CC BY
30
УДК 556.012 Т.А. Киреева
К МЕТОДИКЕ ОЦЕНКИ ЭНДОГЕННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ГЛУБОКИХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Статья посвящена проблеме выделения эндогенной составляющей глубоких подземных вод. Предлагается использовать бор-бромное отношение для определения эндогенного компонента в подземных водах нижних горизонтов осадочного чехла. Приводятся расчеты бор-бромного и бор-хлорного коэффициентов для рассолов древних платформ, термальных вод тектонически активных областей и районов современного вулканизма.
Ключевые слова: гидрогеология, подземные воды, микрокомпоненты, гидротермы, бор, бром, хлор.
The article deals with the problem of deep ground water endogenous component isolation. The use of boron-bromine ratio for endogenous component determination in ground water bottom level of sedimentary basement is suggested. The calculation of boron-bromine and boron-chlorine factors for ancient platforms brine, thermal water of tectonically active areas and modern volcanism regions is given.
Key words: hydrogeology, groud water, microconstituens, hydroterms, boron, bromine, chlorine.
Введение. Проблема генезиса и формирования химического состава подземных вод нижних горизонтов осадочного разреза до сих пор остается дискуссионной, несмотря на многочисленные работы, посвященные этому вопросу,
В большинстве случаев применительно к этим водам рассматриваются элизионно-дегидратационная или инфильтрогенная гипотезы их формирования. При этом в формировании их баланса и химического состава практически не учитывается возможная роль поступления глубинных термальных флюидов из пород фундамента.
Огромное научное и практическое значение этого вопроса не вызывает сомнений, так как с глубинными термальными водами генетически связаны месторождения многих рудных ископаемых, а по представлениям ряда авторов — и месторождения нефти и газа. Кроме того, сами термальные воды являются ценным сырьем для химической промышленности. Вместе с тем, несмотря на почти вековую дискуссию, ученые далеки от выработки единой точки зрения на происхождение глубинных высокотемпературных вод, а также на величину вклада глубинных флюидов в формирование нижних горизонтов осадочного чехла нефтегазоносных бассейнов. До сих пор сохраняются крайние точки зрения на эту проблему. Так, П.Н. Кропоткин (1986), Г.И. Войтов (1979), Ф.А. Летников (2001) и другие считают, что от верхней мантии идет непрерывный поток водо-водородно-углекислых флюидов, который во многих случаях играет определяющую роль в формировании баланса и химического состава подземных вод нижних горизонтов осадочного чехла. В то же время А.М. Ов-
чинников (1965), В.М. Матусевич (1976), А.А. Карцев (1996) и другие считают, что эндогенные воды, под которыми понимают магматические и метаморфоген-ные флюиды, составляют ничтожную долю в балансе нижних зон артезианских бассейнов.
Постановка проблемы. Такая полярность взглядов, безусловно, связана со сложностью выделения критериев, по которым глубокие подземные воды можно было бы разделить на седиментогенно-инфильтраци-онные и эндогенные. Кроме того, как указывал еще В.И. Вернадский (1960), в природе нет чисто эндогенных вод, так как эти воды при движении вверх по разрезу неизбежно смешиваются с пластовыми. Поэтому большинство исследователей (С.А. Набоко, Г.А. Карпов, Ю.А. Трухин и др.) используют термин "гидротермы" для обозначения вод, в составе которых преобладает глубинная, эндогенная составляющая.
Смешение вод, а также концентрирование растворов с глубиной и увеличение их температуры приводит к тому, что в составе гидротерм областей современного вулканизма, а также в глубоких пластовых водах нефтегазоносных бассейнов в значительных количествах присутствуют такие элементы, как бор, бром, редкие и благородные металлы, и отмечается относительно повышенное содержание аммония, гелия, углекислоты и некоторых других компонентов. Поэтому абсолютные значения количества компонентов химического состава не могут быть приняты в качестве критерия при определении генезиса подземных вод. Содержание же хлора, фтора, бора, редких металлов, что в свое время Э. Зюсс рассматривал как признак поступления магматогенных вод, не может считаться таковым, так как значительное количество
этих элементов накапливается в седиментогенных водах вследствие концентрирования растворов и взаимодействия с вмещающими породами.
Вместе с тем еще в 30—40-х гг. ХХ в. В.А. Сулин (1946), а также А.П. Виноградов (1948) обратили внимание на важное генетическое значение некоторых соотношений геохимически сходных компонентов подземных вод. Теоретическое обоснование заключается в том, что в процессе литогенеза первичное соотношение многих компонентов, накапливающихся в море, т.е. имеющих седиментогенный генезис, в дальнейшем нарушается. Указанное позволило этим ученым предложить несколько коэффициентов (Na/Cl, Cl/Br и др.) в качестве критерия метаморфизма природных вод, которые успешно применяются до настоящего времени.
Попытка использовать соотношения различных компонентов природных вод для определения в их составе эндогенного компонента была предпринята Л.Н. Капченко (1966). Им были рассчитаны Na/Cl, Cl/Br, B/Cl, F/Cl и некоторые другие коэффициенты для глубинных рассолов, гидротерм, а также жидких включений в минералах. Однако полученные результаты были весьма неопределенны и не позволяли сделать однозначные выводы. По нашему представлению, это связано с тем, что Л.Н. Капченко рассматривал отношения основных микрокомпонентов (Br, B, I, As) к хлору, что представляется не совсем верным с методической точки зрения. Дело в том, что хлор является не только основным "седиментогенным" элементом, но также и одним из "эндогенных" компонентов. Уже давно доказано [Арсанова, 1974], что так называемые перегретые хлоридно-натриевые термы областей активного вулканизма, представляющие собой почти 100%-й раствор NaCl, на 90% являются эндогенным флюидом, отделяющимся при остывании и кристаллизации магматических расплавов в глубинных частях земной коры. Таким образом, Cl в значительных количествах может поступать в пластовые воды с эндогенными флюидами, что неизбежно будет "размывать" коэффициенты, в которых используется отношение элемент/хлор.
Методика исследования. Представляется, что для определения генезиса глубинных вод можно воспользоваться соотношением элементов, постоянно присутствующих в заметных количествах в большинстве типов подземных вод, но геохимические условия накопления которых достаточно различны. Этим требованиям наиболее соответствуют такие компоненты, как бор и бром.
Оба этих элемента присутствуют в океанских водах в достаточно постоянных количествах: среднее содержание брома составляет около 65 мг/л, среднее содержание бора колеблется в пределах 10—40 мг/л. Однако условия накопления этих элементов в подземных водах существенно различаются.
Так, содержание брома непрерывно возрастает по мере концентрирования седиментогенно-инфильтро-
генных растворов, что связано с большей растворимостью бромидов, чем хлоридов. Поэтому, как было показано еще М.Г. Валяшко, содержание брома в природных водах является функцией их минерализации. При этом бром в незначительном количестве переносится высокотемпературными (>100 °С) водами, на что указывает его крайне низкое содержание в современных высокотемпературных гидротермах. В последних содержание брома изменяется в пределах 0,2—0,5 мг/л, редко достигая 4—5 мг/л [Карпов, 2005], что более чем на порядок меньше его среднего содержания в океанических водах.
Растворимость соединений бора, в отличие от соединений брома, резко увеличивается с повышением температуры, поэтому его содержание постоянно велико в высокотемпературных гидротермах, иногда оно достигает 600—800 мг/л (при среднем содержании в хлоридно-натриевых термах 150—200 мг/л [Пилипенко, 1974]). Установлено также, что бор в значительном количестве переносится в газопаровых смесях, в которых коэффициент распределения между жидкостью и паром доходит до 0,25 [Шувалов, 1974]. Состав пород, из которых может извлекаться бор, имеет, по-видимому, подчиненное значение по отношению к температурному фактору, так как постоянно высокое содержание бора установлено в гидротермах различных областей, локализующихся в породах кислого, среднего и основного состава (табл. 1), хотя в работе С.Р. Крайнова [Крайнов и др., 2004, с. 480] указывается, что максимальное количество бора выносится из глинистых пород. Однако, как установила В.В. Красивцева (1968), вынос бора из пород контролируется прежде всего температурным фактором. По ее данным, при температуре 200 °С с водяным паром в присутствии СО2 отгоняется до 80% бора, содержащегося в осадочной породе, при этом с увеличением температуры возрастает и выход бора из пород.
Таким образом, если принять среднее значение отношения В/Вг для океанской воды равным 0,15— 0,30, то резкое увеличение этого отношения будет свидетельствовать о поступлении бора с высокотемпературными глубинными флюидами. Как допущение принимается, что в процессе метаморфизма седимен-тогенно-инфильтрогенных вод первичное, морское отношение В/Вг должно примерно сохраняться.
Обсуждение результатов. Анализ рассчитанных значений коэффициента В/Вг для природных вод различного состава, возраста и структурной принадлежности дал следующие результаты.
По значениям коэффициента В/Вг исследованные воды можно разделить на две группы. Первую группу составляют рассолы древних платформ, для которых значения В/Вг коэффициента практически соответствуют таковому для океанской воды и составляют 0,13—0,36 (табл. 1). При этом общая минерализация рассолов может достигать 300—460 г/л, это свидетельствует, что отношение В/Вг незначительно изменяется в процессе метаморфизма подземных вод.
Таблица 1
Показатели химического состава подземных вод древних платформ
Компоненты и показатели химического состава Оренбургская обл.*, Р[к§, 4663-4706 м Мичиганский бассейн (США)*, 1700 м Тимано-Печорская провинция Средний состав океанской воды
Pja-s, 2181-2218 м C2+3, 2345-2368 м
К 7502 29 070 316 710 387,5
№ 9150 11 783 25 956 32 647,6 10 764
Мв 79 825 12 868 3040 2492,8 1297
Са 2380 97 541 6550 5750 408
С1 254 785 268 736 60 847 68586 19 353
Вг 3820 3760 235 281 66
I 24 52 28,6 19,7 0,05
804 1098 52 42,8 164,6 2701
нсо3 2616 - 201,3 183 143
В 1384 491 22 49 18,8
Минерализация, мг/л 36 2743 428 850 97 030 110 700 35 500
Формула химического состава С198 С199,4 Cl99,8 Cl99,6 С190 8049
Мв90 №5 Са68 щ15К10№7 (Na+K)66 Ca19 Mg15 Na74 Ca15 Mg11 (№+К)79 Мв17 Са4
В/Вг 0,36 0,13 0,09 0,17 0,28
В/С1 0,005 0,002 0,0004 0,0007 0,0009
* Химический состав по [Крайнов и др., 2004].
Таблица 2
Показатели химического состава термальных вод в районах современного вулканизма и тектонической активности
Компоненты и параметры химического состава Уайракей, Новая Зеландия*, 695 м, Т = 260 °С Паужетское месторождение, Камчатка**, 350 м, Т = 190 °С Алехинские источники, о. Кунашир***, Т = 54 °С Сахалин, Синегорский район**** Малый Кавказ, Ата-заван****
№ 1320 940 190 6566,3 11 470
К 225 120 15 124,8 200
Мв 0,03 7 6,7 208 89
Са 17 119 190 260 738
С1 2260 1470 170,2 6195,1 18 000
Вг 6,0 2,8 0,8 31,9 60,4
I 0,3 0 0,02 12,8 13,4
804 36 164 636,2 36,0 491
нво2 117 127 8,8 572,5 576
НС03 19 61 56,8 8944 2140
М, мг/л 4000,3 2507,8 1344 22 951,4 33 777,8
Формула химического состава С198,8 8041,2 С190,4 804 7,4 НС03 2,2 804 70 С125 НС03 5 С154 НС0346 С192 НС036
Na89,5 К9 Са1,5 №89,5 К9 Са1,5 (Na+K)46 Са51 Мв3 (Na+K)91 Мв5 Са4 (№+К)92 Са7 Щ1
В/Вг 19,5 45,4 11,0 17,8 9,6
В/С1 0,05 0,08 0,05 0,09 0,03
Примечание. Данные химического состава по: * [Ellis, 1964], ** [Аверьев, 1961], ***[Зотов, 1974], **** [Крайнов и др., 2004].
Вторую группу составляют термальные воды тектонически активных областей альпийской складчатости и гидротермы областей современного вулканизма. В этих водах отношение B/Br возрастает до 9,4—45,4 (табл. 2) при значениях общей минерализации вод, не превышающих 35 г/л. Столь резкое увеличение отношения B/Br (на два порядка и более) в гидротермах, характеризующихся максимальным содержанием эндогенного компонента (Уайракей, Паужетское месторождение, табл. 2), по сравнению с рассолами древних платформ позволяет уверенно диагностировать поступление эндогенных флюидов в пластовые воды, а также определять генезис вод неясного происхождения.
Так, на нефтяном месторождении Белый Тигр (Вьетнам) в гранитоидном фундаменте на глубине около 4300 м были вскрыты воды, имеющие следующую формулу химического состава:
M Cl96 SO42HCO31,6
5Д (Na+K)83 Ca16 Mgl'
Содержание бора и брома в них составляет 147,2 и 7,2 мг/л соответственно. Отношение B/Br равно 20,4. По этому показателю вода можно уверенно отнести к глубинным гидротермам, в то время как вьетнамские геологи [Тьен, 1998] отнесли их к водам инфильтрационного генезиса.
Сопоставление значений коэффициентов B/Br и B/Cl, последний из которых используется при изучении современных гидротерм, показало, что при переходе от глубинных рассолов к современным гидротермам отношение B/Cl также резко увеличивается, но в меньшей степени, чем значения B/Br. Так, если отношение B/Cl увеличивается почти на порядок, то значение отношения B/Br возрастает более чем в 30 раз. Кроме того, воды тектонически активных областей, достаточно резко различающиеся по значениям отношения B/Br, имеют в некоторых случаях практически аналогичные значения отношения B/Cl
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Арсанова Г.И. К вопросу о происхождении перегретых хлоридно-натриевых вод молодых вулканических областей // Гидротермальные минералообразующие растворы областей активного вулканизма. Новосибирск: Наука, 1974. С. 14-21.
Капченко Л.Н. Современное состояние ювенильности глубинных подземных вод // Литология и полезные ископаемые. 1966. № 4. С. 75-87.
Карпов Г.А. Онтогения гидротермального процесса. Владивосток: Дальнаука, 2005.
Крайнов С.Р., Рыженко Б.Н., Швец В.М. Геохимия подземных вод. М.: Наука, 2004.
Кафедра гидрогеологии: старший научный сотрудник, e-mail: TA Kireeva@mail.ru
(табл. 2). Наиболее характерны в этом отношении воды Паужетского месторождения Камчатки (B/Br = 45,4) и Сахалина (B/Br = 17,8), для которых значения отношения B/Cl равны 0,08 и 0,09 соответственно. Таким образом, подтверждается предположение, что изменение соотношения B/Cl будет "отставать" от отношения B/Br, что связано со значительным привносом хлора эндогенными водами. Вместе с тем сравнение указанных отношений для различных глубинных природных вод может дать новую интересную информацию об условиях их формирования.
Выводы. 1. Отношение B/Br, характерное для океанской воды, незначительно изменяется в процессах захоронения и метаморфизма седиментогенных и инфильтрогенных вод.
2. Глубокие подземные воды древних платформ имеют значение отношения B/Br, не превышающее 0,5, что свидетельствует об их седиментогенно-ин-фильтрационном генезисе. В то же время наличие в нижних частях эпипалеозойских и более молодых артезианских бассейнов маломинерализованных подземных вод со значениями отношения B/Br 0,9—1,4 и выше свидетельствует, что в их формировании принимают определенное участие глубинные термальные флюиды.
3. В водах тектонически активных областей альпийской складчатости и в гидротермах областей современного вулканизма значения отношения B/Br увеличиваются до 10—45, что свидетельствует о поступлении бора с высокотемпературными эндогенными водами.
4. Значительное (в 30—150 раз) отличие отношения B/Br для седиментогенно-инфильтрационных и гидротермальных вод позволяет уверенно диагностировать присутствие эндогенной компоненты в подземных водах.
5. Отношение B/Br можно использовать в качестве надежного критерия наличия эндогенной составляющей подземных вод.
Пилипенко Г.Ф. Гидротермы кальдеры Узон // Гидротермальные минералообразующие растворы областей активного вулканизма. Новосибирск: Наука, 1974. C. 24—31.
Тьен ХД. Гидрогеологические условия месторождения Белый Тигр // Тез. докл. второй конференции НИПИ морнефтегаз. Вунгтау, 1998. С. 103—110.
Шувалов Р.А. Распределение борной кислоты между водой и паром при сепарации пароводяной смеси Паужетского месторождения // Гидротермальные минерало-образующие растворы областей активного вулканизма. Новосибирск: Наука, 1974. C. 111-113.
Поступила в редакцию 13.05.2008
