Pierwiastki ziem rzadkich (REE ) w wodach termalnych: występowanie, pochodzenie, znaczenie i perspektywy badań w Polsce

• Autorzy: Porowski A. , Kaczor-Kurzawa D.

Warianty tytułu

EN

The Rare Earth Elements (REE ) in geothermal waters: occurrence, origin, significance and perspectives for research in Poland

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Termin „pierwiastki ziem rzadkich” (Rare Earth Elements – REE) odnosi się do piętnastu pierwiastków stanowiących grupę lantanowców (Ln3+) oraz itru (Y) i skandu (Sd). W wyniku takich procesów jak wietrzenie, rozpuszczanie, rekrystalizacja czy diageneza pierwiastki ziem rzadkich mogą być dość łatwo uruchamiane i przenoszone z minerałów i skał do środowiska wodnego. Wody podziemne wykazują podobny rozkład wzajemnych proporcji REE do ich „rozkładu” charakterystycznego dla skał, przez które przepływają. Takie podobieństwa pomiędzy REE pattern wód podziemnych i skał zbiornikowych decydują o tym, że REE są użytecznym wskaźnikiem do rozpoznawania interakcji zachodzących pomiędzy wodą podziemną a skałą zbiornikową. Analiza rozkładu zawartości REE w wodach wykorzystywana jest do identyfikacji pochodzenia wód, mieszania się wód, określania warunków równowagi w systemie woda-skała, procesów geochemicznych na drogach przepływu wód, do identyfikowania stref zasilania, czy skał zbiornikowych. W przypadku wód termalnych szczególnego znaczenia nabiera dokładne rozpoznanie składu chemicznego wód (w tym REE) i skał zbiornikowych w celu właściwego zrozumienia warunków termalnych w danym systemie. Pomimo istnienia szerokiej literatury dotyczącej badań nad geochemią REE w systemie woda-skała w różnych obszarach świata, Polska jest wciąż „biała plamą” – gdyż zawartości REE, szczególnie w wodach podziemnych, nigdy nie były na szerszą skalę badane; brak jest publikacji naukowych na ten temat. Od roku 2015 zespół naukowców z PIG–PIB oraz ING PAN podjął starania, aby zapełnić tę lukę w polskiej nauce. W roku 2015 pierwsze pilotażowe analizy zawartości REE zostały wykonane dla wód mineralnych Krynicy Zdroju oraz dla wód termalnych Poddębic. W roku 2016, konsorcjum naukowe ING PAN oraz PIG–PIB rozpoczyna realizację dużego projektu naukowego finansowanego ze środków NCN, ukierunkowanego bezpośrednio na szczegółową analizę zawartości i rozkładu REE w wodach mineralnych i termalnych Polski. Perspektywy rozwoju hydrogeochemii pierwiastków ziem rzadkich w Polsce w najbliższych latach wydają się być pozytywne.

EN

The Rare Earth Elements (REE) or rare earth metals, are commonly defined as a series of fifteen elements comprising the lanthanides group (Ln3+) plus scandium (Sc) and yttrium (Y). REE can be significantly mobilized during weathering, alteration and diagenesis processes and transferred from rocks into an aquatic environment. Groundwaters usually demonstrate REE patterns that closely reflect the REE patterns of the rock through which they flow. Such similarities between groundwater and aquifer rock REE patterns suggest that REE may be useful tracers of groundwater – aquifer rock interactions. Ample evidence hase been provided in the literature, that the analysis of REE concentration is a useful tool in tracing the origin of fluids, which is fundamental in understanding any fluid-rock system. The REE distribution in groundwater enables to study of the source of water, the state of equilibrium in water-rock system, changes in water composition by both precipitation and dissolution reactions in the aquifer including those along flow paths, groundwater and surface water mixing, biogeochemical redox processes, adsorption processes, etc. Despite the vast literature and numerous studies of REEs geochemistry reported for various regions in the world, Poland is a truly white spot, where the REE in the groundwater systems have never been deeply studied. However, since 2015, the first pilot analyses of REE in the mineral water of the Krynica Spa and the thermal waters of Poddębice have been performed. A new research project granted by the National Science Center (NCN) in 2016 for scientific consortium of ING PAN and PIG–PIB shed new light on the future development of the REE application in hydrogeochemical studies of mineral and thermal water in Poland.

Słowa kluczowe

PL

pierwiastki ziem rzadkich; wody termalne; pochodzenie wód podziemnych; procesy geochemiczne; oddziaływania woda-skała

EN

rare earth elements (REE); thermal waters; REE patterns; groundwater origin; geochemical processes; water-rock interaction

• Wydawca: Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN
• Czasopismo: Technika Poszukiwań Geologicznych
• Rocznik: 2016
• Tom: R. 55, nr 1
• Strony: 89--102
• Opis fizyczny: Bibliogr. 30 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Porowski A.

• Instytut Nauk Geologicznych PAN ul. Twarda 51/55, 00-818 Warszawa

autor

Kaczor-Kurzawa D.

• Państwowy Instytut Geologiczny–Państwowy Instytut Badawczy (PIG–PIB) Oddział Świętokrzyski, Kielce

Bibliografia

• 1. Aide M.T., Aide C., 2012 — Rare Earth Elemnts: Their importance and in understanding soil genesis. International Scholarly Research Network ISRN Soil Sciences 12, 1–11.
• 2. DeBaar H.J.W., Bacon M.P., Brewer P.G., Bruland K.W., 1983 — Rare earth distributions with a positive Ce anomaly in the western Atlantic Ocean. Nature 301, 324–327.
• 3. DeBaar H.J.W., German C.R., Elderfield H., Van Gaans P., 1988 — Rare earth elements distributions in anoxic waters of the Cariaco Trench. Geochimica et Cosmochimica Acta 52: 1203–1219.
• 4. Dia A., Gruau G., Olivie-Lauquet G., Riou C., Molenat J., Curmi P., 2000 — The distribution of rare earth elements in groundwaters: Assessing the role of source-rock composition, redox changes and colloidal particles. Geochimica et Cosmochimica Acta 64, 4131–4151.
• 5. Castor S.B., Hedrick J.B., 2006 — Rare Earth Elements. [W:] Kogel J.E.,Trivedi N.C., Barker J. M., Krukowski S. (eds), Industrial Minerals and Rocks – Commodities, Markets, and Uses. Society for Mining, Metallurgy, and Exploration (SME), 769–792 s.
• 6. Elderfield H., Greaves M.J., 1982 — The rare earth elements in seawater. Nature 296, 214–219.
• 7. Goldstein S.J., Jacobsen S.B., 1988 — REE in the Great Whale River estuary, northwest Quebec. Earth and Planetary Science Letters 88, 241–252.
• 8. Hanson G.N., 1980 — Rare earth elements in petrogenetic studies of igneous systems. Annual Review of Earth and Planetary Science 8, 371–406.
• 9. Haskin L.A., Haskin M.A., Frey F.A., Wildeman T.R., 1968 — Relative and absolute terrestrial abundances of the rare earths. [W:] Ahrens LH (ed.) Origin and distribution of the elements, Pergamon, Vol. 1, 889–912.
• 10. Kaczor -Kurzawa D., 2015 — Zasolenie wód podziemnych poziomów użytkowych centralnej polski w wyniku ascenzji wód słonych z mezozoiku – charakterystyka wybranych obszarów. PIG–PIB, Warszawa.
• 11. Johannesson K.H., Stetzenbach K.J., Hodge V.F., 1997a — Rare earth elements as geochemical tracers of regional in groundwater mixing. Geochimica et Cosmochimica Acta 61, 3605–3618.
• 12. Johannesson K.H., Stetzenbach K.J., Hodge V.F., Kreamer D.K., 1997b — Delineation of groundwater flow systems in the southern Great Basin using aqueous rare earth elements distributions. Ground Water 35, 807–819.
• 13. Johannesson K.H., Farnham I.M., Guo C., Stetzenbach K.J., 1999 — Rare earth fractionation and concentration variations along a groundwater flow path within a shallow, basin-fill aquifer, southern Nevada, USA. Geochimica and Cosmochimca Acta 63, 2697–2708.
• 14. Johannesson K.H., Xiaoping Z., Caixia G., Stetzenbach K.J., Vernon F.H., 2000 - Origin of rare earth elements signatures in groundwaters of circumneutral pH from southern Nevada and eastern California, USA. Chemical Geology 164, 239–257.
• 15. McLennan S.M., 1989 — Rare earth elements in sedimentary rocks: influence of provenance and sedimentary processes. Review in Mineralogy and Geochimistry 21, 169–200.
• 16. Michard A., Albarede F., 1986 — The REE contents of some hydrothermal fluids. Chemical Geology 55, 51–60.
• 17. Möller P., 2002a — The distribution of rare earth elements and yttrium in water-rock interactions: field observations and experiments. In: Stober I, Bucher K (eds.), Water-rock interaction. Kluwer Academic Publish. Dordrecht, The Niederlands, 40, 97–123.
• 18. Möller P., 2002b — Rare earth elements and yttrium in geothermal fluids. [W:] Stober I.B. (ed), Water Science and Technology Library 40, 97–125.
• 19. Möller P., Dulski P., Morteani G., 2003a — Partitioning of rare earth elements, yttrium, and some major elements among source rocks, liquids and vapor of Larderello-Travale Geothermal field, Tuscany (Central Italy). Geochimica et Cosmochimica Acta 67, 171–183.
• 20. Möller P., Rosenthal E., Dulski P., Geyerc S., Guttmand Y., 2003b — Rare earths and yttrium hydrostratigraphy along the Lake Kinneret-Dead Sea-Arava transform fault, Israel and adjoining territories. Applied Geochemistry 18, 1613–1628.
• 21. Möller P., Dulski P., Savascin Y., 2004 — Rare earth elements yttrium and Pb isotope ratios in thermal spring and well waters of West Anatolia, Turkey: a hydrochemical study of their origin. Chemical Geology 206, 97–118.
• 22. Möller P., Weise S.M., Tesmer M., Dulski P., Pekdeger A., Bayer U., Magri F., 2008 - Salinization of groundwater in the North German Basin: results from conjoint investigation of major, trace element and multi-isotope distribution. International Journal of Earth Sciences 97, 1057–1073.
• 23. Noack C.W., Dzombak D.A., Karamalidis A.K., 2014 — Rare earth element distributions and trends in natural waters with a focus on groundwater. Environmental Science and Technology 48: 4317-4326.
• 24. Porowski A., Kaczor -Kurzawa D., Wysocka I., Drzewicz P., Kutyła-Olesiuk A., 2016 - REE distribution in mineral waters of the Krynica Spa, Polish Outer Carpathians: implication for water-rock interaction and mixing processes. [W:] Ducci D. & Pettita M. Rendiconti Online della Societe Geological Italian (Abstract Book). vol 39 (1): 97 [doi. 10.3301/ROL.2016.63].
• 25. Schnetzler C.C., Philpotts J.A., 1968. Partitioning coefficients of rare-earth elements and barium between igneous matrix material and rock-forming mineral phenocrysts, I. [W:] Ahrens LH (ed) Origin and distribution of the elements, Pergamon, Vol. 1, 929–938.
• 26. Schnetzler C.C., Philpotts J.A., 1970 — Partitioning coefficients of rare-earth elements between igneous matrix material and rock-forming mineral phenocrysts, II. Geochimica et Cosmochimica Acta 34, 331–340.
• 27. Smedley P.L., 1991 — The geochemistry of rare earth elements in groundwater from the Carnmenellis area, southwest England. Geochimica et Cosmochimica Acta 55, 2767–2779.
• 28. Tadych J., Rasała M., Tadych A., 2010 — Dokumentacja hydrogeologiczna ustalająca zasoby eksploatacyjne ujęcia wód termalnych „Poddębice GT-2” w miejsc. Poddębice. NAG, Warszawa.
• 29. Tang J., Johannesson K.H., 2006 — Controls on the geochemistry of rare earth elements along a groundwater flow path in the Carrizo Sand aquifer, Texas, USA. Chemical Geology 255, 156––171.
• 30. Zhang J., Zhao B., 2016 — Separation hydrometallurgy of Rare Earth Elements. Springer International Publishing, Switzerland, 259 p.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.