CC BY
36
УДК 556.3.01 (571.1)
1 1 Т.А. Киреева1, Д.И. Буданова2
АНАЛИЗ ГЕНЕЗИСА РАССОЛОВ ФУНДАМЕНТА
ЗАПАДНО-СИБИРСКОГО АРТЕЗИАНСКОГО БАССЕЙНА
НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕНЕТИЧЕСКИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ3
Рассмотрены возможные механизмы формирования химического состава вод кристаллического фундамента в ряде юго-восточных районов Западной Сибири. На основе анализа соотношений основных компонентов растворов (генетические коэффициенты) сделан вывод о невозможности объяснить некоторые особенности рассолов фундамента с точки зрения их седиментогенно-инфильтрационного происхождения. Вероятно, часть хлоридно-кальциевых растворов, а также гидрокарбонатно-натриевые воды сформировались в результате поступления в кристаллические породы фундамента эндогенных флюидов, содержащих растворенные HCl и CO2.
Ключевые слова: воды, нефтяные месторождения, хлоридно-кальциевые рассолы, гидрокарбонатно-натриевые воды, эндогенный флюид.
In work possible mechanisms of formation of a chemical compound of waters of the crystal base of some southeast areas of Western Siberia are considered. On the basis of the analysis of parities of the basic components of solutions (genetic factors), the conclusion about impossibility of an explanation of some features of brines of the base from the point of view of them sedimentogenno-infiltratsionnogo origins becomes. Possibly, a part hloridno-calcium solutions, and also gidrokarbonatno-natrievye waters were generated as a result of receipt in crystal breeds of the base endogenous the fluids containing dissolved HCl and CO2.
Key words: waters of oil deposits, hloridno-calcium brines, gidrokarbonatno-natrievye waters, endogenous a fluid.
Введение. На большей части территории Западной Сибири подземные воды кроме зоны активного водообмена представлены солеными водами и слабыми рассолами хлор-кальциевого типа с минерализацией, не превышающей 20—30 г/л. Увеличение минерализации по падению пластов (от окраинных зон к центру плиты) и с глубиной, соответствующее нормальной гидрохимической зональности, наблюдается во внешней и окраинных зонах [Матусевич, 1976]. В центральной области, на большей части территории Западной Сибири, на глубине около 3 км при переходе к нижнемеловым неокомским отложениям отмечается уменьшение минерализации до 10—15 г/л, увеличение абсолютного и относительного содержания гидрокарбонат-иона и соответственно изменение типа подземных вод на гидрокарбонатно-натриевый (по классификации В.А. Сулина), что является проявлением инверсионного гидрохимического разреза [Матусевич, 1976]. Кроме того, в ряде районов Западно-Сибирского бассейна, преимущественно в Томской области, в низах осадочного чехла и в кристаллическом фундаменте отмечены рассолы с минерализацией до 50—60 г/л [Розин, 1977].
Происхождение маломинерализованных гидро-карбонатно-натриевых вод, а также глубинных рассолов до сих пор остается дискуссионным. Так, если происхождение последних большинство исследователей [Матусевич, 1976; Кругликов и др., 1982; Карцев и др., 1992] связывают с захоронением и метаморфизмом седиментогенных вод, а происхождение маломинерализованных гидрокарбонатно-натриевых вод объясняют поступлением вод в результате дегидратации глинистых минералов, то другие авторы связывают формирование глубинных рассолов [Розин, 1977] и инверсионных вод [Всеволожский, Киреева, 2009] с поступлением разных типов эндогенных флюидов.
Вместе с тем генезис глубинных вод имеет не только теоретическое, но и важное практическое значение, так как с ними связана миграция углеводородов, а также формирование и сохранение нефтегазовых месторождений.
Постановка задачи. Существуют общепринятые критерии диагностики генезиса рассолов, основанные на анализе так называемых генетических коэффициентов, отражающих соотношения некоторых ионов и их изменение в процессе метаморфизма подземных вод.
1 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра гидрогеологии, ст. науч. с., канд. геол.-минер. н., e-mail: TA_Kireeva@mail.ru
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, геологический факультет, кафедра гидрогеологии, магистрант, e-mail: budanova_daha@mail.ru
3 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 10-05-00521а).
По существующим представлениям, глубинные рассолы делятся на два генетических типа — мета-морфогенные и инфильтрогенные. Метаморфогенные рассолы образуются при подземном концентрировании первичных морских растворов, захороненных в породах в бассейне седиментации. В результате ката-генных преобразований в седиментогенных рассолах происходит уменьшение доли магния и увеличение относительного содержания кальция и брома при одновременном повышении минерализации. Так, если в исходных морских водах отношение С1/Вг равно приблизительно 300, а г№а/>С1 ~0,85, то в седимен-тогенных рассолах при увеличении минерализации до 200—300 г/л и более значения первого отношения уменьшаются до 80—100, а второго — до 0,6—0,5. Эти изменения отражают концентрирование растворов и накопление в них более растворимых соединений (№аВг и СаС12) по сравнению с №аС1. Второй тип рассолов образуется за счет растворения галогенных отложений инфильтрационными водами. Эти рассолы
даже с минерализацией около 300 г/л имеют значение отношения С1/Вг более 300 (до 1000) и г№а/гС1 около 1. Последнее соответствует стехиометрическому отношению № и С1 в галите, а высокое значение отношения С1/Вг отражает практическое отсутствие соосаждения бромидов при кристаллизации галита. Инфильтрогенные рассолы не могут встречаться на территории Западной Сибири, так как здесь отсутствовал галогенез.
Большинство авторов даже в последних публикациях, например [Новиков, 2007], делают вывод о генетической принадлежности рассолов глубоких горизонтов Западно-Сибирского бассейна, основываясь только на величине общей минерализации и значениях указанных коэффициентов, не сопоставляя их между собой, т.е. не прослеживая связь между взаимным изменением этих параметров. Не учитывают они и изменение относительного содержания кальция, хотя наиболее важным критерием отнесения рассолов к метаморфогенно измененным (седимен-
Химический состав и значения генетических коэффициентов рассолов фундамента ряда структур юго-восточных районов Западной Сибири
Компоненты (мг/л) и показатели химического состава
Структура М, г/л С1- нсо3- 804-2 Са+2 Мв+2 №а++К+ НВО2 Вг- С1/Вг В/Вг Са, %-экв.
Арчинская 33,1 20 215 409 106 4048 218 8570 8,8 21,8 0,64 927,29 0,40 35,00
Верхне-Комбарская 50,60 30 240 582 116 2201 234 17 025 43,4 91,7 0,86 329,77 0,47 12,74
Верхне-Салатская 69,20 41 318 1238 32 2341 315 23 889 73,6 159,7 0,90 258,72 0,46 9,88
Герасимовская 52,80 31 595 568 94 1934 245 17 861 36,3 161,8 0,86 195,27 0,22 10,73
Горело-Ярская 54,70 33 090 525 118 2498 220 18 609 57,5 84,4 0,86 392,06 0,68 13,24
Еланская 34,30 20 738 628 50 1393 242 11 836 20 80,5 0,87 257,61 0,25 11,70
Елей-Иганская 19,60 11 103 605 121 731 84 6916 36 34,2 0,91 324,65 1,05 11,24
Западно-Елейская 45,20 27 374 641 42 1723 389 15 643 5,1 97,3 0,87 281,34 0,05 11,01
Западно-Лугинецкая 48,60 29 452 576 66 1722 288 17 096 13,9 99,6 0,88 259,70 0,14 10,24
Калганакская 66,40 40 420 500 62 2325 413 23 602 33,8 127,1 0,88 318,02 0,27 10,13
Калиновская 51,40 31 071 662 62 1314 209 18 810 28,6 148,5 0,92 209,23 0,19 7,40
Калчанская 39,20 22 875 613 80 1400 350 13 540 11,1 54,7 0,88 418,19 0,20 10,67
Киндальская 42,00 25 709 336 38 1948 146 14 309 11,3 63,7 0,86 403,59 0,18 13,33
Лугинецкая 23,30 12 807 576 88 497 80 8568 28,8 58,7 1,02 218,18 0,49 6,68
Мурасовская 60,00 36 785 854 42 2344 462 20 330 9,2 98,8 0,86 372,32 0,09 11,15
Мыльджинская 33,90 19 726 875 40 554 78 12 361 41,2 65 0,97 303,48 0,63 4,85
Нижне-Табаганская 39,70 22 480 648 115 847 224 14 668 64,1 87,7 1,0 256,33 0,73 6,55
Останинская 48,10 26 312 1116 42 1576 160 17 437 43,5 92,3 1,01 285,07 0,47 10,36
Северо-Калиновая 36,20 21 655 915 42 980 216 13 028 66,2 75,3 0,91 287,58 0,88 7,83
Северо-Останинская 46,60 26 373 640 27 1338 626 16 143 48,8 82,9 0,86 318,13 0,59 8,87
Селимхановская 57,10 32 617 915 56 2004 98 18 702 - - 0,90 0,00 0,00 10,72
Сельвейкинская 53,00 31 942 643 128 2017 248 18 201 129,5 98,1 0,88 325,61 1,32 11,05
Солоновская 37,20 20 600 353 124 969 212 13 561 4,7 94,2 0,91 218,68 0,05 8,23
Тамбаевская 47,60 26 697 650 116 1691 150 17 165 89 141,1 0,99 189,21 0,63 11,05
Толпаровская 64,20 38 839 293 104 1857 182 24 227 30 139,4 0,92 278,62 0,22 8,43
Урманская 39,60 23 636 720 137 1561 505 12 086 71,7 88,6 0,83 266,77 0,81 11,47
Чагвинская 21,40 12 621 546 28 1202 25 7214 24,6 33,9 0,86 372,30 0,73 16,46
Чкаловская 57,40 34 645 629 83 2838 309 18 464 50,4 100,6 0,84 344,38 0,50 14,36
Широтная 24,60 14 555 482 39 664 138 8707 3,2 57 0,82 255,35 0,06 7,93
Южно-Тамбаевская 59,70 36 210 140 20 1680 279 21 235 8 186 0,90 194,68 0,04 8,21
Примечание. Содержание компонентов по [Новиков, 2007]; прочерк — данные отсутствуют.
тогенным) — практически прямая зависимость увеличения содержания Са (в %-экв.) при повышении минерализации. В частности, именно этот критерий выбран в работе [Крайнов и др., 2004] для доказательства седиментогенного происхождения рассолов кристаллических пород Канадского щита.
Методы и результаты исследований. Для уточнения генезиса глубинных вод фундамента ЗападноСибирского бассейна проанализировано взаимное изменение характерных коэффициентов рассолов, полученных из кристаллических пород палеозойского фундамента ряда структур в юго-восточных районах Западно-Сибирского бассейна (таблица). Были рассчитаны коэффициенты С1/Вг, гМа/гС1 и В/Вг, а также значения содержания Са (в %-экв.), которые сравнили со значениями общей минерализации.
В результате установлено, что большую часть растворов можно отнести к слабопреобразованным седиментогенным рассолам, на что указывает изменение коэффициента С1/Вг в пределах 194,7—329,8 и отношения г№/гС1 в пределах 0,73—0,88 (таблица). Однозначную (обратную) зависимость коэффициента С1/Вг и общей минерализации, которая должна быть свойственна седиментогенным рассолам, установить не удалось (рис. 1), что связано с небольшим интервалом значений минерализации, так как значительное уменьшение коэффициента С1/Вг отмечается у рассолов с минерализацией более 200 г/л [Самарина, 1977].
Более информативным оказалось отношение общей минерализации и содержания Са (в %-экв.), оно показало прямую зависимость между этими показателями (рис. 2), которая отражает проявление процессов метаморфизма седиментогенных рассолов. Исключение составили воды структуры Арчинская, для которых при значениях минерализации 33,10 г/л коэффициент Жа/гО равен 0,64, содержание Са (в %-экв.) составляет 35,0, а отношение С1/Вг — 927 (таблица). По соотношению этих показателей
подземные воды Арчинской структуры нельзя отнести ни к седиментогенным рассолам, ни к рассолам растворения соленосных отложений. Действительно, при достаточно низком значении коэффициента rNa/rCl и высоком содержании Са, что обычно характеризует глубоко преобразованные рассолы с минерализацией более 200 г/л [Крайнов и др., 2004], эти воды имеют минерализацию даже менее «морского» значения. Кроме того, отношение Cl/Br этих вод очень высокое, значительно выше, чем для морской воды, что обычно отмечается для рассолов инфильтрационного происхождения, которые на территории Западной Сибири присутствовать не могут.
Вместе с тем эти «аномальные» рассолы обнаруживают определенное сходство с техногенными рассолами выщелачивания, которые образуются на нефтяных месторождениях при закачке в пласты растворов HCl для растворения карбонатного цемента песчаников или расширения каналов фильтрации в карбонатных коллекторах с целью интенсификации нефтедобычи. Отличительные признаки этих техногенных вод — крайне низкие значения rNa/rCl (до 0,2 и ниже), что соответствует присутствию Са+2 в количестве более 50%-экв., и одновременно высокие значения Cl/Br (до 2000) [Муляк и др., 2007]. Такие особенности объясняются тем, что эти рассолы образуются в основном при растворении СаСО3 соляной кислотой, поэтому результирующий раствор обогащен Са+2 и Q- при обеднении Br- (высокое значение отношения Cl/Br), так как карбонатный материал содержит незначительное количество бромных соединений. Таким образом, правомерно предположить, что наблюдаемые «аномальные» рассолы в кристаллическом фундаменте Западной Сибири, для которых отмечено снижение коэффициента rNa/rCl при одновременном увеличении отношения Cl/Br, образуются при природных процессах, сходных с техногенными, т.е. при выщелачивании карбонатного материала пород флюидами, насыщенными HCl. По-
Рис. 1. Соотношение значений отношения С1/Вг и общей минерализации рассолов фундамента юго-восточных районов Западной
Сибири
Рис. 2. Соотношение значений общей минерализации и содержания Са (%-экв.) в рассолах фундамента юго-восточных районов Западной Сибири. Треугольники — величины, которые не соответствуют общей закономерности (структуры Арчинская и Чагвинская)
В/Вг
1,4
1,2 -1 ■ 0,8 -0,6 ■ 0,4 -0,2 ■
0 -I-.-.-.-,
0 20 40 ВО «О
М, г/л
Рис. 3. Соотношение значений коэффициента В/Вг и общей минерализации рассолов фундамента юго-восточных районов Западной Сибири. Зависимость построена для значений отношения В/Вг > 0,4
добные растворы существуют в областях активного вулканизма и образуются в результате растворения в поверхностных водах высокотемпературных (более 400 °С) вулканических газопаровых эсгаляций, содержащих до 15—20% хлорводорода [Набоко, 1974]. Существование подобных глубинных вод вполне вероятно и в приразломных зонах кристаллического фундамента. В рассматриваемом случае Арчинская структура как раз расположена в непосредственной близости от разлома [Новиков, 2007].
Другая особенность исследуемых вод — увеличение в большинстве случаев отношения В/Вг до значений 0,6—0,8 и даже до 1,05 и 1,32 (для площадей Елей-Иганская и Сольвейкинская соответственно). Под отношением В/Вг понимается отношение содержания бора в виде иона НВ02 к содержанию брома в виде бромид-иона, так как именно в таком виде эти элементы определяются в большинстве химических анализов. Пересчет на «чистый» бор не производился для упрощения расчетов и как не имеющий принципиального значения. Ранее отмечалось [Киреева, 2009], что для глубоких седиментогенных вод характерны значения этого отношения, равные или менее соответствующего значения для морских вод (т.е. не более 0,08—0,20), значительное же увеличение отношения В/Вг свидетельствует о поступлении в зону седиментогенных рассолов высокотемпературных эндогенных флюидов, насыщенных СО2. Подобное увеличение отношения В/Вг отмечено в инверсионных водах низов осадочного чехла ряда областей Западной Сибири, что позволило предположить формирование инверсионных вод в результате поступления высокотемпературных глубинных флюидов [Всеволожский, Киреева, 2009].
Протекание подобных процессов, т.е. поступление эндогенных маломинерализованных газопаровых флюидов, вполне возможно и при формировании рассолов в кристаллическом фундаменте. Вероятно,
именно с этим процессом связано отмеченное для ряда структур (Тамбаевская, Нижне-Тамбаевская, Останинская, Мыльджинская, Лугинецкая) увеличение коэффициента Жа/гС1 до значений, равных 1 и более, что соответствует переходу вод к гидрокарбонатно-натриевому типу (по классификации В.А. Сулина). Подобную смену типа вод, как уже указывалось, большинство исследователей трактуют как разбавление пластовых вод «возрожденными» водами катагенеза (что невозможно в случае локализации вод в кристаллических породах) или разбавление инфильтрационными водами. В исследуемых же водах выявлена тенденция к увеличению отношения В/Вг при снижении минерализации (рис. 3), что невозможно при разбавлении инфильтрационными водами и характерно для высокотемпературных гидротерм.
Заключение. На большинстве изученных территорий воды палеозойского фундамента в юго-восточных районах Западной Сибири имеют седиментогенное происхождение, на что указывают значения общей минерализации, составляющие 21—69 г/л, величины отношения С1/Вг и ГЫа/гС1, изменяющиеся в пределах 250—370 и 0,83—0,88 соответственно.
На одной из структур, расположенных в прираз-ломной зоне, зафиксированы «аномальные» воды, которые нельзя отнести к седиментогенным рассолам, так как при минерализации 33,1 г/л они имеют значение отношения С1/Вг, равное 927,3, а г№/гС1 = 0,64, что соответствует содержанию 35%-экв. Са.
Предположительно, эти «аномальные» воды образовались в результате выщелачивания карбонатных минералов вмещающих пород высокотемпературными эндогенными водами, содержащими растворенный хлорводород, что объясняет их обогащенность кальцием при низком значении общей минерализации и содержании брома значительно меньшем, чем в морской воде (21,8 мг/л).
Примерно на половине исследованных площадей (53%) отмечены воды, в которых значение отношения В/Вг больше 0,5 (в некоторых случаях до 1,0—1,32), что значительно превышает значения, характерные для вод седиментогенного происхождения (0,1—0,2), это может свидетельствовать о поступлении глубинных маломинерализованных гидрокарбонатно-натриевых флюидов.
Отмеченные особенности рассолов фундамента на ряде структур в юго-восточных районах Западной Сибири, вероятно, свидетельствуют о том, что они формировались в результате смешения седименто-генных растворов с глубинными эндогенными газопаровыми флюидами как хлорводородного, так и гидрокарбонатного типа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Всеволожский В.А, Киреева Т.А. К проблеме формирования инверсий гидрогеохимической зональности // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 4. Геология. 2009. № 5. С. 19-25.
Карцев А.А., Вагин С.Б., Шугрин В.П Нефтегазовая гидрогеология. М.: Недра, 1992. 207 с.
Киреева Т.А. К методике оценки эндогенной составляющей глубоких подземных вод // Там же. 2009. № 1. С. 54-57.
Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. М.: Наука, 2004. 677 с.
Кругликов Н.М., Нелюбин В.В., Яковлев О.Н. Гидрогеология Западно-Сибирского нефтегазоносного мегабассейна и особенности формирования залежей углеводородов. Л.: Недра, 1985. 279 с.
Матусевич В.М. Геохимия подземных вод ЗападноСибирского нефтегазоносного бассейна. М.: Недра, 1976. 156 с.
Муляк В.В., Порошин В.Д., Гаттенбергер Ю.П. и др. Гидрохимические методы анализа и контроля разработки нефтяных и газовых месторождений. М.: ГЕОС, 2007. 244 с.
Набоко С.И. Химические типы вулканических вод // Состав и генезис минералообразующих гидротермальных растворов областей активного вулканизма. Новосибирск: Наука, 1974. С. 8-14.
Новиков АД. Равновесие палеозойских рассолов юго-востока Западной Сибири с углеводородными залежами // Нефтегазовая гидрогеология на современном этапе. М.: ГЕОС, 2007. С. 92-109.
Розин А.А. Подземные воды Западно-Сибирского артезианского бассейна и их формирование. Новосибирск: Наука, 1977. 103 с.
Самарина В.С Гидрогеохимия. Л.: Изд-во ЛГУ, 1977. 359 с.
Поступила в редакцию 26.10.2010
