. https://doi.org/10.1134/S0016702913120069.

30. Pavlov S.Kh., Chudnenko K.V., 2023. Formation of Nitrogen-Rich Hot Springs in the Water – Granite and Water – Porphyrite Systems. Geochemistry International 61, 265–273. https://doi.org/10.1134/S0016702923030096.

31. Павлов С.Х., Чудненко К.В., Голубев В.А., Оргильянов А.И., Бадминов П.С., Крюкова И.Г. Геологические факторы и физико-химические процессы формирования подземных вод Тункинской впадины // Геодинамика и тектонофизика. 2018. Т. 9. № 1. С. 221–248. https://doi.org/10.5800/GT-2018-9-1-0346.

32. Павлов С.Х., Чудненко К.В., Хромов А.В. Моделирование формирования фторидных азотных терм в системе «вода – кристаллическая порода» // Геодинамика и тектонофизика. 2020. Т. 11. № 2. С. 378–396. https://doi.org/10.5800/GT-2020-11-2-0481.

33. Петтиджон Ф.Дж. Осадочные породы. М.: Недра, 1981. 751 с.

34. Попов В.Г. Роль ионообменной адсорбции в формировании содовых вод Волго-Камского артезианского бассейна // Советская геология. 1987. № 12. С. 105–112.

35. Popov V.G., 2004. Lithological and Hydrogeochemical Implications of Ion Exchange in Sedimentary Basins: Evidence from the Volga-Ural Basin. Lithology and Mineral Resources 39, 41–50. https://doi.org/10.1023/B:LIMI.0000010769.00385.28.

36. Попов В.Г., Абдрахманов Р.Ф. Происхождение содовых вод Южного Урала и Предуралья // Геологический сборник (юбилейный выпуск). 2011. № 9. С. 247–261.

37. Попов В.Г., Абдрахманов Р.Ф. Ионообменная концепция в генетической гидрогеохимии. Уфа: Гилем, 2013. 356 с.

38. Посохов Е.В. Происхождение содовых вод в природе. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 153 с.

39. Reid R.C., Prausnitz J.M., Sherwood T.K., 1977. The Properties of Gases and Liquids. McGraw-Hill Book Company, New York, 629 p.

40. Robie R.A., Hemingway B.S., 1995. Thermodynamic Properties of Minerals and Related Substances at 298.15 К and 1 Bar (105 Pascals) Pressure and at Higher Temperatures. U.S. Geological Survey Bulletin 2131. Washington, 461 p. https://doi.org/10.3133/b2131.

41. Рудкевич М.Я., Озеранская Л.С., Чистякова Н.Ф., Корнев В.А., Максимов Е.М. Нефтегазоносные комплексы Западно-Сибирского бассейна. М.: Недра, 1988. 303 с.

42. Шенькман Б.М. Гидрокарбонатные натриевые подземные воды Приангарья // Гидрогеохимия осадочных бассейнов: Труды Российской научной конференции (13–17 ноября 2007 г.). Томск: Изд-во НТЛ, 2007. С. 309–316.

43. Shock E.L, Sassani D.C., Willis M., Sverjensky D.A., 1997. Inorganic Species in Geologic Fluids: Correlations among Standard Molal Thermodynamic Properties of Aqueous Ions and Hydroxide Complexes. Geochimica et Cosmochimica Acta 61 (5), 907–950. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(96)00339-0.

44. Shvartsev S.L., 1978. Hydrogeochemistry of the Hypergenesis Zone. Nauka, Moscow, 288 p. (in Russian) [Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. М.: Наука, 1978. 288 с.].

45. Основы гидрогеологии. Гидрогеохимия / Ред. С.Л. Шварцев. Новосибирск: Наука, 1982. 289 с.

46. Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. М.: Недра, 1998. 2-е изд. 366 с.

47. Шварцев С.Л. Содовые воды как зеркало противоречий современной гидрогеохимии // Геологическая эволюция и самоорганизация системы вода – порода. Т. 2. Система «вода – порода» в условиях зоны гипергенеза. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. С. 122–126.

48. Шварцев С.Л., Домрочева Е.В., Рассказов Н.М. Геохимия и формирование содовых вод Кузбасса // Известия Томского политехнического университета. 2011. Т. 318. № 1. С. 128–134.

49. Shvartsev S.L., Lepokurova O.E., 2014. The Unique Alkaline Waters in the Chulym Basin (West Siberia). Doklady Earth Sciences 459, 1464–1469. https://doi.org/10.1134/S1028334X14110269.

50. Shvartsev S.L., Zamana L.V., Plyusnin A.M., Tokarenko O.G., 2015. Equilibrium of Nitrogen-Rich Spring Waters of the Baikal Rift Zone with Host Rock Minerals as a Basis for Determining Mechanisms of Their Formation. Geochemistry International 53, 713–725. https://doi.org/10.1134/S0016702915060087.

51. Воды нефтяных и газовых месторождений СССР: Справочник / Ред. Л.М. Зорькин. М.: Недра, 1989. 382 с.