На протяжении 20 лет гидрогеологи из Института земной коры СО РАН (Иркутск) в сотрудничестве с коллегами из Франции, Канады и Китая выполняли комплексные исследования подземных вод в пределах крупных артезианских бассейнов Сибирской платформы. Результаты исследований позволили получить не только фундаментальные знания о подземной гидросфере, но и предложить способ практического освоения месторождений уникального полезного ископаемого — концентрированных поликомпонентных рассолов, так называемой жидкой руды. Этому посвящена статья, опубликованная в журнале «Прикладная геохимия».

Высококонцентрированные хлоридные рассолы — уникальные жидкие растворы, в которых растворенного вещества больше, чем воды, и чье происхождение в осадочных и магматических породах представляет фундаментальную проблему современной гидрогеологии и гидрогеохимии. Рассолы Сибирской платформы — не исключение. Их происхождение до сих пор — предмет оживленной дискуссии. Причина различных точек зрения о генезисе рассолов — не только своеобразный химический состав и высокая минерализация подземных вод, но и широкое распространение рассолов на огромной площади древнейшего блока континентальной коры Земли. Существует несколько гипотез, по-разному объясняющих формирование особого состава и высокую минерализацию (более 600 граммов в литре). Например, магматическая гипотеза говорит о происхождении рассолов из растворов, поступающих из мантии, где преобладает среда с гидрохлоридом кальция, а гравитационная — о перераспределении ионов рассолов в глубине Земли согласно их атомному весу. В последние десятилетия многие ученые привлекают для объяснения происхождения концентрированных подземных вод процессы взаимодействия между захороненными водами древних морей и вмещающими их породами. Благодаря использованию новейших геохимических и изотопных методов иркутским ученым удалось показать, что хлоридные натриевые рассолы Сибирской платформы сформировались в процессе выщелачивания и растворения галогенных пород (это так называемые инфильтрогенные рассолы), а хлоридные кальциевые — в результате изменения состава древней морской воды в масштабах геологического времени (их называют седиментогенными рассолами).

К настоящему времени в пределах нефтяных, газоконденсатных и алмазных месторождений пробурены сотни глубоких скважин, из которых гидрогеологами отобраны пробы рассолов с различной глубины: от 50 до 3 662 метров. Отобранные пробы подземных вод исследованы в лабораториях: химический состав — в Иркутске и Томске, а содержание стабильных изотопов (кислорода, водорода, хлора, брома, стронция) — во Франции, Канаде, Китае, Владивостоке. 

Какие они — рассолы?

По словам одной из авторов научной публикации, ведущего научного сотрудника ИЗК СО РАН доктора геолого-минералогических наук Людмилы Павловны Алексеевой, подземные хлоридные кальциевые и натриево-кальциевые рассолы, которые представляют собой потенциальное гидроминеральное сырье, широко распространены на Сибирской платформе в пределах артезианских бассейнов (Ангаро-Ленского, Тунгусского, Якутского и Оленёкского). Важная особенность строения геологического разреза осадочного чехла Сибирской платформы — это широкое распространение мощных пластов каменной соли в центральной и южной частях. К северу они выклиниваются, формируя терригенно-карбонатный разрез с многочисленными алмазоносными кимберлитовыми трубками (уходящая вглубь конусообразная структура, верхняя часть которой напоминает расширяющийся раструб, а нижняя — узкую трубу). Формирование и распространение хлоридных рассолов зависит от пластов каменной соли, точнее — от их наличия или отсутствия в геологическом разрезе. 

В соленосных районах (в центральной и южной частях платформы) по отношению к пластам каменной соли гидрогеологи традиционно выделяют подсолевую, соленосную и надсолевую гидрогеологические формации. В Ангаро-Ленском артезианском бассейне распространены хлоридные натриевые и кальциевые рассолы различной̆ крепости, то есть с различной соленостью. С точки зрения освоения подземных рассолов как промышленных вод наиболее перспективные — соленосная и подсолевая гидрогеологические формации, поскольку именно в них сосредоточены основные ресурсы высококонцентрированных вод с ураганными содержаниями лития, брома, стронция, рубидия и других ценных компонентов, которые в десятки раз превышают минимальные промышленные концентрации. 

Тунгусский артезианский бассейн — крупнейший резервуар соленых вод и рассолов. Хлоридные натриево-кальциевые рассолы широко распространены в разрезе на глубине от 500 до 3 000 метров в галогенно-карбонатных толщах с пластами каменной соли, мощность которых составляет десятки метров. В осадочных породах Якутского бассейна в соленосной и подсолевой гидрогеологических формациях вскрываются крепкие и весьма крепкие хлоридные натриевые и кальциевые рассолы. На северо-западе с ним граничит Оленёкский артезианский бассейн — несоленосная гидрогеологическая структура. Здесь нет мощных выдержанных пластов каменной̆ соли и типичных для Сибирской платформы хлоридных натриевых рассолов. В этом бассейне распространены соленые воды и рассолы хлоридного исключительно кальциевого или магниево-кальциевого состава, которые занимают осадочный чехол полностью, включая обводненные зоны в кимберлитовых трубках. 

Исследование изотопного состава крепких подземных растворов Сибирской платформы позволило привести больше доказательств происхождения высокоминерализованных хлоридных кальциевых рассолов в результате постепенного преобразования состава древней морской рапы, захороненной вместе с осадками пятьсот миллионов лет назад.

Почему рассолы уникальны?

В России подземные хлоридные кальциевые и натриево-кальциевые рассолы широко распространены в пределах Сибирской платформы. Наиболее соленые их разновидности с общей минерализацией свыше 36 г/л подразделяются (согласно классификации члена-корреспондента РАН Евгения Викторовича Пиннекера) на слабые (36—150), крепкие (150—320), весьма крепкие (320—500) и предельно насыщенные (>500 г/л). Среди крепких и весьма крепких рассолов исследователей давно привлекают так называемые хлоридные кальциевые их разности, то есть рассолы, в составе которых резко доминирует соль CaCl2, исключительно редко встречающаяся в недрах земли. Они обладают самой высокой соленостью на планете и содержат необычно высокие концентрации K, Sr, Br, Li, Rb, Ba, других металлов, а также CH4, H2S, часто СО2 и редких газов. Именно из-за высокого содержания многих химических элементов рассолы уникальны и представляют необычно богатую жидкую руду, ценный гидроминеральный ресурс.

Новейшие геохимические и изотопные данные подтверждают, что хлоридные натриевые рассолы имеют инфильтрогенное происхождение, то есть образуются в результате проникновения вод в уже сформировавшиеся породы из-за растворения и выщелачивания галогенных пород. Высококонцентрированные подземные хлоридные кальциевые воды — результат постепенного преобразования состава древней морской рапы (высокоминерализованный раствор), захороненной вместе с осадками пятьсот миллионов лет назад.

Как можно использовать рассолы?

Рассолы привлекает внимание как источник извлечения многих ценных компонентов (в том числе лития и брома). Однако хлоридные кальциевые подземные воды Сибирской платформы относятся к рассолам, не концентрируемым по литию, поскольку в них очень высокое содержание кальция и магния. Ученые ЗАО «Экостар-Наутех» разработали технологию переработки природных хлоридных рассолов любого геохимического типа. Она основывается на предварительном обогащении рассолов литием. Это процесс, при котором Li-ионы из рассола сорбируются поверхностью твердых частиц сорбента и извлекаются с ними из раствора. Так получается литиевый концентрат, из которого впоследствии производят литиевые продукты (LiCl·H2O, Li2CO3, LiOH·H2O). 

Только на Верхнеленском месторождении, расположенном в пределах Ангаро-Ленского артезианского бассейна, запасы рассола могут обеспечить ежегодное производство более 17 000 тонн карбоната лития (Li2CO3). Это количество превышает производственные мощности некоторых действующих установок по извлечению лития из озерных рассолов в Китае, США и Аргентине. Карбонат лития применяется в пиротехнике, производстве стекол и пластмасс, электроизоляционного фарфора, а также в черной металлургии (десульфурация стали), в сельском хозяйстве в качестве удобрения и кормовой добавки.

У такой технологии переработки рассолов есть свои достоинства. Одно из них — это быстрый способ получения литиевого концентрата, позволяющий производить из него все виды литиевой продукции, а также попутные товарные продукты. Другое достоинство — неизменность состава рассола после выделения лития в виде концентрата и возможность получения из остаточного рассола (после сорбционного извлечения лития) широкого ассортимента продукции, включая бром, соединения магния, кальция и натрия, а также реагентов для реализации этой комплексной технологии. Добыча рассолов дешевле, чем твердых полезных ископаемых, а продукт, полученный из промышленных вод, имеет низкую себестоимость. «Разработанная технология доступна для промышленного использования и позволит России не только восстановить литиевую и бромную промышленность, но и получить востребованные попутные продукты. Рассолы — это стратегический сырьевой источник XXI века», — говорит Людмила Алексеева.

Анастасия Федотова