CC BY
14Геология, поиски и разведка месторождений нефти и газа
УДК 556.38:556.013(571.1)
КРИОГЕНЕЗ ПРЕСНЫХ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ЗАПАДНО-СИБИРСКОЙ РАВНИНЫ (В ПРЕДЕЛАХ ЯМАЛО-НЕНЕЦКОГО НЕФТЕГАЗОДОБЫВАЮЩЕГО РЕГИОНА)
CRYOGENESIS OF FRESH UNDERGROUND WATERS IN WEST SIBERIAN
PLANE (WITHIN YAMAL-NENETS OIL AND GAS PRODUCTION REGION)
В. А. Бсшсицсв, Т. В. Семенова
V. A. Bcchcntscv. Т. V. Seinenova
Тюменский государственный иефте.товын университет, <>. Тюмень
Ключевые слова: подъемные коды, кршкштоюпа, мерг итш, вымораживание, мепшморфишция, криогенеч, водообмен
Key words: groundwater, ciyolitiiozone, pennafrost, freezing, metamorphism, cryogenesis,
water exchange
Характерной особенностью пресных подъемных вод Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона, приуроченных к песчаным и глинистым рыхлым осадкам олигоцен-четвертичного возраста. является региональное распространение матоминерали юванных (70-150 мг/дм') ультрапресных вод. Природа этого явления в полной мерс не раскрыта.
История геологического развития рассматриваемой территории в олигоцен-четвертичное время позволяет > видеть связь широкого развития ультрапресных вод с оледенением шслы|ювого типа, охватывающего Карское морс. что. по мнению ряда исследователей, распространено на всей акватории Ледовитого океана [1]. Следует отмстить, что многолетний криогенез в условиях конкретного геологического разреза Западно-Сибирской плиты почти не изучался. Основные исследования криогенных процессов выполнены для условий Восточной Сибири, геологическая и гидрогеологическая обстановка которой принципиально отличается от условий рассматриваемого региона. Криогенез здесь распространяется до глу бины 2 ООО м. охватывая разнообразные по составу горные породы и различные гидродинамические и гидрохимические зоны. Наиболее полно криогенез рассмотрен в работах С. В. Алексеева и Н. П. Анисимова [2. 3. 4].
Одним из факторов распространения ультрапресных вод следует считать развитие процессов многолетнего вымораживания подземных вод и горных пород до глубин 300-500 м. неоднократно возникающего в межледниковые периоды. Основными факторами широкого развития ультрапресных вод в пределах Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона следует считать формирование при таянии ледника обширного пресноводного Ханты-Мансийского озера-моря, в котором накапливались пресноводные, континентальные осадки, определившие накопление изначально пресных подземных вод. которые в последующие этапы развития вплоть до современного времени подверглись криогенном) вымораживанию. Вымораживание — процесс выделения в твердом виде (льда) при охлаждении [5]. В природных условиях понятие «криогенез» объединяет процессы, приводящие к образованию и развитию мерзлых пород и вымораживанию пластовых вод. На первых фазах криогенеза происходит кристаллизация почти всех вешсств. в том числе и воды, это сопровождается увеличением плотности и уменьшением объема. При этом происходит определенная дифференциация химического состава. в частности, в силу изменения растворимости солей при определенном темпе-
ратурном режиме. Под воздействием низкотемпературного режима многолетне-мерзлых пород формируются беееульфатные воды, какими и являются пресные воды исследуемой территории.
Следы криогенного вымораживания также можно видеть в появлении солей в подъемных водах в нижней части разреза олигоцен-четвертичных отложений. Здесь минерализация подземных вод в ряде слу чаев повышается до 0.5-1.5 г/дм\ Однако выска занная точка зрения носит прогностический характер и требует дополнительных нату рных и экспериментальных исследований 111.
Максимальная плотность воды наблюдается при температуре +3.98 "С. по мере дальнейшего охлаждения плотность образовавшегося льда уменьшается, причем особенно резко это происходит на стадии замерзания. Кристаллы природного льда имеют гексагональную кристаллическую решетку, поэтому упаковка льда рыхлая, с пустотами. В результате объем воды в твердой фазе возрастает до 9 % и более по сравнению с жидкой. Контрастное увеличение объема при переходе воды в лсд влечет за собой рост объема водовмешаюших пород. В результате промерзания водоносных горизонтов возникают аномальные гидравлические давления, под воздействием которых происходит растрескивание мерзлых пород и увеличение их проницаемости. Длительное время считалось, что водоносные горизонты, находящиеся в сезонном и особенно в многолстнсмсрзлом состоянии, полностью консервируются и не подвергаются изменению. В последние годы появились исследования. показывающие, что даже при отрицательной температуре горные породы претерпевают глубокие физико-химические и минералогические изменения, однако в них постоянно существует гравитационная вода в жидкой фазе (меж- и под-мерзлотные воды). Это объясняется тем. что в указанных условиях возникает гидрохимическая дифференциация. Геохимическая деятельность приводит к образованию вторичных соединений — кальцита, гипса, окислов магния, железа, меди, цинка и т. д. В процессе замерзания подземных вод и кристаллизации льда наблюдается переход части солей в лсд. выпадение осадка, увеличение минерализации остаточного, жидкого раствора. При этом солснасыщснность льда всегда меньше исходной минерализации. Общий объем жидкой воды после вымораживания оценивается в пределах до 8 %.
Изменение состава подземных вод предопределяется многими факторами: значением температуры, скоростью охлаждения, литологичсским составом водо-вмещгиощих пород, соотношением отдельных компонентов, общей солснасыщсн-ностью. Наиболее значительной мстаморфизации подвержены воды, в составе которых в большом количестве содержатся гидрокарбонаты и сульфаты щелочных земель. Исходные слабоминсрализованныс подземные воды обладают меньшей контрастностью состава твердой и жидкой фаз. Более высокая солснасыщснность наблюдается в жидкой фазе, где преобладают гидрокарбонаты. сулы)>аты и на последней стадии вымораживания — хлориды. В лсд переходит минимум солсй: лсд — это ультрапрссное образование гидрокарбонатного типа. В слу чае оттаивания такого льда происходит частичное возвращение в раствор. Талые воды по преобладающим ионам являются ультрапрссными. их минерализация значительно меньше исходной воды. При неоднократном вымораживании солснасыщснность талых подъемных вод снижается в несколько раз. При неоднократном промерзании пресных вод их минерализация уменьшается в 5-10 раз. и они превращаются в ультрапрссныс. В качестве примера можно привести результаты исследований, приведенные в монографии С. М. Фотисва (таблица) |6|. Эти воды аккумулируются под многолстнемсрзлыми породами: ниже минерализация возрастает. Таким образом, вымораживание является значительным фактором, определяющим широкое распространение ультрапрссных подземных вод на территории Ямало-Ненецкого нефтегазового региона.
Следует отмстить, что многие вопросы, связанные с формированием ультра-пресных подземных вод региона, требуют дополнительных, целенаправленных исследований. На основе имеющихся данных исследователи отмечают, что харак-
тсрныс для подземных вод исследуемой территории признаки находят логическое объяснение в у наследован ности их от эпох прошедших оледенений 111.
Изменение состава минераш ипит пресной воды ноае ее чамораживиния и последующего оттаивания льда
Новый состав, мг-жв л
а с Томиературныс условия жеперимеша, "С \'а К Са- \-lg- СО; псо,- ЯОг' СГ 7-вс в я ¡2 г». О 2 з Р1 2 1 г г г я о г Е ° § § >. г
Иода замораживалась при 10 "С 13.26 0.09 4.25 1.50 10.41 7.25 1.44 1 446.1 295.2
Лсд опаивал при 3"С 13.25 0.09 0.98 1.15 0.19 6.82 7.24 1.44 1 150.9
2 Вода замораживалась при 5 "С 10.70 0.02 0.92 1.47 0.72 9.28 2.33 0.78 1 0.39.1 43.0
Лсд опаивал при 2 "С 10.70 0.02 0.82 1.47 0.88 9.02 2.33 0.78 996.1
Вода замораживалась при 5 "С 3.% 0.01 4.94 3.46 11.20 0.79 0.38 967.3 185.8
Лсд опаивал при 2 "С 3.% 0.01 2.84 3.46 0.50 8.60 0.79 0.38 781.5
4 Вода замораживалась при 5 "С 1.59 0.01 3.98 1.08 6.30 0.11 0.25 528.0 210.3
Лод опаивал при 1 "С 1.59 0.01 1.39 1.08 3.70 0.11 0.25 317.7
В настоящее время формируется новое направление в гидрогеологии — крио-гидрохимия. изучающая физико-химические процессы, вызванные воздействием сезонного или многолетнего промерзания природных вод. Под действием процессов сезонного или многолетнего криогенного метаморфизма (криогенная мста-морфизация). протекающих при отрицательной температуре, происходит существенное и глубокое криогенное преобразование химического состава и минерализации подземных вод и вмещающих их толщ и пород.
Анализ имеющихся в настоящее время данных |3. 6. 7. 8| позволяет охарактеризовать основные особенности криогенной мстаморфизации химического состава и минерализации подземных вод |6|.
1. Температура кристаллизации природных вод зависит от категории воды и степени се минерализации и меняется от 0 до -30 "С и ниже. При температуре 0 "С замерзает лишь гравитационная, капиллярная и слабосвязанная пресная вода. Прочносвязанная пресная вода в дисперсных породах не замерзает при температуре -Ю "С. а рассолы с минерализацией более 200 г/кг не замерзают даже при температуре ниже -20 "С.
2. Кристаллизация воды и таяние льда сопровождаются дифференциацией солей между твердой и жидкой фазами. Минерализация меняется как при кристалли-
зации воды, так и при таянии льда. В процессе кристаллизации воды часть солей, растворенных в ней. захватывается льдом, часть выпадает в осадок, еще часть отжимается в нижележащие слои, увеличивая минерализацию остаточного раствора. Происходит криогенное концентрирование остаточного раствора, минерализация воды увеличивается. Чем выше минерализация и больше объем промерзающей воды, тем значительнее степень ее криогенного концентрирования. При таянии льда карбонатные и сульфатные соли, выпавшие в осадок, не переходят в жидкую фазу. Поэтом> минерализация талой воды всегда меньше минерализации воды до кристаллизации, происходит се криогенное опреснение.
3. Ионно-солсвой состав воды меняется как при криогенном концентрировании. гак и при криогенном опреснении воды. При криогенном концентрировании он зависит, во-первых, от исходного ионно-солсвого состава воды, во-вторых, от темперотуры се охлаждения, определяющей скорость кристаллизации, в-третьих, от последовательности выпадения из раствора карбонатов кальция и сульфатов натрия, а также от биохимических и обменно-адсорбционных процессов между концентрированным раствором и вмещающими породами. При криогенном концентрировании в крио.мстаморфизованной воде накапливаются наиболее растворимые и наиболее подвижные хлориды кальция, магния и натрия, а также бикарбонаты натрия.
При криогенном опреснении ионно-солсвой состав криомстаморфизованной воды изменяется в результате таяния опресненных льдов и выпадения в осадок карбонатов кальция и су льфатов натрия. Состав талой воды отличается как от исходного состав.) (до кристаллизации), так и от состава воды в стадии концентрации.
Конечный результат криогенной метаморфизации химического состава и минерализации природных вод определяется направлением криогенного процесса, соотношением объемов промерзшей и промерзающей воды, а также скоростью водообмена в нижележащих слоях воды и пород.
Рассматривая геологическую историю формирования и развития подземных вод исследуемой территории, можно утверждать, что в процессе формирования химического состава подземных вод (от пресных до ультрапрссных) на описываемой территории происходили неоднократные процессы криогенной мстаморфизации химического состава замерзающих и талых вод. в том числе: а) криогенное концентрирование (последовательный рост величины минерализации замерзающей воды в процессе ее кристаллизации): б) направленное изменение химического состава льдов и вод. испытавших хотя бы один цикл замерзание — таяние: в) сезонное перераспределение и уменьшение ионного (химического) стока рек в результате хсмогенного осаждения криогенных осадков (минералов в виде солей, гидроксидов. органокомплсксных соединений): г) опреснение льдов при их таянии. в которых концентрируются ультрапресные воды преимущественно натриевого состава: д) формирование гидрохимической стратификации в континентальных и морских водоемах при таянии их ледяного покрова: с) аккумуляция СаСО? и растворимых соединений в морских, наледных. ледниковых и подземных льдах: ж) колебания солености вод Мирового океана в тысячелетнем цикле как результат изменчивости состояния оледенения.
Рассматривая региональные закономерности зоны криогенсза. необходимо отмстить. что на территории исследуемого региона прослеживается четко выраженная гидрохимическая зональность 111. В направлении с юга на север увеличивается количество мерзлых пород, проницаемость пород понижается, что в условиях более затрудненного водообмена увеличивает время взаимодействия воды с породами и приводит к более интенсивному выщелачиванию катионов. Дополнительно на данный фактор накладывается и влияние более низких температу р, что. как известно |9|. приводит к 0С(\ждению карбонатов кальция и накоплению в растворе карбонатов магния.
Таким же образом в северном направлении нроисходат накошеиие всех остальных основных солеобрачующих катионов. С увеличением суммы солей происходи! повышение рП воды с умоныпсииом окисляемости. Повышение pll, соответственно, приводи! к ослаблению мшрационпой способности железа и уменьшению его содержания с 3 мг/дм3 на юге до 1 мг/дм3 па севере Я мало-1leneiucoro нефтегазодобывающего peí иона.
15 северном направлении отмечается рост содержания иона хлора, который, как определено исследованиями П. И. Лписимовой |3|, является индикатором процессов прямого криогонеза (рисунок).
¿,0 3 s 30 2 5 О 2 0 1.5 1.0 0.5 0.0
Приозерное ЛПУ Надымска* <С У»<ПГ-9
Ягельная <С Пангоды
Рисунок. Изменение содержания хлор иона с юга на север
Окислительная обстановка сменяется па глеевую, вследствие чего изменяется и химический состав подземных вод. С уменьшением количества биогенной составляющей общей минерализации и снижением количества мигрирующего железа и марганца в анионном составе подземных вод наряду с гидрокарбонатами начинают превалировать сульфаты и кремний. H катионпом составе литогеппой составляющей, преимущественно кальциево-ма! пневого состава, за счет' замедления стока и увеличения времени взаимодействия подземных вод с породами происходит нарастание содержания натрия.
Аналогично многолетпемерзлые поро,чы зоны криогенеза влияю)- и па изменение химического состава подземных вод в вертикальном разрезе. Для надмерзлот-ных вод характерно повышенное содержание биогенных компонентов и кислая обстановка. При пом большая часть выщелачиваемых элементов не проникает в залегающие более глубоко горизонты (особенно в области выдержанного чалега-пия современной мерзлоты) и мигрирует в речную сеть. Для межмерзл суп них водоносных комплексов с глубиной гидрохимическая обстановка меняется па восстановительную с переходом железа и марганца в двухвалентную легко мигрирующую форму.
Влияние мерзлотпо-гидрогеологических факторов на формирование и размещение пресных подземных вод криолитозоны в настоящее время находит отражение в условиях .эксплуатации водозаборов Ямало-Ненецкого нефтегазодобывающего региона. I (еобходимо отметить, что система «вода — почва — породы» находится в состоянии крайне неустойчивого равновесия, и изменение величины водообмена техногенным путем может за короткий срок привести к резкому изменению обстановки и ухудшению химического состава питьевых вод. Например, на водозаборных сооружениях в г. Губкинском за пять лег эксплуатации рП водной среды снизился с 6,8 до 5,8, а содержание железа возросло с 4 до 6 мг/дм\ Лиаю-
гичная ситуация наблюдается и по основным крупным водозаборам исследуемого региона. Интенсивное поступление кислорода в подземные воды при невыдержанности современной мерзлоты в районе ее островного распространения привело к созданию окислительной обстановки и активному выщелачиванию гумусовых веществ. преимущественно фульвокислотного состава.
Список литературы
1. Бешенцев В. А., Иванов Ю. К., Бешенцева О. Г. Экология подземньсх вод Ямало-Ненецкого автономного округа. - Екатеринбург: Институт геологии и геохимии УрО РАН, 2005. - 165 с.
2. Алексееве. В. Криогенез подземных вод. - Новосибирск: Изд-воСОРАН, 2000. - 117 с.
3. Анисимова Н. П. Формирование химического состава подземных вод таликов на примере центральной Якутии. - М.: Наука, 1971. - 193 с.
4. Алексеев С. В., Пиннекер Е. В. Криогенез подземных вод и горных пород на примере Далдыно-Алакитского района Западной Якутии. - Новосибирск: Изд-во СО РАН НИЦ ОИГТМ, 2000. - 119 с.
5. Химическая энциклопедия в 5 т. Т. 1. Отв. ред. Кнунянц И. J1. - М.: Советская энциклопедия, 1998.-510 с.
6. Фотиев С. М. Криогенный метаморфизм пород и подземньсх вод. - Новосибирск: Гео, 2009.
7. Иванов А. В. Криогенная метаморфизация химического состава природных льдов, замерзающих и талых вод. -Хабаровск: Дальнаука. 1998. - 164 с.
8. Анисимова Н. П. Криощдрохимические особенности мерзлой зоны. - Новосибирск: Наука. 1981.-153 с.
9. Шварцев С. Л. Гидрогеохимия зоны гипергенеза. - М.: Недра, 1978. - 287 с.
10. Бешенцев В. А., Бешен цева О. Г. Криогенное вымораживание пресных подземных вод ЯН АО / Горные ведомости. - Тюмень: ОАО «СибНАЦ», 2005. - № 10. - С. 88-98.
11. Бешенцев В. А. Участие эпох оледенения в формировании поверхностных и подземных вод Ямало-Ненецкого автономного округа // Горные ведомости. - Тюмень: ОАО «СибНАЦ», 2007. - № 4. -С. 50-56.
12. Толстихин О. Н. Наледи и подземные воды Северо-Востока СССР. - Новосибирск: Наука, 1974,-154 с.
Сведения об авторах
Бешенцев Владимир Анатольевич, д. г.-м. н.. профессор кафедры «Геология месторождений нефти и газа», Тюменсжй государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)390346
Семенова Татьяна Владимировна, к. г. -м. н, доцент кафедры «Геология месторождений нефти и газа». Тюменский государственный нефтегазовый университет, г. Тюмень, тел. 8(3452)390346, e-mail: l_v_semenova@Ii3i.ru
Beshentsev V. A, Doctor of Geology and Mineralogy, professor of die chair aGeology of oil and gas fields?, Tyumen State Oil and Gas University, phone: 8(3452)390346
Semenova T. V. Candidate of Sciences in Geolog\and kiinercdogy. Tyumen State Od and Gas University, phone: 8(3452)390346, e-mail: t_v_3emenov.T(a}list.ru
