Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,775

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ГЕОТЕРМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД БАЙКАЛЬСКОЙ СКЛАДЧАТОЙ ОБЛАСТИ (РЕСПУБЛИКА БУРЯТИЯ)

Зиппа Е.В. 1 Пургина Д.В. 1, 2 Дребот В.В. 1, 2
1 Томский филиал Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН
2 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
В статье представлены новые данные о химическом составе и температурном режиме термальных вод Республики Бурятия. Показано, что термальные воды являются пресными (минерализация не превышает 500 мг/л), слабощелочными и щелочными (pH от 8,2 до 9,7). Исследуемые термы по своему химическому составу относятся преимущественно к HCO3-SO4-Na и SO4-Na типам, однако встречаются термы SO4-HCO3-Na типа. Оценка температур на глубине циркуляции была произведена с помощью Si- и Na/K-геотермометров. Согласно полученным результатам расчётов по Si-геотермометру при адиабатическом охлаждении температура терм на глубине циркуляции составляет от 98 до 143 °C, по Si-геотермометру при кондуктивном охлаждении – от 97 до 150 °C. Температуры терм на глубине, рассчитанные по Na/K-геотермометрам, варьируют от 74 до 173 °C. С помощью построения диаграммы Гиггенбаха для термальных вод исследуемого региона установлено, что применение Na/K-геотермометра возможно только для источников Сеюйский и Змеиный. Кроме этого, в рамках настоящего исследования проведена оценка степени смешения термальных вод и холодных подземных вод по мере миграции первых к зоне разгрузки. Оценка степени смешения терм произведена с помощью построения модели смешения Si-энтальпия, которая показывает, что большая часть термальных вод подвержена смешению с холодными водами.
термальные воды
химический состав
глубина циркуляции
глубинные температуры
геотермометры
1. Плюснин А.М., Замана Л.В., Шварцев С.Л., Токаренко О.Г., Чернявский М.К. Гидрогеохимические особенности состава азотных терм Байкальской рифтовой зоны // Геология и геофизика. 2013. Т. 54. № 5. С. 647-664.
2. Шварцев С.Л., Замана Л. В., Плюснин А. М., Токаренко О. Г. Равновесие азотных терм байкальской рифтовой зоны с минералами водовмещающих пород как основа для выявления механизмов их формирования // Геохимия. 2015. № 8. С. 720-733.
3. Zippa E., Plyusnin A., Shvartsev S. The chemical and isotopic compositions of thermal waters and gases in the Republic of Buryatia, Russia. E3S Web of Conference. 2019. V. 98. 6 p. DOI: 10.1051/e3sconf/20199801055.
4. Зиппа Е.В. Оценка температур циркуляции термальных вод Республики Бурятия // Геология на окраине континента: материалы II молодежной научной конференции-школы ДВГИ ДВО РАН (г. Владивосток, 12-16 сентября 2022 г.) Владивосток: Изд-во ДВФУ, 2022. С. 181-185.
5. Bragin I.V., Zippa E.V., Chelnokov G.A., Kharitonova N.A. Estimation of the Deep Geothermal Reservoir Temperature of the Thermal Waters of the Active Continental Margin (Okhotsk Sea Coast, Far East of Asia). Water. 2021. V. 13. № 9. 15 p. DOI: 10.3390/w13091140.
6. Лаврушин В.Ю. Подземные флюиды Большого Кавказа и его оформления. М.: ГЕОС, 2012. 348 с.
7. Fournier R.O. Chemical geothermometers and mixing models for geothermal systems. Geothermics. 1977. V. 5. Р. 41–50.
8. Fournier R.O. A revised equation for the Na-K geothermometer. Geothermal Resource Council Transections. 1979. V. 3. Р. 221-224.
9. Nieva D., Nieva R. Developments in geothermal energy in Mexico, part 12. A cationic geothermometer for prospecting of geothermal resources. Heat Recovery Systems and CHP, 1987. V. 7. Р. 243-258.
10. Ferronsky V.I., Polyakov V.A. Isotopes of the earth’s hydrosphere. Springer, Berlin, 2012. 567 p. DOI: 10.1007/978-94-007-2856-1.
11. Pasvanoğlu S., Çelik M. A conceptual model for groundwater flow and geochemical evolution of thermal fluids at the Kızılcahamam geothermal area, Galatian volcanic Province. Geothermics, 2018. V. 71. Р. 88-107. DOI: 10.1016/j.geothermics.2017.08.012.
12. Wang X., Wang G. L., Gan H. N., Liu Z., and Nan D. W. Hydrochemical characteristics and evolution of geothermal fluids in the Chabu high-temperature geothermal system, Southern Tibet. Geofluids, 2018. 15 p. DOI: 10.1155/2018/8532840.
13. Alçiçek H., Bülbül A., Brogi A., Liotta D., Ruggieri G., Capezzuoli E., Meccheri M., Yavuzer I., Alçiçek M.C. Origin, evolution and geothermometry of the thermal waters in the Gölemezli Geothermal Field, Denizli Basin (SW Anatolia, Turkey). Journal of Volcanology and Geothermal Research, 2018. V. 349. Р. 1-30. DOI: 10.1016/j.jvolgeores.2017.07.021.

Термальные воды широко распространены по всему миру и являются объектом исследования учёных разных областей. Среди возникающих вопросов в области гидрогеологии и гидрогеохимии наиболее дискуссионными являются проблемы формирования терм, процессы и механизмы в системе вода-порода, генезис и возраст терм, генезис вторичных минералов и др. Республика Бурятия характеризуется проявлением термальных вод, которые активно используются местным населением в бальнеологических целях. Исследуемым водам посвящены многочисленные работы [1-3], описывающие химический, газовый и изотопный состав, характер равновесия с минералами вмещающих пород, механизмы взаимодействия терм с горными породами и т.д. В настоящей работе представлены новые данные по составу термальных вод Республики Бурятия и рассчитаны температуры на глубине циркуляции. Полученные результаты позволят восстановить, в частности, геотермальный режим, а также условия, процессы и механизмы формирования термальных вод в целом. В дальнейшем это послужит основой и для построения концептуальной модели формирования состава термальных вод интрузивных пород. В этой связи целью настоящего исследования является оценка температур термальных вод Республики Бурятия на глубине их циркуляции.

Материалы и методы исследования

Настоящее исследование основано на результатах гидрохимического опробования, проведённого в 2022 г. на территории Республики Бурятия. Непосредственно на месте пробоотбора был определён ряд показателей: pH и температура измерены с помощью pH-метра HI 9911300, Eh – с помощью ОВП-метра HM Digital ORP 200. Анализ проб по определению химического состава проводился в проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии Национального исследовательского Томского политехнического университета (г. Томск). Химический анализ осуществлён методом титрования при помощи анализатора жидкости «Анион 7-51» (Россия) (HCO3-, CO32-), атомно-абсорбционным методом (Ca2+ и Mg2+), методом ионообменой хроматографии с использованием хроматографа ICS-1000 Dionex (США) (Cl-, F-, SO42-, Na+, K+) и методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой NexION 300D (PerkinElmer, США) (Si). Оценка глубинных температур проведена с применением различных геотермометров, представляющих собой эмпирические и расчётные соотношения, связывающие пластовую температуру и концентрацию или отношения концентрации Si, Na/Li, Mg/Li, Na/K, Na-K-Ca [4-6]. В частности, применены кварцевые геотермометры при адиабатическом (1) и кондуктивном охлаждении раствора (2) [7]:

T,℃ = 1522 / (5,75 – log (SiO2)) – 273,15 (1)

T,℃ = 1309 / (5,19 – log (SiO2)) – 273,15 (2)

где SiO2 – концентрация SiO2 в мг/л [7].

Наряду с вышеперечисленными геотермометрами расчёт температур терм на глубине циркуляции осуществлён по Na-K-геотермометрам, которые в меньшей степени подвержены влиянию процессов кипения и охлаждения, поскольку включают себя отношения концентраций ионов (3, 4) [4].

T,℃ = [1217 / (1,483+log (Na / K))] – 273,15 [8] (3)

T,℃ = [1178 / (1,470+log (Na / K))] – 273,15 [9] (4)

Результаты исследования и их обсуждение

В геологическом отношении исследуемая территория расположена на границе докембрийской Сибирской платформы и Байкальской складчатой области и характеризуется широким распространением глубинных разломов, сформированных в результате рифтогенных процессов [1]. Выходы термальных вод Республики Бурятия приурочены в основном к баргузинскому комплексу, представленному интрузивными породами протерозойского возраста [10]. Баргузинский комплекс гранитоидов состоит из двух фаз: 1) среднезернистых порфировидных (часто гнейсовидных) биотитовых, биотит-роговообманковых и роговообманковых гранитов, граносиенитов, гранодиоритов, сиенитов, диоритов и 2) средне- и мелкозернистых массивных и гнейсовидных (иногда порфировидных) биотитовых гранитов [10].

Результаты анализа химического состава представлены в табл. 1, из которой видно, что исследуемые термальные воды являются пресными, поскольку величина общей минерализации едва достигает 1 г/л и варьирует от 266 до 858 мг/л. При этом термальные воды являются щелочными, значения pH колеблются от 8,2 до 9,7, что является характерной особенностью азотных терм, отличающих их от большинства других природных вод. Величина Eh преимущественно колеблется от -350 до -110 мВ, но есть исключения, родники Гусихинский и Алгинский, где значения Eh выше 0 и составляют соответственно 38 и 124 мВ [4]. Температуры терм в местах разгрузки варьируют от 21 до 72 °C. Самые низкие значения температуры отмечены для источников Толстихинский и Алгинский (29 и 21 °С соответственно). Вероятно, температура терм понизилась в результате смешения с более холодными водами, поскольку рассматриваемые источники разгружаются в непосредственной близости рек [4].

Анионный состав исследуемых терм характеризуется попеременным доминированием SO42- и HCO3-. Концентрации SO42- и HCO3- соответственно составляют от 40 до 365 мг/л и от 27 до 154 мг/л. Содержание Cl- варьирует от 3,5 до 40,5 мг/л. Катионный состав характеризуется преобладанием Na+, концентрации которого варьируют от 104 до 211 мг/л. Исключение составляет Алгинский источник, где преобладание от Na+ переходит к Ca2+ и достигает максимального значения 81,7 мг/л. Содержание Ca2+ в исследуемых термах изменяется в пределах широкого диапазона от 1,6 до 81,7 мг/л. На фоне основных катионов, Mg2+ и K+ содержится в наименьших количествах, не превышающих соответственно 2,5 и 6 мг/л, за исключением родника Гусихинского (K+ достигает 12 мг/л). Наряду с основными ионами для термальных вод Республики Бурятия характерны высокие концентрации F- и SiO2, соответственно варьирующие от 3 до 20 мг/л и от 47 до 125 мг/л. По химическому составу исследуемые термы относятся преимущественно к HCO3-SO4-Na и SO4-Na, реже к SO4-HCO3-Na (рис. 1) [4].

Таблица 1

Химический состав термальных вод Республики Бурятия, мг/л

Название источника

Т,

°C

pH

Eh,

мВ

М*

CO32-

HCO3-

SO42-

Cl-

Са2+

Mg2+

Na+

K+

SiO2

F-

Горячинский

51

9,0

-206

685

15,6

42

365

6,2

34,7

2,44

149

4,3

63

3

Золотой ключ

45

8,8

-110

526

10

60

210

19,6

12,9

1,22

123

4,2

78

7

Кулиные болота

51

9,4

-115

628

25,8

137

133

32,6

2,1

0,73

154

3,4

121

19

Змеиный

37

9,6

-350

582

25,2

144

122

40,5

4,4

0,24

146

2,2

88

9

Гусихинский

72

8,5

38

858

9,4

106

356

33,5

17,2

0,98

211

12

101

11

Толстихинский

29

9,7

-240

453

19,5

128

92

20,8

3,2

1,22

114

2,5

62

10

Алгинский

21

8,2

124

664

3

63

338

15,5

81,7

1,59

104

5,6

47

4

Аллинский

43

9,2

-339

556

28,5

154

88

14,3

8,6

0,73

122

4,3

125

12

Умхеский

48

9,5

-275

506

42

134

79

12,4

1,7

0,85

125

1,9

95

14

Кучигерский

38

9,5

-300

465

29,4

110

90

15,0

2,3

0,92

118

1,5

86

12

Сеюйский

53

9,4

-244

456

35,7

100

85

11,0

2,0

0,31

130

1,6

72

19

Хакусский

47

8,4

-

266

7,2

27

90

3,5

17,2

0,49

72

1,0

45

3

Котельниковский

63

9,5

-

375

31,2

112

40

19,1

2,0

0,71

93

2,7

55

20

Гоуджекит

52

9,6

-

475

39,6

142

76

20,6

1,6

0,49

114

4,2

57

19

Мин.

21

8,2

-350

266

3

27

40

3,5

1,6

0,24

72

1,0

45

3

Макс.

72

9,7

124

858

42

154

365

40,5

81,7

2,44

211

12

125

20

Сред.

46

9,2

-183

535

23

104

154

18,9

13,7

0,92

126

3,7

78

12

*М – минерализация.

missing image file

Рис. 1. Химические типы термальных вод Республики Бурятия

Результаты расчётов температур термальных вод Республики Бурятия на глубине их циркуляции, произведённых с применением разных геотермометров, приведены в табл. 2, из которой видно, что температуры, рассчитанные с помощью кварцевых геотермометров, отличаются незначительно. Расчёты по Si-геотермометру при кондуктивном охлаждении показывают температуры терм от 97 до 150 °C, при адиабатическом охлаждении – от 98 до 143 °C. Расчёты с помощью Na/K–геотермометров показали температуры терм на глубине, варьирующие в диапазоне от 74 до 173 °C. Вполне вероятно, что такие завышенные значения являются ошибочным результатом ввиду пределов применения Na/K–геотермометров, или, наоборот, заниженные температуры по Si-геотермометру можно объяснить смешением с более холодными водами по мере движения терм на поверхность [4].

Для корректного применения Na-K-геотермометров при оценке температур термальных вод на глубине циркуляции используется треугольная диаграмма Гиггенбаха (рис. 2) [5]. На диаграмму нанесены точки, отражающие соотношение концентраций катионов в термальных источниках. Видно, что подавляющее большинство термальных источников располагается в области «незрелых вод» по [5], т.е. вод, не достигших равновесия с вмещающими породами. Для таких вод представляются некорректными результаты расчётов температур с помощью Na-K-геотермометров. Последние могут быть использованы для оценки геотермального режима источников Змеиный и Сеюйский, находящихся в зоне «частичного равновесия» (рис. 2), где характерны значения глубинных температур от 110 до 120 °C.

Использовать геотермометры для оценки глубинных температур следует с учётом условий формирования термальных вод, особенностей состава и пределов применения, например смешивания термальных вод с более холодными подземными водами. Предполагается, что геотермометры не учитывают возможность смешивания терм с холодными водами, но если термы подвержены смешиванию, то концентрации кремния в термальных водах уменьшаются, что, как следствие, приводит к заниженным температурам, оценённым с помощью геотермометров.

В этой связи необходимо провести оценку степени смешения термальных вод с холодными водами для более точного определения температуры терм на глубине циркуляции. Оценка степени смешения производится с помощью модели смешения Si-энтальпия (рис. 3) [11-13], при использовании которой необходимо учитывать процесс кипения вод, сопровождающийся выделением пара.

Таблица 2

Результаты расчётов глубинных температур терм Республики Бурятия, °C

Номер родника

tразгрузки

t(Si)кондук.

t(Si)адиабат

t(Na/K) [8]

t(Na/K) [9]

Горячинский

51

113

112

130

119

Золотой ключ

45

124

121

140

128

Кулиные болота

51

148

142

115

104

Змеиный

37

130

127

96

86

Гусихинский

72

138

133

173

161

Толстихинский

29

112

111

114

103

Алгинский

21

99

100

169

157

Аллинский

43

150

143

142

130

Умхеский

48

134

130

96

85

Кучигерский

38

129

126

87

77

Сеюйский

53

120

118

84

74

Хакусский

47

97

98

93

83

Котельниковский

63

106

106

131

119

Гоуджекит

52

108

108

144

132

Мин.

21

97

98

84

74

Макс.

72

150

143

173

161

missing image file

Рис. 2. Диаграмма Гиггенбаха для термальных вод Республики Бурятия

missing image file

Рис. 3. Расположение фигуративных точек азотных термальных вод Республики Бурятия на модели смешения Si-энтальпия

Расположенные точки ниже линии 0-А на рис. 3 свидетельствуют о смешении большинства термальных вод исследуемого региона с холодными водами и, в этой связи, об изменении температуры терм по мере движения к местам разгрузки. Следует рассмотреть две ситуации, когда кипение не произошло или произошло до момента смешения термальных вод с холодными. В первом случае (точки А и Б на рис. 3) температура терм на глубине составляет от 152 до 283, во втором (точки В и Г на рис. 3) температура терм изменяется от 122 до 177℃. Следует отметить Аллинский источник, отклоняющийся от общей тенденции и характеризующийся отсутствием смешения с холодными водами, так как линия, проходящая через холодные воды и фигуративную точку Аллинский, не пересекает кривую растворимости кварца. Температура воды на глубине при этом составляет 141℃ (точка Д).

Выводы

Таким образом, температура термальных вод Республики Бурятия при движении с глубины к местам разгрузки понижается вследствие смешения с холодными водами. Об этом свидетельствует расположение фигуративных точек терм на диаграмме Si-энтальпия. Полученные температуры терм на глубине, рассчитанные с помощью геотермометров, отличаются друг от друга. Однако для оценки геотермального режима исследуемых вод следует отдавать предпочтение Si-геотермометрам, поскольку полученные с помощью них результаты хорошо коррелируют с результатами оценки по диаграмме смешения. Что касается Na/K-геотермометров, то последние показали широкий диапазон температур, и большинство точек расположены в зоне «незрелых вод» на диаграмме Гиггенбаха. В этой связи температуры термальных вод Республики Бурятия на глубине циркуляции составляют от 122 до 177 °C.

Работа выполнена при финансовой поддержке Гранта Президента Российской Федерации № МК-1408.2022.1.5.


Библиографическая ссылка

Зиппа Е.В., Пургина Д.В., Дребот В.В. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И ГЕОТЕРМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД БАЙКАЛЬСКОЙ СКЛАДЧАТОЙ ОБЛАСТИ (РЕСПУБЛИКА БУРЯТИЯ) // Успехи современного естествознания. – 2022. – № 12. – С. 110-115;
URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=37958 (дата обращения: 25.02.2024).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1,674