Токаренко О. Г.

ТомПУ,кафедра гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии, аспирант 

Научный руководитель: д.г.-м.н., проф. Шварцев С.Л., к.г.-м.н., доц. Копылова Ю.Г.

ИЗОТОПНЫЙ СОСТАВ МЕТАНОВЫХ МИНЕРАЛЬНЫХ ВОД КУЗБАССА

Территория Сибири представляет собой крупнейшую нефтегазоносную и угледобывающуюпровинции России. Сибирский регион богат большим разнообразиемминерально-сырьевого ресурса, имеющего бальнеологическое, промышленное иэкономическое значение. Из пяти провинций минеральных вод, выделяемых впределах России, на территории Сибири развиты четыре: 1. Провинция азотных,азотно-метановых и метановых вод артезианских бассейнов; 2. Провинция углекислыхвод горно-складчатых областей; 3. Провинция азотных щелочных термальных вод; 4.Провинция сероводородных вод. Наиболее широкое распространение имеют азотные,азотно-метановые и метановые воды. Надо сказать, что эти воды локализованы, какправило, в пределах крупных артезианских бассейнов платформенного типа −Западно-Сибирского и Восточно-Сибирского, в которых имеют региональноераспространение и пластовый характер циркуляции.

На территории Кузбасса наиболее обширную площадьраспространения имеют так же азотно-метановые воды, которые занимают порядка50% всей территории Кемеровской области. Основными представителями данного типавод являются воды Борисовского и Березовоярского месторождений Крапивинского района. ТерриториальноБорисовское месторождение минеральных вод расположено в 1,5 км от северо-восточнойокраины с. Борисово и принадлежит Крапивинскому району Кемеровскойобласти. В 35 км в северо-восточномнаправлении  находится Березовоярскоеместорождение минеральных вод. Месторождения имеют схожие гидрогеологическиеусловия, по химическому составу воды гидрокарбонатные натриевые ихлоридно-гидрокарбонатные натриевые [6].

Вместес тем, условия формирования химического состава данного типа подземных вод внастоящее время не до конца изучены. В связи с этим целью данной работыявляется изучение источников поступления элементов, определяющих тип вод,установление генезиса вод, а также источников и путей поступления метана напримере Борисовского и Березовоярского месторождений. Для определения временипребывания (возраста) минеральных вод анализировался изотопный состав дейтерия(²Н или D) и кислорода-18 (¹⁸О). В целях оценки среднегодовыхтемператур воздуха в области питания минеральных вод исследовался тритий (³Нили Т). По возможности также  былиизучены изотопы углерода (¹³С), входящие в состав гидрокарбонат-иона,для установления его генезиса.

В основу работы положены данные изотопных исследований,любезно предоставленные ОАО «Томскгеомониторинг» (Борисовское месторождение), атакже результаты собственных исследований автора. Отбор проб проводился по методике,разработанной лабораторией изотопных и ядерно-физических методов ВСЕГИНГЕО.Пробы  анализовались в лабораторииизотопных и ядерно-физических методов во ФГУП «НТЦ ВСЕГИНГЕО» (г.Москва).

Пробы наизотопный анализ углерода гидрокарбонат-иона отбирались на устье скважинметодом вакуумной дегазации, а очищение и подготовка к анализу – методомдвойной вакуумной дистилляции. Изотопный состав дейтерия и кислорода, как иуглерода, определялся, масс-спектрометрическим методом на реконструированныхприборах МИ–1201В. Результаты анализов приводятся в относительныхδ-величинах, которые определяются следующим образом [4]:

δ = [(R_пр–R_ст)/R_ст]· 1000 ‰,

гдеR_пр и R_ст – отношение содержаний тяжелого и легкогоизотопа (²Н/¹Н или ¹⁸О/¹⁶О) висследуемой пробе и стандарте, измеренное масс-спектрометром. В этом случаеδ – величина показывает, на сколько промилле проба обеднена (δ<0)или обогащена (δ>0) тяжелым изотопом относительно стандарта (δ=0).Данные по содержанию в исследуемой воде дейтерия и кислорода–18 указаныотносительно международного венского стандарта среднеокеанической воды(V–SMOW), для которого по определению δD = 0‰ и δ¹⁸О = 0‰.Абсолютная погрешность определения величин δD и δ¹⁸Осоставляла ±2‰ и ±0,1‰ соответственно. Для измерения удельных активностейтрития был использован бета спектрометрический метод низкофонового жидкостногосцинтилляционного счета [4].

Согласно исследованиям (табл. 1), распределениетрития в Борисовских водах обнаруживает тенденцию снижения концентраций сглубиной: от максимальных (24-38 ТЕ) в речной воде до минимальных (<1 ТЕ) вскв. № 11бис. В скв. №11н на глубине 40-60 м его концентрации составляют 19-22 ТЕ.Самое низкое содержание ³Н в речной воде (24 ТЕ) установлено в концезимнего времени года, когда доля собственно атмосферных осадков и «свежих»инфильтрационных вод в поверхностном стоке минимальна.

Таблица 1 Изотопный состав минеральных  метановыхвод Кузбасса

В соленой (8 г/л) гидрокарбонатно-хлоридной воде скв.№16к содержание трития также изменяется в зависимости от глубины. Более высокоесодержание зафиксировано в пробе, взятой с глубины 0,5 м, а меньшее  – с глубины 3 м.

В целом, характерраспределения в вертикальном разрезе в минеральных водах говорит оинфильтрационном происхождении последних. Если исходить из начальныхконцентраций 30-40 ТЕ (в атмосферных осадках прошлых лет), то возрастминеральных вод в скв. №11 и 11бис следует оценить не менее, чем в 3-4 периодаполураспада (37-49 лет). Согласно этому, минимальный возраст воды в скв. №11(при содержании трития 4-7 ТЕ) в зависимости от расчетной модели можетсоставлять 50-800 лет [8]. В сравнении с последними Березовоярские водыявляются более молодыми и по возрасту не превышают 100-200 лет, что в целомсоответствует возрасту вод современного питания. 

Изучение стабильныхизотопов водорода (dD)и кислорода (d18О) позволилоустановить, что фигуративные точки речных (р.Митиха) и неглубоких подземных вод(скв. №11н и 110бис) группируются вдоль прямой Крейга, а минеральных гидрокарбонатныхнатриевых (скв. №№11 и 11бис) – в непосредственной близости от неё (рис. 1).

Наблюдаемоераспределение стабильных изотопов позволяет сделать вывод о том, чтоминеральные гидрокарбонатные натриевые воды, также как речные инеглубокозалегающие подземные воды имеют метеорное происхождение. В отличие оттех и других гидрокарбонатно-хлоридные воды, вскрытые скв. №16к,характеризуются значительным кислородным «сдвигом». По сравнению с подземнымиводами гидрокарбонатного типа они значительно обогащены не только тяжелымиизотопами кислорода, но и водорода. По изотопному составу они похожи на водынефтегазоносных комплексов Западной Сибири, для которых значения dD и d18О варьируют впределах –120 ¸–60‰ и –14 ¸–5‰, соответственно [5]. «Утяжеленный» изотопный состав свидетельствует об участиив их формировании (особенно применительно к хлоридной составляющей)таласогенных  вод [8]. На этом основании,незначительное правостороннее смещение (относительно линии Крейга) фигуративныхточек минеральных НСО3-Na вод (скв.№№11 и 11бис) тоже можно интерпретироватькак остаточный след седиментогенных вод.

Рис.1  График зависимостиизотопного состава кислорода (d¹⁸O) от водорода (dD) подземных и поверхностныхвод месторождений метановых минеральных вод Кузбасса

Области изотопного состава: 1 – речные воды;2 – области изотопного состава подземных вод Борисовского месторождения (2 –скв. 11 и 11бис, 3 – скв. 11н,  4 – скв.16к); 5 – линия средних значений изотопного состава метеорных и поверхностныхвод земного шара (функция Г. Крейга, dD= 8×d¹⁸O+10‰); 6 – гипотетическаялиния смешения соленых и пресных подземных вод; 7 – скв.110бис Березовоярскогоместорождения.

Для установлениягенезиса δ13С, входящего в состав HCO3-, который фоpмиpуетcя за счет CО2 игидроксильной группы ОН-, а также в состав углекислого газа и метана был изученего изотопный состав. Геохимическая аномалия Борисовского месторождения связанас зоной тектонической трещиноватости, тяготеющей к глубинному разлому, впределах которой сформировались минеральные воды, на что указывают данныеизотопного анализа углерода (табл. 2).

Таблица 2   Изотопный состав водорастворенного углеродаметановых вод [6] с дополнениями

Как видно из таблицы,гидрокарбонат-ион и углекислота Борисовской минеральной воды обогащены тяжелымиизотопами углерода до значений δ13С = –4,1 и –3,9‰ соответственно,что указывает на эндогенный источник СО2. В образовании типичных содовых водрегиона участвует хоть и изотопно тяжелая, но биохимическая углекислота [7],образованная в результате разложения углей. Также не исключено, чтопроисхождение метана связано с разложением растворенных органических веществ идревними нефтегазогенерационными процессами. Не стоит забывать, чтозначительную роль в процессах метанообразования могут играть и метанобразующиебактерии, которые в исследуемых минеральных водах имеют широкоераспространение.

В отличие отБорисовских, гидрокарбонат-ион Березовоярских вод значительно обогащен δ13Сдо значений +0,1–(+0,7‰). По сравнению с поверхностными водами земного шара, вкоторых присутствует легкий δ13С с содержанием около –12,4‰, в составеминеральных вод принимает участие δ13С его более тяжелая форма. Подобныезначения углерода могут говорить лишь об эндогенном (глубинном) источникепроисхождении углерода.

В работе [7], приведенызначения δ13C метана для подземных вод Ерунаковского района южной частиКузбасса, которые колеблются в пределах от –51 до –38‰. Легкий состав δ13Cавторами в этом случае интерпретируется как генетичеcки cвязанный c углямиcpедней cтадии метамоpфизма. Извеcтно, что в пpоцеccе метамоpфизацииоpганичеcкого вещеcтва происходит фpакциониpование изотопов углерода: болеелегкие концентpиpуютcя в метане, более тяжелые – в углекислом газе [3]. Всоответствие с этим, в виду схожести гидрогеологических условий Березовоярскогоместорождения и прилегающей к нему территории Ерунаковского района, можнопредположить, что источником поступления метана в Березовоярских минеральныхводах служат в большинстве своем угольные породы осадочного угленосногобассейна (δ13CCH4>40‰). Однако данный вывод не является однозначным итребуется постановки дополнительных исследований изотопов 13С, входящего всостав непосредственно метана.

Таким образом, на основеанализа изотопного состава метановых минеральных вод установлено их метеорноепроисхождение. В формировании состава Борисовских вод, вероятно, участвуют водыдвух генетических типов: молодые, но уже достаточно долго взаимодействующие сгорными породами, гидрокарбонатные натриевые и весьма древние хлоридныенатриевые, вероятно, талассогенные воды, эпигенетичные по отношению к вмещающимпородам (поступившие из глубоких горизонтов в результате элизионного отжатияили под действием геотектонических напряжений). В формировании Березовоярскихвод участвуют более молодые инфильтрационные воды. 

Информационные источники

1.Аникин А.И., Людвиг В.М., Шварцев С.Л. Геохимия подземных воддавсонитоносных пород Березовоярского участка (Кузбасс) // Обской вестник. –2001. – № 1. – C. 65–69.

2.Галимов Э.М. Геохимия стабильных изотопов углерода. – М.: Недра, 1968. – 226с.

3.Дубинчук В.Т., Поляков В.А., Корниенко Н.Д. Ядерно-геофизические методы вгидрогеологии и инженерной геологии. – М.: Недра, 1988. – 223 с.

4.Есиков А.Д., Нелюбин В.В., Чешко А.А. Изотопный состав вод как показатель нефтегазонакопленияв осадочных бассейнах (на примере Западно-Сибирского мегабассейна) // Гидрогеологическиеособенности нефтегазонакопления в ловушках. – СПб.: ВНИГРИ, 1991. – С. 111–120.

5.Токаренко О.Г. Равновесие минеральных вод Кузбасса с алюмосиликатными минералами // География, геоэкология, геология: опытнаучных исследований: Материалы V Международной научной конференциистудентов и аспирантов. – Днепропетровск, 2008. – С. 113–117

6.Шваpцев C.Л и др. Гидpогеология Еpунаковcкогоpайона Кузбаccа в cвязи c пpоблемой обpазования pеcуpcов и добычи угольногометана // Геология и геофизика. – 2006. – т. 47. – № 7. – С. 881–891

7.Шинкаренко В.П. и др. Переоценка эксплуатационныхзапасов Борисовского месторождения минеральных вод. – Книга I. Текст отчета. – Томскгеомониторинг, Томск, 2005. – 177 с.