УДК 556.314

Генетический график химического состава подземных вод Волго-Уральского нефтегазоносного бассейна

Родькина А.Н., Суховий В.М., студентки 3-го курса

Южно-Российский государственный  политехнический  университет (НПИ) им. М.И. Платова, Россия

Выполнена систематизация химического состава подземных вод Волго-Уральского бассейна на базе графика Е.В. Посохова. Рассчитан солевой состав вод, приведены основные гидрогеохимические процессы и представления о происхождении вод.

Геохимическая систематизация подземных вод (ПВ) Волго-Уральского НГБ произведена на базе классификации Алекина – Посохова [7], основанной на соотношениях между ионами. В ней выделяются четыре гидрогеохимических (ГХ) типа с соотношениями: I ‒ гидрокарбонатно-натриевый (rCl˂rNa, rHCO₃˃rCa+rMg), II ‒ сульфатно-натриевый (rCl˂rNa, rHCO₃˂rCa+rMg), IIIа ‒ хлор-магниевый (rCl˃rNa, rCl˂rNa+rMg) и IIIб ‒ хлор-кальциевый(rCl˃rNa, rCl˃rNa+rMg). Cпецифическими солями этих ГХ типов соответственно являются NaHCO₃, Na₂SO₄, MgCl₂ и СаСl₂. Чем больше в растворе одной из этих солей, тем лучше выражен ГХ тип.

Наглядным изображением ГХ классификации является график Е.В. Посохова [7], представляющий собой комбинацию двух треугольников с двумя квадратами. Он позволяет показать катионный и анионный состав, минерализацию (М), ионные ассоциации (соли) и ГХ тип ПВ. ГХ типы I и II характеризуют континентальную обстановку формирования ПВ, когда их состав всецело зависит от процессов взаимодействия инфильтрующихся атмиосферных осадков с горными породами. К ним принадлежат хозяйственно-питьевые воды и большая часть минеральных питьевых вод. К ГХ типу IIIа относятся захороненные в осадочных породах и не претерпевшие больших ГХ изменений древние морские воды, а также воды современных морей и океанов. ГХ тип IIIб характерен для глубинных седиментационных рассолов, которые при длительном (десятки и сотни млн. лет) нахождении в  осадочных горных породах изменили свой состав. Вследствие этого ГХ типы ПВ нередко называются генетическими.

Как известно, химический состав воды принято выражать в ионной форме: мг/дм³ (г/дм³), ммоль/дм³ (моль/дм³) и %-моль. Солевая форма используется довольно редко. Это связано отчасти с тем, что основным состоянием вещества в ПВ являются не соли, а растворенные ионы и комплексные соединения. Вместе с тем показ состава ПВ в виде солевых ассоциаций позволяет лучше разобраться в источниках вещества в них. Особенно полезен он при участии процессов растворения и выщелачивания, когда химический состав ПВ отвечает составу растворяемой породы. Пересчет анализов из моль/дм³ или %-моль в солевую форму производится по способу Р. Фрезениуса [7], основанном на растворимости солей.

В осадочном чехле Волго-Уральского нефтегазоносного бассейна мощностью до 5-8 км и более выделяется два гидрогеологических этажа, разделенных кунгурской соленосной толщей. Верхний этаж, сложенный в основном пермскими отложениями, состоит из четырех ГХ зон О₂-N₂ (N₂) относительно маломинерализованных вод:: 1) HCO₃-Ca, 2) HCO₃-Na, 3) SO₄-Ca и 4)  SO₄-Na (рис. 1). С соленосной формацией кунгурского яруса связана ГХ зона 5) Cl-Na-Mg CH₄-N₂ рассолов. Нижний этаж (карбон, девон, венд, рифей) представлен ГХ зонами рассолов:  6) Cl-Na с H₂S-CH₄-N₂ газами и 7) Cl-Na-Ca с N₂-CH₄ (СН₄) газами.

Рис. 1 - Гидрогеохимический разрез верхнего этажа Волго-Уральского бассейна [3]

1-5 – ГХ зоны, в скобках М (г/дм³): 1 – HCO₃-Ca (0,3-0,8 ), 2 – HCO₃-Na (0,5-1,5), 3 – SO₄-Ca (1-3), 4 – SO₄-Na (1,5-20), 5 – SO₄-Cl-Са-Na (15-40); 6 – водоупорные кунгурские соли; 7-8 границы: 7 – водоносных комплексов, 8 – ГХ зон; 9 – изолинии M SO₄-Na вод, г/дм³; 10 ‒ М воды в интервале опробования, г/дм³.

В основу статьи положены данные о составе ПВ, содержащиеся в работах В.Г. Попова [1-5 и др.]. Составлено 7 ГХ выборок общим объемом 210 анализов (по 30 на каждую ГХ зону). Из генетических соображений предпочтение отдавалось наиболее ˮчистымˮ ГХ представителям ПВ. Рассмотрим полученные результаты.

Зона HCO₃-Ca (Mg-Ca) ПВ с М 0,3-0,8  г/дм³ занимает самую верхнюю часть разреза (10-100 м), находящуюся в сфере атмосферных факторов и интенсивного водообмена. Она сложена терригенными и карбонатными породами пермского, неогенового и четвертичного возраста. ПВ относятся к слабовыраженному ГХ типу I, главными солями являются Ca(HCO₃)₂ (30-70%) и  Мg(HCO₃)₂ (30-45%), а второстепенными ‒ NaHCO₃, Na₂SO₄ и  NaCl (по 1-10%). На графике (рис. 2) фигуративные точки вод этого состава группируются вблизи диагонали нижнего квадрата.

Рис. 2 - График химического состава подземных вод Волго-Уральского бассейна

1-7 ‒ состав вод: 1 ‒  HCO₃-Ca (Mg-Ca), 2 ‒ HCO₃-Na, 3 ‒ SO₄-Ca, 4 ‒ SO₄-Na, 5 ‒ Cl-Na-Mg, 6 ‒ Сl-Na ,7 ‒ Cl-Na-Ca.

В формировании состава HCO₃-Ca вод принимают участие процессы углекислотного выщелачивания карбонатных и  алюмосиликатных пород согласно реакциям:

                СаСО₃ (известняк) + Н₂О + СО₂ = Са²⁺ + 2НСО₃^–,                             (1)

              СаСО₃·МgСО₃ (доломит) + СО₂ + 2Н₂О = Са²⁺ + Мg²⁺ + 4НСО₃^–,     (2)

        2CaAl₂Si₂O₈ (анортит) + 4CO₂ + 6H₂O = 2Al₂Si₂O₅(OH)₄ (каолинит) +

                                                             + 2Ca²⁺ + 4HCO₃^–.                                      (3)

При величине М 0,2-0,5 г/дм³ и концентрации НСО₃^‒ (150-300 мг/дм³) ПВ еще далеки от насыщения СаСО₃ и МgCO₃ (дефицит до 50%), т.е. сохранили агрессивность к породам. Причина этого ‒ низкие концентрации в ПВ СО₂ (20-30 мг/дм³), определяющего растворимость пород, небольшие пути движения ПВ и время нахождения их в породах.

Воды HCO₃-Ca (Mg-Ca) состава широко используются для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Основные запасы их заключены в четвертичном аллювиальном горизонте долин рек Волги, Камы, Белой, Уфы и др.

Зона HCO₃-Na ПВ (М 0,5-1,5 г/дм³) выделяется в глинистых терригенных осадках уфимского и казанского ярусов, залегающих в верхней части зоны затрудненного водообмена на глубине 100-150 м. В солевом составе ПВ доминирующая роль (до 95%) принадлежит NaHCO₃+Na₂CO₃, вследствие чего они относятся к хорошо выраженному ГХ типу I. На рисунке 2 значки этих вод расположены в верхнем левом углу нижнего квадрата, образуя обособленное ˮсодовоеˮ поле. Экспериментальным путем доказано [5], что образование ˮчистыхˮ содовых вод в Волго-Уральском бассейне вызвано обменно-адсорбционными процессами согласно реакции:

                        Ca⁺ + 2HCO₃^‒ + 2Na⁺ (адс.) Û 2Na⁺ + 2HCO₃^‒ + Ca²⁺ (адс.).     (4)

Верхний предел М содовых вод определяется М участвующих в реакции (4) HCO₃-Ca вод, т.е. зависит от содержания в них СО₂. При высоких концентрациях СО₂ (1000-3000 мг/дм³) М HCO₃-Na ПВ, образующихся за счет растворения СаСО₃ и катионного обмена, достигает 3-5 г/дм³ и более. Примером служат углекислые минеральные воды региона КМВ.

Зона SO₄-Ca ПВ  (М 1-3 г/дм³) связана с гипсами и загипсованными породами нижнепермского (кунгурского и уфимского) возраста, залегающими в пределах зоны интенсивного водообмена на глубине обычно до 100-150 м. Состав и М ПВ всецело определяются процессами растворения и выщелачивания гипсов. Мощность зоны ˂ 60-100 м (см. рис. 1). Среди солей преобладают CaSO₄ и MgSO₄, (до 85%), тогда как Ca(HCO₃)₂ ˂ 20, Na₂SO₄ ˂ 10, NaCl ˂ 5%.

SO₄-Ca воды Предуралья относятся к Краинскому типу минеральных питьевых вод и широко используются в качестве лечебно-столовых. Они могут быть как насыщенными, так и ненасыщенными сульфатами. Расчет сульфатно-кальциевого равновесия по методике В.П. Зверева [1] показал, что SO₄-Ca водам исследуемого бассейна присущ главным образом первый тип сульфатно-кальциевого равновесия. Он заключается в том, что при величине М 2,2-3,0 г/дм³ молярные концентрации кальциевого и сульфатного ионов равны (rCa²⁺  rSO₄^2‒). Учитывая высокую скорость растворения CaSO₄, наличие ненасыщенных сульфатами вод может быть объяснено кратковременным пребыванием инфильтрационных вод в гипсах или же процессами смешения SO₄-Ca вод с пресными НСО₃-Са водами.

Зона SO₄-Na ПВ (М 1,5-20 г/дм³) мощностью до 300 м развита в загипсованных песчаниках уфимского яруса, залегающих в зоне затрудненного водообмена. Содержание специфической соли Na₂SO₄ в ПВ достигает 80%. Подчиненное положение занимают Ca(HCO₃)₂, МgSO₄ и NaCl. Сульфатные ПВ этой и вышележащей зон  относятся к ГХ типу II. Они находятся в нижней части нижнего квадрата (см. рис. 2), что объясняется одним источником поступления в них сульфатов (гипсы).

Образование SO₄-Na ПВ окончательно не выяснено. Опытным путем [3] установлено, что накопление в ПВ Na₂SO₄ происходит за счет растворения гипса и обмена Ca²⁺ воды на адсорбированный глинистыми минералами Na⁺:

                         Са²⁺ + SO₄^2‒ + 2Na⁺ (адс.) Û 2Na⁺ + SO₄^2‒ + Сa²⁺ (адс.).        (5)

SO₄-Na ПВ принадлежат к Иаскараенскому типу минеральных вод (Венгрия). В исследуемом регионе в лечебных целях они используются пока еще крайне ограниченно.

Cl-Na-Mg рассолы (М 230-510 г/дм³) встречаются в Соликамской, Бузулукской и Прикаспийской впадинах. Они представляют собой включения солеродной рапы в кунгурских солях. Относятся к ГХ типу IIIб, в солевом составе ПВ присутствуют исключительно хлориды (%-моль): MgCl₂ ‒ 30-90, NaCl ‒ 10-30, CaCl₂ ‒ 5-30. Две первые соли заимствуются из исходной маточной рапы, а CaCl₂ образуется при взаимодействии Cl-Na-Mg рапы с породами.

Зона Cl-Na рассолов (М 36-320 г/дм³) мощностью до 1500 м выделяется в карбонатных нижнепермских, верхне- и среднекаменноугольных отложениях. Рассолы образуются за счет процессов выщелачивания каменной соли и частичного смешения с седиментационными рассолами нижележащей ГХ зоны [4, 6]. ГХ тип рассолов ‒  IIIб (хлор-кальциевый), в солевом составе их доминирует NaCl (85-95%), а СаСl₂ ˂ 15-20%.

С рассолами Сl-Na состава связаны небольшие скопления нефти и газа образовавшиеся главным образом за счет всплывания углеводородов из продуктивных комплексов нижнего карбона и девона [2]. Исключение представляют нефтяные месторождения Предуральского прогиба (Введеновское, Грачевское, Ишимбайское и др.) в нижнепермских рифовых массивах. К настоящему времени они почти полностью выработаны.

Сl-Na рассолы, в газовом составе которых присутствует Н₂S, широко используются в санаториях и профилакториях для бальнеологических целей (Уфа, Красноусольск, Ключи, Октябрьский, Стерлитамак и др.). Рассолы этого типа имеют широкое распространение и большие запасы.

Зона Cl-Na-Ca рассолов (М 200-350 г/дм³) ГХ типа IIIб охватывает терригенно-карбонатные комплексы нижнего карбона, девона и позднего протерозоя, находящиеся в условиях застойного режима. Содержание CaCl₂ достигает 60%, NaCl 30-60, MgCl₂ 5-10%. Рассолы обогащены йодом (до 20 мг/дм³) и бромом (до 2500 мг/дм³). Они используются для бальнеолечения в санаториях ˮУсть-Качкаˮ, ˮЮжарланнефтьˮ и др. В промышленных целях (для извлечения брома и йода) они добываются из комплексов девона и карбона на Краснокамском месторождении в Пермском крае.

С Cl-Na-Ca рассолами связаны наиболее крупные нефтяные месторождения (Ромашкинское, Шкаповское, Арланское и др.). Они залегают в терригенных толщах нижнего карбона и девона, залегающих на глубинах соответственно 1200-1400 и 1600-1800 м в пределах Волго-Уральской антеклизы и более 3000 м в Предуральском прогибе. Эти толщи считаются нефтематеринскими. Из них происходит миграция углеводородов в вышележащие горизонты палеозоя, в результате чего образуются многопластовые нефтегазовые месторождения [2].

Исследования [4, 6] показали, что рассолы Cl-Ca типа связаны с процессами плотностной конвекции Сl-Na-Mg маточной рапы кунгурского солеродного бассейна в подстилающие комплексы палеозоя, смешением с находящимися в них рассолами и процессами доломитизации известняков:

2CaCО₃ (известняк) + Mg²⁺ + 2Cl^‒ = СаСО₃·MgCO₃ (доломит) + Ca²⁺ + 2Cl ^‒.(6)

Реакция (6) протекает при участии диффузии и поэтому реализуется в масштабах геологического времени. Природа рассолов ‒ седиментогенно-эпигенетическая [4, 6]. На рисунке 2 хорошо видны различия катионного состава хлоридных рассолов и близость их анионного состава. Соответствующие им фигуративные значки образуют непрерывную линию в нижней части верхнего квадрата. Такое положение на графике рассолов трех нижних ГХ зон объясняется их общей принадлежностью к IIIб (хлор-кальциевому) типу, но выраженному в разной степени. Поэтому содержание СаСl₂ в рассолах увеличивается по мере удаления от левого нижнего угла квадрата. Общим для всех ГХ разновидностей рассолов служит связь с соленосными породами.

Библиографический список

1. Зверев В.П. Гидрогеохимические исследования системы гипсы-подземные воды. М.: Наука. 1967. 99 с.
2. Лозин Е.В. Глубинное строение и нефтегазоносность Волго-Уральской области и смежных территорий // Литология. 2002. № 3. С. 46-68.
3. Попов В.Г. Формирование сульфатных натриевых вод Волго-Камского артезианского бассейна // Отечественная геология. 1985. № 10. С. 115-124.
4. Попов В.Г. Роль катионного обмена в формировании рассолов Предуралья // Отечественная геология. 1986. № 9. С. 112-119.
5. Попов В.Г. Роль ионообменной адсорбции в формировании содовых вод Волго-Камского бассейна // Отечественная геология. 1987. № 12. С. 105-112.
6. Попов В.Г. Литолого-гидрогеохимическая роль плотностной конвекции в седиментационных бассейнах с галогенными формациями // Литология и полезные ископаемые. 2000. № 4. С. 413-420.
7. Посохов Е.В. Ионный состав природных вод. Генезис и эволюция. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 256 с.

1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
   
2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
   
3. Комплексное использование природных ресурсов
   
4. Современные вопросы геологии
   
5. Физика горных пород
   
6. Новые технологии в природопользовании
   
7. Применение современных информационных технологий
   
8. Экономические аспекты недвижимости
   
9. Мониторинг использования объектов недвижимости
   
10. Топографо-геодезическое обеспечение кадастровых работ