Сбор сведений о естественных выходах и вскрытых поисково-съемочными, разведочными и эксплуатационными скважинами на воду, осуществлялся во время работы с фондовыми материалами в различных организациях г.г. Вологды и Санкт-Петербурга, а также в период проведения полевых работ в разных районах области при проведении учебных геологических практик со студентами.
Настоящая работа является результатом анализа собранных материалов по химическому составу и условиям формирования сероводородных вод Вологодской области. В ней дано представление о формировании сероводородных вод, отличающееся от предшествующих исследований района (Б.М. Богдановский, 1947, Ю.В.Николаев, 1966 и др.), определено место сероводородных вод области среди известных минеральных сульфидных вод Севера Русской платформы.
Сульфидные воды широко распространены на севере и северо-западе Русской платформы и выделяются в так называемую провинцию сероводородных вод с известными курортами Кемери, Хилово, Сольвычегодск. Проявления сероводородных вод на западе Вологодской области, являясь частью этой провинции, наименее изучены и не освоены, хотя площадь их распространения в десятки раз превышает площади месторождений сероводородных вод, названных выше курортов.
Анализ геолого-гидрогеологических условий формирования подземных вод и закономерностей распространения сульфидных вод Севера Русской платформы показал, что сульфидные воды западной части территории Вологодской области (в частности, Шелохачская группа источников в Устюженском районе) занимают промежуточное положение среди сульфидных вод Севера Русской платформы как в географическом (Кемери, Хилово – Молого-Шекснинская низина – Сольвычегодск), гидрохимическом (сульфатные кальциевые-сульфатно-гидрокарбонатные, магниево-кальциевые-хлоридные, кальциево-натриевые), так и в стратиграфическом (верхний девон – карбон – верхняя пермь) отношении.
Большинство исследователей сероводородных вод такого типа исходят из биогенного механизма их формирования. Он заключается в том, что образование сероводорода связывается с биохимическими процессами разложения сульфатов торфяной органикой (гуминовыми кислотами), проникающей с грунтовыми водами в загипсованные водовмещающие породы. Различие концентраций сероводорода в подземных водах авторы этой концепции объясняют различной загипсованностью водоносных пород и разной степенью их связи с болотными водами. Концепция строится на предположении, что торфяные воды, содержащие значительное количество органического вещества, являются хорошей питательной средой для развития сульфат восстанавливающих бактерий.
Проведенные исследования (В.Л. Щека. В.П. Закутин, 1985 и др.) условий формирования сероводородных вод курортов Кемери, Хилово показали, что механизм формирования этих вод значительно сложнее трактовавшегося ранее. Доверие к ранее принятым схемам падает по мере накопления фактических данных, не подтверждающих участие органики гумусового ряда в жизнедеятельности сульфат редуцирующих бактерий. Более того, предпринятые попытки искусственного получения сероводородных вод и грязей путем закачки вод, обогащенных сульфатами в торфяники или закачки болотных вод в горизонты загипсованных пород, закончились неудачей. Установлено, что основным источником органического вещества, восстанавливающего сульфатную среду, является рассеянная водорастворимая органика, содержащаяся в породах водоносного горизонта (летучие кислоты жирного ряда – муравьиная и уксусная). При этом в процессе образования сероводорода большую роль играет свободный кислород, участвующий в окислении жирных кислот до водорода. Последний используется сульфатредуцирующими бактериями для восстановления серы. Источником серы служат ионы сульфатов, образующиеся при растворении гипса. По результатам наблюдений, проведенных при эксплуатации сероводородных вод на известных месторождениях, выясняется, что стимулировать жизнедеятельность сульфатредуцирующих бактерий могут только наибольшие количества кислорода, поступающие с водами через «верхние» (там, где с поверхности отсутствуют торфяники) или «нижние» (там, где есть тектонические нарушения или фациальные изменения пород) гидрогеологические окна. Замечено, что на участках, где приток кислородсодержащих вод усиленный, образование сероводорода прекращается. Усиление притока кислородсодержащих вод явилось причиной уменьшения содержания сероводорода в скважинах Хиловского курорта при попытках перейти с эксплуатации скважин самоизливом на откачку сероводородных вод насосом (Кирюхин В.Л. и др., 1995).
Принимая во внимание доказанность формирования сульфидных вод в гипергенных условиях за счет процессов бактериального восстановления сульфатов, необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на течение этих процессов в природных условиях. Отметим некоторые из них. В формировании сероводородных вод принимают участие инфильтрационные воды зоны интенсивного водообмена. В закрытых структурах с замедленным водообменом пластовая микрофлора не развивается и процесс сульфатредукции прекращается. В связи с этим важную роль в жизнедеятельности сульфатредуцирующих бактерий, а, следовательно, в образовании и накоплении сероводорода в подземных водах играет гидродинамический фактор.
Для оптимальных условий формирования сульфидных вод необходимо незначительное по масштабу поступление в пласт растворенного в воде кислорода. Таким образом, и гидрохимический фактор, наряду с гидродинамическим, играет решающую роль в формировании сероводородных вод.
Гидрогеологические условия района распространения сероводородных вод Вологодской области позволяют предположить о существовании пластовой гидрохимической зональности, которая выражается в закономерной смене окислительно-восстановительных условий водной среды по пласту. В зависимости от действия приведенных выше факторов это приводит к формированию как бессульфидных (глеевых), так и сероводородных вод. Наиболее вероятен следующий ряд: кислородные воды гидрокарбонатного кальциевого или магниевого состава переходят в бескислородные и бессульфидные (глеевые) воды гидрокарбонатно-сульфатного кальциевого (кальциево-магниевого) состава, затем по пласту в направлении движения подземных вод наблюдается переход их в сульфидные воды гидрокарбонато-сульфатного (сульфатно-гидрокарбонатного) кальциевого (кальциево-натриевого) состава. На первом этапе метаморфизации вод кислород расходуется на окисление растворенной в воде органики гумусового ряда. Окисление и деструкция органического вещества приводят к накоплению продуктов диссоциации угольной кислоты, что, в свою очередь, ведет к формированию глеевой обстановки, где высокой подвижностью обладают ионы Fe²+ и Мn²+, что и наблюдалось нами при полевых исследованиях сероводородных вод источников Шелохачской группы. На границе глеевой и сульфидной обстановки гидрогеохимическая среда неустойчива и наряду с ростом концентраций сероводорода в результате процессов сульфат редукции некоторое время сохраняется подвижность двухвалентного железа, поэтому даже при значительных содержаниях сероводорода в подземных водах концентрации железа могут достигать нескольких мг/дм. Так, при непосредственных определениях Fе²+ у источников концентрация его достигла 2-3 мг/дм³, при содержании сероводорода 8,0-10,0 мг/дм. Здесь важно подчеркнуть, что потребность в железе для сульфатвосстанавливающих бактерий была показана в микробиологической литературе неоднократно (Builinetal, 1949; Заварзин Г.Л., 1972 и др.). При развитии сульфатредуцирующих бактерий среда подщелачивается по мере использования сульфатов, а образующийся сульфид может способствовать удалению из водной среды тяжелых металлов и, прежде всего железа.
В процессе сульфатредукции сульфаты могут быть полностью восстановлены до сульфидов. В воде накапливаются бикарбонаты, нарушается карбонатное равновесие, и как результат последнего – выпадение в осадок кальция и магния, изменение химического типа воды.
Выпадение из подземных вод в осадок кальция нами наблюдалось на некоторых сероводородных источниках в ряде районов области (Кирилловский, Шекснинский). Новообразования у источников в виде травертинов, как правило, обогащены Са, Si, иногда Mg и гидроокислами железа.
Таким образом, хотя планомерных и системных исследований сероводородных вод Вологодской области не проводилось, но по результатам одноразовых опробований, проведенных в разное время различными исследователями, с некоторой долей достоверности можно утверждать, что сероводородные воды по составу и условиям формирования близки к минеральным водам известных курортов: Лангезальц (Германия), Кемери (Латвия), Хилово (Псковская обл.), однако полной аналогии между ними нет. Более того, даже в группе Шелохачских источников, геолого-гидрологические условия которых близки, есть некоторые различия не только по общему содержанию сероводорода и минерализации, но и по соотношению между основными анионами.