Закономерности накопления лития в подземных водах мезозойских отложений восточно-предкавказской нефтегазоносной области

В.С. Назаренко

В кн. «Проблемы современной гидрогеохимии», межвуз.сб. – Юж.-Рос.гос.техн.ун-т (НПИ), Новочеркасск, Темп., 2003 г. с. 104-111.

Изучены закономерности распространения лития в подземных водах мезозойских отложений Восточно-Предкавказской нефтегазоносной области. Проведено сравнение концентраций данного элемента в различных природных водах и горных породах. Установлено, что литий является показателем активной гидротермальной деятельности, приводящей к улучшению коллекторских свойств горных пород и поэтому может использоваться в качестве косвенного показателя нефтегазоносносности. Делается вывод о перспективности попутной добычи лития из подземных вод, оконтуривающих нефтяные месторождения.

Литий в подземных водах представляет интерес, прежде всего как один из дефицитных редких металлов. Другое направление его изучения основано на возможности использования в качестве поискового признака на нефть и газ. По мнению Л.З. Быховского, Т.П. Линде, Н.В. Петровой (1997), одной из первоочередных задач освоения и развития минерально-сырьевой базы лития является изучение попутных вод нефтяных и газовых месторождений. Исследованиями Института геологии ДНЦ РАН, ВСЕГИНГЕО, ПО «Дагнефть» открыта Дагестанская редко метальная провинция (Курбанов, 2001).

На рис. 1 представлены данные о содержании лития в различных типах природных вод.

Рис. 1. Средние содержания лития в природных водах (мг/дм3):

1- Источник Аримо в Японии – 56 (Басков, Суриков, 1989); 2 – источник Хервидеро в Перу – 25 (Басков, Суриков, 1989); 3 – воды пермско-триасовых отложений - 50; 4 – воды юрских отложений - 35; 5 – воды нижнемеловых отложений - 19; 6 – воды верхнемеловых отложений – 6; 7 - концентрация в подземных водах, имеющая промышленное значение - 10 (Бондаренко, 1988); 8 – воды верохекаменноугольных отложений Северо-Донецкого нефтегазоносного района – 5; 9 – морские воды – 0,17 (Гольдберг, 1963).

Элемент образует хорошо растворимые в воде хлорид, сульфат, нитрат, гидрокарбонат.

Закономерности распределения лития в различных породах представлены на гистограмме (рис. 2).

Рис. 2. Средние содержания лития (г/т):

1- в земной коре - 27; 2- в ультраосновных породах - 5; 3 - основных - 7; 4 - средних - 20; 5 – кислых - 38; 6 – щелочных - 59; 7 - метаморфических - 29; 8 – осадочных - 4 (Кременецкий и др., 1999); 9 – известняках -19; 10 - глинах – 55 (Солодов и др.,1980).

Среднее содержание лития, определенное по 254 пробам пластовых вод из нефтяных месторождений мезозойско-кайнозойских отложений Восточно-Предкавказской нефтегазоносной области, составляет 20,5 мг/дм3. Его распределение не подчиняется нормальному закону (эксцесс 30,4; асимметрия 5,06). В более кислых пластовых водах содержится более высокая концентрация лития. С увеличением содержания хлора в пластовых водах растет концентрация лития. Близкий характер распределения лития Е.А. Басковым и С.Н. Суриковым (1989) выявлен в современных гидротермах. Они отмечают приуроченность наиболее высоких концентраций лития к углекислым термам хлоридного, хлоридно-гидрокарбонатного и гидрокарбонатного состава. Так, концентрация лития в источниках Арима в Японии 55,8 мг/кг, Хервидеро в Перу 24,5 мг/кг. Экспоненциальная модель оптимально описывает поведение лития по отношению к хлору. Коэффициент корреляции при этом равен 0,83. В тоже время с ростом содержания гидрокарбонат-ионов концентрация лития уменьшается. Экспоненциальная модель оптимально описывает поведение гидрокарбонат-ионов относительно лития Li = 46.755e-0.0027x (r = -0,71). Такого же характера зависимость была выявлена Т.П. Сиван (1988) в пластовых водах Крыма и Причерноморья.

Среднее содержание лития в пермско-триасовом водоносном комплексе, определенное по 19 пробам пластовых вод нефтяных месторождений бассейна 50 мг/дм3.

Рис.3. Изменение значений коэффициента Li*1000/Cl относительно хлора в подземных водах пермско-триасового комплекса.

Как видим из рис. 3 в пермско-триасовом комплексе наблюдается увеличение относительной роли лития в подземных водах.

Ни в одной из 120 проб горных пород пермско-триасового комплекса и нерастворимых остатках карбонатных пород литий обнаружен не был. Невозможность обнаружения элемента в пробах пермско-триасового комплекса может объясняться его низким содержанием в породах.

В юрском водоносном комплексе среднее содержание лития 35,1 мг/дм3.

В нижнемеловом водоносном комплексе литий изучался в 153 пробах. Его средняя концентрация 18,9 мг/дм3 и он подчиняется нормальному закону распределения (эксцесс –0,04; асимметрия –0,19). Чем более кислая среда, тем выше в пластовой воде содержание лития (r = -0,71). Это может объясняться результатами экспериментальных работ М.Г. Гуревича и др. (1960) установивших, что наибольшие содержания лития отличаются воды, контактирующие с кристаллическими кислыми породами.

Рис. 4. Изменение коэффициента Li*1000/Cl относительно хлора в подземных водах нижнемелового комплекса

В верхнемеловом водоносном комплексе содержание лития 6 мг/ дм3, что 3,5 раза меньше среднего содержания данного элемента в пластовых водах мезозойских отложений. Литий в данном комплексе не подчиняется нормальному закону распределения (эксцесс 38,7; асимметрия 6,04).

Рис.5. Изменение значений коэффициента Li*1000/Cl относительно хлора в подземных водах верхнемелового комплекса.

С увеличением в составе вод верхнемелового комплекса хлора относительная роль лития уменьшается.

Соотношение значений коэффициента Li*1000/Cl относительно хлора в подземных водах мезозойских отложений позволяет весь разрез разделить на три комплекса. В пермско-триасовом и юрском значение коэффициента стабильно, либо увеличивается с ростом содержания хлора; в верхнемеловом наблюдается обратная зависимость с увеличением содержания хлора значение коэффициента уменьшается. В нижнемеловом водоносном комплексе представляет смесь двух разных растворов.

В водоносных комплексах Западного Предкавказья, по данным В.Т. Левченко (1999), содержание лития на порядок более низкое.

Литий связан тесными корреляционными связями с другими щелочными металлами (рубидий, цезий, калий) 0,8-0,9 в карбонатных - верхнемеловом и триасовом комплексе и более низкими 0,6-0,8 в терригенных – юрском и нижнемеловом. Значимая корреляционная связь лития с натрием (0,73) наблюдается только в нижнемеловом комплексе. Наблюдаемое явление можно связать с тем, что в карбонатных коллекторах существует один главный фактор, который приводит к накоплению щелочных элементов в них, а терригенных несколько, которые в разной степени привносят разные щелочные элементы в состав подземных вод.

Одинаково высокими корреляционными связями (0,7-0,8) в разных водоносных комплексах литий связан со стронцием. Это может объясняться едиными источниками поступления элементов в подземные воды.

А.П. Виноградов (1967) объясняет накопление лития в подземных водах тем, что при усыхании моря, испарении воды соли лития (вместе с солями бора и брома) остаются в рапе. Эта морская рапа, богатая литием (бором, бромом), может быть источником обогащения им подземных вод. Т.Ф. Бойко (1966), Л.С. Балашов и др. (1977), А.М. Никаноров и др. (1983), Ю.А. Федоров (1999) считают, что в накоплении лития в подземных водах участвуют процессы сгущения морской воды, выщелачивания лития из пород и литиевых минералов, поступление лития в процессе литогенеза осадков, ионообменные процессы. М.К. Курбанов (2001) установил постепенное увеличение концентрации лития, рубидия и цезия к югу от Прикумской области и максимальной концентрации (лития до 200 – 210 мг/дм3 ) они достигают в приразломной зоне на северном борту Терско-Сулакского прогиба, отделяющего его от эпигерцинской платформы.

Ю.П. Гирин и др. (1986) изучали распределение редких и рассеянных элементов в осадках ранне-среднелейасового бассейна Кавказской геосинклинали. Ими высказывается точка зрения, что литий накапливается в глинистых минералах в континентальных условиях при выветривании в процессе стадийного превращения минералов путем его наследования и концентрации из кристаллических решеток трансформируемых минералов.

Н.А. Солодов, Л.С. Балашов и А.А. Кременецкий (1980) установили, что различное относительное накапливание лития в пластовых водах артезианских бассейнов обусловлено тем, что рубидий и цезий гораздо легче (благодаря большим размерам своих ионов) сорбируются глинистыми минералами, тогда как литий не обладает такой способностью и вынужден оставаться в рассолах, что за период геологической истории, и приводит к его обогащению в рассолах.

Ф.К. Султанов (1986) провел изучение распространения щелочных металлов в подземных водах и горных породах Прикумской зоны. Он установил, что содержание щелочных металлов в глинах, аргиллитах и алевролитах близко или больше кларковых значений для земной коры, а в песчаниках и известняках – намного ниже, кроме пермских песчаников. Высокие содержания этих элементов объясняется циркуляцией глубинных флюидных растворов.

Показателен анализ поведения коэффициента Li*1000/Cl в подземных водах Восточно-Предкавказской нефтегазоносной области, представленный на гистограмме (рис. 6).

Рис. 6. Распределениекоэффициента Li*1000/Cl:

1. в морских водах; 2 - в подземных водах верхнемелового отдела; 3 – в подземных водах нижнего мела; 4 - в подземных водах юрских отложений; 5 - в подземных водах пермско-триасовых отложений

Подземные воды мезозойских отложений Восточно-Предкавказской нефтегазоносной области обогащены литием более чем в 1100 раз по сравнению с морскими водами.

Г.И. Арсанова (1974) изучила геохимию редких щелочных элементов в районах активного вулканизма и доказала, что редкие щелочи не выщелочены из пород и наиболее вероятно их магматическое происхождение. В седиментационном процессе по ее данным накапливается только литий. Интересные результаты дает изучение соотношения Li:Rb:Cs (Li=100), предложенного этим автором. В водах мезозойских отложений Восточно-Предкавказской нефтегазоносной области оно составляет 100:2,5:1 и очень близко таковому термальных вод Средне-Паратунского участка Паратунского гидротермального месторождения Камчатки – 100:3,1:1,7 (Арсанова, 1974); рассолам Челекена – 100:3:0,15 (Лебедев, Никитина, 1968).

Рассолы с аномальными концентрациями металлов на Челекене (Дворов, 1975) локализованы вдоль глубокозаложенных разломов и оперяющих сбросов, зоны дробления которых, будучи активными дренами термальных вод, длительное время кольматировались минеральными новообразованиями. Это соотношение резко отличается от пород 100:333:20 (Бойко, 1964), морских вод – 100:105:0,16 (Виноградов, 1967); речных вод 100:130:3 (Арсанова, 1974). Также как и от конденсатов кратерных фумарол Авачинского вулкана – 100:1450:800 (Арсанова, 1974), но близко искусственным термальным водам с Южно-Абинской станции газификации углей 100:4,5:0,04 (Арсанова, 1974).

У.И. Звиададзе (1985) в результате проведения лабораторных опытов не подтвердил возможности поступления лития из нефти. По его данным источником лития в подземных водах являются вмещающие породы и данный элемент не перспективен в качестве показателя нефтегазоносности.

К числу признаков, способствующих накоплению в пластовых водах лития, Коттон и Уилкинсон (1969) относят литийорганические соединения, обладающие свойствами типичных ковалентных соединений – растворимостью в углеводородах. На повышенное содержание лития в пластовых водах нефтяных месторождений указывали Ногути Кимио и Морисаки Сигэёси (1971), А. Коллинз (1975, 1978). Литий в качестве гидрогеохимического критерия нефтегазоносности предлагает использовать Т.П. Сиван (1988), выявившая повышенные содержания данного элемента в подземных водах вокруг залежей газа и газоконденсата. А.Н. Резниковым, В.С. Назаренко, Е.А. Стельмашовой (1999) установлено резкое обогащение литием пластовых рассолов газоконденсатных залежей. Например, в Прикумской нефтегазоносной области, в рассолах нефтяных скоплений и непродуктивных структур содержится лития от 10 до 65 мг/дм3, а в пластовых растворах газоконденсатных скоплений лития от 60 до 180 мг/дм3.

Уайт и др.(1975) доказывают, что поскольку концентрация лития в магматогенных водах связана с вулканическими процессами, то увеличение содержания лития в подземных водах глубокого залегания может произойти по этой причине. Подтверждением этому, в частности, служит изучение содержания лития в брекчии грязевых вулканов, где концентрация элемента в 2-6 раз больше, по сравнению с коренными породами палеогенового возраста (Сиван, 1988).

Содержание лития, определенное в отдельных пробах средне и верхнекаменноугольных отложений Северо-Донбасского нефтегазоносного района (Назаренко, 2001), варьирует от 3 до 5 мг/дм3 и не представляет промышленного интереса.

Подземные воды Восточно-Предкавказской нефтегазоносной области в нижнемеловом, юрском, пермско-триасовом комплексах содержат литий в количествах, представляющих промышленный интерес. В настоящее время установлено, что промышленное значение могут представлять концентрации лития более 10 мг/дм3 (Бондаренко и др., 1988).

По мнению А.А. Рабиновича, В.И. Попкова, Н.И. Михайленко и В.П. Паламаря (1985) в формировании емкости в низкопроницаемом разрезе доюрских образований особое значение имеют процессы выщелачивания, связанные с гидротермальной деятельностью.

Таким образом, в водах мезозойских отложений Восточно-Предкавказской нефтегазоносной области выявлены следующие закономерности в распределении лития.

С глубиной и возрастом водовмещающих пород происходит увеличение содержания лития в пластовых водах. Причем, если от нижнемелового к пермско-триасовому комплексу происходит плавное нарастание его концентрации, то верхнемеловой водоносный комплекс выделяется резко сниженным содержанием элемента.

Высокие концентрации щелочных металлов указывают на активную гидротермальную деятельность, наличие тектонических нарушений, зон с повышенными коллекторскими свойствами. Наибольшие концентрации щелочных металлов приурочены к выходам гранитных батолитов в фундаменте плит (Медведев, 1985; Рабинович, Попков, Михайленко и Паламарь,1985). По данным А.А. Кременецкого, Л.К. Самодурова (1979), В.А. Макрыгиной (1981), С.А. Медведева (1987) при температурах 600- 6500С редкие щелочные металлы переходят в подвижное состояние и выносятся из пород. С.И. Набоко (1980) на основании рассмотрения вопросов металлоносности термальных вод, минеральных осадков и метасоматитов областей активного вулканизма в основном на примере Камчатки установила, что редкие щелочи не переходят из породы в растворы.

Не выявлено прямой связи нефтегазоносности и концентрации лития. Однако, данные по содержанию рассматриваемого элемента необходимо использовать для выявления современных тектонических нарушений, что важно в связи с широко проводимыми в настоящее время работами по оценке нефтегазоносности палеозойских отложений Скифской плиты, поскольку они являются прямыми показателями современной тектонической активности земной коры.

Литература

1.  Арсанова Г.И. Редкие щелочи в термальных водах вулканических областей. – Новосибирск: Наука, 1974. – 105 с.

2.  Басков Е.А., Суриков С.Н. Гидротермы Земли. – Л.: Недра, 1989. – 245 с.

3.  Бойко Т.Ф. Распределение редких элементов в галогенных отложениях. – Доклады АН СССР. – 1966. - № 3. – с. 457-460.

4.  Бондаренко С.С., Лубенский Л.А., Куликов Г.В. Геолого-экономическая оценка месторождений подземных промышленных вод.- М.: Недра, 1988. – 203 с.

5.  Быховский Л.З., Линде Т.П., Петрова Н.В. Перспективы освоения и развития минерально-сырьевой базы лития.- Минеральные ресурсы России.- 1997.- № 6. – С. 8-13.

6.  Виноградов А.П. Введение в геохимию океана. – М.: Наука, 1967. – 215 с.

7.  Гольдберг Е.Д. Геохимия моря //Геохимия литогенеза. – М., 1963. – С. 51-57.

8.  Дворов В.И. Термальные воды Челекена и геохимические особенности их формирования. М.: Наука, 1975.- 180 с.

9.  Кременецкий А.А., Линде Т.П., Юшко Н.А., Шадерман Ф.И. Минеральное сырье. Литий //Справочник.- М.: ЗАО «Геоинформмарк», 1999. – 49 с.

10.Курбанов М.К. Геотермальные и гидротермальные ресурсы Восточного Кавказа и Предкавказья. – М.: Наука, 2001. – 260 с.

11.Левченко В.Т. Гидрогеологические аспекты изучения нефтегазоносных комплексов Западного Предкавказья. //Нефтегазовая геология на рубеже веков. Прогноз, поиски, разведка и освоение месторождений. Т.2.- Стратиграфия, общая геология, региональный прогноз.- Санкт-Петербург: ВНИГРИ. – 1999. – С. 405-409.

12.Медведев С.А. Особенности гидрохимической зональности доюрского разреза эпигерцинских плит юга СССР /Методы исследований в гидрогеологии. – М.: ВСЕГИНГЕО. – Деп. в ВИНИТИ, 1987. - № 4072-В87. – С. 12-21.

13.Методические рекомендации по геохимической оценке и картированию подземных редкометальных вод /Л.С. Балашов, М.С. Галицын, Н.В. Ефремочкин. – М.:ВСЕГИНГЕО. – 1977. – 87 с.

14.Набоко С.И. Металлоносность современных гидротерм в областях тектономагматической активности. – М.:Наука, 1980. – 199 с.

15.Назаренко В.С. Гидрогеология и перспективы нефтегазоносности южных районов России. – Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ. – 2001.- 310 с.

16.Никаноров А.М., Тарасов М.Г., Федоров Ю.А. Гидрохимия и формирование подземных вод и рассолов. – Л.: Гидрометеоиздат. – 1983. – 243 с.

17.Редкие и рассеянные элементы в осадках ранне-среднелейасового бассейна Кавказской геосинклинали /Гирин Ю.П., Кривицкий В.А., Седых Э.М., Нижегородцева И.В..- Геохимия, 1986. - № 7. – С. 965-977.

18.Резников А.Н., Назаренко В.С., Стельмашова Е.А. Хронобаротермический анализ накопления лития в водах и рассолах зоны катагенеза.- Международный симпозиум по прикладной геохимии стран СНГ. – (29-31.10.1997), Москва.- Тез. Докл.- Москав.- 1997. – С. 224-225.

19.Сиван Т.П. Литий в подземных водах и поровых растворах Крыма и Причерноморья и его нефтегазопоисковое значение.- Рук. Деп. в ВИНИТИ.- № 5222-В88.- Львов, 1988. – 20 с.

20.Солодов Н.А., Балашов Л.С., Кременецкий А.А. Геохимия лития, рубидия и цезия. – М.: Недра, 1980. – 233 с.

21.Султанов Ф.К. Распоространение подземных редкометальных вод в Прикумской зоне //Пути ускорения научно-технического прогресса в использовании глубинного тепла Земли. – Махачкала. – 1986. – С. 10-11.

22.Федоров Ю.А. Стабильные изотопы и эволюция гидросферы. – М.: Истина. – 1999. – 366 с.

23.Collins A. Gene. Geochemistry of oil field waters. Amsterdam c.a., Elsevier Sci. Publ. Co, 1975. - 496 p.

24.Collins A. Gene. Geochemistry of anomalous in oil-field brines. Circ. Okla Geol. Surv.- 1978. N 79.- P. 95-98.

Авторы: 

Тематические разделы: