ТЕРМОБАРИЧЕСКИЙ ПОРОГ КАК СВИДЕТЕЛЬСТВО ВЕРТИКАЛЬНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ЗОНАЛЬНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД НЕФТЕГАЗОНОСНЫХ БАССЕЙНОВ

А. М. Никаноров, М. Г. Тарасов, Ю. А. Федоров

В кн. «Гидрогеохимическая зональность и нефтегазоносность».М. Наука. 1988. с. 30-35

Впервые развитие учения о вертикальной гидрохимической зональ­ности нашло отражение в трудах В.И. Вернадского и Б.Л. Личкова еще в 30-е годы. В.И. Вернадский отмечал, что общая закономерность изменения химического состава вод подземной гидросферы заключается в быстром росте минерализации с глубиной — от пресных к соленым и от соленых к рассолам и смене химических типов вод — от карбонатного, сульфатного к хлоридному. Накопление хлоридов кальция в подземных седиментогенных водах с глубиной погружения отложений носит плане­тарный характер. Параллельно с этим наблюдается возрастание концент­раций ряда микроэлементов.

В предлагаемой работе на примере Предкавказского НГБ сделана попытка установить генетические причины такой корреляции. Привлекался также материал по солеродным бассейнам земного шара.


Рис. 1 Изменение концентраций микроэлементов (мг/л) и отношения ЭСа/Э Mg с глубиной в подземных водах Предкавказья

Были построены графики изменения концентрации кальция, магния, рубидия, цезия, стронция, кальциево-магниевого отношения в зависимо­сти от глубины (рис. 1), температуры, давления и минерализации подзем­ных вод. Зарегистрировано возрастание отношения ЭCa/ЭMg с глубиной. Отчетливо прослеживается термобарический порог на глубине около 3 км (Т ~ 100—110° С, Ргеост. ~ 70 МПа), после пересечения которого наблюдается резкое увеличение отношения ЭCa/ЭMg. Установлено закономерное возрастание концентрации Са, уменьшение — Mg и соответственно увеличение отношения Ca/Mg. Для того чтобы установить, носит ли эта закономерность локальный характер, обусловленный специфическими геолого-гидрогеологическими и термобарическими условиями Предкавказья, или же проявляется в масштабах планеты, нами в результате обработки материала по различным солеродным бассейнам построен график изменения отношения ЭCa/ЭMg от глубины (рис. 2). Наименьшую трансформацию химического состава испытали рассолы, вскрытые до 1500 м, т. е. в обстановке относительно низких термобарических условий. Очевидно, основной реакцией, приведшей к формированию рассолов преимущественно хлоридно-кальциевого состава, была реакция обмена Mg+2 рассолов на Са+2 карбонатных пород.

Для Северного Кавказа наличие термодинамического порога обнаружено авторами для целого ряда элементов (Rb, Cs, Sr и др.) (см. рис. 1). Главными факторами, вызвавшими скачок в изменении содержания микроэлементов на глубине около 3 км и более, являются температура и давление, которые способствовали выводу элементов из кристаллической решетки минералов. По-видимому, Ргеост. ~70 МПа__и__Т ~ 100—110°С являются в условиях Предкавказья критическими. Состояние микроэлементов в структуре породообразующих минералов при данных термодинамических параметрах, очевидно, близко к метастабильному, когда достаточно незначительного температурного или барического градиента, чтобы элемент покинул кристаллическую решетку. Вынос ингредиентов из твердого тела осуществлялся при участии жидкой фазы. Вероятно, переход из твердой фазы в жидкую происходил: 1) посредством конвективного массопереноса элемента из кристаллической решетки водным флюидом, выделившимся при трансформации минералов; 2) путем диффузии; 3) с помощью ионообменных процессов.

Высокие содержания микроэлементов в глинистых отложениях и свойство монтмориллонита при определенных термодинамических условиях преобразовываться в гидрослюды с более плотной кристаллической упаковкой и низким содержанием связанной воды позволяют предположить большую роль высвобождающихся растворов в транспортировке микроэлементов из пород в подземные воды и рассолы. Сопоставление результатов экспериментальных исследований по дегидратации монтмориллонита при высоких Р-Т-параметрах [Карцев, 1972] с термобарической обстановкой в изучаемом регионе показало, что, начиная примерно с глубины 3 км, выделение «возрожденных вод», вероятно, получило широкое развитие. В свете изложенного выше становятся более понятными причины совпадения термобарического порога и дегидратации глинистых минералов. Обращает на себя внимание тот факт, что природные рассолы обогащены микроэлементами относительно экспериментальных растворов выпаривания. Все это, по нашему мнению, свидетельствует о протекании более сложных процессов аккумуляции редких элементов в растворах подземной гидросферы, нежели простое концентрирование в поверхностных условиях при испарении воды эвапоритовых бассейнов.

Менее отчетливо выделяется верхний термобарический порог, отвечаю­щий смене химических типов седиментогенных вод региона (Н = 1300ч÷1600 м; Т = 70÷80° С, Ргеост. ~30 МПа). Слабое проявление порогового эффекта в данном интервале глубин, вероятно, обусловлено относительно низкими термобарическими условиями. Удивительная синхронность в увеличении концентраций некоторых редких и рассеянных элементов и Са свидетельствует о единстве процессов трансформации подземных вод, рассолов, пород и тесной генетической связи нахождения указанных ингредиентов в различных природных средах. Механизм перехода элементов из твердой фазы в жидкую (и обратно) может быть различным при сходной термобарической обстановке. Так, увеличение концентрации Са, Sr и уменьшение — Mg с ростом глубины и Р-Т параметров объясняется в основном протеканием катионно-обменных процессов в системе вода—порода; а содержаний Rb, Cs — в результате преобразования органоминерального комплекса пород. Эти процессы происходят при деструкции РОВ и деформации кристаллических решеток породообразую­щих минералов.

Интересно, что на Северном Кавказе к глубине 3 км приурочен также максимум выделения вод дегидратации глинистых минералов. По-видимому, воды дегидратации выступали в роли активной субстанции, с помощью которой происходил процесс переноса микроэлементов из твердой фазы в жидкую.

Существование термобарического порога не является специфической особенностью, свойственной только Предкавказью, подобное явление авторы обнаружили и при сопоставлении химического состава подземных вод и термодинамических условий других регионов земного шара. Менее ярко выраженный пороговый эффект, вероятно, связан с различием термобарических режимов и разнообразием литологических типов пород в НГБ.

Следует отметить, что значительная часть залежей нефти в глубоко погруженных депрессиях, очевидно, сформировалась на заключительных стадиях ГФН, когда в широком масштабе стал возможен отток вод дегидратации глинистых минералов.

В настоящее время проблема формирования вертикальной гидрохимической зональности требует дальнейшего изучения. По данным Ю. А. Ежова [1981], в 23 артезианских бассейнах встречен инверсионный тип вертикальной зональности. В каждом конкретном случае для объяснения причин снижения минерализации с глубиной требуется анализ палеогео­графических и палеогидрогеологических условий, а также постседиментационных диа- и катагенетических процессов.

Уменьшение минерализации может быть вызвано различными причинами: влиянием вод инфильтрации, поступлением дегидратационных, ювенильных вод или развитием конденсатогенных вод. Выяснение генетической причины опреснения вод несет важную информацию для целей нефтепоисковой гидрогеологии. Зона развития метеогенных вод является малоперспективной, дегидратационных — регионально перспективной при поисках нефти и газа, распространение конденсатогенных вод является прямым признаком нефтегазоносности локальных структур.

Установление причин опреснения вод традиционными гидрохимическими методами, как правило, не приносит успеха, так как снижение минерализации, независимо от источника пресных вод, приводит к переходу типа вод от хлоридного к сульфатному и даже гидрокарбонатному. С развитием изотопных методов исследований ученые получили достаточно надежный и точный инструмент познания природы водного растворите­ля. Благодаря использованию данных по составу стабильных изотопов, являющихся высокоинформативным средством диагностики геохимичес­ких процессов, были достигнуты успехи в решении многих генетических проблем современной геологии. Авторами [Никаноров и др., 1980] впервые был применен метод изотопной диагностики происхождения вод зон опреснения в мезозойских отложениях Предкавказья.

На территории Западного Предкавказья в зоне опреснения нижнемелового водоносного комплекса в пределах Каневско-Березанского вала вскрыты воды с низкими концентрациями как дейтерия (—95÷129 ‰), так 18О (— 13,6÷<16,9‰), значительно отличающимися по содержанию стабильных изотопов от типично седиментогенных вод региона [Тарасов, 19806]. Изотопный и химический состав этих вод характерен для вод современной инфильтрации.

Рис. 2 Изменение отношения ЭСа/ЭMg с глубиной в рассолах соленосных отложений

Интерпретация данных изотопных исследований природных вод Предкавказья позволила выделить в верхнемеловом водоносном комплексе Терско-Сунженской НГО опресненные воды конденсационного генезиса. Конденсатогенные воды отличаются высокими концентрациями дейтерия (δD= — 18÷ -36‰) и весьма высокими — 18О (δD = + 9,3÷ + 12,9‰) Такой изотопный состав конденсатогенных вод связан с особенностью их формирования [Тарасов, 1980а].

Опресненные воды триасового водоносного комплекса Прикумской зоны поднятий и верхнемелового водоносного комплекса Терско-Сунженской области и Прикумской зоны поднятий приурочены к зоне АВПД. Эти воды отличаются от фоновых седиментогенных рассолов низкими концентрациями дейтерия и более высокими — 18О. Особенно четко воды зон АВПД выделяются на графике изменения 18О от глубины. На фоне общего возрастания содержания изотопа 18О с глубиной воды зон АВПД характеризуются еще более высокими концентрациями 18О. Это свидетель­ствует не только о протекании изотопно-обменных процессов в системе вода—порода, но и о поступлении в пласты-коллекторы пресных возрожденных вод, образующихся при дегидратации глинистых минералов в условиях высоких пластовых температур (120—170° С). Возрожденные воды глинистых минералов характеризуются низкими концентрациями дейтерия (δD= -32 ÷ -145‰) и высокими — 18О (+ 14,9 ÷ +24,9‰). Поступление дегидратационных вод и их смешение с седиментогенными растворами приводит к снижению содержания дейтерия и возрастанию — 18О последних.

В заключение следует отметить, что достоверное установление причин формирования гидрохимической зональности возможно лишь в результате комплексных изотопно-химических исследований подземных вод и рассолов.

ЛИТЕРАТУРА

  1. Ежов Ю. А. Закономерности распространения химической инверсии в подземной гидросфере//Сов. геология. 1981. № 1. С. 106—112.
  2. Карцев А. А. Гидрогеология нефтяных и газовых месторождений. М.: Недра, 1972. 280 с.
  3. Об изотопно-химической аномалии опресненных вод нефтяных месторожде­ний/А. М. Никаноров, А. В. Якубовский, Л. Н. Шалаев и др. / Тез. докл. VIII Всесоюз. симпоз по стабильным изотопам в геохимии. М., 1980. С. 224—226.
  4. Тарасов М. Г.Геохимия глубинных рассолов мезозойских отложений Предкав­казья: Автореф. дис. ... канд. геол.-мнерал.  наук.  Ростов н/Д,   1980а. 24 с.
  5. Тарасов М. Г. Распределение дейтерия и кислорода-18 в природных водах Северо-Восточного Кавказа // Гидрохимические материалы, 19806. Т. 68. С. 66—71.