Title
Hidrogeohemijska valorizacija esencijalnih mikroelemenata mineralnih voda Srbije
Creator
Stojković, Jana S.
Copyright date
2013
Object Links
Select license
Autorstvo-Nekomercijalno-Bez prerade 3.0 Srbija (CC BY-NC-ND 3.0)
License description
Dozvoljavate samo preuzimanje i distribuciju dela, ako/dok se pravilno naznačava ime autora, bez ikakvih promena dela i bez prava komercijalnog korišćenja dela. Ova licenca je najstroža CC licenca. Osnovni opis Licence: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/deed.sr_LATN. Sadržaj ugovora u celini: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/rs/legalcode.sr-Latn
Language
Serbian
Cobiss-ID
Theses Type
doktorska disertacija
description
Datum odbrane: 25.09.2013.
Other responsibilities
mentor
Papić, Petar
član komisije
Dragišić, Veselin
član komisije
Jović, Vidojko
član komisije
Krunić, Olivera
član komisije
Vrvić, Miroslav, 1952-
Academic Expertise
Tehničko-tehnološke nauke
University
Univerzitet u Beogradu
Faculty
Rudarsko-geološki fakultet
Alternative title
Hydrogeochemical valorization of essential microelements in mineral waters of Serbia
Publisher
Beograd : [J. Stojković]
Format
PDF/A (216 listova)
description
Geološko inženjerstvo / Geological engineering
Hidrogeoekologija / Hydrogeoecology
Abstract (sr)
Mineralne vode još od davnina privlače pažnju ljudi i to kako u pogledu istraživanja i
proučavanja, tako i u pogledu njihovog iskorišćavanja. Naročito je važno poznavanje
sadržaja mikroelemenata u njima, jer su to komponente njihovog hemijskog sastava
koje 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 analizirano
preko 130 uzoraka mineralnih voda iz različitih geoloških sredina, to jest hidrogeoloških
rejona. Cilj ovog istraživanja bio je izdvajanje glavnih hidrogeohemijskih procesa, koji
utiču na vodnu migraciju razmatrane grupe mikroelemenata i njihovu mobilizaciju iz
stena. Pored toga, trebalo je definisati hidrogeohemijske uslove (u prvom redu, hemijski
sastav voda i litološki sastav sredine) koji pogoduju pojavi povišenih koncentracija ovih
elemenata u mineralnim vodama Srbije.
U cilju rešavanja problema koji je predmet ove doktorske disertacije korišćena je
savremena metodologija, kako prilikom terenskih merenja i laboratorijskih analiza, tako
i prilikom sistematizacije i obrade podataka. Na rezultate ispitivanja fizičko-hemijskih
karakteristika mineralnih voda (in situ merenja na sirovim uzorcima, skraćene hemijske
analize i određivanje sadržaja mikroelemenata) primenjena je multivarijantna statistička
analiza (faktorna analiza, Q-mod i R-mod klaster analiza), radi sveobuhvatnijeg
sagledavanja raspoloživih informacija. Pored statističkih proračuna (softverski paketi
IBM SPSS Statistics 19.0 i StatSoft STATISTICA 10.0), ispitivan je i prostorni
raspored koncentracija mikroelemenata u mineralnim vodama na teritoriji Srbije
(softverski paket Esri ArcGIS 9.3), a na određenom broju uzoraka mineralnih voda
vršeno je i hidrohemijsko modeliranje (softverski paket USGS PHREEQC 2.18).
Upotreba faktorne analize omogućila je grupisanje hidrohemijskih parametara koji su
međusobno korelisani i koji se mogu dovesti u vezu sa određenim hidrogeohemijskim
procesima. Primenom faktorne analize na matricu sačinjenu od 14 parametara
hemijskog 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 disertacija
iv
Interpretacija dobijenih faktora ukazala je na sledeće hidrogeohemijske procese: uticaj
visokomineralizovanih, hidrohemijski zrelih voda; ugljokiselinsko razlaganje
kristalastih škriljaca, granitoidnih intruzija i tercijarnih vulkanita; katjonsku izmenu;
rastvaranje karbonatnih stena; dejstvo azotnih termalnih voda na minerale iz grupe
kvarca, kao i silikatne minerale bogate fluorom i litijumom. Na odabranim primerima
mineralnih voda ukazano je na delovanje izdvojenih procesa, uz analiziranje
uslovljenosti ovih procesa litološko-mineraloškim sastavom izdani.
Klaster analizom izvršeno je grupisanje uzoraka mineralnih voda, na osnovu sličnosti u
fizičko-hemijskim karakteristikama. Tako su izdvojene četiri grupe (klastera) i osam
podgrupa, koje predstavljaju različite hidrohemijske tipove mineralnih voda, dakle, koje
se razlikuju po sadržaju razmatranih mikroelemenata. Ispitan je i uticaj gore pomenutih
hidrogeohemijskih procesa na svaki od klastera.
Izradom karata distribucije koncentracija mikroelemenata u mineralnim vodama Srbije,
kao i konstrukcijom odgovarajućih statističkih dijagrama, sagledane su zakonomernosti
rasprostranjenja analiziranih mikroelemenata, kao i opseg varijacije njihovih
koncentracija. Data je i ocena upotrebljivosti ispitivanih mineralnih voda za piće,
upoređivanjem registrovanih koncentracija mikroelemenata sa limitima propisanim
domaćim 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 analiziranih
mikroelemenata, čime je bliže definisano njihovo ponašanje u vodonosnoj sredini.
Sistematizacijom rezultata ovog istraživanja izdvojene su sledeće zaključne
konstatacije:
Udruženo delovanje sva tri izdvojena faktora ima za posledicu pojavu povišenih
koncentracija svih analiziranih mikroelemenata. Ovo je slučaj kod termalnih
ugljokiselih mineralnih voda, koje se javljaju u pukotinskoj izdani, formiranoj u
paleozojskim ili proterozojskim metamorfitima. Pri tom su od presudnog značaja
procesi savremene magmatske aktivnosti, to jest prisustvo tercijarnih intruziva
ili vulkanita, granitoidnog sastava. Ovim je potvrđena pretpostavka o paragenezi
razmatranih mikroelemenata.
Dominacija svakog od izdvojenih faktora uslovljena je položajem značajnijih
geoloških struktura na teritoriji Srbije. Prvi faktor je dominantan kod pojava koje
se vezuju za Panonski basen i manje neogene basene, kao i kod pojava lociranih
u paleozojskim ili proterozojskim škriljcima, pri čemu je gotovo uvek prisutna
bliska veza sa granitoidnim intruzivima ili vulkanitima. Drugi faktor je izražen
kod pojava lociranih u karbonatnim stenama, po obodu ili u podini neogenih
Jana S. Stojković Doktorska disertacija
v
basena. Dominacija trećeg faktora vezuje se za područja u čijoj geološkoj građi
dominiraju vulkaniti i piroklastične stene.
Definisani su hidrogeohemijski uslovi koji pogoduju pojavi povišenih
koncentracija svakog od šest ispitivanih mikroelemenata, i to uporednom
analizom karata rasporeda (maksimalnih) faktorskih bodova i karata distribucije
koncentracija mikroelemenata. Visoki sadržaji fluora vezuju se za dejstvo prvog
i trećeg faktora, to jest za ugljokisele mineralne vode u oblastima mladog
magmatizma i za azotne termomineralne vode. Visoke koncentracije bora vezuju
se isključivo za dejstvo prvog faktora, bilo da se radi o mineralnim vodama
dubljih horizonata neogenih basena ili o ugljokiselim mineralnim vodama u
oblastima mladog magmatizma. Litijum i kalijum se odlikuju skoro podjednako
dobrom migrativnom sposobnošću u različitim hidrogeohemijskim uslovima
(dejstvo prvog, ali i drugog i trećeg faktora). Povišeni sadržaji stroncijuma
posledica su dejstva prvog i drugog faktora, tačnije procesa ugljokiselinskog
razlaganja alkalnih feldspata i plagioklasa, kao i kalcita i dolomita. Povišene
koncentracije silicijuma u mineralnim vodama vezuju se za treći faktor, koji
karakteriše dejstvo baznih termalnih voda na minerale iz grupe kvarca, sadržane
u kiselim magmatskim stenama ili metamorfitima nastalim preobražajem
granitoidnih stena.
Abstract (en)
Mineral waters have attracted people’s attention since old times, they were researched
and studied for their exploitation and consumption. It is especially important to know
their microelements content, because these components separate mineral waters from
regular low mineralized tap water.
The chosen essential microelements (fluorine, boron, lithium, potassium, strontium and
silicon) in mineral waters of Serbia have been studied in this work. Over 130 mineral
water 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 hydrochemical
processes which effect water migration of these microelements and their mobilization
from the rocks. Besides that, hydrochemical conditions (especially chemical
composition of groundwater and lithological composition of the aquifer) causing high
concentrations 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, modern
methodology has been used during the field measurements and laboratory analysis, as
well as for systematization and data analysis. Multivariate statistical analysis (factor
analysis, Q-mode cluster analysis and R-mode cluster analysis) has been applied on the
research results of physical and chemical characteristics of mineral waters (in situ
measurements on raw samples, short chemical analyses and analyses of the content of
microelements) for better understanding of gathered information. Besides statistical
calculations (software packages IBM SPSS Statistics 19.0 and StatSoft STATISTICA
10.0), 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 a
certain number of mineral water samples (software package USGS PHREEQC 2.18).
The use of factor analysis allowed grouping of hydrochemical variables correlating to
each other, which can be connected to certain hydrogeochemical processes. Applying
factor analysis to a dataset that consists of 14 chemical parameters measured on 110
mineral 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 has
Jana S. Stojković Doktorska disertacija
vii
indicated several hydrogeochemical processes: the influence of highly mineralized,
hydrochemically mature groundwaters; carbonic acid weathering of schists, granitoid
intrusions and Tertiary volcanic rocks; cation exchange; dissolution of carbonate rocks;
the effect of nitrogen thermal waters on silica minerals and also on silicate minerals rich
in fluorine and lithium. The mechanism of these processes has been studied on the
chosen mineral water samples, in addition to analyzing how these processes are
influenced by lithological and mineralogical structure of aquifer.
Using the cluster analysis the sample grouping of mineral waters has been done, on the
basis of similarity of their physical and chemical characteristics. In this way four groups
(clusters) and eight subgroups have been distinguished, representing different
hydrochemical types of mineral waters, regarding the differences in their microelements
content. The effect of above mentioned hydrogeochemical processes on each cluster has
also been examined.
By making distribution maps of microelements concentration in mineral waters of
Serbia, as well as by constructing statistical diagrams, pattern of spatial distribution of
analyzed microelements have been perceived, as well as the extent of variation of their
concentrations. The possibility of everyday human consumption of the researched
mineral waters has been assessed by comparing detected microelements concentrations
to the limits recommended by domestic and foreign drinking water regulations and
guidelines.
Applying hydrochemical modeling on chosen mineral water samples the presence of the
most probable ion species of the analyzed microelements has been calculated, closely
defining their aqueous hydrogeochemistry.
By systematizing the results of this research the following conclusions have been
drawn:
The joined effect of all three extracted factors results in appearance of higher
concentration of all analyzed microelements. This is the case in thermal
carbonated mineral waters appearing in fracture aquifers formed in Paleozoic or
Proterozoic metamorphic rocks. Young magmatism is of the crucial importance
referring to the presence of Tertiary granite plutonic or volcanic rocks. The
assumption about paragenesis of the considered microelements has been
confirmed by this fact.
The domination of each of the extracted factors has been caused by the position
of the important geological structures on the Serbian territory. The first factor is
dominant at mineral water occurrences in the Pannonian Basin and smaller
Neogene basins and also at the mineral water occurrences in the Paleozoic or
Jana S. Stojković Doktorska disertacija
viii
Proterozoic schists, while the close relation to granite plutonic or volcanic rocks
is always present. The second factor is present at the mineral water occurrences
located in carbonate rocks at the edge of Neogene basins or in underlying
carbonate rocks. The domination of the third factor is connected to the areas
where volcanic and pyroclastic rocks dominate in geological structures.
The hydrogeochemical conditions which cause the appearance of high
concentrations of each of six considered microelements have been defined by
comparing analysis of distribution maps of (maximum) factor scores to
distribution maps of microelements concentrations. The high content of fluorine
is connected to the activity of the first and the third factor, referring to
carbonated mineral waters in the regions of young magmatism and to nitrogen
thermal mineral waters. The high concentrations of boron are connected only to
the influence of the first factor, both in mineral waters from deeper horizons in
Neogene basins and carbonated mineral waters in the regions of young
magmatism. Lithium and potassium are almost equally capable of migrating in
different hydrogeochemical conditions (the effect of the first, but also of the
second and the third factor). The higher content of strontium is the result of the
first and the second factor effect, namely the processes of carbonic acid
dissolution of alkali feldspars and plagioclase feldspars and also of calcite and
dolomite. The higher concentrations of silicon in mineral waters are linked to the
third factor, which is characterized by the effect of base thermal waters on silica
minerals of the acid igneous rocks and in the metamorphic rocks originated from
granitic rocks.
Authors Key words
esencijalni mikroelementi, faktori migracije, zakonomernosti
rasprostranjenja, hidrogeohemijski procesi, multivarijantna statistička analiza,
mineralne vode Srbije
Authors Key words
essential microelements, migration factors, spatial distribution,
hydrogeochemical processes, multivariate statistical analysis, mineral waters of Serbia
Classification
543.2:553.7:556.114/.314.6:615.4:628.161.1(497.11)(043.3
Type
Tekst
Abstract (sr)
Mineralne vode još od davnina privlače pažnju ljudi i to kako u pogledu istraživanja i
proučavanja, tako i u pogledu njihovog iskorišćavanja. Naročito je važno poznavanje
sadržaja mikroelemenata u njima, jer su to komponente njihovog hemijskog sastava
koje 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 analizirano
preko 130 uzoraka mineralnih voda iz različitih geoloških sredina, to jest hidrogeoloških
rejona. Cilj ovog istraživanja bio je izdvajanje glavnih hidrogeohemijskih procesa, koji
utiču na vodnu migraciju razmatrane grupe mikroelemenata i njihovu mobilizaciju iz
stena. Pored toga, trebalo je definisati hidrogeohemijske uslove (u prvom redu, hemijski
sastav voda i litološki sastav sredine) koji pogoduju pojavi povišenih koncentracija ovih
elemenata u mineralnim vodama Srbije.
U cilju rešavanja problema koji je predmet ove doktorske disertacije korišćena je
savremena metodologija, kako prilikom terenskih merenja i laboratorijskih analiza, tako
i prilikom sistematizacije i obrade podataka. Na rezultate ispitivanja fizičko-hemijskih
karakteristika mineralnih voda (in situ merenja na sirovim uzorcima, skraćene hemijske
analize i određivanje sadržaja mikroelemenata) primenjena je multivarijantna statistička
analiza (faktorna analiza, Q-mod i R-mod klaster analiza), radi sveobuhvatnijeg
sagledavanja raspoloživih informacija. Pored statističkih proračuna (softverski paketi
IBM SPSS Statistics 19.0 i StatSoft STATISTICA 10.0), ispitivan je i prostorni
raspored koncentracija mikroelemenata u mineralnim vodama na teritoriji Srbije
(softverski paket Esri ArcGIS 9.3), a na određenom broju uzoraka mineralnih voda
vršeno je i hidrohemijsko modeliranje (softverski paket USGS PHREEQC 2.18).
Upotreba faktorne analize omogućila je grupisanje hidrohemijskih parametara koji su
međusobno korelisani i koji se mogu dovesti u vezu sa određenim hidrogeohemijskim
procesima. Primenom faktorne analize na matricu sačinjenu od 14 parametara
hemijskog 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 disertacija
iv
Interpretacija dobijenih faktora ukazala je na sledeće hidrogeohemijske procese: uticaj
visokomineralizovanih, hidrohemijski zrelih voda; ugljokiselinsko razlaganje
kristalastih škriljaca, granitoidnih intruzija i tercijarnih vulkanita; katjonsku izmenu;
rastvaranje karbonatnih stena; dejstvo azotnih termalnih voda na minerale iz grupe
kvarca, kao i silikatne minerale bogate fluorom i litijumom. Na odabranim primerima
mineralnih voda ukazano je na delovanje izdvojenih procesa, uz analiziranje
uslovljenosti ovih procesa litološko-mineraloškim sastavom izdani.
Klaster analizom izvršeno je grupisanje uzoraka mineralnih voda, na osnovu sličnosti u
fizičko-hemijskim karakteristikama. Tako su izdvojene četiri grupe (klastera) i osam
podgrupa, koje predstavljaju različite hidrohemijske tipove mineralnih voda, dakle, koje
se razlikuju po sadržaju razmatranih mikroelemenata. Ispitan je i uticaj gore pomenutih
hidrogeohemijskih procesa na svaki od klastera.
Izradom karata distribucije koncentracija mikroelemenata u mineralnim vodama Srbije,
kao i konstrukcijom odgovarajućih statističkih dijagrama, sagledane su zakonomernosti
rasprostranjenja analiziranih mikroelemenata, kao i opseg varijacije njihovih
koncentracija. Data je i ocena upotrebljivosti ispitivanih mineralnih voda za piće,
upoređivanjem registrovanih koncentracija mikroelemenata sa limitima propisanim
domaćim 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 analiziranih
mikroelemenata, čime je bliže definisano njihovo ponašanje u vodonosnoj sredini.
Sistematizacijom rezultata ovog istraživanja izdvojene su sledeće zaključne
konstatacije:
Udruženo delovanje sva tri izdvojena faktora ima za posledicu pojavu povišenih
koncentracija svih analiziranih mikroelemenata. Ovo je slučaj kod termalnih
ugljokiselih mineralnih voda, koje se javljaju u pukotinskoj izdani, formiranoj u
paleozojskim ili proterozojskim metamorfitima. Pri tom su od presudnog značaja
procesi savremene magmatske aktivnosti, to jest prisustvo tercijarnih intruziva
ili vulkanita, granitoidnog sastava. Ovim je potvrđena pretpostavka o paragenezi
razmatranih mikroelemenata.
Dominacija svakog od izdvojenih faktora uslovljena je položajem značajnijih
geoloških struktura na teritoriji Srbije. Prvi faktor je dominantan kod pojava koje
se vezuju za Panonski basen i manje neogene basene, kao i kod pojava lociranih
u paleozojskim ili proterozojskim škriljcima, pri čemu je gotovo uvek prisutna
bliska veza sa granitoidnim intruzivima ili vulkanitima. Drugi faktor je izražen
kod pojava lociranih u karbonatnim stenama, po obodu ili u podini neogenih
Jana S. Stojković Doktorska disertacija
v
basena. Dominacija trećeg faktora vezuje se za područja u čijoj geološkoj građi
dominiraju vulkaniti i piroklastične stene.
Definisani su hidrogeohemijski uslovi koji pogoduju pojavi povišenih
koncentracija svakog od šest ispitivanih mikroelemenata, i to uporednom
analizom karata rasporeda (maksimalnih) faktorskih bodova i karata distribucije
koncentracija mikroelemenata. Visoki sadržaji fluora vezuju se za dejstvo prvog
i trećeg faktora, to jest za ugljokisele mineralne vode u oblastima mladog
magmatizma i za azotne termomineralne vode. Visoke koncentracije bora vezuju
se isključivo za dejstvo prvog faktora, bilo da se radi o mineralnim vodama
dubljih horizonata neogenih basena ili o ugljokiselim mineralnim vodama u
oblastima mladog magmatizma. Litijum i kalijum se odlikuju skoro podjednako
dobrom migrativnom sposobnošću u različitim hidrogeohemijskim uslovima
(dejstvo prvog, ali i drugog i trećeg faktora). Povišeni sadržaji stroncijuma
posledica su dejstva prvog i drugog faktora, tačnije procesa ugljokiselinskog
razlaganja alkalnih feldspata i plagioklasa, kao i kalcita i dolomita. Povišene
koncentracije silicijuma u mineralnim vodama vezuju se za treći faktor, koji
karakteriše dejstvo baznih termalnih voda na minerale iz grupe kvarca, sadržane
u kiselim magmatskim stenama ili metamorfitima nastalim preobražajem
granitoidnih stena.
“Data exchange” service offers individual users metadata transfer in several different formats. Citation formats are offered for transfers in texts as for the transfer into internet pages. Citation formats include permanent links that guarantee access to cited sources. For use are commonly structured metadata schemes : Dublin Core xml and ETUB-MS xml, local adaptation of international ETD-MS scheme intended for use in academic documents.