Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Матусевич В.М. 1 Абдрашитова Р.Н. 1

---

1 Тюменский государственный нефтегазовый университет

Цель исследования связана с выявлением закономерностей формирования, объяснением природы и структуры гидрогеологического поля зоны сочленения Урала и Западной Сибири. Проведен анализ и систематизация фактического материала по гидрогеохимической, гидрогеодинамической и гидрогеотемпературной составляющим гидрогеологического поля. Гравитационно-тектонические напряжения в земной коре Урала привели к формированию вытянутых гетерогенных гидрогеодинамических и гидрогеохимических полей вблизи зоны сочленения. Перепады пластовых давлений на соседних участках достигают 5-9 МПа. При этом отмечается четкая связь гидрогеодинамической, гидрогеотермической и гидрогеохимической зональностей. Например, фоновая минерализация подземных вод нижне-среднеюрского комплекса Красноленинского свода (территория Западной Сибири, примыкающая к Уралу) составляет 8-9 г/л, но при этом встречаются участки с очень низкой минерализацией 2-3 г/л (чаще в зонах пьезомаксимумов), или повышенной относительно фоновой – до 14-16 г/л. Значительное воздействие на рассматриваемое гидрогеологическое поле оказывает поступление глубинных флюидов. Каналами вертикальных перетоков флюидов являются разломы фундамента и пути их «трансляции» в осадочный чехол. Приведены данные, подтверждающие влияние сложной медноколчеданной минерализации Урала на микроэлементный состав природных вод Западно-Сибирского мегабассейна. На данном этапе проведения исследования установлено, что гидрогеологическое поле зоны сочленения Урала и Западной Сибири – самоорганизующаяся открытая система, которая характеризуется сложной структурой распределения вещества и энергии.

Статья в формате PDF

1409 KB

гидрогеодинамика

водонапорная система

пластовое давление

Западно-Сибирский мегабассейн

гидрогеология Урала

1. Абдрашитова Р.Н. Влияние разломно-блокового строения фундамента на гидрогеохимическое поле Красноленинского свода // Нефть и газ. Известия ВУЗов. – 2011. – №4. – С. 15–19.

2. Бембель Р.М., Мегеря В.М., Бембель С.Р. Геосолитоны: функциональная система Земли, концепция разведки и разработки месторождений углеводородов. – Тюмень: Вектор Бук, 2003. – 344 с.

3. Билибин Ю.А. Металлогенетические провинции и металлогенетические эпохи. – М.: Госгеолтехиздат, 1955. – 88с.

4. Вернадский В.И. История природных вод. – М.: Наука, 2003. – 751 с.

5. Вишняк А.И., Четверкин И.А., Новиков В.П., Плотникова Р.И. Гидрогеологическая модель Шадринского месторождения углекислых минеральных вод как основа оценки его запасов // Разведка и охрана недр. – 2011. – №11. – С. 35–43.

6. Воробьева С.В. Формирование тектонической структуры и металлогенический профиль Урала // Вестник ТГУ. – 2009. – Т. 14. №.3. – С. 628–631.

7. Гидрогеология СССР. Урал / под ред. В.Ф. Прейса. – М.: Недра, 1972. – 648 с.

8. Рыльков С.А., Рыбалка А.В., Иванов К.С.. Глубинное строение и металлогения Урала: сопоставление глубинной структуры Южного, Среднего и Полярного Урала // Литосфера. – 2013. – № 1. – С. 3–16.

9. Ковальчук А.И., Вдовин Ю.П., Козлов А.В. Формирование химического состава подземных вод Зауралья. – М.: Наука, 1980. – 184 с.

10. Курчиков А.Р. Гидрогеотермические критерии нефтегазоносности. – М.: Недра, 1978. – 157 с.

11. Матусевич В.М., Абдрашитова Р.Н. Геодинамическая концепция в современной гидрогеологии на примере Западно-Сибирского мегабассейна // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 4 (часть 5). – C. 1157–1160.

12. Матусевич В.М., Бакуев О.В. Геодинамика водонапорных систем Западно-Сибирского нефтегазоносного бассейна // Советская геология. – 1986. – №2. – С. 117-122.

13. Радченко А.В., Мартынов О.С., Матусевич В.М. Динамически напряженные зоны литосферы – активные каналы энерго-массопереноса. – Тюмень: Тюменский дом печати, 2009. – 240 с.

14. Розин А.А. Подземные воды Западно-Сибирского артезианского бассейна и их формирование – Новосибирск: Наука, 1977. – 102 с.

15. Толстиков Г.А. Условия формирования гидрокарбонат – хлоридных натриевых вод в юрских отложениях Западно-Сибирской низменности // Труды СНИИГГиМС Вып.32 Ч.1. – Новосибирск, 1964. – C. 50–58.

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).

Библиографическая ссылка