научная статья по теме УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД ПО ИЗОТОПНО-ГЕОХИМИЧЕСКИМ ДАННЫМ (КУРОРТ “МАРЦИАЛЬНЫЕ ВОДЫ”, КАРЕЛИЯ) Геология

Текст научной статьи на тему «УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД ПО ИЗОТОПНО-ГЕОХИМИЧЕСКИМ ДАННЫМ (КУРОРТ “МАРЦИАЛЬНЫЕ ВОДЫ”, КАРЕЛИЯ)»

ГЕОХИМИЯ, 2015, № 1, с. 88-91

КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД ПО ИЗОТОПНО-ГЕОХИМИЧЕСКИМ ДАННЫМ (КУРОРТ "МАРЦИАЛЬНЫЕ ВОДЫ", КАРЕЛИЯ) © 2015 г. И. В. Токарев*, Г. С. Бородулина**, И. В. Блаженникова*, И. А. Авраменко*

* Санкт-Петербургский государственный университет 199034 Санкт-Петербург, университетская наб. 7-9 e-mail: tokarevigor@gmail.com, blazhennikova@mail.ru, i.a.avramenko@gmail.com ** Институт водных проблем Севера Карельского научного центра РАН 185030, Республика Карелия, Петрозаводск, просп. Александра Невского, 50 e-mail: borodulina@nwpi.krc.karelia.ru Поступила в редакцию 12.11.2013 г. Принята к печати 24.12.2014 г.

Ключевые слова: марциальные воды, Карелия, изотопный состав воды, изотопное фракционирование, дейтерий, кислород-18, тритий, возраст воды, железистые породы.

Б01: 10.7868/80016752514110090

Курорт "Марциальные воды" расположен в 50 км к северу от г. Петрозаводска и является единственным в Республике Карелия рекреационным центром, базирующимся на месторождении минеральных (железистых) вод. Месторождение приурочено к денудационно-тектониче-ской долине оз. Габозеро, расположенной в западной части Онежской структуры, сложенной осадочно-вулканогенными породами палеопро-терозоя [1]. Напорные подземные воды пространственно и генетически связаны с обогащенными сульфидами и шунгитом трещиноватыми сланцами, перекрытыми четвертичными отложениями. Питание подземных вод происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков, разгрузка — путем восходящей фильтрации через рыхлые отложения в долине руч. Раударгия и котловине оз. Габозеро.

С 1969 г. месторождение эксплуатируется водозабором из 4 самоизливающих скважин [2]. Скважина № 4 вскрывает высокожелезистые сульфатные воды непосредственно в шунгитсодержащих сланцах (табл. 1). Из трех остальных скважин поступают воды, в различной степени разбавленные водами песчаных горизонтов четвертичных отложений, вследствие чего они имеют гидрокарбонат-но-сульфатный состав с меньшей минерализацией и содержаниями Бе2+. Формированию подземных вод с высокими концентрациями железа благоприятствует бескислородная слабокислая обстановка и повышенные концентрации СО2 (табл. 1). На фоне сезонных колебаний состава наблюдается мно-

голетняя стабильность химического типа минеральных вод, при некотором росте концентраций сульфатов, железа и снижении гидрокарбонатов, наблюдаемом с 1990-х гг.

Таблица 1. Средний химический состав "Марциаль-ных вод" по данным 1976—2012 гг.

Компоненты Скважина

и показатели 1 2 3 4

pH 6.0 6.0 6.1 6.3

Eh, мВ +200 +211 +210 +213

Минерализация, г/л 0.24 0.45 0.5 0.8

CO2, мг/л 90 191 224 340

НСО-, мг/л 100 120.5 95.2 124

SO2-, мг/л 76 211 244 430

С1-, мг/л 1.0 1.1 1.9 2.1

Na+, мг/л 3.5 4.4 4.6 5.3

К+, мг/л 2.1 4.4 4.4 5.6

Са2+, мг/л 25.4 44.0 37.6 54.7

Mg2+, мг/л 15.2 30.0 30.6 51.0

Fe2+, мг/л 14.0 41.5 56.5 106.0

Fe3+, мг/л <0.02 <0.02 <0.02 <0.02

Mn, мг/л 0.3 0.4 0.5 0.8

52 Н, %%

-80 -90 100 110 120 130 140

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД

52 Н, %

89

1 7: 1979 >2010

о 2 ' 3 4

. 5 ■ 6

1980 л2011

2005 2012

2006

2007

2008 2009

А*

...4

У

„Г/

I* 1 2005

1976

А А

19 -18 -17 -16 -15 -14

13

-12 -11

518 О, %

13 -12

518 О, %

Рис. 1. Изотопный состав "Марциальных вод" и природных вод других районов южной Карелии в 1979-2012 гг. Слева: 1 - среднегодовой состав атмосферных осадков с учетом распределения объема выпадений во времени; 2 - валовый состав снега в конце зимы 2009-2010 гг.; 3 - глобальная линия метеорных вод (ГЛМВ) 52Н = 8 х 518О + 10; 4 - поверхностные воды (оз. Онега и реки, впадающие в него); 5 - подземные воды вендского водоносного комплекса (базаль-ный горизонт), числа около точек - годы; 6 - подземные воды глубоких частей Салминского гранитоидного массива (самоизливающаяся скважина); 7 - результаты наблюдений за изотопным составом Марциальных вод, числа около условных знаков - годы; заливка - область распространения изотопных составов Марциальных вод. Справа: средний изотопный состав Марциальных вод по годам (числа около точек).

Для уточнения условий формирования минеральных вод выполнены наблюдения за их изотопным составом (содержаниями дейтерия - 82Н и кислорода-18 - 818О) в период 2005-2012 гг., а также использованы данные [3]. Исследования позволили установить значительную динамику изотопного состава воды во времени (рис. 1). В 1979-80 гг. обнаруживалось сильное фракционирование изотопного состава 82Н = -110..-114%, 818О = -12..-13.1% относительно глобальной линии метеорных вод (ГЛМВ). К 2005 г. изотопный состав воды 82Н = -100..-104%, 818О = = —13.3..-14.1% приблизился к ГЛМВ. Затем изотопный состав воды несколько варьировал от года к году, соответствуя, в целом, ГЛМВ. Значительно изменились и другие изотопные трассеры (табл. 2).

Изотопное фракционирование, наблюдавшееся в 1979-80 гг., может быть обусловлено частичным замерзанием или испарением воды [5]. При протекании названных процессов изотопный состав вновь образованного льда утяжеляется, что отражается на диаграмме 82Н-818О в сдвиге точек вправо - вверх относительно исходного положения. Начальный изотопный состав инфильтраци-онных вод, из которых затем сформировались воды, обнаруженные в 1979-80 гг., можно оценить, используя теоретические линии фракционирования при испарении или замерзании. Угловой коэффициент этих трендов составляет, соответственно, 5 [6] и 6-7 [7], откуда следует, что ин-фильтрационные воды должны были иметь изотопный состав 82Н < -120 и 818О < -16 (рис. 1).

Для подземных вод данного региона характерны изотопные составы близкие или немного более легкие, чем среднегодовые осадки (рис. 1, [4]), которые по нашим наблюдениям 2009-2013 гг. имеют 82Н = -83%, 818О = -11.1%. Следовательно, в 1979-80 гг., минеральные воды содержали примесь весьма легких по изотопному составу вод. Формирование таких вод было возможно только в более холодных климатических условиях, чем в настоящее время. Поэтому процессом испарения можно пренебречь, а рассмотреть влияние замерзания.

В период валдайского оледенения (около 12100 тыс. лет назад) данная территория неоднократно оказывалась в перигляциальных условиях и вмещающие породы промораживались на значительную глубину (рис. 2, [8; 9]). После освобождение южной Карелии ото льда 11.5-9.5 тыс. лет назад район был покрыт водами Онежского прилед-

Таблица 2. Вариации изотопных трассеров в "Марциальных водах" во времени

Параметр 1979 2005

[3] [4]

3Н, ТЕ 5-27 2-7

513С, % (РББ) -23 -8.5 ...-15.5

234и/238и, по активностям 3-4 0.78-1.51

Не, об. % 1.2 х 10-5 5 х 10-6

90

ТОКАРЕВ и др.

Рис. 2. Беломорско-Балтийский регион в период валдайского оледенения (адаптировано из [8]) а) модельная оценка глубины промораживания (1) и глубины распространения криопегов (2) в максимумы оледенения (3); б) реконструкция границ ледового щита: 1 — участок работ; 2, 3, 4 — границы оледенения в максимумы валдайского стадиала 85 (2), 60 (3), 18 (4) тыс. лет назад.

никового озера, эпизодически достигавшего отметок 120—125 м [10—12]. Окончательное таяние вечной мерзлоты и погребенного льда закончилось 9—6 тыс. лет назад [13].

По-видимому, воды, характеризующиеся фракционированным изотопным составом, должны иметь существенный возраст, что поддерживается повышенными концентрациями гелия в пробах 1979—80 гг. (табл. 2). Количественные оценки возраста выполнить не представляется возможным из-за отсутствия данных по концентрациям урана и тория, а также трещиноватости пород. В пробах 1979—80 гг. имел место более легкий изотопный состав углерода. Обогащение по урану-234 указывает на присутствие вод, образовавшихся при таянии мерзлоты [14]. Следовательно, в 1979—80 гг. в минеральных водах обнаруживались смесь "древних" и современных вод. На присутствие последних указывает тритий, являющийся наилучшим индикатором для вод, поступивших в подземную гидросферу после 1952 г.

Измеренные в 2005 г. концентрации трития составляли около 60% от современного уровня в атмосферных осадках. Учитывая почти постоянные среднегодовые содержания 3Н в осадках в последние 25—30 лет, можно использовать простейшую модель для расчета "возраста" современной компоненты воды [15], которая дает возраст "молодого" компонента 10—15 лет, что вполне соответствует наблюдаемым темпам изменения изотопного состава воды.

Наблюдения 2005—2012 гг. указывают на резкое увеличение доли современных вод по всем показателям (рис. 1, табл. 2). Интересно, что при

этом химический состав минеральных вод и, главное, содержание полезного компонента мало изменяется. Это означает, что обнаруживаемые содержания железа накапливаются в подземных водах достаточно быстро. Теоретически и принимая во внимание наблюдения (табл. 1), процесс растворения железа должен включать а) окисление сульфидов в кислородной зоне; б) возникновение бескислородной обстановки и растворение сульфатов Бе. При этом окислительно-восстановительный потенциал среды, по-видимому, все время сохраняет положительные значения.

Учитывая малые сроки пребывания воды в данной гидрогеологической системе, можно полагать, что быстрое накопление железа определяется присутствием во вмещающих породах его сульфатов в виде вторичных минералов. Последнее подтверждается наблюдениями: установлено, что пирит в шунгитсодержащих породах частично или полностью замещен ярозитом [16]. Сульфаты железа, марганца и магния обладают аномально высокой растворимостью при температуре 0...—0.15°С [17] и накапливаются в воде при циклическом замораживании-таянии пород, поэтому сульфатные рассолы названных металлов характерны для зон окисления сульфидных месторождений в областях вечной мерзлоты [18].

Переход пирита в ярозит, по всей видимости, следует отнести к эпохе похолодания, в течение которого действовали несколько факторов, способствующих формированию окислительной обстановки. Снижение уровня океана, как глобального базиса дренирования, должно было вызвать региональное снижение уровня подземных вод и

УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЖЕЛЕЗИСТЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД

91

возникновение мощной зоны а

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком