logo1-color

Криогидрогеохимические условия золоторудного месторождения Дегдекан

Рассмотрены криогидрогеохимические условия золоторудного месторождения Дегдекан. Промерзание геологического разреза района месторождения в четвертичный период и частичная оттайка снизу-вверх многолетнемерзлых пород в современную эпоху привели к формированию уникальных подмерзлотных и межмерзлотных сульфатных магниевых рассолов вымораживания. Ключевые слова: Многолетнемерзлые горные породы, рассолы вымораживания, криогенное концентрирование, эвтектика, эктектическая концентрация солей.

 

По существующему административному делению золоторудное месторождение Дегдекан расположено в Тенькинском районе Магаданской области. Орографически район месторождения представляет собой расчлененное среднегорье с абсолютными отметками до 1192 м и относительными превышениями 100 – 250 м.

Месторождение приурочено к песчано-глинистым породам верхней перми (пионерская свита P2pn), смятым в складки и осложненным разрывными нарушениями надвигово-взбросового характера. Золоторудная минерализация месторождения относится к золото-кварцевой формации на углистом (битумном) основании.

Интрузивные образования в районе имеют ограниченное распространение и представлены позднеюрскими и позднемеловыми дайковыми телами.

Геокриологические условия района

Месторождение Дегдекан расположено в зоне распространения сплошной континентальной мерзлоты горного типа. Для горного типа континентальной мерзлоты Северо-Востока России характерны несколько особенностей, определяющих индивидуальные параметры многолетнемерзлых пород (ММП). Наиболее важными среди них являются: высотная поясность и зависимость мощности и температур ММП от положения в рельефе, относительно низкие среднегодовые температуры пород, наличие засоленных подмерзлотных вод.

Мерзлота имеет трехслойное строение (рис.1). Верхняя, основная толща представлена типично мерзлыми горными породами. В отдельных дренированных горизонтах могут быть коренные морозные породы («сухая мерзлота»). В толще мерзлых льдистых, засоленных кристаллогидратами сульфатов железа, натрия и кальция горных пород отмечается низкотемпературные межмерзлотные высокоминерализованные (до 218 г/л) сульфатные магниевые подземные воды (криопэги), равновесные со льдом ММП при температуре горных пород минус 3оС [1-3]. При более низких температурах горных пород, до минус 4.8оС (эвтектика сульфата магния), возможно обнаружение рассолов с минерализацией 230г/л (эвтектическая концентрация), ниже указанной температуры будет происходить совместная кристаллизация кристаллогидратов сульфата магния и воды. Нижняя толща представляет собой отрицательно температурный горизонт, который находится в немерзлом состоянии за счет существования засоленных подземных вод с температурой замерзания ниже 0 оС. Температура горных пород, насыщенных водой с такой минерализацией при сульфатном магниевом химическом составе составляет около -0,4 ? -1,2 оС. При этом мощность немерзлой отрицательно температурной толщи (ОТТ) под толщей мерзлых пород составляет от 25 до 55м. В дальнейшем обе толщи включены в понятие ММП, таким образом, далее под ММП мы понимаем всю толщу пород, имеющую отрицательную температуру. Другими словами, под ММП в данном случае понимается толща горных пород, ограниченная сверху дневной поверхностью, а снизу положением изотермы 0 оС.

statia-11-ris-1

На рисунке 2 показано среднегодовое распределение температуры в ММП по четырем скважинам. Результаты оценок мощности ММП (положения изотермы 0 оС) и отрицательно температурной толщи (ОТТ), основанные на геотермических измерениях в скважинах, приведены в таблице 1.

statia-11-ris-2

Для района месторождения Дегдекан является типичным то, что подошва ММП повторяет рельеф местности, при этом в понижениях рельефа наблюдается небольшое приращение мощности ММП. Точно установить соотношение рельефа и мощности можно только на основе статистической обработки данных, которых в нашем случае недостаточно. Поэтому здесь речь идет скорее о качественной картине.statia-11-tabl-1

 

Гидрогеологические условия района.

Месторождение находится в зоне распространения сплошной континентальной мерзлоты горного типа, мощность зоны развития многолетнемерзлых пород по данным четырех скважин находится в пределах от 155 до 190 м. Минимальная температура мерзлоты в кровле порядка – 40С. Мерзлота имеет трехслойное строение. Верхняя, основная толща, представлена типично-мерзлыми горными породами. Средняя представлена высокоминерализованными линзами межмерзлотных вод. Нижняя, от 25 м до 55 м толща (верхняя граница определяется по температурам –0.8 - -1.20 С) представляет собой немерзлую отрицательную температурную толщу с минерализацией подмерзлотных вод от 3 г/л до 20 г/л за счет преобладания сульфатных магниевых солей.

Гидрогеологический разрез месторождении включает:

- воды деятельного слоя;

- водоносный горизонт современных техногенных отложений и аллювиальных отложений (надмерзлотные воды);

- межмерзлотные воды с минерализацией ниже эвтектической концентрации MgSO4 – 230г/л;

- подмерзлотные воды в терригенных осадках пермских отложений;

- воды таликовых зон с хорошей гидравлической связью с вышележащими поверхностными водотоками.

Подмерзлотные воды напорные, величина напоров изменяется от 30 до 150 м выше зоны мерзлоты. Уровни вод, в зависимости от положения абсолютной отметки рельефа, устанавливаются на глубине от 50 м до 80 м, при этом направление движения потока запад-восток, в сторону регионального базиса дренирования - реки Колымы. Питание зона развития подмерзлотных вод получает за счет притока речного стока на более высоких гипсометрических отметках в местах развития сплошных таликов, и атмосферного питания. По данным математического моделирования площадное питание подземных вод составляет примерно 3.4 мм в год.

В ходе буровых, гидрогеологических и геофизических исследований выявлен горизонт надмерзлотных таликовых вод, приуроченный к аллювиальным и техногенным отложениям на ручье Дегдекан. Наличие островных таликов в коренных породах перми, а также анализ первичных материалов электропрофилирования позволяет сделать заключение, что, вероятно, сквозной талик существует и на ручье Дегдекан. Талик, связывающий поверхностные воды и подземные воды в коренных отложениях перми, выявлен на реке Токичан. Средний коэффициент фильтрации аллювиальных отложений на ручье Дегдекан 27.5 м/сут, на р. Токичан – 86 м/сут, при мощности 26 и 32 м соответственно. Таликовые зоны в коренных породах характеризуются высокими коэффициентами фильтрации – 6.2 – 8.5 м/сут.

Подмерзлотные воды охарактеризованы по данным опытно-фильтрационных работ, проведённых в пяти гидрогеологических скважинах: четыре из них глубиной 400 м (DH-463Gn, DH-500Gn, DH-503G, RC-504G), одна глубиной 450 м (DH-501Gn). Поинтервальные откачки при перекрытии интервалов колонной обсадных труб проводились в режиме откачки эрлифтом снизу вверх. По завершению откачки проводились замеры восстановления уровней, и водопроводимость оценивалась аналитическим способом с использованием пакета прикладных программ USGS (геологическая служба США). На основании поинтервальных водопроводимостей и мощностей опробования производилась оценка профильной неоднородности подмерзлотной толщи. Результаты интерпретации сводятся к следующему:

- Под зоной ММП в пределах месторождения выделяется примерно 50-ти метровая зона достаточно хорошо проницаемых пород со средним коэффициентом фильтрации К = 0.1 м/сут;

- В пределах этой проницаемой зоны коэффициенты фильтрации терригенных пород пионерской серии колеблются от 0.02 до 0.13 м/сут;

- Средний коэффициент фильтрации пород ниже пятидесятиметровой зоны К = 2.4 x 10 –3 м/сут;

- Фильтрационные параметры Дегдеканского месторождения хорошо коррелируются с ранее проведенными оценками фильтрационных параметров по Наталкинскому месторождению.

Гидрогеологические условия месторождения определяются развитием мерзлоты и гипсометрическими отметками рек. В целом гидродинамика подземных вод зависит от уровня воды в таликовых зонах, приуроченных к долинам крупных рек и разломов, и регионального базиса дренирования – реки Колыма.

Надмерзлотные подземные воды приурочены к аллювиальным и техногенным отложениям на ручье Дегдекан. Питание водоносного горизонта осуществляется в тёплый период года за счёт инфильтрации атмосферных осадков, притока вод деятельного слоя и поверхностных вод.

Температура грунтовых вод в зимнее время года изменяется, как правило, от 0.5 до 2.9 °С. По химическому составу они преимущественно гидрокарбонатно-сульфатные, сульфатные магниево-кальциевые и магниевые с минерализацией 0.6-1.65 г/л, общей жесткостью 7.6-24.2 оЖ, рН 6.0-8.2. Минерализация грунтовых вод повышается в районах россыпной добычи золота.

Межмерзлотные воды обнаружены в ходе бурения разведочных и гидрогеологических скважин, а также при проходке штольни № 1. Примерная глубина появления вод от 20 – 25 м от поверхности. Высокоминерализованные (156 – 218г/л), кислые (рН 2.75 – 2.85) сульфатные магниевые воды являются продуктом криогенной метаморфизации рудных вод зоны окисления сульфидных минералов рудных тел и фоновой сульфидной минерализации вмещающих горных пород в зоне гипергенеза. Предполагается, что межмерзлотные воды это невыдержанные линзы, накопленные в пористых или трещинно-пористых коллекторах (зоны дробления и выветривания). Специальные работы по выявлению границ распространения этих вод и объемов не проводились.

Наиболее вероятно, при промерзании гидрогеологической структуры месторождения Дегдекан её исходная гидрохимическая зональность изменилась. В верхней части до 250 метров сформировалась зона пресных льдов, обогащенных криоэвтектиками – низкомагнезиальным кальцитом, гипсом, мирабилитом, содой, сульфатами железа, при этом соли по разрезу распределяются как в хроматографической колонке сверху вниз. Ниже зоны льдистых горных пород сформировалась зона криопэгов. Их минерализация и химический состав зависит от температуры на фронте промерзания, откуда наблюдается гравитационный отток крепких рассолов. Эти рассолы охлаждают нижележащие водоносные горизонты гидрогеологических структур. Неравномерность охлаждения гидрогеологической структуры привело к формированию линз межмерзлотных вод с избыточным криогенным напором и минерализацией до 218 г/л уникального сульфатного магниевого химического состава. Эвтектика сульфата магния – минус 4.8оС, эвтектическая концентрация – 230 г/л. Наличие в многолетнемерзлых породах сульфатных магниевых рассолов с минерализацией 218г/л указывает на температуру горных пород – минус 4.5оС. При температуре многолетнемерзлых пород ниже эвтектики сульфата магния – минус 4.8оС – следует ожидать засоление льда кристаллогидратами MgSO4.

Криогидратные точки (эвтектики) следует использовать как палеотермометры гидрохимических условий промерзания гидрогеологических структур при палеогидрогеологических реконструкциях [1-3].

В целом последовательность изменения анионного состава подземных вод при промерзании в большинстве случаев можно выразить схемами НСО3 ® SO4 ® Cl--, в зависимости от исходного химического состава подземных вод. Катионный состав, в том числе и микрокомпонентный, при этом испытывает глубокие преобразования, направление которых в общем случае также зависит от исходного химического состава подземных вод.

По мере понижения температуры подземных вод [1, (табл.1)], раствор вымораживания обогащается солями с низкими эвтектиками и, в первую очередь, бромидными и хлоридными солями, а соответствующие им катионы занимают ряд K → Na → Mg → Ca → Li. Из сказанного следует, что морская вода полностью не замерзает практически никогда, т.к. эвтектики таких солей как LiCl и CaBr составляют -67 и -82оС соответственно, а при понижении температуры рапы ниже эвтектики CaCl2 (-49 - -55оС), возможно образование рассолов этих солей.

При промерзании раствор вымораживания также обогащается солями тяжелых металлов.

При повышении температуры при деградации многолетнемерзлых горных пород растворение солей происходит в порядке, обратном их кристаллизации, образуются маломинерализованные воды.

Увеличение объема воды при её замерзании приводит к тому, что часть раствора вымораживания отжимается в сторону от фронта промерзания. Этот процесс ведет, с одной стороны, к концентрированию раствора на фронте промерзания, а с другой - к формированию криогенной гидрохимической зональности (льдов и поровых растворов), отвечающей последовательности кристаллизации солей при вымораживании. Наиболее крепкие рассолы самозахораниваются вследствие высокой плотности в глубоких частях гидрогеологической структуры, вытесняя более пресные воды к фронту промерзания.

При промерзании геологического разреза в нем сформировалась криогенная трещиноватость вследствие увеличения объема воды на 9% при фазовом переходе жидкость – лед.

При деградации многолетнемерзлых горных пород снизу – вверх в них образовался наиболее проницаемый опресненный (1.3 – 4.3г/л) интервал 190-250м подмерзлотных сульфатно-гидрокарбонатных магниево-кальциевых вод, которые будет участвовать в обводнении карьера на месторождении Дегдекан.

В более глубоком интервале глубин (250-400м) геологического разреза распространены сульфатные магниевые подмерзлотные воды с минерализацией до 51.5 г/л, общей жесткостью до ~ 787 оЖ, рН 4.35-7.35.

Таликовые зоны распространены в долине р. Токичан. По данным бурения прослеживаются до глубин 80 м ниже поверхности земли. С учетом характера распространения температуры от поверхности земли, таликовая зона будет иметь место и ниже опробуемой глубины. Ширина таликовых зон от 50 до 250 м. По данным опытной откачки коэффициент фильтрации таликовой зоны оценивается 8.5 м/сут, что выше коэффициента фильтрации наиболее проницаемых пород, залегающих под мерзлотой на участке месторождения (средний коэффициент фильтрации 0.1 м/сут). Можно предположить, что таликовые зоны приурочены к зонам разломов.

Минерализация подземных вод до 0.14 г/л, величина общей жесткости 1.09-1.86 оЖ, рН 6.4-8.0. Химический тип вод сульфатно-гидрокарбонатный, гидрокарбонатно-сульфатный магниево-кальциевый.

Подземные воды на территории Дегдеканского месторождения можно подразделить на межмерзлотные рассолы и подмерзлотные солоноватые воды.

Рассолы представляют собой сульфатные магниевые воды с минерализацией 74-218 г/л, с кислой реакцией среды (рН 2.8-2.9) (табл. 2). Формирование такого химического состава подземных вод, происходило вследствие процесса окисления сульфидсодержащих пород с последующим длительным криогенным концентрированием хорошо растворимого сульфата магния.

statia-11-tabl-2

В зонах окисления сульфидсодержащих отложений (в частности, пирита) за счет абиогенных и биогенных процессов происходит сульфатизация подземных вод. Образующаяся серная кислота растворяет хлорит, а также карбонаты щелочно-земельных металлов, что приводит к переходу в жидкую фазу SO4, Mg, Ca, а в конечном итоге к нейтрализации кислых растворов. При этом воды приобретают сульфатный облик с повышенными концентрациями магния. Сульфат магния характеризуется хорошей растворимостью, которая для формы MgSO4×7H2O составляет 346 г/л при 00С. При охлаждении сульфатных вод последовательно в соответствии с эвтектическими температурами [1, (табл.1)] сульфатных солей из раствора в лед в виде кристаллогидратов последовательно вовлекается сульфат кальция, сульфат натрия, сульфат железа, а при достижении концентраций раствора Mg и SO42- 230 г/л с температурой минус 4.8 оС в растворах образуется криоэвтектика – твердый раствор (MgSO4×12 H2O + лед).

По данным гидрогеохимических исследований, выполненных в 1985 г., и анализов состава подземных вод, проведенных в химической лаборатории Всесоюзного научно-исследовательского института гидрогеологии и инженерной геологии ВСЕГИНГЕО, максимальные концентрации сульфатов и магния также зафиксированы в криопэгах Наталкинского золоторудного месторождения (температура -0.8 ? -1.3), при этом минерализация межмерзлотных вод достигала 157-186 г/л, а в их составе доминировали SO4 и Mg.

Таким образом, основную роль в накоплении SO4 и Mg2+ в растворе играет промерзание горных пород, в которых находится достаточное количество растворимых минералов магния.

По своему химическому типу подмерзлотные подземные воды рудной зоны в естественных условиях формирования относятся к солоноватым (наиболее часто встречаемые величины минерализации 3-13 г/л до 54 г/л), очень жестким (общая жесткость до ≈ 788 0Ж) сульфатным, гидрокарбонатно-сульфатным магниевым, кальциево-магниевым, магниево-кальциевым водам с околонейтральной или слабощелочной реакцией среды (рН 4.35-7.35).

Концентрации сульфатного иона, как основного макроаниона, варьируют от 1.2 до 41 г/л; содержания гидрокарбонатов, а особенно хлоридов, существенно ниже (НСО3 до 1.2 г/л; Cl до 0.3 г/л). Среди макрокомпонентов доминирует магний (0.3-9 г/л), которому уступают по своим концентрациям натрий (0.16 – 0.39 г/л) и кальций (0.18 – 0.4 г/л).

В отдельных скважинах встречаются более минерализованные воды (например, скв. RC-503G, интервал 300-400 м, минерализация 19.4 г/л; скв. RC-501G, интервал 200-400м, минерализация 51.5 г/л). Такое повышение минерализации, по-видимому, связано с имеющимися подтоками межмерзлотных вод.

Стоит обратить внимание на скв. RC-504G, расположенную вне контура рудного поля. Подмерзлотные воды, выводимые этой скважиной, пресные и солоноватые (минерализация 0.38-1.34 г/л), от мягких до очень жестких (величина общей жесткости 4.2-16.95 оЖ) сульфатно-гидрокарбонатные магниево-кальциевые с околонейтральной реакцией среды (рН 7.0-7.4). Межмерзлотные воды этой скважины характеризуются величинами минерализации и общей жесткости как солоноватые (2.9 г/л) очень жесткие (38.9 оЖ) воды, слабокислые (рН 6.2) сульфатные кальциево-магниевые.

В микрокомпонентном составе подмерзлотных вод повышенные концентрации отмечены для таких элементов, как железо (до 13 г/л), марганец (до 2.3 мг/л), алюминий (до 0.9 мг/л), никель (до 0.3 мг/л), мышьяк (до 0.1 мг/л).

 

Список литературы.

  1. Абрамов В.Ю., Кирюхин В.А. Химическая зональность подземных вод, льдов и минералов как отражение криогенных процессов // Проблемы изучения химического состава подземных вод (VI Толстихинские чтения, 11-12 ноября 1997 г.). - СПб., 1997. - С. 30-35.
  2. Абрамов В.Ю., Атрощенко Ф.Г., Соловейчик К.А. Криогенная метаморфизация промышленных стоков. Путь к управлению их составом при утилизации (на примере алмазодобывающих предприятий АО Алмазы России-Саха // Экологические проблемы гидрогеологии (VIII Толстихинские чтения, 16-17 ноября 1999 г.). - СПб., 1999. - С. 95-99.
  3. Абрамов В.Ю., Кирюхин В.А., Сердюков Л.И. Криогидрогеологические условия кимберлитовой трубки Удачная и их изменения в связи с разработкой месторождения // Проблемы региональной гидрогеологии (VII Толстихинские чтения, 11-12 ноября 1998 г.). СПб., 1998. - С. 43-48.