Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Формирование химического состава подземных вод в экстремальных термодинамических условиях

ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Формирование химического состава подземных вод в экстремальных термодинамических условиях"

На правах рукописи

Абрамов Владимир Юрьевич

ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ

Специальность 25.00.07 - гидрогеология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

1 О СЕН 2015

МОСКВА 2015

005562254

Работа выполнена в ЗАО «Гидрогеологическая и геоэкологическая компания «ГИДЭК» (ЗАО «ГИДЭК»),

Научный консультант:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Борис Владимирович Боре веки и

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, Валентин Петрович Зверев

доктор геолого-минералогических наук, профессор, Степан Львович Шварцев

доктор геолого-мннералогнческих наук, профессор Александр Николаевич Павлов

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский Государственный университет» (С116ГУ), Институт наук о Земле.

Зашита диссертации состоится 19 ноября 2015 г. в 15 часов, в ауд. 4-73 на заседании диссертационного совета ДМ 212.121.01 при Российском государственном геологоразведочном университете по адресу: 117997, г. Москва, ГСП-7, ул. Миклухо-Маклая, д.23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного геологоразведочного университета имени Серго Орджоникидзе.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 117997. г. Москва, ГСП-7, ул. Миклухо-Маклая, д. 23, Российский государственный геологоразведочный университет, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.121.01.

Автореферат разослан «¿Г^» 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор геолого-минералогических наук, доцент С.Д. Ганова

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Актуальность рассматриваемого в диссертационной работе научного направления имеет теоретическое и прикладное значение.

В работе рассмотрены экстремальные термодинамические условия (РТ-условия) формирования химического состава подземных вод. Под экстремальными термодинамическими условиями принимаются РТ-условия, в которых изменяются физико-химические свойства воды как растворителя, а наличие в воде органических лигандов комплексных соединений и окислителей придают ей уникальные растворяющие свойства. Они контролируют фазовые переходы воды и других газов, образующих с водой газо-водяную смесь - физическая смесь не смешивающихся друг с другом сверхкритических флюидов Н2О, СО2, H2S, НС1, Hi As, то есть РТ -условия, которые не приводятся к нормальным условиям (Р=1 атм, Т=25°С) или приводятся к ним с большими допущениями.

В экстремальных термодинамических околокритических условиях у воды и других газов изменяется тип растворителя, например, вода становится неполярным растворителем, а в экстремальных криогенных условиях твердая вода (кристаллы льда) не содержит в кристаллической решетке солен, а с газами (H2S, СН4 и др.) образует соединения клатраты (газовые гидраты) находящиеся внутри кристаллической решетки минералов воды.

К экстремальным термодинамическим условиям, рассмотренным в работе, отнесен частный случай экстремальных окислительно-восстановительных термодинамических условий: совместное присутствие в подземных водах окислителей и анионов-лигандов благородных металлов, так как действие каждого из них по отдельности не приводит к растворению Au, Pt, Os, Ir. Сложность окисления золота и элементов группы платины (Pt, Os, Ir) заключается в том, что они имеет высокий окислительный потенциал, и придать ему положительную степень окисления перечисленные компоненты в отсутствии анионов-лигандов не в состоянии. При комплексообразовании происходит снижение потенциала окисления металлического золота и элементов группы платины и становится реальностью его растворение и перенос с подземными водами в условиях зоны пшергенеза.

В работе рассмотрены три варианта экстремальных термодинамических условий, являющихся наиболее актуальными, часто встречающимися, при решешт прикладных задач:

1. Околокритические условия: сверхкритические (Т°С более 374, Р bar более 212) и субкритические (Т — 100 - 374°С) условия;

2. Криогенные условия: отрицательно температурные (Т — менее 0°С) условия;

3. Особый вариант экстремальных окислительно-восстановительных термодинамических условий: Совместное присутствие в подземных водах окислителей и анионов-лигандов комплексных соединений, приводящих к миграции и отложению в зоне гипергенеза золота и элементов группы платины (Pt, Os, Ir).

Рассмотренные в работе РТ - условия не отражают весь перечень экстремальных термодинамических условий, характерных для подземных вод, что является обширным полем для дальнейших исследований.

Цель и задачи исследований

Цель данной работы - определить фундаментальные закономерности изменения химического состава подземных вод в экстремальных термодинамические условия (РТ-условия) для изучения, прогноза и управления их качеством при решешш различных научных и прикладных гидрогеологических задач.

Для реализации поставленной цели были решены следующие задачи:

1. На примере Ессентукского и Нагутского месторождений района Кавказских минеральных вод изучены закономерности формирования термогазохимического состава углекислых минеральных вод, находящихся в экстремальных сверхкритических термодинам1гческих условиях;

2. На примере районов кимберлитовых полей Западной Якутии, золоторудно-россыпных полей Дальнего Востока РФ изучены закономерности формирования химического состава в криогенных отрицательно температурных термодинамических условиях (Т — менее 0°С);

3. На примере районов золоторудно-россыпных полей Дальнего Востока РФ изучены закономерности формирования химического состава подземных вод в экстремальных окислительно-восстановительных термодинамических условиях - совместное присутствие в подземных водах окислителей и анионов-лигандов комплексных соединений, приводящих к миграции и отложению в зоне гипергенеза золота и элементов группы платины (Pt, Os, Ir).

Методы и методика исследования, достоверность и обоснованность полученных результатов. Для решения поставленных задач был применен комплексный метод, заключающийся в теоретическом анализе, научном синтезе и апробации основных положений на конкретных объектах.

Основные положения и выводы работы обосновываются теоретическими и натурными опытными и технологическими исследованиями, проведенными по теме диссертации.

Объектами исследований являлись:

1. Ессентукское и Нагутское месторождения углекислых минеральных вод района Кавказских минеральных вод (КМВ);

2. Районы месторождений алмазов Западной Якутии и Архангельской области;

3. Районы 16 золоторудно-россыпных полей юга Дальнего Востока РФ;

4. Объект на севере Красноярского края.

Методика исследований заключалась:

1. В сборе, анализе фондовых и литературных источников по объектам исследований;

2. В теоретическом анализе материалов;

3. В проведении полевых и лабораторных исследовашш химического состава подземных вод на объектах исследований;

4. В термодинамическом и физическом моделировании химического состава подземных вод применительно к природным условиям объектов исследований;

5. В разработке природных моделей исследуемых объектов использованных для решения прикладных задач;

6. В обобщении полученных результатов работ по объектам исследований для разработки теоретических представлений об особенностях формирования химического состава подземных вод в экстремальных термодинамических условиях.

Научная новизна

Научная новизна работы заключается в разработке теоретических представлений об особенностях формирования химического состава подземных вод в экстремальных термодинамических условиях:

1. Околокритические условия: сверхкритические (Т°С более 374, Р bar более 212) и субкритические (Т- 100 - 374°С);

2. Криогенные условия: отрицательно температурные (Т - менее 0 С);

3. Особый вариант экстремальных окислительно-восстановительных термодинамических условий: Совместное присутствие в подземных водах окислителей и анионов-лигандов комплексных соединений, приводящих к миграции и отложению в зоне гипергенеза золота и элементов группы платины (Pt, Os, Ir).

Праюгическая значимость

Практическая значимость работы заключается:

1. В разработке природных гидрогеохимических моделей формирования термо-газохимического состава углекислых минеральных вод месторождений КМВ для переоценки запасов минеральных вод Ессентукского и Нагутского месторождений, получившие положительное заключение ГКЗ при экспертизе запасов;

2. В оценке запасов углекислого газа Ессентукского месторождения минеральных вод и постановке их запасов на госучет по результатам экспертизы отчета с переоценкой запасов минеральных вод в ГКЗ;

3. В теоретическом обосновании проектных решений по утилизации дренажных рассолов и минерализованных оборотных вод в многолетнемерзлые горные породы на объектах инфраструктуры Удачшшского и Мирнинского ГОКов АК «АЛРОСА»;

4. В оценке запасов гидромипсралыюго сырья хранилищ обогатительного концентрата на Крайнем севере РФ;

5. В разработке проектных решений по скважинной добыче и водоподготовке высокоминерализованных кислых сульфатных рассолов Ре, Zn, Си вымораживанием в составе проекта по утилизации отвала огарка серного колчедана в п. им. Морозова, Ленинградская область;

6. В разработке методики поисков и прогнозной оценки по гидрогеохимическим данным коренных и россыпных месторождений золота и ЭПГ и се реализации в пределах 16 золоторудно-россыпных полей Дальнего Востока РФ.

Апробация работы

Результаты исследований и основные положения диссертационной работы были доложены на 34 конференциях, совещаниях, симпозиумах, выставках в том числе:

1. На Совещаниях по подземным водам Сибири и Дальнего Востока (Томск, 1991 г, Томск 1993г, Тюмень 2009г, Иркутск 2012г);

2. Научной конференции Американского химического общества, Вашингтон, 1993 г;

3. В Федеральной геологической службе США, Вирджиния, г. Рестон, 1993г

4. Научной конференции СПбГУ, «Комплексные проблемы гидрогеологии». (СГ16ГУ, Санкт Петербург, 2011 г.);

5. На Международной научно-практической конференции «Питьевые подземные воды. Изучение, использование и информационные технологии» («ВСЕГИНГЕО», п. Зеленый, Московская область, 2011 г.);

6. На Всероссийской конференции «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами», Томск, 2012г.;

7. На 2-ом Национальном научном форуме «НАРЗАН-2013», «ТЕХНОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ В ГИДРОЛИТОСФЕРЕ», Кисловодск, 2013 г.;

8. На Всероссийском форуме с международным участием «Развитие минерально-сырьевой базы Сибири: от В.А. Обручева, М.А. Усова Н.Н. Урванцева до наших дней», г. Томск, 2013 г.;

9. На Международной конференции по минеральным водам «Мш\¥а12014», Карловы Вары, Чешская Республика, 2014г.;

10. Всероссийской научно-практической конференщш, ВСЕГИНГЕО, Москва, 2014 г.;

И. I Международный конгресс, «САНАТОРНО-КУРОРТНОЕ ЛЕЧЕНИЕ», Москва,

2015 г.

Публикации автора

Основные положения работы изложены в 35 изданиях, 19 из которых рекомендованы ВАК.

Личный вклад автора

В диссертационной работе приводятся результаты многолетних исследований, выполненных лично автором или под его руководством. Автору принадлежат: выбор направления исследования и постановка задач, аналитический обзор литературы, теоретическое обобще1ше данных, постановка, руководство и участие в исследованиях по апробации теоретических и методологических положений, формулировка выводов. Результаты разработок, проведенных в соавторстве с другими исследователями и касающиеся в основном апробации ряда положений диссертации на конкретных объектах исследований, включены в диссертацию только при наличии совместных публикаций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 199 страницах, состоит из введения, 3 глав и заключения. Работа проиллюстрирована 40 рисунками и содержит 22 таблицы. Список использованных источников включает 132 наименования, в том числе 17 зарубежных.

Работа выполнена в ЗАО «ГИДЭК».

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность всему коллективу ЗАО «ГИДЭК», кафедры гидрогеологии МГРИ-РГГРУ за полученные критические замечания и рекомендации в процессе подготовки работы, своему научному консультанту профессору, д.г-м.н. Б.В. Боревскому за всестороннюю помощь в подготовке и написании работы. Автор глубоко благодарен ушединim из жизни профессору, д. г-м.н. [В.А. Кирюхину|, профессору, д. г-м.н. |В.А.1 [Мироненко|, чл.-корр. РАН, профессору, д. г-м.н. [А.И. Короткову{ д. г-м.н. |В.Г. Лазаренкову!, д. г-м.н. |Е.А. EacKOBvj д.г.н. |А.В. Иванову! д.г-м.н. [Л. Н. Капченко! за ценные советы при подготовке диссертации. Автор благодарен за поддержку научных исследовании преподавателям и сотрудникам кафедры гидрогеологии и инженерной геологии Санкт-Петербургского горного института.

Работа проводилась в тесном контакте и деловом сотрудничестве с геологами и гидрогеологами ПГО «Дальгеология», ПГО «Таёжгеология», ОАО «Кавминкурортресурсы», ОАО «Минеральные воды Ставрополья», Пятигорского НИИ курортологии. Автор признателен им за помощь, содействие и добрые советы Защищаемые положения.

1. Изменение химического состава подземных вод, находящихся в сверхкритическом состоянии (газо-водяная смесь - физическая смесь не смешивающихся друг с другом сверхкритнческих флюидов Н2О, СО2, H2S, HCl, H3AS и др. кислых газов), происходит ступенчато, в соответствии с критическими точками сверхкритнческих флюидов, вследствие уменьшения давления и температуры ниже критических параметров при их подъеме к поверхности Земли. В критических точках происходит химическое взаимодействие сверхкритнческих флюидов с молекулами воды с образованием истинных водных растворов кислот, которые нейтрализуются горными породами, обогащая воду минеральными солями.

2. Изменение химического состава подземных вод при отрицательных температурах (Т - менее О С) происходит ступенчато, в соответствии с эвтектическими точками растворенных в воде солей. При понижении температуры подземных вод ниже 0°С в эвтектических точках происходит совместная кристаллизация льда и кристаллогидратов солей, а жидкая фаза обогащается солями с низкими эвтектика.ми, что приводит к последовательной смене гидрохимических типов вод и льдов (криогидрогеохимической зональности): гидрокарбонатные воды (лед) —» сульфатные воды (лед) —> хлоридные воды (лед) —» (возможно, при Т - менее минус 55°С) бромидные воды.

3. Совместное присутствие в подземных водах зоны гипергенеза окислителей благородных металлов и лигандов их комплексных соединений приводит, последовательно, к:

1) окислению и растворению (образование комплексных соединений с лигандами) самородных форм Au, Pt, Os, Ir;

2) миграции комплексных соединении Au, Pt, Os, Ir с подземными водами с образованием ореолов рассеяния;

3) отложению при разгрузке подземных вод на восстановительных геохимических барьерах в руслах поверх постных водотоков самородных форм Au, Pt, Os, Ir;

4) формированию гидрогенной составляющей аллювиальных россыпей Au, Pt, Os, Ir.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность исследований, определены цели и задачи, методология и методика, сформулированы научная новизна, теоретическая и практическая значимость работы.

Первая глава посвящена вопросам формирования химического состава подземных вод в сверхкритических (VC более 374, Р bar более 212) и субкритических (Т - 100 - 374°С) условиях.

На базе результатов изучения термогазохимического состава минеральных углекислых вод Ессентукского и Нагутского месторождений рассматриваются сверхкритические флюиды воды и сверхкритические флюиды углекислого газа, а также формирование их органического химического состава.

Обсуждаются гипотезы формирования углекислых минеральных вод Кавказских минеральных иод (КМВ) и даётся их критический анализ.

На этих материалах обосновывается первое защищаемое положение

Во второй главе речь идёт о формировании химического состава подземных вод при отрицательных температурах (Т - менее 0°С).

Приводятся авторские разработки теоретических основ криогенной метаморфизации химического состава подземных вод, новые подходы к геотехнологическому изучению качества подземных вод, локальных и региональных криогенных гндрогеохимических процессов, сделанные на основе многолетних экспериментальных и полевых исследований автора.

Рассмотрено формирование криогенной гидрогеохимической зональности деградированной криолитозоны бывших крио-артезианских бассейнов.

На материалах главы обосновывается второе защищаемое положение.

Третья глава содержит результаты гидрогеохимических исследований по вопросам совместного присутствия в подземных водах окислителей благородных металлов и лигандов комплексных соединений в зоне пптергенеза содержащих Au, Pt, Os, Ir коренных горных пород (РУД)-

Обосновывается модель растворения, переноса и переотложения золота и элементов платиновой группы (ЭПГ) в зоне пшергенеза. Обсуждается формирование гидрогенной составляющей аллювиальных россыпей золота и ЭПГ.

Обосновывается третье защищаемое положение.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВА ЗАЩИЩАЕМЫХ ПОЛОЖЕНИИ

Глава 1. ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД В СВЕРХКРИТИЧЕСКИХ (Т°С БОЛЕЕ 374, Р BAR БОЛЕЕ 212) И СУБКРИТИЧЕСКИХ (Т -100 - 374°С) УСЛОВИЯХ

Введение. Сверхкритические условия - это физическое состояние вещества выше критической точки, где исчезает различие между газом и жидкостью. Для него нашло применение физическое понятие - «газ капель». Вещество обладает как диффузионностью газа, так и многими сольватациониыми свойствами жидкости. Сверхкритический флюид, как неполярный экстрагент, имеет ряд особенностей. По сравнению с обычным растворителем он характеризуется на 1-2 порядка более низкой вязкостью, на 2-3 порядка большим коэффициентом диффузии и меньшей плотностью.

Сверхкритическое состояние, переход через критическую точку, характерно для всех веществ, в том числе Н20, СО;, H2S, HCl, H3As, СН4 и его гомологов (табл. 1).

Таблица 1.

Критические параметры газов._

Газ Критическая температура, °C Критическое давление, атм Критическая плотность, г/см*

СО, 31,1 73,0 0,460

НВг 90 84 —

HCl 51,4 81,6 0,42

HI 151 82 —

H,Se 138 88 —

H,S 100.4 88.9 —

H,As* 100,4 88,9 —

CH4 —82,5 45,8 0,162

C,Hf, 32.25 50.04 0.210

C,H, 95.75 44.9 0.226

C4H10 134.15 37 0.234

SO, 157,2 77,7 0.52

H;0 374,0 217,7 0,4

таблица 1 составлена а втором га основе сбора и обобщения литературных данных.

* критические параметры мышьяковистого водорода приведены в таблице 1 по аналогии с сероводородом

(Н,5) из-за образования в гидротермальных растворах двойных солей, например, РеАзБ (арсенопирит).

1.1 Сверхкритнческне флюиды воды

Из всех веществ вода претерпевает самые сильные изменения, переходя в сверхкритическое состояние (ск-флюид 1ЬО). Если при нормальных условиях, нормальном давлении и температуре, вода - полярный растворитель, то в сверхкритической воде растворяются почти все органические вещества, она становится неполярным растворителем; те же свойства характерны для наиболее изученного в смежных областях знаний С02 из-за низких критических параметров. Зависимость растворяющей способности ск-флюида Н20 от РТ-условий во многом обусловлена особым характером и динамикой водородных связей между молекулами. Водородные связи во многом определяют микроструктуру воды и ее уникальные, по сравнению с другими жидкостями, свойства. Особый, присущий только воде, механизм таких процессов, как растворение и транспорт протонов, является результатом движений молекул в постоянно меняющейся структуре сетки водородных связей. Вода при сверхкритическом давлении и температуре представляет собой смесь двух компонент: 1) газоподобной, по своим свойствам близкой к идеальному газу, состоящей из свободно вращающихся молекул воды, и 2) жидкоподобной, принципиально не отличающейся от обычной воды.

Жидкая (Т - 0 - 100°С), субкритическая (Т - 100 - 374°С) и сверхкритическая вода (СК флюид IЬО) (Т - более 374°С) отличаются друг от друга количеством водородных связей между молекулами воды. В сверхкритической воде водородные связи минимальны. Именно водородные связи определяют высокую критическую температуру Н20. Жидкая вода является более «жидкой» фазой, сверхкритическая - более газоподобной, это фаза не жидкая, но и не газообразная. Для неё применим термин «газ капель». В физическом смысле это, скорее, микрогетерогенная смесь газоподобных и жидко-подобных конфигураций молекул воды, быстро сменяющих друг друга. Ск-флюид Н20 хорошо растворяет кислород и органические вещества, включая нефтяные углеводороды. Он является, в отличие от жидкой воды, неполярным растворителем, неорганические соли в нем плохо растворимы. Поэтому ск-флюид Н20 более пресный, чем жидкая вода, так как газ ничего не растворяет.

Ск-флюиды Н20 являются динамичными фазами. Даже небольшое отклонение температуры и давления вблизи критической точки изменяет физико-химические характеристики воды как растворителя, поэтому при малейших флуктуация* давления и температуры в такой сверхкритической воде могут полностью растворяться или, наоборот, осаждаться неорганические оксиды, сульфиды, арсениды и др. соли, выделяться или растворяться нефть и составляющие её углеводороды. Именно процессом сверхкритической газовой экстракции органических веществ из нефтематеринских осадочных горных пород объясняется термометаморфическое происхождение месторождений нефти.

Механизм сверхкритической экстракции нефтяных углеводородов и образование нефти в потоке ск-флюида СО> и Н20 рассмотрен в работах автора на примере Ессентукского и Нагутского месторождений углекислых минеральных вод [1, 2, 3, 4, 6]. В работах показана прямая связь концентрации нафтенов в углекислой минеральной воде от содержания С02. В работе автора [6], рассмотрен механизм обогащения минеральных углекислых вод Ессентукского и Нагутского месторождений биологически активными органическими веществами, показана важная роль природной сверхкритической С02, как экстрагента органических веществ из вмещающих горных пород, в формировании лечебных свойств углекислых минеральных вод. Именно по параметру (С орг) природная углекислота отличается от искусственной, а минеральные углекислые воды природного газирования являются наиболее ценными, благодаря наличию в них органических веществ, в том числе быстро окисляющихся. Именно этим объясняется более высокая эффективность санаторно-курортного лечения населения «у источника - бювета» по сравнению с бутшшрованноп водой.

Физико-химические свойства сверхкритических флюидов С02 и Н20 в геологической лптершуре не описаны, хотя участие их в геологических и гидрогеологических процессах несомненно.

В диссертационной работе приведен критический анализ исследований А.Б. Островского, Л.В. Боревского, В.А. Всеволожского, Т.А. Киреевой, В.М. Матусевича, ВВ. Хаустова,

посвященных газо-водяным флюидам и их роли в формировании химического состава подземных вод.

В статье автора [7] «Происхождение уникальной геохимической аномалии в зоне перехода от континента к океану между Сватьбардом и хребтом Кштовича» рассматривается гидрогеохимический феномен в рамках более общей проблемы происхождения инверсионных поровых и трещинных вод в осадочных чехлах. Обосновывается связь аномально низкой минерализации и высокой щелочности этих вод с поступлением в нижний этаж осадочного чехола высокотемпературных ск-флюидов СО2 и Н2С из магматического очага в фундаменте.

В статье автора [3], посвященной опыту переоценки запасов и прогнозных ресурсов минеральных углекислых вод Ессентукского и Бенгтаугорского месторождений обосновано физико-химическое понятие феномена «коренная струя», являющейся ресурсной базой минеральных углекислых вод рассматриваемых месторождений. Она формируется за счет поступления ск-флюидов Н2О и СОг из кристаллического фундамента в пределах Минераловодского интрузивно-купольного поднятия, ранее называемых исследователями Кавказских минеральных вод водно-газовыми флюидами (JI.B. Боревский. Л.Б. Островский), ювенильными водами (Э. Зюсс, A.M. Овчинников и др.), ювенильным водным флюидом (В.В. Хаустов).

1.2 Сверхкрнтические флюиды углекислого газа являются наиболее изученными в смежных областях знаний среди других ск-флюидов, в связи с относительно низкими критическими параметрами. Ск-флюид СОг- неполярный растворитель, как гексан, экстрагирует все неполярные органические вещества. При переходе в газ в критической точке ск-флюид СОг выделяет их в самостоятельную фазу. Растворяющая способность ск-флюида увеличивается с ростом давления, чем оно выше, тем больший спектр органических, металлоорганических веществ растворяет ск-флюид. При уменьшении давления уменьшается его плотность и растворяющая способность. Движение сверхкритических ск-флюидов СО2 к поверхности Земли приводит к уменьшению их плотности, температуры вследствие адиабатического расширения, растворимости экстрагированных веществ. Растворенные в них органические вещества, выделяются последовательно по молекулярным массам по мере снижения давления и как следствие, растворимости. Ск-флюид СОг не растворяет воду, а образует с ней физический раствор двух несмешивающихся фаз - эмульсию с размером частиц воды около 50 мкм. Сверхкритический флюид, как экстрагент, имеет ряд особенностей. По сравнению с обычным растворителем он характеризуется на 1-2 порядка более шпкой вязкостью, на 2-3 порядка большим коэффициентом диффузии и меньшей плотностью. Это существенно (в несколько раз) сокращает время экстракции органических веществ из горных пород. Растворяющая способность ск-флюида сильно зависит от температуры и давления, что позволяет ему обеспечить селективную экстракцию. Несмотря на высокую степень экспериментальной проработки, остаются невыясненными причины существенного увеличения экстракционной эффективности в двухфазных системах, состоящих из ск-флюида С02 и малого (но не менее 0,3об%), количества дистиллированной воды. Ск-флюиды НгО и СОг являются сильными окислителями металлов, поэтому из недр земли металлы мигрируют в окисленной форме. Продуктами окисления самородных металлов С02 является углерод (графит), НгО - водород.

Ск-флюиды НгО и СОг являются сжимаемой фазой и при вскрытии их глубокими скважинами в стволах происходит расширение и адиабатическое охлаждение ск-флюидов и воды их физико-химические свойства изменяются, возникает «поршневой эффект» или «сверхкритический газ-лифт», который идентифицируют как аномально высокие пластовые давления (АВПД). Поэтому их характеристики на глубине нельзя измерить, так как ствол скважин является расширительной емкостью, их возможно только рассчитать.

1.3 Формирование термогазохимического состава минеральных углекислых вод Ессентукского и Нагутского месторождения

На примерах Ессентукского и Нагутского месторождения автором рассмотрены

существующие гипотезы формирования термо-газохнмического состава углекислых минеральных вод, дан их критический анализ. Доказана важная роль термометаморфических ск-флюидов Н20 и С02 в формировании качества минеральных вод, расшифровано гипотетическое понятие «ювенильные воды, коренная струя). Описаны природные модели месторождений минеральных вод, учитывающие термодинамические суб- и сверхкритические условия формирования углекислых минеральных вод названных месторождений, которые легли в основу гидрогеологических работ по переоценке запасов углекислых минеральных вод в части формирования качественных характеристик минеральных вод, в которых автор принимал непосредственное участие. На рисунке приведена принципиальная схема формирования углекислых минеральных вод типа Ессентуки-4, Ессентуки-17, Боржоми.

1,4 Гипотезы формирования углекислых минеральных вод района Кавказских Минеральных Вод (КМВ) и их критический аналнз

В разделе рассмотрены гипотезы формирования углекислых минеральных вод района Кавказских минеральных вод, высказанные исследователями КМВ в разное время (Г.В.Абих (1852), Ф.А.Баталин (1861), А.И.Незлобинский (1882), Огильви, (1914), Э.Э.Карстенс, Л.Г.Герасимов, Я.В. Лангваген, П.И.Лебедев, Н.Н.Славянов, П.Г.Кузнецов, С.С.Кузнецов, A.M. Овчинников (1951), С.А.Шагоянц и Н.А.Погорельский (1959), А.Л.Шинкаренко (1946), Ф.А.Макаренко (1950) И .Я Пантелеев (1963), А.Б. Островский (1979), Т.М. Требухова (1981), С.А. Шагоянц (1985), Е.А. Потапов (1986), Погорельский Н.С. (1963 г.), Островский А.Б. (1985 г.), Френкель А.Д. (1987 г.), приведен их критический анализ.

Анализ рассмотренных гипотез позволил выделить схему формирования конечного качественного состава углекислых минеральных вод КМВ, в том числе Нагутского и Ессентукского месторождений [1,2,3,4]: минеральные углекислые воды формируются за счет инфильтрационных вод, обогащенных газоводяным флюидом (физическая смесь сверхкритических флюидов Н20, С02, H2S), термометаморфического генезиса, поступающим из фундамента, путем углекислотного «выщелачивания» (нейтрализация угольной кислоты) солевого и ионно-обменного комплекса водовмещающих пород и диффузии поровых седиментационных вод морского генезиса в среде с двойной емкостью (трещиновато-пористые горные породы). Они являются составляющими ресурсной базы рассматриваемых месторождений и определяющими в формировании их термогазохимического состава. Большой резерв солевого комплекса водовмещающих пород позволяет прогнозировать сохранение их состава в долговременной перспективе при достижении равновесия между водоотбором и поступления морских солей и С02 в водный раствор, которая принята авторами (Б.В. Боревский, В.Ю. Абрамов, Г.Е. Ершов, А.Л. Язвин, 2009г, 2011 г) основополагающей. На этой рабочей гипотезе 6i.ltи разработаны природные гидрогеологические модели Нагутского и Ессентукского месторождений, обоснованы их границы, которые были проведены по тектоническому, гидродинамическому и газо-гидрогеохимическому признакам [1,2,3,4]. Различия в формировании термогазохимического состава полиминеральных углекислых минеральных вод Ессентукского и Нагутского месторождения заключаются в особенностях геологического строения месторождений, а именно их местоположение на моноклинали Кавминводского артезианского бассейна. Геологический разрез Ессентукского месторождения более промыт (опреснен) от солей морского генезиса инфильтрационными водами, поступающими в продуктивные водоносные горизонты с горного обрамления, чем на Нагутском месторождении, которое расположено на наиболее погруженной части моноклинали, баражированной Нагутским разломом (рис. 2, 3). На Нагутском месторождении нижнемеловой водоносный комплекс содержит углекислые минеральные воды типа Ессентуки-4, Ессентуки-17 и типа Боржоми; в нём аккумулирован углекислый газ в виде залежей ск-флюида С02, тогда как на Ессентукском месторождении водоносный комплекс содержит пресные не углекислые воды, а залежи ск-флюида С02 аккумулированы в нижележащем титонско-валанжинском водоносном комплексе.

Рис 1. Принципиальная схема формирования минеральных вод типа Боржоми, Ессентуки-4 и Ессентуки-17

Рис. 2 Гидрогеохимический профиль по линии скважин 1-НВ-бис - 73 Ессентукского месторождения. Условные обозначения. Тип воды: 1-гидрокарбонатный, 2-хлоридно-гидрокарбонатный, 3-сульфатно-гидрокарбонатный, 4-гидрокарбонатно-сульфатный, 5-сульфатно-хлоридный, 6-гидрокарбонатно-хлоридный. 7-интрузив г. Бык, 8-доюрские отложения кристаллического фундамента

Рис. 3 Меридиональный гидрогеохимический разрез Нагутского месторождения и условные обозначения к нему

Условные обозначения

Гидрогеологическая скважина

в числителе номер скважины по каталогу „т" (£) в знаменателе черным цветом -минерализация г/л

^^ коричневым курсивом - содержание углекислого газа, г/л

О эксплуатируемая на оцениваемых участках недр О разного назначения закраска внутреннего круга соответствует типу воды:

не установлено

# гид рока рбонатмыи

О сульфатно-гидрокарбонатныи

# хлсридно-гидрокарбонатный сульфатный

€■> гвдрокарбонатмо-сульфатный

С' хлсрндно-сульфатный

ф хлоридныи

€) гидрохарбоматмо-хлоридмый

О сульфатно-хлормдный

# смешанный(трвхкомпонвнтныи)

>

-5— Изолинии минерализации, г/л

ч, J-

Тип воды

Граница зоны распространения углекислых вод (предполагаемая)

гидрокарбонатныи хлоридно-гндрокарбонатныи I п«дро<ар6онатно-хлорнаным

хлоридныи

сульфатночмдрокарбонатмыи

сульфатно-хлорнднын

Граница месторождения минеральных вод Ессентукского Нагутского Н ижнеба лковского

Разломы сдвигового и сбросо-сдвигового типа в фундаменте, достигшие поверхности осадочного чехла (оси зон сдвига): а) - установленные; б) - предполагаемые

1 - Аршшро- Нееимоиыссний

2- Тампы*с««й

3- Верхмфкумсмй

5 - Б«эымя*кьш • 2

Разломы взбросо-сдвигового и сдвиго-взбросового типа, достигшие поверхности осадочного чехла, стрелка указывает направление относительного горизонтального смещения крыльев: а) - установленные; б) - предполагаемые в - Нагутсом иона раиюма) 7- Чермссжий в - Сурсупьсжкй

Зоны развития трещин отрыва, раздвигав и крутых сбросов (схематично) у продольных окончаний раз-помов сдвигового и сбросо-сдвигового типа (в тыловых частях квадрантов растяжения)

Зоны развития трещин отрыва и раздвигав (схематично). поперечных простиранию Суркульсхо-Кумской над сдвиговой антиклинальной складки

Треи*жоватость (схематично), связанная с ростом штампового Ленгорского антиклинального поднятия

Зоны динамического уплотнения пород в лежачих крыпьях разломов взбросо-сдвигового и сдвиго-взбросового типа и у продольных окончаний разломов сдвигового и сбросо-сдвигового типа (в лобовых частях квадрантов сжатия)

Граница зон распространения разрывных нарушений чехла (преимущественно сбросового и сбросо-разд-вигово типа ). связанных с внедрением верхнемиоценовых лакколитов.

Кислое од ско-Кума горская зона повыше ной трещи нова тост и

— - — Второстепенные предполагаемые разломы

(Островский и др.. 1985 г.)

Граница Минералов адского артезианского бассейна

Элементы тектонической структуры осадочного чехла

а> Границы зон повышенной трещиноватости в осадочном чехле (зон сдвига - областей динамического влияния разломов сдвигового типа в фундаменте)

Стрелки указывают направление относительного горизонтального смещения крыльев зоны сдвига, а) - установленные б) - предполагаемые

Вторичные разрывные нарушения зон сдвига -областей динамического влияния разломов фундамента (схематично), берг-штрихн указывают направление падения сместителя разрыва: а) - установленные, б) - предполагаемые

Предполагаемая ориентировка осей наибольшего горизонтального сжатия (о^ и наибольшего горизон-о, тапьного растяжения (а^ современного регионального поля тектонических напряжений

Гора-лакколит

г »-1 Линия гидрохимического разреза

э?" Скважина на разрезе и ее номер Топографическая основа

Населенные пункты Гидросегь

Использовались материалы Отчета о предварительной разведке Лекторского месюрождения минеральных вод в Сравролольсхом Крае РСФСР за 1976-1985 гг" Островский А Б . РайхвльС.А . 1085 г

юна распространения углекислой i а юной наложи аит-альба

1.5 Особенности формирования термогазохимического состава полимииеральных углекислых минеральных вод Ессентукского месторождения

Источником формирования гидрокарбонатного химического состава и углекислого облика минеральных вод являются ск-флюиды СО2 термометаморфического генезиса, поступающие из кристаллического фундамента и биогенная углекислота, образующаяся в результате биодеградации легких углеводородов нефтяного ряда (С < 10), мигрирующих в экстрагированном ск-флюидами С02 виде. На Ессентукском месторождении залежи ск-флюида СО, аккумулированы в нижележащем титонско-валанжинском водоносном комплексе. При разрушении ск-флюидов С02 до газа в критической точке углеводороды выделяются в виде самостоятельной фазы. Солевой химический состав минеральных вод формируется за счет углекислотного выщелачивания (нейтрализация угольной кислоты), прежде всего, карбонатов, ионного обмена с глинами с «морским» натриевым обменным комплексом, диффузионным рассолением поровых седиментационных вод горных пород в среде с двойной емкостью [1].

Формирование химического состава углекислых полиминеральных вод 4-х эксплуатационных водоносных горизонтов (эльбурганского. верхнемелового, нижнемелового, титонско-валанжинского) Ессентукского месторождения происходит за счет сочетания и наложения ряда геологических и географических факторов (рис. 2):

Положение месторождения в пределах моноклинали Кавминводского артезианского бассейна, разбитой на блоки тектоническими «живыми» разрывными нарушениями, проницаемыми до земной поверхности.

Проявление «молодого» неоген-четвертичного интрузивного магматизма, определившего аномальное температурное и газовое поле.

Питание и гидрохимическая зональность подземных вод, выраженная в неравномерном опреснении геологического разреза всех четырех эксплуатационных горизонтов по латерали моноклинали из горноого обрамления:

- датско-зеландский (эльбурганский) - наименее рассолен, опресняется за счет перетока вод верхнего мела, содержит средне- и высокомннерализованные холодные хлоридно-гидрокарбонатные натриевые минеральные воды типа Ессентуки-4 и Ессентуки-17;

- верхнемеловой - занимает промежуточное положение, опресняется из области питания в горном обрамлении и за счет перетока пресных вод аптско-нижнеальбского водоносного горизонта, содержит слаботермальные, маломинерализованные слабоуглекислые, сероводородные, хлоридно-гидрокарбонатные нагриевые минеральные воды и средне и высокоминерализованные термальные и высокотермальные, углекислые хлоридно-гидрокарбонатные натриевые минеральные воды типа Ессентуки-4 и Ессснтуки-17:

- аптско-ннжнеальбский водоносный горизонт нижнего мела наиболее опреснен из-за относительно высоких фильтрационных параметров, содержит пресные термальные безуглекислые сульфатно-гидрокарбонатные натриевые М1шеральные воды;

- титонско-валапжинский водоносный горизонт опреснен только в области питания, содержит среднеминералнзованные термальные и высокотермальные, углекислые сульфатно-хлоридно-гидрокарбонатные натриево-кальциевые минеральные воды.

Литологический состав водовмещаюших горных пород, неравномерно насыщенных горными седиментационными поровыми растворами, содержащих соли морского генезиса включая биологически активные бораты, бромиды, йодиды:

- терригенно-карбонатный литологический состав геологического разреза с трещинно-жильным типом коллектора датско-зеландского (эльбурганского) и верхнемелового водоносных горизонтов с морским типом засоления;

- терригенный (песчаники, алевролиты, аргиллиты с глинистым цементом) литологический состав геологического разреза с порово-пластовым типом коллектора аптско-нижнеальбского водоносного горизонта;

- терригенно-карбонатный литологический состав геологического разреза с трещинно-жильным типом коллектора титонско-валанжинского водоносного горизонта с морским типом засоления вапанжина и эвапоритов титона (гипс, ангидрит);

Субвертнкальнын термальный поток сверхкритнческпх флюидов СО, и IhO [1] из

кристаллического фундамента в титонско-валанжинский водоносный горизонт по разрывным нарушениям и образование в нем залежей ск-флюидов ССЬ;

Значительный вклад (20-30%) биогенной углекислоты, образующейся вследствие восстановления сульфатов и анаэробной биодеградации углеводородов при формировании химического состава минеральных вод датско-зеландского (эльбурганского) и верхнемелового водоносных горизонтов.

Формирование химического состава углекислых (углекисло-сероводородных) гидрокарбонатных, безсульфатных минеральных вод Ессентукского типа происходит в результате взаимодействия угольной кислоты с терригенно-карбонатными горными породами датско-зеландского (эльбурганского) и верхнемелового водоносных горизонтов, а также с терригенно-карбонатными загипсованными породами титонско-валанжинского водоносных горизонтов.

Химический состав минеральных вод формируется путем последовательно протекающих химических реакций: нейтрализации (Н2СО3 + СаСОЬ, = Са(НСОз)г ); катионного обмена (Н2СОз

НСО3 ) + Na (обменный комплекс горных порол) — Н (обменный комплекс горных пород) Nül ICO3 ), раСТВОреНИЯ

гипса; окисления сульфидов железа в зоне гипергенеза (кислородсодержащие воды); сульфатредукщш в системе «вода-порода».

В пределах месторождения выделяются следующие миграционные структуры СО2:

- генерации ск- флюидов СО2 в зоне термометаморфизма магматического очага;

- аккумуляции по типу «газовых залежей ск- флюидов СО2» - титонско-валанжинский водоносный горизонт;

- транзита в виде самостоятельной несмешивающейся с водой фазой - в аптско-нежнеальбском водоносном горизонте;

- распада до углекислого газа и его взаимодействие с водой с образованием угольной кислоты - в верхнемеловом и эльбурганском водоносных горизонтах.

Обширные углекислые газохимические зоны отмечены по всем гидрогеологическим горизонтам, за исключением нижнемелового аптско-нежнеальбского водоносного горизонта, где углекислый газ находится в сверхкритическом состоянии; он не взаимодействует с водой с образованием угольной кислоты, также как в титонско-валанжинском горизонте. В титонско-валанжшюком горизонте газосодержание аномальное, так как этот горизонт является пластом -коллектором, в нем формируются «залежи» ск-флюидов С02. Наличие аномального температурного, газового поля вокруг горы лакколита Бык (устьевая температура минеральных вод до 84 С (скв. 73)), относительно низкая для эвапоритов титана минерализация (7-8г/л), сульфатно-гидрокарбонатно-хлоридный химический состав минеральных вод титон-валанжина позволяет предположить наличие основного опресняющего потока ск-флюидов НзО из кристаллического фундамента (магматического очага) и мощных потоков ск-флюидов СО2 и HCl. Источником биогенного углекислого газа в отложеш1я эльбургана и верхнего мела являются легкие углеводороды с координационным числом С менее 10 [6]. Микробиологические реакции, контролирующие продуцирование биогенной углекислоты - сульфатредукция и метаногенез. Биогенная составляющая СО2, оцененная автором по концентрации метана для эльбурганского водоносного горизонта в количестве 20 - 30%, подтвердилась выполненными изотопными анализами углерода (Поляков В.А.), что дало основание утверждать о значительном вкладе биогенной углекислоты в формирование солевого состава минеральных вод Ессентукского типа.

Солевой химический состав минеральных вод датско-зеландского, верхнемелового, антско-нижнеальбекого, титонско-валанжинского водоносных горизонтов Есенлукского месторождения, формируется, в основном, непосредственно в пределах площади их распространения.

1.6 Особенности формирования термогазохнмического состава полиминеральных углекислых минеральных вод Нагутского месторождения

Нагутское месторождение углекислых минеральных вод расположено ниже Ессентукского месторождения по падению пластов мшюклинали Кавминводского артезианского бассейна. Оно представляет собой единую гидродинамическую систему (рис.2); условия формирования состава

минеральных вод в различных его частях существенно различаются. Потоки субкритнческой воды гидрокарбонатного натриевого состава и ск-флюидов С02 из кристаллического фундамента, через юрские эвапоритовые отложения опреснили снизу-вверх гидрогеологический разрез до эльбурганского водоносного горизонта и сформировали в нем минеральные воды типа Боржоми, Ессентуки-4 и Ессентуки-17 [1,2,4,6].

В отличие от Ессеитукского месторождения, эта неравномерно изученная площадь характеризуется крайне сложными геолого-гидрогеологическими условиями, основные отличительные специфические особенности которых заключаются в следующем:

- сложность структурно-тектонической обстановки;

- наличие большого количества экранирующих и проводящих тектонических нарушений в протерозойско-папеозойском фундаменте и осадочном мезокаинозойском чехле, играющих определяющую роль в условиях формирования и распространения разных типов углекислых минеральных вод;

- наличие большого остаточного морского солевого комплекса (седиментационные воды) в осадочных породах нижне-, верхне мелового и датско-зеландского водоносных комплексов, неравномерно засоленных, что приводит к пестроте химического состава подземных вод и образованию локальных зон углекислых хлорндно-гидрокарбонатных вод различной минерализации;

- неравномерное распространение углекислых минеральных вод различного газохимического состава, площадь распространения которых уменьшается от нижнемелового к датско-зеландскому водоносному комплексу; при этом в верхнемеловом и датско-зеландском водоносных комплексах они распространены в виде отдельных гидрошшекционных куполов различного размера;

- наличие мощных субвертикальных восходящих потоков ск-флюида СО2 и НгО, играющих определяющую роль в формировании минеральных вод Нагутского месторождения;

- латеральный опресняющий поток подземных вод из горного обрамления в нижнемеловом, вехнемеловом и датско-зеландском (эльбурганском) водоносных комплексах не прослеживается, по нижнемеловому водоносному комплексу пресные подземные воды не встречаются севернее широты гор - лакколитов Бык и Бештау.

Основные закономерности формнровашш минеральных вод типа Ессентуки-4 и Ессентуки

- 17 Ессе1ггукского и Нагутского месторождения во многом сходные, что нашло отражение в их полностью идентичном химическом составе.

1,7. Формирование органического химического состава минеральных вод Нагутского и Ессеитукского месторождении

Вопрос о лечебном действии органических веществ минеральных вод на организм человека давно интересовал специалистов разных специальностей. Несмотря на длительный этап изучения, начиная с 1836 г., нет единой концепции о природе их лечебных свойств, о действующих лечебных факторах органических веществ минеральных вод, и химическая природа их до сих пор не выяснена.

Наиболее полно растворенные органические вещества изучены на примере минеральных вод типа «Нафтуся». В химическом составе органического вещества минеральных вод типа «Нафтуся» определены амины, органические кислоты, битумы, а также обобщенные показатели: Сорг, Морг, Борг, бихроматная окисляемость летучте и нелетучих соединений. Лечебные свойства минеральных вод обусловлены налшшем в них следующих органических соединений: 1) кислородсодержащих органических кислот (уксусная, миристиновая, пальмитиновая, стеариновая, олеиновая); 2) азотсодержащих органических веществ (амины, аминокислоты - лизин, серии, цистеин). Установлено, что лечебные свойства минеральных вод типа «Нафтуся» в основном определяются наличием легко окисляемых, полярных, неустойчивых, нелетучих, способных к комплексообразованию органических соединений. Не отрицается роль неполярных углеводородов нефтяного ряда, связанных, в том числе, с Бориславской нефтью, сернистых органических соединений типа меркаптанов и других органических соединений в формировании лечебных свойств минеральной воды. По мнению автора настоящей работы, вероятнее всего, полярные

органические соединения являются продуктами анаэробной биодеградации органических веществ нефтяного ряда, выступающих в качестве «топлива» в микробиологических реакциях сульфатредукции, метаногенеза, нитрификации клеточного белка бактерий.

Изученность химического состава органических веществ минеральных вод района Кавказских минеральных вод (КМВ) крайне мала. Химические анализы органических веществ в большинстве случаев сводятся к определению обобщенных показателей: Сорг, а также суммарному определению неполярных и полярных (гумусовые кислота) компонентов. Изучению группового состава органических веществ (активных функциональных амино-, меркапто-, карбоксильных, гидроксогрупп), обладающих биологически активными свойствами, внимания не уделялось.

В работах автора [1,2,4,6] описана роль сверхкритических флюидов (ск-флюидов) С02 и НгО в экстракции (растворении), переносе и отложении легких неполярных углеводородов углекислых минеральных вод, в том числе нефтяного ряда (С <10), мигрирующих в растворенном ск-флюидами виде. При подъеме минеральных вод к земной поверхности в критических точках вследствие изменения полярности (неполярный —► полярный) растворителя (ск-флюиды Н20 и СО2) происходит выделение экстрагированных органических веществ в самостоятельную фазу. Ск-флюиды СО2, мигрирующие из зоны термометаморфизма магматического очага под Кавминводским интрузивно-купольным поднятием, не только придают минеральным водам углекислый облик, но и обогащают их биологически активными органическими веществами.

В пределах Нагутского и Ессентукского месторождений углекислых минеральных вод из магматического очага, связанного с Кавминводским интрузивно-купольным поднятием, по разрывным нарушениям и зонам тектонической трещиноватости к поверхности Земли поднимается поток ск-флюидов Н2О, СО2, H2S, HCl, СН4 и его гомологов с экстрагированными из горных пород органическими веществами. При уменьшении температуры и давления потока ск-флюидов ниже критических параметров из индивидуатьных сверхкритических флюидов по критическим точкам происходит выделение экстрагированных органических (металлоорганических) веществ в самостоятельную фазу, не смешиваемую с водой. Вода значительно раньше переходит в субкрнтическое жидкое состояние, становится кислой гидротермальной субкрнтической водой, обладающей свойствами полярного растворителя, растворяющего все неорганические вещества.

Формирование органического химического состава минеральных вод Ессентукского и Нагутского месторождений имеет ряд сходных признаков с таковым минеральных вод типа «Нафтуся»: минеральные воды обогащены неполярными углеводородами нефтяного ряда, включая меркаптаны и амины; продуктами биодеградацин углеводородами нефтяного ряда -полярными углеводородами - аминокислотами, карбоновыми кислотами.

Природный углекислый газ минеральных вод Ессентукского и Нагутского месторождений отличается от синтетического сжиженного наличием биологически активных экстрактов органических веществ при их сверхкритической экстракции ск-флюидом СО2 из горных пород. Выводы. Формирование химического состава углекислых минеральных вод, находящихся в сверхкритическом состоянии, происходит благодаря потоку из магматических очагов но разломам к поверхности Земли ск-флюидов Н20, С02, H2S, H3As, HCl, СН4 и его гомологов с экстрагированными из горных пород органическими веществами, в том числе нефтяного ряда. При уменьшении температуры и давления потока сверхкритических флюидов при подъеме к поверхности Земли ниже критических параметров (таблица 1) из индивидуальных сверхкритических флюидов ступенчато, по критическим точкам происходит выделение экстрагированных орга!шческих (металлоорганических) веществ в самостоятельную фазу, не смешиваемую с водой. Выше критических параметров индивидуальных ск-флюидов газов происходит их взаимодействие с водой с образованием кислот, которые нейтрализуются и образуют солевую составляющую минеральных углекислых вод, например, НСОэ" из СО;.

Глава 2. ФОРМИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПРИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ (Т - МЕНЕЕ 0°С)

Криогенные процессы проявились практически повсеместно на нашей планете. Известно, что многолетняя мерзлота в тот или иной период развития отдельных регионов проникала в земные недра на глубины до 1 - 2 км. Промерзание и оттаивание горных пород шло с определенной периодичностью, но вместе с ними и вслед за ними происходило изменение химического состава пород, воды и льда. Результаты этих процессов отражаются в геохимической зональности твердой и жидкой фаз воды и горных пород [10,12,15,16], гидрогеохимических инверсиях и сохранении следов-реликтов этого криогенного воздействия. Все это представляет фундаментальную основу гидрогеохимии земных недр. В то же время следует отметить, что отсутствует необходимая теоретическая база для понимания многообразия геохимических процессов и их последствий, протекающих в криосфсрной оболочке Земли. Рассмотренные в главе криогенные гидрогеохимические процессы позволяют высказать гипотезу о криогенном происхождении галогенных геологических формаций на планете Земля в холодные периоды [16] ее развития путем криогенного концентрирования морской воды до стадии садки гапита (- 21°С).

Гидрогеохимические исследования процессов криогенной метаморфизации химического состава природных вод, происходящих при промерзании и оттаивании водоносных толщ, проводили многие гидрогеологи (Н.И. Толстихин, 1941, 1963; В.П. Боровицкий, 1961; Н.П. Анисимова, 1981; Я.В. Неизвестнов, 1973; В.М. Пономарев, 1960; P.C. Кононова 1973; Г.Д. Гинсбург, 1975; А.Б. Птацын, 1992 , A.B. Иванов, 1998, С.Л. Шварцев, 1963, В.А. Макаров, 1982, М.С. Голицин, В.А. Кирюхин, В.А. Поляков, C.B. Алексеев и др.).

На основе сбора и анализа результатов химико-технологических исследований, выполненных при отрицательных температурах в смежных областях знаний, многолетних экспериментальных и полевых исследований, проведенных в различных районах Сибири и Дальнего Востока, автором разработана теория криогенной метаморфизации химического состава подземных вод, предложены новые подходы к геотехнологическому изучению качества подземных вод, локальных и региональных криогенных гидрогеохнмических процессов для решения прикладных задач.

2.1. Теория криогенной метаморфизации подземных вод

При криогенных процессах происходят не только фазовые переходы молекул Н20 подземных вод, но и сложные физико-химические преобразования горных растворов (поровых вод), а также минерального скелета водовмещающих горных пород. Между незамерзшей водой, горной породой н льдом существует сложное динамическое равновесие. При понижении температуры количество незамерзшей воды уменьшается, а концентрация солей в ней возрастает в соответствии с кривой ликвидуса По мере достижения раствором эвтектических температурных точек начинается совместная кристаллизация льда и кристаллогидратов солей в соответствии с таблицей 2).

Таблица 2.

Эвтектические концентрации (С,) и температуры (Т3) в водно-солевых системах.*

Химический Эвтектическая Эвтектическая Твердая фаза в

состав воды температура Т„С° концентрация С,, г/л г/кг* эвтектической точке

1 2 3 4

Na2S04 -1.2 42 лед + Ка2504* 10н20

CuS04 -1.6 234* лед + Си504*5Н20

FeSOj -1.824 263* лед + Ре504*7Н20

Na2CO, -2.1 61 лед + Ыа2СОз* 10Н2О

ЫаНСОз -2.33 66.7 лед + ЫаНСОз

CoS04 -2.7 232 лед + Со504*7Н20

1 2 3 4

савт2 -4.4 493 лед + СёВг2*4Н20

\1gSO., -4.8 229 лед + \lgS04* 12Н20

ЫаВОг -5.786 151 лед + №В02*4Н20

КНСОз -5.43 204 лед + КНСОз

гпБО, -6.55 лед + гп504*7Н20

АдЫОз -7.19 897 лед + АрЫОз

-9.0 81 лед + №28*9Н20

сась -10.2 751 лед + Сс1С12*4Н20

КС! -10.6 245 лед + КС1*Н20

КВт -12.6 456 лед + КВт

Сс1ЯО_, -16.8 754 лед + Сс1804*8/ЗН20

8гСЬ -19 366 лед + 8гСЬ*6Н20

ЫаС1 -21.2 304 лед + ЫаС1*2Н20

СоС1, -22.5 316 лед + СоСЬ*61ЬО

ЫаВг -28.2 675 лед + КаВг*5Н20

МсС12 -33.5 266 лед + \^С12*12Н20

М!>Вг2 -42.7 582 лед + МрВт2* 101120

СаС12 -49.8 439 лед + СаС12*6Н20

1лС1 -67 316 лед + 1лС1*5Н20

ЫВг -72 642 лед + ЫВг*5Н20

СаВг2 -83 869 лед + СаВг2*6Н20

* таблица 2. составлена автором на основе сбора и обобщения литературных данных.

Эвтектика - это температурная точка равновесия между льдом, кристаллогидратом и водным раствором вымораживания, отвечающая составу, приведенному в таблице 2.

'У¡о динамичные системы (лед + кристаллогидрат соли) и при незначительном повышении температуры твердая фаза плавится, при этом в первую очередь растворяются кристаллогидраты солей, которые за счет гравитационного оттока крепких рассолов быстро дифференцируются, а лед теряет соленость, опресняется. В многокомпонентных системах, таких как природные воды, простые эвтектики (табл. 2), как правило, не образуются, а кристаллизуется более сложный состав солей (двойные, тройные соли) в зависимости от исходного состава раствора.

Последовательность изменения анионного состава подземных вод при промерзании в большинстве случаев можно выразить следующей схемой: НСОз -» 804 —> СГ. Катионный состав, в том числе и микрокомпонентный, при этом также испытывает глубокие преобразования, направление которых следующее: К —> № —> —> Са —> 1л. На отклонение температуры эвтектических точек в простых системах оказывают влияние соли с более низкими эвтекгиками, что сказывается, в первую очередь, на понижении температуры замерзания раствора.

По мере понижения температуры воды (табл.2), она обогащается более растворимыми солями с низкими эвтекгиками и, в первую очередь, бромидными и хлоридными солями. При понижении температуры рапы ниже эвтектики СаС12 (-55°С), возможно образование бромидных рассолов, но в изученных природных рассолах Датдьшо-Алакитского района максимальная концентрация брома составляет 9.8 г/л. Автором была предложена технология до охлаждения ниже -55°С дренажных рассолов кимберлитовой трубки Удачная в зимний период для получения рассола обогащенного солями 1лС1 и СаВг2 для последующей переработки на литий и бром [8]. При промерзании подземных вод они также обогащаются солями тяжелых метатлов. Например, при промерзании медь-никель содержащих сульфидных отвалов подземные воды становятся минерализованными сульфатными медными (по преобладающим катионам) или никелевыми, так как эвтектики сульфата меди и никеля близки (табл. 2). Впервые их определил М.В. Ломоносов.

При повышении температуры многолетнемерзлых горных пород при их деградации растворение солей происходит в порядке, обратном их кристаллизации, приведенном в таблице 2.

20

Увеличение объема льда при замерзании воды приводит к тому, что часть раствора вымораживания отжимается в сторону движения фронта промерзания. Этот процесс ведет, с одной стороны, к концентрированию раствора на фронте промерзания, а с другой - к формированию криогенной гидрохимической зональности (льдов и поровых растворов), отвечающей последовательности кристаллизации солей при вымораживании (табл. 2).

При промерзашш гидрогеологических структур их исходная гидрохимическая зональность изменяется. В верхней части гидрогеологического разреза (300-400 метров) формируется зона пресных льдов, обогащенных низкомагнезиальным кальцитом, гипсом, мирабилитом, содой, другими сульфатными солями и криогатитом, при этом соли по разрезу распределяются как в хроматографической колонке сверху вниз. Ниже зоны льдистых горных пород формируется зона криопэгов. Их минерализация и химический состав зависят от температуры на фронте промерзания (табл. 2), откуда наблюдается гравитационный отток крепких рассолов. Эти рассолы охлаждают нижележащие водоносные горизонты гидрогеологических структур на глубину более 1-1.5 км. Процессами гравитационного оттока крепких рассолов до 400 г/л объясняется, например, глубокое (до 1.7км.) охлаждение земной коры в Далдыно-Алакитском кимберлитовом районе Якутии.

Неравномерность охлаждения гидрогеологических структур за счет гравитационного оттока отрицательно-температурных рассолов по наиболее проницаемым зонам приводит к формированию линз межмерзлотных вод с избыточным криогенным напором и минерализацией до 150-180 г/л (криопэги).

При оттаивании многолетней мерзлоты гидрохимическая зональность продолжает регулироваться гравитационным фактором - с глубиной растет плотность и минерализация подземных вод. При многократно повторяющихся процессах промерзания и оттаивания водоносных горизонтов и комплексов криогенная зональность проявляется более четко из-за более полного оттока рассолов вымораживания. Это связано с тем, что промерзание водонасыщенных геологических структур приводит к формированию микро- и макро- гидрохимических неоднородноетей в разрезе криогенной толщи. Первая связана с дифференциацией солей в системе: лед - кристалогидрат - рассол вымораживания в порах и трещинах горных пород в пределах льдистой зоны, а вторая гидрохимическая неоднородность: пресный лед - лед + кристаллогидраты - рассол вымораживания, формируется в разрезе мерзлой толщи при ее промерзании по вышеописанной схеме, и затрагивает глубины до километра и больше. При оттаивании льдистых горных пород могут формироваться гидрохимические инверсии. Они связаны с гравитационным оттоком рассолов из льдистой зоны при увеличении ее температуры или деградации эвтектик. Лед при этом опресняется и при его дальнейшем плавлении образуется зона опресненных вод.

В пределах зоны отрпиателыю-температурных вод состав криопэг изменяется с глубиной в такой последовательности: хлоридно-сульфатные натриевые рассолы —> сульфатно-хлоридные натриевые -> хлоридные натриевые —> хлоридные кальциевые —> (возможно) бромидные рассолы с высокими концентрациями редких щелочей и щелочно-земельных элементов (Sr, Rb, Cs, Li, К), брома и бора.

При промерзашш водонасыщенных горных пород первичная гидрохимическая зональность подземных вод изменяется. Происходит криогенная метаморфизация химического состава подземных вод, выраженная в последовательной смене гидрохимических типов вод вниз по разрезу: гидрокарбонатные воды —«■ сульфатные воды —» хлоридные воды—> (возможно) бромидные воды, которые распределяются по эвтектикам соответствующих анионов (табл. 1).

При деградации (оттаивании) многолетней мерзлоты гидрохимическая зональность не изменяется, так как продолжает регулироваться гравитационным фактором - с глубиной растет плотность и минерализация подземных вод. В верхней части, за счет оттайки льдистых горных пород образуется зона пресных подземных вод, далее - зона солоноватых сульфатных и завершает гидрогеохимический разрез зона соленых хлоридкых вод и рассолов вымораживания.

Гидрохимический тип по анионам Зона Состав твердой фазы

нсо, Пресных льдов (гидрокарбонатная) лед+Са (Мё)СО, лед+\аНСО,

во/ \////////////////// /, Солоноватых льдов (сульфатная) лед+^50,*ЮНг0 лед+Са804 лед+Л^О,

СУ сг Соленых льдов (хлоридная) лед+КС1*НгО лед+КаС1*2Н,0

Зона рассолов вымораживания (криопэги) Жидкие кристаллогидраты •\lgCl, и СаС1,

У// - переходный гидрохимический тип

Рис.4 Схема формирования криогенной гидрогеохимической зональности подземных вод, льдов при промерзании гидрогеологического разреза

2.2 Формирование криогенной гидрогеохимической зональности Далдыно-Алакитского района (ДАР) Западной Якутии

Промерзание с конца плейстоцена гидрогеологического разреза района привело к формированию химической зональности природных льдов, вторичных минералов и подземных вод. Разрез представляет собой моноклинально залегающие и чередующиеся слои мергелей, известняков, доломитов, песчаников кембрия.

Образование криолитозоны происходило в условиях аномально низких температур воздуха. Глубокому охлаждению недр в ДАР способствовал: а) низкий геотермический градиент; б) скальный и гюлускальный тип пород с высокой температуропроводностью (особенно у кимберлитов); в) наличие минерализованных вод; г) криогенные напоры, возникающие на границе лёд - рассол вымораживания. Глубокому промерзанию разреза, кроме механизма кондуктивного теплопереноса, способствовал конвективный тепломассоперенос хладоагента - тяжелых (р -1.4 кг/дм') высококонцентрированных хлоридных кальциевых рассолов с низкой эвтектикой (-55°С).

В настоящее время, учитывая деградацию ММП, в районе кимберлитовой трубки Удачная нулевая изотерма проходит на глубине 1,5 км, а по Мархинской опорной скважине, расположенной в районе кимберлитовой трубки Айхал - 1.7км.

При промерзании земной коры в четвертичный период сформировалась зона льдистых пород, подошва которых доходила до кровли среднекембрийского водоносного комплекса, а температура на глубине (600м) опускалась до минус 40°С, что соответствует по кривой ликвидуса СаСЬ максимальной минерализации рассолов, встречаемых в горизонте - 400г/л. Рассолы имеют хлоридный кальциевый состав с высокими концентрациями брома (до 6 г/л), лития (до ЗООмг/л), т.е. они обогащены солями с низкими эвтектиками, такими как СаСЬ, СаВгг, 1лВг и др., и, наоборот, обеднены солями с более высокими эвтектиками, которые отложились в льдистой зоне в виде криоэвтектик - вторичных криогенных минералов. В процессе увеличения температур они выстроились в ряд М§СЬ-№С!-М§504-№НСОз-№2504-Са804-СаС0з. Этот ряд показывает, что в процессе промерзания водонасыщенных пород по мере уменьшения температуры происходило избирательное вовлечение солей в твердую ледовую фазу. Рассолы вымораживания, имеющие высокую плотность, опускаются на водоупоры, вытесняя к фронту промерзания менее минерализованные и более лёгкие воды, которые, в свою очередь, вымораживаются, тяжелеют и опускаются вниз. Как было уже отмечено выше, процесс промерзания водонасыщенных пород сопровождается образованием криогенных напоров при фазовых переходах воды в лёд. Наибольшие криогенные напоры возникают на границе льдистых пород и водоносного горизонта.

Таким образом, промерзание в четвертичный период геологического разреза ДАР привело к криогенной метаморфизации соленых и солоноватых подземных вод до стадии образования хлоридных кальциевых рассолов вымораживания, опреснило до глубины 300 м

СВК - средяекембрийский водоносный коишккс НВК - ккжвекембрнйский водоносный комплекс ВРТ - восточное рудное тело ЗРТ - западное рудное тело

Карьер тр. УючтаЯ та дриад свр«вото> очхрыпл* аю&Лоы

Рис.5. Схематический гидрогеологический разрез трубки «Удачная»

гидрогеологический разрез района, вследствие образования обессоленного льда (вследствие) и гравитационного оттока вниз рассолов вымораживания.

При деградации криолитозоны на фронте льдистые породы - криопэги, последние становятся агрессивными по отношению ко льду, плавят его, тем самым разбавляют рассолы пресной водой. В итоге получается плавное уменьшение минерализации криопэгов вверх по разрезу при сохранении химического типа воды. Когда фронт оттаивания достигает зоны криоэвтектик, они плавятся, при этом растворы кристаллогидратов, близкие к насыщению, быстро стекают, дифференцируются и опресняют лед. Результатом плавления эвтектик при смешении их с криопэгами является резкая смена химического типа воды. Так, в пределах верхнекембрийского водоносного горизонта наблюдается смена хлоридных кальциевых рассолов на магниевые, что объясняется плавлением эвтектики хлористого магния. На границе с криогенным водоупором происходит заметное увеличение доли натрия в катионном составе криопэгов, что объясняется плавлением эвтектик криогалита и мирабилита, т.к. в анионном составе соленых вод возрастает концентрация сульфатов. При этом минерализация криопэгов отвечает равновесной концентрации для температуры льдистых пород на фронте их контакта и составляет 35-40 г/л при температуре минус 2°С. В пределах зоны льдистых горных пород наблюдается криогидрохимическая зональность льдов, поровых растворов и вторичных минералов.

В верхней части разреза находятся пресные и солоноватые льды с минерализацией до 3 г/л. Их фазовое состояние было оценено по специально разработанной автором методике [9]. Минерализация льдов увеличивается с глубиной, в пределах 300-метровой зоны криогенно опресненных льдистых горных пород от 0,3 до 3 г/л, состав их изменяется от гидрокарбонатного кальциевого до сульфатного натриевого. При этом наблюдается следующая зональность вторичного мниералообразования (сверху-вниз): зона вторичного низкомагнезиального кальцита -»гипса-целестина мирабилита —> криогалита. Почти все бромидные и хлоридные соли из льдистой зоны в результате ей промерзания были вытеснены в зону криопэгов. Так была сформирована криогенная гидрогеохимическая зональность подземных вод ДАР.

2.3 Формирование крногенной гидрогеохимической зональности месторождения Дегдекан

Пример глубокого промерзания сульфатных подземных вод района золото-сульфндсодержащего месторождения Дегдекан рассмотрен в работе автора [10], где описаны основные закономерности формирования уникатьных криогенных сульфатных магниевых подмерзлотных рассолов (минерализация до 213г/л) в бассейне реки Колыма, связанных с криогенной метаморфизацией сульфатных подземных вод как продукта окисления сульфидных рудных минералов водовмещающих горных пород.

Многолетняя мерзлота имеет трехслойное строение. Верхняя, основная толща представлена мерзлыми горными породами. В отдельных дренированных горизонтах встречены коренные морозные породы («сухая мерзлота»). В толще мерзлых льдистых, засоленных кристаллогидратами сульфатов железа, натрия и кальция горных пород отмечаются низкотемпературные межмерзлотные высокоминерализованные (до 218 г/л) сульфатные магниевые подземные воды (криопэги), равновесные со льдом ММП при температуре горных пород минус 3°С. При более низких температурах горных пород до минус 4.8°С (эвтектика сульфата магния), возможно обнаружение рассолов с минерализацией 230г/л (эвтектическая концентрация), ниже указанной температуры будет происходить совместная кристаллизация кристаллогидратов сульфата магния и воды. Нижняя толща представляет собой горизонт, который находится в немерзлом состоянии за счет существования засоленных подземных вод с температурой замерзания ниже 0 °С. Температура горных пород, насыщенных водой с такой минерализацией при сульфатном магниевом химическом составе составляет около - 0,4 -н -1,2 °С. Подземные воды на территории Дегдеканского месторождения можно подразделить на межмерзлотные рассолы и подмерзлотные соленые и солоноватые воды.

Межмерзлотные рассолы представляют собой сульфатные магниевые воды с минерализацией 74-218 г/л, с кислой реакцией среды (рН 2.8-2.9). Формирование такого химического состава подземных вод происходило вследствие процесса окисления

сульфидсодержащих пород с последующим длительным криогенным концентрированием хорошо растворимого сульфата магния почти до эвтектической концентрации 230г/л.

Подмерзлотные подземные волы рудной зоны в естественных условиях формирования относятся по своему химическому типу к солоноватым (наиболее часто встречаемые величины минерализации 3-13 г/л до 51 г/л), очень жестким (общая жесткость до = 788 °Ж) сульфатным, гидрокарбонатно-сульфатным магниевым, кальциево-магнневым, магниево-кальциевым водам с околонейтральноп или слабощелочной реакцией среды (рН 4.35-7.35).

В зонах окисления сульфидсодержащих отложений (в частности, пирита марказита и гидротроилнта) за счет процессов окисления формируются сульфатные подземные воды. При охлаждении сульфатных вод последовательно в соответствии с эвтектическими температурами (табл.1) сульфатных солей из раствора в лед в виде кристаллогидратов последовательно вовлекается сульфат кальция, сульфат натрия, сульфат железа, а при достижении концентраций раствора и 8042~ 230 г/л с температурой минус 4.8 °С в растворах образуется криоэвтектика твердый раствор 1211/) + лед).

Максимальные концентрации сульфатов и магния также зафиксированы в криопэгах Наталмшского золоторудного месторождения, в бассейне реки Колыма, (температура -0.8 -=- -1.3) при этом минерализация межмерзлотных вод достигала 157-186 г/л, а в их составе доминировали Б04 иМё.

Основную роль в накоплении Б04 и Р^2* в подмерзлотных подземных водах месторождений играет промерзание горных пород (криогенное концентрирование). При промерзании гидрогеологической структуры месторождения Дегдекан её исходная гидрохимическая зональность изменилась. В верхней части до 250 метров сформировалась зона солоноватых льдов, обогащенных криоэвтектиками - ннзкомагнезиатьным кальцитом, гипсом, мирабилитом, содой, сульфатом железа, при этом соли по разрезу распределяются как в хроматографической колонке сверху вниз. Ниже зоны льдистых горных пород сформировалась зона криопэгов. Их минерализация и химический состав зависят от температуры на фронте промерзания, откуда наблюдается гравитационный отток крепких рассолов. Эти рассолы охлаждают нижележащие водоносные горизонты гидрогеологических структур.

Неравномерность охлаждения гидрогеологической структуры привела к формированию линз межмерзлотных вод с избыточным криогенным напором и минерализацией до 218 г/л уникального сульфатного магниевого химического состава. Эвтектика сульфата магния - минус 4.8°С, эвтектическая концентрация - 230 г/л. Наличие в многолетнемерзлых породах сульфатных магниевых рассолов с минерализацией 218г/л указывает на температу ру горных пород - минус 4.5°С. При температуре многолетнемерзлых пород ниже эвтектики сульфата магния - минус 4.8°С, следует ожидать засоление льда кристаллогидратами \^$04.

2.4 Формирование химического состава подземных вод криогенной зоны окисления сульфидных минералов.

В рамках экспертно - методических работ по оценке запасов техногенного сырья (хранилища от налов обогатительного концентрата) расположенных на Крайнем Севере России, автором были изучены закономерности криогенного рассеяния и обогащения жидкой и твердой фазы (лед) воды отвалов сульфидных концентратов при их длительном хранении (более 30 лет) в различных окислительно - восстановительных условиях.

Методической основой указанных работ являются: «Методические рекомендации по оценке и подсчету материальных ценностей государственного резерва - запасов концентратов обогатительного производства сульфидных медно-никелевых месторождений», рекомендованные к применению Протоколом Экспертно-технического совета ФБУ «ГКЗ» от 05.12.2013г, в разработке которых автор принимал участие.

Теоретическая часть исследований заключатась в обосновании закономерностей протекания физико-химических процессов в отватах концентрата при отрицательной и положительной температуре.

В процессе хранения сульфидных концентратов руд произошла их криогенная метаморфизация, окисление кислородом воздуха, поступающего в основном с атмосферными осадками, и обогащение инфильтрационных вод продуктами окислеш<я, главным образом сульфатами рудных металлов, и их переотложение в виде криосульфатов металлов и рассолов вымораживания (криопэгов). В процессе сезонных циклов оттаивания и замерзания происходит криогенная дифференциация (плотностная миграция вниз) окисленной части рудного вещества, растворенного в воде:

1) Промерзание приводит к опреснению (отжиму солей вниз) верхней части разреза хранилища;

2) Часть сульфатных солей с относительно высокими эвтектическими температурами (в основном Си504. N¡504 РеЭОа) в виде криоэвтектик (криосолей) мобилизуются в лед (совместная кристаллизация);

3) Часть сульфатных солей с относительно низкими эвтектическими температурами в виде рассолов вымораживания под действием гравитационных сил формируют таликовую зону криопэгов в пределах или под хранилищем, другая часть мобилизуется в виде вторичных сульфидов в сероводородной зоне не окисленного концентрата

Формированию тапиковых зон способствует также экзотермический (с выделением тепла) характер реакций окисления рудных сульфидов. Водоупором для криопэгов являются льдистые горные породы с температурой ниже эвтектических характеристик преобладающей сульфатной соли рассола. Например, для рассола Си504. Ре504 водоупором будет изотерма минус 1.8 °С. а рассола 2п804 - минус 6.5 С. С учетом перечисленных факторов объектами исследования вещества хранилищ рудных сульфидных концентратов для оценки запасов концентратов обогатительного производства сульфидных медно-ннкелевых месторождений Норильского промышленного района являются: 1) твердая окисленная и не окисленная, нерастворимая водой часть хранилища, включая основные криогенные сульфаты меди, никеля, кобальта (Си(0Н)504, Ы1(ОН)Я()4, Со(ОН)504); 2) засоленный сульфатами рудных элементов лед в мерзлой части хранилища; 3) отрицательно температурные рудные воды (криопэги) таликовых зон, которые могут мигрировать в породы, слагающие ложе хранилища.

Процессы разубоживания и концентрирования рудных элементов при окислении сульфидных минералов хранилищ концентратов в криолитозоне характеризуются следующими особенностями: 1) при отрицательно-температурном окислении сульфидных минералов хранилищ в водах и концентратах происходит криогенная метаморфизация химического состава вод, ведущая к концентрированию сульфатов солей тяжелых металлов в незамерзающей воде и образованию их криоэвтектик во льду в зависимости от температуры охлаждения воды, опреснению льда относительно исходных вод и формированию более минерализованных сульфатных по анионному составу вод с преобладанием в катионном составе рудных элементов (железо, медь, никель, цинк) как наиболее растворимых солей с растворимостью до эвтектических концентраций (таблица 2). При этом наблюдается обеднение состава подземных вод кальцием за счет образования низкомагнезиалыюго криокальцита с выделением углекислого газа вследствие разложения гидрокарбоната кальция; 2) при промерзании концентратов заметно активизируются процессы кислотного разложения сульфидов вследствие образования серной кислоты, как продукта окисления и ее концентрирования при вымораживании до высоких концентраций по кривой ликвидуса для индивидуальных солей. Эвтектика серной кислоты -78°С, т.е. при реальных температурах многолетнемерзлых пород кислота всегда будет накапливаться в растворе вымораживания, а контактируя с сульфидными минералами, разлагать их с выделением сероводорода: 3) продукты окисления сульфидных минералов зимой накапливаются в деятельном слое в виде криогидратов сульфатных солей, состав которых приведен в таблице 2, образуя вторичную зональность сульфатных солей тяжелых металлов (в направлении понижения температуры эвтектик) - Си-> Ре->Со->7.п^Сс1.

2.5 Формирование криогенной гидрогеохимической зональности деградированной криолитозоны бывших крио-артезианских бассейнов

В разделе методом аналогий с формированием гидрохимической зональности ДАР западной Якутии (не оттаявшая криолитозона), рассмотренной ранее и гидрохимической зональностью района Коршуновского железорудного месторождения Иркутской области (оттаявшая криолитозона), обосновывается (её) гидрохимическая зональность подземных вод, криогенно-измененная в процессе формирования и деградации ММП. Гидрохимическая зональность района Коршуновского железорудного месторождения подробно описана автором в главе 31, книги В.А. Мироненко и В.Г. Румынина «Проблемы гидрогеоэкологии». Гидрохимическая зональность района сформировалась благодаря глубокому промерзанию геологической среды в четвертичный период и последующей деградации ММП. При промерзании геологического разреза сформировалась криогенная зональность: зона пресных льдов (гидрокарбонатные воды); зона засоленного кристаллогидратами сульфатных солей льда (сульфатные воды) и зона крионэгов (хлоридные воды) и переходные зоны от различных типов вод (гидрокарбонатно-сульфатные, сульфатно-хлоридные и др.). Химический состав подземных вод, образовавшихся после деградации ММП, а, следовательно, сформировавшаяся гидрохимическая зональность не зависит от литологического состава водовмещающих горных пород, так как криогенная дифференциация химического состава подземных вод произошла в горных породах одного возраста и литологического состава (верхоленская свита кембрия).

Мощность зоны пресных вод соответствует мощности льдистых горных пород. Зона пресных вод включает (сверху-вниз) гидрокарбонатные и сульфатные подземные воды, а зона соленых хлоридных вод соответствует зоне криопэгов, в которых минерализация возрастает с глубиной при сохранении гидрохимического типа вод независимо от литологии водовмещающих горных пород.

1 — скважины и интервалы опробования, 2 — изолинии минерализации, 3,4, 5 — химический тип вод(3 — Са-БО^ 4 — Ыа-Ы-БО^ 5 — Ыа-С1), 6 — границы слоев.

Рис. 7 Схема гидрохимической зональности Коршуновского месторождения

Выводы.

1. Изменение химического состава подземных вод при отрицательных температурах (Т -менее 0°С) происходит ступенчато, в соответствга! с эвтектическими точками растворенных в воде солей.

2. При понижении температуры подземных вод ниже 0°С в эвтектических точках происходит совместная кристаллизация льда и кристаллогидратов солей, а жидкая фаза обогащается солями с низкими эвтектиками, что приводит к последовательной смене гидрохимических типов вод и льдов (криогидрогеохимической зональности): гидрокарбонатные воды (лед) —» сульфатные воды (лед) —> хлоридные воды (лед) —> (возможно, при Т - менее минус 55°С) бромидные воды.

3. Эвтектические точки как палеотермометры являются надежными реперами при гидрогеологических палеореконструкциях.

3. ОСОБЫЙ ВАРИАНТ ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ: СОВМЕСТНОЕ ПРИСУТСТВИЕ В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ ОКИСЛИТЕЛЕЙ БЛАГОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ IIЛИГАНДОВ КОМПЛЕКСНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, ПРИВОДЯЩИХ К РАСТВОРЕНИЮ, МИГРАЦИИ II ОТЛОЖЕНИЮ В ЗОНЕ ГИПЕРГЕНЕЗА ЗОЛОТА II ЭЛЕМЕНТОВ ГРУППЫ ПЛАТИНЫ (РЬ Оч, Ш)

Введение

Доказательства третьего защищаемого положения выполнены автором на примере районов золоторудных месторождений и россыпей и рудопроявлений платиноидов Дальнего Востока РФ, являющихся уникальными по металлогеническим и гидрогеохимическим особенностям.

Окисление сульфидных минералов, золота и ЭПГ руд не только способствует переход)' их в раствор, но и во многом определяет условия их дальнейшей миграции, воздействуя на кислотно-основную и окислительно-восстановительную обстановку, обогащая раствор лигандамн, способными образовывать с нонами металлов прочные комплексные соединения. Сложность окисления золота и элементов группы платины (РЧ. Ов, 1г) заключается в том, что они имеет высокий окислительный потенциат, и придать ему положительную степень окисления перечисленные компоненты в отсутствии анионов-лигандов не в состоянии. При комплексообразовашш происходит снижение потенциала окисления металлического золота и элементов группы платины и становится реатьностью его растворение и перенос с подземными водами в условиях зоны гипергенеза.

Окисление сульфидных минералов - сложный многоступенчатый процесс, в ходе которого сера меняет степень окисления от -2 (-1 для дисульфидов) до +6, при этом в растворе может присутствовать одновременно более десятка кислородсодержащих и бескислородных соединений, содержащих серу в промежуточных степенях окисления (Хархордин И.Л. 1998г).

На термодинамических диаграммах золота в координатах ЕЬ-рН (рис. 8) показана роль (экстремальные термодинамические условия 2-го рода, без фазовых переходов) лигандов и окислителя на растворимость золота в веде. Наличие в растворе недоокисленных соединений серы (лигандов) способствует водной миграции золота, повышая его растворимость на несколько порядков. Если на первой диаграмме почти всю умеренно-окислительную область занимает поле преобладания элементного золота, то на второй - эту область занимают комплексные соединения золота с метастабильными формами серы. Растворимость золота в таких условиях может достигать десятков мнкрограммов в литре.

По условиям формирования гидрогеохимических ореолов рассеяния золота и элементов группы платины (ЭПГ) рудных месторождений на юге Дальнего Востока выделяются области, характеризующиеся развитием многолетнемерзлых пород, либо их отсутствием. Каждая из этих областей по характеру рельефа расчленяется на районы со среднегорным (сильно расчлененным) и равнинным рельефом.

Многолетний опыт гидрогеохимических поисков золота и платиноидов в разных ландшафтно-геохимических условиях Приамурья позволил детально изучить

гидрогеохимические процессы перераспределения золота и ЭПГ в системе: вода - порода (золоторудное тело), подземные воды - поверхностные воды, поверхностные воды - донные отложения и объединить их в одну общую систему: горные породы (золоторудное (ЭПГ) тело) -подземные воды - поверхностные воды - золотоносная (ЭПГ) россыпь.

Ммсль р«стм>р«ни*, мрсима и о-гложсиин Ли и ЭПГ в им« гин(ршш

3.1. Особенности водной миграции золота и ЭПГ золоторудных месторождений в различных ландшафтно-гндрогеохимическнх районах Приамурья

Для выделенных ландшафтов (таблица 3) можно наметить следующую общую схему и основные этапы (стадии) формирования гидрогеохимических ореолов и потоков рассеяния рудных тел:

На первой стадии металлы, в том числе золото и ЭПГ, содержащиеся в рудном теле, переходят в воднорастворенное состояние.

На второй сталин происходи перемещение рудных компонентов в водной среде с образованием гидрогеохимических ореолов рассеяния.

На третьей стадии при выходе подземных вод на поверхность или при разгрузке ах в поверхностные водотоки, образуются гидрогеохимические потоки рассеяния.

На четвертой стадии металлы либо осаждаются из поверхностных водотоков, либо происходит разубоживание их концентраций за счет смешения с фоновыми водами.

Приведенная принципиальная схема общеизвестна. Однако каждый гидрогеохимический ландшафт характеризуется определенными особенностями водной миграции благородных металлов.

В рассматриваемом типе районов на I стадии водного рассеяния (растворение рудных минералов) происходит непосредствмгно взаимодействие рудных минералов с инфильтрующимися атмосферными осадками, проникающими через почвенно-растительный слой и зону аэрации. Инфильтрационные воды насыщены кислородом и другими химически активными компонентами (гумусовые кислоты, углекислый газ). Вступая в реакции с рудными минералами, такие воды вызывают их активное окисление и растворение. В частности, для золота и ЭПГ окисление - единственный процесс, переводящий их в водорасгворенное состояние.

Далее катионы окисленного золота и ЭПГ вступают во взаимодействие с растворенными в подземньгх водах лигандамн, образуя комплексные ионы. В водах, сформировавшихся в результате контакта с почвами и породами, находятся разнообразные как простые, так и сложные, как неоргашгческие, так и оргшшческие ионы и молекулы. Поэтому говорить о том, с какими именно соединениями взаимодействуют катноны золота и ЭПГ, не имеет смысла. Однако, учитывая химические свойства золота и ЭПГ, процесс образования комплексных ионов представляется неизбежным. В дальнейшем миграция золота и ЭПГ в подземных водах рассматривается как миграция комплексных ионов золота и ЭПГ с различными лигандами.

Под действием растворенного в воде кислорода происходит окисление, а также растворение помимо золота и ЭПГ сульфидных минералов, часто приуроченных к золоторудным телам. Данный процесс вызывает появление в трещинно-гру1гговых водах повышенных концентраций тяжелых металлов (медь, цинк, свинец и др.), мышьяка и кислородсодержащих соединений серы различных степеней окисления (тиосульфаты, политионаты, сульфаты и др.), которые также являются лигандами - комплексных соединений золота и ЭПГ.

Особенности II стадии рассеяния (формирования гидрогеохимических ореолов рассеяния) в рассматриваемой гидрогеологической структуре определяются начичием в ней свободного водообмена и. следовательно, большими скоростями фильтрации. Это приводит к тому, что основная роль в водном переносе вещества, в том числе и рудного, принадлежит конвекции. Поэтому сформировавшиеся гидрогеохимические ореолы вытянуты по потоку движения подземных вод.

По мере движения от рудного тела ореольные воды, смешиваясь с фоновыми, постепенно разубоживаюгея. Особенно интенсивно уменьшение концешрации золота и других компонентов происходит при смешении с "безметальными" водами мощных (до 20 м) элювиатьно-делювиатьных хорошо проницаемых отложении. Склоновые отложения в основном представлены вторичными минеральными образованиями, они в течение длительного времени интенсивно промывались атмосферными осадками. Поэтому элювиально-делювиальные отложения относительно инергтны к водной среде и соответственно низка метатлоносность вод, их минерализация - 30-40 мг/л.

Ill стадия. Для описываемого типа структур Приамурья разгрузка подземных вод обычно осуществляется скрыто непосредственно в подрусловые отложения. Источники подземных вод чрезвычайно редки.

В силу хорошей проницаемости и отсутствия выдержанных водоупоров в пределах развития гранитоидных массивов с иесчано-гравийно-галечными склоновыми отложениями редко образуются ручьи малых порядков. Разгрузка ореольных вод в водотоки высоких порядков с большими расходами и, что особенно важно, с мощными аллювиатьными отложениями приводит к тому, что гидрогеохимические потоки рассеяния слабо проявлены. Если так можно выразиться, химическая работа воды затушевывается переносом больших объемов самого растворителя.

IV завершающая стадия - разубоживаиие гидрогеохимических потоков рассеяния. Помимо разбавления аномальных вод фоновыми подземными и поверхностными водами при разгрузке (выходе вод на дневную поверхность) пронсход!гт резкое изменение физико-химической обстановки: уменьшается давление, система становится открытой по отношению к кислороду и углекислому газу. Рассмотрим влияние разгрузки подземтлх вод на примере золота. Сразу после выхода подземных вод на поверхность начинается разрушение комплексных ионов золота (они являются сильнейшими окислителями) сопровождающееся окислением лигандов и восстановлением золота до элементного со степенью окисления 0 [25,26]. Часть ионного золота восстанавливается другими металлами и органическими соединениями. Далее образуются коллоидные растворы золота, происходит их разрушение (коагуляция) и появление субмикроскопических частиц элементного золота и их осаждение.

Предложенный механизм преобразования различных форм золота в поверхностном водотоке подтвержден натурными экспериментами автора [25,26] по определению форм миграции золота, проведенными на Многовершинном месторождении.

При специальном опробовании гидрогеохимических аномалий на ручьях Медвежий, Южный выявилась следующая закономерность - по мере удаления от зоны разгрузки ореольных вод вниз по водотоку постепенно уменьшается доля ионного золота: вблизи аноматии наблюдается рост концентрации золота включенного в коллоидные частицы: на расстоянии 5001000 м от источника практически все золото уже находится во взвешенном состоянии (табл.4).

Таблица 4

Соотношение основных форм миграции золота в поверхностных волах месторождения

Многовершинное

Водоток Валовое содержание Взвешенная форма Коллоидная форма Ионно- молекулярная форма

мкг/л

Руч. Медвежий 0,162 0,016(9,9) 0,041(25,3) 0,105(64,8)

(вниз по потоку 0,036 0,024(66,6) 0,007(19,4) 0,005(14)

от аномального 0,044 0,032(72,3) 0,006(13,6) 0,006(13,6)

участка 0,010 0.003(30) 0,005(40,0) 0,002(20,0)

через 250 м 0,014 0,011(78,6) 0,003(21,4)

Руч. Южный 0,177 0,067(37,9) 0,008(4,5) 0,102(57,6)

(вниз по по- 0,103 0,068(66,0) 0,017(16.5) 0,018(17,6)

току от аномального 0,025 0,021(84,0) 0,003(12,0) 0,001(4,0)

источника через 250 м

1. Примечание. В скобках даны проценты содержания данной формы от валового содержания.

Открытое явление, в конечном итоге, вызывает выпадение золота из водных растворов и тем самым также уменьшается протяженность гидрогеохнмических потоков рассеяния. Оно характеризует интенсивность современного гидрогенного россыпеобразования золота.

3.1.1. Районы с развитием многолетней мерзлоты

Основным фактором, обусловливающим специфику протекания I стадии (растворение рудных минералов) рассеяния в данных районах является отсутствие непосредственного контакта рудных минералов с инфильтрующимися атмосферными осадками. Препятствием на пути перемещения кислорода в глубину при инфильтрации атмосферных осадков являются многолетнемерзлые породы, создающие условия затрудненного водообмена. Так как свободный

доступ кислорода и других активных компонентов к рудным телам затруднен, то основным физико-химическим процессом, приводящим к появлению в воде индикаторных элементов, служит электрохимическое расгворение. Особую важность это явление приобретает тогда, когда речь идет о находящихся в соседстве с золотом разнообразных сульфидных минералах, обладающих различными электродными потенциалами и образующих многочисленные гальванические пары.

Вопрос о том, каким именно способом происходит окисление и последующее растворение рудных минералов в мерзлотных условиях, в настоящее время остается открытым, но сам факт протекання этого процесса сомнений не вызывает.

Как отмечаюсь выше, не представляется энергетически возможным присутствие в природных водах воднорастворенного золота в виде простых ионов (Au+ Аи3+). Как в мерзлотных, так и безмерзлотных ландшафтах в подземных водах золото мигрирует в виде комплексных ионов с органическими и неорганическими лигандами.

II стадия - формирование гидрогеохимических ореолов рассеяния в надмерзлотных водах в районах с развитием многолетней мерзлоты протекает при явном преобладании термодиффузионных процессов (движение солен через мерзлую толщу к поверхности Земли - к наиболее холодному фронту) над конвективными. Это объясняется наличием в данных районах затрудненного водообмена.

Процессы формирования гидрогеохнмических ореолов рассеяния золота и ЭПГ здесь осложнены наличием температурного и электрического градиентов, направленных в наиболее продолжительный зимний период (отрицательные температуры атмосферного воздуха) от глубинных слоев к поверхности. При этом в результате протекания термоосмотических, термокапиллярных и электроосмотических процессов происходит вертикальная (снизу вверх) миграция компонентов (особенно катионов) внутри и вместе с пленочной незамерзшей влагой сквозь многолетнемерзлые породы. Таким образом, криогидрогеохимнческий ореол рассеяния неминуемо должен оказаться вытянутым вертикально от рудного тела к деятельному слою. В деятельном слое формируется зона криогенного обогащения, сопровождаемая криогенным высаливанием (криогенные минералы различного цвета, в основном основные сульфаты тяжелых металлов, например меди - синие кристаллы Cu(OH)SO.t.

Преобразование гидрогеохимического ореола рассеяния на этом не заканчивается. В летнее время при таяшш сезонной мерхчоты накопившиеся за зиму в деятельном слое элементы-индикаторы золотого оруденения, а также и все прочие растворенные компоненты переходят из пленочной влаги в свободную гравитационную воду. Причем уже на этой стадии в приповерхностных условиях происходит частичное изменение физико-химического состояния элементов (например, разрушение комплексных ионов золота и ЭПГ). Интенсивность подобных изменений тесно связана с количеством химически активных атмосферных осадков, проникающих в деятельный слой.

III стадия водного рассеяния (образование гидрогеохимических потоков рассеяния) происходит после преобразований и накопления солей в деятельном слое. При этом ореольные воды могут достигать поверхностных водотоков в любой их части.

Разубоживание гидрогеохнмических аномалий (IV стадия) по ходу движения поверхностных водотоков происходит по схеме, описанной выше для ландшафтов с отсутствием многолетней мерзлоты. Окончательное разрушение комплексных ионов золота, перевод золота в коллоидное, а затем во взвешенное состояние приводят к разрушению гидрогеохимического и образованию литогеохнмического потоков рассеяния или россыпей золота и ЭПГ.

3.1.2. Районы с развитием островной мерзлоты долинного типа

В районах с развитием островной мерзлоты долинного типа (участки Пионер, Покровка) к начату-середине августа полностью протаивает сезонная мерзлота на водораздельных участках. При этом в зоне контакта многолетней мерзлоты (в долинах рек) и непромерзающих пород (уступы надпойменных террас, склоны) начинается переток трещинно-грунтовых вод в деятельный слой, образование источников, разгрузки в поверхностные водотоки. Это явление

приводит к увеличению доли трещинно-груитовых вод в общем расходе ручьев по отношению к доле талых вод деятельного слоя, что вызывает рост минерализации вод и фоновой металлоносное™ поверхностных вод. Повышение минерализации источников к концу лета было зафиксировано при постановке режимных наблюдений. Рассматриваемый процесс, естественно, заставляет при интерпретации гидрогеохимических аномалий делать поправку на разные периоды опробования.

Для исследованных районов с ярко выраженной островной мерзлотой долинного типа характерно сильное заболачивание. Проведенные эксперименты [31, 32] показали, что современные растительные образования и торф активно сорбируют из воды многие элементы-индикаторы сульфидного и золотого оруденения (тяжелые металлы, мышьяк, бромид-, иодид-, фторид-ионы, а также серу низших степеней окисления). Данный процесс приводит, с одной стороны, к уменьшению в водах деятельного слоя (а следовательно, и в ручьях) концентраций указанных компонентов, а с другой стороны, к обогащению этими компонентами почвенно-растительных (торфяных) отложений, что указывает на перспективность комплексирования гидрогеохимического опробования с биогеохимическими методами [31, 32, 33].

з.13, Районы с развитием сплошной и прерывистой мерзлоты

Для районов с развитием сплошной и прерывистой многолетней мерзлоты (участки Унгличикан, Средний Ингагли, Большой Неэрген, Маломыр, Коврижка) описанное явление сорбции элементов почвенно-растнтелыюй органикой существенно менее значимо в силу следующих причин. Во-первых, для указанных территорий заболоченность и мощность торфяных образований много меньше, чем на участках Покровка и Пионер. Во-вторых, в пределах Приамурья районы со сплошной и прерывистой мерзлотой характеризуются обычно среднегорным рельефом (в отличие от равнинного пенепленизированного рельефа районов с островной долинной мерзлотой), т.е. более высокими скоростями фильтрации в деятельном слое, и менее продолжительным контактом вод с почвенно-растительными образованиями. Поэтому проведенное на участке Маломыр опробование гумусового слоя почв показало, что концентрация фтора органо-минератъного комплекса находится ниже предела чувствительности примененного метода анализа и не может дать информации для выделения каких-либо аномалий.

Отмеченное для районов с развитием островной мерзлоты долинного типа смешение трещинно-грунтовых вод и вод деятельного слоя также проявляется на территориях со "сплошной" и прерывистой мерзлотой, но носит совершенно иной характер. В районах со "сплошной" мерзлотой (участки Унгличикан, Средний Ингагли, Б. Неэрген) разгрузка подмерзлотных вод происходит чрезвычайно редко в виде источников, приуроченных к разрывным нарушениям субвертикалыюго падения. В прерывисто-мерзлотных ландшафтах (участок Матомыр) татиковые зоны также развиты по разломам, вследствие чего в ручьях фиксируются воды, пестрые по минерализации, по макро- и микрокомпонентному составу. И в первом, и во втором случаях разгрузка трещинных вод происходит в течение всего летнего периода (в зимнее время в областях разгрузки подмерзлотных вод формируются обширные наледи) и не имеет повсеместного распространения. Поэтому в районах со сплошной и прерывистой многолетней мерзлотой в ручьях в течение всего лета на разных участках отмечаются воды с различной долей подмерзлотных трещинных вод и талых вод деятельного слоя

и, следовательно, метатлоносиости. Из сказанного следует, что формирование гидрогеохимических ореолов и потоков рассеяния в условиях многолетней мерзлоты обусловлено взаимодействием многих процессов - электрохимическое растворение, термодиффузия, микробиологические процессы, таяние льда, замерзание воды, инфильтрация атмосферных вод и др.

3.2. Особенности формирования гидрогеохимических ореолов и потоков рассеяния золоторудных месторождений и элементов группы платины

3.2.1. Особенности формирования фоновых вод

Основные концентрации золота и ЭПГ в подземных водах золоторудных месторождений были оценены на основе статистической обработки результатов представительного гидрогеохимического опробования районов распространения золоторудно-россыпных полей Среднего и Нижнего Приамурья. Фоновые концентрации золота (таблица 5) изменяются от 0.002 до 0.005 мкг/л. Минимальные конценграции золота в гидрогеохимических пробах, зафиксированные при этом, составляют 0.001 мкг/л при чувствительности анализа - 0.001 мкг/л.

Следует оговорить, что "настоящие" фоновые воды на изучаемой территории отсутствуют, потому что в пределах обследованных рудных полей трудно найти не зараженные золотом формации. Поэтому фоновые концентрации золота в водах, которые рассчитываются как средневзвешенное для каждого рудного поля, представляют, нижнее аномальное содержание золота. При этом следует иметь в виду, что: 1) оно почти не зависит от вещественного состава водовмещающих пород (диапазон его колебаний обычно не превышает 0.002-0.005 мкг/л): 2) значения фона для подземных и поверхностных вод определялись раздельно; 3) наблюдался некоторый рост значений "фона" по пути движения вод в пределах водосбора, то есть иными словами, "фоновые" концентрации золота представляют в какой-то мере интегральную характеристику золотоносности вод (области стока, замыкающейся точкой опробования); 4) "фоновые" содержания золота в природных водах рассматриваемой территории могут испытывать или кратковременные (под действием единичных дождей) или сезонные колебания при отличии минимальных значений от максимальных в 2-5 раз. Вместе с тем, в дополнение к сказанному, нельзя не отметить большое влияние применяемых методик отбора, концентрирования и определения золота из водных проб. Это связано с тем, что фоновые концентрации золота в водах настолько малы, что начинают сказываться такие привходящие факторы как "чистота" по золоту применяемых при инструментальном анализе материалов (активированного угля, полиэтиленовой пленки, алюминиевой фольга).

Применяемые автором материалы для производства анализа находились иод постоянным контролем, что обеспечивало технологический фон 0.001 мкг/л. Такие значения технологического фона существенно не сказываются на точности определения природного фона.

Как уже было отмечено, вещественный состав горных пород рудных полей незначительно влияет на "фоновые" концентрации золота в природных водах, характеризующихся рН=6.5-8.2; Е11=300-400 ту, когда "ландшафт" нивелирует эти различия. Массивы ультраосновных пород являются исключением. Подземные воды массивов ультраосновных пород имеют повышенный гидрогеохимический фон по золоту, чему способствуют физико-химические условия (рН до 10, ЕЬ - 500 ту), благоприятные для мобилизации золота из ультраосновных пород.

Подходя с позиций поисков коренной золотоносности исследуемых массивов улыраосновных пород, выделенные гидрогеохимическне аномалии золота сформировались за счет "фоновой" золотоносности ультраосновных пород и их можно отнести к разряду фоновых подземных вод. При рассмотрении генезиса золотоносных аллювиальных россыпей участка Гарь-II вынос золота "фоновыми" подземными водами и его переотложение в руслах поверхностных водотоков (дебит источника 2 л/сек, концентрация золота 0.5 мкг/л) достигает 30 грамм золота в год в расчете на одну аномалию. Таким образом, фоновые подземные воды вносят существенный вклад в образование аллювиальных россыпей золота, подпитывая их гидрогенным золотом.

3.2.2. Особенности формирования ореольных вод золоторудных месторождений и ЭПГ

. Концентрация золота в водах потоков рассеяния, в пределах аномалий, изменяется от 1.2 мкг/л до 0.01 мкг/л.

В большинстве случаев гидрогеохимические ореолы (ГХОР) и потоки (ГХПР) рассеяния золота кошролируют золоторудные тела. От рудных тел, находящихся в зоне аэрации трещинно-грунтовых вод, наблюдаются контрастные (коэффициент концентрации до 100 и более) гидрогеохимические аномалии золота (табл. 6). Они в большинстве случаев находятся в головках

известных промроссыпей золота и являются связующим звеном между золоторудными телами и золотоносными россыпями, т.е. гидрогеохимические аномалии золота являются поисковыми показателями, как на рудное золото, так и на россыпное.

Таблица 5.

Фоновые концентрации золота

Местрождение,участок (тип месторождения) Тип ландшафта "фоновая" концентрация золота, мкг/л

Поверхностные воды Подземные воды

Многовершинное, Оемку-Джегдагский, р Зимовье, (гидротермальные, убогосульфидные, золото-кварцевые) Среднегорные ландшафты, без многолетнемерзлых пород 0.002 0.01

Маломыр, Ср. Ингагли, Б. Неэрген, Унгличикан, Коврижка (гидротермальные, убогосульфидные, золото-кварцевые) Среднегорные ландшафты с многолетнемерзлыми породами 0.005 0.01

Покровское, Пионер, (гидротермальные, убогосульфидные, золото-кварцевые) Равнинные ландшафты с многолетней мерзлотой долинного типа 0.005 0.01

Гарь-2 (Усть-Депский ультраосновной массив) 0.005 0.1

Р. Кондер (Кондерский ультра-основной массив) Среднегорные ландшафты с многолетней мерзлотой 0.005 0.05

В ряде случаев гидрогеохимические аномалии золота пространственно разделены с рудными телами и связаны с источниками трещинно-жильных вод. Гидрогеохимические потоки рассеяния золота очень локальные и не превышают 300-500 метров.

Не отмечено прямой корреляционной связи между концентрацией золота в горных породах (рудах) и ореольными водами. Это связано с рядом факторов, от которых зависит концентрация золота в ореольных водах:

1. Физнко-химическне условия мобилизации и миграции золота в подземных водах.

2. Минералогический состав горных пород и руд.

3. Время контакта горных пород (руд) с подземными водами.

4. Ландшафтно-гидрогеохимические условия рудных полей.

Режим ГХОР и ГХПР золота подробно описан в работах [25,26], где отмечается, что размеры, контрастность потоков рассеяния золота изменяются в зависимости от выпадения атмосферных осадков. Относительно межени после выпадения дождя интенсифицируется вынос золота подземными водами, т.е. гидрогеохимическне аномалии становятся более протяженными и контрастными. В ореольных подземных водах (ГХОР) основной формой миграции золота и ЭПГ является ионно-молекулярная. В ГХПР ионно-молекулярная форма (более 50 % от валового значения) мигрирует 100 м, взвешенная форма до 500 м. Коллоидная форма миграции золота не является преобладающей в ГХПР.

Таблица 6

Аномальные концентрации золота

Месторождение (участок) Концентрация золота, мкг/л

ГХОР (средние/макс.) ГХПО (средние/макс.)

Многовершинное 0.9/ 1.2 0.3/0.5

Покровское 0.5/0.7 0.2 / 0.4

Пионер 0.4/0.65 0.1 / 0.3

Ср. Ингагли 0.2 / 0.3 0.1/0.2

Унгличикан 0.2/0.35 0.1/0.3

Б. Неэрган 0.1/0.2 0.05/0.1

Коврижка 0.1/0.3 0.05 / 0.2

Гарь-2 1.2/1.4 0.5/0.7

Кондер 0.5/0.7 0.2 / 0.4

Зимовье 0.2 / 0.5 0.1 / 0.2

Оемку, Джегдаг 0.2 / 0.4 0.1 /0.24

Маломыр 0.3/0.5 0.1 /0.24

На основе проведения корреляционного анализа хорошие корреляционные связи с золотом проявляют платина 14 (0.95), иридий 1г (0.9), осмий Оэ (0.8), серебро Ag (0.7) и элементы группы лантана (самарий, церий, европий, иттербий, лютеций, лантан) (0.5-0.7).

3.3 Модель растворения, переноса и переотложения золота н ЭПГ в зоне гипергенеза. Формирование гидрогенной составляющей аллювиальных россыпей золота и ЭПГ

Оценка роли гидрогенного золота в образовании аллювиальных россыпей неоднозначна, а во многих работах его доля представляется несущественной. Объяснений противоречивости выводов можно найти несколько: трудно распознать признаки гидрогенного золота в россыпях и отличить их от форм другого происхождения; весьма сложны геохимические процессы преобразования золота в зоне гипергенеза и переноса этого металла (его соединений) до золотоносной россыпи в аллювии: необходимо применять очень тонкие и трудоемкие аналитические методы для количественного анализа золота в воде и породах.

Многолетний опыт гидрогеохимнческих поисков золота и платиноидов в разных ландшафтно-геохимических условиях Среднего и Нижнего Приамурья позволил детально изучить для этих обстановок подсистемы: вода - порода (золоторудное тело), подземные воды -поверхностные воды, поверхностные воды - донные отложения и объединить их в одну общую систему: горные породы (золоторудное (ЭПГ) тело) - подземные воды - поверхностные воды -золотоносная (ЭПГ) россыпь. Большинство исследователей брали только отдельные звенья этой цепи, что не позволяло им рассматривать весь процесс в целом. Кроме того, очень немногие исследователи применяли массовое опробование при гидрогеохимических поисках с последующим нейтронно-активационным анализом проб, позволяющим улавливать фоновые концентрации золота и ЭПГ. Этот метод вполне надежен, но не всегда доступен из-за дороговизны анализа. Такие исходные позиции (данные по гидрогеохимической системе в целом и высокая чувствительность анализа на золото) позволяют выяснить гндрогеодинамическую схему формирования ореолов и потоков рассеяния золота и оценить возможные формы водной его миграции, провести термодинамический анализ происходящих процессов.

В итоге сделана попытка "взвесить" перспективность участков на обнаружение гидрогенного золота в россыпях, его соотношение с другими формами накопления. Вполне очевидно, что такие оценки имеют прогнозный характер, но сам путь изучения перехода золота из воды в осадок - вполне правомерен.

В процессе работы [26] над концептуальной схемой формирования гидрогенной составляющей аллювиальных отложений выяснилось, что французские исследователи Benedetti М, Boulegue J. (1991 г) почти полностью разделяют взгляды автора в вопросах переноса и переотложения гидрогенного золота, однако приоритет открытия явления принадлежит автору настоящей работы.

Вопрос о возможности формирования гидрогенных (гипергенных) россыпей золота возник сравнительно давно. Среди работ, посвященных этой тематике, следует отметить В.А. Обручева, Ф. Фрейзе, М.Г. Кожевникова Ю.А. Билибина, H.A. Шило, и др.

Находки гипергенного золота в россыпях позволили создать теорию, объясняющую образование россыпей химическим переносом золота природными водами и его отложением из растворов в рыхлом покрове. Однако Ю.А. Билибиным широкие масштабы гипергенного россыпеобразования золота были поставлены под сомнение.

В связи с развитием аналитических методов определения золота в природных водах, в частности, нсйтронно-активационного, стала реальностью оценка масштабов гидрогенного россыпеобразования золота.

Настоящий раздел работы ставит своей задачей обобщить накопленные материалы и опыт изучения гидрогенной составляющей формирования золотоносных россыпей. Имеющиеся данные показывают, что закрывать эту проблему нет никаких оснований. И, наоборот, появляются все новые факты, свидетельствующие о большой роли водного переноса золота при формировании его россыпей.

На основе большого объема фактического материала, полученного по шестнадцати золоторудным с ЭПГ и россыпным полям благородных металлов Дальнего Востока РФ, Золотицкого кимберлитового поля (район месторождения алмазов им. М.В. Ломоносова), находящихся в различных геологических и ландшафтно-гидрогеохимических условиях, автором рассмотрен механизм перераспределения золота и ЭПГ в зоне гипергенеза в целом.

3.3.1. Гндрогеохимическне процессы перераспределения золота в подсистеме коренная порода (руда) - подземные воды

В пределах изученных месторождений рудное золото в основном представлено самородными выделениями металла в кварце или примесями в сульфидах, редко встречаются теллуриды золота.

В зоне гипергенеза ультраосновных пород и убогосульфидных кварцевых руд золото окисляется по схеме:

Au0™ —► Аи^юды - с ИЛИ Au"™ Au?+B0JbI - Зе .

Вопрос о преобладающей степени окисления золота в ореольных водах остается дискуссионным, наиболее вероятной является форма Ли*

В качестве окислителей золота коренных пород (руд) может выступать кислород, растворенный в воде, железо в степени окисления 3+, марганец в степени окисления 4+, особенно в кислой среде. Значительную роль в бескислородной среде приобретают электрохимические процессы. Такие процессы протекают при контакте золота с различными минералами, обладающими электронной проводимостью. На растворимость золота существенное влияние оказывают наиболее электроположительные из них - пирит, магнетит.

На растворимость металлического золота в значительной степени влияют два фактора: концентрация в растворе окислителя и лиганда, образующего с золотом прочные комплексные соединения, а содержания этих компонентов в различных ландшафтных зонах различны.

В настоящее время в литературе нет четкого ответа на вопрос, в какой именно форме и с какими именно лигандами мигрирует золото в подземных водах.

Золото проявляет амфотерные свойства, оно лучше растворяется в кислой и щелочной средах и имеет высокие константы устойчивости с гидроксил-ионами. В связи с тем, что в пределах исследованных районов встречаются обычно щелочные и слабощелочные воды, то

вероятно преобладающей формой миграции золота являются его гидрокомплексы и соответствующие им коллоиды-гидролизаты, например, Au(OH)t\ А 11(011)/.

В ореольных водах убогосульфндных и сульфидных кварцевых месторождений золото, вероятно, мигрирует в форме тиосульфитных комплексов /Аи^Оз^"/ , /АиБгОзЛ Однако аналитически определяемых концентраций тиосульфат-ионов выявлено не было. Вместе с тем, в ореольных водах золотосульфидного кварцевого месторождения автором были зафиксированы политионат-ионы, концентрация которых достигает в пересчете на сульфат-ионы 40 мг/л. Отмечается прямая корреляционная связь между содержаниями золота и политионат-ионов. На основании этого можно предположить существование в ореольных водах месторождений не только тиосульфатных, но и политионатных комплексов золота типа /Au(.S.iOi,))7 и /AuSjOsA.

Рядом исследователей высказывается предположение о наличии, кроме истинно растворенной, еще коллоидной и взвешенной (тонкодисперсной) форм существования золота в природных растворах.

Проведенные автором полевые экспериментальные работы [26] по определению форм миграции золота в водах одного из опробованных месторождений показали, что основной формой нахождения золота в ореольных (подземные условия) водах являются его комплексные ионы.

Подобные выводы следуют и из результатов исследований, полученных A.M. Плюсниным.

3-5.2. Гндрогеохимнческие процессы перераспределения золота в подсистеме подземные воды - поверхностные воды - донные осадки

В пределах исследованных месторождений золота разгрузка ореольных вод в поверхностные водотоки часто носит сосредоточенный характер, в результате чего в ручьях фиксируются контрастные (коэффициент концентрации - до 100) гидрогеохимические аномалии золота. В момент разгрузки (выход вод на земную поверхность) происходит резкое изменение физико-химической обстановки: система становится открытой по отношению к кислороду и углекислому газу, снижается рН ореольных вод с 7.8-8.0 до 7.0-7.2 по реакции: ОН" + СОг —> НСОз", т.е. снижается концентраты ионов ОН. Это, в свою очередь, приводит к разрушению большой части гидроксо-комплексов золота. Как отмечалось выше, в свободном состоянии ионы золота (Аи+) в гипергенных условиях существовать не могут из-за высокого окислительного потенциата. Поэтому разрушение его гидроксо-комплексов вызывает переход золота в элементное состояние и выпадение из раствора.

Из-за избытка элементного кислорода в результате разгрузки интенсифицируются также собственно окислительно-восстановительные процессы, приводящие к разрушению комплексных ионов золота в частности, за счет реакции диспропорционирования. Процессам диснропорционировання подвержены комплексные ионы, в которых Аи имеет степень окисления + 1:

3(AuL2)" -> (A11L4)" + 2Ац° + 2L", где L - лиганд.

Кроме того, в качестве восстановителя золота может выступать двухвалентное железо при его окислении до трехвалентного. При этом происходит адсорбция Аи на поверхности осадка Fe(OH)3.

Существенное влияние на изменение состояния золота в природных водах оказывают органические соединения. Этот факт принимает особенное значение при разгрузке, т.к. в поверхностных водотоках концентрация органических веществ гумусовой природы обычно в несколько раз больше, чем в подземных водах. Природная органика, особенно содержащая функциональные тиогруппы (-SH)", может являться геохимическим барьером для золота. Она способна образовывать нерастворимые в воде комплексные соединения золота, а также восстанавливать его до элементного с формированием золей.

Часть ионного (истинно растворенного) золота при переносе восстанавливается металлами в элементном состояшш. Так как золото в ряду напряженности занимает последнее положение, то все предыдущие металлы должны вытеснять его из растворов. Например, реакция с самородной медью выглядит следующим образом:

Си" + (AuL2) Си2+ + Аи° + 2L", где L - лиганд.

39

Подтверждением такого рода процессов служ1гт находка Батуриным С.Г. в отработанных россыпях бассейна реки Гарь кусочков медной проволоки частично или полностью покрытых губчатым и игольчатым золотом. В г. Магадане в музее СВ КНИИ находится железная лопата с агрегатами золота на поверхности.

В юрских конгломератах в Амурской области Сорокиным A.A. была найдена самородная латунь, покрытая тонким слоем золота. Осаждением золота из водных растворов объясняется формирование оболочек золота на зернах электрума.

Существенную роль в восстановлении золота и образовании его микроагрегатов в поверхностных условиях играют микробиологические процессы, так как тела микробов состоят, в том числе из углерода - восстановителя.

В работах Сорокина А.П. с коллегами приводятся сведения о золотоносности и ЭПГ бурых углей Ерковецкого месторождения. Одним из возможных механизмов обогащения углей благородными металлами является по мнению авторов восстановление золота и ЭПГ из подземных вод на углеродном барьере углей (углерод окисляется, а ионное золото и ЭПГ, являясь сильным окислителем, восстанавливаются до элементного).

В статье Ф.П. Кренделева "Растет ли золото в россыпях?" приводится описание металлических предметов, покрытых оторочкой из золота, найденных в золотоносных россыпях.

Перечисленные процессы восстановления ионного золота до элементного состояния вызывают одновременно и выпадение его из природных вод с образованием коллоидных и взвешенных частиц.

Экспериментальные исследова!шя по изучению форм миграции золота, выполненные по методике [26] в пределах одного из потоков рассеяния золоторудного месторождения показали, что в поверхностном водотоке происходит преобразование форм миграции золота (табл. 3.2). По мере удаления от зоны разгрузки ореольных (золотоносных) вод вниз по потоку рассеяния в поверхностной воде ручья постепенно уменьшается доля ионного золота, наблюдается рост концентрации золота, включенного в коллоидные частицы, на расстоянии 500-1000 м от источника практически всё золото уже находится во взвешенном состоянии и аккумулируется донными осадками. Доля переотлагаемого золота от выносимого подземными водами оценивается автором в 90 %.

Предложенная модель обеспечивает образование мельчайших частиц высокопробного золота, рассеянного в аллювиальных отложениях и укрупнение низкопробного золота путем его рафинирования ионным растворенным в воде золотом, которое выступает в роли цемента при образовании крупных агрегатов золота в аллювии.

333. Гидрогеохимнческие процессы перераспределения золота в подсистеме золотоносная россыпь

Осаждению золота из поверхностных вод на уже имеющихся золотинах способствуют металлы-примеси: медь, цинк, свинец и др., находящиеся в элементном состоянии. Элементы-примеси самородного золота окисляются (электрохимическое растворение) и восстанавливают (осаждение) ионы золота. Данный процесс называется рафинированием самородков и, в итоге, также является одним из способов укрупнения частиц золота.

Существует ряд работ, в которых рассматривается механизм микробиологического преобразования тонкого золота в донных осадках в крупные агрегаты. Скорость этого процесса по экспериментальным данным измеряется десятками дней.

Представленные механизмы приводят к образованию гидрогенных агрегатов золота, которые обладают некоторыми отличиями по сравнению с золотом первичным, рудным. Во-первых, такие образования высокопробны (из-за растворения элементов-примесей). Так, в пределах Усть-Депской зоны офиолнтов (участок Гарь II) пробность золотин, обнаруженных в аллювиальных россыпях, достигала, по данным автора, 992, а высокопробная внешняя оторочка имела пробность 1000 (данные микрозондового анализа). В шлиховых пробах С. Батуриным, кроме высокопробных золотин, были обнаружены золоченые, частично или полностью, фрагменты медной проволоки и свинцовой дроби. Во-вторых, при рафинировании и просто

осаждении формируется зональность золотины: внешний пласт более высокопробен по отношению к центральной (ядру) части зерна (высокопробная оторочка). В-третьих, самородное золото, выращенное в условиях, приближенных к гипергенным, отличается специфическими губчатыми, порошковатыми, эмульсионными, пленочными и дендритовидными формами. Золотины такого вида находились нами в аллювиальных отложениях практически всех опробованных месторождений.

3.3.4 Методика оценки масштабов гидрогенного россыпного золота в руслах поверхностных водотоков

На примере Оемку - Джегдагского рудного поля, расположенного в пределах Сихотэ-Алиня, показана методика прогнозной оценки золотоносных россыпей по гидрогеохимическим данным, включающей оценку масштабов современного (на дату опробования) выноса и переотложения золота в руслах водотоков.

Для определения количества золота, выносимого и переотлагаемого поверхностными водами, была гюсзроена "Карта-схема интенсивности переноса (ионного стока золота) растворенного золота поверхностными водами".

Оценки показали, что ежегодно на опробованной площади из вод поверхностных водотоков осаждается 0.11 кг золота. При экстраполяции на 10 ООО лет (возраст современных четвертичных отложений) и допущении, что в этот период вынос был стабильным, получается, что за этот (го) период в донные осадки бассейнов ручьев отложилось 1100 кг гидрогенного золота.

Полученные значения соизмеримы с объемами добычи шлихового золота при первой вскрыше и промывке плотика россыии и доказывают существенный вклад гидрогенного

Рис 9 Карта-схема интенсивности переноса растворенного золота поверхностными водами

Условные обозначения:

точки опробования/шаг 100м/ [с.~> разведенная промроссынь золота

аномалии золота, способного к ! предполагаемая промроссыпь золота

вы палению в донные осадки /более 10 г/год/

/более 2 г/год/

I | золоторудные тела

Выводы

1. Подземные воды активно растворяют золото коренных горных пород и в форме комплексных ионов переносят его к областям разгрузки.

2. При разгрузке подземных вод в русла поверхностных водотоков происходит преобразование форм миграции золота по схеме: ионно-молекулярная форма -> коллоидная форма -*■ взвешенная форма. До 90 процентов золота выпадает в аллювиальные отложения в пределах гидрогеохимического потока рассеяния золота (300-500 м).

3. В аллювиальных отложениях происходит укрупнение золотых агрегатов и их рафинирование за счет окисления примесей и осаждения новообразованного золота.

3.4 Модель растворения, переноса и переотложения ЭПГ в зоне гипергенеза. Формирование гидрогенной составляющей аллювиальных россыпей ЭПГ

Процесс формирования платиновых аллювиальных россыпей до последнего времени связывался лншь с физическим выветриванием платиносодержащих горных пород в пределах бассейнов водосбора рек и переотложением высвобожденных минералов платины в руслах поверхностных водотоков. При таком объяснении принималось во внимание, что минералы платины не растворяются в воде. При участии автора были проведены гидрогеохимическис исследования на Покровском золоторудном поле, Кондерском ультраосновном массиве Усть-Депской зоны офиолитов, которые позволили оценить, применив нейтронно-активационный анализ (НАА), концентрации элементов платиновой группы (ЭПГ) в подземных и поверхностных водах и современные масштабы их выноса в растворенном виде в гидросеть районов исследований.

J. Bowles выдвинул гипотезу, согласно которой для объяснения перераспределения минералов платиновой группы (МГП) привлекался механизм растворения подземными водами рассеянных в анортозитах ЭГП, переноса их в ручьи, где платина ремобилизуется и происходит рост кристаллов (минералов) МГП. Им же был применен метод аналогии изучения поведения платины с золотом при исследовании латеритных кор выветривания.

Автор поддерживает эту гипотезу и доказывает ее реальность в настоящей работе.

Поведение золота и платины в геохимических процессах имеет много общего. Исходя из аналогии с золотом, механизм перераспределения платины в системе (коренная порода —► подземные воды —» поверхностные воды —» аллювиальная россыпь), заключается в следующем: подземные воды (окислительные условия для платины) растворяют рассеянную платину коренных пород или рудных образований и в форме комплексных ионов переносят их в поверхностные водотоки. При разгрузке подземных вод ультраосновных горных пород (рН 8.2-9.3; Eh = 400-500 mv) происходит их смешение с поверхностными водами, резкое изменение физико-химических условий (рН 6.5-7.0; Eh = 200-300 mv) (геохимический барьер), приводящее к адсорбции (соосаждению в оксигидроксидах Fe и Мп) комплексов платины на дисперсном материале (Fe203, Мп02), и восстановлению ее до элементного состояния и выпадению агрегатов платины в донные осадки вместе с дисперсными частицами. Агрегаты самородного железа и другие металлы в самородном сосгояшш в аллювии могут восстанавливать платину с образованием железо-платиновых агрегатов по реакции:

Fe° + Pt (L)4 ^Pt° + Fe2+ + 4L, где L-лиганд.

Концентрации ЭПГ и золота в водах потоков рассеяния месторождешш.

№№ п/п Месторождение Pt мкг/л Ir мкг/л Os мкг/л Au мкг/л

1 Река Кондер min 0-5 max 1.4 min 0 001 max 0.003 min 0.2 max 0.5 min 0.004 max 0.9

2 Река Гарь 2 min 0.5 max 8 min 0.001 max 0.02 min 0.003 max 1.2

3 Покровское золоторудное min 0.3 max 4 min 0.001 max 0.007 min 0.1 max 4 min 0.003 max 1.1

выводы

1. В геохимических процессах в зоие гипергенеза в поведении ЭПГ много общего с золотом, поэтому на первых этапах изучения гидрогеохимии платины возможно применение метода аналогий.

2. Ультраосновные породы могут служить коренными источниками ЭПГ и золота аллювиальных россыпей гндрогенного генезиса.

3. Механизм обогащения аллювиальных россыпей золота и ЭПГ заключается в растворении рассеянных золота и ЭПГ коренных ультраосновных пород, переносе их в поверхностные водотоки и выпадении в донные осадки при разгрузке подземных вод.

4. В зоне гипергенеза самородное золото и ЭПГ россыпей активно растворяются и переотлагаются на восстановительном барьере;

5. Необходимым условием для растворения самородного золота и ЭПГ подземными водами является одновременное присутствие окислителя (растворенный в воде кислород) и лигандов, в качестве которого могут выступать цианиды, продуцируемые в почвенном профиле бактериями рода Pseudomonas, гидроксокомплексы, тиоорганические комплексы типа тиомочевина, недоокисленные формы серы (полнтионаты) и др.

6. Являясь сильным окислителем, комплексные ионы золота и ЭПГ переотлагаются на восстановительном барьере.

7. Восстановителями золота служат все металлы в самородном состоянии, расположенные до золота в «ряду напряжений металлов», органический углерод, восстановленные формы железа и марганца в степени окисления 0 и 2+.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Предсгавленная диссертационная работа является научным обобщением теоретических, методологических и практических исследований автора. Проведенные исследования позволяют сформулировать следующие выводы и наметить пути дальнейшего развития направления.

1. Свсрхкритические флюиды (ск-флюиды) Н20, С02 H2S, H3As, HCl, гомологи СН4 магматического и термометаморфического генезиса играют основную роль в формировании тер.могазохимического состава минеральных углекислых вод в областях развития современного (четвертичного) вулканизма.

2. Формирование химического состава подземных вод, находящихся в сверхкритическом состоянии, происходит ступенчато, в соответствии с критическими точками флюидов. На каждой ступени изменения (переход через критическую точку) из ск-флюида газа образуется ионный водный раствор газа, например из ск-флюида С02 образуется водный раствор угольной кислоты, которая начинает взаимодействовать с вмещающими горными породами, происходит её нейтрализация, образуются гидрокарбонаты.

3. Субвертикальный поток ск-флюидов Н20, С02, и других сверхкритических газов является сжимаемой фазой при расширении которой происходит охлаждение водно - ск-флюидной смеси, увеличивается её объем, вследствие чего возникает поршневой эжекционный эффект (сверхкритический термо-газлифт), с которым связаны аномально высокие пластовые давления (АВПД).

4. Ск-флюиды Н20, С02 как неполярные растворители экстрагируют органические вещества из вмещающих горных пород и выделяют их в самостоятельные несмешивающиеся с водой фазы при подъеме к поверхности Земли. Выделение неполярных органических веществ из ск-флюидов происходит ступенчато по фракциям вследствие уменьшения их растворимости в ск-флюидах как функции их молекулярной массы, вследствие уменьшения плотности ск-флюидов при уменьшении давления и температуры.

5. Ск-флюиды Н20, С02 нельзя измерить в стволах скважин, являющихся расширительной емкостью, где происходит переход через критические точки, так как они являются расширяющейся фазой. Их только возможно рассчитать по устьевым параметрам.

6. Гидродинамика сверхкритических жидкостей, как сжимаемых фаз, оказывает определяющее влияние на их химический состав из-за наличия поршневого эффекта, адиабатического охлаждения и разогрева, флуктуации плотности.

.7- Изменение химического состава подземных вод при отрицательных температурах (Т - менее О С) происходит ступенчато, в соответствии с эвтектическими точками растворенных в воде солей.

8. При понижении температуры подземных вод ниже 0°С в эвтектических точках происходит совместная кристаллизация льда и кристаллогидратов солей, а жидкая фаза обогащается солями с низкими эвтектиками, что приводит к последовательной смене гидрохимических типов вод и льдов (криогидрогеохимической зональности): гидрокарбонатные воды (лед) —► сульфатные воды (лед) —> хлоридные воды (лед) —> (возможно, при Т - менее минус 55°С) бромидные воды.

9. При криогенных процессах изменяется мольный объем подземных вод относительно дистиллированной воды:

Лед имеет положительный мольный объем на 9 %, за счет чего возникают криогенные напоры:

Рассолы имеют отрицательный мольный объем (до 6 % для высокоминерализованных СаСЬ рассолов за счет уплотнения структуры воды ионами в гидратные оболочки (явление называется контрактация)), а при смешении пресных и минерализованных подземных вод возникают аномально низкие пластовые давления.

10. Совместное присутствие в подземных водах окислителей благородных металлов и лигандов комплексных соединений в зоне пшергенеза Au, Pt, Os, Ir - содержащих коренных горных пород (руд), приводит к окислению атмосферным кислородом самородных форм Au, Pt, Os, Ir, растворению (образование комплексных соединений с лигандами) их и миграции с подземными водами.

11. В пшрогеохимическом потоке рассеяния Au, Pt, Os, Ir последовательно происходит преобразование форм миграции благородных металлов: истинно-растворенная форма (окисленная форма) —> коллоидная форма (золь) (восстановленная форма) —» взвесь (коагулянт коллоидов).

12. 90% ионного стока Au, Pt, Os, Ir - содержащих подземных вод аккумулируется в аллювиальной россыпи.

13. Ионный сток Au, Pt, Os, Ir - содержащих подземных вод в поверхностные водотоки является показателем интенсивности процесса современного гидрогенного образования россыпей самородных Au, Pt, Os, lr.

14. Отложение самородных форм Au, Pt, Os, Ir происходит на восстановительном барьере (углерод химических веществ в степени окисления менее 4+, метатлы в элементной (самородной) форме) при разгрузке Au, Pt, Os, Ir - содержащих подземных вод в поверхностные водотоки.

15. В процессах укрупнения самородных агрегатов Au, Pt аллювиальных россыпей растворенные в воде золото и платина выступают в роли «цемента», образуя высокопробные оторочки. Низкопробные самородные рудные агрегаты золота являются центрами роста гидрогенного высокопробного золота за счет электрохимического окисления металлов - примесей (Си, Pb, Zn, Ag и др.).

Пути дальнейшего развития направления.

1. Оценка влияния гидродинамики сверхкритических жидкостей, как сжимаемых фаз, на химический состав подземных вод находящихся в сверхкритическом состоянии, является обширным полем для дальнейших исследований.

2. Гидрогеологические палеореконструкции по эвтектическим точкам как палеотермометрам эпох с холодным климатом Земли.

3. Изучение процессов формирования золотосодержащих пресных подземных вод, которые можно отнести к разряду минеральных по специфическим микрокомпонеитам (золото). Золото в растворенной форме является сильнейшим окислителем, благодаря чему ярко

проявляются его ацтибактерицидное воздействие на микроорганизмы подземных вод, выраженное в их подавлении. Влияние высоких концентраций золота, как в твердом, так и в растворенном состоянии, на микрофлору подземных вод предстоит еще оценить. Говорить о "Золотых

минеральных водах" по примеру "Серебрянных......." еще рано, так как не определена

бальнеологическая норма. Необходимы медико-бальнеологические исследования. Известны медицинские препараты золота и платины, подавляющие развитие злокачественных опухолей, но в малых концентрациях растворимые соединения золота и платины в подземных водах могут выступать как антибактериальные компоненты.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1 Абрамов В.Ю., Вавичкин A.IO. Особенности формирования термогазохимнческого состава минеральных вод Ессентукского месторождения. Разведка и охрана недр, №10,2010, с.27-32.

2. Абрамов В.Ю., Боревский Б.В., Лизогубов В. А., Язвин А.Л. Новый взгляд на формирование ресурсов и термо-газохимического состава углекислых минеральных вод Ессентукского и Нагутского месторождений. Труды Всероссийской конференции с участием иностранных ученых. Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами. Томск, 2012г, с. 288-192.

3. Абрамов В.Ю., Боревский Б.В., Ершов Г.Е., Язвин АЛ. Опыт переоценки запасов и прогнозных ресурсов минеральных вод Ессентукского и Бештаугорского месторождений. // Недропользование XXI век. - 2013. - № 5. - С. 37-45.

4. Абрамов В.Ю. Формирование химического состава подземных вод в экстремальных термодинамических условиях (на примере Нагутского месторождения углекислых минеральных вод) // Недропользование XXI век. - 2013. - № 5. - С. 67-71.

5. Абрамов В.Ю., Вавичкин А.Ю. Природные геохимические провинции азотсодержащих пресных подземных вод (распространение и условия формирования) / Комплексные проблемы гидрогеологии: Тез. докл. науч. конф. - СПб.: СПбГУ, 2011. - С. 4-6.

6. Абрамов В.Ю. Формирование органического состава углекислых минеральных вод Ессентукского и Нагутского месторождений. Разведка к охрана недр, №5,2014г, с.47-51.

7. Крапивнер Р.Б., Абрамов В.Ю. Происхождение уникальной геохимической аномалии в зоне перехода от континента к океану между Свальбардом и хребтом Книповнча. Журнал «Литология и полезные ископаемые», 2015г., №5, с. 1-12.

8. Абрамов В.Ю., Атрощенко Ф.Г., Соловейчик К.А. Криогенная метаморфизация промышленных стоков - путь к управление их составом при утилизации (на примере алмазодобывающих предприятий АО "Алмазы России - Саха") / Записки ЛГИ, VIH Толстихинские чтения: Материалы конф. - СПб., 1999. - С. 95-99.

9. Абрамов В.Ю., Атрощенко Ф.Г., Потапов А.А., Хархордин ПЛ., Павлов В.А. О методике оценки фоновой засоленности н фазового состояния воды кноголетнемерзлых пород (на примере Октябрьского полигона захоронения дренажных рассолов). Записки ЛГИ, IX Толстихинские чтения: Материалы конф. - СПб., 2000г. - С. 80-84.

10. Абрамов В.Ю., Вавичкин А.Ю., Щипанскнй А.А., Апанасенко Д.С. Криогидрогеохимическне условия золоторудного месторождения Дегдекан // Разведка и охрана недр. - 2010. - № 10. - С. 52-56.

11. Абрамов В.Ю., Вавичкин А.Ю., Нахапетян А.К. Физико-химические процессы формирования ультрапресных, деминерализованных подземных вод среднего Приамурья (на примере района космодрома «Восточный») / Комплексные проблемы гидрогеологии: Материалы конф. - СПб.: СПбГУ, 2013.-С. 5-11.

12. Абрамов В.Ю., Кирюхин В.А. Химическая зональность подземных вод, льдов и минералов, как отражение криогенных процессов / VI Толстихинские чтения: Материалы конф. - СПб.. 1997. - С. 30-35.

13. Абрамов В.Ю., Кирюхнн В.А. Геохимические проблемы криогенной метаморфизации подземных вод, льдов, и пород. Материалы Международной научной конференции "

Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетня. Томск, 2000, с.571-574.

14. Абрамов В.Ю., Кирюхнн В. А., Сердюков ЛИ. Крногидрогеологические условия кимберлитовой трубки Удачная и их изменения в связи с разработкой месторождения / VII Толстихинские чтения: Материалы конф. - СПб., 1998. - С. 43-48.

15. Абрамов В.Ю., Кирюхин В.А. Геохимическая зональность вторичных минералов, льдов и вод криосферы и процессы ею управляющие. Записки ЛГИ, IX Толстихинские чтения: Материалы конф. - СПб., 2000г. - С. 95-99.

16. Абрамов В.Ю. Криогенная метаморфизяцня химического состава подземных вод. // Разведка я охрана недр. — 2014. - № 5. - С. 16-20.

17. Кирюхин В.А., Абрамов В.Ю., Потапов A.A., Хархордин ИЛ. Гидрогеохимические поиски рудных месторождений (некоторые итоги и перспективы). Записки ЛГИ, V Толстихинские чтения «Современные проблемы гидрогеологии», СНб, 1996, с. 61-64.

18. Козлов С.А., Кулаков В.В., Кирюхин В.А., Абрамов В.Ю. Гндрогеохимия Коидерского ультраосновного массива //Отечественная геология, №10,1994, с. 71-74.

19. Абрамов В.Ю. в книге Мироненко В.А., Румынии В.Г. «Проблемы гидрогеоэколопш», М., МГГУ, 1999г., том 3, книга 2, с.321-324.

20. Подкопаев C.B., Русяева С.А., Абрамов В.Ю., Орлова Т.А. Технологические подходы к решению экологических проблем техногенных «месторождений» на примере отходов производства серной кислоты // Биосфера. - 2010. - Т. 2. - № 4. - С. 527-543.

23. Абрамов В.Ю.. Потапов A.A.. Козлов СЛ. О механизме перераспределения платины в зоне гипергенеза. Тезисы доклада. "Элементы и минералы платиновой группы в ультрамафических массивах". Санкт-Петербург, 1991. С. 15.

24. Абрамов В.Ю., Потапов A.A. Расчленение подземного стока в прибрежио-морских районах при гидрогеохимнческнх поисках. Известия вузов. Геология и разведка, № 9. М., 1991.

25. Абрамов В.Ю., Потапов A.A., Кирюхин В.А., Козлов С.А.. О формировании гидрогепиой составляющей аллювиальных россыпей платины. Геохимия, №7,1999г.

26. Абрамов В.Ю., Потапов A.A., Кирюхин В.А., Судариков С.М., Шемякин В.Н.. О гидрогенной составляющей аллювиальных россыпей золота, Геохимия, №3,1993г,с. 427.

27. Абрамов В.Ю. Формировать химического состава подземных вод в экстремальных термодинамических условиях (на примере Нагутского месторождеш!я углекислых минеральных вод). Сборник докладов. 2-ой Национальный форум «Нарзан-2013». Техногенные процессы в гидролитосфере (диагностика, прогноз, управление, автоматизация). Кисловодск, 2013. С. 12-38.

28. Лазаренков В.Г., Абрамов В.Ю., Таловина И.В., Неупокоев A.B., Никеленосные коры выветривания как потенциальный источник металлов платиновой группы. Ж. Платина России. 1996.

29. Матвеев Ю.И., Кулыпдышев В.А., Абрамов В.Ю., Солопов Ю.А., Суздальский О.В., Николаев В.В. Алмазоносность и золотоносность переходной части "суша-море" на Северо-Западе России, Разведка и охрана недр, № 9-10,1999г., с. 27-31.

30. Потапов A.A., Абрамов В.Ю., Кирюхин В.А. Особенности формирования химического состава надмерзлотных вод Среднего Приамурья. Геокриология, № 3. М„ 1992.

31. Судариков С.М., Абрамов В.Ю. Элементы группы платины в водах золоторудного месторождения // Геохимия. 1989, № 4. С. 581. 7.

32. Шемякин В.Н., Абрамов В.Ю. Геохимический способ поисков погребенных гидротермальных сульфидных месторождений./Авторское свидетельство на изобретение № 1497603 от 01.04.1989.

33. Шемякин В.Н., Абрамов В.Ю., Кирюхин В.А. Геохимический способ поисков сульфидных месторождений полиметаллов и золота^Авторское свидетельство на изобретение № 1433224 от 22.06.1988

34. Шемякин В.Ы., Козында Ю.О., Абрамов В.Ю. Способ подготовки литохимнческих проб к рентгено-радиометрическому аиализу./Авторское свидетельство на изобретение Л» 1603466 от 22.07.1990.

35. Abramov V. Yu., Potapov А.А., Kharkhordin I.L. Migration forms of oxidation products of gold-sulflde ore deposits in surface waters. Abstracts of ACS Symposium on "The Evironmental Geochemistry of Sulfide Oxidation", 1992, Washington.

36. Sudarikov C.M., Abramov V.Yu. Platinum-group elements in water at gold deposit. J. Geochemistry International, 1989,v 26, p. 101-103.

Примечание: жирным шрифтом выделены публикации в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Отпечатано в издательско-полиграфической фирме ЗАО «Лика» Россия, Москва, 105203, ул. Нижняя Первомайская, д. 47 Тел.:(495)465-1154; Факс:(495)465-4769 www.Iicka.ni; e-mail: likal28@yandex.ru Заказ № 668 Подписано в печать 10.08.2015 Усл. п.л. 3,0 Формат (60x84) 1/16. Тираж 120 экз.