Hidrogeohemijska valorizacija esencijalnih mikroelemenata mineralnih voda Srbije ⚒ Радови ⚒ Др РГФ

Ментор

Petar Papić

Члан комисије

Veselin Dragišić

Vidojko Jović

Olivera Krunić

Miroslav Vrvić

Креатор

Jana S. Stojković

Датум издавања

2013-09-25

uri

http://eteze.bg.ac.rs/application/showtheses?thesesId=2270

https://fedorabg.bg.ac.rs/fedora/get/o:10128/bdef:Content/download

http://vbs.rs/scripts/cobiss?command=DISPLAY&base=70036&RID=45734415

http://nardus.mpn.gov.rs/123456789/4207

Сажетак

Mineralne vode još od davnina privlače pažnju ljudi i to kako u pogledu istraživanja iproučavanja, tako i u pogledu njihovog iskorišćavanja. Naročito je važno poznavanjesadržaja mikroelemenata u njima, jer su to komponente njihovog hemijskog sastavakoje ih odvajaju od tzv. „običnih“ malomineralizovanih voda.U ovom radu proučavani su odabrani esencijalni mikroelementi (fluor, bor, litijum,kalijum, stroncijum i silicijum), u mineralnim vodama Srbije, pri čemu je analiziranopreko 130 uzoraka mineralnih voda iz različitih geoloških sredina, to jest hidrogeološkihrejona. Cilj ovog istraživanja bio je izdvajanje glavnih hidrogeohemijskih procesa, kojiutiču na vodnu migraciju razmatrane grupe mikroelemenata i njihovu mobilizaciju izstena. Pored toga, trebalo je definisati hidrogeohemijske uslove (u prvom redu, hemijskisastav voda i litološki sastav sredine) koji pogoduju pojavi povišenih koncentracija ovihelemenata u mineralnim vodama Srbije.U cilju rešavanja problema koji je predmet ove doktorske disertacije korišćena jesavremena metodologija, kako prilikom terenskih merenja i laboratorijskih analiza, takoi prilikom sistematizacije i obrade podataka. Na rezultate ispitivanja fizičko-hemijskihkarakteristika mineralnih voda (in situ merenja na sirovim uzorcima, skraćene hemijskeanalize i određivanje sadržaja mikroelemenata) primenjena je multivarijantna statističkaanaliza (faktorna analiza, Q-mod i R-mod klaster analiza), radi sveobuhvatnijegsagledavanja raspoloživih informacija. Pored statističkih proračuna (softverski paketiIBM SPSS Statistics 19.0 i StatSoft STATISTICA 10.0), ispitivan je i prostorniraspored koncentracija mikroelemenata u mineralnim vodama na teritoriji Srbije(softverski paket Esri ArcGIS 9.3), a na određenom broju uzoraka mineralnih vodavršeno je i hidrohemijsko modeliranje (softverski paket USGS PHREEQC 2.18).Upotreba faktorne analize omogućila je grupisanje hidrohemijskih parametara koji sumeđusobno korelisani i koji se mogu dovesti u vezu sa određenim hidrogeohemijskimprocesima. Primenom faktorne analize na matricu sačinjenu od 14 parametarahemijskog sastava, određivanih na 110 uzoraka mineralnih voda sa teritorije Srbije,izdvojena su tri faktora, koji zajedno objašnjavaju 67,4 % ukupne varijanse podataka.Jana S. Stojković Doktorska disertacijaivInterpretacija dobijenih faktora ukazala je na sledeće hidrogeohemijske procese: uticajvisokomineralizovanih, hidrohemijski zrelih voda; ugljokiselinsko razlaganjekristalastih škriljaca, granitoidnih intruzija i tercijarnih vulkanita; katjonsku izmenu;rastvaranje karbonatnih stena; dejstvo azotnih termalnih voda na minerale iz grupekvarca, kao i silikatne minerale bogate fluorom i litijumom. Na odabranim primerimamineralnih voda ukazano je na delovanje izdvojenih procesa, uz analiziranjeuslovljenosti ovih procesa litološko-mineraloškim sastavom izdani.Klaster analizom izvršeno je grupisanje uzoraka mineralnih voda, na osnovu sličnosti ufizičko-hemijskim karakteristikama. Tako su izdvojene četiri grupe (klastera) i osampodgrupa, koje predstavljaju različite hidrohemijske tipove mineralnih voda, dakle, kojese razlikuju po sadržaju razmatranih mikroelemenata. Ispitan je i uticaj gore pomenutihhidrogeohemijskih procesa na svaki od klastera.Izradom karata distribucije koncentracija mikroelemenata u mineralnim vodama Srbije,kao i konstrukcijom odgovarajućih statističkih dijagrama, sagledane su zakonomernostirasprostranjenja analiziranih mikroelemenata, kao i opseg varijacije njihovihkoncentracija. Data je i ocena upotrebljivosti ispitivanih mineralnih voda za piće,upoređivanjem registrovanih koncentracija mikroelemenata sa limitima propisanimdomaćim i stranim pravilnicima i smernicama, koji se odnose na pijaću vodu.Primenom hidrohemijskog modeliranja na odabrane uzorke mineralnih voda,proračunata je zastupljenost najverovatnijih jonskih oblika svakog od analiziranihmikroelemenata, čime je bliže definisano njihovo ponašanje u vodonosnoj sredini.Sistematizacijom rezultata ovog istraživanja izdvojene su sledeće zaključnekonstatacije: Udruženo delovanje sva tri izdvojena faktora ima za posledicu pojavu povišenihkoncentracija svih analiziranih mikroelemenata. Ovo je slučaj kod termalnihugljokiselih mineralnih voda, koje se javljaju u pukotinskoj izdani, formiranoj upaleozojskim ili proterozojskim metamorfitima. Pri tom su od presudnog značajaprocesi savremene magmatske aktivnosti, to jest prisustvo tercijarnih intruzivaili vulkanita, granitoidnog sastava. Ovim je potvrđena pretpostavka o paragenezirazmatranih mikroelemenata. Dominacija svakog od izdvojenih faktora uslovljena je položajem značajnijihgeoloških struktura na teritoriji Srbije. Prvi faktor je dominantan kod pojava kojese vezuju za Panonski basen i manje neogene basene, kao i kod pojava lociranihu paleozojskim ili proterozojskim škriljcima, pri čemu je gotovo uvek prisutnabliska veza sa granitoidnim intruzivima ili vulkanitima. Drugi faktor je izraženkod pojava lociranih u karbonatnim stenama, po obodu ili u podini neogenihJana S. Stojković Doktorska disertacijavbasena. Dominacija trećeg faktora vezuje se za područja u čijoj geološkoj građidominiraju vulkaniti i piroklastične stene. Definisani su hidrogeohemijski uslovi koji pogoduju pojavi povišenihkoncentracija svakog od šest ispitivanih mikroelemenata, i to uporednomanalizom karata rasporeda (maksimalnih) faktorskih bodova i karata distribucijekoncentracija mikroelemenata. Visoki sadržaji fluora vezuju se za dejstvo prvogi trećeg faktora, to jest za ugljokisele mineralne vode u oblastima mladogmagmatizma i za azotne termomineralne vode. Visoke koncentracije bora vezujuse isključivo za dejstvo prvog faktora, bilo da se radi o mineralnim vodamadubljih horizonata neogenih basena ili o ugljokiselim mineralnim vodama uoblastima mladog magmatizma. Litijum i kalijum se odlikuju skoro podjednakodobrom migrativnom sposobnošću u različitim hidrogeohemijskim uslovima(dejstvo prvog, ali i drugog i trećeg faktora). Povišeni sadržaji stroncijumaposledica su dejstva prvog i drugog faktora, tačnije procesa ugljokiselinskograzlaganja alkalnih feldspata i plagioklasa, kao i kalcita i dolomita. Povišenekoncentracije silicijuma u mineralnim vodama vezuju se za treći faktor, kojikarakteriše dejstvo baznih termalnih voda na minerale iz grupe kvarca, sadržaneu kiselim magmatskim stenama ili metamorfitima nastalim preobražajemgranitoidnih stena.

Mineral waters have attracted people’s attention since old times, they were researchedand studied for their exploitation and consumption. It is especially important to knowtheir microelements content, because these components separate mineral waters fromregular low mineralized tap water.The chosen essential microelements (fluorine, boron, lithium, potassium, strontium andsilicon) in mineral waters of Serbia have been studied in this work. Over 130 mineralwater samples from different types of aquifers and from different hydrogeological units,have been analyzed. The aim of this research was to point out the main hydrochemicalprocesses which effect water migration of these microelements and their mobilizationfrom the rocks. Besides that, hydrochemical conditions (especially chemicalcomposition of groundwater and lithological composition of the aquifer) causing highconcentrations of these elements in mineral waters of Serbia have been defined.In order to solve the problem which is the topic of this doctoral dissertation, modernmethodology has been used during the field measurements and laboratory analysis, aswell as for systematization and data analysis. Multivariate statistical analysis (factoranalysis, Q-mode cluster analysis and R-mode cluster analysis) has been applied on theresearch results of physical and chemical characteristics of mineral waters (in situmeasurements on raw samples, short chemical analyses and analyses of the content ofmicroelements) for better understanding of gathered information. Besides statisticalcalculations (software packages IBM SPSS Statistics 19.0 and StatSoft STATISTICA10.0), spatial distribution of microelements in mineral waters of Serbia has been studied(software package Esri ArcGIS 9.3), and hydrochemical modeling has been applied on acertain number of mineral water samples (software package USGS PHREEQC 2.18).The use of factor analysis allowed grouping of hydrochemical variables correlating toeach other, which can be connected to certain hydrogeochemical processes. Applyingfactor analysis to a dataset that consists of 14 chemical parameters measured on 110mineral water samples from Serbia, three factors were extracted, which explain 67.4 %of the total variance in the analyzed dataset. The interpretation of obtained factors hasJana S. Stojković Doktorska disertacijaviiindicated several hydrogeochemical processes: the influence of highly mineralized,hydrochemically mature groundwaters; carbonic acid weathering of schists, granitoidintrusions and Tertiary volcanic rocks; cation exchange; dissolution of carbonate rocks;the effect of nitrogen thermal waters on silica minerals and also on silicate minerals richin fluorine and lithium. The mechanism of these processes has been studied on thechosen mineral water samples, in addition to analyzing how these processes areinfluenced by lithological and mineralogical structure of aquifer.Using the cluster analysis the sample grouping of mineral waters has been done, on thebasis of similarity of their physical and chemical characteristics. In this way four groups(clusters) and eight subgroups have been distinguished, representing differenthydrochemical types of mineral waters, regarding the differences in their microelementscontent. The effect of above mentioned hydrogeochemical processes on each cluster hasalso been examined.By making distribution maps of microelements concentration in mineral waters ofSerbia, as well as by constructing statistical diagrams, pattern of spatial distribution ofanalyzed microelements have been perceived, as well as the extent of variation of theirconcentrations. The possibility of everyday human consumption of the researchedmineral waters has been assessed by comparing detected microelements concentrationsto the limits recommended by domestic and foreign drinking water regulations andguidelines.Applying hydrochemical modeling on chosen mineral water samples the presence of themost probable ion species of the analyzed microelements has been calculated, closelydefining their aqueous hydrogeochemistry.By systematizing the results of this research the following conclusions have beendrawn: The joined effect of all three extracted factors results in appearance of higherconcentration of all analyzed microelements. This is the case in thermalcarbonated mineral waters appearing in fracture aquifers formed in Paleozoic orProterozoic metamorphic rocks. Young magmatism is of the crucial importancereferring to the presence of Tertiary granite plutonic or volcanic rocks. Theassumption about paragenesis of the considered microelements has beenconfirmed by this fact. The domination of each of the extracted factors has been caused by the positionof the important geological structures on the Serbian territory. The first factor isdominant at mineral water occurrences in the Pannonian Basin and smallerNeogene basins and also at the mineral water occurrences in the Paleozoic orJana S. Stojković Doktorska disertacijaviiiProterozoic schists, while the close relation to granite plutonic or volcanic rocksis always present. The second factor is present at the mineral water occurrenceslocated in carbonate rocks at the edge of Neogene basins or in underlyingcarbonate rocks. The domination of the third factor is connected to the areaswhere volcanic and pyroclastic rocks dominate in geological structures. The hydrogeochemical conditions which cause the appearance of highconcentrations of each of six considered microelements have been defined bycomparing analysis of distribution maps of (maximum) factor scores todistribution maps of microelements concentrations. The high content of fluorineis connected to the activity of the first and the third factor, referring tocarbonated mineral waters in the regions of young magmatism and to nitrogenthermal mineral waters. The high concentrations of boron are connected only tothe influence of the first factor, both in mineral waters from deeper horizons inNeogene basins and carbonated mineral waters in the regions of youngmagmatism. Lithium and potassium are almost equally capable of migrating indifferent hydrogeochemical conditions (the effect of the first, but also of thesecond and the third factor). The higher content of strontium is the result of thefirst and the second factor effect, namely the processes of carbonic aciddissolution of alkali feldspars and plagioclase feldspars and also of calcite anddolomite. The higher concentrations of silicon in mineral waters are linked to thethird factor, which is characterized by the effect of base thermal waters on silicaminerals of the acid igneous rocks and in the metamorphic rocks originated fromgranitic rocks.

essential microelements, migration factors, spatial distribution, hydrogeochemical processes, multivariate statistical analysis, mineral waters of Serbia

Формат

application/pdf

Језик

sr

Издавач

Универзитет у Београду, Рударско-геолошки факултет

Права

Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)

Извор

Универзитет у Београду

Subject

esencijalni mikroelementi, faktori migracije, zakonomernosti rasprostranjenja, hidrogeohemijski procesi, multivarijantna statistička analiza, mineralne vode Srbije

Тип

Докторска дисертација

Hidrogeohemijska valorizacija esencijalnih mikroelemenata mineralnih voda Srbije

Објеката