CC BY
1
УДК 556+550.845
doi: 10.55959/MSU0579-9406-4-2024-63-4-70-86
МИКРОЭЛЕМЕНТЫ В ТЕРМАЛЬНЫХ ВОДАХ СЕВЕРНОГО ТЯНЬ-ШАНЯ: РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И МЕХАНИЗМЫ НАКОПЛЕНИЯ
Наталья Александровна Харитонова1^, Мария Андреевна Соколовская2, Екатерина Ивановна Барановская3, Георгий Алексеевич Челноков4, Александр Александрович Карабцов5, Лев Николаевич Чернощеков6, Иван Валерьевич Брагин7
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия; [email protected]
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия; [email protected]
3 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия; [email protected]
4 Геологический институт РАН, Москва, Россия; [email protected]
5 Дальневосточный геологический институт ДО РАН, Владивосток, Россия; [email protected]
6 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия; [email protected]
7 Дальневосточный геологический институт ДО РАН, Владивосток, Россия; [email protected]
Аннотация. Приведены новые данные о содержании и механизмах концентрирования растворенных микроэлементов (Si, Fe, F, Al, Sr, Br, B, Mn, Ba, Ti, Li, Rb, Mo, As, U, Th, W, Sc, Y, РЗЭ, Hf) в термоминеральных, поверхностных и грунтовых водах северного Тянь-Шаня (Иссык-Кульская межгорная впадина). Установлено, что микроэлементный состав термоминеральных вод является маркером гидрогеологических условий их формирования и циркуляции: воды осадочного чехла межгорного артезианского бассейна обогащены Sr, Ba, Mn, B, Mo и U, в то время как воды скальных массивов содержат повышенные концентрации F, Rb, W и Sc. Термодинамические расчеты, выполненные для определенных микроэлементов с использованием программ Visual-MINTEQ 3.1 и GWB 14, позволили выявить формы водной миграции обследованных водопунктов. Расчет коэффициента водной миграции показал зависимость скорости накопления микрокомпонентов от типа водовмещающей толщи и гидрогеологических условий формирования вод.
Ключевые слова: термоминеральные воды, микрокомпоненты, скальные массивы, горно-складчатые области, межгорные артезианские бассейны, Тянь-Шань
Для цитирования: Харитонова Н.А., Соколовская М.А., Барановская Е.И., Челноков Г.А., Карабцов А.А., Чернощеков Л.Н., Брагин И.В. Микроэлементы в термальных водах северного Тянь-Шаня: распределение и механизмы накопления // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2024. № 4. С. 70-86.
TRACE ELEMENTS IN THERMAL WATERS OF THE NORTHERN TIEN SHAN: DISTRIBUTION AND FATE
Natalya A. Kharitonova1^, Marya A. Sokolovskaya2, Ekaterina I. Baranovskaya3, Georgiy A. Chelnokov4, Aleksander A. Karabtsov5, Lev N. Chernoshchekov6, Ivan V. Bragin7
1 Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia; [email protected]
2 Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia; [email protected]
3 Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia; [email protected]
4 Geological Institute, RAS, Moscow, Russia, [email protected]
5 Far East Geological Institute, Far Eastern Branch of the RAS, Vladivostok, Russia; [email protected]
6 Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia; [email protected]
7 Far East Geological Institute, Far Eastern Branch of the RAS, Vladivostok, Russia; [email protected]
Abstract. The article presents new data on the abundance and ways of soluted trace elements (Si, Fe, F, Al, Sr, Br, B, Mn, Ba, Ti, Li, Rb, Mo, As, U, Th, W, Sc, Y, REE, Hf) in thermomineral, surface and groundwaters of the northern Tien-Shan (Issyk-Kul intermountain depression). It is established that trace element composition of thermomineral waters is able to be a marker of hydrogeological settings of water formation and flow: waters of sedimentary rocks of the intermountain artesian basin are enriched with Sr, Ba, Mn, B, Mo and U, while waters of rock massifs contain increased concentrations of F, Rb, W and Sc. Thermodynamic calculations performed for certain trace elements using Visual-MINTEQ 3.1 and GWB 14 programmes allowed us to identify the water migration patterns of the surveyed water points. Calculation of water migration coefficient showed the dependence of microcomponent accumulation rate on the type of water-bearing strata and hydrogeological conditions of water formation.
Keywords: thermomineral waters, trace elements, rock massifs, ridge system, intermountain artesian basins, Tien Shan
For citation: Kharitonova N.A., Sokolovskaya M.A., Baranovskaya E.I., Chelnokov G.A., Karabtsov A.A., Chernoshchekov L.N., Bragin I.V. Trace elements in thermal waters of the northern Tien Shan: distribution and fate. Moscow University Geol. Bull. 2024; 4: 70-86. (In Russ.).
Введение. Отличительной чертой Центральной Азии является высокая современная тектоническая активность, ведь на этой территории выявлено обилие активных глубинных разломов с высокими амплитудами и скоростями позднечетвертичных перемещений [Трифонов и др., 2021]. Открытые обширные трещинные системы территории обеспечивают проникновение метеорных вод в недра Земли на значительную глубину, их прогрев и подъем термальных вод в верхние гидрогеологические этажи. В северо-западной части Центральной Азии, на территории северного Тянь-Шаня выявлено огромное количество минеральных вод, различных по температуре, минерализации, химическому и газовому составам [Катаева, 1969; Матыченков, Иманкулов, 1987; СЬе1покоу, й а1., 2022]. Распределение минеральных вод по территории северного Тянь-Шаня неравномерное и практически непредсказуемое: на Киргизском хребте обнаружены и углекислые минеральные воды, и азотные маломинерализованные термы, в Восточном Приисыккулье встречаются высокоминерализованные и маломинерализованные воды [Матыченков, 1987]. Одной из самых привлекательных территорий с точки зрения бальнеологии является область Иссык-Кульского межгорного артезианского бассейна. Здесь функционируют множество санаториев и бальнеолечебниц различного медицинского профиля, использующих в своей деятельности как естественные выходы минеральных вод, так и выводимые глубокими скважинами. Уникальность данного района обусловлена тесной ассоциацией трещинно-поровых вод артезианских бассейнов межгорного типа, вскрытых скважинами на глубине более 1 км, и низкоминерализованных трещинно-жильных вод зон тектонических нарушений скальных массивов.
Данная статья является первой статьей, посвященной формированию солевой части термоминеральных вод северного Тянь-Шаня, и в ней мы рассмотрим только микроэлементы: 81, Fe, ^ А1, 8г, Вг, В, Мп, Ва, Т1, Li, Rb, Мо, Аз, и, 1Ъ, Ж, 8с, Y, Ш и группу редкоземельных элементов (РЗЭ). Новейшие данные по макрокомпонентному и изотопному (618О и 6D) составу этих вод приведены нами ранее [Харитонова и др., 2023]. Основной целью статьи является детальное изучение микрокомпонентного состава 21 водопроявления термоминеральных вод северного Тянь-Шаня на примере Иссык-Кульского горного района, оценка механизмов распределения, выявление источников их поступления, механизмов и факторов мобилизации и фракционирования.
Геология и гидрогеология района исследования. Изучаемая территория является частью Среднеазиатского складчатого пояса и имеет сложное геологическое строение. Здесь присутствуют
метаморфические, вулканогенные и осадочные породы различного возраста, который имеет широкий диапазон: от архейского до кайнозойского. Интрузивные породы региона также разнообразны по возрасту: самые древние породы раннепротеро-зойского возраста, а самые молодые — палеогенового [Гидрогеология, 1971; Мандычев, 2002].
В сводном разрезе северной части Тянь-Шаня выделяется два геологических этажа: нижний сложен сильно дислоцированными осадочными, метаморфическими и магматическими отложениями домезозоя, верхний — недислоцированными и слабодислоцированными породами мезокайнозоя. Домезозойскими породами сложен фундамент впадин и синхронные им антиклинали, а мезокайнозой-ские отложения выполняют новейшие синклинали (рис. 1).
В соответствии с гидрогеологическим районированием изучаемая территория относится к Иссык-Кульскому артезианскому бассейну (ИАБ), который представляет собой наложенную эпигерцинскую (мезо-кайнозойскую) межгорную депрессию, развитую в пределах северо-Тянь-Шаньской каледонской складчатой системы. Отличительной чертой бассейна является наличие широко развитых трех гидрогеологических этажей, большая глубина залегания фундамента и большая мощность третьего этажа (рис. 2). Бассейн сложен мезо-кайнозойскими континентальными осадочными породами типа моласс, имеющих максимальные мощности до 5 км [Мандычев, 2002].
Современная зона конечной разгрузки подземных вод в ИАБ совпадает с его центральной тектонической зоной, соответствующей максимальному прогибу домезо-кайнозойского фундамента. Региональным базисом разгрузки подземных вод бассейна служит уровень озера Иссык-Куль. ИАБ является гидравлически закрытой гидрогеологической системой, и его краевая часть, представленная зоной адыров, широко развита и разнообразно тектонически деформирована [Мандычев, 2002].
Тектонические структуры сопровождаются тектоническими разломами как неотектонического заложения, так и обновленными в этот период времени [Кендирбаева, 2023]. Основная масса разломов является гидрогеологическим экраном, так как сосредоточена в краевых частях бассейна и образована в условиях сжатия, лишь отдельные разломы центральной части бассейна типа флек-сурно-разрывных зон, образованные в условиях горизонтального растяжения, могут играть роль каналов разгрузки глубинных вод. Разломы суб-меридианального простирания имеют в основном северо-западное и северо-восточное простирание и отличаются меньшими амплитудами и протяжен-
Pg3-N,
PR
yöO
Галечники, пески, глины
Конгломераты, суглинки, песчаники
Песчаники, алевролиты, глины, прослои соли, гипсов
Песчаники, алевролиты, глины,прослои гипсов
Песчаники, алевролиты, гравелиты
Кристаллические сланцы, гнейсы, кварциты
Граниты,гранодиориты
Точки отбора проб: О 03- Иссык-Куль О Поверхностные воды Л Подземные воды
Рис. 1. Обзорная карта района исследований и расположения точек опробования. Построена на основе фрагмента геологической карты Кыргызской Республики [Жуков и др., 2008] с дополнениями и изменениями авторов
Рис. 2. Разрез через Иссык-Кульскую горную впадину. Составлено авторами на основании данных [https://geohydro.narod.ru/ stat16A.htm]
ностью по сравнению с субширотными. Фильтрационные свойства осадочного чехла ИАБ ухудшаются с глубиной [Мандычев, 2002].
Материалы и методы исследования. В статье представлены результаты микроэлементного анализа термоминеральных и пресных вод Иссык-Кульской межгорной области (Кыргыстан). Пробы на анализ были отобраны при проведении полевых работ в июне 2023 г., во время которых были опробованы поверхностные (ручей, озеро) и подземные воды, и атмосферные осадки (рис. 1; 3). Всего было
отобрано 28 проб водной компоненты. Данные по их макросоставу, содержанию в них органического вещества и стабильных изотопов опубликованы нами в работе [Харитонова и др., 2023].
Концентрации микро- и рассеянных элементов определены в пробах воды, предварительно фильтрованных и подкисленных во время опробования, методами ICP-MS (Agilent 7700, США) и ICP-AES (iCAP 7600 Duo, США) в Центре коллективного пользования ДВГИ ДВО РАН. Содержание кремния определялось методом атомно-эмиссионной спек-
Рис. 3. Опробование скважин и минеральных источников. Вид водовмещающих толщ и вторичных фаз: а — ущелье Джети-Огуз; б — отбор проб термоминеральных вод и вторичной фазы в г. Балыкчи; в — отбор проб воды из озера Иссык-Куль; г — отбор проб термоминеральных вод в ущелье Джети-Огуз
трометрии с точностью определения не менее 10% RSD. Содержания РЗЭ оценивались напрямую без преконцентрирования, а при обработке полученных аналитических данных применялся путь математического устранения оксидных и гидроксидных интерференций при помощи математической модели внешней корректировки, для бария — оригинальной математической модели внутренней корректировки [Еловский, 2015]. Точность определения всех редкоземельных элементов, за исключением европия, не превышала 5% RSD. Точность определения Eu составляла 10% RSD.
Для корректной интерпретации поведения микрокомпонентов в водных средах необходимо знать формы их водной миграции, поскольку различные соединения одного и того же элемента имеют различные термодинамические и гидрогеодинамические параметры и характеристики, которые определяют возможность нахождения или осаждения элемента в водной среде в процессе ее движения через водо-вмещающие толщи [Крайнов, Швец, 1992]. В данной работе формы водной миграции были рассчитаны с использованием программных комплексов Visual Minteq 3.1. [Gustafsson, 2019] и The Geochemist's Workbench (GWB) [https://www.gwb.com]. Нами были рассчитаны только неорганические формы истинно водных фракций, т.е. тех, которые проходят через фильтр 0,45 мкм. Исходный состав гидрохимической системы задавали на основе реально определенных нами физико-химических параметров и состава природных вод, представленных в данной статье (табл. 1 и 2).
Для количественной оценки интенсивности водной миграции химических элементов и оценки степени их подвижности был использован коэффициент водной миграции (Квм), который определялся по формуле, предложенной А.И. Перельманом в 1956 г. [Перельман, 1972]:
К =
100 mx M n
где mx — содержание элемента в воде, М — минерализация воды, — содержание элемента в водо-вмещающей породе либо его кларк.
Группировка элементов по интенсивности водной миграции позволяет построить геохимическую модель, анализ которой дает возможность выделить элементы, выносящиеся из горных пород и накапливающиеся в водной среде. Чем больше компонент извлекается из водовмещающих толщ, тем выше его коэффициент водной миграции.
По интенсивности водной миграции элементы подразделены на 4 ряда. I — очень подвижные (высокоподвижные) мигранты: Квм=п • 10^гс • 100, где п — целое число; II — легкоподвижные мигранты: Квм = п; III — подвижные мигранты: Квм=п • 10-1; IV — слабоподвижные (инертные) мигранты: Квм < п • 10-1.
Результаты исследования и их обсуждение. Химический состав опробованных вод, их температурный режим, минерализация и рН приведены в табл. 1. По температуре исследованные воды делятся на три типа: весьма холодные (до 10 °С), холодные (10^20 °С) и термальные (> 20 °С). Все воды
Таблица 1
Макрокомпонентный состав исследованных проб
Шифр пробы Место отбора Формула ионного состава
Поверхностные воды
И, Берег оз. Иссык-Куль А/Г Cl47 SO446HCO38 M5,67 . pH 8,67 Т 13,7 Na70Mg23Ca5 F
И2 оз. Иссык-Куль, глубина около 120 м M Cl51 SO449 M5,54 -T pH 8,4 Т 12 Na67Mg26Ca6K1 F
Т,з Ручей у форелевой фермы M HCO371Cl23 SO46 M»-23 Ca51Na38Mg11K1 PH 8,61 Т 18,8
Т20 Ручей около питьевого бювета санатория «Джети-Огуз» Cl48 HCO340SO412 M°-26 Ca49Na44Mg6K1 PH 8,58 Т 14
Подземные воды
Т2 Скв. (гл. 1150 м), пансионат «Ах-Бурах» M SO473Cl27 M9-25 Na81Ca13 Mg6 PH 7,49 Т 40,2
Тз Скв. (гл. 1300 м) около села Чок-Тал. M SO446HCO334 Cl21 M0-4 Na98 Ca2 PH 9,83 Т 37,3
Т4 Термальный источник Кайнар, скв. 3954 (гл. 833 м) SO461Cl22HCO317 M°-86 Na98Ca2 PH 9,83 Т 30,7
Т5 Спа-комплекс «Ак-Бермет», скв. (гл. 1515 м) M Cl87 SO412 M21-3 Na83Ca17 PH 7,39 Т 52,3
Т6 Санаторий «Голубой Иссык-Куль», скв. (гл. 1000 м) M Cl90 SO410 M20-1 Na68Ca31 PH 7,57 Т 18
Т7 Пансионат «Евразия», скв. (гл. > 1000 м) M SO454Cl38HCO38 M1,18 Na95 Ca4 PH 8,93 Т 33,9
Т8 Спа-комплекс «Термаль», скв. (гл. 1500 м) Cl89 SO411 M 4 M25-1 Na79Ca19Mg2 PH 7,69 Т 43,2
Т,0 Чопон-Ата, резиденция «У Татьяны», скв. (гл. 50 м) HCO348Cl42 SO49 M°-15 Ca51Na41Mg8K1 PH 8,28 Т 16,2
Т,, Пансионат «Киргизское взморье», скв. (гл. 1500 м) M Cl93 SO47 M35,0 Na76Ca23 Mg1 PH 7,78 Т 26,6
Т,2 Санаторий «Аврора», скв. (гл. 1500 м) M Cl76 SO4 23 HCO31 M12-51 Na90 Ca9Mg1 PH 7,66 Т 43,8
Т,4 с. Чон-Орукту, ист. Теремет-Суу M Cl98SO41HCO31 M9,8 Na64Ca35 PH 8,09 Т 38
Т,5 с. Ой-Булак, ист. M Cl91SO49HCO31 M7,83 Na64Ca35 PH 8,00 Т 33,5
Т,6 Санаторий «Джергалан», скв. (1500 м) Cl79HCO311SO410 M1-25 Na91Ca8Mg1 PH 8,58 Т 33,5
Т,8 Санаторий «Джети-Огуз», ванный комплекс, скв. M Cl95 SO45 M15-3 Na58Ca42 PH 7,71 Т 32
Т,9 Санаторий «Джети-Огуз», питьевой бювет, скв. M Cl73 SO4 25 HCO3 2 M2,06 PH 8,51 Т 17,9 Na66Ca34
Т21 Санаторий «Джети-Огуз», скв. M Cl58SO436HCO36 M0,38-4-3—pH 9,15 Т 22 Na70Ca29K1
Т22 Санаторий Ак-Суу, «Теплоключенка», скв. A/T Cl38SO436HCO3 26 M0,39 „T „„„ pH 9,15 Т48 Na93Ca6K1 y
Т23 Село Кирпичное, ист. Кызыл-Суу, скв. 6732 (гл. 1960 м) M HCO348Cl28 SO426 M0,38-3-4-pH 9,27 Т 40,3 Na96 Ca4
Т24 с. Чон-Кызыл-Суу, ист. A/r Cl54 SO4 24 HCO3 22 M0,51 4 3 pH 9,44 Т 28,4 Na87 Ca12K1 y
Т26 Ущелье Джууку, гостевой дом, банный комплекс «Джууку-Жылуу-Суу» M SO441Cl32HCO3 27 M0,35 ,T „„„ pH 8,93 Т 37,9 Na82Ca17K1 y
Т27 с. Каджи-Сай, Спа-комплекс «Ысык-Суу», скв. (гл. 1630 м) M Cl43 SO431HCO326 M2,45-4-3-pH 8,01 Т 43,4 Na98 Ca2
8 Дом отдыха «Бар-булак», ванный комплекс, скв. (гл. 1400 м) M Cl78 SO422HCO31 M5,23 Na77 Ca22 PH 8,18 Т 38,6
5
го о.
I-
т ^
т
о
100000,0000
10000,0000
1000,0000
0,0001
Rb Mo As
W
Термоминеральные воды гранитных массивов (макс. значения) Термоминеральные воды гранитных массивов (мин. значения) оз. Иссык-Куль Поверхностные воды
Термоминеральные воды осадочного чехла (макс. значения) Термоминеральные воды осадочного чехла (мин. значения) Грунтовые воды Кларк вод зоны гипергенеза
Рис. 4. Распределение микрокомпонентов в природных водах Иссык-Кульской горной впадины
умеренно-щелочные с рН, варьирующим от 6,7 до 9,4. Окислительно-восстановительный потенциал неоднородный и зависит от типа воды — поверхностные водотоки демонстрируют положительные ЕЬ значение в диапазоне 100^220 мВ, в то время как подземные источники показывают сильно восстановительную обстановку с ЕЬ до -164 мВ (табл. 2).
Поверхностные воды и воды горных массивов обычно низкоминерализованные (минерализация редко превышает 500 мг/л), а термоминеральные воды осадочного чехла содержат значительно больше солевой компоненты, минерализация составляет более 1,1 г/л, часто находится в диапазоне значений от 10 до 20 г/л, иногда достигая 35 г/л (как в точке Т11). Корреляция глубины циркуляции термоминеральных вод с их минерализацией не установлена (табл. 1 и 2). Насыщенность газом изученных термоминеральных вод также неоднородна и меняется по отдельным участкам и скважинам [Харитонова и др., 2023].
Состав изучаемых подземных вод варьирует и зависит от комплекса параметров: температуры, глубины циркуляции и типа водовмещающих толщ. В холодных водах среди катионов преимущественно преобладают Са2+ и Ыа+, а среди анионов НС03, редко С1-. В термальных водах осадочного чехла картина иная Ыа+ > Са2+ и С1- >> НСО- + 804-. Разделение вод на группы по температурному признаку описано нами в [Харитонова и др., 2023]. В целом, с ростом минерализации повышается сульфатность и хлоридность термоминеральных вод.
Микрокомпоненты. Результаты микрокомпонентного состава представлены в табл. 2, и они сильно варьируют в зависимости от точки опробования (рис. 4). Жирным шрифтом в таблице выделены концентрации элементов, значительно превышающие кларковые значения.
В целом, воды характеризуются невысоким содержанием кремния: значения концентраций элемента (как 81) находятся в диапазоне 1,53^23,67 мг/л (табл. 2, рис. 4). Наименьшие содержания элемента характерны для поверхностных водотоков (= 2,02 мг/л); в водах озера Иссык-Куль и грунтовых водах содержания кремния примерно равные — 5,54^6,81 мг/л. В термоминеральных водах, за исключением трех точек Т19, Т23 и Т26, содержания кремния в 1,5-3,0 раза выше, чем кларк элемента в водах зоны гипергенеза. Наибольшие концентрации выявлены в водах точек опробования Т5, Т6, Т8, Тп и Т12. При прочих равных, уровень кремния в подземных водах осадочного чехла межгорного артезианского бассейна выше, чем в водах скальных массивов, что указывает на лучшее растворение кремнистых фракций осадочного чехла в сравнении с монолитными толщами.
Распределение фтора в изученных водах весьма неоднородно — наименьшие значения на уровне кларка элемента в водах зоны гипергенеза отмечены для поверхностных вод, а также грунтовых вод (табл. 2; рис. 4). В водах озера Иссык-Куль наблюдается повышенная концентрация фтора (= 12 мг/л), что почти в десять раз выше, чем кларк морской воды
Таблица 2
о\
Содержание микроэлементов в природных водах изучаемого района
№ Характеристика воды рН ЕЪ, мВ м, г/л Г Вг вг В А1 Ге Ва Мп и Мо ЯЬ Ав Т1 и ТЪ
мг/л мкг/л
т оз. Иссык-Куль 8,67 -91,0 5,67 5,95 12,30 1,24 4,34 1,70 621,22 210,32 33,07 1,69 61,77 53,71 4,56 12,34 5,99 5,77 49,12 0,086
И2 5,54 5,54 12.60 0,05 4,46 1,89 70,30 20,59 34,58 0,29 64,49 56,85 4,00 12,97 5,12 2,10 49,05 0,004
Т20 Поверхностные воды 8,58 -84,0 0,26 2,02 0,30 0,05 0,35 0,09 16,10 1,35 13,69 0,07 47,82 2,09 5,15 1,98 0,47 0,12 2,41 0,001
Т10 Грунтовые воды 8,28 -68,2 0,15 6,81 0,30 0,08 0,17 0,03 4,57 0,81 31,66 0,07 2,09 2,33 0,25 0,20 0,23 0,14 15,62 0,001
Т13 8,61 -89,5 0,23 5,75 0,30 0,05 0,09 0,03 5,22 0,87 15,81 0,22 1,04 2,71 0,22 4,32 1,01 0,13 4,93 0,001
Т2 Межгорный бассейн, пластовые воды 7,49 -26,6 9,25 12,23 0.30 0,05 7,13 5,78 23,64 7,21 23,00 137,39 210,66 121,86 9,35 25,58 1,32 0,61 0,11 0,003
ТЗ 9,83 -164,4 0,40 19,66 3,16 0,05 0,02 0,24 53,61 0,94 11,22 0,05 3,16 13,20 0,20 61,38 5,62 0,20 0,11 0,001
Т4 9,19 -123,6 0,86 14,13 6,71 0,05 0,05 3,24 37,90 4,23 15,88 0,12 14,59 48,49 0,43 35,10 36,05 0,39 1,40 0,001
Т5 7,39 -19,3 21,30 21,90 0,30 11,00 19,74 18,06 58,35 20,51 109,98 184,36 351,62 269,79 16,06 1,11 1,58 1,45 0,16 0,007
Т6 7,57 -29,0 20,10 14,67 0.30 8,80 32,88 9,40 67,24 24,36 145,86 122,60 195,84 52,50 13,54 1,05 2,07 0,91 0,22 0,011
Т7 8,93 -114,8 1,18 14,51 13,50 0,05 0,10 7,93 48,04 9,01 23,67 1,50 25,43 57,00 0,57 5,13 26,97 1,05 0,45 0,002
Т8 7,69 -38,8 25,10 14,19 0,30 10,00 46,94 14,36 58,40 17,14 85,92 389,62 354,88 159,90 9,59 0,71 2,09 1,47 0,76 0,009
Т11 7,78 -42,0 35,00 19,28 0,30 11,60 43,54 15,00 89,16 84,26 98,13 6968,31 348,90 9,10 10,37 18,86 2,18 2,37 0,04 0,022
Т12 7,66 -36,8 12,51 16,46 0,30 3,28 6,85 19,44 30,91 13,97 46,63 216,86 157,43 674,62 12,09 1,20 4,13 0,85 2,22 0,008
Т14 8,09 -59,6 9,80 13,39 2,16 1,88 9,78 3,57 115,19 7,53 829,22 22,21 29,57 42,36 7,07 5,44 6,32 0,49 0,04 0,003
Т15 8,00 -55,9 7,83 10,39 2,32 0,05 11,27 2,90 76,94 5,06 96,21 14,76 59,39 60,81 4,95 0,82 3,90 0,55 0,02 0,003
Т27 8,01 -51,8 2,45 20,72 19,20 0,05 0,16 4,21 22,99 127,49 48,58 50,95 149,63 138,18 36,36 26,29 226,73 0,98 0,80 0,003
Т28 8,18 -67,4 5,23 13,78 2,86 0,05 5,82 2,69 55,72 34,68 153,21 50,18 778,46 42,34 49,34 16,57 78,47 2,36 0,03 0,045
Т16 Скальные массивы, трещинно-жильные воды 8,58 -90,0 1,25 10,10 5,86 0,48 0,48 0,46 18,85 4,14 260,54 20,03 30,78 100,01 0,84 0,90 24,23 0,53 0,02 0,010
Т18 7,71 -37,5 15,30 23,67 0,30 1,64 43,44 11,33 20,88 15,89 157,25 652,11 5538,96 10,03 499,10 65,45 40,99 0,82 0,05 0,005
Т19 8,51 -81,2 2,06 1,53 3.32 0,05 4,19 1,69 56,85 15,55 25,59 102,96 829,89 3,59 46,95 1,94 54,52 1,66 0,00 0,003
Т21 9,15 -134,9 0,38 17,24 6,34 0,13 1,07 0,75 13,37 54,22 20,87 48,28 293,95 11,05 9,68 13,24 95,25 2,49 0,28 0,002
Т22 9,15 -130,2 0,39 10,53 13,00 0,05 0,20 0,22 26,72 1,63 5,82 0,07 152,05 28,19 13,11 8,61 74,97 0,24 0,02 0,001
Т23 9,27 -132,4 0,38 2,02 11,70 0,05 0,09 0,47 50,11 2,15 10,82 0,03 2,97 16,42 0,75 24,04 31,67 0,23 0,28 0,001
Т24 9,44 -139,1 0,51 10,53 10.70 0,10 0,47 0,80 8,54 3,38 5,99 0,49 235,84 21,81 47,25 0,30 76,60 0,27 0,13 0,002
Т26 8,93 -112,1 0,35 2,02 10.90 0,05 0,14 0,27 7,97 4,92 1,32 2,91 89,89 12,80 14,91 0,61 72,60 0,25 0,01 0,001
Кларк вод зоны гипергенеза 8,35 0,48 0,09 0,18 0,08 226,00 481,00 18,30 54,50 13,00 1,75 1,85 1,46 1,00 17,40 1,31 0,240
Кларк морской воды 2,10 1,30 0,67 8,10 4,45 1,00 3,40 21,00 0,40 170,00 10,00 120,00 2,60 2,00 1,00 3,30 0,001
(33
м П н
к
О п г*
•с
к £
п м
м
о й о
ы о
ы £
для данного элемента. В подземных водах осадочного чехла межгорного артезианского бассейна, за исключением точек Т17 и Т27, наблюдается низкий уровень элемента с диапазоном вариативности 0,3^3,1 мг/л. В двух точках Т4 и Т16 выявлено незначительное повышение до 5,86^6,71 мг/л. Для водопунктов Т7 и Т27 характерно весьма высокое содержание фтора, которое более чем в 10 раз превышает кларк морской воды. В целом, оно близко к значению F- в озере Иссык-Куль. В водах, циркулирующих в скальных массивах, повсеместно отмечается повышенное содержание фтор-иона (3,32^13,0 мг/л), с максимальным значением 13,0 мг/л в точке Т22. Источником фтора в термальных водах скальных массивов являются фтор-содержащие слюды. Значимая корреляция фтора и кремнекислоты указывает на один источник обоих компонентов.
В изучаемых водах содержание брома практически повсеместно невысокое, и часто ниже, чем кларк элемента в морской воде (табл. 2; рис. 4). Сверхнизкие концентрации — на уровне кларка (0,09 мг/л) в водах зоны гипергенеза отмечены в поверхностных и грунтовых водах, в термоминеральных водах скальных массивов, и в некоторых точках глубоких вод осадочных толщ (табл. 2; рис. 4). Высокие уровни содержания элемента (более чем в 100 раз превышающие кларк зоны гипергенеза) обнаружены лишь в четырех точках термоминеральных вод осадочного чехла, а именно: Т5, Т6, Т8 и Т11. Однако даже в этих точках порог по брому как бальнеокомпоненту не достигнут. Эти пять проб демонстрируют и очень высокие содержания таких элементов как стронций (> в 100 раз кларка элемента для вод зоны гипергенеза), бор (9,4^18,1 мг/л), железо суммарное (17^84 мкг/л), барий (85,9^145,9 мкг/л), марганец (122^6968 мкг/л), литий (195,84^354,88 мкг/л), рубидий (9,6^16,6 мкг/л). В точках Т5 и Т8 также выявлены высокие значения молибдена (159^269,8 мкг/л). Все эти водопункты расположены в районе населенного пункта Чолпон-Ата в зоне сочленения осадочного чехла со скальными массивами хребта Кюнгей Алатау. Значимая корреляция в паре С1-Вг (г-0,7) для проб Т3, Т6, Т8, Т11, Т12, Т14 указывает на единый источник элементов, видимо, это испарительное концентрирование исходных морских рассолов. В остальных пробах источником элемента являются водовмещающие толщи с невысокими содержаниями элемента.
Содержание стронция в исследуемых водах значительно варьирует: минимальные концентрации элемента характерны для поверхностных вод, грунтовых вод и вод скальных массивов (табл. 2; рис. 4). В пластовых водах осадочного чехла концентрации стронция сильно изменяются от 0,02 до 46,94 мг/л и регулируются составом водовмещающих толщ. Самые большие уровни элемента выявлены в водопунктах Т5, Т6, Т8, Т11, Т18 выводящих соленые воды сульфатно-хлоридного кальциево-натриевого состава. Вероятным источником стронция здесь
являются карбонатные и сульфатные породы, слагающие водовмещающие толщи.
Суммарное железо, в целом, демонстрирует низкие содержания во всех изученных водах и не представляет никакого бальнеологического интереса. Концентрации железа повсеместно в два раза ниже, чем кларк элемента в водах гиперге-неза (табл. 2; рис. 4). Наибольшие содержания Feобщ выявлены в приповерхностных водах озера Иссык-Куль (210,32 мкг/л), а также в водопунктах Т27 (127,49 мкг/л) и Т11 (84,26 мкг/л). В целом, в минеральных водах скальных массивов уровень концентраций Feобщ на порядок ниже, чем в пластовых водах ИАБ.
Количество марганца в изученных водах не превышает кларк элемента для вод зоны гипергенеза и преимущественно очень низкое 0,07^2,91 мкг/л, либо низкое 15^51 мкг/л (табл. 2, рис. 4). Только в семи водопунктах содержания достигают первых сотен мкг/л. Очень высокие концентрации элемента зафиксированы в пробе Т11 (6,97 мг/л). В этой же пробе определены высокие содержания Feобщ, Ва, Li и Rb. В целом, наблюдается значимая корреляция между содержанием в водах железа и марганца. Стоит отметить, что в термоминеральных водах скальных массивов марганца содержится на два порядка меньше, чем в водах осадочного чехла. Источником марганца и железа в водах осадочного чехла являются карбонатные толщи, которые содержат повышенные содержания обоих компонентов.
Содержание мышьяка (Азобщ) сильно варьирует между водопунктами (табл. 2, рис. 4): наименьшая концентрация характерна для поверхностных и грунтовых вод данной территории (до 4,32 мкг/л), а максимальное значение выявлено в точках Т3 и Т18 и составляет 61,38 и 65,45 мкг/л соответственно. По характеру распределения все изученные воды подразделяются на две большие группы: в первую группу попадают водопункты (Т5, Т6, Т7, Т8, Т12, Т14, Т15, Т16, Т19, Т24, Т26) с низкими концентрациями элемента, находящимися в диапазоне значений 0,2^5,2 мкг/л, что близко к уровню кларка элемента в водах зоны гиперегенеза, а во второй группе (водопункты Т2, Т3, Т4, Т11, Т18, Т27, Т28, Т21, Т19, Т23) выявлены весьма значительные содержания Азобщ с диапазоном 12,2^65,45 мкг/л, превышающие кларковые значения в десятки раз. Стоит отметить и значительные содержания валого мышьяка (в районе 12 мкг/л) в водах озера Иссык-Куль. Никаких корреляционных связей между парами минерализация — Азобщ, Feобщ — А8общ, условия формирования — Азобщ не выявлено. По нашему мнению, нет единого генезиса мышьяка в термоминеральных водах Иссык-Кульской межгорной впадины, однако можно выделить два возможных источника. В водах скальных массивов повышенные содержания мышьяка обусловлены растворением мышьяксодержащих сульфидов (арсенопирит) согласно следующей реакции:
Таблица 3
Распределение вс, У, РЗЭ и Ш в природных водах северной части Тянь-Шаня
№ Характери- рН ЕЬ М, вс У Ьа Се Рг N(1 вт Ей са ть оу Но Ег Тт УЬ Ьи Ш
стика воды мВ г/л мкг/л
т оз. Иссык- 8,67 -91,0 5,67 0,19162 0,06997 0,05108 0,17805 0,01259 0,04238 0,00921 0,00541 0,01222 0,00158 0,00635 0,00264 0,00518 0,00120 0,00809 0,00173 0,04258
И2 Куль 5,54 0,06830 0,04388 0,01116 0,01763 0,00244 0,01103 0,01129 0,00570 0,00787 <0.00061 0,00523 0,00122 <0.0022 0,00043 0,00412 <0.00091 0,00618
Т20 Поверхностные воды 8,58 -84,0 0,26 0,01883 0,00885 0,00544 0,00307 0,00090 0,00409 0,00104 0,00191 0,00128 0,00010 0,00129 0,00023 0,00041 0,00018 0,00066 0,00013 0,00073
Т10 Грунтовые 8,28 -68,2 0,15 0,04292 0,01736 0,00839 0,00224 0,00132 0,00700 0,00163 0,00436 0,00175 0,00009 0,00135 0,00038 0,00117 0,00020 0,00099 0,00024 0,00051
Т13 воды 8,61 -89,6 0,23 0,03761 0,00844 0,00267 0,00280 0,00064 0,00312 0,00134 0,00208 0,00135 0,00013 0,00065 0,00021 0,00053 0,00011 0,00047 0,00011 0,00037
Т2 7,49 -26,6 9,25 0,06377 0,03276 0,00680 0,01007 0,00146 0,01042 0,00829 0,00341 0,01278 0,00167 0,00490 <0.00053 0,00525 <0.0015 0,00811 < 0.0012 0,00957
ТЗ 9,83 -164,4 0,40 0,09877 0,00069 0,00110 0,01070 0,00020 0,00087 0,00068 0,00155 0,00062 0,00006 0,00027 0,00009 0,00022 0,00003 0,00040 0,00009 0,00042
Т4 9,19 -123,5 0,85 0,05437 0,00298 0,00269 0,00346 0,00046 0,00228 0,00073 0,00224 0,00100 0,00008 0,00094 0,00011 0,00042 <0.000035 <0.00052 0,00013 0,00116
Т5 7,39 -19,3 21,30 0,12615 0,09020 0,02897 0,02447 0,00341 0,01458 0,01677 0,01084 0,02551 0,00196 0,01280 0,00110 0,00420 <0.0032 0,01682 0,00260 0,01217
Т6 7,57 -29,0 20,10 0,26128 0,14548 0,04897 0,01127 0,00269 0,01729 - 0,00869 0,01631 0,00228 0,01182 0,00248 0,00812 - 0,01822 0,00368 0,02448
Т7 Межгорный 8,93 -114,8 1,18 0,06763 0,00272 0,00504 0,01176 0,00099 0,00421 0,00098 0,00331 0,00127 0,00011 0,00055 0,00028 0,00039 0,00009 <0.0007 0,00016 0,00451
Т8 бассейн, 7,69 -38,8 25,10 0,10602 0,19446 0,01437 0,02149 0,00272 0,01879 0,01370 0,00895 0,02780 0,00388 0,01181 0,00225 0,01282 0,00460 <0.019 0,00338 0,01696
Т11 воды 7,78 -42,0 35,00 0,28195 0,16669 0,02321 0,10990 0,00549 0,04037 0,03199 0,00764 0,03268 0,00699 0,02062 0,00297 0,02067 < 0.0058 <0.028 0,00470 0,01856
Т12 7,66 -36,8 12,51 0,08732 0,03147 0,00818 0,01189 0,00221 0,01215 0,00713 0,00598 0,01576 0,00120 0,00551 0,00167 0,00735 <0.002 <0.0099 0,00160 0,00850
Т14 8,09 -59,6 9,80 0,11531 0,08751 0,02503 0,00659 0,00104 0,00643 0,00568 0,03732 0,01463 0,00105 0,00240 0,00129 0,00343 <0.0013 0,00853 0,00126 0,00777
Т15 8,00 -55,9 7,83 0,09644 0,04967 0,01920 0,01783 0,00182 0,00810 0,00434 0,00461 0,00733 0,00093 0,00267 0,00094 0,00247 <0.0011 0,00625 0,00091 0,01579
Т27 8,01 -51,8 2,45 0,07618 0,00581 0,00499 0,00835 0,00089 0,00321 0,00400 0,00605 0,00284 0,00025 0,00165 0,00046 0,00091 0,00021 <0.0016 0,00036 0,00934
Т28 8,18 -67,4 5,23 0,13057 0,04103 0,01951 0,04181 0,00377 0,01575 0,00697 0,01850 0,00859 0,00049 0,00210 0,00059 0,00170 <0.0002 <0.0031 0,00070 0,02805
Т16 8,58 -90,0 1,25 0,05997 0,01421 0,01162 0,01165 0,00120 0,00715 0,00526 0,03309 0,00838 0,00013 0,00132 0,00020 0,00048 0,00015 0,00081 0,00024 0,00587
Т18 7,71 -37,5 15,30 0,17213 0,15875 0,01369 0,02314 0,00329 0,01826 0,00610 0,01011 0,01907 0,00190 0,00818 0,00081 0,00808 < 0.0022 <0.011 0,00232 0,00914
Т19 Скальные 8,51 -81,2 2,06 0,08349 0,02934 0,00640 0,01051 0,00089 0,00464 0,00169 0,00364 0,00400 0,00020 0,00088 0,00039 0,00072 0,00020 0,00130 0,00029 0,00614
Т21 массивы, 9,15 -134,9 0,38 0,07435 0,02279 0,00470 0,00712 0,00072 0,00352 0,00166 0,00275 0,00221 0,00017 0,00160 0,00030 0,00091 0,00015 0,00092 0,00012 0,00190
Т22 трещинно- 9,15 -130,2 0,39 0,10091 0,00227 0,00107 0,00180 0,00016 0,00105 0,00051 0,00088 0,00076 0,00006 0,00045 0,00008 0,00022 0,00007 <0.0004 0,00009 0,00172
Т23 воды 9,27 -132,4 0,38 0,06206 0,00232 0,00133 0,00216 0,00022 0,00105 0,00058 0,00115 0,00103 0,00008 0,00035 0,00008 0,00022 0,00008 0,00042 0,00009 0,00072
Т24 9,44 -139,1 0,51 0,13268 0,00520 0,00197 0,00308 0,00047 0,00181 0,00103 0,00097 0,00062 0,00008 0,00057 0,00016 0,00033 0,00005 0,00050 0,00009 0,00127
Т26 8,93 -112,1 0,35 0,08869 0,00120 0,00124 0,00227 0,00026 0,00099 0,00065 0,00019 0,00055 0,00006 0,00027 0,00008 0,00022 0,00003 0,00040 0,00009 0,00065
Северо-Американский сланец1 27,00000 32,00000 73,00000 7,90000 33,00000 5,70000 1,24000 5,20000 0,85000 5,80000 1,04000 3,40000 0,50000 3,10000 0,48000 -
Водовмещающие породы (гранит), г/т 21,453 32,509 22,949 61,426 9,4118 45,917 10,148 2,1239 9,0948 1,2936 7,2622 1,3166 1,3166 0,48159 3,0199 0,4082 0,528
Водовмещающие породы (алевролит) 13,2088 17,3358 12,056 26,7382 3,5718 16,5371 4,183 0,8998 3,9072 0,5966 3,4287 0,6547 1,9838 0,2592 1,7481 0,2579 2,8752
FeAsS + 3О2 + 2Н2О + е- ■ ■ Fe + Н^О4 + SО2- + 2Н+.
В пластовых водах осадочного чехла высокий уровень Asобщ вызван его выщелачиванием из угольных пластов в триасово-юрских отложениях, широко распространенных в Южно-Иссыккульском районе.
Содержание бария (Ва) в изученных водо-пунктах очень сильно варьирует, разброс крайних значений составляет несколько порядков от 1,32 до 829,22 мкг/л. Минимальные концентрации Ва первые мкг/л (табл. 2; рис. 4) выявлены в термоминеральных водах скальных массивов (водопункты Т22 Т24 Т26). Поверхностные и грунтовые воды демонстрируют содержания бария близкие к его кларку в водах гипергенеза. В пластовых термоминеральных водах ИАБ можно выделить две группы термоминеральных вод: в первой концентрация Ва колеблется в пределах 11^48 мкг/л, а во второй — 96^157 мкг/л. И особняком выделяется точка Т14 с максимальными концентрациями 829,22 мкг/л. Микрокомпонентный состав различных образцов водовмещающих пород показывает, что воды с повышенным содержанием бария формируются в прослоях карбонатных толщ (табл. 3) — карбонатные породы содержат барий в высоких концентрациях (до 33,16 кг/т). Среди карбонатных фаз выявлено значительное количество карбоната бария (витерита).
Содержание рубидия в термоминеральных водах Иссык-Кульской межгорной впадины обычно выше, чем кларк элемента в водах зоны гипергенеза во всех пробах, за исключением грунтовых вод, четырех в одопунктов осадочного чехла и одного водо-пункта скального массива (табл. 2, рис. 4). В пробе Т18 (месторождение Джети-Огуз) диагностированы высокие содержания элемента 499,1 мкг/л. В этой же пробе зафиксированы повышенные содержания лития и стронция. Такие высокие концентрации элементов в данном водопункте обусловлены активным их извлечением из скальных водовмеща-ющих толщ, которые обогащены данными компонентами. В целом, нет связи рН и минерализации вод, а также температурного режима с содержанием рубидия. Его высокие концентрации регулируются только локальным содержанием в водовмещающих породах.
В изучаемых водах достаточно часто обнаруживались высокие концентрации вольфрама, максимальное значение выявлено в точке Т27. В целом, в термоминеральных водах скальных массивов содержания W почти на два порядка выше, чем кларк данного элемента в водах зоны гипергенеза. Концентрации вольфрама в исследованных водах имеют хорошую прямую корреляционную связь с рН раствора, и обратную — с минерализацией. Для многих проб независимо от их гидрогеологических характеристик выявлена прямая связь в паре железо-вольфрам, что указывает на вольфрамит (^еМп^04) как на источник обоих компонентов.
Количество алюминия разнится в зависимости от точки отбора пробы, однако в целом оно невысокое, находится в районе первых десятков мкг/л и не превышает кларк элемента в водах зоны гипергенеза (табл. 2).
Все исследованные термоминеральные источники обеднены ураном и торием, содержания данных элементов в 10 раз ниже, чем их кларки в водах зоны гипергенеза. Высокие концентрации урана в районе 50 мкг/л диагностированы в водах озера Иссык-Куль, в поверхностных водах содержания примерно равны кларку элемента, а данные по грунтовым водам показывают диаметрально противоположные результаты.
Лантаноиды, иттрий, скандий и гафний. Редкоземельные элементы (РЗЭ) — это семейство 15 химических элементов периодической системы (от лантана до лютеция), часто в эту группу включают еще имеющие сходные химические свойства скандий и иттрий. Содержания РЗЭ в исследованных водах низкие и находятся в диапазоне значений 0,07^0,81 мкг/л (табл. 4). В целом, наблюдается классическая зависимость содержания суммы РЗЭ от рН воды — чем выше рН, тем ниже концентрации РЗЭ (рис. 5). Минимальные концентрации РЗЭ наблюдаются в водах с высоким рН (8,1-9,7), а максимальные коррелируют с интервалом рН 7,3-7,9. Выпадают из общего тренда две точки Их и Тп, которые демонстрируют значительное обогащение РЗЭ 0,334 и 0,341 мкг/л, соответственно. Минимальные концентрации РЗЭ выявлены в водах скальных массивов. Сопоставление суммарного содержания РЗЭ и минерализации вод показывает неплохую корреляционную связь. Легкие РЗЭ (от La до Ей) доминируют над тяжелыми РЗЭ (от Gd до Lu), а максимальное содержание имеют La, Се и №. Наблюдаемые различия в £РЗЭ в изучаемых термоминеральных водах обусловлены типом водовмещающих толщ, а также скоростью движения подземных вод и временем их циркуляции. Содержания скандия в водах достаточно хорошо коррелируются с концентрациями РЗЭ: в пробах, обогащенных РЗЭ, фиксируется повышенное содержание Sc. Исключение составляют пробы Т3, а также термоминеральные воды из скальных массивов в водопунктах Т19-23. В них фиксируются низкие уровни РЗЭ, при высоких концентрациях Sc. Содержание гафния во всех пробах низкое, повышенные значения выявлены только в пробах Т6 и Т28.
Формы водной миграции компонентов. Моделирование форм водной миграции показало, что основные катионы во всех пробах мигрируют преимущественно в виде ионов металлов: Са2+, К+, №+, Mg2+. Подобным образом ведут себя и некоторые микрокомпоненты: Rb+, Sr2+, Li+, Ва2+. Лишь небольшая доля водных фракций приходится на их комплексные соединения. Стоит отметить, что при прочих равных наименьший процент комплексных соединений образует натрий, далее следуют калий, рубидий и литий, а наибольший — кальций и магний. Для алюминия в рассматриваемых подземных
Таблица 4
Содержание микрокомпонентов в различных типах водовмещающих толщ северной части Тянь-Шаня, г/т
№ пробы Порода Li Лs ЯЬ Sr Мо Cs Ва W ТЬ и Sc ИГ
КО-23_ЛкСу Гранит 9,11 0,96 238,11 238,16 0,14 9,51 667,21 0,53 30,06 8,01 1,48 1,29
КО-23_Дж_Ог_2 Известняк 3,58 1,92 0,67 1367,67 0,07 0,08 33157,18 4,21 0,10 0,28 0,37 0,05
КО-23_Дж_Ог_4 Монцодиорит 20,59 3,19 166,23 351,56 0,26 1,21 1896,77 1,91 3,49 0,75 21,45 0,53
КО-23_Дж_Ог_5 Аплит 6,58 2,52 190,85 150,73 0,14 3,23 1328,07 0,81 10,56 1,44 5,27 1,90
КО-23_Дж_Ог_6 Алевролит 65,18 8,14 78,41 146,58 0,19 7,68 467,80 1,38 7,93 2,84 13,21 2,88
0,40 -| 0,35 -0,30 -0,25 -0,20 -0,15 -0,10 -0,05 -0,00
Т 11
И 1
• \
•
о
О с --©-----
_____О
о о*~а—
—I 10,00
7,00
7,50
,00
8,50
pн
9,00
9,50
О Скальные массивы, трещинно-жильные воды @ оз. Иссык-Куль О Грунтовые воды
Межгорный бассейн, пластовые воды Поверхностные воды
Рис. 5. Соотношение общего количества редкоземельных элементов в природных водах северного Иссык-Куля и рН водной среды
водах преобладающей формой миграции является А1(0Н)4-.
Миграционные формы элементов главным образом регулируются составом анионной части термоминеральных вод. По этому показателю воды можно разделить на несколько групп. На рис. 6 и 7 представлены диаграммы, иллюстрирующие связь анионного и катионного состава термоминеральных вод с водными комплексами элементов. В пресных хлоридно-гидрокарбонатных и гидрокарбонатно-хлоридных натриевых и натриево-кальциевых водах
(водопуНкты Т^ Т^ Т13, Т20, Т22, Т23, Т24, Т26, Т3)
комплексные соединения рассматриваемых элементов практически отсутствуют либо составляют незначительное количество (0,03-14,6%).
В высокоминерализованных хлоридных каль-циево-натриевых и натриевых водах образуются
комплексные соединения МеС1 и MeS04, на их долю приходится 2,71-34,41% и 0,45-14,99% соответственно (Т^ Т11, Т5, Т15, ^ Т6, Т14).
В пресных сульфатно-хлоридных кальциево-натриевых (Т21), а также маломинерализованных сульфатно-хлоридных и гидрокарбонатно-сульфат-но-хлоридных натриевых и кальциево-натриевых водах (Т27, Т19); пресных гидрокарбонатно-хлорид-но-сульфатных натриевых водах (Т7, Т4) и высокоминерализованных хлоридно-сульфатных натриевых водах (И1) комплексные соединения представлены в основном в форме MeS04.
В случае элементов с переходной валентностью на формы водной миграции значительное влияние оказывают ЕЬ-рИ условия системы. На рис. 8 для нескольких компонентов продемонстрирована связь форм миграции элементов с окислительно-восста-
100
80 -
® 60 -
20 -
100
80 -
¥ 60 -
20 -
100
80 -
® 60 -
20 -
АГ3 №*'
100 -,
80 -
© 60 -
© 40
20 -
АГ3 РЬ*
Бг*2 Се*2 К*1 Мд*2 Ые*1 У1 Бе*2 Ме
100 п
80 -
® 60 -
20 -
И 1 - оз. Иссык-Куль
Ые* * К*— ! — С1-
Б02
80
I
40
0 40
мг-экв/л
~~I 80
А1*3 РЬ*1 Бг*2 Се*2 К*1 Мд*2 Ые*1 и*1 Бе*2 Ме
100 п
80 -
® 60 -
20 -
Х (ион)
Т 10 - грунтовые воды
Ые* * К*
Се2
исп-
~Г
А1*3 РЬ*1 Бг*2 Се*2 К*1 Мд*2 Ые*1 Li*1 Бе*2 Ме
Х (ион)
Т-1—
1,5 0 1,5
мг-экв/л
Т 22 - термальные воды гранитных массивов
Ые* * К*
Мд
С!-
исп-
Б02-
-1-
0
мг-экв/л
Бг*2 Се*2 К*1 Мд*2 Ые*1 Li*1 Бе*2 Ме
Х (ион)
100 -| 80 -¡в 60 -
I
© 40 -о
С
20 -0
ш
т
Т 11 - термальные воды осадочного чехла
Ые* * К*
С!-
г
"Г
~~I-1-1
600 300 0 300 600 мг-экв/л
Х (ион)
§ 40
0
0
Fe+2 И2Б0- АБО;3 W0;2 ТИ*4 УО*2
£ 40
3
0
0
Ре*2 И2Б0- АБО;3 W0:2 ТИ*4 УО*2
£ 40
6
0
Ре*2 И2Б0- АБО-3 W0:2 ТИ*4 УО*2
0
Ре*2 И2Б0- АБО;3 W0;2 ТИ*4 УО*2
□ Ме(0И)3 ■ Ме(0И)4 □ МеОИ д МеИС03 Ц МеС! Щ МеБ04 ■ МеС03^) □ Ме
□ ХИСО3 НСе2Х(С03)3 0 ХС! в СеХ(С03)3
□ Х ЕЗ ХОИ д Х(0И)3 д МдХ
и их н и/ и хсо3 ез Х(С03)3
Минерализация: ■ <1г/л I 5-10 г/л ■ 1>г/л
I СаХ ■ Х(С03)2(0И)2 Н ЫеХ ЕЗ ХБ04 И Х(0И)4 ЕЗ Х(0И)3С03
Рис. 6. Корреляция форм водной миграции отдельных компонентов с минерализацией и химическим составом природных вод Иссык-Кульского артезианского бассейна
100 та и
И 1 - оз. Иссык-Куль
Мд=* ■
О 40-
Т 10 - грунтовые воды
1,5
1,5
Т 22 - термальные воды гранитных массивов
+<D 'L Ъ Е Ъ ^ О О- ~Z. (Л ш о
□ Ме(S04)." ■ Me" ■ MeSO; Ме(СО,)_; §§ MeCO;
gj] MeOH+- Щ Ме(ОН)3 Щ Ме(ОН); Щ Ме(ОН); □ МеСР
Минерализация: <1г/л 5-10 г/л И1>г/л
Рис. 7. Корреляция форм водной миграции редкоземельных элементов с минерализацией и химическим составом природных вод Иссык-Кульского артезианского бассейна
-1-1-1-1-г
6 8 рн
АЗ(ОН)4--1
1_I_I_I_I_^^
- 1 1 1 1 1 1 -
Мп"
, 1 % Ж Ч Щ
± О Е--
- 1 □Г
о
| 1 1 1 1 С 1 2
рн
Fe(OH)2
FeOH*
_|_I_I_I_1_
14 0 2 4 6
рн
10 12 ^ 14
Fe(OH)з
10 12 14 0
рн
9 Н
О
10 12 14
О I 1 Л Т 2 А Т 3 4. Т 4 Т 5
■ Т 6 А Т 7 Ж Т 8 О I 2
Т 10 ДТ 11 ДТ 12
• Т 13 Т 14
ДТ 15 ДТ 16 ДТ 18 □ Т 19
• Т 20
■ Т 21 Л Т 22 ДТ 23 Д Т 24 Д Т 26 Д Т 27 ДТ 28
Рис. 8. ЕЬ-рН диаграммы стабильности комплексов водной миграции мышьяка, железа, марганца и урана в природных водах Иссык-Кульского горного района
новительными условиями. Преобладающей формой миграции урана во всех пробах, за исключением Т., являются комплексные соединения Саи02(С03)3-и Са2и02(С03)3. Если содержания кальция в растворе сильно уменьшаются до 2-5%-экв., комплексы с кальцием исчезают, и начинают преобладать ура-нил-карбонатные комплексы и02(С03)4-.
Основными миграционными формами тория в рассматриваемых пробах являются ТЬ(0Н)4, ТЬ(0Н)3С0- и ТЬ(С03)2(0Н)2-. С увеличением рН и уменьшением минерализации доля карбонатных форм увеличивается.
В большинстве проб преобладающей формой миграции вольфрама является При увеличе-
нии содержания кальция увеличивается доля CaW04 (до 54% в пробе Т18). Если в растворе присутствует значительное количество магния, то начинает образовываться комплекс MgW04.
Мышьяк в изучаемых водах представлен в основном в двух формах: НА80^- и Н2Аз04. Преобладающей формой является НА80^- и ее количество не зависит от гидродинамических условий. В случае же уменьшения рН вод ниже 7,0 начинает проявляться Н2Аз04 (рис. 8).
Основными формами миграции бора в рассматриваемых водах являются Н3В03 и Н2В03. Доля Н3В03 увеличивается при уменьшении рН. В высокоминерализованных водах присутствует небольшая доля СаН2В0+.
Преобладающей миграционной формой железа во всех пробах, за исключением Т3, является простой ион Fe2+. С увеличением величины рН увеличивается доля формы Fe(0H)+, в пробе Т3 при рН = 9,83 доля Fe(oH)+ достигает 62%. Также при увеличении минерализации и содержания 804- появляется форма FeS04. В высокоминерализованных хлоридных во-
1
1
5
5
0
0
дво2он2-
1
5
0
дах присутствует небольшая доля FeCl+. В пресных и маломинерализованных водах, имеющих НС03 в макрокомпонентном составе, в небольших количествах появляется комплексное соединение FeHC0+.
При рассмотрении редкоземельных элементов опробованные воды так же можно разделить на несколько групп. При этом скандий во всех пробах представлен в виде гидроксидов, преимущественно 8С(ОН)-.
К первой группе отнесены пресные и слабоминерализованные воды, для них характерной формой миграции редкоземельных элементов являются карбонатные соединения МеС0+ и Ме(С03)2-. Доля Ме(С03)2- преобладает и увеличивается от лантана до лютеция.
Вторая группа включает в себя среднеминерали-зованные воды, в которых редкоземельные элементы присутствуют в виде различных комплексных соединений — МеС0+, Ме(С03)2- и Ме80+, а также простых ионов Ме3+. При уменьшении рН и содержания НС03 в воде, доля карбонатных комплексов заметно уменьшается (Т5, Т6, Тп).
Коэффициент водной миграции позволяет представить особенности миграции отдельных химических элементов в различных водоносных горизонтах и зонах изучаемого района, оценить степень подвижности элементов. Чем выше коэффициент водной миграции (то есть, чем интенсивнее его водная миграция), тем сильнее химический элемент способен выщелачиваться из вмещающих отложений. Группировка элементов по интенсивности водной миграции позволяет построить геохимическую модель и выделить круг элементов, которые интенсивно выносятся за пределы водовмещающих толщ, обедняя их. На интенсивность водной миграции химического элемента влияет значительное количество параметров: его содержание в литосфере (кларк), индивидуальные свойства элемента, условия движения воды, минерализация, температура и т.д. [Крайнов, Швец, 1992]. Для оценки интенсивности миграции компонентов в термоминеральных водах изучаемой площади рассчитан коэффициент водной миграции Кх для макро- и микрокомпонентов по
отношению к их содержанию в гранитных породах и в алевролитах.
Таблица 5 представляет результаты расчета коэффициентов водной миграции отдельных компонентов в зависимости от гидрогеологических условий циркуляции, состава водной толщи и минерализации воды.
Анализ данных показывает, что миграция компонента достаточно сильно варьирует в зависимости от условий циркуляции вод. Например, в скальных массивах 8г является сильным мигрантом, а в осадочной толще он мигрирует слабее и его миграционная способность средняя. Похожая картина характерна и для С8. Практически во всех условиях сильными или очень сильными мигрантами (Кх>1) являются основные катионы (Са, Ыа, Mg) и микроэлементы Мо, 8г, Мп и Сз. Наиболее низкая интенсивность водной миграции свойственна таким микроэлементам как А1, ТЪ, Fe, Со, Сг, Rb, Т1. В термальных водах гранитных массивов сильная и очень сильная интенсивность миграции (Кх>1) характерна для таких элементов как Мо, Мп, Ыа, 8г, Са, средняя (0,1-1) для Rb, К, Mg. Для термальных вод осадочного чехла наблюдается такая же закономерность, исключением являются Rb и Mg, коэффициент водной миграции которых становится меньше 0,1. В холодных подземных в одах осадочного чехла по сравнению с термальными увеличивается коэффициент водной миграции 8г, и он переходит в группу элементов с очень сильной интенсивностью миграции, а интенсивность миграции Rb увеличивается до средней.
На рис. 9 отражены средние значения для коэффициентов водной миграции для каждой группы опробованных вод, а также минимальные и максимальные значения рассматриваемых показателей.
Заключение. Таким образом, проведенные исследования показывают, что неравномерность заполнения осадками межгорной впадины Иссык-Куль приводит к спорадическому распространению минеральных вод с различной минерализацией и химическим составом. В палеогеновых осадках химический состав вод наследует тип водовмещающей
Таблица 5
Коэффициент водной миграции отдельных компонентов в водах различных гидрогеологических условий циркуляции
Интенсивность миграции Кх Фа-ницы Скальные массивы Осадочная толща
Минерализация термоминеральных вод, г/л
<1 1-2 <1 1-2 2-5 5-10 >10
Очень сильная >10 Мо, Сэ, Ыа Мо, Мп, Ыа Мо, Ыа Мо, Ыа Мо, Мп, Ыа Мо, Ыа Мо, Ыа, Мп, 8г
Сильная 1-10 8г, Мп, Са 8г - Мп Сэ 8г, Мп, Са Са
Средняя 0,1-1 ЯК К, Mg Са, Ва 8г, Мп, 81, Са, к, и 8г, Са, и 8г, яь, К, Са, и - -
Слабая <0,1 81, и, Ва, Н, Lu, А1, Т1, La, ТЬ К, М^ Сэ, 81, яь, и, Н, ТЬ, La, Lu, А1, Т1 Ва, М^ Сэ, яь, А1, Lu, Н, ТЬ, La, Т1 К, Ва, 81 , М^ Сэ, яь, А1, Н, Lu, Т1, La, ТЬ Ва, 81, Мg, Н, Lu, А1, La, Т1, ТЬ К, Ва, ЯЬ, Сэ, 81, Mg, и, Н, Lu, А1, La, ТЬ, Т1 К, М^ Сэ, Ва, ЯЬ, 81, и, Lu, Н, La, А1, ТЬ, Т1
- ^ = 10 - ^ = 1
^ = 0,1 - Термальные воды в гранитных массивах
Термальные воды осадочного чехла -----Холодные подземные воды осадочного чехла
--------------- оз. Иссык-Куль Поверхностные воды
Рис. 9. Коэффициент водной миграции в природных водах Иссык-Кульской горной впадины
толщи. В средней и верхней частях разреза формируются солоноватые сульфатно-хлоридные/хлоридно-сульфатные воды кальциево-натриевого/натриевого состава. В нижней части разреза на глубине 1-2 км водовмещающая толща имеет пониженную проницаемость, что приводит к образованию застойного режима. В условиях повышенного теплового потока (высокой теплопроводности водовмещающих толщ) формируются термальные высокоминерализованные (соленые) воды хлоридно-натриевого состава. Присутствие в разрезе прослоев гипса, поваренной соли, мирабилита, глинистых пород, конгломератов, песчаников и гравелитов обеспечивает повышенные содержания В, Sr, Ва, Li, Fe, Мп, В, Мо и и в минеральных водах. Часто выявляются вертикальные перетоки соленых вод в верхние более пресные слои. Низкоминерализованные термальные воды скальных массивов содержат повышенные концентрации Д, Li, Rb, W и Sc.
Минимальные концентрации РЗЭ выявлены в водах скальных массивов, что обусловлено высоким значением рН термоминеральных вод. Сопо-
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Гидрогеология СССР. Т. XL. Киргизская ССР / Гл. ред. А.В. Сидоренко. М.: Недра, 1971. 487 с.
Еловский Е.В. Математическое устранение спектральных помех при прямом определении редкоземельных элементов в природных водах методом квадрупольной масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой // Масс спектрометрия. 2015. Т. 12, № 2. С. 107-116.
Жуков Ю.В., Захаров И.Л., Березанский А.В., Израи-лева Р.М. Геологическая карта Кыргызской республики. Масштаб 1 : 500 000 / Гл. ред. Б.Т. Турсунгазиев, О.В. Петров. СПб.: Картогр. ф-ка ВСЕГЕИ, 2008.
ставление суммарного содержания РЗЭ и минерализации вод показывает неплохую корреляционную связь. Наблюдаемые различия в £РЗЭ в изучаемых термоминеральных водах обусловлены типом водовмещающих толщ, а также скоростью движения подземных вод и временем их циркуляции. Содержания скандия в водах достаточно хорошо коррелируются с концентрациями РЗЭ: в пробах, обогащенных РЗЭ, фиксируется повышенное содержание Sc.
Формы водной миграции компонентов зависят от анионной части раствора, его температуры и рН-ЕЬ условий. Гидродинамическая обстановка не влияет на соотношение водных комплексов. Однако значение коэффициента миграции в значительной степени определяется типом водовмещающей толщи и гидродинамическими условиями циркуляции вод, и в меньшей степени зависит от температуры водной среды и ее минерализации.
Финансирование. Исследование выполнено при поддержке РНФ (проект № 23-27-00119 «Генезис и условия циркуляции термальных вод кристаллических массивов горноскладчатых областей»).
Катаева Н.И. Подземные минеральные воды Киргизской ССР / Н.И. Катаева, З.И. Мельникова, Р.Д. Барсуцкая и др.; М-во здравоохранения Кирг. ССР. Науч.-исслед. ин-т курортологии и физиотерапии. Фрунзе: Кыргызстан, 1969. 142 с.
Кендирбаева Д.Ж. Подземные воды межгорных впадин — основа водообеспеченности Кыргызстана для устойчивого развития // Современные проблемы геологии, геофизики и геоэкологии Северного Кавказа: Материалы XIII Всероссийской научно-технической конференции с международным участием. М.: Институт истории
естествознания и техники им. С.И. Вавилова РАН, 2023. С. 513-520. D0I 10.26200Ю8Т0и.2023.87.54.067.
Крайнов С.Р., Швец В.М. Гидрогеохимия: Учебник для вузов. 1992. М.: Недра, 463 с.
Мандычев А.Н. Подземные воды Иссык-Кульского бассейна // Озеро Иссык-Куль: природные условия. Научные серии НАТО: IV. Земля и экологические науки. Т. 13. 2002. С. 71-76.
Мандычев А.Н. Роль гидрогеологической системы в Иссык-Кульском водном бассейне. ЬИр8:/^еоЬу^о. пагоАшМаибА.Мт.
Матыченков В.Е., Иманкулов Б.И. Минеральные воды Киргизии. Фрунзе: Илим, 1987. 251 с.
Перельман А.И. Геохимия элементов в зоне гиперге-неза / А.И. Перельман. М.: Недра, 1972.
Трифонов В.Г., Зеленин Е.А., Соколов С.Ю., Бачма-нов Д.М. Активная тектоника Центральной Азии // Геотектоника. 2021. № 3. С. 60-77.
Харитонова Н.А., Барановская Е.И., Челноков Г.А. и др. Геохимия природных вод Киргизской части Тянь-Шаня // Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами: Мат-лы V Всероссийской научной конференции имени проф. С.Л. Шварцева. Томск, 2023. С. 327-330.
Chelnokov G., Lavrushin V., Bragin I., et al. Geochemistry of Thermal and Cold Mineral Water and Gases of the Tien Shan and the Pamir // Water. 2022. V. 14, 838. https://doi. org/10.3390/w14060838.
Gustafsson J.P. Visual MINTEQ 3.1 user guide. 2019. 73 p.
Официальный сайт программного комплекса The Geochemist's Workbench (GWB). https://www.gwb.com.
Статья поступила в редакцию 23.03.2024, одобрена после рецензирования 03.06.2024, принята к публикации 18.08.2024
