Геохимия подземных вод района Бакчарского железорудного месторождения (Томская область) Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

О.Е. Лепокурова, И.С. Иванова

ГЕОХИМИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД РАЙОНА БАКЧАРСКОГО ЖЕЛЕЗОРУДНОГО МЕСТОРОЖДЕНИЯ (ТОМСКАЯ ОБЛАСТЬ)

Работа выполнена при финансовой поддержке грантов РФФИ № 09-05-00647_а и № 11-05-98016-р_сибирь_а.

Приведены результаты изучения химического состава подземных вод района Бакчарского месторождения, а также результаты расчета равновесий в системе «вода - порода». Показано, что воды относятся к кремнистому кальциево-железистому геохимическому типу вод и способны образовывать ассоциацию вторичных железистых минералов, наблюдаемую в осадочных железорудных месторождениях типа Бакчарского.

Ключевые слова: геохимия подземных вод; система «вода - порода»; Бакчарское железорудное месторождение.

В зоне гипергенеза и более глубоких горизонтах, включая артезианские бассейны и их склоны, ниже зоны окислительной геохимической обстановки, широким распространением пользуются железосодержащие подземные воды [1]. Основные факторы и закономерности такого распределения железа в водах известны, сложнее обстоит дело с источниками и механизмами накопления этого элемента в водах. Для выявления этих проблем начиная с 2008 г. нами проводится изучение конкретных условий формирования железосодержащих вод с использованием термодинамического моделирования процессов в системе «вода - порода» на территории Томской области [2, 3]. В данной работе представлены результаты одного из этапов этих исследований - изучение геохимии подземных вод района крупнейшего Бакчарского железорудного месторождения.

К сожалению, геохимия подземных вод непосредственно рудоносных горизонтов не изучена. Авторами за три года (2009-2011 гг.) были организованы и проведены экспедиционные работы на территории Бакчарского и близлежащих районов Томской области: отобраны 33 пробы подземных вод (рис. 1). В каждой точке гидрогеохимического опробования in situ определились параметры среды Eh, pH, T, Fe2+ и Fe3+. Макрокомпонентный и микрокомпонентный составы воды исследовались в Проблемной научно-исследовательской гидрогеохимической лаборатории (ТПУ), зарегистрированной в Системе аналитических лабораторий Госстандарта России. Изучение термодинамических равновесий в системе «вода - порода» проходило при помощи программного комплекса HydroGeo, подготовленного М.Б. Букаты [4] и сертифицированного в Росатомнадзоре.

Рис. 1. Схема расположения пунктов отбора проб воды: 1 - Бакчарское железорудное месторождение; 2 - скважины и их номер; 3 - граница Бакчарского района; 4 - населенные пункты; 5 - линия гидрогеохимического разреза (см. рис. 2)

Район исследований

Район исследования расположен в 200 км к северо-западу от г. Томска в слабо обжитом таежноболотистом районе. Здесь располагаются два крупных месторождения железистых руд - Бакчарское и Пар-бигское. Первое располагается в междуречье рр. Ан-дарма и Икса, притоков р. Чая (рис. 1); второе - в вер-

ховье р. Парбиг. Возраст рудоносных отложений от турона до эоцена. Они состоят из кварц-хлорит-глауконитовых песчаников, песков и алевролитов с прослоями гравелитов. На лучше изученном участке, по данным девяти скважин, средняя мощность рудоносной залежи наиболее продуктивного бакчарского горизонта 25,7 м при среднем содержании железа 37,4% и средней мощности перекрывающих пород 191 м.

Руды сформированы в песчаных, хорошо проницаемых отложениях, перекрытых сверху и снизу менее проницаемыми глинами и алевролитами. Очень важно, что изначально пески являлись кварцево-железистыми, содержали глауконит, магнетит, ильменит, полевые шпаты, биотит, мусковит, пироксен, сфен, роговую обманку и другие алюмосиликаты. Через эти горизонты с самого начала их формирования фильтровались огромные массы воды. Такая гидрогеологическая ситуация сохранилась и до наших дней.

Гидрогеологический разрез региона характеризуется двухэтажным строением, объединяющим две гидродинамические зоны: интенсивного и замедленного водообмена. Замедленный водообмен характерен для нижней части гидрогеологического разреза и объединяет, согласно общей гидрогеологической схеме Западно-Сибирского артезианского бассейна, три водоносных комплекса: водоносный комплекс отложений сеноманского, альбского и аптского возраста, водоносный комплекс отложений баррет-готеривского и ва-ланжинского возраста и водоносный комплекс юрского возраста. Граница зоны замедленного водообмена подтверждается гидрогеохимическими показателями и, прежде всего, повышенной величиной общей минерализацией (> 1 г/дм3). Максимальная мощность зоны интенсивного водообмена достигает 800 м.

Зона активного водообмена включает в себя два водоносных комплекса: отложения антропогенового и нео-ген-олигоценового возраста ^ - Р3) и турон-нижнеоли-гоценового возраста (К2 - Р3). Максимальная мощность зоны интенсивного водообмена достигает 800 м.

Территория Бакчарского месторождения расположена в сильно обводненных отложениях, представленных двумя верхними водоносными комплексами, состоящими из пяти горизонтов. Воды этих горизонтов являются частью единой гидродинамической системы Западно-Сибирского артезианского бассейна. Водоносные горизонты разделены выдержанными водоупорными породами. Воды всех горизонтов напорные, что говорит о наличии отдаленной, но, вероятно, единой области питания. Коэффициент фильтрации по ограниченным данным составляет 3-5 м/сут, что является весьма большим значением для глубин 200-400 м. Рудные горизонты также относятся к водоносным, хотя перемежаются с горизонтами глауконит-лептохлорито-выми глинистыми рудами, весьма слабо водопроницаемыми, и с глинами морского происхождения [5].

Первый от поверхности постоянно действующий водоносный горизонт приурочен к песчаным отложениям четвертичного и верхнеолигоценового возраста тобольской Ш) и лагернотомской (Р3 11) свит. Их

общая мощность достигает 50 м.

Второй водоносный горизонт представлен песчаноалевритовыми отложениями среднего олигоцена новомихайловской свиты (Р3 пт), мощность которых достигает 40-50 м.

Третий водоносный горизонт сложен песками верх-неэоцен-нижнеолигоценового возраста юрковской свиты (Р2-3 ]иг). Мощность водовмещающих пород превышает 50 м. Воды активно используются большинством водозаборов хозяйственно-питьевого назначения, в том числе пос. Бакчар, Поротниково.

Четвертый водоносный горизонт приурочен к отложениям ганькинской свиты (К2 ^), образован обводненными песками мощностью до 25-30 м. Он, без разделяющего водоупора, переходит непосредственно в железорудную толщу.

В основании гидрогеологического разреза, под рудной толщей, залегает пятый водоносный горизонт, приуроченный к отложениям песков нижней части ипатовской свиты (К2 ір).

Химический состав подземных вод

Результаты лабораторных исследований некоторых подземных вод района представлены в таблице. Г луби-на отбора от 20 до 400 м.

Подземные воды трех первых от поверхности водоносных горизонтах Л - Р3 И, Р 3 пт, Р2-3 ]иг) залегают в песчано-гравийных, с прослоями глин, суглинков и лигнитов, отложениях. Они являются пресными (минерализация от 0,4 до 0,7 г/л, в среднем 620 мг/л), нейтральными и слабощелочными (рН 6,8-7,8), жесткими (5-9,4 мг-экв/л), гидрокарбонатными кальциевыми и кальциево-магниевыми (рис. 2). Эти воды обогащены Ге до 10 мг/л, в среднем 4 мг/л, что превышает предельно допустимые концентрации (ПДК) для питьевых вод в 13-30 раз. Также в повышенных концентрациях содержится Мп до 2 мг/л, что в 20 раз превышает ПДК. Содержание перманганатной окисляемости (ПО) колеблется от 2 до 5 мгО/л, кремния - от 8 до 16 мг/л. Воды данных горизонтов используются для питьевого водоснабжения не только Бакчарского района, но и в Томске и Томской области.

Подземные воды верхнемеловых отложений включают в себя два водоносных горизонта, приуроченных к песчано-глинистым образованиям ганьковской (К2 gn) и ипатовской (К1-2 ір) свит. Воды ганьковской свиты пресные, но уже с более повышенной минерализацией (0,6-1,2 г/л). Наблюдается смена состава вод от гидрокарбонатных кальциевых до гидрокарбонатных натриевых (содовых). Отсюда большой разброс значений по жесткости (от 0,3 до 9,6 мг-экв/л). Относительно выше залегающих вод отличаются повышенной щелочностью (рН 6,8-8,6). Ион хлора в повышенных содержаниях присутствует практически во всех пробах. Содержание колеблется от 2 до 139 мг/л, в среднем составляет 48 мг/л. Иногда в повышенных концентрациях встречается сульфат-ион до 11 мг/л. Содержание Ге в водах, наоборот, уменьшается до 2,9 мг/л в среднем, но в целом все еще высокое. Уменьшается содержание марганца до уровня ПДК, а также содержание 8і и ПО.

Воды ипатовской свиты вскрывает в районе лишь одна скважина у д. Кенга на глубине 370-390 м. Из нее отобраны две пробы воды (№ 44, 91). Это уже минерализованные воды (М от 2,4 до 2,7 г/л), по составу хлоридные натриевые, с щелочной реакцией среды (рН 7,8-8,1) и низким значением жесткости (4 мг-экв/л). Содержание Ге резко уменьшается до уровня ПДК. Уменьшается также в 2 раза содержание 8і. ПО остается на уровне вышезалегающих вод.

Как следует из этих данных, в четвертичных и палеогеновых отложениях развиты пресные, а в меловых -пресные и солоноватые воды (рис. 2). Все это подтвер-

ждает высокую промытость геологических структур этого региона.

Практически все подземные воды района, как и всего региона, содержат повышенные и высокие концентрации ионов Бе до 30 мг/л [7, 2]. При этом в водах четвертичных, неогеновых и палеогеновых отложений

(первого водоносного комплекса) содержание железа в 1,5-2 раза выше, чем в водах верхнемеловых отложениях. Железо в подземных водах представлено в основном двухвалентной формой Бе2+ (90...95%), и эта форма является основной миграционной формой ионов железа в рассматриваемых водах.

Характеристики и химический состав подземных вод района Бакчарского месторождения

Номер пробы Населенный пункт Температура, °С БЬ pH £ НСО3- ЄО42- С1- Са2+ Mg2+ Ш+ К+ Беобщ Бе2+ Єі Мп ПО

мВ - мг/л мг О/л

Три первых от поверхности водоносных горизонта И>Рз И, Рз пт, Р2-з ]иг)

2 Бакчар 5 -10 7,3 527 403 2,6 0,6 94 15,9 9,5 1,2 3,3 3,0 8,1 0,49 2,1

4 Вавиловка 7 -66 7,3 641 488 2,2 7,5 102 22,0 18,0 1,6 4,0 3,8 11,3 0,13 2,5

7 Высокий Яр 6 -79 7,1 561 415 2,1 4,0 102 8,5 28,0 1,6 2,7 2,4 13,7 0,17 4,6

8 Парбиг 5 -38 7,1 643 492 1,0 0,8 114 19,5 15,0 1,2 2,3 2,0 12,9 0,37 3,0

9 Кенга 4 -98 7,5 410 305 2,1 1,8 82 11,0 7,5 0,9 7,5 6,0 8,3 0,42 2,8

10 Кедровка 5 -32 7,4 693 525 2,2 0,9 112 22,0 30,0 1,2 2,1 2,0 13,6 0,28 4,6

12 Г ореловка 6 -76 6,9 675 512 3,2 6,2 126 20,7 6,0 1,3 9,5 8,0 8,83 0,19 4,3

13 Подгорное 5 -68 7,1 721 512 2,7 35,5 114 28,1 27,0 1,3 6,0 5,2 11,0 0,20 4,6

15 Восточное 5 -55 7,1 638 488 2,6 1,2 114 15,9 15,0 1,4 5,3 4,9 10,6 0,14 4,9

42 Бакчар 11 -55 6,8 551 390 0,1 0,6 94 12,2 16,0 0,8 1,4 1,4 12,0 - -

45 Кенга 6 -21 7,6 609 451 0,1 0,9 100 17,1 14,0 1,0 1,8 1,4 15,4 - -

46 Новая Бурка 10 193 7,6 540 384 0,1 0,7 90 17,1 10,0 0,7 0,2 0,1 12,9 - -

48 Григорьевка 12 -17 7,8 589 409 0,1 6,8 82 23,2 18,5 1,2 4,0 4,0 12,2 - -

50 Овражное 10 -42 7,5 740 549 0,1 4,0 104 31,7 30,0 1,7 5,7 5,7 13,8 - -

51 Бундюр 8 33 7,1 707 506 0,1 1,0 112 20,7 22,5 1,2 2,9 0,2 16,0 - -

52 Бородинск 11 -20 7,7 673 506 0,1 0,9 106 30,5 12,5 0,9 5,5 0,6 9,8 - -

92 Г ореловка 7 -105 7,0 641 464 0,5 3,6 118 24,7 8,5 1,4 9,8 9,3 8,0 - 5,1

94 Подгорное -80 7,2 590 384 0,5 35,5 94 18,3 30,7 1,1 5,5 5,1 10,9 - 5,4

Водоносный комплекс отложений верхнего мела (К2 gn, К2 ір)

1 Бакчар 7 -46 7,2 886 634 11,3 22,4 116 35,4 65,0 2,2 1,1 0,8 10,8 0,10 3,8

3 Бакчар 10 -150 8,6 726 390 9,7 59,3 2 2,4 225,0 1,4 4,3 4,0 4,0 - 1,0

5 Поротниково 7 -28 7,3 835 634 2,1 1,7 112 23,2 60,0 2,0 2,0 1,7 9,1 0,19 3,7

6 Плотниково 6 -37 7,2 1062 744 2,4 51,1 126 40,3 95,0 2,7 2,2 2,0 10,1 0,13 3,7

11 Усть-Бакчар 5 -45 7,0 871 525 2,2 115,4 126 24,4 76,0 2,1 6,3 6,0 13,9 0,65 4,5

41 Плотниково 8 -36 6,9 1168 817 0,1 12,8 138 31,7 95,0 2,5 1,3 1,1 12,0 - -

43 Богатыревка 11 -78 8,2 594 378 6,0 23,4 4 1,2 170,0 1,0 0,3 0,2 6,2 - -

44 Кенга 11 -100 8,1 2652 402 0,1 1266,6 46 20,7 900,0 6,0 0,4 0,4 7,5 - 3,4

49 Нижняя Тига 8 -14 7,2 800 561 0,1 5,2 104 26,8 43,0 2,2 3,1 0,6 15,0 - -

91 Кенга 11 -109 8,0 2427 359 0,1 1189,0 46 25,0 800,0 7,8 0,5 0,5 5,4 - -

93 Усть-Бакчар 7 -58 7,4 868 503 0,5 138,5 116 31,7 77,5 1,8 10,3 9,8 5,3 - 5,3

Примечание. £ - общая минерализация; ПО - перманганатная окисляемость; «-» - нет данных.

Рис. 2. Схематический гидрогеохимический профиль по линии 1-11 (см. рис. 1). Составлен на основе геологического разреза [6].

1 - глинистые практически не водоносные породы; 2 - песчаники ожелезненные (Бе = 20-30%); 3 - железные руды (Бе = 30-45%);

(4-6) - площади распространения вод с минерализацией (в г/л) различного ионно-солевого состава:

4 - до 0,7 (НСОз-Са и НСОз-Са^ рН 6,8-7,8); 5 - 0,6-1,2 (НСОз-Са и НСОз-Ма рН 6,8-8,6); 6- > 2,5 (СШСОз--Ма и СШа pH > 8); 7 - изолинии минерализации; 8 - скважины и интервалы опробования (в кружке - минерализация воды, г/л)

Равновесие подземных вод с вмещающими породами

Принято считать, что главным источником железа выступают его основные минералы: сульфиды, оксиды и карбонаты. Разработанные 40-50 лет назад схемы формирования железосодержащих вод в основном сохранились, хотя очевидно, что они не соответствуют фактически наблюдаемым данным. Все рассмотренные источники в водах и процессы его мобилизации в природе имеют место, но они формируют локальное совершенно исключительное явление, частный случай и не приводят к образованию целых провинций, в которых практически повсеместно (на той или иной глубине) развиты железистые воды. Региональный и более естественный механизм мобилизации железа - это растворение алюмосиликатов водой, т.е. объяснение проблемы железосодержащих вод с позиций общей теории взаимодействия воды с горными породами [8, 9].

Были проведены термодинамические расчеты состояния равновесия подземных вод и с различными карбонатными и алюмосиликатными минералами (рис. 3, 4). Расчеты показали, что все воды неравновесны с первичными минералами водовмещающих пород: полевыми шпатами, мусковитом, биотитом, гранатами, пироксенами, роговыми обманками, эпидотом, хлоритом и многими другими, поля равновесия которых располагаются еще выше за пределами рисунка. Вместе с тем исследуемые воды равновесны с монтмориллонитами, иллитами, каолинитом и другими глинами, а также кальцитом и сидеритом (рис. 4). Следовательно, в этих условиях минералы первой группы активно растворяются, особенно пироксены, эпидот и роговые обманки, которые неустойчивы в этих условиях и, соответственно, выступают источником железа и других элементов. Затем в результате инконгруэнтного растворения формируют вторичные минералы, связывающие часть Б1, А1, Са, М& Ка, К и Бе.

На рис. 4, е представлена диаграмма полей устойчивости части вторичных железистых алюмосиликатов и сидерита с нанесением данных по составу исследуемых подземных вод. На диаграмме показаны поля устойчивости Бе-селадонита (гр. глауконита) КеА^цОкХОН^ и дафнита (гр. хлорита) Ее5А128;зО10(ОН)8. Нетрудно видеть,

что равновесие подземных вод устанавливается и с этими минералами. Следовательно, подземные воды района Бакчарского месторождения насыщены не только различными окислами, гидроокислами, карбонатами Бе, но и глинистыми алюмосиликатами Бе, которые здесь поэтому и образуются.

Согласно используемой нами классификации [8, 9] названия водам дается по составу тех элементов, которые связываются кристаллической решеткой образуемого в этой системе вторичного минерала. В нашем случае воды относятся к кремнистому кальциевожелезистому геохимическому типу вод. Кремнистые Са-Бе воды формируются в верхних горизонтах многих артезианских бассейнов, в корах выветривания, зонах тектонических нарушений, в массивах кристаллических пород, межгорных бассейнах и т.д. Такие воды имеют максимальное (несколько десятков мг/л) содержание железа среди подземных вод хозяйственнопитьевого назначения и формируют целые провинции, связанные с зональным распределением химических элементов в водах. Такие провинции отличаются высоким содержанием Бе и других элементов (Мп, Бг, Бе, V, Мо, иногда Сг, Ве, Аб, Б).

Таким образом, фильтрующаяся вода в первую очередь растворяла полевые шпаты и другие минералы терригенной составляющей вмещающих пород. При этом сложилась геохимическая среда, близкая по основным параметрам (pH, ЕЙ, О2, СО2, Бе2+, Бе3+, Б1, соленость и т.д.) к современной. Наиболее характерные черты этой среды - глеевая околонейтральная обстановка, пресные и слабосолоноватые воды, повышенные содержания Бе. Такая среда, в первую очередь, обеспечила образование гидроокислов и карбонатов Бе: гид-рогетита и сидерита. и А1 при этом, как и обычно, связывались глинами, но повышенные содержания в водах Бе и Mg обеспечивали условия, при которых вместо монтмориллонита формировались железистые хлориты (лептохлориты) и, вероятно, глауконит. Естественно, что при этом частично формировались и другие глинистые минералы (иллит, монтмориллонит, глауконит и др.), а также кальцит, с которым такие воды всегда равновесны. Говоря иначе, формировался тот набор вторичных минералов, который мы и наблюдаем на месторождении.

Рис. 3. Равновесия подземных вод Бакчарского района с кальцитом (а) и сидеритом (б) при пластовой и стандартной температурах: 1 - воды трех первых от поверхности водоносных горизонтов Л - Р3 ІЇ, Р 3 пт, Р2-3 .¡иг); 2 - воды ганьковской свиты (К2 gn);

3 - воды ипатовской свиты (Кі-2 ір)

Рис. 4. Диаграмма равновесия кальциевых (а), магниевых (б), натриевых (в), калиевых (г), кальциево-натриевых (д) и железосодержащих (е) минералов с подземными водами Бакчарского района. См. условные обозначения на рис. 3. Стрелкой серого цвета показано направление эволюции состава вод

Выводы

Подземные воды района Бакчарского железорудного месторождения, заключенные в пяти водоносных горизонтах, практически повсеместно содержат повышенные и высокие концентрации ионов Бе до 30 мг/л. Воды от пресных до слабоминерализованных, по составу от гидрокарбонатных кальциевых до гидрокарбонатных натриевых и даже хлоридных натриевых. Обогащены, кроме железа, также марганцем, органическим веществом и обеднены свободным О2. При этом в водах четвертичных, неогеновых и палеогеновых отложений содержание железа в 1,5-2 раза выше, чем в водах верхнемеловых отложениях. Как показали термодинамические расчеты, воды равновесны с гидро-

окислами, карбонатами и глинистыми алюмосиликатами Бе, т.е. в системе образуются гидрогетит, сидерит, лептохлорит. Также формируются кальцит и другие глинистые минералы: иллит, монтмориллонит, глауконит. Поэтому глубже по разрезу появляются содовые воды, обедненные кальцием и железом. Однако эти элементы продолжают поступать в раствор вследствие неравновесного состояния вод с вмещающими первичными алюмосиликатами, т.е. постоянного их растворения. В нашем случае, по принятой классификации С.Л. Шварцева, воды относятся к кремнистому кальциево-железистому геохимическому типу вод и способны образовать ассоциацию вторичных железистых минералов, наблюдаемую в осадочных железорудных месторождениях типа Бакчарского.

ЛИТЕРАТУРА

1. Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. Теоретические, прикладные и экологические аспекты. М. : Наука, 2004. 677 с.

2. Иванова И.С., Лепокурова О.Е., Шварцев С.Л. Железосодержащие воды Томской области // Разведка и охрана недр. 2010. № 11. С. 58-62.

3. Иванова И.С., Лепокурова О.Е. Химический состав железосодержащих питьевых подземных вод юго-западной части Томской области //

Известия Томского политехнического университета. 2011. № 1. С. 145-149.

4. Букаты М.Б. Разработка программного обеспечения для решения гидрогеологических задач // Известия Томского политехнического универ-

ситета. 2002. Т. 305, № 6. С. 348-365.

5. Гринёв О.М., Григорьева Е.А., Бу Е.А., Тюменцева Е.П. Геолого-геохимические особенности основных типов руд Бакчарского железорудного

месторождения // Нефть. Газ. Геология. Экология: современное состояние, проблемы, новейшие разработки, перспективные исследования : материалы «круглых столов». Томск : Изд-во ТПУ, 2010. С. 129-149.

6. Николаева И.В. Бакчарское месторождение оолитовых железных руд. Новосибирск : Наука, 1967. 130 с.

7. Ермашова Н.А. Железистые воды юго-востока Западно-Сибирского артезианского бассейна // Геология, гидрогеология и инженерная геоло-

гия Западной Сибири : сб. науч. тр. Тюмень : ТюмИИ, 1982. С. 3-10.

8. Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. М. : Недра, 1998. 366 с.

9. Шварцев С.Л., Рыженко Б.Н., Алексеев В.А. и др. Геологическая эволюция и самоорганизация системы «вода - порода». Т. 2 : Система «во-

да - порода» в зоне гипергенеза. Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2007. 389 с.

Статья представлена научной редакцией «Науки о Земле» 22 сентября 2011 г.