КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 17-17-01158

НазваниеМеханизмы взаимодействия, состояние равновесия и направленность эволюции системы соленые воды и рассолы - основные и ультраосновные породы (на примере регионов Сибирской платформы)

РуководительЛепокурова Олеся Евгеньевна, Доктор геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Года выполнения при поддержке РНФ 2017 - 2019 

КонкурсКонкурс 2017 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-208 - Гидрогеохимия

Ключевые словаЭволюция в неживой материи, равновесно-неравновесное состояние, эволюция системы вода-порода, гидрогеохимия, алюмосиликатные минералы, механизм формирования рассолов, взаимодействие воды с алюмосиликатами, соленые воды, открытые системы, однонаправленная эволюция, типы равновесий

Код ГРНТИ38.33.19


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Ранее нами (Шварцев, 2015) установлено, что с появлением воды на нашей планете возникла неравновесная внутренне противоречивая система вода-базальты, обладающая способностью к внутренней эволюции, независимой от внешних факторов и неподвластная никаким другим силам, кроме вечного стремления растворять минералы базальтов и формировать новые, включая те, которых прежде на Земле не было. Результатом эволюции этой системы явилось формирование разнообразных вторичных минеральных комплексов в тесной ассоциации с определёнными геохимическими типами воды и возникновение нового минерального мира, представленного дочерними продуктами материнской системы вода – базальты. Чрезвычайно важно, что неравновесность воды с базальтами явилась тем спусковым механизмом, который определил направленность всей глобальной эволюции. Тем самым мы вплотную подошли к решению самой острой проблемы всего естествознания – природы эволюции окружающего мира. В этой связи перед нами встала новая задача – выявление более детальных механизмов эволюции системы вода-базальты за геологически длительный отрезок времени, изучение характера равновесия и его изменение во времени, направленности эволюции этой системы, механизмов, контролирующих ход такой эволюции, выявление ее результатов. У рецензента, как и любого читателя, может возникнуть вопрос: какое отношение имеет взаимодействие воды с основными породами к глобальной эволюции? Самое непосредственное: по развиваемой нами концепции, которая опубликована, в том числе и в Вестнике РАН, главным фактором эволюции является вода, именно в водном растворе формируются принципиально новые и более сложные соединения. Эволюция на нашей планете началась не с образования живого вещества, как принято считать, а с появления воды и ее взаимодействия с базальтами, которые в это время доминировали на земле. Выработанные на этом этапе механизмы эволюции в неживой материи позже были унаследованы живым веществом. Но детали в этом плане эволюции никто никогда не изучал. Мы первые прокладываем эту дорогу (Шварцев, 2012, 2013, 2014, 2016). Постоянная неравновесность подземных вод любого состава с основными и ультраосновными породами, изменение характера их взаимодействия, необратимость направленности протекающих процессов делают эту систему одной из наиболее интересных в целом для неживой природы. Нами показано, что система вода-базальты является первой в истории Земли диссипативной структурой, которая развивается в далёкой от равновесия области, а неравновесность, как известно, не источник гибели, а, напротив, основа становления упорядоченности, причина сруктурогенеза и эволюции системы в целом. Неравновесность создаёт противоречие в системе вода-базальты, которое является главной движущей силой эволюции, приводит к изменению необратимых потоков энергии и вещества на фоне стремления эволюционирующих открытых систем к равновесию. Более того, именно с диссипативными системами связано свойство самоорганизации материи, которое определяет возможность перехода хаоса к порядку, образованию новых структур в открытых нелинейных средах (Пригожин, Стенгерс, 2003). Анализ геологического материала показывает, что эндогенная порода является для воды чужеродной, несовместимой по своим свойствам и составу. Поэтому вода её непрерывно растворяет и формирует новые (осадочные) образования, которые по своим параметрам более совместимы со строением воды, Следовательно, взаимодействие воды с основными и ультраосновными породами представляет особый интерес. И не просто воды, а соленых вод и крепких рассолов, которые с этими породами взаимодействуют в течение геологически длительное время. Необходимо на примере реальных систем показать, что не просто идет взаимодействие (растворение) в любых природных условиях, найти продукты этого взаимодействия, но и раскрыть детали механизмов эволюции этой системы, ее направленность, изучить термодинамику процесса, найти движущие силы, выделить этапы эволюции и т.д. Говоря другими словами подойти к системе вода-базальты как непрерывно развивающейся, внутренне противоречивой физико-химической и одновременно геологической. Пора поднимать геологию на новый синергетический уровень. Надеюсь, что актуальность и новизна проблемы настолько очевидны, что о них писать не надо. Нетрадиционный, междисциплинарный, естественно-исторический и системный подход к проблеме основанный на новейших достижениях термодинамики, синергетики, физико-химии процессов взаимодействия, гидрогеохимии, который положен в основу исследований, привлечет внимание рецензентов своей неординарностью. К сожалению, в нашей стране неординарность подходов в науке не всегда поддерживается, но хочется верить, что мудрые люди среди рецензентов не перевелись.

Ожидаемые результаты
Основной результат выполнения этого проекта – представить доказательства наличия строго направленной эволюции в системе соленые воды и крепкие рассолы – основные и ультраосновные породы с раскрытием ее механизмов, движущих сил, важнейших факторов, управляющих параметров, термодинамических переменных, источников энергии, механизмов самоорганизации, состава формирующихся гидрогенно- минеральных комплексов и т.д. Такая грандиозная абсолютно новая задача ставится впервые в мировой практике. Мы, безусловно, являемся пионерами этого направления. В разных развитых странах решаются только отдельные части этой задачи, например, изучается равновесие воды с различными минералами, но никто пока не говорит о наличии эволюции в неживой материи, ее механизмах, направленности и т.д. Естественно, что все эти выводы будут получены путем изучения химического и изотопного состава большого количества проб разного типа вод, отобранных в разных регионах, сбора сведений о составе вторичных минералов, развитых в каждом конкретном случае, расчета термодинамических равновесий, оценке степени метаморфизации рассолов, выявления их генетического типа, расчета форм миграции ведущих элементов и много другого. Поэтому результатами будут также: 1. Базы данных химического и изотопного состава изученных нами вод; 2. Микроскопические определения состава вторичных минералов, их электронные снимки; 3. Формы миграции химических элементов в водах разного состава; 4. Диаграммы равновесия в системе вода - различные первичные и вторичные минералы по фактическим данным, полученные путем термодинамических расчетов по специализированной программе HydroGeo; 5. Различные генетические графики, позволяющие выявить исходные генетические типы соленых вод и рассолов; 6. Разнообразные геологические схемы исследуемых районов; 7. Схемы этапов и стадий метаморфизации исследуемых соленых вод и рассолов; 8. Перечень изученных геохимических типов вод и последовательность их формирования; 9. Схемы последовательности образования выявленных нами гидрогенно-минеральных комплексов; 10. Опубликованные и подготовленные к печати статьи. Практически по всем перечисленным проблемам существуют разные подходы, точки зрения, методы исследований. Поэтому полученные результаты внесут много нового в решение проблем гидрогеологии и гидрогеохимии (формирование рассолов их генезис, механизмы метаморфизации, геохимические их типы и т.д.) литологии и минералогии (механизмы процессов катагенеза и эпигенеза, последовательность и стадийность вторичного минералообразования, ведущие их факторы, оценке роли воды, решения проблемы источников) и конечно учения об эволюции в неживой материи. Все это касается решения многих практических проблем рационального природопользования (промышленного извлечения химических элементов, решения острых экологических проблем охраны окружающей среды (разработка современных методов утилизации отходов) и т.д. Естественно, что все эти прикладные проблемы имеют огромное социальное и экономическое значение, о чем говорилось не раз.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Уже в первый год исследований по проекту РНФ «Механизмы взаимодействия, состояние равновесия и направленность эволюции системы соленые воды и рассолы - основные и ультраосновные породы (на примере регионов Сибирской платформы)» получены новые данные по уникальному составу разнообразных подземных вод, включая крепкие рассолы, которые позволили обосновать наличие разнообразной и непрерывной эволюции в системе вода-порода, т.е. в неживой материи. Отдельными яркими звеньями такой эволюции выступают высокоминерализованные содовые воды, азотные и углекислые термы, воды озер и др. Так, высокоминерализованные содовые воды – это результат длительного взаимодействия инфильтрационных вод с алюмосиликатными горными породами (песчаниками, алевролитами, аргиллитами, сланцами и т.д.) и углем, которое развивается в условиях затрудненного водообмена и равновесно-неравновесного состояния системы вода-порода-газ-уголь. Вода непрерывно в течение геологически длительного времени растворяет исходные алюмосиликатные минералы, с которыми неравновесна, и одновременно образует вторичные минералы (карбонаты, монтмориллониты, иллиты, хлориты, альбит, микроклин и др.) с которыми устанавливается термодинамическое равновесие. При этом карбонаты и гидрокарбонаты Na, которые не достигают равновесия, непрерывно накапливаются в растворе. Фактором, способствующим масштабному проявлению этих процессов, выступает CO2, формирующийся за счет окисления угля. Образование вторичных минералов и непрерывное поступление в систему CO2 служит геохимическим барьером на пути установления равновесия подземных вод с первичными алюмосиликатами и тем самым обеспечивает постоянную эволюцию системы вода-порода-газ-уголь. Наличие такой эволюции подтверждается и данными масштабного фракционирования изотопов углерода в процессе преобразования угля. На примере состава термальных вод провинции Цзянси, Китай показано, что исключительно низкая их минерализация и высокая щелочность обусловлены непрерывным растворением первичных алюмосиликатов, с которыми термы неравновесны, и одновременном осаждении многочисленных вторичных минералов, включая кальцит, магнезит, флюорит, альбит, ломонтит, мусковит, микроклин, глаукофан, тальк и др., которые при своем образовании связывают практически все химические элементы, поступающие в раствор. В результате этого формируется динамическое равновесие между количеством элементов, поступающих в раствор и выводимых из него. Поэтому соленость таких терм не растет, хотя взаимодействие водного раствора с горными породами продолжается, т.е. эволюция системы вода-порода не прерывается. При этом большую роль играет их газовый состав. В азотных термах в отсутствии CO2 быстро растут значения рН, что определяет и быстрое насыщение этих вод вторичными минералами. В углекислых же термах большая часть образующейся при гидролизе алюмосиликатов гидроксильной группы OH- связывается с CO2 и образует HCO3-. Это, в свою очередь, приводит к понижению их рН, что тормозит установление начала равновесия со многими вторичными минералами, поскольку при более низких значениях рН для установления такого равновесия требуется более высокие содержания всех элементов. Следовательно, при одной и той же солености углекислые термы по сравнению с азотными, не достигают равновесия со многими вторичными минералами и продолжают аккумулировать отдельные химические элементы, что обеспечивает их более высокую соленость, но более низкую щелочность. Такое заключение нами сделано впервые в мировой практике. На примере озерных вод и состава подземных их водосборной территории нами показано, что разнообразие их состава наряду с испарением определяется их взаимодействием с минералами вмещающих пород, поскольку характер равновесия озерной воды с горными породами носит равновесно-неравновесный характер. Со многими минералами магматических пород все озера неравновесны. Это обстоятельство обеспечивает их непрерывное растворение и соответственно накопление подвижных элементов в растворе, т.е. тех, которые не связываются вторичными минералами. Наиболее масштабно такие процессы проявлены в содовых озерах, что подтверждается наличием в них наиболее высоких значений рН (9,0-10,7), которые являются свидетельством максимального по масштабам взаимодействия таких вод с эндогенными алюмосиликатами, гидролиз которых обеспечивает рост рН и соответственно высокое содержание карбонатных ионов. В свою очередь, это приводит к максимальному выпадению карбонатов Са, Мg и Fe и частично Nа (гейлюссит, альбит, парагонит и др.), но в то же время и накопление в этом типе озер Nа, U, Th, Zr, Аs, F и др. элементов. Важным процессом также является микробиологическое восстановление сульфатов. Масштабы таких процессов разные в каждом озере и доля восстановленных форм серы, поэтому тоже разная. И как следствие в регионе формируются разные типы озер. В частности, формирование хлоридных озер происходит в условиях относительно слабого водообмена в неглубоких озерах с высокой степенью испарения и наличием процессов сульфат-редукции. Геохимическая среда в таких озерах способствует концентрированию наряду с Na и Сl также Li, Rb, Br, Sr и др. Таким образом, формирование состава озер процесс более многофакторный, но главными являются испарение и эволюция системы вода-порода. Каждый химический тип озера – это результат эволюции системы вода-порода, особенности которой определяются ландшафтно-климатическими условиями региона и масштабами испарения воды.

 

Публикации

1. Алексеев С.В., Алексеева Л.П., Шварцев С.Л., Трифонов Н.С. The geochemistry of calcium chloride brines in the Oleniok cryoartesian basin (Siberian platform) International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM, Issue 12. P 899-904 (год публикации - 2017).

2. Борзенко С.В. Изотопный состав вод минеральных озер Восточного Забайкалья Материалы Всероссийского симпозиума с международным участием «Органическое вещество и биогенные элементы во внутренних водоемах и морских водах», - (год публикации - 2017).

3. Борзенко С.В. , Замана Л.В., Исупов В.П., Шацкая С.С. Уран, литий и мышьяк в соленых озерах Восточного Забайкалья Химия в интересах устойчивого развития, 25 (5). С. 479–-488 (год публикации - 2017).

4. Борзенко С.В., Замана Л.В., Усманова Л.И. Basic formation mechanisms of Lake Doroninskoye soda water, East Siberia, Russia Acta Geochimica, pp 1–13 (год публикации - 2017).

5. Иванова И.С., Лепокурова О.Е., Трифонов Н.С. Вертикальная зональность распределения железа в подземных водах северо-запада Томской области Современное состояние, тенденции и перспективы развития гидрогеологии и инженерной геологии: Сборник научных трудов. II Международная научно-методическая конференция / Санкт-Петербурский горный, С. 35–40. (год публикации - 2017).

6. Лепокурова О.Е. Soda groundwater of the southern part of Kuzbass (Russia) International Multidisciplinary Scientific GeoConference Surveying Geology and Mining Ecology Management, SGEM, Issue 2. P. 735–742. (год публикации - 2017).

7. Лепокурова О.Е. Изотопно-химические особенности содовых подземных вод юга Кузбасса Современное состояние, тенденции и перспективы развития гидрогеологии и инженерной геологии: Сборник научных трудов. II Международная научно-методическая конференция / Санкт-Петербурский горный университет., С. 81–87. (год публикации - 2017).

8. Шварцев С.Л. Механизмы концентрирования фтора в азотных термах Известия Томского политехнического университета, т.328, №12 (год публикации - 2017).

9. Шварцев С.Л. Эволюция в неживой материи: природа, механизмы, усложнение, самоорганизация Вестник РАН, Том 87. № 12. C. 1091–1100 (год публикации - 2017).


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Во второй год исследований по проекту РНФ «Механизмы взаимодействия, состояние равновесия и направленность эволюции системы соленые воды и рассолы - основные и ультраосновные породы (на примере регионов Сибирской платформы)» продолжено изучение уникальных по составу разнообразных природных вод от ультрапресных до крепких рассолов. В результате проведены экспедиционные исследования, получены новые и обобщены уже имеющиеся данные по химическому, изотопному, газовому и микрокомпонентному составу вод пяти объектов: 1) поверхностные и подземные воды территории Торейских озер (Восточное Забайкалье), где распространены покровы базальтов мелового возраста, как одного из начальных этапов такого взаимодействия; 2) холодные углекислые воды этого же региона, приуроченные к интрузивным породам палеозойского возраста, как интереснейшего этапа с привлечением СО2, генетически с водами не связанного; 3) азотные термы Уш-Белдира (Восточная Тува), образование которых связано с очаговыми зонами проявления позднекайнозойского вулканизма; 4) содовые воды Кузбасса, которые выступают ключевым этапом для понимания механизмов эволюции вода-порода, поскольку занимают промежуточное положение между пресными HCO3-Ca и Cl-Na рассолами и, наконец, 5) уникальные рассолы кимберлитовых трубок (Якутия), как самому длительному этапу такого взаимодействия и основному объекту для решения поставленных задач. По каждому объекту проведены первые термодинамические расчеты равновесий вод с широким набором минералов, которые показали, что на всем пути эволюции все изученные воды остаются неравновесными относительно исходных магматических алюмосиликатов Ca, Mg и Fe (основных пород). При этом состав вод контролируется вторичным минералообразованием. На первых этапам взаимодействия воды, равновесные лишь к гиббситу и глинистым минералам (каолинит, монтмориллонит, иллит), по составу пресные HCO3-Ca. Холодные углекислые воды Восточного Забайкалья, несмотря на повышенную минерализацию до 2.3 г/л, остаются по составу также HCO3-Ca, поскольку низкие значения рН (4.9–6.6) не позволяют достичь равновесия с карбонатам. Исследования показали, что это обычные воды регионального распространения, измененные за счет поступления по тектоническим нарушениям СО2 глубинного (пока не ясного) генезиса. Азотные термы Тувы, наоборот, несмотря на низкую минерализацию являются уже HCO3-Na (содовыми) и глубинными по генезису, что подтверждает их температура. Взаимодействие вод с алюмосиликатными породами происходит в условиях низкого парциального давления CO2, что не приводит к нейтрализации в больших масштабах выделяющейся щелочности с образованием HCO3-. Природа низкой солености азотных терм связана с высокими значениями рН, что, наряду с высокими температурами, приводит к равновесию с большим количеством вторичных минералов (карбонатов и глин), в том числе и не характерных для зоны гипергенеза (ломонтит, парагонит, хлорит, альбит, биотит, мусковит, микроклин и др.). Установление динамичного равновесия между притоком в раствор и оттоком из него элементов тормозит рост солености азотных терм, хотя взаимодействие водного раствора с горными породами продолжается, поскольку не достигается равновесие терм с основными алюмосиликатами, в то время как равновесие с кислыми достигается. Содовый состав вод объясняется осаждением из вод карбонатов, которые забирают Са2+ и Mg2+, между тем Na+ продолжает накапливаться в воде. Более детально процесс содообразования рассмотрен на примере уникального полигона для его изучения - подземных вод Кузбасса, несмотря на то, что они приурочены уже к осадочным отложениям. Здесь HCO3-Na воды распространены очень широко и разнообразно. В результате было установлено, что содовые воды – это продукт эволюции равновесно-неравновесной системы инфильтрационная вода – алюмосиликатные минералы, образующийся только после насыщения вод кальцитом. Большая часть Ca, Mg, Fe связывается вторичными минералами, а Na, у которого на этом этапе равновесных карбонатов нет, продолжает концентрироваться в растворе. Однако даже на содовом этапе эволюции, разнообразие типов вод поражает. Важными показателями этого выступают время их взаимодействия с породами и среда, а именно – наличие дополнительного источника СО2. В случае наличия угольного СО2 (при разложении угля) формируется высокоминерализованный (до 25 г/л) тип содовых вод; если нет дополнительного источника СО2, а время взаимодействия большое – пресные сильнощелочные содовые воды (как и в случае с азотными термами); при дополнительном поступлении СО2 глубинного происхождения – углекислые содовые воды. Разработанные нами схемы формирования разных типов содовых вод получили дополнительные подтверждения данными изучения изотопов углерода, растворенных в содовых водах CO2, HCO3- и CН4. Уникальные положительные значения δ13С(НСО3-), полученные нами впервые для Кузбасса, объяснены длительной эволюцией системы вода–порода-уголь–метан, в результате которой происходит глубокое фракционирование изотопов С угля. Совершенно другой этап характерен для вод Торейских озер, характеризующихся разнообразным составом и соленостью (1.5–120 г/л), где в формировании состава огромную роль играет испарение, а значит все процессы ускоряются. В более мелких озерах, для которых характерна максимальная степень испарения, воды достигают равновесия с содовыми минералами и становятся по составу SO4-Na или Cl-Na в зависимости от наличия органического вещества и бактериальной деятельности. Таким образом, каждый химический тип озера – это результат эволюции системы вода–порода, особенности которой определяются ландшафтно-климатическими условиями региона и масштабами испарения воды. При этом на всем пути эволюции озерные воды (и даже рассолы) остаются неравновесными относительно минералов основных алюмосиликатных пород (базальтов), в то время как равновесие с кислыми (альбитом, мусковитом, микроклином и т.д.) возможно из-за высокой солености и рН. Уникальные кислые рассолы (рН 4.8-5.8) кимберлитовой трубки «Удачная» хлоридного кальциевого состава с минерализацией 280-390 г/л по изотопным данным δ37Cl и δ81Br являются метаморфогенными рассолами, состав которых преобразован после захоронения древней морской воды вместе с вмещающими осадочными породами в ходе геохимической эволюции в условиях закрытой системы. Такие кислые воды, несмотря на высокую соленость, в основном недонасыщены карбонатными, сульфатными и хлоридными минералами. Пока мы приводим несколько объяснений причины такой неравновесности подземных вод. Неравновесны такие рассолы также и к водовмещающим кимберлитам. Полноценную обработку полученных материалов по данному объекту завершить в этом году не удалось, не все данные получены. В дальнейшем планируем более детально обосновать механизмы формирования состава данных вод. По материалам проекта в этом году защищены две докторские диссертации: руководителя (Лепокурова О.Е.) и основного исполнителя (Борзенко С.В.); и одна кандидатская диссертация (Шестакова А.В.). Опубликованы 20 статей (РИНЦ), из них 5 индексируемых в базах данных WoS и Scopus.

 

Публикации

1. - Гидрогеохимики выяснили, почему щелочные термальные воды накапливают аномально мало элементов Газета.ru, 28.09.2018 | 10:37 (год публикации - ).

2. Алексеев С.В. , Алексеева Л.П. Проблемные аспекты геохимии подземных льдов и рассолов Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами: мат-лы третьей Всерос. конф. с междунар. участием, С. 105-108. (год публикации - 2018).

3. Алексеев С.В., Алексеева Л.П., Гладков А.С., Трифонов Н.С., Серебряков Е.В., Павлов С.С., Ильин А.В. РАССОЛЫ ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТОВ КИМБЕРЛИТОВОЙ ТРУБКИ УДАЧНАЯ Геодинамика и тектонофизика, №4, Т.9, 2018 (год публикации - 2018).

4. Алексеев С.В., Алексеева Л.П., Трифонов Н.С., Павлов С.С., Ильин А.В. Рассолы глубоких горизонтов кимберлитовой трубки Удачная Подземные воды Востока России: Материалы Всероссийского совещания по подземным водам Востока России (XXII Совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока с международным участием), с. 47-52 (год публикации - 2018).

5. Борзенко С.В. Геохимия соленых озер Восточного Забайкалья Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами: мат-лы третьей Всерос. конф. с междунар. участием, с. 18-26. (год публикации - 2018).

6. Борзенко С.В., Дребот В.В., Федоров И.А.. Шварцев С.Л. Содовые воды района Торейских озер Забайкальского края: химический состав подземных и озерных вод Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами: мат-лы третьей Всерос. конф. с междунар. участием, С.434-437. (год публикации - 2018).

7. Дребот В. Geochemistry of Groundwater in the Area of Zun-Torey and Barun-Torey Lakes (Transbaikalia, Russia) 80th EAGE Conference & Exhibition 2018, - (год публикации - 2018).

8. Дребот В.В. Химический состав подземных вод района Торейских озёр (Забайкальскй край, Россия) Труды XXII Международного научного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых «Проблемы геологии и освоения недр», T.1, С. 558-560. (год публикации - 2018).

9. Зиппа Е.В. Изотопный состав термальных вод провинции Цзянси Труды XXII Международного научного симпозиума им. академика М. А. Усова «Проблемы геологии и освоения недр», Т.1. – С. 573-575. (год публикации - 2018).

10. Лепокурова О.Е. Механизмы формирования содовых подземных вод на юго-востоке Западной Сибири Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами: мат-лы третьей Всерос. конф. с междунар. участием, С.60-67 (год публикации - 2018).

11. Лепокурова О.Е. Содовые подземные воды юга Кузбасса: изотопно-химические особенности и условия формирования Геохимия, № 9. - С. 904-919. (год публикации - 2018).

12. Лепокурова О.Е. Геохимия высокоминерализованных содовых вод (на примере Кузбасса) Подземные воды Востока России: Материалы Всероссийского совещания по подземным водам Востока России (XXII Совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока с международным участием), С. 297-302. (год публикации - 2018).

13. Лепокурова О.Е., Домрочева Е.В Микрокомпонентный состав природных вод Нарыкско-Осташкинской площади (Кузбасс) Подземные воды Востока России: Материалы Всероссийского совещания по подземным водам Востока России (XXII Совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока с международным участием), С. 302-307. (год публикации - 2018).

14. Трифонов Н.С. Гидрогеологические условия Юрубчено-Тохомской зоны нефтегазонакопления Подземные воды Востока России: Материалы Всероссийского совещания по подземным водам Востока России (XXII Совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока с международным участием), С. 485-490. (год публикации - 2018).

15. Трифонов Н.С. Основные черты геохимии подземных вод и рассолов Юрубчено-Тохомской зоны нефтегазонакопления Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами: мат-лы третьей Всерос. конф. с междунар. участием, С.461-465. (год публикации - 2018).

16. Шварцев С.Л. CОЗИДАТЕЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ ВОДЫ В ФОРМИРОВАНИИ ОКРУЖАЮЩЕГО МИРА Геодинамика и тектонофизика, №4, Т.9, 2018 (год публикации - 2018).

17. Шварцев С.Л. Созидательная функция воды в окружающем нас мире Подземные воды Востока России: Материалы Всероссийского совещания по подземным водам Востока России (XXII Совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока с международным участием), С. 42-46. (год публикации - 2018).

18. Шварцев С.Л. ВОДА: Разрушитель или Созидатель окружающего мира Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами: мат-лы третьей Всерос. конф. с междунар. участием, С.87-92. (год публикации - 2018).

19. Шварцев С.Л., Зиппа Е.В., Борзенко С.В. Отличительные особенности азотных и углекислых термальных вод провинции Цзянси (Юго-Восточный Китай) Подземные воды Востока России: Материалы Всероссийского совещания по подземным водам Востока России (XXII Совещание по подземным водам Сибири и Дальнего Востока с международным участием), С. 538-547. (год публикации - 2018).

20. Шварцев С.Л., Сунь Чж, Борзенко С.В., Гao Б., Токаренко О.Г., Зиппа Е.В. Geochemistry of the thermal waters in Jiangxi Province, China Applied Geochemistry, Volume 96, p. 113-131 (год публикации - 2018).

21. Шестакова А.В., Гусева Н.В., Копылова Ю.Г. , Хващевская А.А. , Полия Д. Оценка степени насыщенности углекислых вод Восточного Саяна вторичными минералами Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами: мат-лы третьей Всерос. конф. с междунар. участием, С.430–433. (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В третий год исследований по проекту РНФ «Механизмы взаимодействия, состояние равновесия и направленность эволюции системы соленые воды и рассолы - основные и ультраосновные породы (на примере регионов Сибирской платформы)» продолжено изучение уникальных по составу разнообразных природных вод от ультрапресных до крепких рассолов. В 2019 году проведены экспедиционные исследования, получены новые и обобщены уже имеющиеся данные по химическому, изотопному, газовому и микрокомпонентному составу вод пяти объектов: 1) воды района Торейских озер (Восточное Забайкалье), где распространены покровы базальтов мелового возраста, как одного из начальных этапов такого взаимодействия; 2) холодные углекислые воды этого же региона, приуроченные к интрузивным породам палеозойского возраста, как интереснейшего этапа с привлечением СО2, генетически с водами не связанного; 3) холодные и термальные углекислые воды северо-востока Тувы, приуроченные к тектонически омоложенной территории альпийской складчатости, в непосредственной близости с кайнозойскими базальтами; 4) содовые воды Кузбасса, занимающие промежуточное положение между пресными HCO3-Ca водами и Cl-Na рассолами и, наконец, 5) уникальные рассолы Якутии, как результат самого длительного этапа такого взаимодействия. По первому объекту корректирующие экспедиционные работы и дополнительные данные аналитических исследований позволили получить следующие результаты. По изотопным данным все изученные природные воды территории (атмосферные осадки, реки, озера, неглубокие подземные воды) имеют метеорный генезис, в озерных водах из-за испарения с некоторым кислородным сдвигом. Источник углерода смешанный биогенно-атмосферный, даже в случае с подземными водами (от 13,8 до 8,5‰) из-за смешения с поверхностными. Величина δ34S указала на наличие процесса сульфатредукции в озерных водах и его отсутствие в подземных. Комплексные минералого-геохимические исследования водовмещающих пород показали, что они представлены базальтами, долеритами, кварцитами. Базальты характеризуются большой степенью измененности и, соответственно, большим набором вторичных минералов: на начальном этапе (атмосферные и речные воды) – это гидроокислы железа, гиббсит, каолинит; далее на литогенном этапе (подземные воды) – монтмориллониты и гидрослюда; при достижении равновесия относительно карбонатов (кальцит и сидерит), подземные воды становятся HCO3-Na. Из вторичных минералов в дальнейшем появляются хлорит и его разновидности: иддингсит и боулингит (смеси монтмориллонита и хлорита), реже альбит, селадонит (мусковит) и санидин (КПШ). Т.е. на более позднем испарительном этапе эволюции системы озерная вода-порода достигает равновесия с K-Na минералам, но не достигает с Сa-Mg-Fe. Все это согласуется с данными, полученными нами при физико-химических расчетах равновесий в системе вода-порода в прошлом году. Путем оценки подвижности химических элементов в процессе растворения базальтов водами установлено, что наиболее хорошо выносятся из пород U, B, Na, Ca, Sr, Mg, Li, Zn, затем K, Cs, Ni, Mn, Cu, Pb, Sc. Хуже выносятся, по результатам данных расчетов, P, Co, Ba, Cr, Rb, V, W, Ta, Tb, Y, Ce, РЗЭ, Ti. Такие элементы как Si, Fe, Al хорошо выносятся, но практически сразу высаживаются в виде вторичных минералов (гиббсит, оксиды железа, каолинит). По третьему объекту на основе новых данных по химическому и изотопному составу вод, расчетов температур, глубин формирования и равновесий с вмещающими породами разработана схема формирования холодных и термальных углекислых вод северо-востока Тувы: атмосферные осадки поступают в гидрогеологическую систему в области питания на высоте примерно 1600–3100 м, проникают по разломам до глубины 3–4 км и нагреваются до 100ºС. В процессе погружения по системам разрывных нарушений газовый состав вод теряет растворённый кислород, происходит увеличение содержания углекислого газа, поступающего по разломам с больших глубин, и уменьшение доли азота. Поступающий СО2, согласно изотопным данным (δ13СCO2 и δ13СDIC) имеет преимущественно метаморфогенный, реже мантийный генезис. При движении вод к дневной поверхности, часть их значительно остывает и разгружается в виде холодных источников на высотных отметках 1600–1800 м, а другая часть при выходе на поверхность на более низких высотных отметках 1500–1600 м остыть не успевает. За счет высоких температур и содержащегося в их составе углекислого газа воды активно растворяют вмещающие отложения с образованием вторичных минералов. Холодные углекислые воды при минерализации 0,7–1,5 г/л находятся в состоянии насыщения каолинитом, частично монтмориллонитами, реже кальцитом. Термальные углекислые воды при минерализации 1,9–2,7 г/л равновесны с монтмориллонитами, кальцитом, реже – сидеритом и доломитом. Таким образом, с позиций эволюционного развития системы вода-порода рассматриваемые воды преимущественно находятся на стадии насыщения монтмориллонитами и кальцитом, что соответствует этапу содообразования. Однако в некоторых случаях масштабы обогащения вод углекислотой превосходят масштабы разрушения первичной породы, в результате чего формируется избыток углекислоты, которая препятствует насыщению вод карбонатом кальция. По остальным объектам детально изучены вмещающие породы (растровая электронная микроскопия, классический петрографический, рентгеноструктурный, рентгенофлуоресцентный анализ, ICP-MS). Результаты исследований показали, что они представлены широким набором пород: магматические кислого состава и метаморфические (на втором объекте), осадочные (на четвертом объекте) и терригенно-карбонатные и соленосные (на пятом объекте). Изученные вторичные минеральные фазы подтвердили почти во всех случаях проведенные нами ранее расчеты равновесий в системе вода-порода. По многим объектам проведена оценка подвижности химических элементов в процессе растворения исходных пород водами на основе расчетов коэффициентов миграции по данным ICP-MS. Процессы растворения и накопления компонентов зависят не столько от состава пород (магматических, метаморфических, осадочных, кроме соленосных), сколько от стадии и времени взаимодействия вода-порода: на начальном пресном этапе в зоне активного водообмена активно мигрируют – Fe, Si, Al, Ca, Mg, на последующем содовом этапе начинают накапливаться – Na, Li, Br, Ba, I, Sr. Одним из контролирующих факторов этих процессов является вторичное минералообразование. Результаты комплексного изучения изотопного состава крепких рассолов δ18О и δ2H, δ37Cl и δ81Br, 87Sr/86Sr показали, что это метаморфизованные рассолы, состав которых преобразован после захоронения древней морской воды вместе с вмещающими осадочными породами в ходе геохимической эволюции в условиях закрытой системы. В любом случае, наши исследования по каждому объекту доказали, что воды от пресных до рассолов, от HCO3-Ca, HCO3-Na (содовых) до Cl-Na и Cl-Ca, холодных и термальных, азотных, углекислых и метановых, на всем пути своей эволюции остаются всегда неравновесными относительно исходных магматических алюмосиликатов основного состава, иногда достигая равновесия к кислым. Это неравновесное состояние и является результатом столь широкого разнообразия как состава вод, так и вторичных минералов. По материалам проекта в этом году подготовлена одна кандидатская диссертация – Зиппы Е.В. Опубликованы 18 статей, из них 16 индексируемых в РИНЦ и 10 индексируемых в базах данных WoS и Scopus. Исполнители гранта выступили с докладами по результатам Проекта на двух крупных Международных конференциях WRI-16 (г. Томск) и «Goldschmidt - 2019» (г. Барселона, Испания), а также на двух молодежных конференциях российского уровня.

 

Публикации

1. Алексеев С.В.,Алексеева Л.П., Шоукар-Сташ О. Strontium isotopic ratio in ground brines from the north-eastern part of the Angara-Lenskiy artesian basin E3S Web of Conference, Volume 98, 12001 (год публикации - 2019).

2. Борзенко С.В. Nature of chemical composition diversity of the East Ttransbaikalia salt lakes (Russia) E3S Web of Conferences, Volume 98, 01003 (год публикации - 2019).

3. Борзенко С.В., Дребот ВВ.., Федоров И.А. Chemical composition and formation conditions of NaHCO3 type of waters in the eastern Transbaikalia E3S Web of Conferences, Volume 98 (2019): 01005 (год публикации - 2019).

4. Борзенко С.В., Зиппа Е.В. Isotopic Composition and Origin of Sulfide and Sulfate Species of Sulfur in Thermal Waters of Jiangxi Province (China) Aquatic Geochemistry, Т.1–2, с. 49–62 (год публикации - 2019).

5. Борзенко С.В., Шварцев С.Л. Chemical composition of salt lakes in East Transbaikalia (Russia) Applied Geochemistry, с. 72-84 (год публикации - 2019).

6. Ворожейкина Е.А. Особенности химического состава углекислых родников долины реки Ингода (Забайкальский край) Труды XXIII Международного симпозиума имени академика М.А. Усова, Т.1 с.413-415 (год публикации - 2019).

7. Ворожейкина Е.А. Особенности химического состава углекислых родников Забайкальского края Трофимуковские чтения– 2019 материалы всероссийской молодежной научной конференции с участием иностранных ученых, с.146-149 (год публикации - 2019).

8. Дребот В.В. Особенности взаимодействия воды с основной породой на начальной стадии в природных и экпериментальных условиях Труды XXIII Международного симпозиума имени академика М.А. Усова студентов и молодых ученых, посвященного 120-летию со дня рождения академика К.И. Сатпаева, 120-летию со дня рождения профессора К. В. Радугина, Т.1 - C. 416-417 (год публикации - 2019).

9. Дребот В.В. Микрокомпоненты в составе подземных вод района Торейских озер (Забайкальский край) Трофимуковские чтения – 2019: Материалы Всероссийской молодежной научной конференции с участием иностранных ученых, C. 153-155 (год публикации - 2019).

10. Дребот В.В. Geochemistry of natural waters in the area of the Torey lakes (Eastern Transbaikalia) Topical Issues of Rational Use of Natural Resources: Scientific Conference Absstracts the XV International Forum-Contest of Students and Young Researchers, p. 154 (год публикации - 2019).

11. Зиппа Е.В., Гусева Н.В., Сунь Чж., Чень Г. Оценка температур циркуляции термальных вод провинции Цзянси с применением различных геотермометров Успехи современного естествознания, № 10. – С. 52-57; (год публикации - 2019).

12. Зиппа Е.В., Плюснин А.М., Шварцев С.Л. The chemical and isotopic compositions of thermal waters and gases in the Republic of Buryatia, Russia E3S Web of Conferences, V. 98. 01055 (год публикации - 2019).

13. Лепокурова О.Е. Types of HCO3-Na groundwater in Western Siberia (Russia) Goldschmidt 2019, - (год публикации - 2019).

14. Лепокурова О.Е., Домрочева Е.В. Trace elements in nature water of Naryksko-Ostashkinskaya area (Kuzbass) E3S Web of Conference, Volume 98, 07015 (год публикации - 2019).

15. Лепокурова О.Е., Шварцев С.Л. Геохимические особенности содовых вод Чулымо-Енисейского артезианского бассейна (Западная Сибирь) Геология и геофизика, Т.60. – №5. – С. 718-731. (год публикации - 2019).

16. Трифонов Н.С. Geochemistry of formation strong, very strong, and ultrastrong brines Goldschmidt 2019, - (год публикации - 2019).

17. Трифонов Н.С. Geochemistry of ground water the Yurubcheno-Tokhomo hydrocarbon accumulation zone E3S Web of Conferences, Volume 98, 07033 (год публикации - 2019).

18. Шварцев С.Л. Основы теории добавочного усложнения биосферы Земли Вестник Российской академии наук, Т.89. – №8. – С. 800–810 (год публикации - 2019).