МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ИНВЕРСИОННОЙ ГЕОХИМИЧЕСКОЙ ЗОНАЛЬНОСТИ ПОДЗЕМНЫХ ВОД В ГЛУБОКИХ ГОРИЗОНТАХ НЕФТЕГАЗОВЫХ СТРУКТУР
© 2003 г. С. Р. Крайнов*, Б. Н. Рыженко**, Ю. С. Павлов*
*Всероссийский научно-иследовательский институт гидрогеологии и инженерной геологии 142452 Московская обл.. Ногинский р-он, пос. Зеленый **Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991 ГСП-1 Москва, ул. Косыгина, 19 Поступила в редакцию после доработки 06.03.2002 г.
На основании синтеза эмпирических природных материалов с термодинамическим компьютерным моделированием геохимических процессов в системах "порода-вода" при различных граничных условиях (Т : Ж отношения, Рс, температура) определены причины формирования инверсионной
геохимической зональности в глубоких горизонтах нефтегазоносных структур. Исходным субстратом для формирования инверсионных вод являются маломинерализованные (менее 10 г/л) связанные и дегидратационные воды С1-№ и НС03-№ состава, отжимаемые из пород глубоких горизонтов в условиях высоких геостатических давлений и температур.
Установлено, что важнейшее значение в формировании геохимического облика инверсионных вод имеет изменение ЕЬ-рН состояний исходных вод под влиянием органических веществ пород и увеличения температур в условиях низких Т : Ж отношений и Рсо, не превышающих Ю-2 бар. При температурах до 50°С формирование геохимических особенностей инверсионных вод (высокая карбо-натность, снижение концентраций кальция и сульфатов) является результатом их направленной окислительно-восстановительной метаморфизации под влиянием органических веществ пород. Генетической основой такой метаморфизации является снижение ЕЬ и соответствующее увеличение рН до значений более 8.5, приводящее к выведению кальция из исходных вод и инициирующее в них процессы сульфатредукции. Важнейшим фактором формирования геохимического облика инверсионных вод является температура: оптимальный диапазон 75-100°С. В этом диапазоне температур происходит трансформация сульфатных форм серы в ее сульфидные формы, которые переводят гидрогеохимические системы инверсионных вод в область низких ЕЬ и высоких рН, где сохранение высоких концентраций Са2+ невозможно. При более высоких температурах происходит образование углеводородов и метаморфизация НС03-С1~Ыа и С1-НС03-№ вод в бессульфатные и бескарбонатные С1-№ воды.
Увеличение температуры выше 100°С имеет своим следствием не только снижение ЕЬ, но и снижение рН, геохимический эффект которого проявляется в росте концентраций кальция в водной фазе и соответствующих трансформациях С1-Ыа вод в С1-№-Са рассолы с преобладанием СН4 и Н2 в газовом составе. Следовательно, при формировании геохимической зональности подземных вод в глубоких гидрогеологических структурах объективно реализуются два основных направления прямой метаморфизации: кальциевое (при исходных соотношениях в воде 2т 2- > т + 2т : ) и
Сд нсо^ со3
содовое-карбонатное (при исходных соотношениях в воде т + 2т 2- > 2т ).
Сущность явления геохимической инверсии подземных вод заключается в том, что в глубоких горизонтах земной коры происходит смена высокоминерализованных (минерализация 100-250 г/л) кислых рассолов на гораздо менее минерализованные (минерализация менее 35 г/л) щелочные высококарбонатные воды С1-НС03-ГЧа и даже НС03-С1-Ка состава.
Формирование инверсии в глубоких гидрогеологических структурах - это уже давно обсуждае-
мая в гидрогеологии и геохимии проблема, по-прежнему далекая от разрешения. Она имеет не только теоретическое, но и важное прикладное геохимическое значение, поскольку высококарбонатные инверсионные воды в глубоких структурах являются поисковым признаком углеводородов, а в ряде структур с аналогичными в геохимическом отношении подземными водами связано формирование месторождений фтора, мышьяка, сурьмы, ртути и других низкотемпературных месторождений.
Инверсионные воды обладают совершенно уникальным составом. При обычных содержаниях НС03 в классических натриевых и кальциевых
рассолах менее 400 мг/л, обычные суммарные
- 2-
концентрации НС03 + С03 в инверсионных водах составляют несколько г/л, но могут достигать
20-30 г/л [1-4] (табл. I)1. Другие особенности этих вод: частая бессульфатность или минимальные (сравнительно с карбонатными) содержания
804 , минимальные концентрации кальция, присутствие высоких концентраций иода, бора, аммония. Последнее свидетельствует о том, что окислительно-восстановительный потенциал инверсионных вод должен быть низким (отрицательные значения ЕЬ).
Впервые инверсия химического состава подземных вод в нефтегазоносных структурах с гидрогеохимических позиций была рассмотрена в классических работах В.А. Сулина [5, 6], которым в таких структурах были выделены два геохимических типа подземных вод - хлоркальцие-вый и гидрокарбонатный. В то время формирование инверсионных зон еще считалось частным локальным гидрогеохимическим явлениям: оно было известно только в ряде нефтегазовых структур альпийского возраста (Восточно-Пред-кавказские артезианские бассейны, Куринская впадина, Западно-Туркменский бассейн и ряд других структур альпийского возраста). Но в последние 10-20 лет благодаря результатам глубокого бурения инверсионная зональность из частных случаев превратилась в глобальное явление, которое свойственно большинству структур земной коры. Глобальному пониманию этого гидрогеохимического явления особенно способствовали работы Ю.А. Ежова [7, 8], И.А. Лагуновой [9], В.В. Колодия [4, 10], Л.Н. Капченко [11]. Перечисленные исследователи далеко не однозначно трактуют распространение инверсионных геохимических зон в глубоких структурах.
Различные подходы к формированию инверсионных вод породили существование самых разнообразных гипотез их генезиса (табл. 2). Но все эти гипотезы имеют только качественное обос-
1 При рассмотрении этих анализов подземных вод с такими
2-
высокими концентрациями НС03 + С03 надо иметь в виду, что в отечественной практике за концентрации НС03
принимают так называемую "титруемую щелочность", которая представляет собой сумму анионов слабых кислот (угольной, кремневой, борных, нафтеновых и пр). В американской практике эта сумма точнее называется alkalinity. Но надо иметь в виду и то, что в сумме титруемых анионов слабых кислот в реальных подземных водах с околонейтральной реакцией на 90-95% преобладают карбонатные анионы. При более высоких значениях рН могут сказываться и другие анионы (силикатные и пр.). .
нование - это не что иное, как только предположения. Так, Ю.А. Ежов [7, 8], И.А. Логунова [9] полагают, что формирование инверсионных зон маломинерализованных высококарбонатных вод в глубоких горизонтах - это региональная глобальная геохимическая закономерность, свойственная областям интенсивного прогибания и накопления мощных осадочных толщ, особенно характерная для альпийских краевых прогибов и межгорных впадин с их высокими геотермическими градиентами и аномально высокими пластовыми давлениями. Из работ этих исследователей вытекает, что формирование минерализованных подземных вод и их геохимическая зональность не завершаются формированием высокоминерализованных хлоридных вод, а продолжаются образованием в более глубоких горизонтах вначале
С1-Ыа вод с повышенными содержаниями НС03, а затем и образованием уже чисто С1-НС03-Ыа и НС03-С1-Ма все менее минерализованных вод. По данным этих авторов, формирование инверсии -это непременное и обязательное следствие геолого-исторического и геотермического развития глубоких структур земной коры. В работах В.В. Колодия [10] дается иная трактовка распространения зон инверсии: по его мнению, менее минерализованные высококарбонатные инверсионные воды, хотя и распространены глобально в большинстве нефтегазоносных структур, но в своем распространении в этих структурах они локальны и генетически связаны со скоплениями нефтяных и газовых углеводородов. М.Г. Валяшко [12] связывал формирование химического состава высококарбонатных инверсионных вод ("карбонатных" по его терминологии) с так называемой "обратной метаморфизацией", которая заключается в определенных последовательных геохимических трансформациях предварительно разбавленных морской воды и рассолов С1-№-Са и С1-Са-№ состава. Но в работах М.Г. Валяшко было только качественное решение проблемы, хотя отдельные его ученики на основе экспериментальных исследований достаточно близко приблизились к ее количественному решению [13].
Возможности количественного решения этой проблемы появились только в последнее десятилетие в связи с внедрением в теорию и практику геохимических исследований методов термодинамического моделирования геохимических процессов. Эксперимент здесь оказывается скорее бессильным, в связи со значительной длительностью формирования химического состава инверсионных вод (это миллионы лет), многофакторностью и необходимостью разработки критериев подобия. Термодинамическое моделирование геохимических процессов позволяет избежать этих трудностей, поскольку позволяет учесть время через достижение гидрогеохимическими сис-
Таблица 1. Химический состав высококарбонатных инверсионных подземных вод нефтегазоносных структур Альпийских краевых прогибов и межгорных впадин (использованы материалы [1-3] и Л.С. Балашова)
Артезианский бассейн
Предкавказский
Структура, Площадь
Кумекая
Ахтырская
Кипячая
Саратовская
Глубина опробования
Горизонт
Температура
Компоненты и показатели, мг/л
Ш4
К
N3
Мё
Са
С1
Вг
1
804
НС03 + С03
рн
Формула химического состава
579-919 Сг2
12.5 22.4 5044.1 121.0 24.4 3008.9 15.96 2.78 51.0 7977
2299-2432
Р81
85
42 46.2 4467.1
4.5 23
3783.3 103.1 19.1 9.9 5497
7.6
М
(НС03 + С03)62.2С136.8
16.3"
Иа95
М
14.1
С153.6НС0344 Иа97.5
М
13.9"
1949-2092
Кумский 75
42 47.1 4640 1.9 16.8 4797.3 70.3 11.8 9.0 4166.1 7.5
С165.7НС0332.4 N<197.8
2860-2880
Майкопский 114
3.6
2981.6
6.0 10.0 2021.2 29.0 12.7 51.0 3793
М
С143.6НС0340 (Иа + К)99
8.9"
Артезианский бассейн
Крымский
3 ападно-Туркменский
Структура, Площадь
Чонгелек
Машкеревская
Котур-Тепе
Небит-Даг
Глубина опробования
Гориз
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.