Сравнительный анализ элементного и микроэлементного состава термальных вод подземных резервуаров Чеченской Республики

Одной из актуальных проблем современной прикладной экологии является исследование и разработка геотермальных вод, а также контроль их качества при использовании в бальнеологических целях как необходимое условие обеспечения безопасности здоровья населения Чеченской Республики (ЧР) [1-2]. Геотермальные воды являются потенциально важным источником ценных минералов и металлов [34]. Эти жидкости нагреваются в естественном тепловом потоке недр земли. Высокотемпературные геотермальные воды, температура которых, как правило, превышает 120°C, используются для производства электроэнергии в то время как низкотемпературные воды используются непосредственно для подачи тепловой энергии в такие области хозяйства, как сельское хозяйство, аквакультура и отопление помещений. Длительный контакт геотермальных вод с окружающими их породами из верхних слоев силикатной коры приводит к растворению в них минералов и металлов горных пород. Высокая температура этих вод также способствует более активному накоплению в них всего спектра химических элементов [2, 4].

Территория ЧР является одним из наиболее перспективных районов России,

Минцаев Магомед Шавалович, доктор технических наук, профессор

располагающим крупными ресурсами термальных вод в 14 месторождениях. Большое количество запасов геотермальных вод, высокие дебиты и температуры, низкая минерализация, невысокая коррозионная активность вод месторождений делают перспективным комплексное использование термальных вод ЧР. Использование данной энергии является экологически чистым процессом, а создание циркуляционных систем для поддержания пластового давления на месторождениях исключает сброс вод, тем самым сводя до минимума вред окружающей среде. Качество и свойства термальных вод Чеченской Республики позволяют использовать их комплексно: для выработки электроэнергии; теплоснабжения; извлечения полезных химических компонентов, в особенности кремния; в бальнеологии и т.д.

Общее количество эксплуатационных запасов термальных вод ЧР составляет по категориям: А – 7,97 тыс.м³/сут, В – 9,2 тыс.м³/сут, С 1 – 18,99 тыс.м³/сут, С 2 – 6,02 тыс.м³/сут. Наиболее активно до настоящего времени эксплуатировались Ханкальское и Червленское месторождения. Червленское месторождение расположено в 36 км северо-восточнее г. Грозного. В промышленной эксплуатации находится с 1974 г. Червленское месторождение в тектоническом отношении связано с брахиантиклинальной складкой. Район расположен в полосе развития палео-ген-неогеновой складчатости Восточного Предкавказья. Древнейшими породами, выходящими на дневную поверхность, являются образования нижнемеловой системы.

Характерной и благоприятной для использования в народном хозяйстве особенностью месторождений ЧР является их невысокая минерализация, в большинстве случаев не превышающая 2,0 г/л. Анализ современной экологической ситуации показывает, что эксплуатация геотермальных ресурсов неизбежно приводит к разгрузке воды, с применением термальных вод в бальнеологических целях, содержащей заметные концентрации микроэлементов [5]. С одной стороны, примесные добавки геотермальных вод, как правило, пагубно влияют на коррозийную устойчивость подводящих труб и канализации, приводя к их частым разрывам и к увеличению стоимости эксплуатации геотермального тепла [2-6], что зачастую делает любое дальнейшее использование горячей воды практически неосуществимым. С другой стороны, эти водные растворы могут быть обработаны с целью восстановления минералов и металлов. Важней- шими потенциальными продуктами, добываемыми из геотермальных растворов, являются кремний, цинк, литий и другие металлы [7-9]. Восстановление полезных ископаемых и металлов из геотермальных растворов может рассматриваться как дополнительное производство при уже имеющихся электростанциях или как отдельное производство ценных дорогостоящих металлов. Для научного обоснования перспектив и технологий рационального природопользования термальных вод необходимо проведение детального анализа их элементного соста-ва[10-11].

Цель работы: проведение комплексного химико-аналитического исследования элементного и микроэлементного состава термальных вод Червленского месторождения ЧР и обоснования их рационального использования.

Рис. 1. Карта-схема исследуемых термальных источников

Материалы и методы. В качестве объекта исследований использовали воду из разных термальных источников Червленского месторождения (рис. 1). Отбор проб исследуемых термальных вод осуществляли согласно ГОСТ Р-51592-2000. Лабораторно-аналитические исследования проводили на базе НИЦКП «Нанотехнологии и наноматериалы» в период 2013-2015 гг. Сравнивали органолептические показатели: мутность, цветность, температуру, запах и обобщенные показатели: водородный показатель рН, минерализацию общую, присутствие фенолов. Определяли также показатели содержания неорганических и органических веществ по общепринятым методикам. Микроэлементный анализ воды проводили с помощью масс-спектрометрического исследования на масс-спектрометре Inductivety Conpled Plasma MassSpectrometer с системой обработки данных VGPG ΣxCell [12]. Полученные данные использовали для составления минерального портрета источников. Статистическую обработку данных проводили по общепринятым методикам [13] с применением программы STATISTICA 6.0. Статистические результаты считались достоверными при p≤0,05.

Полученные результаты и их обсуждение. Были проведены лабораторно-аналитические исследования проб воды из разных термальных источников ЧР (Червленское месторождение, скважины №№3 и 2т), результаты представлены в табл. 1. Минерализация скважин №2т и №3 Червленского месторождения – 2,77-6,15 г/л. По органолептическим показателям вода без цвета, без запаха, прозрачная с нефтяным привкусом. Вода этих скважин гидрокарбонатно-хло-ридная натриевая, средне-минерализованная, кремнистая высокотермальная со слабощелочной реакцией среды (рН 7,9). Вода содержит в терапевтически активной концентрации метак-ремневую кислоту (52 мг/л), что, с учетом высокой температуры, позволяет характеризовать ее как воду минеральную кремнистую термальную. По формуле Коновалова это можно выразить:

НСО 3 51 Cl 49

М 6,2 ---------------------- НSiO352 рH 7,9 T083C

(Na+K)94 Ca 4,2 Mg2

Таблица 1. Результаты лабораторно-аналитических исследований качества воды термальных источников Червленского месторождения ЧР

№ п/п	Наименование показателя	НТД на методы определения	№2 т	№3
обобщенные показатели
5	водородный показатель РН	ПНДФ 14.1-2:3-4 121-97	7,9	7,7
6	общая минерализация, г/л	ГОСТ 181 64-72	2,77	6,15
7	фенолы, мг/л	ПНДФ 14.1: 2:4.182-02	-	<0,001
неорганические вещества
8	аммиак и ионы аммония (сумма) мг/л	ГОСТ 4192-82	1,0	1,02
9	хлориды, мг/л	ГОСТ 4245-72	48,7	57,99
10	железо общее, мг/л	ГОСТ 13273-88	0,29	0,22
11	сульфаты, мг/л	ГОСТ 4389-72	2,64	3,0

Содержание микроэлементов невелико и не достигает норм, характеризующих их как биологически активные. Содержание органического вещества повышенное – 12,2 мг/л, в основном за счет гумусовой органики (9,0 мг/л). Фенолы и летучие кислоты жирного ряда не обнаружены. Нафтеновые кислоты (6,5 мг/л) и ароматические углеводороды (0,5 мг/л) содержатся в незначительных количествах. Состав растворенного газа сложный – азотно-углекисло-метановый (N 2 – 64,77%, СО 2 – 17,62%, СН 4 – 17,61%). По содержанию радия и урана вода скважины 2т к радиоактивным водам не относится.

Оценка запасов термальных вод ЧР проводилась в 1982 г., по данным бурения был составлен отчет [12]. Было отмечено, что запасы при эксплуатации скважин составляют при постоянной эксплуатации 3875-5675 м3/сут, при периодической эксплуатации 5526-9314 м3/сут (табл. 2). Если в пласт возвращать отработанную воду (ПДД), то, по мнению авторов, производительность водозабора может быть увеличена при непрерывной эксплуатации до 4776-8189 м3/сут, при периодической эксплуатации до 6251-11225 м3/сут.

Таблица 2. Сведения о скважинах Червленского месторождения

№ скважины	Глубина скважины, м	Дебит воды (м3/сут.) / рабочее давление (МПа)	Температура воды на устье, еС	Добыча термальных вода, м3
№2т	3500	1350/032	81	356000
№3	3551	1400/0,4	83	421000

Большое количество запасов геотермальных вод, высокие дебиты и температуры, низкая минерализация, невысокая коррозионная активность вод месторождений делают перспективным комплексное использование термальных вод ЧР. Использование данной энергии является экологически чистым процессом, а создание циркуляционных систем для поддержания пластового давления на месторождениях исключает сброс вод, тем самым сводя до минимума вред окружающей среде. Качество и свойства термальных вод ЧР позволяют использовать их комплексно: выработка электроэнергии; теплоснабжение; извлечение полезных химических компонентов, в особенности кремния; розлив как минерально-питьевых.

Нами были проведены дополнительно к традиционным лабораторно-аналитическим методам масс-спектрометрические исследования проб воды из разных термальных источников на масс-спектрометре Inductivety Conpled Plasma MassSpectrometer с системой обработки данных VGPG ΣxCell (12-13). Исследование термальных источников методом масс-спектрометрии с индуктивной плазмой позволило выявить присутствие в ней всех изотопов химических элементов и провести их сравнительный анализ (табл. 3). Отмечено высокое содержание в водах Червлен-ского месторождения лития, кремния и бора, а также в достаточном количестве биогенных элементов, которые необходимы макроорганизму в составе жизненно важных ферментов и для участия в обменных процессах (калий, железо, медь и др.). Выявлено умеренное содержание натрия и практически полное отсутствие кадмия и опасного бериллия, что также характеризует эти воды с положительной стороны. Содержание ряда элементов от титана до селена, а также наличие в этих водах природных изотопов алюминия, кремния и фосфора, определено в пределах допустимых норм.

Полученные результаты позволили сделать заключение, что микроэлементный состав исследуемых термальных вод Червленского месторождения достаточно благоприятный. К недостаткам исследуемых термальных вод можно отнести относительно малую концентрацию йода и марганца (ниже среднестатистической нормы), обычную для минеральных источников.

Содержание кальция и магния традиционно для термальных вод. Проведенный анализ показал, что все анализируемые воды имеют в своем составе достаточное количество таких «элементов жесткости» как кальций и магний, причем соотношение этих элементов весьма благоприятное для Червленского месторождения (рис. 2). Содержание других более ТМ находится в приемлемом диапазоне и не выходит за рамки ПДК.

Таблица 3. Элементный и микроэлементный состав термальных вод Червленского месторождения (скважина №2т и 3) (данные масс-спектрометрического анализа)

Элементы	ПДК рх-в, 1мкг/л.	№ 2т	№ 3
литий	80-30	221,8	257,1
бериллий	0,3-0,2	0,04	0,16
бор	500-500	2741	2790
натрий	120000-200000	34790	>200000
магний	40000-50000	1362	2620
алюминий	40-200	0,5	0,7
кремний	1000-10000	7650	4625
фосфор	50-200	3,1	3,3
калий	50000-30000	15010	7812
кальций	180000-н	20130	3759
титан	60-100	3,1	3,1
ванадий	1-100	6,8	3,8
хром	50-500	14	3,9
марганец	10-100	31,8	2,65
железо	100-300	96,4	33,8
кобальт	10-100	0,48	0,44
никель	10-20	0,21	0,01
медь	1-1000	0,46	0,44
цинк	10-1000	0,5	0,23
германий	н-н	2,54	2,49
мышьяк	50-10	2,2	4,4
селен	2-10	3	5,3
стронций	400-7000	615	304
молибден	1,2-250	0,36	0,33
серебро	н-50	0,071*	0,029*
кадмий	5-1	0	0
барий	740-700	236,9	32,6
вольфрам	0,8-50	0,042*	0,025*
ртуть	0,01-0,5	0,119*	0,152*
таллий	н-0,1	0,004*	0
свинец	6-10	0,019*	0,004*
висмут	н-100	0,001*	0
уран	н-100	0,003*	0,006*
йод	200-125	0,48	1,5

Выводы: в наших исследованиях был определен элементный и микроэлементный состав воды из термальных источников Червленского месторождения ЧР. Выявлены особенности по составу изотопов химических элементов, определяющих специфику и качество вод. В целом, по микроэлементному и элементному составу эти источники вполне пригодны для бальнеологического использования, т.к. исследуемая вода соответствует основным требованиям современных ГОСТов (ГОСТ-13273-88. Воды минеральные питьевые лечебные и лечебно-столовые). По микро-элементному и элементному составу термальные воды Червленского месторождения вполне пригодны не только для выработки электроэнергии; теплоснабжения и извлечения полезных химических компонентов, но и преимущественно, в бальнеологических целях.

Рис. 2. Сравнительный состав изотопов химических элементов термальных вод Червленского месторождения

Работа выполнена в рамках Государственного Задания № 13.1738.2014/K «Геохимические исследования и разработка практических рекомендаций по геотермальным месторождениям Северного Кавказа для снижения агрессии при строительстве геотермальных станций».