Изотопы кислорода и водорода природных вод СССР

В итоге ни в одном из проанализированных образцов подземных и поверхностных вод, отобранных в зонах глубинных разломов Днепровско-Донецкой впадины и вне их пределов, не обнаружен «ювенильный» компонент. Подземные воды палеозойских отложений впадины по изотопному составу представляют собой захороненные морские воды, несколько разбавленные в бассейне седиментации водами метеорного генезиса [43].

Не обладает признаками «ювенильной» и вода из источников на северо-западной окраине с. Грузского в зоне Бугско-Мироновского разлома на Украинском щите [Каляев Г. И. и др., 1969 г.].

Проведенные исследования показали, что как в тектонически активных, так и в спокойных областях глубинные разломы способствуют миграции (разгрузке) подземных вод морского и метеорного происхождения, но не являются проводниками «ювенильных» и магматических вод, во всяком случае таких количеств, которые могут быть зафиксированы современными методами изотопного анализа. Это, видимо, объясняется незначительным притоком «ювенильных» и магматических вод в земную кору (3-5%) и высокой степенью их разбавления метеорными и(или) морскими водами.

ОТНОШЕНИЕ D/H И 18О/16О В МАГМАТИЧЕСКИХ ВОДАХ И ГАЗАХ БОЛЬШОГО ТРЕЩИННОГО ТОЛБАЧИНСКОГО ИЗВЕРЖЕНИЯ

На разных этапах Большого трещинного Толбачинского извержения (БТТИ) в период с февраля по октябрь 1976 г. систематически отбирались пробы магматических газов и их конденсатов (магматических вод) из горнитосов и непосредственной близости от действующего жерла (конуса 8) Южною прорыва

Подъем магматического расплава происходил по жерлу нейтрального конуса 8. После подъема расплав двигался горизантально по тоннелям из ранее застывшей лавы и в 20-100 м от конуса 8 происходила его окончательная дегазации. Магматический газ интенсивно выделялся из отверстий в горнитосах, выраставших на кровле лавовых тоннелей. Жидкая лава продолжала двигаться в недрах лавового покрова по тоннелям и изливалась в 8-10 км от конуса.

Результаты определения и и других параметров в магматических водах (табл. 38) показывают, что интервалы их распределения характеризуются следующими значениями: от -82 до -65‰, от +3,5 до +9,3‰, рН от 0,29 до 0,00, минерализация от 22,7 до 30,6 г/л, от 2,1 до 3,6 г/л, от 17,4 до 22,3 г/л, от 0,5 до 3,1 г/л. По содержанию изотопов кислорода и концентрации компонентов химического состава исследуемые воды оказались существенно иными, чем местные гейзерные, термальные, метеорные и хлоридные минеральные воды [37] при сходных значениях изотопов водорода. По химическому составу магматические воды представляют собой ультракислые высокоминерализованные хлоридные растворы с высоким содержанием рудных элементов [Меняйлов И. А. и др., 1974 г.].

Сопоставление содержания дейтерия и кислорода-18 в магматических водах БТТИ с гипотетическим изотопным составом «ювенильных» вод показывает, что они хорошо согласуются между собой. Однако установленное подобие является лишь необходимым, но недостаточным условием для диагностики вод. Дело в том, что аналогичным изотопным составом водорода, как уже отмечалось, могут обладать метеорные, термальные и другие воды, а по изотопам кислорода вследствие изотопно-обменных реакций сходные значения могут приобретать воды, не только входящие в контакт с магматической средой, но и талассо-седиментогенные(+6,1‰) артезианских бассейнов, например при застойных условиях карбонатных породах и повышенных температурах (104)[1]

Таблица 38

Отношение D/H и 18О/16О, рН, минерализация и анионный состав в магматических водах Южного прорыва БТТИ, 1976 г.*

________________

* В сренегодовых атмосфермых осадках района г. Петропавловска-Камчатского (1969-1970гг.) и в осадках, отобранных в районе извержения Т.П.Кирсановой в августе 1976г., средневзвешенные значения соответственно

Известно, что поверхностные и грунтовые воды метеорного происхождения могут проникать на значительные глубины, поэтому не исключена возможность взаимодействия их с эруптивным материалом и вмещающей средой и формирования таким образом магматических вод. Следовательно, для более достоверного суждения о происхождении вод, условий их формирования и выявления глубинной компоненты необходимо помимо значений и по возможности шире привлекать данные химического состава, результаты геологических, гидрогеологических и геофизических исследований с поиском соответствующих корреляционных, а также различных изотопных и других причинно-следственных связей «внутри» самой системы. Именно последнее послужило поводом для одновременного отбора магматических вод и газов и раздельного изучения их изотопного состава водорода, относительная разделяющая способность изотопов которого наиболее высокая.

Молекулярный водород, как и следовало ожидать, оказался изотопически значительно легче водорода магматической воды (табл. 39). В этом смысле выявленное соотношение изотопов водорода в Н2 и Н2О подтверждает термодинамику изотопных отношений в системе жидкость - пар - газ, когда более сложная система обогащена тяжелыми изотопами больше, чем простая.

Установлено, что с уменьшением общей минерализации и содержаний хлора изотопный состав магматических вод БТТИ сдвигается в сторону значений, близких к изотопному составу местных метеорных вод. Это свидетельствует о том, что во время извержения к глубинным магматическим водам добавлялись слабоминерализованные местные метеорные воды, вызывая некоторые колебания изотопного состава в конденсатах магматических газов.

Таблица 39

Отношение D/H и состав нерастворимых в конденсате магматических газов Южного прорыва БТТИ, 1976 г.

При этом содержание Н2О в магматических газах увеличивалось менее чем на 1 мол. %. Эта величина весьма незначительна, если судить по общему количеству Н2О, вынесенной во время БТТИ.

В процессе БТТИ наблюдалось направленное изменение концентраций дейтерия в Н2 и Н2О (см. табл. 38, 39). В начальный период установлены наиболее низкие значения для водорода в газах. Столь низкие концентрации впервые обнаружены в природных объектах Земли. Еще более низкими значениями отличаются лунные образования) [Friedman I. е. а., 1970 г.]. Последующий этап извержения характеризовался увеличением концентрации дейтерия с обеднением на конечных стадиях наблюдений.

Выделение обогащенного протием водорода в магматических газах в феврале 1976 г. совпало с повышением содержания в них N2, H2S, SO2 и СО2. Это может свидетельствовать о поступлении на поверхность менее дегазированного магматического расплава по сравнению с тем, который изливался в сентябре - декабре 1975 г. Исходя из геохимических и изотопных данных (см. табл. 38, 39), можно допустить, что перераспределение изотопов в газовой и жидкой составляющих магматического расплава произошло еще до начала извержения вследствие фракционирования при фазовых переходах в системе жидкость - пар, изотопно-обменных равновесий, а также диффузионного процесса. Такая дифференциация могла привести к накоплению, например, протия в краевых частях магматической колонны, а дейтерия - в промежуточных и нашла свое проявление в эруптивном процессе. Следует, однако, отметить, что такая трактовка не является, однозначной. Наблюдаемое распределение изотопного и химического составов может иметь место при наличии различных магматических источников и т. п.

Данные о распределении значений и в магматических водах и газах БТТИ в совокупности с их химическим составом экспериментально подтвердили существование в верхней мантии(структура островных дуг в зоне перехода от океана к континенту) магматической воды, которая может достигать поверхности Земли при мощных извержениях базальтовых вулканов, подобных БТТИ, и участвовать в образовании гидросферы. В пользу этого вывода свидетельствует также широкий комплекс геолого-геохимических и геофизических работ, проведенных за период БТТИ. В частности, было показано, что перед извержением магнезиальный базальтовый магматический расплав двигался к поверхности со скоростью около 100-150 м/ч из области верхней мантии. Высокоглинистый базальтовый расплав Южного прорыва поднялся к поверхности из неглубокорасположенного магматического очага [Федотов С.А. и др., 1976 г.]. Подъем магмы на Северном и Южном прорывах происходил без заметной контаминации горными породами земной коры, о чем свидетельствует распределение изотопов стронция и свинца в базальтах [Волынец О.Н. и др., 1978 г.]. Всего в процессе БТТИ было вынесено около 1,78*108 т газов, подавляющая часть которых состояла из Н2О. Это близко к ежегодному количеству Н2О, выбрасываемой вулканами мира [Миклишанский А. 3. и др., 1979 г.].

Следовательно, по совокупности проведенных разносторонних исследований можно было бы с определенной уверенностью отождествлять отобранные во время БТТИ магматические воды с «ювенильными», если существование последних в природе считать правомочным [53]. Однако сделать это пока нельзя, поскольку в принципе существует возможность формирования изотопного состава магматической воды БТТИ за счет контаминации некоторых долей местных метеорных вод.

Распределение величин и в Н2 и Н2О, установленное в режимных наблюдениях БТТИ, позволяет объяснить, почему различными авторами отмечаются разные значения и в магматических водах, хотя в общем и ограниченные определенным интервалом. По нашему мнению, это обусловлено двумя главными причинами: а) локальными условиями извержения; б) фракционированием изотопов на различных стадиях эруптивного процесса.

Дальнейшее систематическое изучение изотопного состава водорода и кислорода магматических вод и газов, отобранных при извержениях вулканов, позволит окончательно определить как само существование и изотопный состав «ювенильных» вод, так и их соотношение с магматическими.

РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА И КИСЛОРОДА В ЗЕМНЫХ И КОСМИЧЕСКИХ ОБЪЕКТАХ

Данные о распространенности изотопов водорода и кислорода в земных и космических объектах (табл. 40) включают в себя все доступные нам материалы советских и зарубежных исследователей. Как видно из табл. 40, каждый из рассматриваемых объектов характеризуется своим определенным интервалом распределения изотопов в природе, обусловленным изначальным их содержанием и фракционированием в процессе эволюции.

Между некоторыми отдельными типами природных вод наблюдается «перекрытие», которое объясняется, с одной стороны, генетической связью и единством природных вод, с другой - наложенными процессами при их формировании. Последнее дает указание на то, что при использования изотопных данных для установления генетических характеристик необходимо обязательно привлекать, как это неоднократно упоминалось, гидрогеохимические и другие показатели с выявлением возможных коррелятивных связей.

Глава V. ПРИМЕНЕНИЕ ИЗОТОПИИ ПРИРОДНЫХ ВОД ДЛЯ РЕШЕНИЯ НЕКОТОРЫХ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

К настоящему времени методы прецизионной изотопии легких элементов достигли той стадии развития, когда становится возможным перейти от спорадических исследований экзотического характера к систематическим, которые способствовали бы решению крупных народнохозяйственных и в перспективе глобальных задач (метеорология, океанология, вулканология, космология, бальнеология, водоснабжение, мелиорация и др.).

За последние годы выявлены большие методические возможности и имеется значительное число примеров использования закономерностей распределения изотопов и установленных причинно-следственных связей для решения многих важных теоретических и прикладных задач в области океанологии, мелиорации и др. [3, 5, 32, 41, 53, 62 | др.].

Ниже приведены некоторые примеры использования установленных закономерностей распределения дейтерия и кислорода-18 в различных типах природных вод для решения ряда практических задач в различных областях наук о Земле, заимствованные из работ автора и других исследователей.

ВОДОСНАБЖЕНИЕ

Проблема водоснабжения крупных населенных пунктов и промышленных центров питьевой водой в связи с интенсивным развитием промышленного производства и коммунального хозяйства и необходимостью использования во все возрастающих количествах подземных вод становится одной из важнейших народнохозяйственных задач. Вместе с тем обычные методы гидрогеологии не всегда достаточно надежно позволяют получать информацию о подземных водах верхней гидродинамической зоны, их происхождении, условиях формирования, динамике водообмена и соответственно оценить ресурсы и организовать рациональную эксплуатацию. Поэтому с середины 60-х годов стабильные (D и 18О) и радиоактивные (Т, 14С) изотопы привлекаются для решения задач водоснабжения. В этих исследованиях стабильные изотопы используются в качестве индикатора места поступления и разгрузки подземных вод, тогда как радиоактивные дают информацию о времени пребывания воды в данной системе. Следует отметить, что методические возможности и экономические факторы не всегда позволяют использовать все разнообразие природных индикаторов, поэтому при решении конкретных задач ограничиваются возможен сочетаниями.

Ж.Ч.Фонт и др. [86] применили изотопные методы для решения проблем водоснабжения. В частности, по данным распределения концентрации 18О и Т в атмосферных осадках, поверхностных волах, подземных источниках и скважинах бассейна р.Эвьян авторами был изучен гидрогеологический режим бассейна. Установлены площадь водосбора, его высота над уровнем моря и время обновления подземных вод. Рассмотрены различные модели водного баланса и оценены его отдельные составляющие. Полученные выводы хорошо согласуются с данными гидрогеологических, геологических и гидрологических исследований и представляют практический интерес при выборе подходящих мест для глубинного бурения и при планировании работ по водоснабжению исследуемых районов.

Аналогичные исследования были выполнены Г.X. Дэвисом н др. [Devis G. Н. е. а., 1967 г.] по Т, 14С и 18О на примере южной части Венского бассейна Австрии и П. Теодерссоном [Theodorsson P., 1967 г ] по Т и D для юго-западной части Исландии.

Автором совместно с В.Г.Артемчуком в 1978 г. проведено изучение источников питания водоносных горизонтов, используемых для водоснабжения г.Киева и его окрестностей (район Оболони, поселков Бровары и Пуховка) по данным распределения кислорода в поверхностных и подземных водах. Результаты исследований позволили установить, что подземные воды в районе пгт Пуховка (сеноман-келловейскнй горизонт - 150 и 180 м, байосский - 320 м и пермский - 430 м), пгт Бровары (сеноманский - 100 м и байосский - 320 м) и Оболони (сеноманский - 125 м) характеризуются изменение от -11,2 до -10,5‰. Эти значения близки к среднегодовому содержанию ,80 в атмосферных осадках (-10,7‰). Изотопный состав воды из аллювиально-бучакского горизонта в районе Оболони (= 8,8‰) близок к таковому воды р. Днепра (-9,0‰) и близлежащего оз. Оболонь (-8,78,0‰).

Сопоставление изотопного состава вод в поверхностных водоемах, сезонных и среднегодовых осадках изучаемых водоносных комплексов позволяет сделать заключение, что сеноман-келловейские горизонты в районе пгт Пуховки, а также байосский и пермский в районе пгт Бровары и сеноманский в районе Оболони питаются главным образом за счет водосбора осенне-весенних осадков. Питание аллювиально-бучакского горизонта в районе Оболони осуществляется за счет вод р. Днепра. Мергельно-меловая толща туронских отложений здесь не является абсолютным водоупором и частично проницаема для вышележащих горизонтов.

Радиоуглеродный метод был также использован Б. В. Боревским, Б. В. Карасевым и др. [1975 г.] для оценки взаимосвязи подземных вод многопластовой системы в районе г. Киева в условиях длительной эксплуатации сеноман-келловейского и байосского водоносных горизонтов. Пробы отбирались в 1972 - 1973 гг. в г. Киеве и его окрестностях от г. Чернобыля на севере до пос. Украинка на юге и от г. Василькова на западе до г. Борисполя на востоке. Как правило, отбор проводился в сопряженных точкахиз скважин, недалеко отстоящих друг от друга в плане, из сеноман-келловейского и байосского горизонтов.

Общий ход концентрационных кривых содержания радиоуглерода свидетельствует о поступлении омоложенных вод в области депрессионных воронок вблизи р. Днепра, которое наблюдается как в сеноман-келловейском горизонте, так и в байосском. Наиболее интенсивно этот процесс протекает в районе пос. Корчеватое. Кроме того, омоложенные воды наблюдаются на юго-западном крыле исследованного участка (пос. Украинка, г.Васильков), а также в районе г. Борисполя. В районе Оболони уровень воды в сеноман-келловейском горизонте в период исследования был выше, чем в р. Днепре, а в байосском - значительно ниже, поэтому можно ожидать, что результаты радиоуглеродных определений соответствуют той концентрации радиоуглерода, которая существовала до начала эксплуатации киевского водозабора.

МЕЛИОРАЦИЯ

Впервые в СССР, а для зоны умеренного климата средних широт впервые в мировой практике мелиоративной гидрогеологии нами в 1974 г. выполнено систематическое исследование по выяснению закономерностей распределения изотопов водорода и кислорода в поверхностных и подземных водах зоны активного водообмена северо-западной части Украинского Полесья с целью выяснения причин переувлажнения земель этого региона [10]. Работы проводились в гидрогеологически и гидрологически сложном районе с охватом площади исследования ~30 тыс.км2.

Установлено, что концентрация дейтерия и кислорода-18 в грунтовых водах четвертичных отложений, подземных водах верхнемеловых отложений и в водах поверхностных водоемов изменяется в широком -интервале значений: от -113 до -52 и от -14,7 до -6,8‰. Нижний предел содержания изотопов отвечает таковому выпадающих осенних и весенних осадков, верхний - летних. В соответствии с принятым районированием для данной территории сделано заключение о происхождении болотных вод и вод группы Шацких озер (оз. Свитязь и др.), условиях их формирования, источниках питания и разгрузки, а также взаимосвязи между водоносными горизонтами четвертичных отложений с верхнемеловыми. Показано, что в водном балансе питания болот существенная роль принадлежит подземным (напорным) водам верхнемеловых отложений. Впервые дана количественная оценка доли напорных вод для каждого изученного участка, которая изменяется от 8 до 100% в целом для данной территории. Определены участки с прямой гидравлической связью между водоносными горизонтами верхнемеловых и четвертичных отложений. Сделано заключение о местах формирования и транзита подземных напорных вод верхнемеловых отложений.

ОЦЕНКА СТЕПЕНИ ИЗОЛИРОВАННОСТИ ВОДОНОСНЫХ ГОРИЗОНТОВ

Для более надежной оценки взаимосвязи подземных водоносных горизонтов в пределах Ленинградской области впервые в СССР в комплекс традиционных гидрогеологических работ были включены изотопно-геохимические исследования [Соботович Э. В. и др., 1977 г.; Ветштейн В. Е. и др., 1979 г.].

Изучение происхождения вод, условий и источников их формирования, возраста и степени контакта отдельных водоносных горизонтов с соседними и с поверхностными водами исследуемой территории проводилось по отношениям D/H, 18О/16О, 14С/12С, 13С/12С и 234U/238U.

В пределах района исследований на выветренной поверхности образований архея - нижнего протерозоя залегают отложения осадочного комплекса верхнего протерозоя, нижнего кембрия и ордовика, перекрытые маломощным чехлом четвертичных пород. Общая мощность осадочных образований 170 - 250 м. Отложения верхнего протерозоя представлены глинисто-песчаной толщей гдовского и котлинского горизонтов. Отложения гдовского горизонта вскрыты скважинами на глубинах 95 м на севере и до 113 м на юге участка. Из трех пачек песчаников к верхней приурочен гдовский водоносный горизонт, а две нижние пачки объединяются в стрельнинский водоносный горизонт. Горизонты разделены непроницаемыми алевролито-глинистыми породами мощностью 8-12 м.

Главная цель исследования заключалась в выявлении степени изолированности вод стрельнинского горизонта и соответственно в оценке возможности его использования для промышленных целей.

Установлено, что воды стрельнинского и гдовского горизонтов имеют хотя и близкие, но вместе с тем разные изотопные отношения и отличаются от поверхностных вод. Радиоуглеродный возраст стрельнинского горизонта увеличивается в юго-восточном направлении от 9 до 15 тыс. лет. При этом существенно, что на крайнем северо-западе исследуемой территории изотопный состав воды характеризуется наименьшим содержанием дейтерия и кислорода-18. Воды стрельнинского и гдовского горизонтов характеризуются низкими концентрациями урана ( Отношение 234U/238U в подземных водах оказалось ниже равновесных в отличие от поверхностных вод.

Показано, что воды стрельнинского и гдовского горизонтов не имеют прямой гидравлической связи между собой, водами Финского залива и грунтовыми водами исследуемого района, но на северном участке сообщаются с менее минерализованными водами трещиноватых пород фундамента. Последние оказались изотопически легкими (‰) и, вероятнее всего, имеют древнее ледниковое происхождение. Воды гдовского горизонта на исследуемом участке представляют собой продукт cмешения поверхностных вод и вод стрельнинского горизонта.

Исходя из этого количественно определена связь поверхностных и подземных вод. Для центрального участка исследуемой территории степень контакта поверхностных вод с водами гдовского горизонта составляет за 1 тыс. лет с водами стрельнинского - 4,7%.

НЕФТЕГАЗОПОИСКОВАЯ ГЕОЛОГИЯ И ГИДРОГЕОЛОГИЯ

В настоящее время поиски нефти и газа ведутся в основном прямым бурением. Стоимость бурения каждой скважины при поисках достаточно велика. Вместе с тем количество скважин может быть сокращено, если выработать надежные показатели, в частности основанные на изотопном составе воды.

На основе материалов по изученности изотопного состава подземных и поверхностных вод в пределах некоторых нефтегазоносных бассейнов СССР можно сформулировать следующие возможные направления применения изотопных исследований в области нефтегазопромысловой геологии и гидрогеологии.

1. Изучение происхождения подземных вод, условий их формирования и динамики водообмена.

2. Исследование процессов образования, формирования, сохранения и разрушения залежей природных углеводородов, а также установление путей их миграции.

3. Развитие работ по изучению происхождения рассольных вод, рассолов и природных солей и солеродных бассейнов, а также генезиса нефти и газа.

4. Выявление степени взаимосвязи между отдельными водоносными горизонтами, глубины проникновения метеоинфильтрогенных вод (зоны промытости) с определением зон питания, транзита и разгрузки подземных вод, а также выделения гидроизотопно застойных участков, перспективных на нефть и газ.

5. Построение прогнозных карт (в региональном плане) зон нефтегазонакопления с выделением высокоперспективных и бесперспективных участков, площадей и локальных структур.

6. Оценка емкостных свойств карбонатных коллекторов.

7. Прослеживание за передвижением фронта закачиваемых вод в продуктивный пласт в процессе разработки нефтегазовых месторождений.

8. Выявление дефектов в стволе скважины в процессе бурения и при эксплуатации.

9. Уточнение запасов газовых залежей по изотопному составу поровых растворов.

10. Оценка надежности подземного хранения нефти и газа в искусственных хранилищах и т. д.

Представленное позволяет надеяться, что дальнейшее развитие изотопно-геохимических исследований позволит в ближайшие годы в области нефтегазопромысловой геологии оказать существенную помощь как на этапе поиска и разведки, так и при добыче нефти и таза.

ПРОБЛЕМЫ СОЛЕНАКОПЛЕНИЯ

Многие вопросы галогенеза, в частности природа и условия формирования таких важных полезных ископаемых, как рассолов промышленного значения, каменных, калийных и других солей, встречающихся на территории Советского Союза в отложениях кембрийской, девонской, пермской, юрской, неогеновой и других систем далеки от своего разрешения.

До сего времени различные группы исследователей придерживаются разных точек зрения и продолжают развивать их [68 и др.], используя для этих целей традиционные методики и методологию.

Меньшинство авторов отстаивают эндогенную концепцию образования мощных толщ солей из высокоминерализованных глубинных горячих вод и рассолов, большинство - сторонники теории эвапоритовых формаций соленакопления в прибрежно-морских, лагунных условиях, глубоководных высокоминерализованных рассолов и т.д.

Дальнейшая разработка проблемы галогенеза требует проведения новых экспериментальных и теоретических исследований с использованием всего арсенала современных средств изучения растворителя и растворенного вещества. При таких широких исследованиях изотопные методы могут оказаться весьма полезными в решении этой фундаментальной проблемы естествознания.

ШАХТНАЯ ГИДРОГЕОЛОГИЯ

Важное практическое применение находят изотопные методы в шахтной гидрогеологии для выяснения режима и источников водопритоков, взаимосвязи водоносных горизонтов, источников их питания и разгрузки, водообильности и т. д. Использование этих методов следует считать целесообразным особенно в тех случаях, когда обычные классические методы гидрогеохимии и гидрогеологии не имеют достаточных показателей для обеспечения безопасной работы в шахтах и горных выработках.

В качестве примера успешного использования изотопии в шахтной гидрогеологии можно привести работу авторов Фрайбергской горной академии ГДР, успешно расшифровавших с помощью данных по распределению дейтерия и кислорода-18 в поверхностных и подземных водах гидрогеологическую обстановку в пределах калийных рудников Гарцесса (ГДР) [Harzer D., Pilot I., Rosier H. I., 1968 г.].

Учитывая серьезность возможного ущерба для народного хозяйства вследствие недостаточной изученности режима подземных вод в районах разрабатываемых рудников и шахт, следует рекомендовать в пределах горнопромышленных регионов, например Большого Донбасса, Курской магнитной аномалии и др., создание кустовых изотопно-гидрогеологических лабораторий.

БАЛЬНЕОЛОГИЯ

Начиная с 70-х годов автором в содружестве с Е.А.Басковым, Л.В.Горбушиной, Ф.В.Лапшиным, Е.В.Пиннекером и другими исследователями в пределах горноскладчатых областей территории Советского Союза и сопредельных территорий ведется систематическое изучение изотопного состава стабильных и радиоактивных изотопов ряда элементов (в основном Н и О, а также С, Аг, Не, Ra, U и Th) в минеральных водах и газах, широко применяемых для бальнеологических целей. География исследований охватывает разные месторождения и различные типы минеральных вод. В частности, в районах Кавказа (Хоста, Мацеста, Мамайка, Боржоми, Арзни, Лиси, Бжни и др.) [Горбушина Л.В., Ветштейн В.Е. и др., 1972 г.; Басков Е.А. и др., 1978 г.], Украинских Карпат и Закарпатья (Моршино, Брусница, Виженка, Черновцы, Трускавец, Свалява, Квасы и др.) [Ветштейн В.Е., Малюк Г.А. и др., 1972 г.; Ветштейн В.Е., Воинова Т.Н. и др., 1976 г.], Рудных гор и Чешского леса ЧССР (Карловы Вары, Франтишковы Лазни и др.) [Vetstein V.Е., Pinneker Е.V., 1976 г.], Камчатки и Курильских островов (Верхне- и Нижнеменделеевские источники, Горячий Пляж, Столбовские, Алехинские, Третьяковские, Нижнепаратунские, Добрый Ключ, Верхнедокторские и др. [Басков Е.А., Ветштейн В.Е. и др., 1973 г.; Ветштейн В.Е., Басков Е.А. и др., 1971 г.; Ветштейн В.Е., Ломоносов И.С. и др., 1973 г.], Приморского края и о. Сахалин (Ванчоу, Та-Синчоу, Медвежье, Пасечный [Басков Е.А., Пустовалова Г.И. и др., 1978 г.; Ветштейн В.Е., Гавриш В.К. и др., 1979 г.], Саян и Забайкалья (Бурун-Килькинда, Баутовский, Былыринский, курорт Ямаровка, Пурелаг, Ясытинский-1 [Ветштейн В.Е., Ломоносов И.С. и др., 1973 г.], Восточной Сибири, Монголии и Тувы (Жанчивлин, Улан-Батор, Хужиртэ, Жилх-аршан, Арысканский, Верхний Кадыр-Ос, Энгорбай, Курорт Уш-Белдыр [Пиннекер Е.В. и др., 1976 г.; Ветштейн В.Е., Басков Е. А. и др., 1971 г.].

Изучение изотопного состава месторождений минеральных вод вызвано не только теоретическим интересом к данной проблеме, но и большой их народнохозяйственной значимостью, поскольку лишь на основе четких представлении о происхождении и условиях формирования этих вод можно оценить ресурсы, степень возобновляемости и обеспечить рациональную их эксплуатацию. Результаты проведенных исследований в пределах каждого из регионов позволили получить разного рода генетическую информацию, которая в обобщенном виде может быть представлена следующим образом.

Выявлено, что для преимущественного большинства типов месторождений минеральных вод в разных горноскладчатых областях проявляются сходные соотношения изотопов Н, О и др., что свидетельствует о подобных условиях их формирования.

Азотные и азотно-метановые термы карбонатного, гидрокарбонатного, сульфатного и хлоридно-сульфатного составов, а также углекислые термы и холодные воды гидрокарбонатного состава в разных регионах обладают значениями , и , характерными для локальных атмосферных осадков н речных вод этих регионов, что свидетельствует о метеоинфильтрогенном происхождении изученных минеральных вод. Исключением являются мацестинские сульфидные воды Сочи-Адлерского артезианского бассейна, формирование которых в юрских отложениях по отношениям D/H и 18О/16О отвечает реликтовым водам древнего морского бассейна, а в меловых-смешением метеорных вод с водами юрских отложений (Горбушина Л.В., Ветштейн В. Е. и др., 1972 г.]. Что касается газовой компоненты изученных гидротерм, то местами они обогащены 3Не, а в углекислых термальных и холодных водах отдельных зон по С отмечается наличие углекислоты мантийного происхождения.

В углекислых хлоридных натриевых парогидротермах Камчатки и Курил, минерализация которых находится обычно в пределах 2-6 г/л, значения и близки к таковым речных вод. Вместе с тем коэффициенты Сl/Вг в этих термах соответствуют таковым морских седиментогенных вод. Аналогичные закономерности установлены для ряда углекислых хлоридных натриевых гидротерм Малого Кавказа. Они отражают процессы смешения седиментогенных вод морского типа и инфильтрогенных вод атмосферного питания. Доля последних в этой смеси существенна. В газовом составе этих вод обычны повышенные содержания 3Не, а СO2 по значениям С имеет в основном мантийное происхождение.

Для сероводородно-углекислых фумарольных терм Камчатки и Курил характерны постоянная относительная обогащенность 18О, 3Не и мантийный генезис СО2 по данным С, что наряду с особенностями химического состава (высокие концентрации фтора, многих металлов и др.) отражает их связь с магматическими, вероятно промежуточными, очагами.

В метановых хлоридных гидротермах с минерализацией 20-40 г/л значения , , а также значения коэффициента Сl/Вг характерны для седиментогенных вод морского питания. В тех случаях, когда подобные значения , и Сl/Вг наблюдаются в метановых хлоридных термах с низкой (2-4 г/л) минерализацией (например, район Малого Кавказа), это отражает процессы разбавления захороненных с осадками соленых морских вод слабоминерализованными и физически связанными водами седиментогенного типа, выделяющимися из глинистых пород.

ГИДРОТЕРМАЛЬНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

В связи с ограниченными запасами ископаемого топлива - главного источника тепло- и электроэнергии - перед человечеством возникает проблема изыскания новых видов энергии. И хотя СССР, как известно, добывается наибольшее в мире количество главных энергоресурсов, составляющих около 90% энергобаланса страны, и продолжают открываться геологами все новые и новые месторождения горючих ископаемых, дальнейший рост энергетического потенциала должен идти за счет гидроэнергии, атомного и ядерного топлива, дешевых углей и энергии Солнца, приливов, ветров и тепла недр нашей планеты. Прирост же добычи нефти и газа предполагается все в большей мере направлять на удовлетворение технологических потребностей в качестве сырья для получения пластмасс, каучука, производства кормового белка и т. д.

Важное место среди новых источников энергии занимает энергия подземного тепла, которая выделяется в результате вулканической и гидротермальной деятельности, радиоактивного распада и некоторых других процессов, происходящих в земных недрах.

В Советском Союзе имеются две области современной вулканической деятельности: Камчатка и Курильские острова. Только на Камчатке известно ~ 100 естественных источников термальных вод и парожидких струй. Десять наиболее крупных из них выносят в год тепло, эквивалентное тому, которое образуется при сгорании 200 тыс. т угля. Однако география гидротермальной энергетики не ограничивается этими районами, она также может быть распространена на Кавказ и Предкавказье, Забайкалье, Среднюю Азию, Азербайджан и др. Следует отметить, что в районе Паужетского месторождения высокотермальных вод, расположенном на крайнем юге Камчатки, в долине р.Паужетки построена и уже действует с 1966 г. ГеоТЭС мощностью 5 тыс. квт, которая в перспективе должна увеличиться свыше 100 тыс. квт. Освоение тепловых ресурсов Паужетского и других геотермальных районов Камчатки позволит построить к 1985 г. ГеоТЭС общей мощностью 300 тыс. квт.

Термальные воды используются во многих странах (Исландия, Япония, Италия, США и др.). Особенно большие успехи достигнуты по применению термальных вод для тепловодоснабжения в Исландии, где водой горячих источников начали пользоваться более 1000 лет назад. В настоящее время в столицу страны г. Рейкьявик по 18-километровому трубопроводу подается вода из скважин с температурой 86. В целом за 35 лет существования трубопровода добыто >300 млн. м3 горячей воды, которой обеспечиваются отопление и горячее водоснабжение почти всего жилого фонда столицы и многих других населенных пунктов Исландии. Она же является основным источником получения электроэнергии.

Ввиду вулканического происхождения данного района и существующей тесной взаимосвязи между подземными водами, реками и озерами значительно усложнялась проблема расчета водообеспечения и планирования будущих работ. Поэтому П.Теодорссон [Theodorsson Р., 1967 г.] для этих целей были применены определения содержания дейтерия и трития, которые оказались наиболее полезными в выяснении вопросов происхождения и расселения подземных вод.

Основой изотопных исследований являлся регулярный отбор проб воды из атмосферных осадков, ручьев и других источников, а также периодический отбор проб подземных вод. Такая хорошо организованная система отбора образцов позволила составить карты средневзвешенных поступлений дейтерия с осадками. Сравнение анализируемых образцов подземных вод по таким картам сразу дает ответ на вопрос, представляет ли данный образец локальный водоприток в водоносные горизонты за счет осадков или эта вода проделала длинный путь и, таким образом, характеризует в последнем случае другой источник питания.

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

В настоящее время для прогноза землетрясений разрабатываются и уже используются различные геохимические показатели, в том числе и отношения изотопов углерода, урана, аргона, гелия и др. [«Геохимия», 1979, № 3 и др.].

Представляется весьма перспективным включение в комплекс исследований на сейсмоактивность данных по изотопному составу молекул воды, обладающих большой миграционной способностью и являющихся тонкими индикаторами событий, с ней происходящими. Особенно чувствительными могут оказаться изотопы кислорода, которые должны обогащаться кислородом-18 в процессе миграции флюидов по зонам глубинных разломов (трещинам) из глубоких сейсмоактивных очагов за счет изотопно-обменных реакций с силикатными породами при повышенных температурах. Изотопы водорода, в том числе и газовой составляющей, также могут оказаться полезными за счет их большой разделяющей способности и отставания дейтерия в процессе диффузии молекулярного водорода и водяных паров из магматических очагов и миграции. Систематический анализ концентрации дейтерия масс-спектрометрическим методом, согласно В. М. Тэрстону [Thyrston W. М., 1970 г.], может быть реализован в автоматическом режиме

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе использования масс-спектрометрических экспрессных методик и аппаратуры в данной работе представлена новая и обобщена ранее полученная информация о закономерностях распределения изотопов кислорода и водорода в различных типах поверхностных и подземных вод территории СССР, а также рассмотрены процессы, контролирующие их формирование.

Систематическое исследование изотопного состава кислорода и водорода в атмосферных осадках, речных, озерных и приповерхностных водах осадочного чехла европейской и азиатской частей СССР показывает, что практически повсеместно для зоны умеренного климата средних и высоких широт взаимосвязь между и описывается уравнением прямой Крейга. Для атмосферных осадков это означает, что процесс конденсации водяных паров происходит при условиях, близких к равновесным. Между упомянутыми величинами и температурой отмечается тесная связь, описываемая системой линейных уравнений с высокими коэффициентами корреляции, слабая связь наблюдается с относительной влажностью и количеством выпадающих осадков. Для осадков, выпадающих на территории Украины и Молдавии, четко фиксируется широтный изотопный эффект и значительно слабее континентальный. Фракционирование изотопов в процессе инфильтрации воды до глубин 500 м не установлено.

Воды Мирового океана, за исключением поверхностных вод в районе полюсов, придонных вод и вод иловых взвесей, имеют существенно однородный состав. Показано, что зависимость может быть использована для оценки вклада пресных вод в поверхностные арктические воды. Установлено, что воды оз. Байкал имеют весьма однородный изотопный состав с уровнем концентрации, отвечающим водам рек и озер Сибири.

Ведущими процессами при формировании изотопного состава поверхностных вод служат испарение, конденсация и смешение, подземных - смешение и изотопно-обменные процессы. Наиболее значимы изотопно-обменные процессы для вод глубоких осадочных артезианских бассейнов, характеризующихся повышенными температурами, застойными явлениями и широким распространением карбонатных и силикатных пород. Отмечаются недостаточная изученность процессов «второго порядка малости» и недооценка их роли в формировании изотопного состава глубоких подземных вод.

Исследование закономерностей распространения изотопов водорода и кислорода в подземных и поверхностных водах ряда крупных артезианских бассейнов и водонапорных систем СССР, в том числе и нефтегазоносных (Припятского, Днепровско-Донецкого. Каракумского, Волго-Уральского, Терско-Каспийского, Западно-Сибирского, Ангаро-Ленского), показало, что распределение дейтерия и кислорода-18 в водах изученных бассейнов изменяется в широких пределах, охватывая практически весь диапазон вариаций изотопного состава в основных типах природных вод . Установленные закономерности отражают палеогеографические, палеогидрогеологические и физико-химические условия формирования подземных вод. Иначе говоря, подземные воды сохраняют следы процессов, обусловивших сдвиги в их изотопном составе. Выявлен характер взаимосвязи между содержанием изотопов водорода и кислорода, концентрацией этих изотопов и гидрогеологическими характеристиками, литологическим составом и возрастом вмещающих пород, нефтегазонакоплением, нефтегазосохранением и нефтегазоразрушеннем. В водах зоны свободного водообмена отмечается закономерное увеличение концентрации дейтерия и кислорода-18 с глубиной, минерализацией, температурой. Из компонентов химического состава прямая корреляция наблюдается для ионов хлора. В водах зоны замедленного и весьма замедленного водообмена эти закономерности носят несистемный характер, поскольку зависят от ряда факторов (состава вмещающих пород и т. д.). Пластовые воды нефтегазовых залежей характеризуются аномально высокой концентрацией тяжелых изотопов.

Глубокозалегающие подземные воды осадочных чехлов артезианских бассейнов представлены преимущественно талассоген ными седиментогенными водами с примесью метеоинфильтрогенных вод. Доля последних может существенно варьировать в пределах как одного бассейна в зависимости от особенностей его строения и эволюции, так и нескольких. Признаки разгрузки «ювенильных» вод не отмечаются. Взаимосвязь между содержанием изотопов и гидрохимическими показателями (хлор-бромный, натрий-хлорный и др.) доказывает, что главным источником хлора в талассогенных седиментогенных водах является морская вода.

На примере Припятского НГБ рассмотрены вопросы использования изотопно-геохимических показателей для прогнозирования нефтегазоносности в региональном плане, а также в плане локальных структур. Установлена взаимосвязь между содержанием изотопов в пластовых водах и расстоянием до ВНК, описываемая системой квадратичных уравнений, и рассмотрены возможные механизмы их фракционирования.

Полученный фактический материал по изучению ОН-содержащих минералов и ГЖВ в кварцах Украинского щита указывает перспективность этого направления для исследования процессов гидротермального рудообразовання, серпентинизации, оконтуривания рудных месторождений и т. п.

В заключение следует отметить, что высокая информативность, а зачастую и однозначность, доступная лишь изотопно-геохимическому методу исследования, ставят его в ряд наиболее современных и ведущих методов изучения вещественного состава. Задача стоит лишь в том, чтобы высокоточные, быстрые и доступные аналитические методы, отвечающие современному экспериментальному уровню, стали теми рабочими методами, на основе которых могли бы эффективно и быстро развиваться и решаться в научных и производственных организациях многочисленные проблемы, связанные как с важнейшей геологической ролью воды, так и с огромными водными ресурсами страны.

Размещено на Allbest.ru