8РАВНОВЕСИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ БАССЕЙНОВ С ВМЕЩАЮЩИМИ ГОРНЫМИ ПОРОДАМИ КАК ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ
ПРОБЛЕМА ГИДРОГЕОЛОГИИ
С.Л. Шварцев
Томский филиал Института нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, Томск,
е-mail: tomsk@igng.tsc.ru
Нефтегазоносные бассейны в подавляющем большинстве случаев заполнены седиментационными водами разной степени метаморфизации, геохимия которых изучена относительно хорошо. Немалая заслуга в этом принадлежит А. А. Карцеву. Он же первым обосновал связь стадийности литогенеза с гидрогеологическими процессами [4]. Данное направление является исключительно перспективным и ныне активно развивается [6, 9]. Тем самым частично преодолен разрыв между литологией и гидрогеологией, который существовал в течение многих десятилетий и даже столетий.
По нашему глубокому убеждению, генетические связи между подземными водами и горными породами нельзя раскрыть, не изучив историю равновесий в системе вода -порода. Только через выявление характера равновесия можно постигнуть механизмы и природу их взаимодействия и найти причины геологической эволюции этой системы и уже через ее историю понять истинную роль воды в развитии геологических процессов.
С глобальных позиций историю природных вод первым наиболее глубоко рассмотрел В.И. Вернадский в своей известной монографии [3]. Он показал, что между основными компонентами окружающего мира: водой, породой, газами, органическим веществом, минералами, углеводородами - «все время существует равновесие, меняясь в своей величине, пока существует раствор» (с. 155, выделено нами. - С. Ш.). В.И. Вернадский рассматривал это равновесие главным образом с динамических позиций, но немалое значение он придавал и физико-химическим равновесиям. Поэтому его подход к равновесиям можно считать универсальным.
Развивая учение В. И. Вернадского о равновесии, мы показали, что особенно уникальным такое равновесие имеется в системе вода - порода. Мы назвали его равновесно-неравновесным, поскольку подземная вода всегда неравновесна с одними минералами, которые она растворяет, но одновременно она равновесна с другими, которые она формирует. Так, например, крепкие рассолы Сибирской платформы с минерализацией 300-600 г/л, возраст которых достигает нескольких сот миллионов лет и которые практически неподвижны, тем не менее не достигли равновесия с анортитом,
диопсидом, нефелином, гроссуляром, пренитом, альбитом, флогопитом, форстеритом, кордиеритом, воллостонитом и т.д. Но они равновесны с глинистыми минералами, кальцитом, гипсом, галитом, кварцем, мусковитом, парагонитом, анальцимом, иногда альбитом, энстатитом, ломонтитом, бишофитом, тетрагидритом и т.д. [2].
Следовательно, система вода - порода является внутренне противоречивой, способной к самопроизвольному, непрерывному, геологически длительному развитию с образованием принципиально новых минеральных фаз и геохимических типов воды [1].
Непрерывное взаимодействие - вот что характеризует систему вода - порода, результатом его является постоянное образование новых вторичных минералов и новых геохимических типов воды, которые совместно образуют новые гидрогенно-минеральные комплексы [10].
Приведем пример. Как хорошо известно, в осадочных бассейнах широким распространением пользуется вторичный карбонатный цемент. Каким путем образуются здесь карбонаты? Обычно называют три основных причины: 1) понижение парциального давления СО2; 2) повышение рН и 3) рост температуры, поскольку все эти параметры контролируют растворимость кальцита и их изменение может привести к частичному его осаждению. Но как это может быть реализовано в реальном осадочном бассейне?
Если взять, например, Западно-Сибирский осадочный бассейн, то седиментационные воды нефтегазоносных отложений характеризуются значениями рН, близкими к 7,0 и меньше [7], т.е. значительно ниже, чем исходные морские, рН которых близок к 8,0. Температура тех же нефтегазоносных отложений, в которых развит карбонатный цемент, ранее была значительно выше, что устанавливается по степени метаморфизма органического вещества [5]. Потеря водой СО2 также неправдоподобна, поскольку система гидродинамически закрыта, в ней сохранились седиментационные воды, имеют место аномально-высокие пластовые давления, залежи нефти и газа не разрушаются, а формируются и т.д.
Проблема решается исключительно просто, если к системе вода - порода подходить с равновесно-неравновесных позиций. Вода непрерывно в течение всего времени существования постседиментационного бассейна растворяет терригенную часть горных пород, с которыми она неравновесна [1]. Все седиментационные воды насыщены кальцитом.
Выявленный нами принципиально новый механизм вторичного образования кальцитов обеспечивает непрерывный рост количества аутигенных карбонатов в рассматриваемой системе. По этой же причине объемы осадочных карбонатов в течение всей геологической истории непрерывно росли.
Установление факта внутренней эволюции в системе вода - порода в принципе меняет наши представления о роли горных пород в формировании состава седиментационных вод. Но для этого в рассматриваемой системе необходимо глубже изучать характер равновесия, которое позволяет открыть многие новые явления.
Как известно, изначально Земля образована горными породами, которые по составу близки к базальтоидам, сложенным пироксеном, основным плагиоклазом, оливином, в небольшом количестве роговой обманкой. Так вот, как оказалось, именно с этими минералами подземные воды в осадочных бассейнах не только всегда находятся в неравновесном состоянии, но такое равновесие не может даже никогда наступить.
Выявленные механизмы взаимодействия подземных вод с анортитом и кальцитом высвечивают по крайне мере еще две особенности эволюции системы вода - порода: 1) непрерывность и геологическая вечность их взаимодействия, которое не может прекратиться до тех пор, пока в горных породах будет вода; 2) даже в условиях равновесия с каким-либо минералом (например, кальцитом) взаимодействие с водным раствором продолжается и ведет к увеличению его объема в системе, т.е. в осадочном бассейне.
Внутренне противоречивый равновесно-неравновесный характер системы вода -порода определяет наличие в ней многих фундаментальных свойств. [11]. К примеру, кальцит формируется в области, далекой от равновесия с анортитом, т.е. с горными породами, изначально образовавшими Землю. Но если это так, то становится очевидным, что система жидкая вода - порода в пределах земной коры развивается в условиях, далеких от равновесия, которые определяют принципиально новые возможности ее развития как прогрессивно самоорганизующейся диссипативной структуры, в понимании И. Пригожина и И. Стенгерс [8].
Известно, что в синергетике, в отличие от кибернетики, неравновесность - не источник гибели, не состояние деструкции, а, напротив, основание для становления упорядоченности, причина структурогенеза и эволюции системы в целом. Неравновесность - движущая сила эволюции, которая приводит в конечном итоге к
изменению необратимых потоков энергии (и вещества), возникающих при стремлении к равновесию эволюционирующих открытых систем. С рассматриваемых позиций неравновесно-равновесный характер системы вода - порода выступает главным фактором эволюции минерального вещества, многообразных процессов его самоорганизации и саморазвития.
По И. Пригожину и И. Стенгерс, в случае термодинамического равновесия системы ее элементы (молекулы) ведут себя независимо один от другого, так как каждый из них «игнорирует» все остальные и ведет себя пассивно. Такие элементы системы авторы назвают гипнонами, т.е. пребывающими в гипнотически - спящем состоянии. Переход в неравновесное состояние «пробуждает» гипноны, между которыми устанавливается когерентная связь, и они перестают быть независимыми. В этом случае «система ведет себя так, как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил. Несмотря на то, что силы молекулярного взаимодействия являются короткодействующими (действуют на расстоянии 10-8 см), система строится так, как если бы каждая молекула была «информирована» о состоянии в целом» [8].
Система вода - порода, развиваясь в области, далекой от равновесия, ведет себя как единая когерентная структура, которая постоянно в течение геологически длительного времени трансформируется, перестраивается, формирует новые минеральные образования и разнообразные геохимические типы вод, т. е. ведет себя как неравновесная стационарная система с образованием новых, равновесных со средой, более сложных продуктов, формирующих более организованные диссипативные системы.
Неравновесие в рассматриваемой системе определяет формирование различных вторичных минералов в строгой последовательности. При этом соотношение химических элементов во вновь формируемых минералах сильно отличается, что служит причиной резкой дифференциации химических элементов в водном растворе, нарушает характер равновесия и служит основой глобальной эволюции [12].
Исследование равновесия подземных вод нефтегазоносных бассейнов с горными породами - важнейшая проблема, решение которой обеспечит переход нефтегазовой гидрогеологии на новый этап развития.
ЛИТЕРАТУРА
1. Алексеев В.А., Рыженко Б.Н., Шварцев С.Л., Зверев В.П., Букаты М.Б., Мироненко М.В., Чарыкова М.В., Чудаев О.В. Геологическая эволюция и самоорганизация системы вода - порода. Т.1. Система вода - порода в земной коре: взаимодействие, кинетика, равновесие, моделирование. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2005. 244 с.
2. Букаты М.Б. Равновесие подземных рассолов Тунгусского бассейна с минералами эвапоритовых и терригенных фаций // Геологоя и геофизика. 1999. № 5. С. 750-763.
3. Вернадский В.И. История природных вод. М.: Наука, 2003. 751 с.
4. Карцев А.А. Стадийность литогенеза и гидрогеологические процессы // Изв. АН СССР. Сер. геол. 1982. № 2. С. 107-112.
5. Конторович А.Э. Очерки нафтидогенеза. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. 545 с.
6. Махнач А.А. Катагенез и подземные воды. Минск: Наука и техника. 1989. 335 с.
7. Назаров А.Д. Нефтегазовая гидрогеохимия юго-восточной части ЗападноСибирской нефтегазоносной провинции. М.: Идея-Пресс, 2004. 288 с.
8. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. М.: Прогресс, 1986. 431 с.
9. Шварцев С.Л. Природа геохимической связи состава седиментогенных вод с литологией осадочных бассейнов // Фундаментальные проблемы нефтегазовой геологии М., 2005. С. 205-209.
10. Шварцев С. Л., Рыженко Б. Н., Алексеев В. А., Дутова Е. М., Кондратьева И.А., Копылова Ю.Г., Лепокурова О.Е. Геологическая эволюция и самоорганизация системы вода - порода. Т. 2. Система вода - порода в условиях зоны гипергенеза. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2007. 389 с.
11. Шварцев С.Л. Фундаментальные механизмы взаимодействия в системе вода-горная порода и ее внутренняя геологическая эволюция // Литосфера. 2008. № 6, С. 3-24.
12. Шварцев С.Л. С чего началась глобальная эволюция? // Вестн. РАН. 2010. Т .80, № 3. С. 235-244.
