Гидрогеохимия йода в подземных водах северо-запада Русской платформы

Йод — элемент с ярко выраженной биологической активностью, обладающий антисептическими свойствами, широко использующийся в медицине. В промышленности йод применяется как катализатор в промышленном синтезе, в производстве синтетических каучуков, в технологии получения некоторых особо чистых металлов, специальных стекол и т. д. Основным источником для получения этого элемента являются подземные воды с концентрациями йода более 15−20 мг/л. После распада Советского Союза крупные месторождения йодных вод Средней Азии оказались за пределами страны, в результате чего возрос интерес к водам с высокими концентрациями йода. Острота йодной проблемы усилилась в связи с развитием среди населения очагов распространения зобной эндемии, связанных с недостатком йода в пресных подземных водах. «Проблема йода — важная санитарно-гигиеническая и даже социальная проблема <.>. Геохимики могут охарактеризовать его содержание в разных ландшафтах. Это позволит разработать комплекс мероприятий, обеспечивающий высокий уровень потребления йода во всех природных условиях жизни людей [91, с. 102]» Внимание к проблеме возрастает в связи с авариями на атомных электростанциях, поскольку одним из основных способов снижения токсического воздействия радиоактивного йода является увеличение количества посту.

1 77 пающего в организм нерадиоактивного йода J. Для профилактики зобной эндемии необходимо иметь представление о концентрациях йода в питьевых природных водах. Одновременно возрастает необходимость оценки регионов на лечебные йодные воды. Все сказанное предопределяет актуальность работы.

Цель работы — изучение процессов формирования и установление закономерностей распространения йода в подземных водах северо-западной части Русской платформы.

Задачи исследований: 1) разработка методики определения микроконцентраций йода- 2) количественные оценки содержания йода в пресных подземных водах в зависимости от геолого-литологических особенностей ключевых участков- 3) анализ закономерностей распространения лечебных йодных вод и оценка перспектив их использования.

Научная новизна работы:

1) впервые для территории Северо-Западного региона определены концентрации и выявлены закономерности распространения йода в пресных подземных и поверхностных водах;

2) предложен сорбционно-рентгенорадиометрический метод определения йода в природных водах, разработанный для применения в полевых условиях и понижающий предел обнаружения на 1−3 порядка по сравнению со стандартными методами;

3) выполнен палеогидрогеологический анализ формирования йодных вод и оценены перспективы региона на лечебные йодные воды.

Методы исследований:

1) полевые и лабораторные экспериментальные исследования;

2) палеогидрогеологический анализ;

3) анализ физико-химических процессов в системе вода-горная порода.

Практическая значимость работы. Результаты работы могут быть использованы:

1) при проведении гидрогеологических и геоэкологических съемок разного масштаба;

2) при разработке профилактических мероприятий по снижению роста йододефицитных заболеваний населения;

3) при постановке поисково-разведочных работ на лечебные йодные воды.

Достоверность полученных результатов определяется проработкой материалов гидрогеологических съемок, обработкой опубликованных и фондовых материалов по результатам опробования скважин и источников, полевым опробованием водопунктов и выполнением более 150 химических анализов на содержание йода с использованием сорбционно-рентгенорадиометрического метода.

Апробация работы и публикации: основные результаты исследования, защищаемые положения диссертации, ее главные выводы и рекомендации докладывались на 4 ежегодных конференциях молодых ученых и специалистов СПГГИ (ТУ) «Полезные ископаемые России и их освоение», в 1996, 2000, 2001 и 2002 г. г.- на конференциях «Школа экологической геологии и рационального недропользования», 2000 г.- «Современные проблемы гидрогеологии и гидро-геомеханики» — «Школа экологической геологии и рационального недропользования», проходивших в Санкт-Петербурге, 2002 г., а также отражены в 8 публикациях.

Структура и объем работы: диссертация общим объемом 141 стр. состоит из 5 глав, списка литературы из 128 наименованийвключает 37 рисунков и 16 таблиц.

Диссертационная работа выполнена на кафедре гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ (ТУ) под научным руководством доктора геолого-минералогических наук, профессора А. И. Короткова. Автор выражает ему глубокую признательность за проявленное внимание к работе, научно-методическую и практическую помощь. За поддержку и критические замечания автор благодарит профессоров: В. В. Антонова, В. А. Кирюхина, Р. Э. Дашко, доцента Н. С. Петрова, заведующего лабораторией гидрогеохимии В. Н. Шемякина, к.г.-м.н. А. К. Лебедева, директора ЗАО «Боброво-2» А. Г. Георгиева и сотрудников предприятия, зав. отделением гигиены питания центра Госсанэпиднадзора В. Т. Трунову, а также весь коллектив кафедры гидрогеологии и инженерной геологии СПГГИ (ТУ). Защищаемые положения:

1. Содержание йода в пресных подземных водах региона обычно составляет 2−6 мкг/л и повышается до 10−15 мкг/л на участках развития органосодер7 жащих пород (торфяников, горючих сланцев, шунгитов) и вблизи очагов разгрузки соленых артезианских вод.

2. Предложенный сорбционно-рентгенорадиометрический метод определения микроконцентраций йода удобен для применения в полевых условиях и позволяет снизить предел обнаружения до 0,1−0,3 мкг/л, что существенно расширяет возможность изучения геохимии природных вод при проведении гидрогеологических и геоэкологических исследований.

3. Выполненный палеогидрогеологический анализ показал, что в СевероЗападном регионе значительные скопления йодных вод (с концентрацией йода > 5 мг/л) сформировались в плейстоценовую эпоху в отложениях бореальной трансгрессии. Формирование йодных вод сопровождалось протеканием процессов сульфатредукции, образования коллоидных форм сульфидов железа, восстановления азотных соединений, восстановления гидроокислов железа, ме-танообразованием.

4. Перспективными участками на лечебные йодные воды Северодвинской впадины являются площади распространения терригенных микулинских отложений в северо-западной части впадины и краевой участок контура распространения промышленных йодных вод терригенных отложений венда в восточной части впадины.

Выводы по главе 5.

1. Выполненный палеогидрогеологический анализ позволяет сделать вывод о том, что условия формирования седиментогенных вод дочетвер-тичного осадочного чехла были неблагоприятными для образования скоплений подземных вод с концентрациями йода более 5 мг/л. Одной из причин, сдерживавших накопление высоких концентраций йода, является существенная роль в формировании вертикальной гидрогеохимической зональности региона периодов существования обширных лагун с крепкими рассолами, в которых отсутствовали условия для развития накапливающей йод морской флоры и фауны.

2. Показана возможность накопления в подземных водах глубоких горизонтов осадочного чехла Русской платформы подземных вод с относительно невысокими концентрациями йода (десятки мкг/л), которые, при принятой в лабораторной практике методике определения йода, не улавливались химическими анализами. По-видимому, такие концентрации йода характерны для значительной части соленых вод и рассолов Русской платформы.

3. Особое место занимают подземные воды Северодвинской впадины, в геологическом разрезе которой значительную роль играют отложения ми-кулинского межледниковья. Выполненный анализ геологической истории формирования подземных вод Северодвинской впадины в плейстоценовую и голоценовую эпохи показал, что здесь на протяжении по крайней мере 70 тысяч лет в восстановительных условиях, поддержанию которых способствовало покровное валдайское оледенение, происходило накопление йодных вод в микулинских песчано-глинистых отложениях. Одной из наиболее интересных особенностей формирования свободных и поровых вод этих отложений является отсутствие высокотемпературного этапа, способствующего выходу йода в водную среду из погребенных органических остатков, характерного для месторождений йодных вод большинства регионов. Основным процессом поступления йода из микулинских отложений в продуктивный на промышленные йодные воды водоносный горизонт терригенных отложений венда является молекулярная диффузия.

4. Анализ процессов формирования йодных вод свидетельствует о существовании в водоносном комплексе терригенных отложений венда двух основных классов йодных вод — связанных с «древними» седиментогенными водами Северодвинского артезианского бассейна и «молодыми» водами четвертичных трансгрессий и двух промежуточных классов, формирующихся при смешении подземных вод основных классов. Индикатором отнесения подземных вод к тому или иному классу является соотношение кальция и магния.

5. Моделью начальных этапов йодонакопления в подземных водах является гидрогеохимическая обстановка, наблюдающаяся в водоносном горизонте современных аллювиально-морских отложений дельты р. С.Двины. Восстановительная обстановка, поддерживаемая органическим веществом захороненных торфяников и водорослей, способствует интенсивному протеканию процессов сульфатредукции, образованию коллоидных форм сульфидов железа, восстановлению окисленных форм азота, метанообразова-нию.

6. На основании выполненных определений йода в грязевых отжимах Старорусского курорта показано, что в воде современных грязевых водоемов.

126 может происходить накопление йода до нескольких мг/л. Источником йода являются разгружающиеся артезианские воды с содержанием до 85 мкг/л йода. По-видимому, эти процессы усиливают бальнеологические свойства лечебных грязей.

7. Намечены перспективы использования лечебно-питьевых йодных вод Северодвинской впадины.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Йод — рассеянный элемент, характеризующийся высокой миграционной способностью, присутствующий во всех земных оболочках. Уникальной особенностью йода является способность накапливаться в живых организмах, в результате чего, его концентрация в живом веществе возрастает до шести порядков по сравнению с питающими природными водами.

2. Переход йода из захороненного органического вещества в подземную гидросферу — сложный гидрогеохимический процесс, включающий отжатие иловых вод на стадии диагенеза, накопление йода за счет йодосодержащих органических соединений нефти, термическую деструкцию органического вещества, преобразование рассеянного органического вещества осадочных пород под влиянием микроорганизмов. Формированию микроконцентраций йода в пресных инфильтрогенных водах способствует его накопление в живом веществе и органическом веществе почв и органосодержащих горных пород. Со.

— у держание йода в пресных природных водах обычно не превышает п*10 мкг/л. При содержании йода в пресных водах ниже 8−10 мкг/л территории квалифицируются как йододефицитные.

3. Проблема йододефицита обостряется в связи с возможными авариями на атомных электростанциях. Анализ вопросов, связанных с йододефицитом, требует ясного представления о механизмах формирования концентраций йода в пресных природных водах в зависимости от гидрогеологических условий территорий. Важность рассмотрения этой проблемы для северо-западных регионов России усиливается в связи с широким развитием йододефицитных заболеваний, рассмотренным на примере Волховского района Ленинградской области.

4. Отсутствие данных по концентрациям йода в пресных природных водах региона в значительной степени обусловливалось низкой чувствительностью (500−1000 мкг/л) применяемых при гидрогеологических съемках и других исследованиях стандартных методов определения йода, не улавливающих его даже при концентрациях ниже 300−500 мкг/л. Предложена сорбционно-рентгенорадиометрическая методика определения микроконцентраций йода, позволяющая проводить измерения непосредственно в полевых условиях. Чувствительность определения повышается на 1 -3 порядка и составляет 0,1 -0,3 мкг. Это позволило расширить спектр рассматриваемых типов подземных вод и впервые выполнить определение концентраций йода в пресных природных водах отдельных участков северо-западной части Русской платформы.

5. Характерные содержания йода в пресных подземных и поверхностных водах региона составляют 2−6 мкг/л. Повышение концентраций йода до 8−14 мкг/л характерно для заболоченных участков, зон контакта с органосодержа-щими породами (диктионемовыми сланцами, шунгитами, торфяниками), участков разгрузки седиментогенных соленых вод. Наблюдается тенденция снижения книзу концентраций йодав межморенных водоносных горизонтах, используемых для хозяйственно-питьевого водоснабжения, концентрации йода падают до 1−3 мкг/л. В целом район можно охарактеризовать как йододефицитный. Этот вывод можно распространить и на другие территории севера и северо-запада России со сходными физико-географическими и гидрогеологическими условиями.

6. Выполненный палеогидрогеологический анализ позволяет сделать вывод о том, что условия формирования седиментогенных вод дочетвертичного осадочного чехла были неблагоприятными для образования скоплений подземных вод с концентрациями йода более 5 мг/л, встречающимися лишь в единичных точках. Показана возможность накопления в подземных водах глубоких горизонтов подземных вод с относительно невысокими концентрациями йода (десятки мкг/л), которые, при принятой в лабораторной практике методике определения йода, не улавливались химическими анализами. По-видимому, такие концентрации йода характерны для значительной части соленых вод и рассолов Русской платформы.

7. Особое место занимают подземные воды Северодвинской впадины. Выполненный анализ геологической истории формирования подземных вод в плейстоценовую и голоценовую эпохи показал, что здесь на протяжении, по крайней мере, 70 тысяч лет происходило накопление подземных вод, содержание йода в которых достигает 30−35 мг/л, в отложениях бореальной трансгрессии, распространившейся на юг вплоть до участков нынешнего бассейна р. Невы. Особенностью для этих вод является отсутствие высокотемпературной стадии формирования йодных вод, способствующей выходу йода из погребенных органических остатков в водную фазу, характерной для месторождений йодных вод большинства регионов. В продуктивный на промышленные йодные воды водоносный комплекс терригенных отложений венда йод из микулинских отложений поступает диффузионным путем.

8. В водоносном комплексе терригенных отложений венда выявлено два основных класса соленых вод, связанных с «древними» седиментогенными водами Северодвинского артезианского бассейна и «молодыми» морскими водами четвертичных трансгрессий, и два промежуточных. Основным признаком отнесения вод к тому или иному классу является соотношение кальция и магния (rCa/rMg), приближающееся в водах второго класса к современной морской воде. Еще рельефней это отличие выражено в подземных водах современных аллювиально-морских отложений в нижнем течении р. С.Двины.

9. Гидрогеохимическая обстановка в водоносном горизонте современных аллювиально-морских отложений может рассматриваться как модель начальных этапов йодонакопления в подземных водах Северодвинской впадины, сопровождающихся процессами сульфатредукции, образования коллоидных форм сульфидов железа, восстановления азотных соединений, восстановление гидро-ксидов железа, метанообразования. Современное накопление йода в воде может также происходить в грязевых водоемах.

10. Наибольший интерес для бальнеологических целей представляют йо-досодержащие подземные воды с относительно низкой минерализацией (до 8.

12 г/л). Перспективные водоносные горизонты на такие воды — песчаные слои в толще терригенных микулинских отложений в северо-западной части Северодвинской впадины. Водоносный комплекс терригенных отложений венда перспективен на питьевые лечебные йодные воды в краевой части контура распространения йодных вод. Для окончательного решения вопроса об использовании лечебных йодных вод требуется постановка оценочных гидрогеологических работ и специальное медицинское заключение.