Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Формирование сульфидных вод типа Кемери

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Формирование сульфидных вод типа Кемери"

министерство науки, высшей школы и технической политики российской федерации

комитет по высшей моле

московский ордена трудового красного зна1лени геологоразведочный институт к,1. с.орджшидзе

На правах рукописи УДК 556.315: 576.8

щека валерий анатольевич

формирование сульфидных в о д типа к е 1.1 е р и

Специальность 04.00.06 - Гидрогеология

Автореферат

диссертация «а соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва - 1992

Работа выполнена во Всесоюзном научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕГШГЕО),

Официальные оппоненты: доктор геолого-ыинералогических наук

А.К.Лисицин

кандидат геолого-минералогических наук А.В.Воронов

Ведущая организация: Всесоюзный научный Центр медицинской реабилитации и физической терапии.

Защита диссертации состоится 16 апреля 1992 года, в 15 часов на заседании специализированного совета К.063.55.04 в Московском геолого-разведочном институте им.С.Ордаоникидае (МГРИ) по адресу: 117485 г.Москва, ул.Миклухо-Маклая, дом 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГРИ.

Просим Вас принять участие в работе совета или прислать в 1-ом экземпляре заверенный печатью отзыв на автореферат по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря.

Автореферат разослан " "___ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат геолого-мшюралогпчсских наук, доцент

в.;.:.;;с;;споз

5 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема изучения условий формирования сульфидных вод и механизма биохимического восстановления серы в [риродных системах является важной не только в традиционном ее [зучении для разведки и эксплуатации минеральных лечебных вод, но и шя понимания геохимических процессов формирования химического сое-•ава природных вод. Кроме того, сульфидная обстановка как неотъемле-гая часть окислительно-восстановительной зональности природных вод-1ых систем предопределяет образование крупных скоплений металличес-:ях руд. Поэтому понимание механизма одного из главных факторов ру-шобразования может быть полезно для поисков и разведки месторожде-гай сульфидных полиметаллических руд.

Цель работы. Изучение механизма формирования сульфидных вод ^глубокого залегания типа Кемери.

Основные г.адачи исследований. [. Натурные исследования. Изучение в пределах месторождения Кемери-

I) гидрогеохимической, обстановки; 2) закономерностей рзспростр. гения водорастворенного органического вещества основных водоносны?: горизонтов; 3) закономерностей распространения сульфидно;*! серы в ■¡ластовых водах; 4) спорова-пыльцевого состава природных еод; 5) окислительно-восстановительной зональности подземных вод.

1. Экспериментальные исследования

I) Установление природы и состава органического вещества, испс зуемого в биохимическом цикле восстановления серы в подземных вод? .{емери. 2) Выяснение роли молекулярного кислорода в биохимическом восстановлен.серы. 3) Построение физико-химической динамической ■•юдоли формирования сульфидных вод Кемаря.

Методика исследований включала комплекс полевых гил.рог?охнги-ческих и воднопалинологических исследований, полевых я лабораторнь химико-аналитических и экспериментальных работ, анализ и системат:: защгэ полученных результатов, а также обобщение фондовых и опубли ванных материалов по гидрогеологии и гидрогеохимии месторождений сульфидных вод типа Кемери.

Научная новизна работы.

I) Изучена зональность окислительно-восстановительного состоя-

ния основных водоносных горизонтов месторождения Кемери. 2) Провед! на геохимическая классификация природных вод этого месторождения. . 3) Изучено распределение сульфидной серы по вертикальному разрезу водоносной толщи. 4) Изучен<спорово-пыльцевой состав природных вод, 5) Изучен групповой состав' водорастворенных органических веществ основных водоносных горизонтов, б) Выявлены главные факторы формирс вания. сероводорода в подземных водах. 7) Определен тип органически вещества, используемого бактериями при восстановлении серы в подзеь ных водах. 8) Выявлены эквивалентные соотношения между реагентами восстановления органическим веществом и сульфидной серой. Построена физико-химическая динамическая модель месторождения Кемери. 10) Разработана новая концепция формирования сульфидных вод типа Кемери.

■ Защищаемые положения. Главные условия и факторы формирования сероводорода в подземных водах неглубокого залегания (типа Кемери): I) поступление молекулярного кислорода в бескислородные-бессульфидные подземные воды; 2) формирование аэробно-анаэробной экосистемы и наличие кислородно-бескислородной зональности в природной системе горная порода,- подземные воды; 3) наличие в подземных водах растворенных легкоокисляемых (низкомолекулярных) органических веществ.

Практическая значимость работы состоит в установлении закономе ностей распространения и формирования сульфидных вод неглубокого за легания, что важно для их разведки и оптимальной эксплуатации. Уста новленные закономерности позволяют прогнозировать качество минераль ных сульфидных вод при оценке их эксплуатационных запасов.

Реализация работы. Научные результаты работы использованы латвийскими гидрогеологами при проведении гидрогеологических работ в районе Кемери с целью выяснения необходимости переоценки запасов сульфидных вод.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации доложены и обсуждены на конференциях молодых ученых ВСЕГИНГЕО (п.Зеленый, 1984г., 1966г.), заседании-гидрогеологической секции МОИП (г.Москва, 1983г.), Всесоюзной конференции "Проблемы изучения, охраны и рационального использования водных ресурсов" (г.Москва, 1983г.), Всесоюзной конференции "Подземные воды и эволюция литосферы" (г.Москва, 1985г.-), Научно-практическом семинаре республиканской конференции "Актуальные проблемы курортной про филактики, лечения и реабилитации" (г.Вильнюс, 1987г.), 6-ой Всесою ной палинологической конференции (г.Минск, 1989г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из "Введения", ести глав и "Заключения" и изложена на 171 страницах машинописного екста. Она иллюстрирована 22 рисунками и 39 таблицами, библиография ключает 123 наименования.

Первая глава посвящена обзору состояния проблемы формирования сульфидных вод. В ней также охарактеризованы использованные методы юшения этой проблемы. Во второй главе описаны геолого-гидрогеоло-'ические и гидрогеохимические условия основных водоносных горизонтов месторождения Кемери. В третьей главе приводятся результаты юднопалинологических исследований природных вод месторождения Кемг м. Глава четвертая посвящена результатам комплексного гидрогеохими [еского обследования месторождения Кемери. В главе пятой приводятся юзультаты экспериментальных исследований природы окислительно-вос-¡тановительного потенциала в системе "вода-порода". В шестой главе рассмотрен механизм формирования сульфидных вод. Основные результаты и выводы приведены в заключении диссертации.

Работа выполнена в лаборатории гидрогеохимии отдела общих теоретических проблем и региональных гидрогеологических исследований ЗСЕГИНГЕО. В обсуждении результатов работы или ее отдельных положе-1ий принимали участие КраГшов С.Р., Швец В.М., Волков Г.А., Рубей-<ин В.З., Соломин Г.А., Галицын М.С., Курбанов Н.К., Курбанов И.П., Закутин В.П. Химико-аналитические и воднопалинологические определе-1ия выполнены Кладовциковой Е.А., Смирновой A.A., Чугуновой H.H., Грюпиной Е.В., Каныгиноп Л.ГЛ. , Шубиным С.Л. Всем им автор выражает глубокую благодарность.

СОДЕГЫПЕ РА20ТЫ

ГЛ\ВА I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 50ШИР0МШ СУ! Т-^ИДШХ ВОД КЕМЕРЛ И МЕТОД! ЕЕ РЕ1ЕНИЯ

Месторождение Кемери можно отнести к наиболее изученным проявления;'.! сульфидных вод на территории СССР. Многолетние геолого-гид-рогеологичеекпе и микробиологические исследования способствовали формировашГ'.т устоявшегося представления о происхокдении и распрост ранении сероводорода в под' емных водах месторождения. Линде З.Я. (1958г.) была докапана биохимическая природа сульфидных вод Кемери Якобсон Г.П. (1958г.) и Михайловский П.И. (Г967г.) выявили теснут положительную корреляционную связь между общим содержанием органических веществ и концентрацией сероводорода. По мнени..) этих исслсд вателей биогенное восстановление серы сульфатов происходит благо,та

поступлению в пластовые воды по гидрогеологическим окнам грунтовых вод с повышенным содержанием органического вещества, при этом наибе лее благоприятные условия для образования сероводорода создаются на тех локальных участках месторождения, где порода дубниковского гори зонта, в котором встречен сероводород, перекрыты суглинком или торфом, а поступающие в пласт грунтовые воды лишены растворенного кислорода.

Изучая групповой состав водорастворенного органического вещества (ВРОВ), Розенфельд U.K. (1972г.) пришла к выводу, что сульфидные воды Кемери на 90-98% представлены гумусовыми соединениям^. В целом все проведенные ранее исследования показали зависимость между образованием сероводорода в подземных водах Кемери и органическими веществами болот, широко распространенных здесь, и позволили отнести это месторождение к типу, характеризующемуся биогенным восстановлением сульфатов, которое происходит благодаря использованию микроорганизмами органических веществ торфяной залежи. Никакие альтернатив ные виды органического вещества, способные участвовать в биохимичес ком восстановлении серы, не рассматривались. Вместе с тем породы ду никовского водоносного горизонта содержат до 956 битумных органических образований от общей массы породы, но им отводилась только роль источника сульфатов, поскольку они содержат гипс.

Исследования автора показали наличие в подземных водах Кемери низкомолекулярных соединений, в том числе жирных кислот (уксусной и муравьиной) в сопоставимых количествах. Битумы, наряду с жидкими и газообразными углеводородами, относятся к наиболее вероятным источникам питания микроорганизмов, восстанавливающих серу (Яроцкий JI.A., I960; Германов А.И. и др., 1969; Кузнецов С.И. и др., 1961; Лисицин А.К., 1975; Розонова Е.П.,1977; Крамаренко Л.Е., 1983; Беляев С.С. и др., 1981). Целый ряд исследований (Захарчук Л.М., Ивановский Н.И., 1980; Смирнова В.Г. и др., 1985; Розонова Е.П., Наэина Т.Н., 1985 и др.) прямо или косвенно связывают сульфатредук-цию в природных водах с уксусной кислотой или жирными кислотами. Наличие в породах дубниковского горизонта битумов, а в подземных водах уксусной кислоты заставляют рассмотреть эти органические вещества в качестве вероятных источников энергии для биохимического восстановления серы в подземных водах Кемери.

Исследования автора закономерностей распространения сульфидных вод на месторождении показали приуроченность очагов их генерации-к локальным участкам, расположенным на западной окраине, где отсутст-

вуют слабопроницаемые суглинки, разделяющие горизонты грунтовых и пластовых вод*^. Изучение грунтовых вод, формирующихся в районе гидрогеологических окон, позволило установить, что при разнообразии концентраций и соотношений между группами органических веществ, води имеют характерную особенность - содержат в своем составе растворенный кислород в количестве до 6 мг/л.

Изучение процессов биогенной сульфатредукции в подземных водах проводилось в основном микробиологами (Гинсбург-Карагичева Г.Л., Таусон В.О., Штурм Л.Д.; Кузнецов С.И., Иванов М.В. и др.). Ими у тановлено, что сульфатредуцирующие бактерии относятся к аблигатш анаэробам, т.е. к микроорганизмам, для жизнедеятельности которых кислород является ядом (Роботнова И.А., 1966; Шлегель Г., 1972). Именно это положение стало основополагающим при изучении формирог- -ния сульфидных вод. Отсутствие сероводорода в пластовых водах с анаэробной обстановкой объяснялось лимитом либо сульфатов, либо г ганического вещества. Таким образом, автор столкнулся с интерес;» явлением - образование сероводорода в пластовых водах Кемери про. ходит именно благодаря поступлению кислородсодержащих грунтовых : в бескислородные пластов'ые.

В 1973 г. Квет Р, основываясь на результатах исследований в к -раши, высказал предположение, что для образования сероводорода l-подземных водах помимо присутствия сульфатов, органического вещества и сульфат редуцирующих бактерий необходим контакт таких вод с дородными водами, несущими аэробную микрофлору. Роль последней с: дится к подготовке легкоусвояемых органических веществ для жизне тельност): анаэробов. Однако многочисленные сообщения свидетельст, о совместном нахождении аэробной и анаэробной микрофлоры в бескк родных-беисульфидных водах (Крамаренко I.E., 1972; Глушко A.C., и др.) .

Розонова E.JI. и Назина Т.И. (1981-1985гг), изучавшие микрофл подземных вод нефтегазоносных провинций, пришли к выводу о том, поступающие в пласт кислородсодержащие воды необходимы прежде вс как источник растворенного кислорода, используемого аэробными м организмами для неполного окисления органических субстратов до е. ных кислот. Эти авторы считают, что восстановление сульфатов в п земных водах заводняемых пластов осуществляется выделенной Видде.

к). Здесь осуществляется подпитывание грунтовыми водами пластовых

и Дфенигом Н. С1977г.) культурой сульфатредуцирующих бактерий, развивающихся исключительно за счет ацетата (уксусная кислота).

Но тогда возникает вопрос - чем объяснить отсутствие сероводорода в пластЬвых водах нефтйных областей, содержащих сульфаты и богатых жирными кислотами (до п- 103мг/л из них 60-100% приходится на уксусную кислоту (Мелькановицкая С.Г., 1976), причем количество клеток сульфатредуцирующих бактерий в.таких водах достигает высоких (до п- 10°в I мл)' значений (Розонова Е.П., 1981).

Несмотря на длительное изучение условий формирования сульфидных вод месторождения Кемери, до настоящего времени нет ясного представления об основных факторах образования сероводорода и его распространения в дубниковском водоносном горизон®е. До сих пор не получены ответы на вопросы: где образуется сероводород, воды каких горизонтов участвуют в образовании сероводорода, какое органическое вещество используется бактериями для сульфатредукции? Данная работа призвана ответить на эти и другие вопросы, ¿вязанные с механизмом биогенной сульфатредукции в подземных водах неглубокого 'залегания.

Изучение формирования сульфидных вод Кемери проводилось автором в два этапа: натурный и экспериментальный. Первый этап работы включал в себя детальное геохимическое обследование всех типов природньп вод, распространенных в районе месторождения. Всего отобрано и проанализировано 200 проб природных вод. На втором этапе выполнены эксш риментальные работы 'по моделированию условий и процессов формирован! сульфидных вод типа Кемери. При этом изучались геохимические показатели (ЕЬ , рН, 2 Ь , 0£, íe!*,Fe. ) в процессе взаимодействия воды и < породы в статических и динамических условиях.

ГЛАВА 2. ГИДРОГЕ0ХИМШЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ МЕСТОРОЖДЕНИЯ СУЛЬЭДЦНЫХ ВОД КЕМЕРИ

В этой главе описаны физико-географические, геологические и гидрогеологические условия территории распространения сульфидных вод Кемери. Приводится гидрогеохимическая обстановка горизонтов пластов! вод дубниковского, плявиньского и швянтойского, а также грунтовых вс песчаных и торфяных отложений. Комплексное гидрогеохимическое обследование месторождения Кемери позволило автору разбить все изученные воды на три геохимических типа: I) кислородные воды; 2) бескислородные-бессульфидные; 3) сульфидные.

В основу принципа типизации были положены геохимические показатели, определяющие биологию микроорганизмов. В таблице I дана обобщающая характеристика природных вод Кемери.

Таблица I

ГВДРОГЕОШИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОДЗЕМНЫХ ВОД КЕМЕРИ

рН

Геохимический Литологичес- Ионный состав Ор, мг/л

тип и условия кий состав --- -

залегания воде,вмещаю- Минерализация, 1 $ "мг/д ЕЬ ,мВ воды щих пород г/л (глубина залегания,м)

Водорастворенное органическое вещество_

иодг. 1 умусо- низкомо-мг/л вые кис- лекуляр-лоты, ные сое-мг/л диненля, _мг/л

_% от С орг.общ.

Состав раство' ренных газов,

об. %

8

Грунтовые пески (0-9)

£ о

3 а

£

Г-СО.Ч - Са 0,1 - 0,3

Пластовые доломит, ЗОдИСОз

' глина, -

гипс 1,0-2,7

(0-9)

Грунтовые торф (0-9)

НСОя 304-Са 0,1 - 0,5

о Пластовые доломит, НСОз, 50л-Са,М« д мергель, 50дКС0л^Са,М^ § ^ алевролит,-—-—-

о о ы ы

и ^

песчаник, гипс

0,7 - 4,£

Пластовые доломит, глина, гипс (4-50)

<>С4 -Са 504,ПС0л-Са 1,9 -~2ХГ "

2,0-6,5 6.2-7,6 10-53 0+50 7-23 N. не обн. (+220)-(+270) 0-97 3-100

СО,

_59_34

0,1-3,8 7,0-7,6 И-19 0-2,5 7-16 С02 //¿02 СН4

не обн". (+156)-(+187) 66 31 2 о,е

не обн. 3,0-4,0' 61-89 45-56 20-35 со2 сн4

не обн. (+360)-(+370) .74-63 33-39 88 7 4

не обн. 6,6-7,5 0,3-12 0-0,8 4-11 со2

не обн. (+35)-(+182) 4-7 93-100 68- 32

не оби. 6,6-7,3 15-34 0,6-8,4 9-28 со2 На5 С

1-82 (+50)-(-194) 3-32 68-97 74 14 II.

ГЛАВА 3. ПАЛИНОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИРОДНЫХ ВОД КЕМЕйГ

Выделение пыльцы и спор из подземный вод и их изучение в гидрогеологических целях в районё Кемери проводилось впервые, хотя собственно палинологические исследования в целях стратиграфии широко проводились в Латвии (Озолиня В.Р., 1970, 1981) и, в частности, в Кеме-ри. ;

Как уже было показано ранее Кладовщиковой Е.А. (1975, 1981, 1982) и другими исследователями (Домбровский Н.1967, Шаповал Л.И., 1974) воднопалинологические исследования, наряду с другими методами, могут быть использованы при решении некоторых сложных вопросов формирования подземных вод. В данном случае воднопалинологические работы призваны пролить свет на гидрогеологическую структуру изучаемого месторождения, выяснить влияние гидрогеологических окон, рассеянных яо всей территории распространения сульфидных вод. на процесс биохимического восстановления сульфатов пластовых вод*'.

• Всего отобрано и проанализировано 50 водных проб'. Воднопалинологические исследования позволили сделать важные выводы:

•I. Палинологический комплекс сульфидных вод дубниковского горизонту формируется современной растительностью района месторождения, что проявляется в сходстве пыльцы и облика зерен растительных форд в грунтовых и сульфидных водах.

2. Споры верхнедевонского возраста (возраст дубниковского горизонта) отмечены только в.тех пробах воды, которые содержат минеральную взвесь породы.

3. Для характеристики распределения пыльцы и спор в подземных водах по площади удобно пользоваться коэффициентом Кпд«, который является величиной отношения количеств болотных форм (вересковые, сфагновые и зеленые мхи) к неболотным (маревые и полыни) формам растений.

4. Разные значения К^п северной и юго-восточной частей месторождения указывают на наличие двух самостоятельных неразрывных потоков сульфидных вод, очаги формирования которых приурочены к участкам с различным растительным покровом.

к) Все аналитические работы, связанные с идентификацией спорово-пшгь цевого комплекса подземных вод Кемери, выполнены Кладовщиковой Е. Отбор проб и интерпретация полученных данных, проводились автором совместно с Кладовщиковой Е.А.

5. Изменение количества пыльцы по потоку и изменение в составе льцы (величина Кя^п) наряду с современным спорово-пьиьцевым ектром палинологических проб и хорошей сохранностью зерен свиде-льствует, во-первых, о современном возрасте сульфидных вод Кеме-

и, во-вторьк, об инфильТрационном питании этих вод через гидро-ологические окна, одно из которых расположено на площади болота :релис, а другое - в песчаных отложениях северо-западной части (сторождения.

6. Незначительное варьирование величин Кя^п в начале Северного >тока (скв.738 Кд=1,7) и в области транзита вплоть до Рижского за-гва (скв.408 К^=1,1) позволяет сделать вывод об отсутствии допол-1тельного подпитывания через гидрогеологические окна, расположен-¡е в области транзита сульфидных вод. •

ШВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЛЕКСНОГО ГВДРОШХШЧЕСКОГО ОБСЛЕДОВАНИЯ .МЕСТОРОВДШИЯКЕМЕРИ

Отложения дубниковского водоносного горизонта, к -которому при-рочены сульфидные воды, в районе месторождения Кемери выходят на эдчетвертичнуга поверхность. В местах резкого перегиба пород на гра-ице между приподнятыми и погруженными областями выделяются участки рвышенной трещиноватости в виде протяженных узких зон с резкими раницами по степени раздробленности пород, где единый поток разденется на три: северный, южный и центральный.

Характер распространения сероводорода в подземных водах-место-ождения указывает на тесную связь генерации и миграции сульфидной еры с динамикой потоков дубниковского водоносного горизонта; Се"ро-одород переносится северным и южным потоками пластовых вод дубников-кого водоносного горизонта.'Высокие концентрации сероводорода (>60 ¡г/л) приурочены к осевым частям потоков и прослеживаются на всем их ■ ;ротяжении от начала до Рижского задива. Начала' потоков сульфидных юд располагаются в областях гидрогеологических окон и совпадают с ютоками, выделяемыми по гидродинамическим параметрам. От осевых частей к периферии потоков- концентрация сероводорода в подземных водах Закономерно уменьшается до нуля. Поинтервальное опробование водонос-юй толщи дубниковского горизонта показало, что сульфидные воды рас-¡ространены только в верхней и средней пачках.

Использование гелиевой' съемки позволило сделать вывод, что форсирование сульфидных вод так или иначе связано с участками литологи-1еских окон между дубник'овским водоносным горизонтом и горизонтом грунтовых вод, а воды нижележащих пластов £ этому процессу отношения

не имеют.

Органическое вещество всеми без исключения исследователями относится к наиболее важному фактору в формировании сероводорода в природных водах. Данное положение обусловило проведение нами деталь, ного изучения распространения водорастворенных органических веществ в подземных водах месторождения Кемери. Исследование выявило две группы растворенных органических веществ подземных вод Кемери. К первой группе относятся низкомолекулярные соединения (жирные кислоты уксусная и муравьиная), характерные в основном для пластовых вод а во второй высокомолекулярные гумусовые вещества (фульво- и гумино-вые кислоты), растворенные в грунтовых водах торфяной толщи и обрамляющих ее песках. Источником-гумусовых кислот, как показали эксперименты в системе вода-порода, является торфянея толща, а низкомолекулярных кислот - доломиты дубниковского горизонта. Наличие гумусовых соединений в сульфидных водах указывает на тесную связь образования сероводорода с грунтовыми водами.

Расчет парного коэффициента корреляции выявил отсутствие прямой связи (л- =0,02) между величиной концентрации Т и С орг. в сульфидных водах.

Обследование участков, на которых торфяная толща непосредственно залегает на дубнивовских доломитах показало, что поступление в пласт торфяных вод не приводит к образованию сероводорода.

Анализ вида и количества бактериальных клеток в природных водах месторождения Кемери показал, что именно локальные участки гидрогеологических окон на западной окраине месторождения служат биохимическими очагами восстановления серы. Однако остается непонятным, почему поступление в пласт грунтовых вод с.различным содержанием органических веществ обусловливает формирование сульфидных вод близкой концен трации? Максимальная концентрация 15 в северном потоке 82 мг/л, южно потоке - 81,6 мг/л.

Таким образом, характер распространения водорастворенных органических веществ в дубвдковском водоносном горизонте ив грунтовых водах, поступающих в пласт, не объясняет механизма формирования суль фидных вод кемери.

Комплексное гидрогеохимическое обследование позволило сделать важный вывод: определяющим фактором процесса биохимического восстановления является постурление кислорода грунтовых вод Ъ бескислородный - бессульфидный пласт на двух локальных участках гидрогеологи-

:еских окон, расположенных в начале потоков сульфидных вод.

ШВА 5. ЭШЖГШЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ■ ВОССТАНОВЛЕНИЯ СЕШ В СТАНДАРТНЫХ УСЛОВИЯХ

(Т°С=25 С, Р=1 атм.)

Комплексное гидрогеохимическое обследование месторождения суль-]идных вод Ке'мери ответило на многие вопросы, связанные с генерацией ¡ульфидной серы в пластовых водах дубниковского горизонта. Но остаюсь непонятным: I) какое органическое вещество используется бакте-мями для восстановления серы; 2) какова роль растворенного кислорода. Для решения поставленных задач были проведены специальные- зкспе-шмента^ьные исследования в системе вода - порода.

В ходе этих экспериментов с системой торф - вода в аэробных и наэр^бных условиях сульфидная сера не генерировалась. Взаимодейст-;ие кислородной воды с доломитами дубниковского горизонта также не ривёло я формированию сульфидной воды. Во всех 15 сериях опытов лсхфродная обстановка жидкой фазы сменялась бескислородно-бессуль-ядной. Однако, если полученная таким образом вода подвергалась овторной аэрации с последующей герметизацией системы, в ней форми-ювалась сульфидная обстановка с концентрацией сульфидной серы

15?) до 4 мг/л. Аналогичный эксперимент, проведенный.с природой пластовой бескислородной-бессульфидной водой, дал концентрацию 2 5г"равную 5,0 мг/л. Ко ни в пе'рвом.-ни йо втором экспериментах не ыла получена концентрация сероводорода, близкая к природной сульфид-ой воде. Эксперимент в статических условиях с искусственным органи-:еским веществом (уксусной кислотой) показал, что уксусная кислота

бескислородных условиях не принимает участия в. восстановлении серы, чевндно, что статические условия проведения экспериментов в закры-ой системе, не отвечают 'процессам накопления сульфидной серы, про-екающим в природе.

Учтя весь накопленный, экспериментальный опыт и положив в основу риродные условия формирования сульфидных вод Кемери, была построена язико-химическая динамическая модель месторождения. Дистиллирован-ая вода поступала в полиэтиленовую емкость, наполненную мелко разделенной породой дубниковского горизонта. По мере движения вода те-яла кислород и насыщалась компонентами твердой фазы. Время контакта идкой фазы на выходе из .емкости колебалось в диапазоне 25-30 суток, осле этого бескислородная-бессульфидная вода поступала в лоток,медели

рующий условия гидрогеологического окна. В лотке из органического стекла, наполненного полиэтиленовыми шариками, верх которого был з! рыт брезентом, бескислородная вода насыщалась кислородом воздуха. Преобразованная таким образом вода поступала в закрытую емкость, наполненную опилками органического стекла. На выходе из системы испытуемая вода содержала сульфидную серу, общая концентрация которо! колебалась от 55,0 до 56,0 мг/л. Максимальная концентрация 2 Ъ 01 ределенная по кадмиевому методу в сульфидных водах Кемери, 'достига< 56,7 мг/л. Из этого следует, что созданная модель адекватно отображает основные условия биохимического восстановления серы в подземи водах Кемери и можно сделать выводы:

.1. Вода, взаимодействующая с породами дубниковского горизонта после приобретения ею бескислородно-бессульфидной обстановки, соде' жит в своем составе достатонное количество органических и минераль ных веществ для биохимической генерации сульфидной серы по уровню концентрации, близкому к природной воде.

2. Главным фактором биохимического восстановления серы в воде, взаимодействовашей с породой, служит вторичное поступление молекул, ного кислорода в систему после приобретения ею бескислородно-бессу, фидной обстановки.

ГЛАВА 6. УСЛОВИЯ ЙОШИРОВАНИЯ СУЛЬФИДНЫХ ВОД ТИПА КЕМЕШ

Проведенные полевые исследования и физическое моделирование позволяет описать гидрогеохимический механизм биохимического восст новления серы в подземных водах месторождения Кемери. Бескислородные-бессульфидные воды дубниковского водоносного горизонта, поступ в пределы территории месторожденич, несут в своем составе все необ ходимые вещества для биохимического восстановления серы сульфатов до сульфидов. Сульфаты накапливаются в водах, благодаря растворени гипсов водовмещагацих пород горизонта. Водораствореннсе органическо вещество биохимически сформировано на ранних этапах движения подзе ной воды по пласту за счет биохимической деструкции твердое органи ческих включений водовмещающих по-род.

' Подземные воды в районе месторождения проходят локальные участ литологических'окон, где между доломитами дубниковского горизонта песками комплекса грунтовых вод отсутствуют разделяющие слои, что определяет поступление растворенного кислорода из горизонта грунто вод в бескислородный пласт. Поступление молекулярного кислорода вы

вает бурное развитие бактериальной флоры, которая окисляет ВРОВ пластовых вод. После прохождения водами дубниковского горизонта участков гидрогеологических окон поступление кислорода прекращается. ' Обстановка подземных вод приобретает анаэробный характер. Бактериальная экосистема, которая развилась в аэробных условиях и использовала в процессах метаболизма молекулярный кислород, перестраивается на анаэробный способ жизнедеятельности. В результате этого восстанавливается сера, концентрация которой функционально зависит от наличия в среде энергетического материала,^полученного в результате биохимического окисления ВРОВ пластовых вод в кислородной зоне экосистемы.

Описанный процесс строго локален и приурочен к участкам гидрогеологических окон, которые выступают как очаги биохимической генерации сероводорода. Дальнейшая миграция пластовых вод осуществляется в абиогенных условиях, а концентрация сульфидной серы полностью контролируется физико-химическими процессами в системе горная порода - подземная сульфидная вода. Вся территория ниже по потоку от гидро-гаологических окон являекоя областью транзита сульфидов в подземных водах горизонта.

Характерными чертами сульфидных вод, приуроченных к торфянннкам являются: I) неглубокое залегание сульфидных вод; 2) наличие торфяных толщ; 3) низкая концентрация сероводорода (10-57 мг/л). Ранее месторождения неглубокого залегания сульфидных вод делились на два типа: I) Хил'ово, где сульфидные пластовые воды восстанавливаются непосредственно в пласте, в который поступают органические вещества из болот; 2) Краинка, где сероводород формируется в грунтовых водах, тесно связанных с болотными и пластовыми.." Так как главным фактором восстановления серы является создание условий аэробно-анаэробного очага биохимических трансформаций, автор предлагает объединить все месторождения неглубокого залегания в один тип Кемери с двумя подтипами.

Первый подтип пластовый, к которому относятся-месторождения Кемери, Балдоне, Хилово и Велищсе-Лукй. В месторождениях этого типа восстановление серы осуществляется в пластовых водах, в которые поступает растворенный кислород по гидрогеологическим окнам.

Второй подтип грунтовый с месторождениями Краинка, Варзи-Ялги и Шатка. Генерация сульфидной серы на-месторождениях этого подтипа

к) По всей видимости это молекуляр-ный водород, наиболее вероятный продукт окисления простых жирных кислот.

происходит в грунтовых водах, где смешиваются бескислородные пластовые и кислородные грунтовые воды.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные исследования позволяют утверждать, что к главны.! факторам формирования сульфидных вод неглубокого залегания (типа Ке-мери) относятся:

1. Поступление молекулярного кислорода в бескислородные-бессульфидт подземные воды.

2. Формирование аэробно-анаэробной экосистемы и наличие кислородно-бескислородной зональности в природной системе горная порода -подземные воды.

3. Наличие в подземных водах, участвующих в процессе биохимического восстановления серы, легкоокисляемых (низкомолекулярных) органических веществ, и сульфатов.

Образование сульфидных вод неглубокого залегания возможно только при определенных гидрогеологических условиях, обеспечивающих поступление молекулярного кислорода в бескислородные подземные воды Формирующаяся на этом фоне кислородно-бескислородная зональность подземных вод обеспечивает развитие аэробно-анаэробной экосистемы, осуществляющей физико-химические (окислительно-восстановительные) трансформации в системе подземная вода - горная порода.

В кислородной зоне аэробная микрофлора, используя молекулярный кислород, разлагает легкоокисляемое растворенное органическое вещек во (низкомолекулярные соединения) пластовых вод до неорганических составляющих: углекислоты и молекулярного водорода.

Молекулярный водород поступает в бескислородную зону, где используется анаэробной микрофлорой в качестве источника энергии (восстановителя), освобождающего кислород окислов для дыхания, результатом, которого являются восстановленные элементы, в частности, сульфидная сера. Концентрация сульфидной серы строго зависит от количества молекулярного водорода, высвободившегося при разложении органических веществ и молекулярного кислорода, пошедшего на подобное окисление углерода.

Весь процесс образования сероводорода в подземных водах строго локален и приурочен к участкам (где во.л.юино формирование кислород-но-бесккслородной зональности), которые выступают как очаги биохим:; ческого восстановления серы. Вся остальная территория распространения сульфидных вод является областью транзита.

Ib.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Распределение водорастворетого органического вещества в природных водах Кемери. Тезисы доклада Всесоюз.конф. "Проблемы изучения, охраны и рационального использования водных ресурсов"., 1983. Изучение окислительно-восстановительной зональности подземных вод-основа прогнозирования распространения в них элементов с переменной валентностью (Fe ,Mn , Se ). В сб.: "Методические аспекты решения гидрогеологических и инженерно-геологических задач". М., ВСЕГИНГЕО, 1985. Рукопись депонирована ВИНИТИ 12.02.85, № 1146-85 Деп.с.120-128. (соавторы Закутим В.П., Чугунова H.H.). Новый взгляд на формирование сероводородных вод Кемери. В сб.: "Методические аспекты решения гидрогеологических и инженерно-геологических задач". 1984. Г^копись Деп. в ВИНИТИ I? 1146-85. Деп.с. 129-139.(соавтор Чугунова H.H.). ,

Органическое вещество подземных вод месторождения сульфидных вод Кемери. Изв. ВУЗов, Геология и разведка, 1986, №7, с.78-85. (соавторы Швец В.М., Кирюхян В.К., Закутан В.П.).

Окислительно-восстановительное состояние подземных зод (Гидрогеология и инженерная геология. Обзор ВНИИ эконом.минер, сырья и геологоразвед. работ. ВИЭМС), 1985, 52 с.(соавтор Бакутин В.П.). Зональность окислительно-восстановительного состояния пластовых вод и ее влияние на водную миграцию железа и марганца. В сб.: "Подземные воды и эволюция литосферы". Материалы Всесоюзной конференции. , М:, Наука, 1985, с.163-166 (соавтор Закутин В.П.). Использование гелия для решения вопросов формирования сульфидных вод Кемери. В сб.: "Гидрогеологические исследования и прогнозы". М.,ВСЕГИНГЕО, 1986, ^копись деп. ВИНИТИ 26.05.86, № 4687-В86, с.41-46 (соавторы Шубин С.Л.).

Геохимические аспекты формирования сульфидных вод Кемери. Советская геология, 1986, №9, с. 119-127 (соавторы Швец В.М., Закутин В.П. . Опыт комплексных исследований формирования сульфидных вод (на примере Кемери). Отечественный производственный опыт Экспресс-инрор-мация ВИЭМС-, 1987, вып.II, с.1-10 (соавторы Кладовщикова Е.А., ■Закутин В.П.).

).Новые данные о формировании сульфидных вод Кемери. Тезисы научно-практического семинара республиканской конференции "Актуальные проблемы курортной профилактики, леченая,и реабилитации". Латвий-

екая ССР, г.Друскининкай, Вильнюс, 1987, с.57-59. (соавторы Швец В.М., Кладовщикова Е.А.).

11. Воднопалинологический комплекс как один из показателей условий формирования сульфидных вод Кемери. Тезисы докладов 6-й Всесоюз нпй палинологической конференции. Минск, 1989г. (соавтор Кладов щикова Е.А.).

12. Электрохимические реакции в системе "вода-порода" как фактор рудообразования. В сб.:"Геолого-промышленные типы золоторудных месторождений (условия локализации, поисков и оценки)" ЦНИГШ, вып.236, 1989г. (соавтор Курбанов И.Н.).

13. Опыт экспериментального изучения физико-химических параметров (ЕЬ -рН) системы "вода-порода". Информ.сборник "Научно-техничес кие достижения и передовой опыт в области геологии и разведки недр". ВИЗХ, № 5, 1990, с. 19-24 (соавтор Курбанов И.Н.).

ПНИИИС, зак. 61-92, тир. 100