 |
Глава 1. Основные сведения о «прикладной гидрогеохимии»
|
|
|
|
Введение
При обучении студентов гидрогеологической специальности «Прикладная гидрогеохимия» всегда присутствовала в учебном плане либо в виде отдельного раздела «Гидрогеохимии», либо самостоятельного курса. В Санкт-Петербургском горном институте в 30-е – 50-е годы прошлого века основное внимание уделялось геохимии минеральных вод (Н.Н. Славянов и Н.Н. Толстихин). В 60-е - 90-е годы прошлого столетия внимание гидрогеологов переключилось на гидрогеохимические поиски рудных, радиоактивных, нефтяных и других месторождений. В Горном институте это направление разрабатывали В.П. Боровицкий, В.А. Кирюхин, А.И. Коротков, С.М. Судариков, Н.Б. Никитина, В.Ю. Абрамов, А.А. Потапов и И.Л. Хархордин [19, 21, 30]. В 70-е – 90-е годы приоритетными стали эколого-гидрогеохимические исследования. На кафедре гидрогеологии СПбГГИ активное участие в них принимали В.А. Мироненко, В.Г. Румынин, А.И. Коротков, А.Н. Павлов, В.А. Кирюхин, Е.В. Мольский, Ф.Г. Атрощенко, В.К. Учаев, Н.Г. Головина, М.Н. Кочнева и др. [43]. Материалы этих исследований были использованы в учебниках, опубликованных издательством «Недра» [23, 42]. Кроме того, эти вопросы были освещены в других учебных изданиях [19, 20, 22, 24, 25]. В специальных курсах стали рассматриваться такие вопросы прикладной гидрогеохимии как гидрогеохимия техногенеза, использование гидрогеохимических данных при изучении областей многолетней мерзлоты, артезианских бассейнов, современных вулканогенов, предвестников землетрясений, формирование субаквальных гидротерм на океаническом дне, влияние природных ландшафтов на гидрогеохимическую обстановку и др.
В предложенном курсе рассматриваются два раздела – поисковый и экологический. Кому-то может показаться, что между ними отсутствует логическая связь. На самом деле она очень тесная. В поисковом разделе дается характеристика ореолов и потоков рассеяния вещества, формирующихся в природной обстановке разных оболочек Земли (литосфере, атмосфере, биосфере и подземной гидросфере). В экологическом разделе рассматриваются условия образования ореолов и потоков загрязнененных подземных вод. Таким образом, появляется возможность оценить негативные экологические последствия, которые возникают под воздействием как природных, так и техногенных процессов.
|
|
|
Практическое освоение знаний по гидрогеохимии должно идти в следующих направлениях: 1) научиться хотя бы в полевом варианте выполнять химический анализ воды; 2) уметь обрабатывать результаты полученных данных, проводить расчеты реакций и равновесий; 3) пользоваться специальной терминологией и понимать смысл терминов, применяемых в гидрогеохимии; 4) иметь представление о процессах, определяющих гидрогеохимические закономерности, возникающие в природных и техногенных условиях; 5) получить общее представление о методике, технике и технологиях, применяемых при ведении гидрогеохимических исследований; 6) ознакомиться с методами сбора, обработки и интерпретации геохимической информации.
Предлагаемый учебник знаменует собой начальный этап освоения геохимических знаний о воде. Освоение этих знаний происходит при работе с книгами, полевых изысканиях, лабораторных исследованиях. Как сказал китайский мыслитель древности Конфуций, знания могут продвигаться тремя путями: размышлением, подражанием и приобретением опыта. Каждый из названных путей имеет свои особенности, но их сочетание дает наибольший эффект в познании. На первых порах молодому специалисту будет не хватать опыта, но это дело наживное, поскольку разнообразие научных и практических вопросов, решаемых при реализации знаний по «Прикладной гидрогеохимии», позволит ему достаточно быстро решить эту задачу.
|
|
|
Учебник подготовлен на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии СПбГГИ. «Прикладная гидрогеохимия» читалась автором в различных модификациях более сорока лет. В предложенном варианте использованы материалы лекций последнего десятилетия. Большую помощь в подборе графических и табличных приложений оказали доцент Л.П. Норова и аспирант С.Н. Котлов, которым автор приносит искреннюю благодарность.
Замечания и предложения по учебнику просим направлять по адресу: 199106, Санкт-Петербург, В.О., 21-я линия, дом 2, Горный институт, кафедра гидрогеологии и инженерной геологии.
Глава 1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О «ПРИКЛАДНОЙ ГИДРОГЕОХИМИИ»
Главные направления «Прикладной гидрогеохимии». Гидрогеохимия или геохимия подземных вод является фундаментальным разделом гидрогеологии. В «Прикладной гидрогеохимии» реализуются научные и практические разработки этого раздела. С их помощью решаются вопросы по использованию подземных вод, экологической оценке их состояния, поискам различных полезных ископаемых по гидрогеохимическим данным, установлению направленности гидрогеохимических процессов в водоносных системах, прогнозированию изменения этих условий во времени и пространстве. Для выполнения своих функций «Прикладная гидрогеохимия» взаимодействует с науками геологического профиля – геохимией, литологией, месторождениями полезных ископаемых; географического направления – гидрологией, гидрохимией, ландшафтоведением; медико-экологического содержания и др. Это позволяет ей решать комплексные задачи, связанные с изучением и использованием пресных питьевых, минеральных, промышленно-ценных, термальных вод, оценкой экологического значения подземных вод, разработкой гидрогеохимических методов поисков месторождений полезных ископаемых, прогнозированием изменения состава и качества подземных вод при эксплуатации водоносных систем, разработкой и использованием различных методов водоподготовки для улучшения качества подземных вод. Этот перечень не охватывает всех проблем, которые решает «Прикладная гидрогеохимия». В сферу ее интересов входят также мелиоративная гидрогеохимия (засоления и рассоления грунтов), метеорология (образование кислых дождей и их влияние на ландшафт, поверхностные и подземные воды), гидрохимия морей и океанов (разгрузка подводных гидротерм и связанное с этим минерало- и рудообразование) и т.д.
|
|
|
Кратко остановимся на истории «Прикладной гидрогеохимии», которая началась задолго до начала разработки ее теоретических основ. С незапамятных времен подземные воды использовались для питьевых и лечебных целей. Постепенно круг применения подземных вод для практических целей становился все шире и шире. Из подземных вод стали извлекать соль, с их помощью обогревались помещения и решались многие другие практические задачи. Рождение гидрогеохимии как самостоятельного научного направления было обосновано В.И. Вернадским в 1929 году [6, 26]. Различные ответвления ее прикладной части возникали как раньше, так и позже этого события. Рассмотрим современное состояние некоторых наиболее важных составных частей «Прикладной гидрогеохимии».
Воды питьевого назначения [32].Их изучение идет по разным направлениям: разведка месторождений пресных вод, оценка их ресурсов, состава, режима, разработка санитарно-гигиенических нормативов использования вод, использование методов водоподготовки для улучшения качества питьевых вод. В пресных водах, использующихся для водоснабжения, установлено присутствие более 80 химических элементов. Соответствующими нормативными документами (ГОСТ, СанПиН) регулируются допустимые концентрации токсичных и других вредных компонентов в подземных водах. Актуальными становятся вопросы изучения минимально необходимых концентраций микрокомпонентов питьевых вод. Совершенствование химических анализов воды позволяет снижать нижний порог чувствительности этого анализа, тем самым способствуя увеличению количества определяемых микрокомпонентов. Поэтому при сравнительно простом макрокомпонентном составе (преимущественно гидрокарбонатном магниево-кальциевом) микрокомпонентная составляющая становится все более и более сложной. Кроме того, следует учитывать, что количество компонентов техногенного происхождения, определяемое в подземных водах, особенно органических веществ, также непрерывно растет. В последнем СанПиНе их количество уже превысило 500. К сказанному следует еще добавить необходимость определения в пресных водах присутствия микроорганизмов, оценку радиоактивности, изотопного состава и других свойств. Из всего этого следует, что проблема изучения и использования пресных вод питьевого назначения представляет собой непростую задачу. Для ее решения необходимо знать условия формирования этих вод, закономерности пространственных и временных изменений в естественных условиях и в период эксплуатации водоносных систем, а также использовать методы водоподготовки для улучшения качества воды.
|
|
|
Лечебные минеральные воды [34]. Целебные свойства минеральных вод определяются присутствием в них специфических компонентов, оказывающих благотворное воздействие на человеческий организм. Напомним, что к ним относятся компоненты химического (йод, бром, железо, мышьяк и др.) и газового (углекислый газ, сероводород, радон) состава. В соответствии с концентрацией этих компонентов в водах, необходимых для лечебного воздействия на человеческий организм, проводится классификация минеральных вод, выделяются провинции их распространения. Формирование этих вод происходит в определенной геолого-тектонической и физико-химической обстановках. Каждый тип минеральных вод требует особого подхода при разведке и эксплуатации. Границу и баланс между лечебными и нелечебными водами очень легко разрушить, а восстановить это равновесие трудно. Одной из задач «Прикладной гидрогеохимии» является сохранение этого равновесия и обеспечение эксплуатации месторождения минеральных вод с необходимыми параметрами. Это требует всестороннего учета гидродинамической и геохимической обстановки, проведения необходимых физико-химических расчетов, моделирования физико-химических процессов, прогнозирования изменения их в будущем.
Промышленно-ценные воды. Подземные воды часто являются химическим сырьем для извлечения из них ряда компонентов и соединений: солей, йода, брома, бора, лития, урана, металлов и других веществ. Возможность эксплуатации месторождения «жидких руд» (так иногда называют промышленно-ценные воды) зависит от многих обстоятельств: концентрации продуктивного вещества, производительности водозабора, запасов полезного ископаемого, состава подземных вод, температуры, глубины залегания эксплуатируемых горизонта или зоны, технологии извлечения полезного ископаемого, производительности будущего предприятия и экономики производства. Среди перечисленных вопросов, решаемых при эксплуатации «жидких руд», химическая составляющая является определяющей.
|
|
|
Термальные воды [29]. Гидротермы на нашей планете имеют широкое распространение, а на глубинах более 2-3 километров встречаются практически повсеместно. Особенно велико разнообразие термальных вод по температуре и составу в областях современного вулканизма. Поэтому здесь сосредочена основная часть геотермальных станций, которые используют тепло Земли для получения электроэнергии. В этих местах термальные воды во многих случаях обладают лечебными свойствами. В определенных условиях они образуют рудные месторождения гидротермального типа (золота, полиметаллов и др.). Такие месторождения характерны также и для вулканогенов прежних геологических эпох. На геохимических барьерах, возникающих при разгрузке гидротерм, происходит интенсивное минералообразование – отложение кварца, полевого шпата, гипса и других минералов. Сходные процессы рудо- и минералообразования происходят на дне океанов, где в зонах субдукции образуются так называемые черные и белые «курильщики» [10]. Весьма разнообразные гидрогеохимические процессы происходят в глубинных зонах артезианских бассейнов и гидрогеологических массивов, особенно на участках разгрузки и перетекания термальных вод. В частности, на участках разгрузки термальных рассолов образуются так называемые стратиформные рудные месторождения. Из сказанного видно, насколько велика роль гидрогеохимических исследований на участках гидротермальной деятельности, где происходит формирование разнообразных типов вод, минералов и руд.
Экологическая оценка роли подземных вод [55]. С одной стороны, степень загрязненности подземных вод является показателем «здоровья» подземной гидросферы. С другой стороны, весьма большое значение имеет сопротивляемость подземных вод такому загрязнению и их способность к самоочищению. Источники загрязнения и его виды определяют направленность гидрогеохимических процессов, выбор мероприятий по борьбе с этим явлением. Масштабы, глубина и разнообразие процессов загрязнения подземных вод непрерывно растут. По этой причине эколого-гидрогеохимические исследования становятся одним из главных направлений в «Прикладной гидрогеохимии».
Гидрогеохимические поиски полезных ископаемых [23]. Подземные воды, циркулируя в водовмещающей среде, приобретают те или иные признаки этой среды. Изучение этих процессов позволило разработать теорию и методику гидрогеохимических поисков различных полезных ископаемых. Такие разработки оказались эффективными в отношении месторождений соли, сульфидных руд, нефти и газа, урана, йода, брома, бора, лития, некоторых рассеянных и редких элементов. Гидрогеохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых обычно проводятся в комплексе с другими методами исследований – литохимическими, атмохимическими, биохимическими, радиохимическими и дают в этом случае оптимальный результат.
Гидрогеохимические предвестники землетрясений [46]. Многочисленные наблюдения, проведенные в сейсмически активных районах, показали, что перед сильными землетрясениями происходит интенсификация газогидрохимической деятельности недр. Перестройка структурно-тектонической обстановки, предшествующей землетрясениям, сопровождается выделением газовой фазы, в частности, радона, гелия и других компонентов, изменением химического состава подземных вод, появлением в них в заметных количествах ртути, бора, ряда металлов, повышением уровня подземных вод, увеличением температуры. Набор указанных признаков в различных сейсмически активных районах неодинаков, но с их помощью можно давать краткосрочные (месяцы) или долгосрочные (несколько лет) прогнозы возможных сейсмических событий. Это вполне достоверные и правильные предупреждения, но, к сожалению, точное место и время землетрясений по гидрогеохимическим данным пока никому не удалось установить. Это объясняется тем, что геохимические аномалии занимают площади в сотни, а иногда и в тысячи квадратных километров, а пик газогидрохимической активности и главной фазы землетрясений не всегда совпадает.
Список возможных приложений «Прикладной гидрогеохимии» можно было бы продолжить. Предоставим эту возможность читателю, который сделает это в соответствии со своими вкусами и интересами. Для таких размышлений имеется много вариантов, поскольку поле практической деятельности гидрогеохимика безгранично.
Научные гидрогеохимические школы. Развитие теории и методики «Прикладной гидрогеохимии» происходит в нашей стране в крупных вузах и научных учреждениях. В различных регионах страны благодаря плодотворной и целенаправленной работе ученых создавались гидрогеохимические школы с определенными научными традициями и направленностью исследований. Среди таких школ следует отметить следующие:
Петербургская (Ленинградская) школа. Она складывалась в результате активной работы, которая проводилась в Горном институте, Геолкоме-ВСЕГЕИ, Университете, институте Галургии и в Нефтяном институте (ВНИГРИ). Зарождение гидрогеохимических исследований в Горном институте обязано трудам В.М. Севергина, который в начале ХΙХ века обобщил материалы по геохимии минеральных вод и дал их классификацию. Его идеи получили развитие в трудах Н.Н. Славянова и Н.И. Толстихина, заложивших основу учения о минеральных водах. Большое внимание Н.И. Толстихин уделял также разработке вопросов химической зональности подземных вод. Среди других работ, выполненных в Горном институте, следует отметить разработку теории и методики гидрогеохимических поисков рудных месторождений (В.П. Боровицкий, В.А. Кирюхин, С.М. Судариков, В.Ю. Абрамов, И.Л. Ха рхордин); гидрогеохимическое картографирование (Н.И. Толстихин, В.А. Кирюхин, А.И. Коротков); гидрогеохимию геологических процессов (А.И. Коротков); химию морских вод и геохимию вод дна океанов (Н.И. Толстихин, С.М. Судариков, В.А. Кирюхин, А.И. Коротков, А.Н. Павлов); экологическую гидрогеохимию (В.А. Мироненко, В.Г. Румынин, Ф.Г. Атрощенко, В.К. Учаев, А.А. Потапов); гидрогеохимию и микробиологию зоны гипергенеза мегаполисов (Р.Р. Дашко); гидрогеохимию современных вулканогенов (В.А. Кирюхин, Н.И. Толстихин). Начало гидрогеохимических исследований в Геолкоме-ВСЕГЕИ следует связывать с именем С.Н. Никитина – родоночальника современной гидрогеологической науки. Расцвет гидрогеохимического направления во ВСЕГЕИ приходится на послевоенные годы, когда руководство этими работами взял на себя И.К. Зайцев. Они включали гидрогеохимическое картографирование (И.К. Зайцев, М.С. Гуревич, Б.Н. Архангельский, Е.Е. Белякова, Е.А. Басков, В.В. Петров); геохимию рассолов (И.К. Зайцев, Е.А. Басков, М.П. Распопов); палеогидрогеохимию (Е.А. Басков); методы химического анализа воды (А.А. Резников, Е.П. Муликовская); методы химического анализа газа (Т.А. Мишнина); гидрогеохимические поиски рудных месторождений (Е.Е. Белякова, С.М. Суриков); геохимию нефтяных месторождений (М.С. Гуревич, Е.Е.Белякова); биохимию и микробиологию (Е.Е. Крамаренко).
Университет. В нем основное внимание уделялось экологической и региональной гидрогеохимии (В.С. Самарина); геохимии минеральных вод Кавказа (М.И. Врублевский); геохимии газов (А.Н. Воронов).
Институт Галургии. Здесь получили развитие работы по изучению гидрогеохимии месторождений соли и соляных озер (Н.С. Курнаков, А.И. Дзенс-Литовский, А.Е. Хотьков).
Нефтяной институт (ВНИГРИ). В нем решались задачи по изучению геохимии подземных вод месторождений нефти и газа (В.А. Кротова, В.П. Якуцени, Л.Н. Капченко).
Московская школа. Среди учреждений, в которых гидрогеохимические исследования получили развитие, следует отметить ряд академических и отраслевых институтов и некоторых вузов (МГРИ-РГГРУ). Академик В.И. Вернадский, основатель гидрогеохимии, не только сформулировал ее основные научные и практические задачи, но и участвовал в создании и развитии некоторых ее направлений (радиогидрогеохимия, гидрогеохимическая зональность, генезис подземных и океанических вод). В академических институтах его идеи продолжали развиваться, в частности, разрабатывались геохимические проблемы круговорота вещества и воды в различных оболочках Земли и седиментагенезе (В.П. Зверев [17]); формирования минеральных вод областей современного вулканизма (В.И. Кононов); радиогидрогеологии (А.В. Щербаков); геохимии техногенеза (Ф.И. Тютюнова); моделирования гидрогеохимических процессов (Б.Н. Рыженко).
ВСЕГИНГЕО. Разнообразные работы включали изучение гидрогеохимических процессов и оценку состава подземных вод различного целевого назначения (Г.С. Вартанян, Л.В. Славянова, Н.А. Плотников, С.С. Бондаренко); экологогидрогеохимические исследования (В.М. Гольдберг); гидрогеохимические поиски рудных месторождений (А.А. Бродский, С.Р. Крайнов, Г.А. Голева, Б.А. Колотов); региональные гидрогеохимические исследования (Н.А. Маринов, Н.В. Роговская, С.И. Смирнов, Б.Е. Антыпко); гидрогеохимическое картографирование (М.Е. Альтовский, Л.А. Островский, В.Н. Островский); мониторинг (А.А. Коноплянцев, С.М. Семенов); компьютерное моделирование и прогнозирование гидрогеохимических процессов (С.Р. Крайнов); химический анализ воды (И.Ю. Соколов, Е.Л. Быкова); изучение минеральных вод как химического сырья (Л.С. Балашов); разработка проблем нефтепоисковой гидрогеологии (М.Е. Альтовский, В.М. Швец); изучение геохимии термальных вод (А.А. Шпак, Н.М. Фролов).
Российский государственный геолого-разведочный университет (МГРИ-РГГУ). Гидрогеохимические исследования получили развитие в таких направлениях как региональная гидрогеохимия (Г.Н. Каменский); минеральные воды, радиогидрогеохимия и палеогидрогеохимия (А.М. Овчинников, Д.И. Щеголев); органическая гидрогеохимия и гидрогеохимические процессы (В.М. Швец).
Московский государственный университет (МГУ). Он являлся лидером региональных гидрогеохимических исследований (О.К. Ланге, К.Е. Питьева).
Среди частных фирм, образованных в последние годы, наиболее активно изучением химии воды занимается ГИДЭК. В этой организации под руководством Б.В. Боревского и Л.С. Язвина решались следующие гидрогеохимические задачи: оценка качества питьевых вод, разработка методов водоподготовки и новых лабараторных методов анализа воды (В.П. Закутин); изучение минеральных вод различных регионов (Л.В.Боревский);
Сибирская школа. Формирование этой школы связано с такими учеными как А.В. Львов, М.Н. Кучин, М.А. Усов, В.Г. Ткачук. Формула химического состава воды, которой мы сейчас широко пользуемся, была предложена М.Г. Курловым. Во многих крупных городах Сибири сложились научные коллективы, изучавшие различные гидрогеохимические проблемы. Так, например, в Томске это были гидрогеохимические поиски рудных месторождений (П.А. Удодов, С.Л. Шварцев); изучение взаимодействия вода ↔ порода (С.Л. Шварцев, Е.М. Дутова); геохимия пресных вод (Н.М. Рассказов). В Иркутске гидрогеохимические проблемы разрабатывались в связи с изучением гидрогеологии Прибайкалья (В.И. Пиннекер); Байкальского рифта (И.С. Ломоносов); урановых месторождений (В.М. Степанов); минеральных вод Монголии и соседних регионов (Б.И. Писарский). В Якутске гидрогеохимические исследования сосредоточились на решении задач криогенного направления (В.В. Шепелев, Р.С. Кононова, О.Н. Толстихин, Н.П. Анисимова). В Тюмени главное значение придавалось изучению гидрогеохимии нефтегазоносных бассейнов (В.М. Матусевич). Весьма сложные гидрогеохимические задачи возникли в Восточной Сибири в связи с разработкой месторождений алмазов и железной руды. Карьеры глубиной до 500 и более метров, откачка рассолов и их закачка в толщу многолетней мерзлоты, изменение состава и режима подземных вод заставили принимать неординарные решения (В.А. Мироненко, В.Г. Румынин, Ф.Г. Атрощенко).
Новочеркасская школа. Представители этой школы занимались изучением условий формирования химического состава подземных вод и региональной гидрогеохимией (Е.В. Посохов, В.Г. Попов); разработкой методов сбора и обработки гидрогеохимической информации (А.И. Гавришин).
Основные достижения в «Прикладной гидрогеохимии» за рубежом связаны с оценкой качества подземных вод и решением разного рода экологических проблем. Революционное значение в этом отношении имели работы Р. Гарелса, который обосновал применение методов химической термодинамики в геохимических исследованиях. Отметим также работы Дж. Дривера, К. Пачеса, А. Трансделла, Р.Вернера, Б. Планера, Р. Фрида, Р. Смита, К. Пицера и других ученых. Высокочувствительная аппаратура и совершенствование методов анализа воды позволяют постоянно расширять круг изучаемых химических элементов и повышать достоверность результатов исследований. Широко внедряются в практику изучения химии подземных вод количественная оценка химических процессов, их моделирование и прогнозирование.
Гидрогеохимия – молодая наука, находящаяся в динамическом развитии. Еще в большей степени такая ситуация наблюдается в прикладной ее части, которая решает многие задачи по использованию подземных вод и изучению их роли в различных геохимических процессах. Круг решаемых при этом задач постоянно расширяется, поэтому возможности для творческого роста специалиста-гидрогеохимика весьма велики.
|
|
|
