ГЕОХИМИЯ, 2014, № 7, с. 667-672
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
МЕХАНИЗМ И ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГЕЙЛЮССИТА В ОЗЕРАХ ДОРОНИНСКОЙ ГРУППЫ
(ВОСТОЧНОЕ ЗАБАЙКАЛЬЕ) © 2014 г. С. В. Борзенко
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН 672014 Чита, ул. Недорезова, 16а
e-mail: svb_64@mail.ru Поступила в редакцию 12.10.2012 г. Принята к печати 23.10.2012 г.
Ключевые слова: система вода-горная порода, гейлюссит, содовые озера, эвапоритовая седиментация.
Б01: 10.7868/80016752514050021
ВВЕДЕНИЕ
Гейлюссит Ма2С03 • СаС03 • 5Н20 — гидрогенный минерал, формируется в континентальных аллювиальных и озерных, дельтовых и лагунных фациальных обстановках [1]. Исследованиями последних лет донных отложений оз. Доронин-ское установлено в верхнем илистом слое осадка присутствие гейлюссита [2]. До настоящего времени в Забайкалье находок этого минерала не отмечалось. Принято считать, что он образуется на более поздних стадиях испарительного концентрирования вод, в парагенезисе с троной, содой, пирсонитом и бурой, в температурном интервале от 11 до 37°С [1, 3 и т.д.]. Наличие в отложениях наряду с гейлюсситом альбита, анальцима, натроли-та и других водных цеолитов свидетельствует о возможности их совместной хемогенной садки (отложения формаций Грин-Ривер в Колорадо, озер Тулар, Сирлес в Калифорнии, Натрон и Ол-дуваи Джодж в Танзании и других) [4]. В последние годы появились работы, в которых образование гейлюссита связывают с криогенными процессами [2]. Отсутствие единого мнения, касающегося условий и механизма формирования этого минерала, заставляет обратить внимание на эту проблему. В связи с этим рассмотрим с термодинамических позиций вероятность образования гейлюссита в озерах Доронинской группы.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ
Озера Доронинской группы находятся в 150 км к юго-западу от г. Читы в днище Читино-Инго-динской межгорной впадины. Все они в недалеком геологическом прошлом представляли собой
один обширный водоем, распавшийся в дальнейшем при аридизации климата на пять небольших озер, среди которых оз. Доронинское самое большое, площадью около 4.5 км2, остальные вместе взятые не превышают 40 га. Все водоемы бессточные, повышенная соленость их вызвана процессами эвапоритизации.
Озеро Доронинское по своим физико-химическим особенностям — меромиктический водоем, т.к. озерная вода имеет ярко выраженную послойную стратификацию по минерализации, которая колеблется от 16.5 г/л в поверхностном и до 36 г/л в придонном слоях. Озерная вода по химическому составу хлоридно-карбонатная натриевая (таблица). Отличительной особенностью оз. До-ронинского от остальных озер этой группы является повсеместное присутствие сероводорода и его производных тиосульфатной и элементной серы в водной толще озера [5]. В сезонной динамике гидрохимического режима озера с периода льдообразования отчетливо наблюдается рост минерализации в подледном слое, поскольку соленость льда в 4—5 раз ниже исходной воды. Снижение минерализации в летний период является результатом опреснения растаявшей массы льда, атмосферными осадками и менее минерализованными подземными водами, разгружающимися в озеро субаквально. В нижней гидрохимической зоне сезонные колебания минерализации не столь значительны и, как правило, протекают синхронно с верхней зоной.
Подстилается озеро раннемеловыми песчани-ково-алевролитовыми породами, покрытыми донными илами мощностью до 7.5 м. Осадок пе-литовых фракций содержит глинистые минералы
Содержания основных химических компонентов и минерализация (М) в мг/л и рН в водах озер Доронинской группы
Доронинское Чепчек1 Чепчек 2 Чепчек 3 Торм
Показатели 1 * 2 * 1 1 2 1 1 2
0 м 6 м 0 м 6 м 0 м 0 м 0 м 0 м 0 м
рН 9.92 9.92 9.75 9.67 9.53 9.59 9.56 8.96 9.38 9.24
соЗ- 6160 6640 4380 5400 192 1470 2197 2.93 790 2040
ИСО- 6793 7340 5764 7991 812 7838 11757 0.84 2145 6588
сг 5437 5618 4142 4911 178 6326 8350 0.96 2090 5392
183 172 146 100 23.6 1690 4288 0.61 590 3340
12.3 12.8 10 10.1 4.6 29.4 - 0.01 12.8 39.7
10999 11110 8710 11241 493.9 8647 13483 2.61 3226 9100
К+ 120 124 104 144 10.6 37.4 120 0.02 23.8 93.8
МБ2+ 40.7 40.6 32.6 39.4 24.6 27.5 35.0 0.011 28.8 156
Са2+ 7.21 7.32 2.32 2.94 10.6 1.62 9.4 0.02 4.8 11.6
М 29752 31 055 23291 29839 1790 26178 35952 8000 8901 26762
3.36 3.87 2.84 3.39 0.65 1.22 2.79 0.55 1.09 1.54
Периоды: 1* — ледостав, 2* — открытой воды. 0 м — поверхностный и 6 м — придонный слои. — не определялось.
(монтмориллониты, иллиты), слюды (хлорит, мусковит и др.), сульфиды железа, кальцит, гейлюс-сит и др. Содовые минералы, такие как сода, на-хколит, трона отсутствуют, поэтому к самосадочным этот водоем на данном этапе его развития отнести нельзя, хотя еще в начале прошлого столетия в озере отмечалась зимняя садка соды. На тот период минерализация рапы составляла 92 г/л, а содержания гидрокарбонатов и карбонатов натрия достигали 72 г/л. За последнее столетие концентрация солей понизилась настолько, что естественная садка соды прекратилась. Резкое разбавление рапы в основном произошло из-за отвода ручья в озеро, не впадавшего в него ранее. С середины прошлого столетия более явно проявилась
зависимость гидрологического режима от климатических условий, выраженных в смене сухих и влажных периодов и способствующих периодическому повышению или снижению уровня воды в озере. Засушливый период, длившийся с 2000 г. по настоящее время, привел к снижению уровня в оз. Доронинское на 0.8 м. Естественно, все это сказалось на гидрохимическом состоянии озера и, как следствие, на минералообразовании в нем [6].
Озера Доронинской группы разнообразны по солености и по химическому составу воды (таблица). Тем не менее, при всех обнаруженных различиях воды малых озер обладают сходством с оз. Доронинское. Фактически химические составы представлены хлоридно-гидрокарбонатно-кар-
МЕХАНИЗМ И ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ГЕЙЛЮССИТА
669
0 г
Д Малые озера А оз. Доронинское
11
13
рИ
Рис. 1. Положение фигуративных точек состава вод по отношению к линии насыщения по гейлюсситу. "- - - " при 25°С, "-" при 0°С.
бонатными натриевыми или карбонатно-хло-ридными натриевыми типами, а в составе катионов доминирующим или вторым по значимости (вслед за натрием) является магний. Только в слабосолоноватом озере Чепчек 1 заметную долю имеет кальций. Изменчивость гидрохимического режима малых озер отмечается не только на фоне межгодовых колебаний климата, но и в межсезонье, в результате криогенных процессов. Донные
осадки малых озер этой группы не исследовались, поэтому полученные результаты могут быть информативными в плане их изучения.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
На основе имеющихся данных химического состава вод был выполнен анализ с позиции современных представлений о системе "вода-горная порода" [7]
Равновесие озерных вод с гейлюсситом рассчитывалось по уравнению:
2Ш+ + Са2+ + 2НСО- + 5И2О = = Ш2Са(СО3)2 • 5И2О + 2Н+, константа которого при 25°С:
г+12
К
И
N+]2[Са2+][ИСО-]2
10
-11.6
- 1П-12.6
и при 0°С, К = 10
Результаты расчетов представлены на рис. 1, из которого видно, что большинство проб озерных вод насыщены гейлюсситом. Ниже линии насыщения остались менее минерализованные
9
7
Р
С
С
ад
3 2 1 0 1 2 3
-4
-5 -3
(а)
Р
С
С
ад
.0 -2.5
(в)
-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 18 №+]
11 21 31
Минерализация, г/л
41
рИ
Рис. 2. Зависимость значений степени равновесия (^ПА/ПР) от: минерализации (а), концентрации [№+] (б), произ-
_ 2_
ведения активностей [№+][ИСОз + СО3 ] (в) и рН (г) в водах озер Доронинской группы.
1
-3 г
ig [CO2-]
Рис. 3. Положение фигуративных точек состава вод по отношению к линии насыщения по кальциту.
воды поверхностного слоя озер Доронинское, Торм и Чепчек 1, отобранные на химический анализ в летний период. Очевидно, что в формировании гейлюссита определяющими компонентами являются Са, Na, HCO3 и pH. Более того, равновесны с гейлюсситом только те воды, которые имеют относительно высокие содержания [Na+] (более 0.2 М) и произведение активностей [Na+] • [HCO- + СО2-] (более 0.01 М) (рис. 2). Отсюда вытекает зависимость с соленостью вод, поскольку с ростом содержаний натрия и карбонатного комплекса увеличивается и минерализация озерной воды. При минерализации выше 21 г/л воды равновесны с гейлюсситом. Между значением рН и параметром насыщения (lgnA/ПР) не проявляется четкой зависимости, т.к. рН озерных вод колеблется в узком диапазоне (от 9.2 до 10.4). Поэтому более надежным индикатором в данном случае является произведение активно— 2—
стей [Na+] • [HCO3 + СО3 ], которое коррелирует с рН и контролирует в свою очередь содержания Са2+ в водах [7].
Однако, формирование гейлюссита в озерах проходит в многокомпонентной системе, в связи с этим необходимо определить положение его в этой системе. Все рассматриваемые воды пересыщены кальцитом (рис. 3), соотношение между кальцитом и гейлюсситом можно изобразить графически (рис. 4) и выразить через уравнение:
СаСО3 + 2Na+ + CO2 + OH- + 5H2O = = Na2Ca(CO3)2 • 5H2O + H+. Отсюда константы реакции равны:
К
[H+
[Na+]pCO2
10
-7.9
при 25°C и K = 10-807 при 0°C.
Очевидно, что исследованные воды могут формировать как кальцит так и гейлюссит, но для формирования гейлюссита необходимы более щелочная среда и высокие отношения [Na+] к [H+] при относительно близких значениях парциального давления CO2. Последний в растворенной форме в щелочных водах образует гидрокарбонат- и карбонат-ионы, поэтому влияние его опосредованно через эти производные.
Считается, что гейлюссит образуется в парагенезисе с содой, поэтому необходимо рассмотреть термодинамическую систему "гейлюссит-сода".
Константа реакции образования соды, исходя из реакции:
Na2Ca(CO3)2 • 5H2O + 2Na+ + 15H2O = = 2Na2CO3 • 10H2O + Са2+,
равна:
2+1
К =
IÇi—L = 10-6 55 при 25°C и при 0°C, К = 10-714. [Na+]2
Расположение точек (рис. 5) показывает, что в данном случае устойчивее гейлюссит, т.к. для об-
11 г
10
pH
к 10 cd
* 9 g
j
12
8
-2.0
-1.5 -1.0 0.5lgP™
-0.5
6
8
Рис. 4. Соотношение полей устойчивости гейлюссита и кальцита с нанесением данных по содержаниям основных к
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.