CC BY
59
УДК 550.42(571.54)
ФТОР В АЗОТНЫХ ТЕРМАХ БАУНТОВСКОЙ ГРУППЫ (СЕВЕРНОЕ ЗАБАЙКАЛЬЕ)
Л.В. Замана, Ш.А. Аскаров
Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН, Чита. E-mail: [email protected]
Опробованы 5 из 6 известных в бассейне р. Ципа термальных источников, уточнены условия их разгрузки, получены новые данные по физико-химическим характеристикам терм, выполнены расчеты термодинамических равновесий терм с флюоритом.
Ключевые слова: азотные термы, pH, химический состав, фтор, термодинамическое равновесие.
FLUORINE IN NITRIC THERMS OF BAUNTUNTOVSKAYA GROUP
(NORTHERN ZABAIKALIE)
L.V. Zamana, Sh.A. Askarov Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology of SB RAS, Chita
Five thermal springs in the basin of the river Tsipa were investigated. Features of their relaxation were defined more precisely, new physical-chemical data of therms were obtained, thermodynamic equilibria by fluoride was calculated and explained.
Key words: nitric therms, pH, chemical composition, fluorine, thermodynamic equilibria.
Исследования азотных термальных вод на территории нынешней Республики Бурятия широко проводились в 50-70 гг. прошлого столетия [1-4]. В последние десять-пятнадцать лет они возобновились, но ограничивались в основном изучением термальных источников в бассейне оз. Байкал. Проявления терм в бассейне р. Ципы, которые в настоящей статье объединены нами под приведенным в заглавии названием, из-за удаленности и транспортной доступности только в зимнее время (кроме одного) новейшими исследованиями охвачены не были. Однако именно в этой группе находится наиболее высокотемпературный источник Байкальской рифтовой зоны с максимальным по опубликованным данным содержанием фтора.
Проблема высоких концентраций фтора в азотных термах обсуждается с середины прошлого столетия и до сих пор остается одной из наиболее дискуссионных. Разногласия вызывают два аспекта: 1) источники фтора в термах, 2) возможность образования термами промышленных скоплений флюорита.
Объекты и методы исследований
С 14 по 19 ноября 2009 г. выполнено гидрогеохимическое и микробиологическое опробование 5 из 6 известных в бассейне р. Ципа проявлений современных гидротерм, из-за труднодоступности не опробован только Амнундинский источник.
Температура воды в источниках измерялась электротермометром (Checktemr 1 by HANNA) с точностью показания 0.1°C, pH - портативным потенциометром (pH-Meter CG 837). Химикоаналитические определения по рассматриваемым компонентам проведены в сертифицированной лаборатории ИПРЭК СО РАН. Ионную форму фтора находили потенциометрическим методом (аналитик Т.Е. Хвостова) с ионселективным электродом, общее содержание фтора - фотометрически с цирконил-ализариновым реагентом, кальций - атомной абсорбцией на спектрофотометре SOLAAR-6M в ацетиленовом пламени (аналитик С.В. Борзенко). Приборы калибровались по стандартным образцам (ГСОРМ-30 4483-89 для кальция и ГСО 6095-91 для фтора).
Насыщение по флюориту рассчитано по соотношению произведения концентраций (ПК) и растворимости (ПР). Величина ПР для фактических температур воды определялась по кривой (рис. 1), построенной по ранее вычисленным его значениям [5], и уточнялась расчетным методом для соответствующих интервалов температур.
Результаты и обсуждение
Обследование термальных источников позволило уточнить их местоположение, условия разгрузки, получить новые данные по физико-химическим характеристикам терм.
Точинский источник (55°06,143' с.ш., 112°24,193' в.д.) выходит в русле р. Точа в 3,5 км выше впадения ее в р. Верх. Ципа. На момент обследования он фиксировался по незамерзшим лужам на песчаной отмели на участке 60-70 м в длину до 50 м в ширину с незначительным стоком (около
0,3 л/с), уходящим под лед. Судя по протяженной (до 100 м) проталине ниже, основная разгрузка терм происходит непосредственно в русло. Очаг разгрузки в правой протоке, описанный ранее как основной выход [4], был выражен проталинами без стока.
Баунтовский источник (55°07,519' с.ш., 112°54,699' в.д.) расположен у подножия северного склона г. Бол. Хаптон. Разгрузка происходит тремя головками, отстоящими на 5 и 9-10 м от центральной, из-под глыб серого среднезернистого гранита. Расход восточного и центрального выходов до 0.5 л/с, температура воды 46,2 и 30,1°С. Западная головка закрыта будкой, термальная вода (52,0°С) по трубопроводу самотеком подается на отопление санаторных зданий и поселка. Санаторий сезонный, вместимость до 60 человек, является реабилитационным отделением Баунтовской районной больницы. На общем сбросе расход термальной воды около 10 л/с. На источнике и особенно в помещениях из-за открытого сброса части воды во избежание образования газовых пробок в отопительной сети стоит сильный запах сероводорода.
Могойский источник (55°28,436' с.ш., 113°26,337' в.д.) в литературе описан, также как Ципинский, Уакитский, Францевский. Последнее название принято среди местного населения. Нами оставлено название по реке, на левобережной террасе которой он расположен. Источник представляет собой термальное поле с многочисленными (около 40) выходами, сгруппированными в две полосы субширотного простирания, разделенные невысоким (до 1 м) песчано-гравийным куполом. Самые высокотемпературные струи находятся между полосами ближе к западной части поля, в двух термы непрерывно и интенсивно газируют. Сток из них направлен в противоположные стороны в термальные ручьи с расходами 20-25 и 50-60 л/с соответственно в северном и южном потоках. Общая протяженность термального поля 170-180 м при ширине до 100 м. Максимальная температура источника оказалась выше известной по литературным данным - 83,7°С против 81-82°С. Термы всех выходов имели запах сероводорода различной силы.
Для источника характерны обильные бактериальные образования в виде многослойных лежащих на грунте или прикрепленных к берегам ручьев матов зеленого, белого, бурого, коричневого цветов с полупрозрачным студенистым нижним слоем в южном потоке. В выходе с температурой 77°С наблюдались не встречавшиеся на других термальных источниках грязно-серые нитчатые образования, одним концом прикрепленные к грунту, свободно плавающие в потоке. В другом выходе с температурой около 60°С также наблюдали необычные нитевидные образования буроватого цвета.
Бусанский источник (55°21,101' с.ш., 113°26,765' в.д.) разгружается на северо-западном берегу
оз. Бусани у подножия одноименной горы. Общая протяженность выхода около 200 м, вода стекает в озеро мелкими струями, суммарный расход до 1-1,5 л/с. На юго-западном конце выхода разгрузка субаквальная, по проталине диаметром 10-12 м газирование в виде коротких прерывистых струй и одиночных пузырьков. По всему надводному выходу слой до 10 см толщиной тонкодисперсной черной грязи с запахом сероводорода. Температура воды источника колеблется в значительных пределах, максимум ее (55,2°С) почти на 7°С выше приведенной в [3].
Шуриндинский источник (55°13,565' с.ш., 113°30,743' в.д.) представлен многочисленными выходами в русле р. Горячая, правобережного притока р. Ципа, в ее приустьевой части. Русло и береговые уступы реки сложены полевошпатовыми песками с гравием. На дату опробования (19.11.2009) стока по реке выше термального источника не было. Общая протяженность разгрузки терм 0,8-1,0 км. Температура в измеренных выходах изменялась от 41,6 до 70,6°С. В отдельных головках образовался черный ил и илистый песок с запахом сероводорода. Общий расход источника 35-40 л/с.
По результатам химико-аналитических исследований изученные источники относятся к двум типам терм. К аллинскому типу [3] принадлежат гидрокарбонатные воды Точинского и Бусанского и гидрокарбонатно-сульфатные воды Шуриндинского источников. Два других относятся к кульдурскому типу фторидно-гидрокарбонатных терм. По катионному составу воды всех источников натриевые. Минерализация терм (по сумме основных ионов без кремнекислоты) изменялась от 306 до 578 мг/л (табл.), зависимость ее в ряде случаев от температуры свидетельствует о разбавлении воды непосредственно в выходах.
Содержание фтора в термах и их фторидно-кальциевые равновесия
Источник О О М pH Б" Боб. С + [Са]х[Б]2 ПК/ПР
Точинский 56,1 319 8,77 17,3 18,7 5,35 1,00х10"10 1,64
-"- 38,0 306 8,66 15,8 16,5 8,73 1,38х10"10 2,97
Баунтовский 52,0 325 8,93 19,0 20,5 3,22 8,05х10"и 1,28
46,2 330 8,92 20,8 22,5 3,02 1,19х10"1° 1,62
Могойский 83,7 406 8,85 23,9 24,9 2,12 9,18х10"и 0,82
76,6 382 8,88 25,0 24,9 2,13 1,01х10"1° 0,89
65,3 396 8,92 25,0 25,4 2,14 7,70х10"п 1,07
46,4 406 8,86 27,5 27,0 2,38 1,25х10"1° 1,83
37,8 402 8,92 22,8 25,0 2,24 8,06х10"п 1,76
Бусанский 55,2 481 8,68 20,8 21,6 2,77 8,29х10"и 1,16
32,2 427 8,43 19,9 20,6 2,43 7,28х10"п 1,49
Шуриндинский 70,6 578 8,87 17,3 19,0 6,14 1,68х10"1° 1,60
67,0 570 8,88 18,1 19,5 5,73 1,30х10"1° 1,65
57,0 500 8,62 17,0 17,0 5,18 1,07х10"1° 1,29
Примечание: минерализация (М), содержания фтора и кальция - в мг/л
Полученные данные по содержанию фтора в термах по максимальному значению подтверждают имевшиеся ранее. Высокие концентрации фтора в азотных термах одними исследователями объясняются хотя бы частичным привносом глубинными флюидами [3, 6-7], другими [8-9] связываются исключительно с процессами взаимодействия инфильтрационных вод с вмещающими породами. Разделяя взгляды последних на породные источники вещества в термах [10], в качестве главного механизма обогащения их фтором в Байкальской рифтовой зоне мы рассматриваем замещение его группой ОН- в темноцветных минералах, в особенности в слюдах, основных носителях фтора в алюмосиликатных породах, и гидролиз этих минералов [11].
Оценка термодинамических равновесий выполнена по произведениям концентраций (ПК) вместо активностей, что сделано с целью выяснения потенциальной возможности образования флюорита (СаБ2) в случае полного перехода фтора в доступную для реакции с кальцием форму. В действительности низкая ионная сила терм (менее 0.01) в связи с их малой минерализацией и щелочная среда определяют нахождение фтора преимущественно в активной ионной форме. Согласно табл., в виде иона Б- находится в 91-100% общего содержания фтора. Насыщение по флюориту не достигается в термах только двух наиболее высокотемпературных выходов, фигуративные точки которых находятся ниже линии произведения растворимости (ПР, рис. 1). Большей частью насыщение достигается в результате охлаждения терм в приповерхностных условиях. Только в трех случаях при ПК > 10-9,90 можно с уверенностью считать, что в насыщенном по флюориту состоянии термы находятся и ниже глубины приповерхностного охлаждения.
Степень насыщения по флюориту (отношение ПК/ПР, табл.) не превышает 3,0, что указывает на низкую способность терм к его образованию, хотя в составе минеральных отложений на Могойском источнике отмечалось содержание Б до 2% по массе и наличие флюорита [3]. Вместе с тем близкое к линии ПР положение точек можно расценивать как свидетельство ограничивающего влияния кальция на миграцию фтора в рассматриваемых термах.
В то же время соотношение концентраций фтора и кальция в термах демонстрирует существенный сдвиг термодинамического равновесия в сторону фтора по сравнению со стехиометрическим (рис. 2). Очевиден недостаток кальция в термах, хотя кларк его в кислых породах, наиболее распространенных в областях питания терм, выше, чем фтора - соответственно
1,58 и 0,08%.
Рис. 1. Соотношение произведений растворимости флюорита и молярных концентраций фтора
и кальция в Баунтовских термах
Содержание кальция, мг/л
Рис. 2. Положение терм относительно линий насыщения по флюориту (сплошным) и стехиометрии равновесного раствора (пунктиром)
Рис. 3. Положение азотных терм Баунтовской группы на диаграмме равновесий в системе НС1-Н2О-Л12О3-СаО-8Ю2 при 60°С
Такое положение отчасти может быть связано со снижением способности кальция к переходу в раствор при повышении температуры, более активно при высоких температурах из плагиоклазов выносится натрий [12]. Другая и главная причина низких концентраций кальция в термах -мобилизация его вторичными минеральными фазами. В их составе могут быть карбонаты, по которым все термы пересыщены, но главными, очевидно, являются цеолиты. Оценка равновесий по диаграмме Хелгесона [13] показывает, что пересыщение по ломонтиту достигает 5-7 математических порядков (рис. 3).
Проведенные исследования позволили получить данные по содержанию фтора как одного из типоморфных элементов терм и на новом фактическом материале выполнить расчеты их термодинамических равновесий с флюоритом, образование которого в заметных количествах оценивается как маловероятное.
Работа выполнена при поддержке интеграционного проекта СО РАН и ДВО РАН №87 «Геохимия и источники вещества термальных вод Сибири и Дальнего Востока».
ЛИТЕРАТУРА
1. Ткачук В.Г., Ясницкая Н.В., Анкудинова Г. А. Минеральные воды Бурят-Монгольской АССР. - Иркутск: Вост.-Сиб. кн. изд-во, 1957. - 153 с.
2. Албагачиева В.А. Условия формирования источников типа акратотерм в Северном Забайкалье. - М.: Недра, 1965. - 80 с.
3. Ломоносов И.С. Геохимия и формирование современных гидротерм Байкальской рифтовой зоны. - Новосибирск: Наука, 1974. - 168 с.
4. Борисенко И.М., Замана Л.В. Минеральные воды Бурятской АССР. - Улан-Удэ: Бурят. кн. изд-во, 1978. - 162 с.
5. Замана Л.В. Кальциевые минеральные равновесия азотных терм Байкальской рифтовой зоны // Геохимия. - 2000. - №11. - С. 1159-1164.
6. Алексеев А.А. Фтор в акратотермах // Геохимия. - 1956. - №4. - С. 58-61.
7. Сафронов Ю.Г., Знаменский В.С., Похвиснева Е.А. и др. Распространенность, состав и условия разгрузки современных гидротерм Байкало-Чарской рифтовой и Курило-Камчатской островодужной областей // Глобальные изменения природной среды. - Новосибирск: Изд-во СО РАН. НИЦ ОГГМ, 1998. - С. 177-190.
8. Посохов Е.В. По поводу статьи А.А. Алексеева "Фтор в акратотермах" // Геохимия. - 1957. -№4. - С. 346-347.
9. Шварцев С.Л. О некоторых вопросах эволюции объема и состава инфильтрационных подземных вод в алюмосиликатных породах // Геохимия. - 1975. - №6. - С. 905-917.
10. Замана Л.В. Петрогенная геохимическая модель азотных терм Байкальской рифтовой зоны // Фундам. пробл. воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия: материалы междунар. науч. конф. - Томск: Изд-во НТЛ, 2000. - С. 199-204.
11. Замана Л.В. Фтор в азотных термах Забайкалья // Геология и геофизика. - 2000. - Т.1, №11. -С. 1575-1581.
12. Хитаров Н.И. Химическая природа растворов, возникающих в результате взаимодействия воды с горными породами при повышенных температурах и давлениях // Геохимия. - 1957. - №6. -С. 481-492.
13. Helgeson H.C., Brown Th.H., Leeper R.H. Handbook of theoretical activity diagrams depicting chemical equilibria in geologic system involving solid and aqueous phase at 1 atm and 0o to 300 oC. - San Francisco, 1969. - 253 p.
