Загадки самых крепких рассолов нашей планеты

Введение

Наша планета богата поверхностными и подземными водами разной степени солености и разного химического состава. Наиболее соленые их разновидности с общей минерализацией свыше 50г/л принято называть рассолами, которые подразделяются на слабые (50-100), крепкие (100-320), сверхкрепкие (320-500) и предельно насыщенные (>500г/л). Среди крепких и сверхкрепких рассолов исследователей давно привлекают так называемые Cl-Ca их разности, т.е. рассолы в составе которых резко доминирует соль CaCl₂, которая исключительно редко встречается в недрах земли. Такие рассолы обладают самой высокой соленостью на планете, достигающей 700-750г/л. Кроме того, они содержат необычно высокие концентрации K, Sr, Br, Li, Rb, Ba и многих других металлов, а также CH₄, H₂S, часто СО₂ и многих редких газов. Такие рассолы фактически представляют необычно богатую "жидкую руду", в которой сконцентрировано, например, 70% всех мировых запасов Li. К тому же они являются весьма кислыми (рН колеблется от 2 до 5), что также неожиданно, т.к. другие типы рассолов обычно являются щелочными. При этом, чем больше их соленость, тем ниже значения рН.

Загадочность происхождения таких рассолов подогревается тем, что они нигде не встречаются на поверхности земли, а только в ее недрах на глубинах обычно свыше 2-3км. Излюбленными местами их распространения являются: 1) осадочные породы соленосных формаций платформ, например, Сибирской платформы и 2)древние щиты, сложенные кислыми магматическими породами типа гранитов, гранито-гнейсов и т.п. Примерами таких щитов являются Балтийский, Канадский и др. (Шварцев, 1996).

Необходимо подчеркнуть, что такие рассолы невозможно получить в лабораторных условиях путем выпаривания морской воды, растворения каких-либо горных пород, смешения известных типов вод и т.д. Их тесная генетическая ассоциация с галогенными солями наводит на мысль о наличии связей этих рассолов с морской рапой, достигающей при выпаривании садки галита, хотя состав этих 2^х образований крайне различен (рис. 1). Последнее можно видеть и из формулы Курлова, отражающей относительное содержание в г-экв% ведущих макрокомпонентов состава рассолов.

Рис.1 Соотношение содержаний Ca, Sr, Br и K в крепких рассолах Сибирской платформы (1) и рапы морского генезиса, сформированной на стадии садки галита (2).

 Предельно насыщенные рассолы Сибирской платформы являются в среднем слабокислыми хлоридными кальциевыми с общей соленостью 546г/л (Шварцев и др., 1982)

Маточные рассолы морской рапы - возможные прародители Cl-Ca рассолов относятся к типу сверкрепких щелочных хлоридных натриевых с высоким содержанием сульфатов Mg и, что особенно важно, практически не содержат Ca.

Исключительная уникальность состава подземных рассолов привела к разработке многочисленных гипотез их генезиса и формирования: 1) магматической - рассолы поступили из мантии, где доминирует кальциевая гидрохлорсфера (Е.С.Гавриленко, В.Ф. Дерпгольц); 2) древних морей - в эпоху докембрия и раннего кембрия на земле господствовали "хлор-кальциевые моря" и рассолы - это их реликты (Е.В.Посохов); 3)седиментационной - рассолы сформированы из морской рапы путем ионного обмена Mg на Ca горной породы (М.Г. Валяшко) или реакций растворения - осаждения гипотетических солей (Н.С.Курнаков, С.Ф.Жемчужный и др.); 4)инфильрационно-седиментационной - метеогенные воды, проникая глубоко в соленосные отложения и взаимодействуя с исходными маточными рассолами, метаморфизуются в Cl-Ca (Е.В.Пиннекер); 5)мембранно-осмотической - при миграции через тонкие поры глин проявляются разные фильтрационные эффекты, при которых поры - мембраны избирательно пропускают одни ионы и задерживают другие (J.D. Bredehoeft, W.Van Engelhardt, R.O. Van Evergingen); 6) гравитационной - ионы рассолов перераспределяются в недрах земли в соотвествии с их атомным весом (К.В.Филатов).

Перечень существующих гипотез и их разновидностей можно продолжать. Отметим только, что ни одна из них не получила должного признания, т.к. не объясняет полностью наблюдаемые факты (Шварцев и др., 1982). Постепенно большинство исследователей склоняется к тому, что главный процесс, обусловивший формирование этих уникальных образований, - глубокое взаимодействие исходной морской рапы с вмещающими горными породами, хотя и в этом случае многие стороны проблемы остаются либо совсем неясными, либо спорными (Frape et al., 1984, Сонненфельд, 1988, Stueber, Walter, 1991, Land, 1995).

Исследуя эту проблему, мы еще в 1973г. показали, что в природе имеется совершенно простой и естественный механизм формирования таких рассолов, обусловленный нарушением физико-химического равновесия в системе рассол-горная порода с первых моментов захоронения на дне водоемов. Нарушение равновесия начинается с начала процесса обессульфачивания, который происходит повсеместно на дне морей и озер сульфатного типа, что в соответствии с законом действия масс автоматически приводит к растворению гипса, который всегда имеет место в солеродных бассейнах. Восстановление сульфатов нарушает также карбонатное равновесие, что ведет к растворению кальцита и осаждению доломита. Все процессы термодинамически связаны и приводят постепенно к метаморфизации хлоридно-сульфатных магниево-натриевых маточных рассолов в Cl-Ca по следующей реакции:

CaSO₄+CaCO₃+MgCl_2р-р+C _орг.+H₂O=CaMg(CO₃)₂+CaCl_2р-р+H₂S+CO₂ (3)

Тем самым впервые был выявлен механизм взаимодействия захороняемых рассолов с вмещающими горными породами, суть которого в том, что при нарушении физико-химического равновесия, обуславливаемого захоронением, одни минералы в этой системе растворяются, другие формируются, что ведет к глубокой трансформации состава рассолов. При этом в растворе происходит избирательное концентрирование химических элементов, среди которых Ca, Sr, Ba.

Выявленный новый механизм метаморфизации рассолов, т.е. изменения их состава в недрах земли, однако не объясняет всей гаммы наблюдаемых фактов и требует дополнительных исследований. В связи с этим уже в рамках грантов РФФИ были поставлены новые исследования для решения следующих задач: 1) выяснения характера и степени физико-химического равновесия и направленности его изменения в процессе эволюции системы крепкие рассолы - ведущими минералы вмещающих горных пород и 2) количественной оценки степени их взаимодействия с разными типами горных пород, как источников большей части химических элементов.

далее>>