В теории равновесной системы В.И. Вернадского [4] гидрогеологическое поле в комплексе природных физических полей рассматривается как специализированное многокомпонентное поле. Оно взаимодействует и поглощает своей средой многие характеристики других полей: гидрогеотермального, гидрогеодинамического, гидрогеохимического и т.д.
Говоря о суммарной составляющей гидрогеологического поля, мы исходим из того, что в процессе массопереноса вещества и энергии в литосфере основную роль играют тектоника и геофлюидальные системы. «Геофлюидальная система» [11 – 13] – есть сложная блочно-иерархическая (матрично-флюидальная) структура, элементами которой являются структурно-литологические блоки или их комплексы (стратиграфические, тектонические, морфоструктурные) и связующие их краевые динамически напряженные зоны (ДНЗ). При этом в масштабах земной коры геофлюидальные системы представляют собой «пирог» (породы) с «начинкой» (флюиды: жидкости, газы, гидротермы, расплавы и др.). Направленность и характер ДНЗ накладывают значимый отпечаток на структуру гидрогеодинамического поля, определяя, наряду с процессами отжатия седиментационных вод, формирование зон с догидростатическими и сверхгидростатическими пластовыми давлениями.
В настоящей статье представлены результаты исследования одного из сложнейших районов Западно-Сибирского мегабассейна (ЗСМБ) с точки зрения геодинамики – приботовой восточной части мегабассейна, а именно зоны сочленения Урала и Западной Сибири. К этой части ЗСМБ относятся Приуральский мегаблок ЗСМБ,, западная часть западного мегаблока и разделяющий их Восточно-Уральский краевой шов.
На современном этапе развития вдоль шва происходят подвижки, благодаря которым фундамент Западной Сибири продолжает под более древние архейско-протерозойские породы Урала под углом примерно 30 0 [5]. Влияние краевого шва больше всего сказалось на таких нефтегазоносных провинциях Западной Сибири как: Восточно-Уральская, Приуральская и Красноленинская.
Именно геодинамический подход позволил нам опубликовать новую гидрогеологическую стратификацию ЗСМБ [12] (1984) на XXVII сессии МГК, а также создать в соавторстве с А.А. Карцевым и С.Б. Вагиным более полную классификацию подземных водных резервуаров и обосновать их связь с нефтегазообразованием и нефтегазонакоплением. Основные положения новой двуединой геодинамической концепции в гидрогеологии на примере ЗСМБ опубликованы нами в 2013 году [11]. Двуединость связана с наличием как латеральных, так и вертикальных движений воды в подземных резервуарах. Это особенно ярко можно проследить на примере уникального ЗСМБ, где процессы нефтегазообразования и нефтегазонакопления контролируются значительными масштабами возрождения подземных вод.
Некоторые черты геологического строения зоны сочленения Урала и Западной Сибири
В статье С.А. Рылькова, А.В. Рыбалка [8] рассмотрено глубинное строение Урала по трем крупнейшим комплексным геолого-геофизическим профилям нового поколения, пересекающим Урал: «URSEIS», «ESRU», «PUT». Эти профили, пересекающие все геологические структуры Урала, являются в настоящее время наиболее важными источниками комплексной геолого-геофизической информации о глубинном строении Уральского подвижного пояса и характере его сочленения с окружающими платформами. Ниже представлены некоторые данные этого исследования, имеющие непосредственное отношение к пониманию природы гидрогеологического поля рассматриваемой территории.
Урал как линейный складчатый ороген прошел полный цикл геодинамического развития [8], включающий следующие этапы: предрифтовый (рифей – венд); континентального рифтогенеза (кембрий – нижний ордовик); океанического спрединга (средний – верхний ордовик); островодужный (верхний ордовик – верхний девон); коллизионный (верхний девон – пермь); ограниченного посторогенного растяжения (триас) и субплатформенный. Восточный Урал (палеоостроводужный сектор) состоит из двух главных разновозрастных островодужных террейнов: Тагильского (расположен на Среднем Урале и севернее, формировался с ордовика по нижний девон) и Магнитогорского (Южный Урал, нижний девон – карбон). Оба эти террейна формируют так называемую главную вулканогенную ось (мегазону) Урала с ярко выраженным гравитационным супермаксимумом.
Восточно-Уральский краевой шов является активной окраиной континента с широким развитием субширотных линеаментов, дуговых и кольцевых элементов, задуговых бассейнов. Схематический геолого-геофизический профиль через Урал и Западно-Сибирскую геосинеклизу, составленный О.Г. Жеро, Г.М. Зайцевым, В.Н. Крамником и B.C. Сурковым, представлен на рисунке. На этой схеме С.В. Воробьевой [6] выделена зона глубинного протерозойского трога, его западным бортом служит зона Главного Уральского разлома, разделяющего Центральный Урал и эвгеосинклинальную зону восточного склона.
На Южном и Среднем Урале присутствует шовная зона, погружающаяся в мантию под зоной Главного Уральского разлома или несколько восточнее, и в той или иной степени прослеженная под Центрально-Уральским поднятием или Предуральским прогибом до глубин 75–80 км. Для Урала характерны такие уникальные черты как присутствие глубинных «корней гор», наличие хорошо сохранившихся офиолитовых и островодужных андезитоидных комплексов, пояса высокобарических метаморфитов, гранитно-метаморфического пояса, а также присутствие крупнейших и разнообразных рудных месторождений и др. [6].
Гидрогеологическое поле зоны сочленения Урала и Западной Сибири
Как уже было отмечено нами ранее [11], изучение гидрогеологического поля на основе геодинамической концепции должно носить комплексный характер и включать его составляющие: гравитационное, электромагнитное, тепловое, концентрационное, гидрогеодинамическое и техногенное поля.
Гидрогеологическое поле Восточного склона Урала является чрезвычайно контрастным и динамически активным. Среди ультраосновных массивов развиты в основном гидрокарбонатные магниевые воды, а среди карбонатных, особенно доломитизированных известняков, преобладают гидрокарбонатные кальциево-магниевые воды, на медных месторождениях – кислые сульфатные воды. В тектонически ослабленных зонах палеозойских пород минерализация трещинно-жильных вод несколько выше, чем в дренируемых ими трещинных и трещинно-карстовых водах. В условиях замедленной циркуляции или застойного режима в таких зонах иногда формируются соленые воды и даже рассолы с минерализацией до 52 г/л [7].
Кратко отметим, что структура гидрогеологического поля этой территории в первую очередь определялась историей ее развития: закрытием рифейско-раннепалеозойского Сибирского океана и формированием соответствующих водонапорных систем в пределах Западной Сибири (В.М. Матусевич, О.В. Бакуев, 1986) с резко различными геодинамическими режимами. Подробно история формирования водонапорных систем ЗСМБ рассмотрена в работах [11 – 13].
Максимальные значения положительного гравитационного поля сконцентрированы вдоль осевой части Урала [2]. В зоне сочленения Урала и Западной Сибири проявляются локальные гравитационные максимумы, субпараллельные главной линии гравитационных максимумов Уральского орогена. Интенсивность положительной аномалии может достигать 150 мГал. Здесь отмечаются и локальные гравитационные минимумы, например, в Березовском нефтегазоносном районе. Отрицательные значения интенсивности поля иногда составляют менее 10 мГал.
Чрезвычайно высокая локальность тектонических процессов в зоне сочленения Урала и Западной Сибири выразилась здесь в чередовании минимумов и максимумов гравитационного поля. Интересно, что в районе сочленения Русской платформы с Уралом такой локальности не отмечается, что связано с общеизвестной асимметрией Урала (климатической, геолого-тектонической, гидрогеологической).
Именно зона сочленения Урала и Западной Сибири характеризуется также одними из самых контрастных параметров гидрогеотермического поля. Участки с наиболее высокими геотермическими градиентами (до 4 – 6,5 0С/100 м) контролируются максимумами гравитационного поля. Здесь воды с высокими температурами залегают относительно неглубоко. Например, воды с температурой 70 – 90 0С распространены в Шаимском районе на глубине 1500 – 1600 м, а в Сургутском районе воды с такой температурой встречаются на глубинах 2400 – 2500 м.
Гравитационно-тектонические напряжения в земной коре Урала привели к формированию вдоль Восточно-Уральского краевого шва вытянутых гетерогенных гидрогеодинамических и гидрогеохимических полей. Подземные воды здесь часто характеризуются высокими концентрациями углекислого газа и микроэлементов, напряженным гидрогеотермическим полем. Геодинамические знакопеременные напряжения привели к изменениям напряженного состояния пород этих мегаблоков, в частности, к изменению пустотного пространства пород (при сжатиях – уменьшение пористости и трещиноватости, при растяжениях – увеличение). При этом, соответственно, возникают сверхгидростатические пластовые давления или, наоборот, догидростатические пластовые давления. Механизм формирования таких водонапорных систем связан с увеличением трещинно-порового объема пород при растяжении (раздвиге) и «засасывании» [12] вод из окружающих пород в эти приразломные участки, что приводит к резкому снижению пластовых давлений ниже уровня условных гидростатических давлений и к активизации горизонтальной и вертикальной миграций в пределах зоны сочленения.
Например, в пределах Красноленинского свода (западный мегаблок), который относится к элизионной литостатической водонапорной системе с элементами геодинамической в нижних частях разреза, сформировались аномалии: линейно-вытянутые участки сверхгидростатических давлений (+ 4 – 5 МПа) чередуются с участками догидростатических пластовых давлений (дефицит давлений 6,0 – 9,0 МПа). При этом отмечается четкая связь гидрогеодинамической, гидрогеотермической и гидрогеохимической зональностей. Главной отличительной чертой гидрогеотермического поля здесь является наличие жестких геотермических условий. Так, на глубине 1,4 – 1,5 км по Ем-Еговской, Ингинской, Пальяновской площадям установлены температуры от 60 до 70 0С, что не наблюдается почти ни в одной другой части Западной Сибири. В меловых отложениях района зафиксированы повышенные значения геотермического градиента – 4,6 0С/100 м, характерные для нижних частей разреза: на глубине 2,5 км они, как правило, выше 120 0С [10]. В пределах же гидрогеодинамических минимумов распространены воды разнообразного ионно-солевого состава с повышенным содержанием углекислоты. Зона вод гидрокарбонатно-натриевого типа (по В.А. Сулину) приурочена к восточной части свода. На западе свода развита зона хлор-кальциевых вод. Фоновая минерализация подземных вод нижне-среднеюрского комплекса Красноленинского свода – 8 – 9 г/л, но при этом встречаются участки с очень низкой минерализацией 2 – 3 г/л, или повышенной относительно фоновой – до 14 – 16 г/л.
Содержание гидрокарбонатов в нижних частях разреза Приуральского мегаблока и западной части западного мегаблока ЗСМБ повсеместно велико. Здесь распространен преимущественно гидрокарбонатно-натриевый тип подземных вод по В.А. Сулину. Одной из причин этого является масштабное перераспределение вещества в западном мегаблоке ЗСМБ, связанное с элизионным водообменом [12], отжатием огромного количества возрожденных вод из глин «фроловского барьера». Но также немалую роль сыграли и продолжают играть поступающие из разломов фундамента глубинные флюиды. Ковальчук А.И. и др. [9] отмечают, что содовые воды с суммой солей 5 – 20 г/л, широко распространенные в нижних гидрогеологических комплексах рассматриваемой территории, образовались в результате обратной метаморфизации хлоркальциевых вод под воздействием эндогенной (метаморфогенной) углекислоты. По своему происхождению эти воды могут быть отнесены к седиментационно-эндогенным (метаморфогенным). Основная часть углекислоты в зоне сочленения Урала и Западной Сибири поступает в осадочные отложения из разломов палеозойского фундамента (лишь небольшая часть СО2 здесь имеет биогенное происхождение). Ее образование связано с термометаморфическими процессами, протекающими главным образом в карбонатсодержащих породах. Например, на таких площадях как Шаимская, Самутнельская, Межевская [9, 14, 15] насыщенность содовых вод углекислотой достигает 80 % и более. Исследователи, занимавшиеся Шадринским месторождением углекислых вод [5], путем изучения поровых растворов и проведением изотопных анализов воды и газа установили, что источником углекислого флюида являются содержащие карбонаты породы девона и карбона, слагающие фундамент ЗСМБ. Содержание СО2 достигает здесь 3,20 – 3,25 г/л. На долготе Шадринска глубина погружения карбонатсодержащих пород Западной Сибири под более древние породы Урала достигает 20 – 330 км, а температура доходит до 300 – 450 0С. Известный гидрогеолог А.М. Овчинников отмечал, что именно в этом диапазоне температур (360 – 400 0С) высвобождается наибольшее количество СО2 при термометаморфизме. Движение паро-газо-водяного флюида с глубин 20 – 30 км может происходить только по локальным ослабленным зонам разрывных нарушений, которые образуют в районе Шадринска своеобразный узел.
Максимумы гравитационного поля Урала [2] указывают на глубокую связь корней Урала с плюмной тектоникой. Высокая плотность вещества внутри этих плюмов – главная причина повышенных значений гравитационного поля в орогенной части. И, вероятно, они, и связанная с ними периодическая активизация движений глубинных флюидов являются одной из причин контрастности и мозаичности гидрогеохимического поля в зоне сочленения Урала и Западной Сибири и в прилегающих районах. Например, А.И. Ковальчук, Ю.П. Вдовин и др. [9] отмечают наличие в пределах Восточного склона Урала подземных вод как с минерализацией до 5 г/л, так и с минерализацией до 85 г/л (в депрессиях склона).
В настоящее время с учетом последних данных по гидрогеохимии, геотемпературам, минеральному составу и гидротермальной переработке пород следует также уделить внимание влиянию глубинных флюидов, в первую очередь на гидрогеодинамическое поле нижних частей разреза. Каналами вертикальных перетоков являются разломы фундамента и пути их «трансляции» в осадочный чехол. Существуют исследования, подтверждающие в пределах Западной Сибири «трансляцию» разломов практически до поверхности через весь осадочный чехол [11, 13 и др.]. В одних случаях они служат активными каналами миграции флюидов, в других – гидродинамическими экранами за счет аутигенного минералобразования. Зона контакта осадочного чехла и фундамента – это зона активного протекания процессов восходящей и нисходящей миграции, так как именно здесь происходит смена поровой проницаемости осадочных пород на трещинную проницаемость кристаллических образований. Причем, чем ближе к Восточно-Уральскому краевому шву, тем больше количество каналов миграции больше.
Заслуживает внимания еще одна из важнейших сторон взаимодействия Уральского обрамления и Западно-Сибирского мегабассейна – это снос терригенного материала с Урала. Урал на протяжении всего развития Западно-Сибирского седиментационного бассейна являлся одним из источников терригенного материала, и его металлогения нашла свое отражение в составе подземных и поверхностных вод ЗСМБ, особенно в прибортовой части бассейна (табл. 1).
Геолого-геофизический профиль через Урал и Западно-Сибирскую плиту*. Составители профиля – О.Г. Жеро, М. Зайцев, В.Н. Крамник, В.С. Сурков с дополнениями С.В. Воробьевой [6] Условные обозначения: 1 – верхняя мантия; 2 – гранулито-базитовый слой земной коры (утолщения этого слоя фиксируют глубинные грабенообразные структуры, а под Уралом – зону наиболее глубинного грабена, перекрытого мощной протерозойской толщей); метаморфические комплексы: 3 – архейские (AR); 4 – протерозойские (PR); 5 – палеозойские складчатые отложения (PZ); 6 – пермотриасовые отложения краевых прогибов; 7 – осадочные отложения мезозоя и кайнозоя, перекрывающие эпипалеозойские платформы («плитный комплекс» – р); 8 – гранитные батолиты; 9 – основные и ультраосновные горные породы; 10 – глубинные разломы (а – разделяющие тектонические блоки; б – разделяющие разные структурно-фациальные зоны)
Таблица 1
Средние концентрации некоторых микроэлементов (в мкг/л) в подземных водах Шаимского района и в конденсационных водах Березово-Игримской группы месторождений
Территория |
V |
Co |
Ni |
Cu |
Zn |
Mo |
Ti |
Hg |
Шаимский район |
9,8 |
7,1 |
34 |
23,6 |
731,0 |
4,5 |
Не опр. |
Не опр. |
Березово-Игримская группа месторождений |
Не опр. |
6,8 |
7,4 |
6,7 |
2,3 |
0,9 |
0,5 |
8,7 |
Металлогенический профиль Урала определяется наличием глубинного трога (рисунок). Характерными для Урала являются месторождения хромитовых руд, металлов платиновой группы, железных и марганцевых руд, ванадиевое оруденение. С гранитными батолитами связаны крупные месторождения золота. На Урале открыты медно-порфировые и медно-молибден-порфировые руды. Линейная зона Тагило-Магнитогорского прогиба является сосредоточением крупномасштабных по запасам залежей медно-колчеданных и колчеданно-медно-цинковых руд [6].
Например, Красноленинская нефтегазоносная провинция, для которой Восточный склон Урала является питающей провинцией, характеризуется структурно-металлогеническими зонами начальных и ранних этапов развития (Ti, Cu, Cr, P, Mo, Au, Ni и др.) по Ю.А. Билибину (1955). И даже при удалении Урала, его сложная медноколчеданная минерализация находит отражение в комплексе микроэлементов природных вод ЗСМБ и это сказывается, в первую очередь, на составе подземных вод Приуральского района (табл. 2). С глубиной концентрация микроэлементов растет, что можно объяснить большим временем соприкосновениям вод с минеральной частью пород.
Таблица 2
Среднее содержание микроэлементов (мкг/л) в поверхностных водотоках, в водах олигоцен-четвертичного и юрского комплексов различных районов ЗСМБ (по В.М. Матусевичу, 1976, Ю.К. Смоленцеву, 1996, А.Е. Лукину, О.М. Гарипову, 1994, Р.Н. Абдрашитовой, 2012)
Элемент |
Поверхностные водотоки |
Воды олигоцен-четвертичного комплекса |
Воды нижне-средне-юрского комплекса |
||||||
Район ЗСМБ |
Район ЗСМБ |
||||||||
В |
П |
Ц |
ЮЗ |
В |
П |
Ц |
ЮЗ |
П |
|
Pb Cu Zn Ti Ni |
0,6 1,12 20,00 10,30 1,80 |
0,75 4,20 29,00 14,20 3,30 |
0,60 0,90 6,90 3,10 Следы |
0,12 1,60 2,20 5,20 3,10 |
0,30 1,50 18,70 2,52 0,80 |
0,40 6,70 26,70 11,60 24,00 |
0,99 4,50 33,30 6,40 14,00 |
0,40 2,90 5,90 3,30 14,00 |
Не опр. 112,20 Не опр. 450,00 30,00 |
Примечание: Районы ЗСМБ: В – Восточный, П – Приуральский, Ц – Центральный, ЮЗ – Юго-западный
На концентрацию микроэлементов в водах оказывает значительное влияние углекислота. В Шаимском районе повышенное содержание микроэлементов связано (помимо температурного фактора) с огромным количеством углекислоты (до 18 л/л) термометаморфического происхождения, вероятно поступающей по зонам нарушений и разломов. Например, содержание ртути в водах Шаимского района достигает 100 – 180 мкг/л. Определенная часть ртути имеет ювенильную природу: здесь вдоль осевой части Шаимского вала установлен разлом, к которому приурочены тепловая и газовая аномалии (подземные воды газируют углекислотой). На всем протяжении этого разлома (площади Толумская, Трехозерная, Тетеревская, Убинская) наблюдается высокое содержание ртути (до 60 мкг/л) и кадмия (до 57 мкг/л) [7, 14, 15].
Заключение
Изучение гидрогеологического поля зоны сочленения Урала и Западной Сибири – сложная многофакторная задача. На данном этапе проведения исследования мы пришли к выводу, что гидрогеологическое поле этой зоны – самоорганизующаяся открытая система, которая характеризуется сложной структурой распределения вещества и энергии. Здесь непрерывны потоки тепловой, гравитационной, электрической энергий, различных веществ (жидких, твердых, газообразных). Вещество может быть представлено инфильтрационными и элизионными водами, газовыми потоками из фундамента и т.д.
Также на характер и структуру гидрогеологического поля рассматриваемой зоны влияют техногенные процессы. Происходит изменение всех его компонентов. Трансформация концентрационного поля под воздействием техногенеза выражается прежде всего в загрязнении интервалов гидрогеологического разреза, происходящем в результате бурения, работы систем ППД и захоронения промышленных сточных вод. Техногенная составляющая воздействует, кроме концентрационного, а точнее, через него и на гидрогеодинамическое поле путем кольматации пород-коллекторов при взаимодействии «чуждых вод» с пластовыми, что приводит к ухудшению параметров их фильтрационно-емкостных свойств.
В настоящее время в связи с интенсивной 3D-разведкой и детальной интерпретацией открываются принципиально новые черты строения и существования пликативных и дизъюнктивных структур зоны сочленения Урала и Западной Сибири, существенно уточняются геологические модели месторождений. Дальнейшее развитие нашего исследования мы видим в синтезе достаточной гидрогеологической информации и последних достижений геологии, тектоники, геодинамики, геохимии, термодинамики и т.д., то есть в использовании междисциплинарного подхода. Данный подход позволит установить структуру и природу гидрогеологического поля территории с учетом направлений и мощности потоков вещества и энергии, определить уровень организации вещества в изучаемом гидрогеологическом поле. Наряду с зоной сочленения Урала и Западной Сибири представляют интерес для рассмотрения другие зоны, характеризующиеся высокой концентрацией разломов, в частности Омско-Гыданская структурная зона [12].
Рецензенты:
Бембель С.Р., д.г.-м.н., начальник научно-исследовательского комплексного отдела по управлению выработкой запасов углеводородов Тюменского отделения «СургутНИПИнефть», г. Тюмень;
Корнев В.А., д.г.-м.н., профессор кафедры прикладной геофизики Тюменского государственного нефтегазового университета, г. Тюмень.
Работа поступила в редакцию 24.06.2014.
Библиографическая ссылка
Матусевич В.М., Абдрашитова Р.Н. ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ЗОНЫ СОЧЛЕНЕНИЯ УРАЛА И ЗАПАДНОЙ СИБИРИ // Фундаментальные исследования. – 2014. – № 9-3. – С. 590-596;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=34893 (дата обращения: 17.08.2024).