Гидрохимия йода и брома в минеральных водах Среднего Прихоперья

Гидрохимия йода и брома в минеральных водах Среднего Прихоперья

О. А. Бабкина, Воронежский государственный университет

Изучено распределение йода и брома в минеральных водах бассейна среднего теченияр. Хопер. Выяснены закономерности распространения и условия миграции тяжелых галоидов в подземных водах. Наибольшие концентрации йода и брома приурочены к хлоридно-натриевым водам повышенной минерализации. В геодинамическом плане йодо-бромные минеральные воды тяготеют к зонам крупных разрывных обрушений, являющихся подводящими каналами для глубинных подземных вод.

Высокоминерализованная вода и рассолы хлоридно-натриевого состава являются важнейшим источником получения йода и брома в промышленных количествах. Выяснение закономерностей распространения, условий миграции и концентрирования йода и брома в подземных водах играет чрезвычайно важную роль в решении проблем современной геохимии поверхностных и подземных вод. Велико значение йода и брома в бальнеологической оценке минеральных вод и определении их возможностей в качестве эффективного лечебного средства [1, 2].

Йод – очень редкий химический элемент, его литосферный кларк составляет 0, 00004 %, в гидросфере его содержание не превышает 0, 000005 %. Магматические породы обеднены йодом, его содержание здесь не превышает 10-5–10-6 %. Среди осадочных пород наиболее высоким содержанием этого элемента отличаются глины – 2, 2 · 10-4 %.

Речные и грунтовые воды содержат мало йода. Среднее его содержание в водах нормальной солености (менее 1 г/дм3) составляет 0, 0005 мг/дм3. Это же значение принято за показатель предельно допустимой концентрации для вод питьевого значения. Более высокие содержания йода характерны для подземных вод, сопровождающих нефтяные и газовые месторождения (более 0, 0015 мг/дм3) [3].

Йод – сильнотоксичный p-элемент. Атом йода (5s25p2) представлен одним стабильным изотопом 127I и радионуклидами 131I (T1/2 – 8 суток), 129I (T1/2 –1, 6 · 107 лет). Радионуклиды йода оказывают очень вредное влияние на человека и окружающую среду. Они являются типичными компонентами для газовых выбросов и попадают в атмосферу вследствие аварий атомных электростанций. В региональном плане отмечается недостаток стабильного изотопа йода, характерный для пресных вод в питьевом назначении и материковых ландшафтов, что вызывает эндемию зоба и сопутствующие заболевания. К таким областям относятся большинство районов европейской части России, в том числе и Черноземье.

Бром имеет среднюю степень токсичности.

Атом брома (4s24p5) состоит из двух изотопов – 79Br и 81Br, находящихся в природе в примерно равном соотношении [3]. Кроме того, в процессе ядерных превращений возникают радионуклиды брома, представленные двумя изотопами: 82Br (Т1/2 – 36 ч) и 77Br (T1|2 – 37 ч). В геохимическом отношении этот элемент сходен с хлором, но в отличие от него представлен жидкостью. Магматические горные породы обеднены бромом (n · 10-5 %); заметно повышается его количество в глинистых сланцах и © Бабкина О. А., 2010 ВЕСТНИК ВГУ, СЕРИЯ: ГЕОЛОГИЯ, 2010, № 1, ЯНВАРЬ–ИЮНЬ 253 Гидрохимия йода и брома в минеральных водах Среднего Прихоперья карбонатах (4–6 · 10-4 %). Кларк брома в земной коре – 2, 5 · 10-4 %. Океанические воды имеют повышенное содержание брома – 6–7 · 10-3 %. Пресные поверхностные воды гумидных областей обеднены этим элементом – n · 10-4 – n · 10-5 %, а в аридных районах содержание этого элемента еще ниже – n · 10-5 – n · 10-6 %. В грунтовых водах содержание брома составляет в среднем 0, 02 мг/дм3, в артезианских водах его содержание повышается до 0, 04–1, 06 мг/дм3. Аналогично йоду бром накапливается в подземных водах нефтяных и газовых месторождений, где его содержание достигает 200–800 мг/дм3. Предельно допустимая концентрация по брому для пресной воды питьевого назначения составляет 0, 2 мг/дм3.

Изучено распределение йода и брома в минеральных водах Среднехоперской гидроминеральной провинции (восточная часть Воронежской области). Геолого-структурные особенности расположения источников минеральных вод характеризуются условиями краевой западной зоны Сурско-Хоперского артезианского бассейна. Геологический разрез сложен архейско-протерозойским комплексом пород, который перекрывается осадочными средне- и верхнедевонскими отложениями палеозоя. На размытой поверхности этих отложений залегают мезо-кайнозойские породы. Продуктивными на минеральные воды являются отложения девона, изученная мощность которых составляет 750–900 м. Литолого-фациальные условия и геохимическая обстановка девонского комплекса пород способствует формированию йодо-бромных и бромных минеральных вод с минерализацией от 20 до 140 г/дм3, которые тяготеют в основном к низам верхнего девона и к среднему девону [4]. В настоящее время в гидроминеральной провинции известно порядка 12 скважин, которые на глубинах 120–920 м вскрыли йодо-бромные минеральные воды [5, 6]. Химический состав минеральных вод отдельных участков приведен в таблице.

В гидрохимическом отношении йодо-бромные минеральные воды и рассолы характеризуются хлоридным кальциево-натриевым составом с минерализацией от 17, 5 до 139 г/дм3. Содержаниейода меняется от 1, 0 до 5, 4 мг/дм3, брома – от 35 до 250 мг/дм3. Бром-йодное отношение довольно стабильно и варьирует по отдельным анализам в пределах от 12 до 56, что свидетельствует о синхронном накоплении этих элементов.

Ранее было отмечено, что минерализация йодо-бромных вод, определяемая в основном ионами хлора и натрия, повышается с глубиной. Исследователями химического состава и условий формирования йодо-бромных вод и рассолов отмечается, 254 ВЕСТНИК ВГУ, СЕРИЯ: ГЕОЛОГИЯ, 2010, № 1, ЯНВАРЬ–ИЮНЬ О. А. Бабкина что тяжелые галоиды – йод и бром, являются наиболее характерными специфическими компонентами подземных вод, сопровождающих нефтяные и газовые месторождения [7, 8]. Являясь по своему происхождению элементами преимущественно биогенными, они участвуют в составе органического вещества морских осадков в процессе нефтегазообразования. Пространственная связь йодо-бромных вод с нефтегазовыми месторождениями отмечается для большинства промышленных скоплений углеводородов. В осадочном чехле рассеянное органическое вещество, а также йод и бром представляют собой продукты единого процесса преобразования органики, протекающего в условиях высоких температур и давлений. В дальнейшем углеводороды и сопровождающие их глубинные хлоридно-натриевые растворы с йодом и бромом по зонам крупных тектонических нарушений перемещаются в более высокие горизонты земной коры до глубин, на которых литолого-структурные условия благоприятны для образования скоплений нефти, газа и сопровождающих их йодо-бромных вод. Последние локализуются в артезианских бассейнах, приуроченных к крупным тектоническим структурам. В пределах Среднехоперской гидроминеральной провинции таким является региональный Новохоперско-Шумилинский разлом, разделяющий приподнятый Восточно-Воронежский блок и эпиплатформенную Хоперско-Камышинскую впадину. Непременным условием высоких концентраций йода и брома является наличие мощных толщ морских отложений, обогащенных органическим углеродом, что предопределяет парагенетическую связь йодо-бромных вод с нефтегазовыми залежами.

В экологическом отношении йод и бром изучены недостаточно. Однако установлено, что несмотря на низкие величины распространенности в литосфере, эти элементы проявляют высокую атмо-, гидро- и биофильность [3]. Природные концентрации этих элементов весьма подвижны, они образуют соединения с хлором, натрием, а в глубинных подземных водах их концентрация полностью определяется уровнем минерализации (рис. 1, 2). Поведение йода и брома в подземных водах нормальной солености должно привлечь пристальное внимание, особенно в связи с важной экологофизеотерапевтической проблемой их дефицитности и радиационного воздействия на биосферу отдельных изотопов этих элементов.

Список литературы

1. Перельман А. И. Геохимия природных вод / А. И. Перельман. – М. : Наука, 1982. – 154 с.

2. Розан Б. Я. Геохимия брома и йода / Б. Я. Розан. – М. : Недра, 1970. – 144 с.

3. Иванов В. В. Экологическая геохимия элементов / В. В. Иванов. – М. : Недра, 1996. – Кн. 3. – 352 с.

4. Смирнова А. Я. Минеральные воды Воронежской области (лечебные и лечебно-столовые) / А. Я. Смирнова, В. Л. Бочаров, В. Ф. Лукьянов. – Воронеж : Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 1995. – 182 с.

5. Бабкина О. А. Эколого-бальнеологические свойства йодо-бромных минеральных вод в восточной части Воронежской области / О. А. Бабкина // Вопросы региональной экологии : тез. докл. III Регион. науч.-техн. конф. – Тамбов : Тамбов. гос. ун-т, 1998. – С. 44–45. Рис. 2. График зависимости содержания брома в подземных водах от минерализации 6. Бочаров В. Л. Бромные и йодо-бромные минеральные воды Среднехоперской гидроминеральной провинции (Воронежская область) / В. Л. Бочаров, О. А. Бабкина // Реализация региональных научно-технических программ Ценрально-Черноземного региона : материалы науч.-практ. конф. – Воронеж : Воронеж. гос. техн. ун-т, 1997. – С. 55–57.

7. Кирюхин В. К. Процессы формирования йодных вод / В. К. Кирюхин, В. М. Швец. – М. : Недра, 1980. – 95 с.

8. Кудельский А. В. Геохимия, формирование и распространение йодо-бромных вод / А. В. Кудельский, М. Ф. Козлов. – Минск : Наука и техника, 1970. – 144 с.