Изотопы кислорода и водорода природных вод СССР

Распределение концентрации дейтерия и кислорода-18 по слоям и вдоль ледника Алибек (рис. 17) показывает, что во всех случаях наблюдаются параллельность в изменении содержания изотопов водорода и кислорода и направленность их к экстремальным значениям. Последние при стремлении к меньшим значениям отражают преимущественно «изотопы зимы», при стремлении к большим -- «изотопы лета». Идентичность также обнаруживается по слоям для обеих стенок. При удалении от трещины вдоль ледника концентрация тяжелых изотопов уменьшается. В исследуемых образцах ледника Алибек средневзвешенные значения D= -88 и = -12,6‰, близки к изотопному составу воды р. Алибечки (D = -91, = - 13‰), которая в этих местах берет свое начало.

Интересно, что средневзвешенное значение для ледника Алибек всего лишь на 0,3‰ выше, чем найденное В. Амбачем и др. [Ambach W. е. а., 1968 г.] для Альпийского ледника за период с 1961 по 1962 г. Гипотетическая оценка среднего изотопного состава ледника хорошо согласуется с наблюденными экспериментальными данными.

Значения D и для большинства точек удовлетворительно коррелируют в координатах (рис. 17) с тангенсом угла наклона, близким к 8, свидетельствуя, что конденсация осадков происходила преимущественно в равновесных условиях. Разумеется, наиболее интересные результаты с использованием стабильных изотопов при изучении ледников можно получить в тех случаях, когда температуры отрицательны и аккумуляция снега идет систематически без разрушения снегового покрова

НАЛЕДИ

Изотопически новым объектом, ранее не изучавшимся, являются так называемые наледи. Наледи -- это природный феномен северных широт и зоны многолетней мерзлоты, распространенный на территории СССР в районах Северной и Восточной Сибири. В последнее время в связи с интенсивными работами по строительству шоссейных и железных дорог в этих районах изучению наледей придается особое значение. Недооценка этого явления, как показывает практика, приводит к значительным ущербам в народном хозяйстве.

Образование наледей (ледяных полей) происходит при устойчивых отрицательных температурах и выходе на поверхность отжатых промерзанием ннфильтрационных вод данной водонапорной системы.

Результаты изучения наледей и источников их питания, а так же образцов ископаемых льдов, в том числе и ледника Хейса (арх. Северная Земля), представленные в табл. 16, показывают, что в обеих исследуемых пробах наледей - района среднего течения р. Туруг-Гол (МНР) и источника Аршан-Энгорбойского (юг Восточной Сибири) - установлены более высокие концентрации дейтерия (-62 и -89‰ соответственно) и кислорода-18 (-7,5 и -13,2‰), чем в подземных водах, их образовавших (-84 и -98‰ по D и -12,9 и -14,2‰ по ).

Таблица 16

Содержание дейтерия и кислорода-18 в наледях и источниках их питания, ископаемом льде Сибири и леднике Хейса,Северная Земля

Примечание. Образцы 1-5 из коллекции Е. В. Пиннекера, 6,7 из коллекции Н. Сойфера

Более высокие значения D и в наледях объясняются фракционированием изотопов в процессе частичного испарения воды и при образования льда.

Ископаемый лед из Восточной Сибири, тающии в обнажении, имеет очень низкие значения D (-204‰) и (-26,1‰). Они значительно ниже, чем в леднике Хейса на Северной Земле (-17,4, -13,9‰), но несколько выше, чем в твердых осадках, выпадающих в районах Восточной Сибири и Дальнего Востока, где минимальные значения в зимнее время еще ниже.

Что касается происхождения воды источников, питающих наледи, то по данным изотопного и химического [Ветштейн В.Е. и др.,1973 г.; Пиннекер Е. В. и др., 1976 г.] составов их следует отнести к талым метеоинфильтрогенным водам, прошедшим цикл погружения, обогащения компонентами химического, газового и органического составов и отжатия из коллекторов за счет их промерзания. Некоторое обогащение изотопами источника в бассейне р. Туруг-Гол обусловлено, видимо, широтным эффектом и большой площадью водосбора метеорных вод.

ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ. ЗОНА АКТИВНОГО ВОДООБМЕНА (МЕТЕОИНФИЛЬТРОГЕННЫЕ ВОДЫ)

Атмосферные осадки, как известно, являются основным источником питания грунтовых и артезианских вод зоны активного водообмена. Выпадая на поверхность и проникая в фильтрационно-проницаемые породы, они формируют метеоинфильтрогенные воды.

При проникновении метеоинфильтрогенных вод в подземные условия можно ожидать фракционирования изотопов вследствие различных процессов: транспирации растениями, обмена с породами и смешения с ранее заполненной ими водой иного происхождения, испарения из почвы, движения через поровое-пространство и т. д.

Для верхней зоны гидрогеологического разреза массоперенос является главным образом функцией гравитационных сил с преимущественно прямой гидравлической связью подземных вод с поверхностными.Скорость движения молекул воды обусловлена физико-химическими свойствами пород, - условиями, характером поверхности и т. п.

В настоящее время сведения о распределении изотопов в метеоинфильтрогенных водах начинают широко применяться для решения различных задач гидрологии и гидрогеологии, в частности вопросов водоснабжения крупных населенных пунктов и промышленных центров, мелиорации и т. п. Здесь они могут быть использованы для установления источников питания отдельных водоносных горизонтов и их взаимосвязи между собой и с поверхностью, для определения площади водосбора и т. п. В этой связи изучение распределения изотопов водорода и кислорода в метеоинфильтрогенных водах зоны активного водообмена носит не только важный теоретический интерес, но и не менее значимый -- прикладной. Обзор работ в этом направлении дан в «Справочном руководстве по применению ядерных методов в гидрогеологии» [1971 г.]. трудах всесоюзных и международных симпозиумов и конференций, а также в других изданиях.

Поведение изотопов в процессе движения инфильтрационных вод исследовалось нами путем отбора проб из разных водопритоков верхней части гидрогеологического разреза европейской и азиатской частей территории СССР.

содержание дейтерия и кислорода-18 в исследуемых водах изменяется от -136 до -42 и от -18,9 до - 6,7‰ соответственно. Распределение изотопов водорода и кислорода в 34 образцах метеоинфильтрогенных вод (19 из европейской части, интервал опробования 0-208 м, минерализация 0,16-2,60 г/л и 15 из азиатской части, интервал опробования 0-83 м, минерализация 0,19-126 г/л) позволяет выявить следующие общие закономерности, свойственные этому типу вод.

Воды европейской части по исследуемым группам водопритоков, так же как и атмосферные осадки, речные и озерные воды, несколько обогащены тяжелыми изотопами водорода и кислорода по сравнению с водами азиатской части. Для обеих частей в пределах одного участка заметно обогащение вод легкими изотопами в ряду колодцы - родники - скважины, хотя в целом практически все они имеют взаимоперекрывающиеся значения. Определенной закономерности между изотопным составом вод и минерализацией даже в пределах одного района не отмечается. На рис.18 в координатах D и все точки, за редким исключением вод Средней Азии, ложатся вблизи прямой Крейга, что доказывает их преимущественно метеогенную природу. С другой стороны, полученный фактический материал для обеих исследуемых частей территории СССР показывает, что фракционирование изотопов, во всяком случае до отметок 250-430 м, за счет изотопно-обменных и других процессов практически отсутствует. Это означает, что состав вмещающих пород, газов и других компонентов не влияет заметно на содержание изотопов и косвенно указывает на относительно быструю сменяемость вод. Минерализация вод, изменяющаяся в широком интервале значений (от 0,16 до 126 г/л), в основном контролируется составом вмещающих пород и взаимосвязью вод между отдельными горизонтами. Наиболее низкие значения и наблюдаются в воде из самоизливающейся скважины курорта Усть-Кут, юг Сибирской платформы (-136 и -18,9‰ соответственно). Несмотря на относительно высокую минерализацию (126 г/л), эту воду по изотопным данным следует отнести к метеоинфильтрогенной.

Максимальные значения и установлены в водах, вскрытых скважинами в четвертичных и палеогеновых отложениях вблизи деревень Цикуны и Хомлеч, расположенных в пределах субширотных разломов в районе Брестской и Оршанской впадин. Можно полагать, что повышенная концентрация изотопов в этих водах и = ) обязана, с одной стороны, притоку нижележащих вод по зонам разломов с более высокими значениями и , частично вытеснивших инфильтрационные воды и смешавшихся при этом с ними. Метеорные воды этого района должны были бы удовлетворять уровню значений, близкому к уровню значений этих величин вод г.Тетерева Киевской области (-70‰ по и -10,7‰ по ) или быть еще ниже вследствие влияния широтного эффекта. С другой стороны, с проникновением метеоинфильтрогенных вод в более глубокие горизонты степень изотопного обогащения в верхних слоях и сезонные вариации будут сглаживаться по экспоненциальному закону [Rosler Н. I., 1967 г. и др.]. При этом к интегральной части кривой будут тяготеть метеогенные воды осеннего, зимнего и весеннего формирования, преобладающие количественно и обедненные тяжелыми изотопами. Именно этим обстоятельством, видимо, можно объяснить обогащение легкими изотопами вод из скважин и родников относительно колодезных, а также подпиткой их водами снего- и ледотаяния в предгорных районах. Например, для ряда родников Туркменской ССР (родник Гумбулак, Кара-Тепе, Хозраты-Башир, Щурасан) установлены относительно низкие значения и соответственно). Колодезные воды могут обогащаться тяжелыми изотопами за счет испарения влаги из приповерхностного слоя почвы.

Суммарный изотопный эффект в процессе инфильтрации поверхностных вод в глубокие горизонты изучался путем сопоставления данных о распределении изотопов в среднегодовых осадках и поверхностных водах (р. Днепр, оз. Оболонь) с содержанием изотопов в инфильтрационных водах, отобранных в разные периоды и из различных водоносных комплексов (табл. 18). Как из нее следует, подземные воды, отобранные в районе пгт Пуховки (сеноман-келловейский горизонт - 150 и 180 м, байосский - 320 м и пермский - 430 м), пгт Бровары (сеноманский горизонт - 100м и байосский - 320 м) и оз.Оболонь (сеноманский горизонт скв. 120-г), характеризуются изменением от -10,5 до -11,2‰. Эти значения близки к среднему содержанию кислорода-18 в атмосферных осадках (- 10,7‰).

Изотопный состав воды из скважины, вскрывшей аллювиально-бучакский горизонт в районе Оболони ( = - 8,8‰), близок к содержанию кислорода-18 в воде р. Днепра (-9,0‰) и близлежащего оз.Оболонь (-8,7 -8,0‰). Полученные данные могут свидетельствовать о питании аллювиально-бучакского водоносного комплекса водами р. Днепра. Мергельно-меловая толща туронских отложений в районе Оболони является частично проницаемой для вод р. Днепра, о чем свидетельствует промежуточное значение изотопного состава ( = - 9,5‰).

Результаты изотопных определений показывают, что отклонение значений в подземных водах от среднегодового его содержания в атмосферных осадках не превышает 0,5‰. На этом основании можно сделать заключение о хорошей промытости исследуемой части разреза и соответственно об отсутствии заметных изменений в изотопном составе воды в процессе инфильтрации.

ЗОНА ЗАМЕДЛЕННОГО И ВЕСЬМА ЗАМЕДЛЕННОГО ВОДООБМЕНА

Глубокие подземные воды включают в себя воды как гравитационные (свободные), заполняющие поровое и микропоровое пространство между твердыми частицами, так и физически и химически связанные, захваченные осадочными горными породами вследствие различных физико-химических процессов и соответствующих - условий.

Целью изотопно-геохимических исследований подземных вод зоны замедленного и весьма замедленного водообмена, так же как и вод зоны активного водообмена, является главным образом установление условий формирования, происхождения и динамики водообмена. Прикладная сторона вопроса связывается с выяснением возможностей использования изотопных показателей для решения различных практических задач в первую очередь в области нефтегазо-промысловой и рудной геологии, гидрогеологии, галогенеза и т. п.

Артезианские нефтегазоносные бассейны СССР

Большинство нефтяных и газовых месторождений приурочены к артезианским бассейнам. Поэтому пластовые воды нефтегазовых залежей являются составными частями общей, как правило, водонапорной системы бассейнов.

Развитие в СССР исследований в области изотопии глубоких подземных вод с использованием методов прецизионной масс-спектрометрии начато с середины 60-х годов. Они стимулировались, с одной стороны, интенсификацией работ по глубинному поисково-разведочному бурению на нефть и газ и возможностью отбора представительных образцов подземных флюидов из различных этажей гидрогеологического разреза, с другой - развитием аппаратурных и методических разработок, осуществленных в 1966 г. в ИФХ АН УССР и ВСЕГИНГЕО, а несколько позднее (1974 г.) и во Всесоюзном научно-исследовательском институте ядерной геофизики и геохимии (ВНИИЯГГ). Вместе с тем следует отдать должное пионерским работам, выполненным по изотопам водорода плотностным методом И.В.Гринбергом и М.Е.Петриковской и фотонейтронным методом под руководством В.Н.Сойфера, в значительной мере вызвавших интерес к данной проблеме.

Систематическое изучение изотопного состава водорода и кислорода проведено нами в подземных водах по разрезу и по площади ряда артезианских нефтегазоносных бассейнов (НГБ) СССР: Припятского, Днепровско-Донецкого, Каракумского, Волго-Уральского, Терско-Каспийского, Западно-Туркменского, Западно-Сибирского и Ангаро-Ленского. Перечисленные бассейны наиболее типичны и разносторонне изучены лучше других. Различные аспекты изотопно-геохимического метода рассмотрены нами на примере первых четырех бассейнов. Данные по остальным бассейнам используются для выяснения механизма поведения изотопов в процессе формирования изотопного состава глубоких подземных флюидов осадочных артезианских бассейнов. Одновременно с исследованием подземных вод НГБ в качестве сравнительной характеристики изучались локальные поверхностные водотоки и подземные воды различного происхождения зоны активного водообмена. В данной работе схема районирования НГБ согласуется с принятой для территории СССР А.М.Серегиным, Б.А.Соколовым и др.[57].

Припятский НГБ

В геологическом разрезе Припятского НГБ с одноименным субширотного простирания прогибом выделяются кристаллический фундамент и толща осадочных пород от протерозойского до четвертичного возраста включительно. Глубина залегания кристаллического фундамента в пределах впадины колеблется от 500 до 5500 - 6000 м. Длина прогиба 300, ширина 100 - 120 км. Пространственно бассейн расположен в западной части Русской плиты Восточно-Европейской древней платформы между Белорусско-Мазурским выступом фундамента на севере и Украинским кристаллическим щитом на юге. От Днепровско-Донецкой впадины он отделен Брагинским выступом. Территориально бассейн расположен в административных границах ряда областей Белорусской ССР.

Бассейн выполнен мощной (свыше 5 км) толщей осадочных пород девонского, каменноугольного и отчасти пермского, мезозойского и кайнозойского возраста. Локально установлено присутствие более древних образований.

В осадочных отложениях прогиба распространены подземные воды различного состава и генезиса - от пресных метеоинфильтрогенного происхождения до крепких насыщенных рассолов, вопросы формирования которых остаются дискуссионными [Трачук В.Г.,1970 г.: Панов В.В.,1970 г.]. Изучение природы этих рассолов имеет важное значение не только для теории и практики галогенеза, но и для нефтепромысловой геологии, поскольку тесно связано с оценкой перспектив нефтегазоносности данной территории.

Несмотря на относительно небольшие размеры (~35-40 тыс. км2) и сравнительно недавнее открытие нефтеносности (Речицкое, Осташковичское месторождения, 1964 г.), расположение бассейна вблизи трансевропейского нефтепровода «Дружба» и высокое качество добываемой нефти позволяют отнести его к числу НГБ страны, имеющих важное народнохозяйственное значение.

Изотопно-геохимическими исследованиями, выполненными в соавторстве с В.Г.Артемчуком, П.Г.Альтшулером и др. [11,12,39], охвачено более 35 разведочных площадей и локальных структур, схема расположения которых на территории Припятского прогиба представлена на рис. 19.

Содержание дейтерия в исследуемых 106 образцах подземных вод в целом по разрезу и по площади бассейна изменяется от -95 до +2, кислорода-18 - от -12,7 до +4,9‰, минерализация -- от 169 до 421 г/л, r(Na/Cl) - от 0,05 до 1,27, CI/Br - от 11 до 690, Ra* - от 7 до 2500 усл. ед(концентрация радия определялась Р.П.Готтих)

Гидрогеологический разрез Припятского прогиба до глубин 4000 - 5000 м подразделяется на три части: надсолевую (водоносные комплексы надсолевого девона, карбона, перми, нижнего триаса и мезозоя - кайнозоя), межсолевую (водоносный комплекс задонско-елецких отложений верхнего девона) и подсолевую (водоносные комплексы верхне-, среднедевонских и верхнепротерозойских отложений). Основные промышленные скопления нефти приурочены к трещиноватым кавернозным карбонатным коллекторам межсолевых (задонско-елецких) и подсолевых (воронежских и семилукско-бурегских) отложений, расположенных преимущественно в северной тектонической зоне, где в настоящее время ведется промышленная добыча нефти более чем на 20 месторождениях [57 и др.]. Наиболее выдержанными водоупорами являются две соленосные толщи девона (соль I и соль II) мощностью до 1000 м и более каждая.

В верхней части разреза (до глубин 200-300 м) повсеместно распространены гидрокарбонатно-кальциевые (натриевые) пресные воды. Они сменяются солеными водами и слабыми рассолами преимущественно хлоридно-натриевого состава, прослеживающимися на глубину 1000 - 1500 м до верхней соленосной толщи. Содержание дейтерия в этих водах составляет от -95 до -75, кислорода-18 - от -12,7 до - 10,5‰. Ниже этой толщи в межсолевых карбонатных (интервал опробования от 1180 до 4195 м) и подсолевых карбонатных и терригенных (840 - 4544 м) породах девона распространены крепкие и весьма крепкие рассолы хлоридного кальциево-натриевого или натриево-кальциевого состава. Они характеризуются повышенными содержаниями тяжелых изотопов и радия, высокой концентрацией солей, относительно низкими значениями гидрохимических показателей и высокими содержаниями микрокомпонентов (иода до 100, брома до 6500, аммония до 1000 мг/л).

В рассолах межсолевых отложений интервал распределения изменяется от -60 до +2, - от - 7,9 до +4,9‰, минерализация-от 273 до 377 г/л, r(Na/Cl) - от 0,38 до 0,88, Сl/Вг - от 64 до 242, Ra - от 136 до 2500 усл. ед. В рассолах подсолевых отложений девона значения колеблются от -72 до -10, - от -11,4 до +3,5‰, минерализация - от 102 до 420,8 г/л, r(Na/Cl) - от 0,05 до 0,90, Сl/Вг - от 11,3 до 641, Ra - от 36 до 1400 усл. ед.

Генезис вод и условия их формирования. Вопросы происхождения подземных вод Припятского прогиба, условий их формирования и динамики водообмена рассматривались в работах Ф.А.Алексеева, П.Г. Альтшулера, В.А.Богино, Г.В.Богомолова, Я.Г.Грибика, Р.П.Готтих, А.П.Лаврова, А.В.Кудельского. Л.И.Шаповал и других. Практически во всех ранее выполненных исследованиях анализ происхождения вод проводится на основании изучения палеогидрогеологических условий, а также по данным гидрогеохимических, гидротермодинамических, радиохимических и других характеристик вод. В данной работе делается попытка расширить круг аналитических возможностей за счет привлечения изотопно-гидрогеохимических показателей. Впервые вопросы генезиса подземных вод и оценка возможностей использования стабильных изотопов воды для решения задач нефтегазопоисковой геологии и гидрогеологии Припятского прогиба были рассмотрены автором в совместной работе с В.Г.Трачуком и другими в 1973 - 1975 гг. [39 и др.]. Выполненный к настоящему времени значительно больший объем работы и сделанные на этом основании обобщения позволяют по новому рассмотреть некоторые теоретические вопросы, связанные с природой подземных флюидов, а также проанализировать результаты изотопных определений в свете использования их для оценки перспектив нефтегазоносности как в целом по региону, так и в плане локальных структур.

Таблица 19

Изотопные и другие характеристики подземных и поверхностных вод Припятского НГБ

Примечание. В скобках указаны средние значения и

На глубинах свыше 2500 м, с которыми связаны рассолы с минерализацией более 300 г/л, отношения D/H и 18О/16О в основном соответствуют изотопной характеристике океанических и морских вод.

Расчеты доли участия седиментационных и инфильтрационных вод в смеси показывают, что наиболее гидрогеологически закрытой является северо-восточная часть впадины, где содержание метеоинфильтрогенных вод не превышает 6-20%. Внедрение их могло происходить, вероятно, непосредственно в бассейн седиментации до формирования верхнесоленосной водоупорной толщи. В пределах центральной и южной частей впадины отмечается также слабое разбавление седиментационных вод. Доля участия инфильтрогенных вод не превышает 30-40, хотя в отдельных случаях она достигает 72%.

Изотопный состав подземных вод областей разгрузки, находящихся в юго-восточной и южной частях впадины и приуроченных к эрозионным врезам рек Днепра и Припяти, совпадает с изотопным составом вод межсолевого и подсолевого комплексов нефтеносных площадей. В составе смеси 51-58% составляют седиментационные воды, что указывает на их большую роль в формировании состава подземных вод антропогеновых и палеоген-неогеновых отложений в этих районах.

Изотопный состав подземных вод рифейско-вендского комплекса Оршанского бассейна изучен пока слабо. Содержание дейтерия в пробах рассолов этого комплекса (минерализация 90-159 г/л), отобранных в погруженной центральной части Оршанской впадины на глубине 840 - 1440 м, изменяется от -74 до -49 и кислорода-18 - от -11,6 до -7,6‰, что свидетельствует об участии в их формировании как седиментационных, так и инфильтрационных вод. При этом наблюдается преобладание доли седиментационных вод, которые составляют до 75% смеси. По имеющимся данным намечается некоторая закономерность увеличения с глубиной доли седиментационных вод от 25 до 50 %, что хорошо прослеживается по результатам анализов проб подземных вод, отобранных из различных горизонтов протерозоя.

Следовательно, изотопный состав водорода и кислорода, а также значения гидрогеохимических показателей рассолов межсолевого и подсолевого комплексов в основном соответствуют диапазону морских и океанических вод. Это обстоятельство подтверждает талассогенную седиментогенную (по А. А. Карцеву) природу рассолов, изотопный состав которых сформировался под воздействием различных природных процессов, среди которых «...определяющими были смешение морских вод с метеорными и испарение, а также обмен между изотопами кислорода воды и вмещающих пород...» [39, с. 1005], и свидетельствует о гидрогеологической закрытости этих отложений на протяжении их геологической истории и благоприятных условиях для образования, накопления и сохранения природных углеводородов.

Существует и другая точка зрения, согласно которой генезис глубокозалегающих подземных вод связывается с внедрением «ювенильных» вод, поступавших из глубинных недр земной коры и. судя по предложенным гипотезам [46, 59 и др.], являющихся носителями различных природных солей и углеводородов.

Предположение о «ювенильном» происхождении подземных рассолов Припятского прогиба с «изотопной» точки зрения является маловероятным по следующим причинам. Во-первых, ни в одном из изученных образцов, отобранных даже из наиболее глубоких горизонтов (например, Малодушинская площадь, скв. 2, 3, 4, 14 и др.[39], интервалы опробования 3942 - 4656 м), содержание дейтерия и кислорода-18 не отвечает гипотетическому изотопному составу «ювенильной» воды. Во-вторых, предположение о «ювенильности» требует объяснения, почему влияние «ювенильности» на изотопный состав не проявляется с глубиной. В частности, в рассолах Давыдовской площади максимальная концентрация кислорода-18 (+4,0‰) отмечается на глубинах 2682 - 2697 м (скв. 9), а с увеличением глубины до 3474 - 3488 м (скв. 2) не только не увеличивается, но и, напротив, уменьшается (- 1,8‰). Аналогичные примеры характерны и для других площадей и бассейнов. В то же время повышенная концентрация кислорода-18 в водах отдельных водоносных комплексов удовлетворительно объясняется с помощью теоретических расчетов и экспериментальных исследований по физико-химическому взаимодействию воды с вмещающими породами (см.гл. II). Следует остановиться еще на одном установленном нами факте, не имеющем пока однозначного объяснения. Дело в том, что в центральной части Припятского прогиба есть ряд площадей (Кустовницкая, Савичская, Бобровичская), где в подсолевых терригенных отложениях пластовые воды обеднены тяжелыми изотопами > (-5 -7)‰ по и > - 50‰ по , а отношение Сl/Вг < 50. Иначе говоря, по гидрогеохимическим показателям эти воды отвечают морским, а по изотопным данным тяготеют либо к метеорным, либо к существенно добавленным морским; месторождения нефти здесь не отмечаются. Наблюдаемое расхождение в показателях может иметь, по нашему мнению, следующие объяснения. Во-первых, исследуемые площади являлись очагами древней инфильтрации с растворителями метеорной природы. Однако возникает вопрос, каким образом эти рассолы сохранили столь высокую минерализацию (>300 г/л) и соответствующий компонентный состав (в частности, Вг>6 г/л). Во-вторых, возможно, что это морские рассолы сгущения, связанные с карналлитовой и бишофитовой стадиями галогенеза, прошедшие стадию инверсии изотопного состава и захоронившиеся без ее стабилизации (см. гл. II). В-третьих, растворитель и растворенное вещество имеют различную природу.

Оценка перспектив нефтегазоносности в региональном плане. Анализ фактического материала по наиболее перспективным на нефть и газ подсолевым и межсолевым водоносным комплексам показывает, что пластовые воды, сопутствующие нефтяным залежам, отличаются аномально высокими содержанием дейтерия (> - 35‰), кислорода-18 (> -0,5‰) и значениями гидрогеохимических показателей нефтеносности. Воды непродуктивных площадей имеют близкие по значению содержания изотопов водорода и кислорода для межсолевого и подсолевого комплексов ( = -35 -50, = -3,55,0‰), которые можно принять за фоновые.

Статистическая обработка полученных экспериментальных данных по 35 наиболее изученным разведочным площадям позволила определить закономерности распределения и в подземных водах продуктивных и фоновых структур для различных стратиграфических горизонтов и сопоставить их (табл. 20).

Таблица 20

Распределение дейтерия и кислорода-18 в водах фоновых и продуктивных структур Припятского прогиба

Примечание. В скобках указаны средние значения и

Интервалы распределения изотопов водорода и кислорода в водах продуктивных структур даже в региональном плане существенно отличаются от фоновых, хотя в некоторых случаях их нижние значения перекрываются. Отсюда следует, на наш взгляд, важный практический вывод, что изотопно-гидрогеохимические показатели, полученные в региональном плане, в сочетании с дифференцированным «стратиграфическим» картированием распределения изотопов в пределах разведочных площадей и локальных структур могут быть эффективно использованы при прогнозировании перспективных территорий на нефть и газ.

Различие между содержаниями изотопов водорода и кислорода (табл. 20) особенно заметно по средневзвешенным значениям. Если для фоновых структур меж- и подсолевых комплексов они составляют -56 и -48‰ по , - 8,5 и -5,1‰ по , то для продуктивных структур этих же отложений они отвечают -24 и -22‰ по и -1,0 и +0,2‰ по. При этом обращает на себя внимание опережающее обогащение вод кислородом-18 в несколько раз относительно изотопов водорода.

Разумеется, приведенные интервалы распределения изотопов водорода и кислорода в водах фоновых и продуктивных структур по мере накопления данных в целом по региону и по отдельным площадям будут уточняться, а методика прогнозирования совершенствоваться. Однако уже в настоящее время они находят практическое применение в работе производственных организаций как при диагностике природы вод и их состава, так и при оценке перспектив нефтегазоносности. Для производственных целей особенно интересен верхний предел значений и , который при сопоставлении с табличными данными и содержанием изотопов в водах из разных пунктов и горизонтов конкретного участка данного региона сразу дает информацию о степени его перспективности.

Следует отметить, что сходные условия формирования пластовых вод и залежей природных углеводородов имеют, видимо, широкое распространение. Поэтому следует рекомендовать проведение рекогносцировочных изотопно-гидрогеохимических съемок по предложенной схеме (табл. 20) на территории других бассейнов.

В настоящее время подобного рода систематическое исследование проводится нами совместно с производственными организациями объединения «Полтавнефтегазгеология» МГ УССР в пределах территории Днепровско-Донецкой впадины.

Оценка перспектив нефтегазоносности локальных структур. Такая оценка по изотопно-гидрогеохимическнм показателям впервые проводилась нами на примере изучения распределения дейтерия и кислорода-18 в водах зоны ВНК ряда нефтяных месторождений Припятского и Западно-Сибирского НГБ [12, 17]. Выбор именно этих НГБ не случайный. Припятский бассейн к настоящему времени изотопически изучен, если судить по литературным данным, лучше других НГБ СССР, а возможно, и в мире. Он также хорошо исследован геологически, тектонически, гидрогеологически, гидрогеохимически, гидротермодинамически и радиационно-химически. Здесь проводили серьезные исследования по изучению природы рассолов и солей М.Г.Валяшко, А.И.Поливанова и другие. Западно-Сибирский НГБ, расположенный в азиатской части СССР, интересен в том отношении, что имеет иное геологическое строение и характеризуется существенно отличающимися изотопным, химическим, газовым и микрокомпонентным составами вод. В табл. 21 представлены результаты изотопных определений, а также сведения об интервалах опробования, возрасте вмещающих пород и т. д. Для сравнения приведены данные об интервалах распределения и в локальных метеоинфильтрогенных и водах нормального фона для соответствующих водоносных комплексов. В пределах Припятского НГБ изучались воды девонских межсолевых задонско-елецких (Сосновская площадь) и подсолевых семилукско-бурегских и воронежских (Давыдовская, Мармовичская площади) отложений, расположенные в северо-восточной части бассейна [50]; Западно-Сибирского - воды мезозойско-кайиозойских верхне- и нижнемеловых отложений Советского нефтяного месторождения, расположенного на юго-востоке Тюменской и северо-западе Томской областей (Соснинская, Советская площади) [17]. Водовмещающие породы осадочного чехла Припятского прогиба представлены преимущественно карбонатными отложениями и весьма незначительно терригенными; Советского нефтяного месторождения - чередованием разнозернистых песчаников с прослоями аргиллитов и алевролитов и глинистыми отложениями с прослоями алевролитов и песчаников.

Анализ полученных материалов позволяет выявить особенности формирования изотопного состава контурных вод, свойственных каждому из изученных нефтяных месторождений, а также установить общие для них закономерности. Так, воды зоны ВНК Припятского прогиба имеют изотопный состав водорода и кислорода, близкий к SMOW. Значения в них колеблются от -36 до -18, - от -3,8 до +4,9‰; минерализация составляет 343,5 - 420,8 г/л.

Таблица 21

Изменение и в пластовых водах продуктивных структур НГБ в зависимости от расстояния до ВНК[12]

*Значок «+» означает внутри залежи

Нефтяные воды верхне- и нижнемеловых отложений Советского нефтяного месторождения по изотопному и химическому составам существенно отличаются от вод Припятского прогиба и представляют собой «талассо- и седиментогенные воды, сильно разбавленные метеоинфильтрогенными» [Назаров А. Д. и др., 1974 г.]. Величина в них изменяется от -78 до -67, - от -13,5 до -10,2‰, минерализация - от 18,50 до 26,73 г/л. Нижний предел и в пластовых водах исследуемых бассейнов близок к таковому вод нормального фона соответствующих водоносных комплексов, верхний обусловлен, видимо, палеоклиматическими и палеогидрогеологическими условиями, а также внутриконтурной геохимической обстановкой и несколько варьирует в зависимости от природы конкретного нефтяного месторождения.

Следует особо подчеркнуть, что «именно повышенная концентрация тяжелых изотопов и водорода, и кислорода в контурных водах продуктивных структур по отношению к содержанию изотопов в водах нормального фона характеризует застойный режим вод и свидетельствует о благоприятных условиях для образования, накопления и сохранения природных углеводородов и связанных с ними основных месторождений йодо-бромных, йодных и других рассолов промышленного значения» [12].В пластовых водах нефтяных структур (табл. 21) отмечается эффект увеличения концентрации дейтерия и кислорода-18, градиент концентрации которых направлен к ВНК. При этом область геохимического влияния залежи на изотопное поле достигает 1,5 - 2 км. Аналогичным распределением характеризуется и радий в водах зоны ВНК как нефтяных месторождений Припятского прогиба, так и других бассейнов [54], который в последнее время также используется в качестве одного из показателей нефтегазоносности .Характер распределения содержания дейтерия, кислорода-18, радия и аммония в водах продуктивных структур Припятского прогиба таков, что особенно интенсивное количественное возрастание их относительно ВНК происходит начиная примерно с 700 м. В целом для нефтяных месторождений Припятского прогиба, приуроченных к девонским подсолевым и межсолевым отложениям, между концентрацией дейтерия и кислорода-18 и расстоянием до ВНК. а также распределением тяжелых изотопов воды, радием и аммонием устанавливается криволинейная связь, описываемая системой квадратичных уравнений. Между величинами и и минерализацией вод, компонентами химического состава (натрий, калий, магний и т. д.), пластовыми - условиями корреляции отсутствуют, хотя в целом для обоих регионов наблюдается тенденция увеличения содержания тяжелых изотопов водорода и кислорода, а также компонентов химического и других составов с глубиной. Статистическая обработка материалов по Припятскому НГБ на ЭВМ Минск-32 [Альтшулер П. Г., Артемчук В. Г., Ветштейн В. Е., 1981 г.] позволила установить зависимость между значениями и и расстоянием L до ВНК, описываемую многочленом второй степени вида:

а) Для межсолевых отложений

(53)

б) для подсолевых отложений

(54)

где и -- коэффициенты корреляции зависимостей - L и - L соответственно; -- количество наблюдений; -- граничные значения коэффициента корреляции при числе наблюдений п, взятые из таблиц распределения Стьюдента с доверительной вероятностью = 0,95. Использование формул (53) и (54) предполагает определение концентрации дейтерия и кислорода-18 в образце пластовой воды из данного горизонта меж- и подсолевых отложений, подстановку полученных значений в формулу и оценку, таким образом, расстояния до залежи. Следовательно, использование изотопно-гидрогеохимических показателей для определения перспектив нефтегазоносности основывается на установлении вышефоновых значений содержания изотопов обоих элементов пластовой воды, а повышение их концентрации указывает на вероятное местоположение залежи.

О механизме поведения изотопов в водах зоны ВНК. Причины наблюдаемых аномальных концентраций изотопов в водах зоны ВНК, рассмотренные в гл. II и III, а также материалы, полученные по Припятскому и Западно-Сибирскому ВГБ, позволяют высказать следующие представления о механизме формирования изотопного состава пластовых вод продуктивных структур, в том числе и зоны ВНК [12].

К ним прежде всего следует отнести особые условия, связанные с закрытостью залежи, и сопутствующие им повышенные значения гидротермодинамического потенциала, длительности пребывания воды в условиях динамического равновесия с вмещающими породами, газами, радиоэлементами и микрокомпонентами. Именно непрерывное взаимодействие природной системы вода -- порода -- газ -- нефть-- растворенное вещество в закрытых условиях создает предпосылки для метаморфизации всего состава залежи, в том числе и изотопного состава воды.

Зависимость в исследуемых водах, представленная на рис. 20 в виде прямых 1-6, по существу, отражает участие ведущих процессов в формировании их изотопного состава. Фигуративные точки, относящиеся к водам Советского нефтяного месторождения (прямая 1), расположены в нижней левой части диаграммы в связи с существенной долей метеогенной составляющей, к водам Припятского прогиба - в верхней правой (прямые 4 - 6), что объясняется преимущественной долей морских вод и изотопно-обменными процессами с карбонатными породами. Общим для них является расположение точек справа от полей «нормального» фона А и Б, т. е. они сдвинуты в сторону увеличения значений и .

Таблица 22

Изотопные и другие характеристики подземных и поверхностных вод Днепровско-Донецкой впадины

Примечание. В скобках указаны средние значения и

Угловые коэффициенты в уравнениях регрессии для контурных вод меньше (), чем для метеорной прямой Крейга (прямая 2) и разбавления океанической воды метеорной (прямая 3). Равные значения тангенса угла наклона (4,2) для Давыдовского и Мармовичского нефтяных месторождений (подсолевые отложения) Припятского прогиба подтверждают, видимо, однообразие палеогеологических условий их формирования, в то время как тангенс угла 0,85 для межсолевых отложений Сосновского месторождения свидетельствует, что здесь эти условия были иными. Однако перечисленными выше факторами или даже их совокупностью невозможно в полной мере объяснить наблюдаемое распределение изотопов водорода и кислорода в водах зоны ВНК. Сам факт закономерного увеличения концентрации изотопов обоих элементов в направлении к ВНК для различных месторождений и регионов позволяет сделать следующие заключения. Во-первых, наблюдаемое явление весьма распространено. Во-вторых, процесс метаморфизации изотопного состава вод происходит и в условиях сформированной залежи углеводородов и в этом смысле является функцией времени. В-третьих, обоюдное изменение содержания дейтерия и кислорода-18 в контурных водах обусловлено не химическими, биологическими и другими процессами, которые, как правило, сопровождаются избирательным фракционированием изотопов одного из элементов, а, вероятнее всего, обязано физическому явлению, которое воздействует на молекулу воды в целом. Последнее более отчетливо видно на примере распределения изотопов водорода и кислорода в водах зоны ВНК Советского нефтяного месторождения, поскольку здесь в меньшей степени сказывается влияние изотопно-обменных равновесий с вмещающей средой. Небольшая дисперсия содержаний дейтерия и кислорода-18 в этих водах ( составляет 11, - 3,3‰) указывает, что в целом формирование их изотопного состава происходит под воздействием одних и тех же процессов метаморфизации. Дисперсия точек для отложений валанжина (=11, = 2,9) несколько больше, чем для аптских (, что явно обусловлено фактором времени. Еще более высокая дисперсия отмечается в водах Припятского прогиба (=18, = 8,7‰), которая объясняется повышенными значениями - условий, составом вмещающих пород, а также значительно большей длительностью контакта с ними. Отсюда приближенно можно оценить средние значения скорости изменения содержания дейтерия и кислорода-18 с расстоянием до ВНК ( для обоих бассейнов. Так, для Советского месторождения она составляет 3,0‰/км по дейтерию и 0,9‰/км по кислороду-18, для межсолевых отложений Припятского прогиба - 3,4 и 2,8, для подсолевых отложений -5,4 и 1,9‰/км соответственно. В формировании изотопного состава вод зоны ВНК в сложных природных условиях взаимодействующей системы важное значение приобретают также такие процессы, ведущие к фракционированию изотопов, как диффузионный, радиационно-химический, адсорбционный, электрохимический и др. Наиболее существенное значение для формирования изотопного состава вод зоны ВНК, на наш взгляд, имеют диффузионный и радиационно-химический. Если участие диффузионного процесса сомнений не вызывает, то подтверждением правомочности радиационно-химического взаимодействия являются корреляционная связь между распределением концентраций дейтерия, кислорода-18 и радия относительно ВНК, закономерность распределения радия по экспоненциальному закону в водах зоны ВНК Восточного Предкавказья и других районах [54], наличие свободного кислорода и водорода в контурных водах нефтегазовых залежей Днепровско-Донецкой впадины и выявленное увеличение концентрации кислорода и радия по мере приближения к ВНК [28].

Особое внимание обращают на себя поведение изотопов кислорода в водах зоны ВНК Припятского прогиба и возможное его значение для нефтегазопромысловой геологии. Как следует из табл. 21, концентрация кислорода-18 увеличивается по мере приближения к ВНК до значений SMOW и даже превышает таковые, что как бы усиливает информацию о застойном режиме вод и в свою очередь характеризует развитость карбонатных коллекторов и их емкостные свойства. Именно геохимические особенности кислорода: высокая его распространенность, склонность к изотопно- обменным реакциям и в итоге более высокий темп интегрального обогащения тяжелыми изотопами - делают его более информативным, чем изотопный состав водорода для бассейнов с преимущественно карбонатными коллекторами.

На современном уровне изученности фракционирования изотопов в процессе формирования глубоких подземных вод трудно количественно оценить роль отдельных процессов, особенно «низких порядков малости». Но то, что они имеют место и их роль для практических целей может быть значимой, не вызывает сомнений. Это видно хотя бы из анализа результатов наших лабораторных и целевых экспериментов, а также из особенностей поведения изотопов при анализе региональных исследований. Представляется, что последующие теоретические исследования и тонкие «чистые» эксперименты позволят уточнить и дифференцированно оценить предложенные здесь механизмы формирования изотопного состава глубоких подземных вод как в региональном плане, так и непосредственно в пределах зоны ВНК.

В заключение следует отметить, что независимо от предложении механизмов формирования изотопного состава пластовых вод, которые могут быть приняты или обсуждаться, установленные закономерности в распределении изотопов представляются нам важными, а практическая значимость обнадеживающей. Прогноз наиболее перспективных разведочных площадей и локальных структур Припятского прогиба, сделанный на их основании, подтвердился открытием ряда нефтяных месторождений.

Днепровско-Донецкий НГБ

Днепровско-Донецкий НГБ (общая площадь -120 тыс. км2) приурочен к одноименной впадине. Он расположен на юго-западной окраине Русской платформы между Воронежским и Украинским кристаллическими массивами докембрийского фундамента и простирается от Припятского прогиба на северо-западе до Донецкого складчатого сооружения на юго-востоке [31, 54, 57 и др.]. В тектоническом отношении бассейн представляет собой часть позднепалеозойской геосинклинали, обособившейся в конце палеозоя в виде самостоятельного прогиба, а орфографически приурочен к долине р. Днепра, протягивающейся с северо-запада на юго-восток и юг между Среднерусской и Приднепровской возвышенностями. В геологическом строении Днепровско-Донецкой впадины принимает участие мощная толща (до 10-12 км) палеозойских, мезозойских и кайнозойских осадков, которая значительно сокращается в окраинных и бортовых частях впадины.

В пределах впадины по всему вскрытому разрезу осадочных образований (от палеозоя до кайнозоя включительно) выявлена система водоносных горизонтов, водоносных комплексов и разделяющих их относительно водоупорных толщ -- пачек слабопроницаемых пород. Водоносные горизонты содержат как пресные, так и минерализованные воды. Водовмещающими породами служат в основном песчаники, пески, алевролиты и трещиноватые известняки, а относительными водоупорами - глины, аргиллиты, каменная соль и карбонатные породы.

Наличие мощных региональных выдержанных водоупоров юрского, триасового и позднепермского возраста, а также выклинивание на бортах впадины осадочного комплекса пород и его резкое опускание по зонам региональных разломов препятствовали и препятствуют созданию зон опреснения в нижних гидрогеохимических зонах и проникновению пресных инфильтрационных вод в центральную, более погруженную часть впадины. Такая обстановка способствовала длительному пребыванию подземных вод в толще осадочных пород в условиях надежной изоляции от факторов поверхностного воздействия, т. е. благоприятствовала формированию вод хлоркальциевого типа в пределах Центрального грабена в зонах затрудненного и весьма затрудненного водообмена. Изотопный состав водорода и кислорода в подземных водах Днепровско-Доненкого бассейна исследовался нами совместно с Л. К Гуцало и другими по разрезу осадочной толщи в интервале глубин от 100 до 4390 м на нефтяных, нефтегазовых и газоконденсатных месторождениях из продуктивных и непродуктивных горизонтов и на разведочных площадях [43 и др.]. В целом, хотя в известной мере и выборочно, изучением охвачена вся территория бассейна (рис. 21). Распределение изотопов кислорода и водорода в подземных водах отдельных водоносных комплексов и в целом по бассейну, а также сведения об интервалах опробования, пластовой температуре и минерализации, соотношении величин в водах различных водоносных комплексов, коэффициентах корреляции и доле метеоинфильтрационной составляющей представлены в табл. 22. Для сравнения в нее включены данные о содержании дейтерия и кислорода-18 в поверхностных, метеоинфильтрогенных и метеорных водах региона. Верхний предел содержания изотопов в исследуемых образцах подземных вод ( = -4, = +1,1‰) отвечает современным океаническим и морским водам, нижний ( = -84, = -11,1‰) - локальным метеоинфильтрогенным водам. Изотопный состав поверхностных (речных) вод соответствует средним значениям: = -70, = -9,7‰.

Среди нефтегазоносных бассейнов Днепровско-Донецкая впадина занимает значительное место как по прогнозным и разведанным запасам, так и по добыче нефти и газа. Поэтому здесь уже сейчас сосредоточено более 2/3 объема поисково-разведочных работ по УССР и дальнейшие перспективы развития нефтегазодобывающей промышленности республики связываются именно с этим регионом [Витенко В. А. и др., 1971 г.]. Характерной особенностью нефтегазоносности бассейна является связь большинства месторождений с куполовидными платформенными поднятиями или с поднятиями, осложненными соляной тектоникой. Многие месторождения (Шебелинское, Зачепиловское, Качановское) многопластовые (15 - 20 пластов и более). Основная тенденция в постановке геологоразведочных работ на нефть и газ на рассматриваемой территории в последние годы заключается в росте глубины поисков, которая привела к открытию ряда залежей, особенно газовых и газоконденсатных. Обсуждаются также проблемы поиска углеводородов в девонском комплексе отложений в соответствии с установленными притоками нефти в одновозрастных отложениях в рядом расположенном Припятском НГБ.