Изотопы кислорода и водорода природных вод СССР

Западно-Туркменская низменность, являясь восточной частью Южно-Каспийской внутригеосинклинальной впадины, выполнена мощной толщей неогеновых и современных осадков, общая мощность которых превышает 10 км. Наиболее широко распространены здесь терригенные отложения красноцветной толщи среднего плиоцена, представленные чередованием мощных пачек морских и континентальных песчано-глиннстых отложений - мелкозернистых песков и песчаников, алевролитов, известковистых глин. Красноцветная толща подразделяется на верхнюю и нижнюю. Нижняя часть сложена глинами, чередующимися с песчано-алевролитовыми образованиями, в верхней части значительно возрастает роль песчано-алевролитовых пород.

Рассмотрение полученных данных показывает, что маломинерализованные воды нефтяных месторождений Западно-Туркменской низменности, так же как и п-ова Челекен из отложений верхнего и нижнего красноцвета и других, имеют в основном изотопный состав водорода и кислорода, отвечающий современным морским и океаническим водам. Диапазон распределения значений лежит в интервале от -56 до -5, - от -7,2 до+2,2‰ и вполне соответствует таковому изотопного состава высокоминерализованных рассолов (250-400 г/л) других бассейнов эвапоритового морского генезиса (Припятский, Каракумский, Ангаро-Ленский и др.). В координатах (см. рис. 32) значительная часть точек тяготеет к прямой разбавления среднеокеанической воды метеорной, меньшая часть точек сдвинута вправо от значения SMOW и аппроксимируется в пределах прямой регрессии с тангенсом угла наклона ~5. Заметного положительного сдвига в содержании кислорода-18 в пластовых водах различных нефтяных месторождений Западно-Туркменской впадины и п-ова Челекен, в том числе и в водах других водотоков, с учетом высоких значений в глинистых минералах коры выветривания и в океанических осадках и коэффициента фракционирования [89] не отмечается. То же самое относится к изотопам водорода. Резкого обеднения дейтерием, которое в глинистых минералах океанических осадков варьирует от -87 до -55‰, а в минералах коры с выветривания от -126 до -37‰, при коэффициенте [89] также не обнаружено. Между тем высокая конспирация тяжелых изотопов водорода и кислорода в водах указывает, что они, с одной стороны, не имели связи с дневной поверхностью, т. е. являются застойными, хорошо изолированными седиментогенными водами преимущественно морского генезиса. Водоносные комплексы с подобным изотопным составом пластовых вод Припятского и других НГБ рассматриваются как перспективные и весьма перспективные на нефть и газ. С другой стороны, заключение о закрытости пластовых вод говорит в пользу того, что внедряемые «возрожденные» воды должны были бы фиксироваться, как уже отмечалось, более высокими значениями и низкими относительно «исходных» вод. Из числа исследуемых образцов два имеют аномальный состав. Первый образец воды взят с площади Камышлджа, скв. 54 (нижний красноцвет, интервал опробования 2970-2975 м). По изотопному составу водорода и минерализации (25,5 г/л) можно было бы допустить, что заметную роль в ее формировании принимали «возрожденные» воды. Однако на диаграмме изотопный состав этой воды ложится почти на прямую разбавления океанической воды метеорной без изотопного водородно-кислородного сдвига. Поэтому определенный вывод по ней сделать трудно.

Второй образец представляет собой воду из грязевого вулкана Кипящий Бугор с «экзотическим» изотопным составом: и минерализацией 32 г/л. Близкий изотопный состав имеет сильнокислый конденсат фумарольного газа из кратера вулкана Авача (), генезис которых связывается нами с вулканическими газами, смешанными с грунтовыми водами атмосферного питания, причем преимущественно снеготаяния [37]. Трудно допустить, чтобы основным источником питания грязевого вулкана была вода поверхностных водотоков с изотопным составом (согласно расчету), нехарактерным для данного района, и количеством осадков, которое невелико. Поэтому нельзя исключить, что в данном случае наблюдается разгрузка по зонам тектонических нарушений смеси глубокозалегающих пластовых седиментогенных вод с «возрожденными» и небольшой долей поверхностных вод. Во всех остальных случаях и характеризуются значениями, годными для других глубокозалегающих седиментогенных вод с карбонатными и силикатными вмещающими породами и высокой минерализацией воды.

Расхождение в теоретически предсказываемом поведении изотопов воды с фактически получаемыми значениями на примере Западно-Туркменской впадины, по нашему мнению, можно объяснить следующими причинами. Во-первых, образование «возрожденной» воды в процессе дегидратации не проходит в «чистом» виде. По всей вероятности, если даже допустить, что он является определяющим в формировании маломинерализованных вод, фракционирования изотопов можно ожидать также за счет диффузионного, термодиффузионного и адсорбционного процессов, изотопных эффектов на заряженных глинистых мембранах и других с менее значительным разделяющим эффектом. Вероятно, совокупность процессов будет стремиться к уравниванию и в пределах некоторых средних значений. Во-вторых, целевой отбор проб в процессе разведочного бурения на нефть и газ мог не совпасть во времени и в пространстве с возникновением и разгрузкой «возрожденных» вод, а взятые образцы были «снивелированы» в процессе миграции вод. В-третьих, не исключается, что количественное соотношение «возрожденная» - «исходная» пластовая вода было в пользу последней. Видимо, лишь дальнейшие целенаправленные исследования позволят разрешить эту проблему

Сравнительное изучение подземных вод некоторых артезианских бассейнов СССР

Наряду с выявлением закономерностей распределения изотопов водорода и кислорода в подземных и поверхностных водах Припятского, Днепровско-Донецкого, Каракумского и Волго- Уральского НГБ несомненный интерес представляет проведение сравнительного анализа по изотопным и другим показателям этих четырех бассейнов с дополнением их материалами по другим изучавшимся нами бассейнам и водонапорным системам (ВНС): Терско-Каспийскому, Западно-Туркменскому, Ангаро-Ленскому, Западно-Сибирскому, Сочи-Адлерскому и п-ову Челекен. Исследованиями были охвачены бассейны различного возраста и тектонического строения, рассмотрены основные водоносные комплексы практически во всем стратиграфическом интервале вмещающих пород от неогеновых до верхнепротерозойских и выявлены распространенность изотопов в водах и поведение их в пределах каждого комплекса.

Результаты изучения распределения изотопного состава водорода и кислорода, минерализации и температуры в подземных и поверхностных водах перечисленных артезианских бассейнов и ВНС (табл. 27) показывают, что каждый бассейн отличается свойственной только ему индивидуальностью изотопных показателей (концентрацией и интервалом распределения изотопов водорода и кислорода в водах, соотношением и соответственно тангенсом угла наклона прямой регрессии, долей седиментогенной составляющей), а также содержанием ионно-солевого состава и распределением температуры.

Вместе с тем в пределах отдельных бассейнов и водоносных комплексов отмечаются близкие характеристики изотопных и гидрогеохимических показателей, свидетельствующие о сходных условиях их формирования. Эти особенности еще более отчетливо проявляются на диаграммах в виде соотношений , величин , и стратиграфическим разрезом, глубиной, минерализацией и температурой.

Зависимость в координатах для серии прямых 1 - 9, представляющих изотопные характеристики рассматриваемой группы бассейнов, графически изображена на рис. 27. Расположение прямых 1-9 на фоне диаграммы-треугольника ABC наглядно указывает на местонахождение данной прямой в его пределах. Вершинами А, В и С треугольника служат усредненные значения и в основных генетических типах природных вод: океанической, метеорной и «ювенильной» (соответственно; см. гл. II). Прямые 1-9 практически всех ВНС тяготеют преимущественно к прямой II, характеризующей смешение океанической воды с метеорной, или к «метеорной» прямой I и располагаются веерообразно к ней под разными небольшими углами. Исключение составляют воды Западно-Сибирского НГБ, включающие высокую долю метеоинфильтрогенной составляющей (50-70 %). Линия 7 практически параллельна линии 1.

Таким образом, на примере ряда осадочных бассейнов СССР видно, что ведущим процессом формирования глубоких подземных вод является смешение океанических (морских) вод с метеорными (прямая II). Некоторое несовпадение линий 1-9 с прямой АВ и отклонение от нее являются следствием более сложной эволюции их изотопного состава (см. гл. II). Однако совокупность накладывающихся факторов в целом не затушевывает исходный облик вод и сохраняет их основные генетические характеристики. Как видно из рис. 27, ни в одном случае не отмечается совпадения прямых или даже их параллельности прямой III - смешение «ювенильной» (магматической) воды с океанической - или прямой IV - смешение метеорной воды с «ювенильной» (магматической) . ,

Анализ полученных материалов позволяет выявить следующие наиболее общие закономерности распространенности изотопов водорода и кислорода и других показателей в подземных водах изученных НГБ [Ветштейн В. Е. и др., 1978 г.]. Так, по площади и разрезу рассматриваемых территорий диапазон распределения дейтерия и кислорода-18 практически охватывает все их значения в природных водах - от современных океанических и морских до метеорных . Минерализация. вод 0,1-620 г/л, температура 4,4-116. Можно полагать, что выявленный широкий интервал изменения изотопных, химических и температурных показателей и соответствующие закономерности в пределах изученных бассейнов подобным образом будут характеризовать и другие сходные артезианские бассейны СССР. Наиболее низкие значения и () выявлены в приповерхностных и в пластовых водах верхне- и нижнемеловых отложений Западно-Сибирского бассейна (от -87 до -67 и от -14,6 до -10,2‰), высокие - в водах меловых и юрских отложений Каракумского НГБ (от -87 до -3 и от -13,6 до +6,2 ‰).

изотопный состав вода водород кислород

Таблица 27

Сравнение подземных вод некоторых артезианских бассейнов СССР по изотопам и другим характеристикам

Между величинами и в водах отдельных водоносных комплексов и в пределах регионов отмечается взаимосвязь, описываемая системой линейных уравнений с достаточно высокими значениями коэффициентов корреляции (0,51--0,99; табл. 27). Здесь также наблюдаются вариации в значениях тангенсов углов наклонов от 2,2 до 8,6 и значениях свободного члена от -33,5 до +25,4.Следует стремиться к использованию значений показателей и в соотношении как перспективных для раскрытия генетических характеристик вод и условий их формирования. Разумеется, степень информативности будет снижаться по мере усложнения системы (например, от пластовых вод отдельного водоносного комплекса до вод отдельных регионов). Это и понятно, поскольку изотопные сдвиги за счет накладывающихся других процессов все в большей мере будут затушевывать фактическое соотношение изотопов водорода и кислорода в исходной захороненной воде. Вместе с тем, как было показано выше, в региональном плане в основном определяется изотопный состав с соответствующей «памятью» о ведущих процессах. Например, подземные воды морского генезиса, подвергшиеся испарению и изотопно-кислородному обмену, будут характеризоваться повышенной концентрацией изотопов водорода и кислорода с соответствующим сдвигом относительно прямой разбавления океанических вод метеорными, определенными значениями коэффициентов и в уравнении регрессии и высоким содержанием седиментогенной доставляющей (Припятский, Каракумский, Терско-Каспийский и другие НГБ, см. табл 19, 22-24). Существенно разбавленные морские воды метеоинфильтрогенными [молодыми и (или) древними] и слабометаморфизованные по изотопному составу будут отличаться относительно низким содержанием тяжелых изотопов малым вкладом седиментационных вод, коэффициентом а,стремящимся к значениям 7-8 (Западно-Сибирский и др.). Бассейны с промежуточными показателями характеризуются сложными условиями формирования с участием таких процессов, как смешение вод, испарение, изотопно-обменных, растворение, «мембранный» эффект и т. д. (Днепровско-Донецкий, Волго-Уральский, Западно-Туркменский, Ангаро-Ленский, Сочи-Адлерский). На основании всего изложенного можно сделать заключение, что изотопный состав подземных вод осадочных бассейнов в основном сохраняет следы процессов, обусловивших сдвиги в их изотопном содержании, а наблюдаемые направленность и сдвиг определяются разделяющей способностью ведущих факторов. При этом изотопный состав водорода, ввиду относительно низкого кларкового содержания водородсодержащих соединений, в значительно меньшей степени подвержен метаморфизация в процессе движения воды в пластовых условиях. Иначе говоря, отношение D/H как бы более надежно сохраняет информацию об исходной природе воды и условиях ее формирования, особенно в таких случаях, когда речь идет, например, о захороненных иловых водах древнего морского седиментационного бассейна, перекрытого мощными региональными водоупорами и т. д. Поведение изотопов кислорода иное. Нахождение воды в пластовых условиях способствует изотопно-обменным равновесиям, поскольку имеют место повышенная температура, высокая концентрация кислородсодержащих соединений, как правило, выше кларковой, и высокое содержание тяжелых изотопов кислорода в осадочных вмещающих породах (от +6 до +26‰). Поэтому при постоянном и длительном контакте с ними молекулы воды обогащаются тяжелыми изотопами, а вмещающие породы и растворенные вещества обедняются, хотя равновесие в системе вода - порода даже за геологическое время может не установиться. Данное свойство изотопов кислорода воды, по существу, является критерием застойности пластовых вод или в более общем случае, как отмечается в работе [32], показателем «глубинности» подземных вод.

Вместе с тем, несмотря на некоторые различия в поведении изотопов водорода и кислорода, при выяснении их природы и эволюции формирования необходимо проводить совместное изотопное водородно-кислородное изучение подземных вод. Оно существенно дополняет и усиливает поэлементную информацию и дает возможность более разносторонней трактовки данных. Разумеется, интерпретация материалов становится обстоятельней, они дополняются данными по геологии, гидрогеологии, гидрохимии, тектонике региона и т. п.

В пределах изученных бассейнов подземные воды нефтяных месторождений зон замедленного и весьма замедленного водообмена, как правило, характеризуются повышенными значениями концентраций дейтерия и кислорода-18 по сравнению с водами поверхностного формирования. Контурные и внутриконтурные воды нефтегазовых залежей в свою очередь несколько обогащены тяжелыми изотопами водорода и кислорода относительно вод приконтурных и «нормального» фона. Отношение D/H и 18О/16О в этих водах в большинстве НГБ отвечает изотопному составу океанических и морских вод, что позволяет считать их ископаемыми метаморфизованными водами первичного морского генезиса.

Вычисленные значения вклада ннфильтрационной составляющей в талассогенные седиментационные воды различных водоносных комплексов и в целом по бассейнам, приведенные в табл. 19, 22-24, 27, показывают, что они могут колебаться от 0 до 100%. При вычислении вклада метеоинфильтрогенных вод за эталон сравнения принимались изотопный состав современных метеорных вод данного бассейна и средняя проба воды океанов. Минимальные значения ннфильтрационной составляющей приурочены преимущественно к минерализованным водам повышенной концентрации и отмечаются, как правило, в контурных водах залежей нефти и газа. Обнаруженное явление может быть объяснено большей степенью закрытости контура залежей за геологическое время их существования и соответственно меньшей вероятностью разбавления седиментогенных талассогенных вод метеоинфильтрогенными. Это позволяет проводить систематическую оценку по изотопным данным доли седиментогенной составляющей относительно уровня и для подземных вод регионального «нормального» фона и использовать найденные характеристики в качестве одного из показателей перспектив нефтегазоносности разведочных площадей и локальных структур.

Анализ распределения дейтерия и кислорода-18 в водах изученных осадочных бассейнов по стратиграфическому разрезу (табл. 28, рис. 28) показал, что для наиболее молодых четвертично-палеогеновых отложений всех бассейнов характерны низкие концентрации дейтерия и кислорода-18, обусловленные метеоинфильтрогенной природой этих вод. К ним же примыкают и одновозрастные меловые отложения, за исключением меловых Западно-Сибирского и Каракумского бассейнов, где эти значения резко занижены и соответственно расширена общая амплитуда колебаний изотопов. В целом (рис. 28) наблюдается отчетливая зависимость изменения содержания изотопов водорода и кислорода по стратиграфическому разрезу. Так, начиная с юры, карбона, перми и отчасти триаса исследованные образцы обогащены дейтерием и кислородом-18. Юрские отложения Каракумского бассейна и девонские меж- и подсолевые отложения Припятского прогиба и Волгоградского Поволжья характеризуются наиболее высокими значениями . В то же время отложения девонского возраста Днепровско-Донецкой впадины обеднены изотопами водорода и кислорода, что может быть объяснено притоком древних инфильтрационных вод, «приходящихся на периоды континентальных перерывов» [54, с. 216]. Кембрийские отложения Ангаро-Ленского бассейна имеют близкие значения и к девонским, но несколько обеднены тяжелыми изотопами.

Таблица 28

Распределение дейтерия и кислорода-18 в подземных водах из отложений разного возраста и состава артезианских бассейнов СССР

Если в общем судить о распространенности изотопов в подземных водах исследуемых НГБ по стратиграфическому разрезу, то здесь четко определились две тенденции: низкие концентрации тяжелых изотопов в образцах вод верхней части разреза и более высокое их содержание с различными вариациями в нижней, отражающими палеогеографические и палеогидрогеологические условия прошлых эпох. Их границы согласуются с процессами трансгрессии и регрессии моря, преобразованиями в животном и растительном мире и находятся в тесной взаимосвязи с изменением изотопов водорода, углерода, серы и стронция растворенного вещества.

По гидрогеологическому разрезу устанавливаются различные закономерности поведения изотопов водорода и кислорода с глубиной Н, в общих чертах сходные для большинства изученных бассейнов (рис. 29). Здесь также отчетливо проявляются два момента.

Для верхней части разреза устанавливается прямая корреляционная связь с высокими коэффициентами корреляции между величинами , и ростом глубины.

Для нижней части разреза в зонах замедленного и весьма замедленного водообмена характерно либо отсутствие связи изменения с глубиной, либо наблюдается слабое увеличение ее концентрации с ростом глубины. Что касается соотношения , то оно характеризуется либо случайным распределением, либо четкой зависимостью увеличения с глубиной, особенно в бассейнах, выполненных карбонатными или силикатными породами. В последнем случае концентрация кислорода-18 может быть весьма высокой, например для вод юрских отложений Каракумского бассейна и приближаться к содержанию изотопов кислорода в магматической («ювенильной») воде. Такое же явление наблюдается в водах Припятского прогиба [39] и других бассейнов. При этом содержание дейтерия в водах также может принимать значения, близкие к теоретическому изотопному составу «ювенильной» воды.

Поэтому для решения вопроса о происхождении глубоких подземных вод осадочных бассейнов, особенно в районах с повышенной сейсмической активностью, необходимо детально анализировать выявленные изотопно-кислородные аномалии с привлечением данных о составе вмещающих пород, пластовой температуре, химическом составе воды, а также сведения о тектонической обстановке, изотопном составе гелия, аргона, углерода и т.д. Только такой комплексный подход с установлением соответствующих коррелятивных связей при подобных сложных природных обстановках позволит наиболее надежно определить генезис подземных вод и условия их формирования.

Зависимость между изменением изотопного состава водорода и кислорода и минерализацией (рис. 30) для верхней части гидрогеологического разреза выражается в закономерном увеличении и с ростом минерализации и в принципе сходна с установленной зависимостью распределения изотопов по глубине. Соотношения и для верхних частей разрезов большинства бассейнов описываются системой линейных уравнении с достаточно высокими коэффициентами корреляции. Они же дают указание, что эти воды формируются за счет смешения поверхностных метеоинфильтрогенных вод с нижележащими высокоминерализованными вследствие отжатия последних при геостатическом уплотнении осадков.

Соотношения и наряду с зависимостями , и и другими успешно могут использоваться как для выяснения региональных гидроизотопных зональностей, так и для определения доли инфильтрационной составляющей в каждой заданной части разреза. Эти и другие возможности корреляционных связей анализировались нами выше при рассмотрении гидроизотопной зональности на примере Каракумского бассейна (см. гл. III).

Распределение значений (рис. 30) с изменением минерализации для глубокозалегающих подземных вод носит в основном случайный характер, что свидетельствует об отсутствии в большинстве бассейнов закономерного изменения содержания дейтерия с глубиной, т. е. проявления заметных изотопно-водородных сдвигов при взаимодействии воды со вмещающей средой. В некоторых бассейнах наблюдается слабая тенденция изменения содержания изотопов водорода с минерализацией вод. Характер этой зависимости по и , в частности для Ангаро-Ленского бассейна, показывает, что смешение вод, видимо, происходило дважды. Первый раз при минерализации вод 250-400 г/л и второй - при -100 г/л. Такое смешение, как следует из зависимостей , , , (см. рис. 29, 30), видимо, представляет случай, когда отжимаемые глубинные высокоминерализованные рассолы, смешиваясь с метеоинфильтрогенными водами, пропорционально изменяют содержание изотопов и ионно-солевой состав. Какие-либо другие процессы трудно предположить, если учесть столь разительные пропорциональные сдвиги в изотопном и химическом составах вод в региональном плане.

Рассмотрение зависимости изотопного состава воды от температурного градиента (рис. 31) показывает, что эта взаимосвязь во многих случаях является чувствительным индикатором процессов, происходящих в земной коре при взаимодействии молекул воды с вмещающей средой. В частности, для подземных вод, отобранных из водоносных комплексов с вмещающими карбонатными породами (Припятский, Каракумский и другие бассейны), четко устанавливается увеличение градиента концентрации кислорода-18 с повышением температуры. Вычисленное значение средней скорости изменения концентрации кислорода-18 от температуры для различных бассейнов и водоносных комплексов разное. Так, коэффициент для Каракумского бассейна составляет 0,2, для отложений Днепровско-Донецкого - 0,1‰/. Фракционирование изотопов кислорода здесь связано с изотопно- обменными реакциями. Для этих же отложений зависимость между изотопным составом водорода и температурой отмечается слабее.

Анализ зависимостей и с изменением минерализации, глубины и температуры позволяет выявить в общем случае еще одну интересную закономерность. На рис. 29, 30 определена частота встречаемости концентрации изотопов водорода в водах зоны замедленного и весьма замедленного водообмена. Статистическая обработка полученных результатов по , и для Припятского, Днепровско-Донецкого, Каракумского, Волго-Уральского, Терско-Каспийского, Западно-Туркменского и Ангаро-Ленского бассейнов показывает, что максимальные значения встречаемости для них соответствуют распределению дейтерия в современных морских (океанических) водах, т. е. отвечают интервалу изменения от -25 до -35‰. Величина имеет большую амплитуду колебаний, относительно более высокие значения н существенно смещена в сторону значений SMOW и даже превышает их. Наибольшая плотность значений встречаемости для составляет Таким образом, проведенное исследование со всей убедительностью доказывает, что глубокие подземные воды осадочных артезианских бассейнов являются унаследованными преимущественно морскими водами, захороненными в иловых отложениях древнего седиментационного бассейна морского генезиса. Значения в этих водах теоретически должны составлять , что также отвечает изотопному составу современных морскнх вод.

Отклонения от установленных интервалов в большую или меньшую сторону обусловлены, видимо, региональными (смешение воды и т. д.) и физико-химическими особенностями формирования изотопного и ионно-солевого состава вод.

Современные термальные металлоносные растворы п-ова Челекен

Одним из интереснейших объектов исследования сегодняшнего дня является Челекенская гидротермальная система, одна из трех современных металлоносных систем мира (помимо оз. Солтон-Си и Красного моря) рассольного типа. Результаты многолетних разносторонних исследований по этому региону представлены в ряде статей и монографий и в известной мере обобщены в книге В М. Лебедева «Современные рудообразующие гидротермы» [1975 г.]. Изотопный состав водорода и кислорода этих уникальных растворов изучен автором совместно с Л. К. Гуцало и Л. М. Лебедевым впервые [30].

Цель данной работы состояла в выяснении происхождения и условий формирования металлоносных термальных высокоминерализованных рассолов п-ова Челекен, приуроченных к отложениям наиболее водообильной верхней части красноцветной толщи среднего плиоцена, представленной песками, песчаниками и глинами. Рассолы вскрыты на глубинах от 200 до 1500 м, относятся к хлоркальциевому типу (по В. А. Сулину) и характеризуются высокой степенью минерализации (до 250-280 г/л) и метаморфизации Температура рассолов изменяется от 50 до 80 на устье скважин, достигая 97-100 в водоносных горизонтах. В составе водорастворенных газов преобладают углеводороды, водород и азот.

Содержание тяжелых металлов в рассолах колеблется, мг/л: РЬ от 0,1 до 200; Сu от 0,05 до 15; Zn от 0,1 до 9,0; Cd от 0,01 до 8,5; Ti до 3; As до 1. Кроме того, в рассолах отмечаются повышенные количества Sr, Ва, В и заметные Мо. Предполагается [Бугельский Ю. Ю., 1974 г.], что источниками металлов являются воды не красноцветной толщи, а более глубоких водоносных горизонтов в зонах глубинных разломов - Главного Челекенского Сброса и Алигул-Картепинского разлома. На изотопный состав исследованы металлоносные термальные рассолы п-ова Челекен, полученные в интервале глубин 870 - 1370 м и отобранные на устье скважин при 70-80(табл.29). Значения рассолов изменяются от -31 до -41, - от -2,1 до -3,5‰. Выявленные значения и для металлоносных терм п-ова Челекен близки к таковым, установленным [32] для современных высокоминерализованных (до 300-315 г/л) рассолов залива Кара-Богаз-Гол -- продуктов сгущения воды Каспийского моря. Изотопный состав рассматриваемых металлоносных терм п-ова Челекен формально неплохо ложится и на экспериментальную прямую солнечного упаривания вод Черного моря и оз. Сасык-Сиваш, описываемую уравнением [34]. Однако характер изменения изотопного и химического составов металлоносных рассолов и вод нефтяных залежей п-ова Челекен плохо увязывается с экспериментальными данными хода процесса упаривания. Поэтому нет оснований считать эти рассолы простыми продуктами солнечного упаривания морских захороненных вод.

Установленный изотопный состав современных рудообразующих гидротерм Челекена не характерен ни для одного из известных основных генетических типов природных вод в чистом виде - океанических (морских) или метеорных (рис. 32). Эти рассолы по изотопному составу являются более легкими по сравнению со всеми другими исследованными водами Челекенской структуры - водами красноцветов нефтяных залежей и водами грязевых вулканов (табл. 29). По изотопному составу металлоносные рассолы не похожи также на нефтяные воды красноцветных отложений и воды грязевых вулканов из других районов Западно-Туркменской впадины (табл. 29, рис. 32). Поэтому по данным изотопного состава высокоминерализованные металлоносные термальные рассолы п-ова Челекен нельзя считать водами собственно красноцветных отложений, как это предполагают некоторые исследователи [Дворов В. И., 1975 г.].

Металлоносные термальные рассолы п-ова Челекен трудно получить и в процессе изотопного смешивания установленных типов вод. Вклад современных метеорных вод в формирование изотопного состава металлоносных терм практически исключен ввиду малого количества метеорных вод. Существенные отличия в изотопном составе (рис. 32) не позволяют судить и об участии магматических («ювенильных») вод в формировании металлоносных гидротерм п-ова Челекен. Однако нельзя отвергать возможность их участия в небольших количествах (теоретически до 25%).

Таблица 29

Изотопный состав водорода и кислорода природных вод п-ова Челекен[30]

Подземные воды отложении верхнего и нижнего красноцвета (рис. 32, табл. 29), вскрытые на площадях п-ова Челекен в широком интервале глубин (от 700 до 4720 м), обычно характеризуются содержанием солей от 16 до 35 г/л, значениями от -6 до -28 и от 0,0 до +4,4‰. Изотопный состав водорода этих вод соответствует таковому морских вод, но изотопный состав кислорода утяжелен, по-видимому, в результате обменных процессов. Поэтому нет оснований предполагать участие их в формировании изотопного состава металлоносных гидротерм п-ова Челекен. Указанные изотопные данные могут свидетельствовать о том. что на части территории Западно-Туркменской впадины осадки нижнего и верхнего красноцвета отлагались, вероятно, в морском бассейне с изотопным составом и соленостью, превышающими таковые современного Каспийского моря [32].

Данные изотопного анализа (табл. 29, рис. 32) дают также возможность сделать вывод, что грязевые вулканы п-ова Челекен (озера Розовый и Западный Порсугель) выносят воды не из красноцветных отложений, а из нижезалегающих толщ. По изотопному составу воды этих вулканов близки к водам современного Каспия, для которого значения составляют -23-25‰, но по химическому составу существенно отличаются от него. Поэтому воды упомянутых грязевых вулканов наиболее близки по изотопному составу к водам металлоносных гидротерм. Однако в связи с низкой степенью минерализации, незначительным содержанием тяжелых металлов и относительно невысокой температурой (50-60) маловероятно (но не исключено), что воды грязевых вулканов принимают участие в формировании рудообразующих терм п-ова Челекен.

По имеющимся данным (табл. 29) для п-ова Челекен и Западно-Туркменской впадины в целом наблюдается общая тенденция к облегчению изотопного состава водорода и кислорода подземных вод отложений красноцвета с увеличением их минерализации от 16 до 283 г/л.

В металлоносных рассолах Челекена возрастание концентрации CI- (от 160 до 176 г/л), N+ (от 70 до 77 г/л) Са2+(от 23 до 25 г/л) и Mg2+ (от 3,8 до 4,6 г/л) сопровождается снижением от -31 до -41 и от -2,6 до 3,5‰. С повышением рН рассолов и концентрации в них SiO2 значения и увеличиваются. Обнаружена тенденция к утяжелению изотопного состава рассолов с увеличением их температуры и концентрации тяжелых металлов.

Установленная зависимость и от изменения концентрации CI, Na, Са, Mg, SiО2 и температуры свидетельствует о том, что исследуемые металлоносные рассолы являются смесями. Это естественно, если принять во внимание, что их формирование связано с тепломассопереносом по разломам, где в качестве металло- и теплоносителя выступает вода. Доказательством этому служит приуроченность рассолов с аномальными концентрациями тяжелых металлов к зонам тектонических нарушений и геотермических аномалий [Лебедев Л. М., 1975 г.]. Из нижних горизонтов неизвестного геологического возраста по системе разломов (по Главному Челекенскому и Алигул-Куртепинскому сбросам) происходит разгрузка в верхнюю красноцветную толщу термальных (~70-100), обогащенных тяжелыми металлами рассолов, изотопически более тяжелых, но с несколько меньшими концентрациями хлора (~ 140-150 г/л), нежели в водах верхнекрасно- цветных осадков в приразломной зоне (180-200 г/л). Попадая по разломам в пласты, поступающие рассолы смешиваются с водами верхней красноцветной толщи. Судя по превышениям температуры металлоносных терм над фоновыми и степени минерализации рудообразующих рассолов, доля привносимых по разломам в верхнюю красноцветную толщу металлсодержащих вод, а также степень их минерализации должны быть довольно значительными. Гипотеза о привносе в малом количестве сильнонагретых низкоминерализованных металлоносных вод менее приемлема и правдоподобна.

По данным изотопного состава водорода и кислорода для формирования термальных металлсодержащих рассолов-смесей п-ова Челекен исходными по генезису служат, вероятно, захороненные морские воды, метаморфизованные по солевому составу. Однако специфика формирования их изотопного состава, высокая степень насыщения солями и обогащения тяжелыми металлами, а также источник тяжелых металлов - предмет будущих исследований.

Включения в кварцах, натриевых метасоматитах, каменных и калийных солях

В процессе образования кристаллов или в тех случаях, когда они подвергаются перекристаллизации с участием каких-либо флюидов, на границе дефектов структуры захватываются различные газовые и жидкие частицы вмещающего состава. Законсервированные таким образом десятки и сотни миллионов лет тому назад включения выявлены в большинстве минералов и пород, а также в каменных, калийных и других солях в виде частиц остаточного маточного раствора. Анализ составляющих включений дает разнообразную информацию как об источниках вещества, так и о процессах, контролирующих их формирование. Особенно ценной она оказывается при изучении процессов минерало- и рудообразования.

Изотопино-геохимические исследования в этой области немногочисленные, в Советском Союзе - единичные. Преимущественно они направлены на установление условий формирования минералов и пород магматического происхождения, выяснение механизмов образования гидротермальных систем, рудных месторождений и т.п

Н. Кокуба и др. [Kokuby N. е. а., 1961 г.] впервые определили содержание дейтерия в жидких включениях из различных горных пород Гавайских островов и Японии. В дальнейшем эти исследования были развиты Р.О.Реем [Rye R. О., 1966 г.], Б.В.Робинсоном и др. [Robinson В. W. е. а., 1973 г.], Г.Р.Лендисом и др. [Lendis G. Р. е. а., 1974 г.], И.Батчелдером [Batchelder I., 1977 г.], Э.Н.Рипли и X. Омото [Ripley Е. Н., Ohmoto Н., 1979 г.] и другими.

Д.В.Аревадзе, М.Ш.Кавиладзе и др. [1976 г.] первыми в СССР определили масс-спектрометрическим методом изотопный состав водорода и серы в газово-жидких включениях из разных парагенетических ассоциаций колчеданно-полиметаллического месторождения Маднеули (Юго-Восточная Грузия) [40]. Их вывод о том, что «облегченный изотопный состав водорода воды во включениях минералов по сравнению с океаническим стандартом и грунтовыми водами района месторождения позволяет считать источник гидротермальных рудообразующих растворов месторождения Маднеули глубинным», представляется сомнительным. Полученные значения воды из газово-жидких включений в сульфидах (пирит, халькопирит, сфалерит и галенит) в интервале от -96 до -107‰ не соответствуют изотопному составу вод «глубинного», вероятно, предполагаемого магматического происхождения, а, скорее всего, отвечают изотопно-легким метеоинфильтрогенным водам, питающимся за счет атмосферных осадков, речных, озерных и талых ледниковых вод региона с содержанием дейтерия от -108 до -70 и кислорода-18 от -14,5 до -9,9‰[Горбушина Л. В. и др.,1972; Ветштейн В. Е. и др., 1974 г.]. Современные, судя по представленным данным, грунтовые воды со значениями от -5 до -12‰ не являются представительными для поверхностных вод региона, поскольку они могли заметно обогатиться дейтерием за счет испарения. Что касается включений в барите и кварце с установленными значениями от -31 до -57‰, то для решения вопроса о их генезисе, по нашему мнению, необходимы дополнительные данные, например по изотопному составу кислорода, поскольку они по интервалу распределения соотношения D/Н могут быть отнесены в равной мере к морскому, магматическому н метаморфогенному типам вод.

В ИГФМ АН УССР с 1976 г. ведутся систематические исследования изотопного состава газово-жидких включений в кварцах, натриевых метасоматитах, каменных и калийных солях. Ниже приведены некоторые результаты этих исследований.

Газово-жидкие включения в кварце Украинского щита

Изотопный состав водорода и кислорода в газово-жидких включениях (ГЖВ) жильных кварцев изучался из метаморфическая комплексов разного возраста (от архея до среднего протерозоя) различных металлогенических провинций центральной и западной частей Украинского щита [51]. Исследования проводились с целью выявления источников, генерирующих растворы, а также установления природы минералообразующих флюидов. Одновременно анализировался химический состав, а также - условия минералообразования, которые составляли от 0,6 до 1,5 кбар и от 100 до 540 соответственно.

Показано, что на исследованной территории в формировании изотопного состава минералообразующих растворов принимали участие различные источники. В частности, было установлено, что камерные пегматиты Володарско-Волынского месторождения (карьер Вишняковка) формировались за счет флюидов магмато- генного происхождения н за длительное время их существования жидкая составляющая практически не имела контакта с метеорными водами

.

Кварц из кварцевой жилы с аплитовидной оторочкой в житомирских гранитах (Крошнянский карьер) перекристаллизовывался растворами, носителями которых являлись метеорные воды

Группа образцов из разных пунктов зон разломов Кировоградского блока по данным изотопного состава формировалась водами одного происхождения -- преимущественно метеоинфильтрогенными с некоторым участием метаморфогенных .

Образованне кварца из жилы альпийского типа в пегматитах днепровского комплекса (архейский цикл) Криворожско-Кременчугской металлогенической зоны характеризуется высокими значениямисвидетельствующими о многоцнкличности генерации метаморфических растворов.

Проведенные исследования свидетельствуют о преимущественном участии в формировании изотопного состава жидких включений вод метаморфического (первично-метеорного) происхождения. В случае многократного наложения процессов, связанных с дроблением и последующим залечиванием новообразованных кварцев, можно предположить непосредственное участие инфильтрационных метеогенных вод по зонам дробления, трещин и разломов. Исключение составляют камерные пегматиты Волыни, относящиеся к закрытой магматической системе.

Особенности распределения изотопов водорода в ГЖВ натриевых метасоматитов

Закономерности распределения изотопов водорода в ГЖВ натриевых метасоматитов изучались с целью выяснения происхождения вод, участвующих в образовании урановых месторождений, и выявления взаимосвязи между изотопным составом водорода метасоматического раствора и ураноносностью [18]. Несмотря на ранее опубликованные в литературе материалы об использовании изотопии ГЖВ при изучении свинцовых, оловянных, урановых и других рудных месторождений, в том числе и гидротермальных [87 и др.], нами исследование изотопного состава водорода ГЖВ натриевых метасоматитов проведено впервые.

Исследуемые натриевые метасоматиты сложены на 70-95% альбититом и приурочены к тектоно-метасоматической зоне субмеридионального простирания, развитой в породах ультраметаморфического докембрийского комплекса. Изотопный возраст урановой минерализации соответствует 1800 млн. лет. Вмещающими породами являются красные крупнопорфиробластические существенно микроклиновые граниты. К метасоматическим образованиям относятся также сиенитоподобные породы, которые по минеральному составу и геологическому положению являются промежуточными между альбититами и гранитами.

С учетом того, что исследуемые образцы представлены преимущественно альбитом (табл. 30). их подготовку к изотопному анализу ограничили дроблением породы до фракции 0,5--1 мм и просеиванием от более мелких частиц. Применение химических реактивов полностью исключалось во избежание загрязнения водородсодержащими соединениями. Для одного анализа брали навеску породы 5-8 г, эквивалентную г воды, необходимой для прямого масс-спектрометрирования изотопного состава водорода [13]. Методика изотопного анализа состояла в тренировке образца в условиях глубокого вакуума при 100-120 в течение 1,5-2 ч с последующим вскрытием вакуолей нагревом в кварцевом реакторе, выделением водорода и измерением валовой концентрации дейтерия в свободном водороде, первичных, вторичных и мнимовторичных жидких включениях.

Таблица 30

Изотопный состав водорода ГЖВ в альбититах, сиенитоподобных породах и вмещающих их гранитах[18]

Анализ каждого образца состоял не менее чем в двух-трех независимых определениях. Результаты изотопных определений (табл. 30) показывают, что в пределах четырех исследуемых разрезов (А--Г) рудного тела в интервале глубин от 316 до 1084 м не отмечается определенной связи между распределением изотопов водорода как по отдельным разрезам, так и по площади в целом. Не наблюдается также какой-либо зависимости с минералогическим составом пород. Закономерная связь устанавливается лишь между содержанием дейтерия в ГЖВ натриевых метасоматитов с концентрацией урана в анализируемых породах. В частности, при общих интервалах распределения значений величины от -180 до -45‰ и концентрации урана от 1,4 до 2737 усл.ед., можно выделить три группы образцов, между которыми наблюдается корреляционная связь (табл. 31).

Таблица 31

Соотношение значений и содержаний урана в исследуемых пробах[18]

Примечание.В числителе даны пределы изменения и содержаний урана, в знаменателе - их средние значения.

Группы образуют последовательный ряд, для которого увеличение содержания урана в породе соответствует уменьшению уровня концентрации дейтерия в водороде ГЖВ. В группу I входят альбититы безрудные, сиенитоподобные породы и граниты ( от -79 до -45‰). В ее пределах выделяются две подгруппы (Iа и Iб, между которыми сохраняется та же закономерность. К группе II принадлежат рудные альбититы. К группе III можно отнести пробу с содержанием урана 400 усл. ед. и значением = -68‰). Она занимает промежуточное положение между группами I и II и указывает на отсутствие четких границ между рудными и безрудными альбититами.

По шкале распространенности изотопов водорода в природных водах образцы группы II, содержащие наиболее низкие концентрации дейтерия ( от -180 до -121‰) и высокие урана (от 588 до 2737 усл. ед.), более всего отвечают изотопно-легким метеорным водам, образцы группы I и III -- метаморфическим водам (по Д.Е.Уайту). Наблюдаемое различие в изотопном составе водорода рассматриваемых групп образцов указывает, что в ГЖВ рудных альбититов преобладает привнесенная метеорная вода, тогда как в безрудных альбититах изотопный состав водорода воды, видимо, соответствует значениям регионального фона (в ГЖВ гранита = -64‰; см.табл. 30, проба 9). На формирование изотопного состава водорода метасоматического раствора могли указывать влияние гравитационные, диффузионные и адсорбционные процессы. На более поздних стадиях его формирования происходило фракционирование изотопов за счет «вторичных», например, радиационно-химических и других процессов, имеющих, однако, локальный характер. Но все эти процессы не могли оказать доминирующего влияния на образование столь различных по изотопному составу групп и выразились лишь в некоторой дисперсии в пределах каждой из них. Главная же причина, видимо, состоит в крупномасштабном внедрении изотопно-легких метеорных вод в легко проницаемые осадочные, вулканогенные и другие породы и взаимодействии их с интрузиями.

Таким образом, на основании полученных изотопных данных можно сделать заключение, что в полном цикле образования рудного вещества принимали участие различные типы вод, на начальном и промежуточном - магматогенные и метаморфогенные. На самом заключительном этапе, с которым связана урановая минерализация, преимущественно вовлекались изотопно-легкие метеорные воды. Вполне вероятно, что именно высокая ионная активность метеоинфильтрогенных вод и их длительная конвективная циркуляция [62] способствовали соосаждению и концентрированию ураноносных комплексов. Результаты проведенного исследования, так же как и материалы, полученные другими авторами [62, 87 и др.], показывают, что изотопно-геохимическое изучение ГЖВ в минералах и породах может быть эффективно использовано как для раскрытия механизма гидротермального рудо- и минералообразования, так и для поисково-оценочных и геологоразведочных целей.

Маточные рассолы в каменных и калийных солях Украины и Польши

Современный уровень изученности процессов соленакопления не приводит к однозначному решению вопроса о природе растворенного вещества и растворителя. Не останавливаясь на сущности гипотез, подробно излагаемых в специальной литературе, например в книге под редакцией А.Л.Яншина и М.А.Жаркова «Проблемы соленакопления» [1977 г.], напомним, что три из них имеют, по нашему мнению, наиболее выраженный характер и активно дискутируются. В частности, гипотеза о ведущей роли океана в седиментации соленосных отложений, «гипергенно-вулкано-осадочная» гипотеза и магматическая. Большинство исследователей - сторонники первой, или эвапоритовой (лагунной), и морской глубоководной концепции галогенеза, меньшинство - эндогенной. Между тем решение вопроса об источниках вещества и условиях формирования месторождений таких важных полезных ископаемых, как калийные, каменные соли, встречающихся в пределах СССР на территории Украины, Белоруссии и других республик в отложениях почти всех геологических систем, особенно в кембрийской, девонской, пермской, юрской и неогеновой, имеет большое научное и практическое значение.

При разработке месторождений каменных и калийных солей иногда встречаются внутри соляной толщи линзы и пропластки глин и брекчий, из которых наблюдается слабый капеж рассолов. По генезису они могут быть реликтовыми седиментационными растворами, образовавшимися при отложении солей, или водами, сформировавшимися за счет выщелачивания соляной залежи в результате проникновения главным образом инфильтрационных вод атмосферного происхождения. Однако до настоящего времени изотопный состав таких рассолов, так же как и изотопный состав жидких микровключений в солях, не исследовался. Между тем результаты такого изучения очень важны для установления природы и условий формирования каменной и калийной солей.

С целью изучения механизма поведения изотопов водорода и кислорода в природном процессе галогенеза автором совместно с Л. К. Гуцало и В. Г. Артемчуком [29] впервые исследовался изотопный состав рассолов капежа на месторождениях каменной (Солотвиновское, Величко) и калийной (Стебникское, Калушское) солей Украины и Польши, отвечающих по эвапоритовой концепции различным стадиям сгущения морской воды в солеродных бассейнах. Определялся также изотопный состав водорода и кислорода жидких микровключений в галите Артемовского месторождения каменной соли.