CC BY
16
УДК 556.3(571.54)
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИСХОЖДЕНИЯ МЕТАНОВЫХ ВОД ТУНКИНСКОЙ ВПАДИНЫ С ПОМОЩЬЮ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
1 2 С.Х.Павлов , К.В.Чудненко
1Институт земной коры СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128.
2Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН, 664033, г. Иркутск, ул. Фаворского, 1А.
С помощью компьютерного моделирования исследованы физико-химические процессы в системе «вода-осадочные породы». Получены новые данные о гидрогеологических условиях Тункинской впадины. В ее фундаменте распространены солоноватые углекислые термы, а в осадочном чехле - пресные содовые метановые воды. Установлена возможность образования метана в процессе гидролитического диспро-порционирования. Библиогр. 15 назв.
Ключевые слова: гидрогеохимия; зональность; физико-химические процессы; моделирование; процессы формирования подземных вод.
GENESIS AND FORMATION PROCESSES OF METHANE WATERS OF TUNKA DEPRESSION
S.Kh.Pavlov, K.V.Chudnenko
Institute of Earth Crust SB RAS, 128, Lermontov St., Irkutsk, 664033.
Institute of Geochemistry named after A.P. Vinogradov SB RAS, 1A, Favorsky St., Irkutsk, 664033.
The new data on hydro-geological conditions of Tunka depression are received. Saltish carbonic therms are widely spread in its foundation, and soda methane fresh waters are distributed in its sedimentary cover. By means of computer simulation the authors study physico-chemical processes in the system "water - sedimentary rocks". The opportunity of methane formation during the process of hydrolytic disproportioning is established.
15 sources.
Key words: hydrogeochemistry; zonality; physico-chemical processes; simulation; formation processes of underground waters.
Постановка проблемы
Происхождение природных термальных вод (в том числе гидротермальных рудоносных растворов) продолжает оставаться дискуссионным. Применение компьютерного моделирования системы «вода - осадочная порода» позволяет более обоснованно рассмотреть процессы формирования этих вод, что будет показано на примере гидрогеологических условий Тункин-ской долины.
А.А.Карцевым показано, что риф-товые и рифтоподобные зоны отлича-
ются особо сложными гидрогеологическими условиями [6]. Байкальская риф-товая зона является объектом, где ярко прослеживается столкновение инфиль-трационной и глубинной (ювенильной) гипотез формирования подземных вод.
В.Г.Ткачук, основываясь на представлениях В.И.Вернадского о существовании азотной оболочки в глубоких геосферах, считала, что метановые термы формируются при движении азотных вод из фундамента в чехол, сложенный юрскими и кайнозойскими отложениями [10].
1Павлов Сергей Харитонович - старший научный сотрудник, тел.: (83952) 422777. Pavlov Sergei - Senior Research Worker, tel.: (83952) 422777, e-mail: [email protected] 2Чудненко Константин Вадимович - зав. лабораторией, тел.: (83952) 427079. Chudnenko Konstantin - Head of the Laboratory, tel.: (83952) 42709, e-mail: [email protected]
Е.В.Пиннекер на основе всей имеющейся информации относительно генетического облика термальных вод, включая изотопные исследования кислорода и водорода, сделал вывод о преимущественно инфильтрационном происхождении их состава и ресурсов [12].
В [7] все проявления гидротермальной деятельности Монголо-Байкальского орогенического пояса считаются взаимно связанными и объединяются в единый генетический ряд, который в зависимости от характера тектоно-магматической деятельности разделяется на две ветви. Предполагается, что азотный состав является исходным при формировании гидротерм, поднимающихся к поверхности по разломам фундамента, которые в зависимости от геолого-структурных и лито-логических условий метаморфизуются через промежуточные типы по углекислому или метановому ряду до углекислых термальных и холодных вод с сухими струями углекислого газа.
Гипотеза ювенильного происхождения не только гидротерм, но и низкоминерализованных подземных вод инверсионных гидрогеологических разрезов осадочных образований получила «второе дыхание» в работах [9]. Потоки мантийных флюидов принимаются в них настолько мощными, что не только формируют опресненные части гидрогеохимических разрезов артезианских бассейнов, но и являются весомой составляющей в приходной части баланса озера Байкал. Критический научный анализ этой гипотезы методологического характера с рассмотрением гидрогеохимических, гидрогеодинамических, балансовых и других характеристик поверхностной и подземной гидросферы озера Байкал проведен в [2, 4]. Тем не менее, ювенильная гипотеза мощного потока сверхпресных вод в озеро Байкал продолжает разрабатываться некоторыми исследователями, и они для ее обоснования привлекают методы физико-химического моделирования процессов
взаимодействия в системе «вода-порода» [3]. В последние годы появился ряд работ, включая работы зарубежных исследователей, в которых по микроэлементному или изотопному составу термальных и придонных байкальских вод делаются выводы об их генезисе.
Гидрогеологические условия Тункинской впадины
Тункинская впадина, отображая в миниатюре Байкальский рифт, является его особой частью. Здесь на ограниченной территории распространены азотные, углекислые и метановые термы. Чтобы приблизиться к пониманию их формирования, нами был собран фактический материал для оценки гидрогеологической ситуации и исследованы процессы физико-химических взаимодействий в системе «вода-порода».
Полученные данные показали, что существовавшее прежде представление о том, что распространение углекислых вод ограничивается Тункинским сбросом, по которому углекислота поступает с больших глубин к поверхности, не соответствует действительности. Оказалось, что углекислые воды распространены как в глубоко погруженной части фундамента впадины, так и по ее обрамлению на некотором удалении от Тункинских гольцов, Еловского отрога и хребта Хамар-Дабан. Эти проявления углекислых вод представлены современными и древними (открытыми и скрытыми) очагами разгрузки. В фундаменте впадины минерализация воды достигает 4-5 г/л, а содержание углекислоты изменяется от 3 до 10 г/л. Минерализация воды и содержание углекислоты в проявлениях углекислых вод в осадочных образованиях по обрамлению впадины сопоставимы с «глазным» источником в Аршане.
Выполняющие впадину грубозернистые фракции палеоген-неогеновых отложений обводнены и имеют достаточно высокую водообильность. Под-
земные воды обладают высоким напором и повышенной температурой, которые увеличиваются с глубиной. Весь разрез осадочной толщи, выполняющей впадину, в гидрогеохимическом отношении, за исключением первой сотни метров, где распространены гидрокарбонатные щелочноземельные кислородно-азотные воды, представлен содовыми водами с минерализацией около 1 г/л. Эта однородная, на первый взгляд, водная толща четко разделяется на ряд га-зо-гидрогеохимических зон - азотную, азотно-метановую и метановую.
Детализация гидрогеологических разрезов показала, что углекислые термальные воды с высоким напором поднимаются к поверхности по карбонатным породам иркутной свиты. При этом воды с максимальной температурой движутся по средней части пласта карбонатных пород. Выше по разрезу глинистые отложения безводны и являются достаточно надежным водоупором. Некоторая их прогретость обусловлена кондуктивными свойствами пород. Ниже по разрезу, в сланцах ильчирской свиты, распространены слабогазонасы-щенные азотные холодные гидрокарбо-натно-сульфатные натриевые воды с минерализацией менее 1 г/л. Несмотря на то что они находятся на сотни метров глубже, их температура вдвое, а минерализация в пять-шесть раз ниже, напор же на десятки метров выше соответствующей карбонатной части разреза. То есть существуют необходимые условия для восходящего потока холодных азотных гидрокарбонатно-сульфатных вод, которые принимают участие в формировании состава углекислых вод. Но они не несут ни тепла, ни тем более углекислоты или метана. Фактический материал убедительно свидетельствует о связи температурной и гидрохимической аномалии с циркуляцией углекислых вод.
Холодные и термальные углекислые воды отражают их высокую зависимость от метеогенных факторов фор-
мирования. Метановые термы отличаются стабильным режимом. Совокупные данные о резком различии геохимических типов вод в кристаллических породах фундамента и осадочных образованиях впадины, о распространении в основании танхойской свиты глинистой толщи [8], служащей надежным водо-упором, и о различии режима углекислых и метановых вод дают основание сделать вывод, что в гидрогеодинамиче-ском отношении они являются элементами двух высоконапорных, гидравлически не связанных или с затрудненной локальной связью систем. Кроме того, слабая консолидированность осадочных образований (развитие плывунов) дополнительно свидетельствует о существовании в пределах Тункинской впадины современной седиментационной водонапорной системы с хорошо выраженным элизионным типом водообмена. Все это позволяет сделать достаточно обоснованный вывод о том, что углекислые воды Тункинской впадины имеют инфильтрационный, а метановые -седиментационный генезис. Для выяснения процессов формирования азотно-метановых гидрокарбонатных натриевых вод, распространенных в осадочной толще Тункинской впадины, с помощью программного комплекса «Селектор» были исследованы физико-химические процессы взаимодействия воды с породами, выполняющими эту впадину.
Методика исследования
Исследование проводилось в рамках системы Al-Ar-C-Ca-Cl-Mn-F-Fe-He-K-Mg-N-Na-P-S-Si-Ti-H-O с использованием программного комплекса «Селектор» [5, 15] в его последней модификации [13]. Термодинамическая система включает водную фазу (145 компонентов водного раствора, в том числе растворенные газы), газовую фазу (Ar, CO, CO2, CH4, H2, Не, O2, N2, NH3, H2S, S2, SO2, SO3) и более 70 минеральных фаз. Моделирование физико-
химических процессов взаимодействия в системе «вода - гранит» выполнено в закрытой к атмосфере системе в условиях формирования содовых метановых терм при Т=45 оС и Р=80 бар. Степень протекания гидрогеохимического процесса задавалась путем изменения величины соотношения порода/вода от 10-6 до 10°. Масса воды, равная 1 кг, оставалась постоянной, количество взаимодействующей с водой породы последовательно увеличивалось с шагом изменения показателя степени взаимодействия равным 0.1.
Необходимая термодинамическая информация взята из встроенных в программный комплекс «Селектор» баз термодинамических данных [13].
Результаты моделирования
При взаимодействии воды с породой, состав которой полностью соответствует результатам силикатного анализа, формируются высокощелочные (рН> 10) гидросиликатные марганцево-натриевые растворы, минерализация которых не превышает 400 мг/кг Н2О. На следующем этапе в состав породы были внесены изменения путем добавления летучих (С, С1, Б, Б) и N в количествах, соответствующих их средним значениям в осадочных породах [1], что позволило существенно приблизить модель к описанию реально протекающих физико-химических процессов в системе «вода-порода». В расширенной модели с увеличением степени взаимодействия происходит повышение восстановительных и щелочных свойств растворов и увеличение минерализации, максимальные значения которой, при величине отношения порода/вода = 1, приближаются к 2 г/кг Н2О. Устойчивый в целом процесс осложняется некоторыми колебаниями, происходящими в момент появления в твердой фазе какого-либо нового минерала.
Стабильный рост концентрации катионов, обусловленный ростом отно-
шения порода/вода, прекращается вначале у магния, затем у кальция и калия, что непосредственно связано с появлением в твердой фазе клинохлора, сфена и мусковита. Магний и кальций практически выводятся из раствора, а содержание калия существенно снижается. Главным катионом формирующихся растворов является натрий, содержание которого устойчиво увеличивается до момента появления в твердой фазе анальцима. Другим катионом, содержание которого непрерывно увеличивается в растворе до высоких значений, достигающих десятков мг/кг Н2О, является аммоний.
Рассматриваемые растворы имеют сложный анионный состав. Примечательно то, что, несмотря на представительное присутствие в породе серы, она слабо проявляется в растворе только в форме гидросульфидного иона и концентрируется в основном в твердой фазе в виде пирита. Содержание хлора и фтора увеличивается в растворе пропорционально величине отношения порода/вода. И если хлор сохраняет тенденцию устойчивого роста во всем исследованном интервале отношений порода/вода, то фтор, достигая высоких концентраций в растворе, начинает перераспределяться между раствором и твердой фазой, где он аккумулируется в форме флюорита.
В достаточно широком интервале взаимодействий формируются гидроси-ликатно-гидрокарбонатно-карбонатные растворы. В интересующем нас интервале значений минерализации, соответствующем минерализации метановых вод Тункинской впадины, растворы имеют карбонатно-фторидно-
гидрокарбонатный состав.
Примечательно, что с увеличением степени взаимодействия воды с породой образуются метан и азот, которые проявляют тенденцию устойчивого роста. У азота она сохраняется во всем исследованном интервале взаимодействий. У метана, при определенной величине от-
ношения порода/вода, рост концентраций прекращается и его содержание начинает уменьшаться в результате перераспределения углерода между раствором и твердой фазой, где углерод аккумулируется в виде графита. Таким образом, образование наиболее устойчивой твердой минеральной фазы углерода - графита приводит к формированию не метановых, а азотных вод.
Взаимодействие воды с породой, содержащей реакционно-активный углерод в органической форме, существенно меняет как состав получаемых растворов, так и состав твердой фазы. В твердой фазе вместо графита появляется представительный ряд карбонатных минералов и на заключительном этапе взаимодействия, как и в растворах с графитом, появляется флюорит. Важное отличие растворов с органическим углеродом связано со значимыми концентрациями кальция и более высокими содержаниями калия, чем в растворах, равновесных с графитом. Ведущими катионами здесь также являются натрий и аммонний.
Растворы со значениями минерализации, отвечающей величине минерализации метановых вод Тункинской впадины, имеют гидрокарбонатный натриевый состав с высоким содержанием карбонатов, фтора и аммония. Примечательной особенностью растворов органического углерода является накопление углерода в высоких концентрациях как в окисленных его формах в виде карбонатных и гидрокарбонатных ионов, так и в восстановленной форме в виде метана. Сопоставление составов модельных и реальных растворов после введения поправок на содержание в породе фтора и хлора показывает их достаточно хорошую сопоставимость, за исключением кальция, магния, аммония, гидросиликатных и карбонатных ионов.
Для того чтобы выяснить, изменяется ли состав воды, которая выводится скважиной на поверхность, был осуществлен подъем модельного раствора
из водоносного горизонта без взаимодействия с породой, т.е. по варианту движения по «трубе». Давление изменялось от 80 до 1 бары, температура - от 45 до 39 оС - температуры, которую имеет вода на изливе. Система закрыта к атмосфере, за исключением последнего приповерхностного резервуара, который рассматривался нами в двух альтернативных моделях в виде закрытой и открытой к атмосфере системы.
Выяснилось, что подъем к поверхности азотно-метановой гидрокарбонатной натриевой воды с повышенным содержанием аммония и карбонатных ионов сопровождается постоянным уменьшением рН (9.55-9.45), минерализации (1320-1200 мг/кг Н2О) и карбонатных ионов (200-140 мг/кг Н2О). Особенно резкие и значительные изменения происходят при открытии раствора к атмосфере. В этом случае рН понижается от 9.45 до 8.7, а содержание карбонатных ионов - от 140 до 20 мг/кг Н2О, зато увеличиваются концентрация гидрокарбонатных ионов на 200 мг/кг Н2О и минерализация. Подъем раствора к поверхности приводит к значительному уменьшению содержания аммония и гидросиликатных ионов, а открытие его к атмосфере выводит их из раствора. Раствор дегазируется, метан и азот переходят в газовую фазу.
Выводы
Выполненное исследование показало, что взаимодействие воды с алюмо-силикатными породами, выполняющими Тункинскую впадину и содержащими летучие, в которых углерод представлен реакционно-активной формой, формирует модельные растворы, отвечающие составу природных азотно-метановых гидрокарбонатных натриевых вод.
Существенное различие модельных растворов и результатов анализа проб природных терм обусловлено различием температуры и давления в усло-
виях «in situ» и «in vitro» и открытостью последних к атмосфере.
Модельные растворы более близко отражают состав термальных вод в водоносном горизонте, чем результаты их химических анализов.
В ранее выполненном нами исследовании процессов взаимодействия в системе «углерод-вода» [11], развивающем концепцию гидролитического диспропорционирования органического вещества [14], рассмотрен механизм формирования углекислых и метановых гидрокарбонатных натриевых растворов в простых абстрагированных моделях, в которых величина рН задается искусственно. Результаты данного исследования показывают, что рассмотренные процессы протекают в природных гетерогенных мультисистемах, при взаимодействии воды с осадочными породами, содержащими углерод в различных формах.
Образование метана может происходить не только в результате биохимических, термических и термокаталитических превращений органического вещества, но и в процессе его гидролитического диспропорционирования. Соотношение между азотом и метаном в растворе зависит от формы углерода, содержащегося в осадочных образованиях. Все компоненты термальных вод формируются внутри системы «вода-порода», находящейся на стадии элизи-онного водообмена, и нет необходимости привлекать их из внешних источников.
Библиографический список
1. Виноградов А.П. Средние содержания химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры // Геохимия. 1962. № 7. С. 555-571.
2. Вотинцев К.К., Галазий Г.И. О роли глубинных подземных вод в формировании качества воды Байкала //
Водные ресурсы. 1985. № 6. С. 2629.
3. Диденков Ю.Н., Бычинский В.А., Ломоносов И. С. О возможности существования эндогенного источника пресных вод в рифтовых геодинамических условиях // Геология и геофизика. 2006. Т. 47, № 10. С. 11141118.
4. Капченко Л.Н., Гроздова Т.П. К вопросу о происхождении вод оз. Байкал // Водные ресурсы. 1997. Т. 24, № 5. С. 634-638.
5. Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. Новосибирск: Наука, 1981. 247 с.
6. Карцев А. А., Абукова Л. А. Нефтегазовая гидрогеология на современном этапе // Изв. ВУЗов «Нефть и газ». 1998. №4. С. 12-17.
7. Ломоносов И.С., Писарский Б.И., Хилько С.Д. Роль неотектоники в формировании гидротерм Монголо-Байкальского орогенического пояса // Роль рифтогенеза в геологической истории земли. Новосибирск: Наука, 1977. С. 164-168.
8. Мазилов В.Н., Кашик С.А., Ломоносова Т.К. Олигоценовые отложения Тункинской впадины (Байкальская рифтовая зона) // Геология и геофизика. 1993. Т. 34, № 8. С.81-88.
9. Мартынова М.А., Грачев А.Ф. Современные представления об эволюции состава гидросферы // Проблемы гидрогеохимии и промышленные рассолы. Минск: Наука и техника, 1983. С. 16-22.
10. Минеральные воды южной части Восточной Сибири. М.-Л.: Изд-во АН СССР. 1961. Т 1. 346 с.
11. Павлов С.Х., Карпов И.К., Чудненко К. В. Взаимодействие углерода с водой в условиях полного и метаста-бильного термодинамического равновесия // Водные ресурсы. 2008. Т. 35, № 4. С. 456-466.
12. Пиннекер Е. В. Термальные воды Саяно-Тувинского нагорья // Вопросы гидрогеологии и гидрогеохимии.
Материалы Комиссии по изучению подземных вод Сибири и Дальнего Востока. Иркутск, 1969. Вып. IV. С. 93-123.
13. Чудненко К.В. Термодинамическое моделирование в геохимии: теория, алгоритмы, программное обеспечение, приложения. Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2010. 287 с.
14. Helgeson H.C. Petroleum, Oil Field Waters, and Authigenic Mineral Assemblages: Are They in Metastable
Equilibrium in Hydrocarbon Reservoirs? / H.C. Helgeson, A.M. Knox, C.E. Owens, and E.L. Shock // Geo-chim.Cosmochim. Acta, 1993. V. 57. P. 3295-3339.
15. Karpov I.K. Modeling chemical mass transfer in gheochemical processes: thermodynamic relations, conditions of equilibria, and numerical algorithms / I.K. Karpov, K.V. Chudnenko, D A. Kulik // Amer. J. Sci. 1997. V. 297, № 8. P. 767-806.
Рецензент: кандидат геолого-минералогических наук, доцент Национального исследовательского Иркутского государственного технического университета Н. В. Задонина
