CC BY
273
УДК 553.98
СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ КРИОПЭГОВ В АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЕ СИБИРИ*
Анна Федоровна Сухорукова
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник лаборатории гидрогеологии осадочных бассейнов Сибири, тел. (383)363-80-36, e-mail: SukhorukovaAF@ipgg.sbras.ru
Рассмотрены основные достижения в изучении уникальных природных объектов -криопэгов (высокоминерализированных с отрицательными температурами подземных вод криолитозоны) начиная с 40-х годов XX века до наших дней. Представлены теоретические основы процесса криогенной метаморфизации вод, условия формирования криопэгов на некоторых месторождениях углеводородов арктической зоны Сибири, вопросы их генезиса.
Ключевые слова: криолитозона, криопэги, арктическая зона, криогенный метаморфизм вод.
CRYPEGS IN SIBERIAN ARCTIC-STATE OF KNOWLEDGE
Anna F. Sukhorukova
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Ph. D., Research Associate of the Laboratory of Hydrogeology of Sedimentary basins of Siberia, tel. (383)363-80-36, e-mail: SukhorukovaAF@ipgg.sbras.ru
From the 40-ies of XX century to the present day, the main achievements in studying unique natural objects - cryopegs (highly mineralized groundwaters of permafrost zone with negative temperature) have been considered. The theoretical basis of the permafrost evolution of waters, conditions of cryopeg formation on some large hydrocarbon deposits of Siberian Arctic and their genesis issues are presented.
Key words: permafrost zone, cryopeg, Arctic zone, cryogenic water evolution.
Целью данной работы является рассмотрение основных результатов в изучении уникальных природных объектов - криопэгов (высокоминерализованных вод с отрицательными температурами), которые были получены в процессе гидрогеокриологических исследований Западной и Восточной Сибири. При освоении месторождений углеводородов Арктических районов возникает целый комплекс проблем, обуславленных сплошным распространением криогенной толщи (мощностью до 700-800 м), которая представляет собой региональный флюидоупор и предопределяет большую группу инженерно-геологических, геокриологических и экологических проблем, возникающих при освоении
и эксплуатации месторождений в результате техногенной деградации мерзлоты и непосредственного влияние отрицательных температур, рассолов с отрицательными температурами на разведочные и эксплуатационные скважины.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 14-05-00868).
172
Соленые воды с отрицательной температурой назывались разными авторами по-разному: «криогалинными водами» по Романовскому Н. [1], «крио-пэгами» по Н.И. Толстихину [2]. Впервые термин «пэги» был предложен О.К. Ланге в 1933 г., позже Н.И. Толстихин [2] ввел термин «криопэги» («криос» - холод, лед; «пэги» - холодные воды, источники), который и получил широкое признание во всем мире.
Огромный вклад в углубление знаний по гидрогеологии мерзлой зоны литосферы внесли работы Н.И. Толстихина, О.Н. Толстихина, Н.А. Романовского, А.В. Иванова, Р.С. Кононовой, А.Я. Стремякова, Я.В. Неизвестнова, С.М. Фо-тиева, П.Ф. Швецова, С.Л. Шварцева, А.П. Анисимовой и многих других исследователей.
Особенно плодотворными были исследования Н.И. Толстихина. В 1931 г. он предложил классификацию подземных вод по отношению к мерзлым породам, а в дальнейшем дал их достаточно полную характеристику. В 1941 г. им было опубликовано первое учебное пособие по новой отрасли знаний - книга «Подземные воды мерзлой зоны литосферы».
Толчком к изучению условий формирования высокоминерализованных подземных вод арктической зоны послужили исследования, проведенные в 1950-60-е гг.: на Чукотке П.Ф. Швецовым [3], В.М. Пономаревым [4], в районе Амдермы, бух. Кожевникова, на п-ове Нордвик, на о. Вайгач и в других районах - П.Д. Сиденко [5] и Н.И. Обидиным [6]. Особое место занимают исследования мерзлотно-гидрогеологических условий Восточной Сибири, проведенные Н.В. Губкиным, А.И. Калабиным, В.В. Баулиным, И.Д. Даниловым, Э.Д. Ершовым, В.А. Кудрявцевым, П.И. Мельниковым. Вышеперечисленные исследователи, а это далеко не полный список, представляли в своих работах достоверный и качественный фактический материал, позволяющий на его основе в дальнейшем проводить анализ и обобщение, моделирование процессов взаимодействия рассолов с мерзлыми породами.
Следующим этапом в изучении высокоминерализованных рассолов стали поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений на Западно-Сибирской плите, Сибирской платформе. Было получено большое количество материалов по условиям залегания и закономерностям формирования криолитозоны, химическому составу подземных вод, что позволило подойти к теоретическим исследованиям проблемы криогенного преобразования гидросферы, сформулировать главные положения криогенной метаморфизации химического состава природных вод. Установлено, что подземные воды гидрогеологических структур, в различной степени промороженных, обладают весьма разнообразными условиями формирования, питания и стока. Следствием этого является большое разнообразие состава и минерализации этих вод, меняющейся от первых десятков миллиграмм на литр до 300 г/л и более. Интерес гидрогеологов к проблеме криогенной метаморфизации состава подземных вод возник еще более 20-30 лет назад. Благодаря трудам российских ученых это научное направление получило широкое развитие.
Процессы криогенной метаморфизации подземных вод исследовались целым рядом гидрогеологов: П.И. Мельниковым [7], Н.П. Анисимовой [8], А.В. Ивановым [9], Р.С. Кононовой [10], Я.В. Неизвестновым [11], Н.Н. Романовским [1], С.М. Фотиевым [12], С.Л. Шварцевым [13] и др. Это относительно новое направление изучает физико-химические процессы, вызванные промерзанием природных вод, при котором происходит глубокое преобразование химического состава и минерализации подземных вод и вмещающих их пород.
Кристаллизация льда из гравитационных подземных вод в зависимости от степени их минерализации и химического состава происходит в широком диапазоне температур от 0 до -30 ° С и ниже [10]. При 0° замерзают лишь гравитационная, капиллярная и слабосвязанная пресная вода. Морская вода с минерализацией 30-35 г/л начинает замерзать при -1,8° С и ниже. Рассолы хлоридного кальциевого состава (с минерализацией более 300 г/л) сохраняются в жидком состоянии до -55°С. Температуры криопэгов по данным, имеющимся в настоящее время для территории России, изменяются от 0 до -12° С [10].
Особенности криогенной метаморфизации природных вод: при кристаллизации воды и таянии льда часть солей выпадает в осадок, другая захватывается льдом, а третья отжимается в нижележащие слои. Происходит криогенное концентрирование остаточного раствора, минерализация воды увеличивается. При таянии льда не все соли, выпавшие в осадок, переходят в жидкую фазу, происходит криогенное опреснение талой воды. Меняется ионно-солевой состав воды. При криогенном концентрировании в воде накапливаются наиболее растворимые и подвижные хлориды кальция, магния и натрия. При криогенном концентрировании карбонатные и сульфатные соли не переходят в жидкую фазу, состав талой воды отличается от исходного состава воды в стадии концентрирования. По Н.Н. Романовскому [1] и С.М. Фотиеву [12] выделяют три стадии криогенного метаморфизма: I - охлаждение; II - концентрирование; III - де-сульфатизация.
Значительные различия химического состава и минерализации пресных и соленых вод предопределяют особенности их криогенного метаморфизма. Согласно современным представлениям о криогенном метаморфизме соленых вод и рассолов (криопэгов), минерализация которых изменяется от 10 до 300 г/л и более, эти воды имеют преимущественно хлоридный натриевый или кальциевый состав. Криогенный метаморфизм соленых вод протекает в широком диапазоне температур примерно от -1 до 36-55° С. Температуры начала замерзания вод и их криогенной метаморфизации определяются в первую очередь исходной минерализацией подземных вод.
Наиболее изучен криогенный метаморфизм соленых вод морского происхождения, представляющих собой раствор хлоридных, сульфатных и карбонатных солей. Преобладающими в ней являются хлориды натрия. Различные температуры кристаллизации солей, содержащихся в морской воде, обусловливают определенные закономерности изменения ее химического состава в процессе вымораживания. Замерзание воды нормальной солености (30-35 г/л) начинается при температуре -1,8° С. При -5° в жидком состоянии остается 40 % раство-
ра, минерализация которого возрастет до 80 г/л. При замерзании концентрация остаточного рассола увеличивается за счет легкорастворимых солей хлоридов и сульфатов натрия и кальция. Полная кристаллизация морской воды происходит при температуре -36°С, когда ее минерализация увеличивается до 250 г/л. Химический состав морской воды при ее замерзании изменяется в результате последовательного выпадения из раствора солей.
Криогенная метаморфизация соленых вод выщелачивания, состав которых обусловлен растворением галита, происходит в две стадии:
1) криогенного концентрирования (от 0 до -22,6°С) - без изменения химического состава раствора, с увеличением минерализации до 175 г/л;
2) криогенного опреснения (от -22,6 до -36°С) - повышение плотности остаточного раствора, выпадение в осадок бигидрата хлористого натрия, уменьшение концентрации раствора до 30-35 г/л.
Из этой схемы следует, что природные рассолы галита с минерализацией выше 175 г/л не могут образовываться в процессе криогенного концентрирования, так как указанная предельная минерализация достигается при температуре -22,6°С, а при дальнейшем понижении температуры выпадает гидрогалит. Например, можно утверждать, что воды месторождений галита в районе бух. Кожевникова с минерализацией выше 200 г/л не подвергались криометамор-физму.
В последнее десятилетие появилось не так много работ, посвященных вопросам изучения криопэгов Арктических районов Сибири. Необходимо отметить выход монографии «Криосфера нефтегазоконденсатных месторождений полуострова Ямал» в 2006 г. [14], в которой приводятся данные об отрицательно температурных подземных водах высокой минерализации Харасавейского, Бованенского месторождений. По составу это сульфатные натриево-магниевые воды с минерализацией 93 г/л, обладающие сульфатной и магнезиальной агрессивностью по отношению к бетонам. Неглубоко залегающие криопэги, распространенные на полуострове, имеют, как правило, хлоридно-натриево-магниевый состав с минерализацией более 110 г/л и низкую температуру раствора - до -8,5° С. В целом для криопэгов нефтегазовых месторождений полуострова Ямал характерны температуры от -1 до -8 ° С и минерализация до 150 г/л. Наличие криопэгов в толще мерзлых пород создают трудности при проходке скважин, их цементации и эксптуатации.
Освоение Арктических районов Сибири обуславливает необходимость всестороннего изучения взаимодействия отрицательно-температурных рассолов и мерзлых пород. Решение этой задачи представляет собой как научный, так и практический интерес.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Романовский Н. Н. Подземные воды криолитозоны. - М.: Изд-во МГУ, 1983. - 232 с.
2. Толстихин Н. И. Гидрогеология Земли и криосферы // Подземные воды Сибири и Дальнего Востока. - М.: Наука, 1971. - С. 28-33.
3. Швецов П. Ф. Подземные воды Верхояно-Колымской горно-складчатой области и особенности их проявления, связанные с низкотемпературной вечной мерзлотой. - М.: Изд-во Ан СССР, 1951. - 279 с.
4. Пономарев В. М. Подземные воды с мощной толщей многолетнемерзлых горных пород. - М.: Изд-во АН СССР, 1960. - 200 с.
5. Сиденко П. Д. Мерзлота и подземные воды Хатангского брайона // Инф. Бюл. НИИ-ИГА. - 1958. - Вып. 8. - С. 38-43.
6. Обидин Н. И. Вечная мерзлота и подземные воды Западно-Сибирского мезозойского прогиба и Сибирской платформы к северу от Полярного круга // Тр. НИИГА. - 1959. - Т. 65, вып. 13- С. 159-173.
7. Мельников П. И., Романовский Н. Н., Фотиев С. М. Новые направления в изучении подземных вод криогенной области // Проблемы геокриологии. - М.: Наука, 1983. - С. 7-21.
8. Анисимова Н. П. Криогидрогеохимические особенности мерзлой зоны. - Новосибирск: Наука, СО РАН, 1981. - 152 с.
9. Иванов А. В. Криогенная метоморфизация природных химического состава природных льдов, замерзающих и талых вод. - Хабаровск: Дальнаука, 1988. - 163 с.
10. Кононова Р. С., Неизвестнов Я. В., Толстихин Н. И., Толстихин О. Н. Криопэги-отрицательно-температурные воды Земли // Мерзлотные исследования. - М.: Изд-во МГУ, 1971. - Вып. 11. - С. 75-88.
11. Неизвестнов Я. В., Толстихин Н. И. Влияние криогенеза на формирование подземных вод артезианских бассейнов Арктики // Всесоюзная конф. по мерзлотоведению: тез. докладов. - М.: Изд-во МГУ, 1970. - С. 75-78.
12. Фотиев С. М. Криогенная метаморфизация химического состава и подземных вод // Известия вузов. Геология и разведка. - 2002. - № 1. - С. 113-122.
13. Шварцев С. Л. Геохимическая деятельность мерзлоты // Природа. - 1975. - № 7. -С. 67-73.
14. Криосфера нефтегазоконденсатных месторождений полуострова Ямал: в 3 т./ Под общей ред. Ю. К. Васильчука, Г. В. Крылова, Е. Е. Подборного. - Тюмень: ООО «Тюмень-НИИгипрогаз»; СПб.: Недра, 2006.
© А. Ф. Сухорукова, 2015
