CC BY
32
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
УДК 550.42
С.В. Борзенко
S. Borzenko
РОЛЬ «ВТОРИЧНОГО» МИНЕРАЛООБРАЗОВАНИЯ В ФОРМИРОВАНИИ СОДОВЫХ ВОД ОЗЕРА ДОРОНИНСКОЕ
ROLE OF «SECONDARY» MINERAL FORMATION IN SODA-WATER FORMING OF DORONINSKOYE LAKE
В статье рассмотрены термодинамические равновесия с позиции взаимодействия «вода-порода» в оз. Доронинское. На диаграммах показан «равновесно-неравновесный» характер растворения рапой алюмосиликатных минералов, входящих в состав осадочных пород. Определены основные позиции этапного развития системы «вода-порода», вносящие значительный вклад в формирование содовых озерных вод
The article considers thermodynamic balances from a position of «water-rock» interaction in the lake Doroninskoye. Diagrams show «balance-non-balance» character of rape solution of brine aluminosilicate minerals, which are in composition of sedimentary rocks. Main positions of stage development of «water-rock» system making significant contribution to formation of soda lake waters are determined
Ключевые слова: проблемы содообразования, химиче- Key words: problems of soda formation, chemical types of ские типы поверхностных вод surface waters
Недостаточная изученность проблемы формирования содовых вод зоны гипергенеза вызывает разногласия среди исследователей и формирует разнообразные подходы к механизму содообразования [4, 5 и др.]. Известно, что равновеснонеравновесный характер системы «вода-порода» в поверхностных водах проявляется в разрушении водой горных пород с образованием «вторичных» минералов, органических соединений и новых геохимических типов воды. В таких водах катионный состав в подавляющей части является литогенным, он определяется
составом контактирующих с водой пород и представляет собой разность между составом растворяемых и формируемых пород. Анионный состав воды в пределах алюмосиликатов не зависит от типа пород, а представляет собой продукт диссоциации самой воды (ОН-), который химически связан с конечным продуктом минерализации органического вещества (СО2) [5].
Чтобы разобраться с механизмом образования содовых вод, мы рассмотрели влияние процессов «вторичного» минерало-образования в рапе оз. Доронинское на фор-
мирование его химического состава.
Оз. Доронинское расположено на юго-западе Читинской области, в центре Доронин-ско-Бальзойской депрессии [3]. Подстилается оно раннемеловыми песчаниково-алевроли-товыми породами и четвертичными отложениями в виде донных илов. Осадок пелитовых фракций донных отложений озера имеет смек-тит-каолинит- гидрослюдистый состав и содержит сульфиды железа и примесь карбонатов доломит-анкеритовой и содовой групп [1]. За вековую практику наблюдения за гидрохимическим состоянием оз. Доронинское установлен переход от рассольного типа вод до соленого. Колебания солености воды сказываются на ее химическом составе и являются следствием изменения термодинамических равновесий в системе «вода-порода». Так, равновесие воды с содой в оз. Доронинское наблюдалось в начале прошлого столетия, когда минерализация рапы достигала 94 г/л, а содержания гидрокарбонатов и карбонатов натрия - 72 г/л. [3]. Со второй половины прошлого века, по эпизодическим наблюдениям, новосадка соды не происходит, что подтверждают расчеты по данным наших анализов состава озерной воды [1].
Опреснение рапы оз. Доронинское изменило качественное и количественное соотношения между водой и формирующимся в ней минеральным комплексом, но сохранило содовый характер воды с основополагающими солевого состава гидрокарбонатными и карбонатными солями натрия.
Известно, что содообразование - это естественный этап развития системы вода-порода, связанный с осаждением карбоната Са, монтмориллонитов и других глин, которые выводят из раствора катионы: Са2+, Мд2+, К+ и частично Иа+. Однако большая часть последнего сохраняется в растворе, способствуя формированию содовых вод [4, 5].
На основании полученных аналитических данных химического состава рапы оз. Доронинское рассмотрены равновесия вод с кальцитом, который является основным барь-
ером для кальция и не позволяет ему накапливаться в данном типе вод. Оказалось, что рапа действительно в высокой степени перенасыщена по кальциту (СаСОз), т.к. точки расположены значительно выше границы его насыщения (рис. 1).
Расчет равновесия озерных вод с Са-алюмосиликатными минералами показал, что большая часть точек располагается в поле устойчивости каолинита и Са-монтмориллонита. Переход равновесия от одного минерала к другому находится в зависимости от содержаний Са и Б1, концентрации которого в рапе синхронно колеблются как в сторону роста, так и снижения. Равновесие с первичными минералами, в частности, с анортитом, достигается двумя точками. Остальные располагаются рядом с границей, предвещая скорое насыщение (рис. 2).
Диаграмма равновесия вод с Иа-алюмосиликатами указывает на то, что в поле устойчивости Иа-монтмориллонита оказывается большее количество точек, чем каолинита, что характерно для высокощелочных вод озера Доронинское. Остальные ложатся в поле устойчивости анальцима, свидетельствуя о равновесии воды с первичными минералами (рис. 3).
Иная картина характерна для равновесия воды с Мд-алюмосиликатами, т.к. в этом случае значительная часть точек ложится в поле устойчивости с Мд-хлоритом, располагаясь за его пределами, но не достигая равновесия с форстеритом, поле которого выше Мд-хлорита (1д[Мд2+]/[И+]2 = 16,26 [5]), не имея равновесных значений с каолинитом, гиббситом и Мд-монтмориллонитом (рис. 4).
Наконец, на диаграмме равновесия с К-алюмосиликатами все точки располагаются в поле устойчивости мусковита, но ниже К-полевых шпатов (его поле выше границы устойчивости с мусковитом), исключая вторичную фазу в виде иллита, каолинита и К-монтмориллонита (рис. 5).
Рис. 1. Равновесие рапы оз. Доронинское с кальцитом (Шварцев, 1998 г.)
№8104
Рис. 2. Диаграмма равновесия анортит-гиббсит-каолинит-монтмориллонит с нанесением данных по составу рапы оз. Доронинское (Шварцев, 1998 г.)
^[И48Ю4]
Рис. 3. Диаграмма равновесия анальцим-альбит-монтмориллонит-каолинит-гиббсит с нанесением данных по составу рапы оз. Доронинское (Шварцев, 1998 г.)
№48104]
Рис. 4. Диаграмма равновесия хлорит-монтмориллонит-гиббсит-каолинит с нанесением данных по составу рапы оз. Доронинское (Шварцев, 1998 г.)
Рис. 5. Диаграмма равновесия мусковит-иллит-монтмориллонит-каолинит-гиббсит с нанесением данных по составу рапы оз. Доронинское (Шварцев, 1998 г.)
На диаграммах приведено ограниченное количество минералов, равновесия с которыми наиболее очевидны в силу химического состава озерной воды и алюмосиликатов, входящих в состав осадочных пород рассматриваемой территории. Невозможно учесть все их разнообразие, но из представленного материала видно, что некоторая часть минералов равновесна с первичными минералами, в частности, с мусковитом, Мд-хлоритом, в некоторой степени с анальцимом, а также с вторичными минералами (каолинитом, монтмориллонитом, кварцем, кальцитом и др.). Но большинство первичных алюмосиликатов (анортит, К-полевой шпат, форстерит и др.) неравновесны с озерной рапой [1] и способны инконгруентно растворяться [5; С. 96] в этих условиях. При этом значительная часть химических элементов, поступающих в раствор за счет растворения первичных минералов, связывается вторичными продуктами, а другая часть концен-
трируется в растворе.
Процесс растворения и осаждения минералов хорошо заметен на катионах озерной рапы. Так, с момента равновесия воды с кальцитом поведение Мд становится аналогичным Са, т.к. Мд-хлорит является для Мд барьером. Равновесие с Мд-хлоритом достигается уже при более высоких концентрациях Мд, поэтому содержания его в воде более высоки, но не превышают 71 мг/л. Тот же процесс наблюдается и с К, но границы его растворимости выше, чем у предыдущих элементов, поэтому и содержания его в рапе достигают еще более высоких значений (до 262 мг/л). Иная картина характерна для Иа, который, хотя и участвует в формировании глин, но в незначительных количествах, по сравнению с остальными катионами, поэтому его концентрации увеличиваются с ростом общей минерализации.
Анализ химического состава рапы оз. Доронинское показал, что общая минерализа-
ция складывается, в основном, из Иа+, 01-, НСОз- и ООз2-. Низкие содержания БО42- объясняются активным его восстановлением до сероводорода сульфатредуцирующими микроорганизмами [2], которые служат барьером для этого аниона. Если сравнить содержания со-
Причины неравномерного концентрирования очевидны из описанных диаграмм, где Са выпадает в виде кальцита и различных глинистых минералов, К и Мд связывается слюдами, для Иа наиболее характерно накопление в рапе, чем осаждение его в виде глин. Высокие концентрации С1- являются результатом испарительного концентрирования, т.к. не существует в данном случае источников, которые в значительной степени изменили его содержания в рапе. Этот анион не имеет геохимических барьеров в таких типах вод, его содержания синхронно увеличиваются с ростом карбонатности и рН воды. Заниженная степень концентрирования у НСОз- означает активное его выщелачивание поверхностными водами из пород водосборного бассейна, где действительно главным компонентом является НСОз-, который доминирует над остальными анионами.
Природа НСОз- в озерной рапе многогранна, помимо гидролиза алюмосиликатных минералов, на начальной стадии формирования содовых вод, где он является продуктом реакции [5]:
левых компонентов рапы оз. Доронинское и вод водосборного бассейна, которые можно отнести к типичным водам выщелачивания, то становится очевидным, что максимальный рост характерен для Иа+ и С1-, минимальный -для Са2+ (см. таблицу).
МеХ Л/Х £/хО4 х + Н 2 О =
= Л/2Х&2ХО5Х (ОН)4Х + 2МЕ2+ + 4ОН - ' ОН ~+ СО2 = НСО3-,
установлена и биохимическая возможность его продуцирования в оз. Доронинское по реакции [2]:
СН2О + £О42" = Ж - + НСО3-.
Как правило, для вод с высокощелочной средой СОз2- является результатом второй ступени диссоциации Н2СО3 по схеме:
Н2СО3 ® НСО3~ + Н + ® СО32- + Н +.
Для озерной воды наиболее устойчивой формой будет СОз2-. По мере накопления (после осаждения кальцита и доломита) ему также свойственны высокие содержания.
С момента образования кальцита равновесие воды со всеми алюмосиликатами невозможно, поэтому они продолжают растворяться с переводом в раствор всех химических элементов, но на следующем этапе вместо каолинита и монтмориллонита формируются уже различные слюды, которые связывают в определенной последовательности: К+, Мд2+, Са2+ и частично Иа+. Состав алюмосиликатов
Химический состав вод (мг/л) и степень концентрирования воды
оз. Доронинское
Тип вод I pH СОз2- НСОз- БО42- С1- Р- Са2+ Мд2+ Иа+ К+
Оз. Доронинское 26766 9,69 4620 6771 150 561 з 10,4 1,19 14,4 9456 1з0,1
Водосборный бассейн 549 7,71 - звз 25 8 0,6 70 25 з7 1.з
Степень концентрирования 49 18 6 702 17 0,02 0,6 256 100
разнообразен, отсюда следует огромное количество реакций гидролиза, которые протекают с образованием глин того или иного состава, кальцита с последующим концентрированием в растворе Иа+ и НСОз-, т.е. соды. Следовательно, на определенной стадии формирования химического типа вод возможно содонако-пление, поскольку Иа+, НСОз- (СОз2-) в этих
1. Замана Л.В. Гидрохимическая и термоди-номическая оценка минеральных равновесий водной толщи содового озера Доронинское: мат. конф.
/ Л.В. Замана, С.В. Борзенко // Улан-Уде: БНЦ СО РАН, 2007. - С. 68-71.
2. Замана Л.В. Сероводород и другие восстановленные формы серы в кислородной воде озера Доронинское (Забайкалье) / Л.В. Замана, С.В. Борзенко // Доклады Академии наук, 2007. - №
2. - С. 2з2-2з5.
Коротко об авторе___________________________________
Борзенко Светлана Владимировна, младший научный сотрудник, Институт природных ресурсов, экологии, криологии Сибирского отделения Российской Академии наук (ИПРЭК СО РАН), 1пгвс.зЬгаз@та1!.ги
Научные интересы: гидрогеохимия минеральных озер, природа формирования химических типов поверхностных вод, проблемы содообразования в природе
условиях не встречают существенных геохимических барьеров. Рассмотренные термодинамические равновесия с позиции взаимодействия в системе вода-порода подтверждают значительный вклад геологического субстрата в процессы формирования содовых вод оз. Доронинское.
________________________________Литература
3. Иванов А.В. Гидрохимия озер Центрального Забайкалья / А.В. Иванов, Л.Н. Трофимова. -Владивосток: Дальневосточное кн. изд-во, 1982. -С. 140.
4. Посохов Е.В. Происхождение содовых вод в природе / Е.В. Посохов. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969. - С. 153.
5. Шварцев С.Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза / С.Л. Шварцев. - М.: Недра, 1998. - С. 365.
___________________________Some facts about author
Borzenko Svetlana, junior research worker, Institute of natural resources, ecology, criology of Sibirian branch of Russian Academy of science (INREC SB RAS) [email protected]
Scientific interests: hydrogeochemistry of mineral lakes, the nature of formation of surface waters chemical types, problems of soda formation in nature
