CC BY
21
УДК 533.776:552.5
МЕХАНИЗМ И ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ПЛОТНОСТНОЙ КОНВЕКЦИИ В ГИДРОСТРАТИСФЕРЕ
© 2012 г. В.Г. Попов, Д.В. Сиденко, С.А. Токарев
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Рассмотрены основные проблемы плотностной конвекции - сложного геологического процесса, включающего в себя собственно формирование гравитационно нестабильной гидрогеологической системы, обладающей положительным градиентом плотности вод, субвертикальное погружение рассолов из солеродных бассейнов, проникновение их через глинистые и карбонатно-глинистые слои.
Ключевые слова: плотностная конвекция; молекулярно-диффузионные процессы; фильтрация.
The basic problems density convection - the difficult geological process including actually formation gravity of astable hydro-geological system, density of waters possessing a positive gradient, subvertical immersing of brines from salt pools, their penetration through clay and karbonatno-clay layers are considered.
Keywords:;density convection; molecule-diffusion processes; a filtration.
Главнейшие источники растворенных веществ в подземных водах - горные породы и талассогенные бассейны седиментации минувших геологических эпох. В гидростратисфере, находящейся под воздействием различных геофизических полей, массоперенос в гетерогенной системе вода - порода - газ - ОВ осуществляется с помощью диффузии и конвекции под влиянием градиентов Р, Т и концентраций вещества.
Молекулярно-диффузионные процессы, включающие в себя баро-, термо-, само- и концентрационную диффузию, свойственны гидрогеодинамически пассивным средам, которые в платформенных осадочных бассейнах залегают в условиях квазизастойного режима на глубине >1000 - 1500 м. Среди них геохимически наиболее значима концентрационная диффузия, протекающая в растворе или на границе твердой и жидкой фаз и обусловленная разностью концентраций отдельных элементов и их соединений. Результат ее - выравнивание содержания растворенного вещества в гидростратисфере в ходе геолого-исторической эволюции.
Фильтрация (вынужденная конвекция) играет главную роль в переносе растворенного вещества вместе с растворителем в верхних частях земной коры с высокими скоростями движения вод, отвечающими закону Дарси.
Естественная (свободная или плотностная) конвекция - это тепло- и массоперенос в гравитационном поле Земли под влиянием градиентов Т и концентрации, вызывающих различия в плотности подземных вод. При этом роль тепловой конвекции в массопере-
носе узколокальная. В отличие от нее плотностная концентрационная конвекция служит региональным фактором формирования подземных вод. Физико-химическое моделирование процесса [1] и региональные исследования [2] показали, что водоносная система, представленная тяжелой жидкостью в верхней части и легкой в нижней, гравитационно неустойчива в поле силы тяжести Земли. Под влиянием градиента плотности вод возбуждается вертикальное движение: тяжелый раствор опускается вниз, а легкий поднимается вверх.
Установлено, что плотностная конвекция происходит в виде отдельных слабо смешивающихся струй, причем процесс погружения - всплывания разноплот-ностных жидкостей (р = 1,0 - 1,5 г/см3) близок к изо-хорическому, т.е. не сопровождается изменением объема, и завершается, когда растворы распределятся в строгом соответствии с их плотностями. Специфические черты плотностной конвекции - формирование конусов растекания рассолов, открытых от очага их поступления, и нестационарность процесса в связи с изменением во времени плотности вод солеродного бассейна и фильтрационных свойств пород при взаимодействии с рассолами.
Скорость плотностной концентрационной конвекции Vр определяется проницаемостью геологической среды и градиентом плотности вод^р=£г* /р/я0, /р=р: -- р2/р2, где К - вертикальный коэффициент фильтрации пород, м/сут; /р - вертикальный градиент плотностной конвекции; п0 - активная пористость породы; р! и р2 - плотности тяжелой и легкой жидкостей, г/см3.
В природе условия, благоприятные для протекания процессов массообмена по механизму концентрационной конвекции, создаются в случае, когда на поверхности появляются солеродные бассейны, жидкая фаза которых представлена тяжелыми маточными рассолами. В истории Земли они существовали начиная с позднего протерозоя (Ирано-Пакистанский бассейн), на протяжении всего палеозоя (ВосточноСибирский, Предаппалачский, Днепровско-Донецкий и др.), мезозоя (Северо-Европейский, Северо-Кавказский, Среднеазиатский и др.) и кайнозоя (Рейнский, Предкарпатский, Месопотамский и др.). Однако наибольшие масштабы и интенсивность галогенез получил в пермском периоде, когда на территории Европы располагались два крупнейших солеродных бассейна (Центрально- и Восточно-Европейский), площадь которых превышала 2 млн км2 [3].
Объектом исследований являются Волго-Уральский и отчасти Прикаспийский бассейны, составляющие большую часть Восточно-Европейского эвапоритового бассейна. Осадочный чехол их мощностью 2000 - 5000 м и более представлен поздним протерозоем и фанерозоем, однако основную роль играет палеозой, сложенный в основном карбонатными породами.
Доминирующее положение в бассейне занимают нефтяные С1-№-Са рассолы. Они залегают на глубине >1000 - 1500 м и образуют сплошную гидрогеохимическую зону, мощность которой достигает 5000 м и более.
Анализ палеогидрогеохимических условий показал, что в раннепермскую эпоху (ассельско-кунгурское время) на востоке Русской плиты возникли и длительное время существовали гравитационно неустойчивые гидрогеодинамические системы, энергетическое состояние которых определялось градиентом плотности воды, содержащейся в поверхностной и подземной гидросферах (рисунок). Поверхностная часть этих систем была представлена эвапоритовыми бассейнами с весьма крепкими (М до 400 - 520 г/дм3) тяжелыми (р! до 1,30 - 1,37 г/см3) Cl-Mg маточными рассолами, а подземная - карбонатными, в меньшей степени терригенными породами карбона, девона, венда и рифея, насыщенными менее минерализованными (М = 30 - 150 г/дм3), а следовательно, более легкими (р2 = 1,02 - 1,13 г/см3) водами.
Величина вертикального градиента концентрационной конвекции 1р в зависимости от соотношения плотностей рассолов эвапоритовых бассейнов нижней перми и залегающих под ними формационных рассолов палеозоя и позднего протерозоя изменялась в широких пределах. Судя по литолого-гидрогео-химическим данным, наиболее характерной для нижнепермского времени была ситуация, когда гравитационное погружение испытывала рапа бассейнов, находящихся на гипсовой стадии галогенеза (р1=1,13 -1,23 г/см3), в терригенно-карбонатную среду, заклю-
чающую слабые рассолы (р2= 1,05 - 1,13 г/см3).
Величина 1р при таком соотношении плотностей составит 0,08 - 0,17. Принимая в расчет коэффициент фильтрации слаботрещиноватых карбонатных пород К = 10-4 м/сут, их пористость п0 = 0,05, скорость нисходящей конвективной миграции рассолов Vр из солеродных палеобассейнов нижней перми составит 6 -12 см/год. Следовательно, даже при минимальной скорости плотностной конвекции, равной 5 см/год, подсолевая толща мощностью 4000 м будет заполнена нижнепермскими рассолами за 80 тыс. лет. Эта величина хорошо согласуется с продолжительностью накопления соленосных толщ (временем существования эвапоритовых бассейнов), которая оценивается в десятки - сотни тысяч лет [4].
Литолого-гидрохимическая схема нижнепермских солеродных бассейнов: 1 - 6 - литолого-гидрохимические зоны (в скобках в числителе - М, г/дм3, в знаменателе - р, г/см3): 1 -молассовая (1 - 36/1,0 - 1,02); 2 - известняково-доломито-вая (36 - 140/1,02 - 1,13); 3 - доломитово-гипсовая (140 -320/1,13 - 1,23); 4 - гипсово-галитовая (320 - 470/1,23 -1,29); 5 - гипсово-карналлитовая (470 - 510/1,29 - 1,36); 6 -гипсово-карналлитово-бишофитовая (510 - 550/1,36 - 1,38);
7 - 9 - границы: 7 - литолого-гидрохимических зон,
8 - кунгурского бассейна, 9 - ассельско-артинских бассейнов
Обогащенные Mg2+, Бг" и другими элементами крепкие рассолы из нижнепермских эвапоритовых бассейнов путем свободной конвекции перемещались в нижележащие комплексы палеозоя еще до начала формирования соленосной толщи. В дальнейшем накопление солей сопровождалось их уплотнением, уменьшением пористости (от 50 до 5 % и меньше) и, как следствие, отжимом межкристальной С1 - Mg рапы, которая, как и маточные рассолы, гравитационно погружалась в глубокие части разреза.
Плотностная конвекция - сложный геологический процесс, включающий в себя собственно формирование гравитационно нестабильной гидрогеологической
системы, обладающей положительным градиентом плотности вод, субвертикальное погружение рассолов из солеродных бассейнов, проникновение их через глинистые (карбонатно-глинистые) слои, латеральное растекание на местных и региональных флюидоупо-рах (включая фундамент бассейна), геохимическую метаморфизацию С1 - Mg рассолов в породах. Все эти явления представляют суть единого механизма заполнения геологической структуры эпигенетическими рассолами.
Одновременно происходит вытеснение с помощью восходящей миграции из подсолевых толщ палеозоя и позднего протерозоя формационных синге-нетичных им менее минерализованных вод. Судьба этих вод в конечном итоге была связана с эвапорито-вым бассейном, где они участвовали в дальнейшем галогенезе. Таким образом, плотностную конвекцию надо рассматривать одним из звеньев геологического круговорота воды между подземной и поверхностной гидросферами. Какие-то количества восходящих вод могли скапливаться под солями, слагающими ложе эвапоритового бассейна, вступать с ними в геохимическое взаимодействие, ведущее к образованию крепких С1 - № рассолов за счет процессов выщелачивания и молекулярной диффузии №С1 из соленосных пород.
Расстояние, на которое переносится вещество с помощью молекулярной диффузии, определяется по формуле [2]: I = ф^^хг , где I - глубина проникновения диффузионного потока, см; Dс - коэффициент молекулярной диффузии, см2/с; т - время, с.
В водонасыщенных трещинных средах карбона при величине Dс = 10-7 - 10-6 см2/с ионы № и С1 от нижнепермской галитовой толщи за всё время её существования (250 млн лет) могут мигрировать на I = 400 - 1300 м. Это означает, что в исследуемых бассейнах, где мощность осадочного чехла достигает 3000 - 5000 м и более, молекулярно-диффузионные процессы способны обеспечить массоперенос от со-леносной толщи в довольно ограниченном масштабе. Выполненные оценки в целом хорошо согласуются с мощностью зоны подсолевых С1-№ рассолов, в формировании которых принимают участие процессы молекулярной диффузии.
Процессы плотностной конвекции завершаются при исчезновении положительного градиента плотности растворов. В конечном итоге жидкая фаза поздне-пермского галогенеза заняла гравитационно устойчивое положение в подсолевых толщах региона, что ознаменовало завершение главного (седиментацион-ного) этапа формирования вертикальной гидрогеохимической зональности.
Погружение С1 - № - Mg рассолов - жидкой фазы (ЖФ) солеродного бассейна - сопровождалось их метаморфизацией при взаимодействии с породами и изменением состава самих пород в результате доло-
митизации, альбитизации, обменной адсорбции и других процессов:
2СаСОз (порода) + Mga2 (ЖФ) = = СаС03xMgC03 (порода) + СаС12 ЖФ;
CaAl2Si2O8 (порода)+2№С1 (ЖФ^Ю2 = = 2№А^308 (порода)+СаС12 (ЖФ);
2NaCl (ЖФ)+Са2+(адс.) = =СаС12 (ЖФ)+2Na+ (адс.).
Выполненными литолого-гидрогеохимическими (в том числе термодинамическими) исследованиями доказано, что главная роль в формировании С1-№-Са рассолов Волго-Уральского бассейна и других структур, сложенных карбонатными формациями, принадлежит не процессам обменной адсорбции и альбитизации в терригенных породах, а метасомати-ческой доломитизации известняков, осуществляемой в режиме нисходящей миграции через них С1-М£ рассолов из пермских эвапоритовых палеобассейнов [2]. Вследствие исключительной обогащенности солеродных маточных рассолов Mg2+ (rMg/rCa до 200-360) они обладают высокой доломитизирующей способностью.
Решающая роль пермского галогенеза и плотно-стной конвекции в формировании С1-№-Са рассолов подтверждается и результатами определения их абсолютного возраста гелий-аргоновым и кинетико-геохимическим методами [5]. Как оказалось, рассолы в отложениях среднего и раннего палеозоя в большинстве случаев имеют пермский возраст (200 -250 млн лет), т.е. по отношению к вмещающим породам являются эпигенетическими.
Проблема плотностных конвекционных эффектов, относящихся к области нелинейной гидрогеодинамики, является одной из наименее изученных в современной гидрогеологии. Она, несомненно, носит фундаментальный характер, поскольку через формирование глобально развитой рассольной геохимической зоны раскрывает становление и эволюцию всей гидролитосферы - важнейшей оболочки нашей планеты. Вместе с тем эта проблема важна и в прикладном отношении, так как с рассолами пространственно и генетически связаны нефтегазовые месторождения и скопления стратиформных руд, а сами рассолы служат ценным гидроминеральным сырьем, для использования их в бальнеологии и в промышленных целях (извлечение Вг-, I-, Li+, Rb+, Cs+ и других микроэлементов).
По результатам проведения Всероссийской молодежной конференции «Актуальные проблемы геологии, планетологии и геоэкологии» (16 мая 2012 г.) ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».
Результаты работы получены при поддержке Минобрнауки РФ в рамках государственного задания на проведение НИОКР, шифр заявки №5.1354.2011.
Литература
1. Поливанова А.И. Роль плотности и состава в перемещении растворов (по экспериментальным данным) // Новые
Поступила в редакцию
данные по геологии, геохимии, подземным водам и полезным ископаемым соленосных бассейнов. Новосибирск, 1982. С. 16 - 28.
2. Файф. У., Прайс Н., Томпсон А. Флюиды в земной коре. М., 1981. 436 с.
3. Мерзляков Г.А. Пермские солеродные бассейны Евразии. Новосибирск, 1979. 142 с.
4. Фивег М.П. О продолжительности накопления соляных толщ // Тр. ВНИИГ. Вып. 29. Л., 1954. С. 38.
5. Попов В.Г. Геохимические особенности и возраст рассолов Волго-Уральского бассейна // Отечественная геология. 1994. № 2. С. 62 - 66.
25 июня 2012 г.
Попов Владимир Георгиевич - д-р геол.-минер. наук, профессор, кафедра «Прикладная геология», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).
Сиденко Дарья Владимировна - студент, кафедра «Прикладная геология», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).
Токарев Сергей Анатольевич - студент, кафедра «Прикладная геология», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт).
Popov Vladimir Georgievich - Doctor of Geological and Mineral Scince, professor, department «Applied Geology», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).
Sidenko Daria Vladimirovna - student, department «Applied Geology», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute).
Tokarev Sergey Anatolievich - student, department «Applied Geology», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Тел. 86352-55-354.
