УДК 556.31

Геохимические особенности и формирование подземных сероводородных вод Предуралья

Вербовская В.А., Омельченко О.В., студентки 4-го курса

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

Выполнена геохимическая типизация сероводородных вод Предуралья. Показано, что наиболее благоприятные условия для биохимического образования H₂S создались в карбонатных нижнепермских отложениях, вмещающих большие запасы сероводородных вод. Особое внимание уделено бальнеологическому использованию их в Башкортостане и Пермском крае.

К сероводородным (сульфидным) водам относятся природные растворы, в газовом составе которых, помимо молекулярного сероводорода H₂S, присутствует гидросульфидный ион HS^‒. Соотношение между ними определяется величиной рН: Н₂S = Н⁺ + НS^–. При величине рН = 7 концентрации Н₂S и НS^– примерно равны. В щелочной (рН > 8) и кислой (рН < 6) средах сульфиды в воде находятся соответственно в форме гидросульфида и молекулярного сероводорода. В бальнеологическом отношении сульфидные воды – это очень ценная группа минеральных вод [2, 7]. Общее содержание сульфидов Н₂S_общ = Н₂S + HS^– в них должно быть ˃ 10 мг/дм³. В зависимости от концентрации Н₂S_общ сероводородные воды подразделяются на слабые (10–50 мг/дм³), средней концентрации (50–100 мг/дм³), крепкие (100–250 мг/дм³) и очень крепкие (> 250 мг/дм³).

Предуралье является одной из наиболее крупных провинций сульфидных подземных вод [1, 2, 6‒10]. Мощность соответствующей гидрогеохимической зоны, связанной с нижнепермскими и каменноугольными отложениями, здесь почти повсеместно ˃ 1000 м, а в Предуральском прогибе достигает 1600 м. Минерализация (М), ионно-солевой и микрокомпонентный состав вод, содержание в них сульфидов отличаются разнообразием. Особенно изменчивы гидрогеохимические показатели нижнепермского (ассельско-артинского) комплекса, являющегося первым от поверхности регионально развитым коллектором сульфидных вод (рис.). По химическому составу и величине М в нем заключены три основных типа вод: сульфатный кальциевый (магниево-кальциевый) (М 3–5 г/дм³), сульфатно-хлоридный кальциево-натриевый (натриевый) (М 5–36 г/дм³) и хлоридный натриевый (М ˃ 36 г/дм³).

Рис. – Карта распространения сульфидных вод в нижнепермских отложениях Предуралья [1, 6]

1–3: химический состав вод: 1 – SO₄-Mg-Ca, 2 – SO₄-Cl-Cа-Na, 3 – Cl-Na; 4–7 – М, г/дм³: 4 – 3,0–5, 5 – 5–36, 6 – 36–150, 7 – 150–330; 8 – границы вод различного состава; 9 – границы распространения солей в Предуральском прогибе; 10 – тектонические границы. Своды: I₁ – Пермско-Башкирский, I₂ – Татарский, I₃ – Камский. Впадины: II₁ – Бельская, II₂ – Юрюзано-Сылвинская, II₃ – Соликамская, II₄ – Верхне-Печорская, II₅ – Бирская, II₆ – Верхне-Камская, III₁ – Косьвинско-Чусовская седловина; IV – моноклинальный склон платформы; V₁ – западный склон Урала; V₂ – Каратауский структурный комплекс; V₃ – Полюдовский структурный комплекс.

Сульфатные кальциевые (магниево-кальциевые) относительно маломинерализованные воды (М 3‒4 г/дм³) распространены главным образом на Пермско-Башкирском своде (табл., проба № 1). Залегают неглубоко (до 300 м) и образуются за счет растворения гипсов, содержащихся в виде прослоев и включений среди известняков и доломитов. Концентрация H₂S обычно ˂ 150‒200 мг/дм³. В геохимическом и бальнеологическом отношениях воды близки к известным Кемерийскому и Сергиевскому типам минеральных вод [7].

Сульфатно-хлоридные (хлоридно-сульфатные) натриевые воды установлены на Татарском и Пермско-Башкирском сводовых поднятиях (пробы №№ 2‒5). Здесь они залегают примерно на тех же глубинах что и сульфатные, но имеют более высокую М (до 42 г/дм³). Концентрация сульфидов в них составляет 62–275 мг/дм³. В небольших концентрациях в водах встречается бром (19–21 мг/дм³). Натрий и хлор, входящие в состав главных ионов, связаны с выщелачиванием включений каменной соли из сульфатно-карбонатных нижнепермских (артинских) пород.

Основным типом сульфидных вод нижнепермских отложений Предуралья является хлоридный натриевый (пробы №№ 6‒16). Воды этого типа распространены в регионе почти повсеместно, включая Предуральский передовой прогиб. Но условия залегания их зависят от структурных особенностей региона. На указанных сводовых поднятиях, а также в Юрюзано-Сылвинской впадине они залегают под сульфатно-хлоридными водами, а на всей остальной территории (моноклинальный склон платформы, Камский свод, Верхне-Камская, Бирская, Соликамская, Бельская впадины и др.) начинают разрез сульфидной гидрогеохимической зоны (см. рис.).

В первом случае (пробы №№ 6‒12) рассолы по величине М (28‒98 г/дм³) слабые с концентрациями H₂S 53‒585, брома – до 40, йода – до 2 мг/дм³. Величина отношения rNa/rCl составляет 0,9–1,0, что выше, чем у геохимического эталона – океанической воды (0,85). Во втором случае (пробы №№ 13‒16) М крепких хлоридных натриевых рассолов достигает 250–300 г/дм³. Содержание сульфидов варьирует от десятков до 1000 мг/дм³ и более, чаще всего 200–300 мг/дм³. В значительных количествах присутствуют бром (до 500 мг/л) и йод (до 12 мг/л), поэтому воды являются полиминеральными. Максимальные концентрации брома (до 800 мг/дм³) и йода (до 90 мг/дм³) встречены в хлоридных натриевых рассолах (M до 200–300 г/дм³) нефтеносных нижнепермских рифовых массивов Предуральского прогиба. Концентрация сульфидов в них достигает 1500 мг/дм³.

Хлоридные натриевые рассолы Предуралья образуются в результате процессов инфильтрационного выщелачивания соленосных пород нижнепермского возраста и частичного смешения с залегающими под ними рассолами хлоридного кальциево-натриевого состава. В образовании их также принимают участие процессы диффузионного переноса ионов натрия и хлора из соленосных нижнепермских пород [4, 6].

Таблица - Химический состав сульфидных вод Предуралья

Увеличение глубины залегания рассолов, сопровождается снижением их подвижности и увеличением содержания хлористого кальция. Концентрация сульфидов при этом постепенно уменьшается до полного исчезновения в хлоридных кальциево-натриевых (натриево-кальциевых) рассолах терригенных толщ нижнего карбона и девона. Так, если в верхнем и среднем карбоне на глубине 500‒800 м концентрация сульфидов в рассолах составляет в среднем около 300 мг/дм³, то в нижнем карбоне и девоне на глубине 1200–1800 м), она, как правило, не превышает десятков мг/дм³. М глубинных рассолов составляет 270–330 г/дм³, rNa/rCl – 0,4–0,7 (CaCl₂ до 40–60%), концентрация брома – 1000–2200 мг/дм³ (Cl/Br 80–300). Рассолы имеют седиментогенно-эпигенетическое происхождение и связаны с процессами плотностной конвекции солеродных рассолов из кунгурского палеоводоема [4], существовавшего в Предуралье около 260 млн. лет назад.

В существующих геологических и гидрогеологических условиях Предуралья ведущая роль в формировании сероводородных вод принадлежит процессам биохимического десульфирования, т.е. восстановления сульфатов углеводородами при участии сульфатредуцирующих бактерий:

Протекание реакции биохимической сульфатредукции, ведущей к образованию H₂S и накоплению его в подземных водах, определяются комплексом факторов, основными из которых являются следующие [2, 9, 10]:

1) наличие гипсово-ангидритовых пород и связанных с ними сульфатных вод, являющихся питательной средой для микроорганизмов;

2) наличие в отложениях органического вещества (битумы, нефть);

3) отсутствие или слабое развитие глинистых пород, обогащенных железом;

4) параметры среды обитания микроорганизмов (T, P, Eh, pH, М, состав и динамика подземных вод).

Благоприятными условиями для жизнедеятельности бактерий считаются: Т ˂ 80° С, Р ˂ 40 МПа, М воды ˂ 60 г/дм³, Eh –10…–430 мВ, pH – 5–8. При этом содержание сульфатов в водах должно быть ˃ 10 мг/дм³, а органических веществ в породах ˃ 0,01%. Высокое содержание кальциевых и магниевых солей в рассолах с М 80–280 г/дм³ подавляет развитие бактерий. Однако, при меньшей М они не испытывают угнетающего влияния двухвалентных катионов.

В Предуралье наиболее благоприятными условиями для образования сульфидов биогенным путем обладают воды нижнепермских и верхнекаменноугольных пород, в которых и наблюдаются наибольшие концентрации H₂S. Они обладают сульфатно-хлоридным и хлоридным натриевым составом, обогащены сульфатами и органическим веществом. Значения Eh и pH для них соответственно составляет –240…–360 мВ и 6–7, Т 10‒20° С, Р 5–9 МПа. В глубинных седиментационных рассолах современные процессы сульфатредукции сильно подавлены или не протекают вообще. Поэтому понятна причина отсутствия H₂S в хлоридных натриево-кальциевых бессульфатных рассолах, находящихся в обстановке застойного режима [3].

В Предуралье сероводородные воды для наружного использования добываются на Усть-Качкинском, Николоберезовском, Хазинском, Дюртюлинском, Уфимском, Октябрьском, Красноусольском, Стерлитамакском и других месторождениях. За исключением Октябрьского и Красноусольского месторождений, сульфидные воды приурочены к карбонатному ассельско-артинскому комплексу, который обладает наиболее благоприятными условиями для образования H₂S.

Одним из эталонов бальнеологических сульфидных вод, вошедшем в классификации лечебных вод [2, 7, 10], являются рассолы курорта “Усть-Качка” в Пермском Предуралье. Они получены из нижнепермских карбонатных пород с глубины 560 м и имеют следующий состав:

В Башкирском Предуралье этот тип очень крепких сульфидных рассолов установлен на Хазинском месторождении, на базе которого функционирует бальнеолечебница НГДУ “Южарланнефть”. Здесь рассолы выведены скважиной с глубины 425 м из сакмаро-артинских отложений. Химический состав рассолов отражен в формуле:

Важно отметить, что все здравницы, расположенные в Верхне-Камской и Бирской впадинах, по лечебному профилю являются комплексными. В них кроме сульфидных рассолов используются бромные (йодобромные) рассолы, а также сульфатные и хлоридно-сульфатные натриевые лечебно-питьевые воды [6].

В санатории “Зеленая Роща” (г. Уфа) сероводородные рассолы вскрыты скважинами на глубине 495‒530 м в гипсах, известняках и доломитах кунгурского и артинского ярусов. Химический состав вод описывается следующей формулой:

Особого внимания заслуживают Красноусольские сероводородные источники, служащие гидроминеральной базой одноименного курорта. Они находятся в восточном борту Бельской депрессии Предуральского прогиба. Воды слабощелочные (рН 7,4–8,4) хлоридные натриевые с М 2,5–69,0 г/дм³. Содержание сероводорода ˂ 80 мг/дм³. Высокая величина отношения rNa/rCl (1,0–1,05), низкие концентрации брома (1,2–6,3 мг/дм³), йода (0,005–0,02 мг/дм³) и бора (0,85–3,0 мг/дм³) указывают на инфильтрационное происхождение вод [3]. Один из источников имеет следующий состав:

В районах разработки нефтяных месторождений Предуралья нередки случаи образования сульфидных вод под влиянием не только природных, но и техногенных процессов. Так, на Туймазинском, Ромашкинском, Арланском, Куединском, Краснокамском и других месторождениях при использовании для поддержания пластового давления сульфатных вод в газовом составе пластовых рассолов появился H₂S в количестве до 300 мг/дм³. В г. Октябрьском Башкортостана на их базе действует санаторий-профилакторий. Сероводородные воды залегают на глубине 1345–1385 м в известняках и доломитах верхнего девона. Геохимические особенности рассолов иллюстрирует формула:

Приведенные в статье данные, касающиеся распространения, условий залегания, состава и образования сероводородных рассолов, позволяют сделать вывод о том, что они являются надежной базой расширения санаторно-курортной сети на территории Предуралья.

Библиографический список

1. Максимович Г.А., Шестов И.Н. Гидрогеохимия минеральных вод и грязей // Химическая география и гидрогеохимия Пермской области. Пермь, 1967. С. 128-146.
2. Плотникова Г.Н. Сероводородные воды СССР. М.: Наука, 1981. 132 с.
3. Попов В.Г. Геохимические особенности и возраст рассолов Волго-Уральского бассейна // Отечественная геология, 1994. № 2. С. 62-66.
4. Попов В.Г. Литолого-гидрогеохимическая роль плотностной конвекции в седиментационных бассейнах с галогенными формациями // Литология и полезные ископаемые, 2000. № 4. С. 413-420.
5. Попов В.Г. Роль плотностной конвекции в формировании гидрогеохимической зональности артезианских бассейнов // Водные ресурсы, 2002. Т. 29. № 4. С. 433-441.
6. Попов В.Г., Носарева С.П. Геохимическая зональность и происхождение рассолов Предуралья. Уфа: Гилем, 2009, 272 с.
7. Посохов Е.В., Толстихин Н.И. Минеральные воды (лечебные, промышленные, энергетические). Л.: Недра, 1977. 240 с.
8. Славянова Л.В. Минеральные и промышленные воды Волго-Уральской области. М.: Госгеолтехиздат, 1963. 94 с.
9. Щербаков А.В. Сероводород в подземных водах // Природа, 1980. №2. С. 43-49.
10. Яроцкий Л.А. Основные закономерности образования сероводородных вод // Вопросы формирования и распространения минеральных вод СССР. М.: Изд-во ВСЕГИНГЕО, 1960. С. 141-168.

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