Генетические особенности формирования гидросферы Байкальского рифта

Ю.Н.Диденков, В.А.Бычинский, И.С.Ломоносов, А.А.Тупицын

Генетические особенности формирования гидросферы Байкальского рифта

Введение

Выяснение источников происхождения как самой воды, так и растворенных в ней веществ встречает большие трудности из-за отсутствия четких генетических критериев и представлений о составе первичных эндогенных флюидов, По этому вопросу высказываются самые различные точки зрения [1, 2].

Поиск новых аргументированных свидетельств участия различных источников вещества в формировании современной гидросферы требует комплексного подхода, опирающегося на структурно-гидрогеологический анализ исследуемых регионов, изучение геохимии, изотопного состава подземных вод, а также использования новых методологических приемов - имитационных моделей эволюции эндогенного флюида. Решение таких актуальных вопросов, как установление самой возможности, а также РГ-областей генерации ювениль-ных вод из восходящих эндогенных флюидов, равно как исследования эволюции состава первичных флюидов по мере их подъема к поверхности в различных геодинамических обстановках, невозможно без физико-химического моделирования,

Решительный переход, совершенный основоположниками современной геохимии Д.С.Коржинским, В.С.Соболевым, А.Н.Заварицким, от преимущественно химико-аналитической, по существу сравнительно-описательной работы, к изучению процессов, управляющих метаморфозами вещества в глубинах и на поверхности нашей планеты, привел к формированию принципиально нового самостоятельного научного направления «физико-химическое моделирование природных процессов». Благодаря кропотливому труду Р.Гаррелса, Г.Хельгесона, И.Тарди, В.Вайта и ряда других исследователей за короткий срок был преодолен критический рубеж накопления первичного фонда термодинамической информации, разработано математическое и программное обеспечение, в результате чего геохимия в целом и гидрогеохимия в частности получили в свое распоряжение мощное средство познания природных процессов [3]. Современные методы моделирования придают объектам исследования более глубокую, недоступную ранее термодинамическую интерпретацию, точно соответствующую их геолого-геохимическим свойствам. Поэтому, приступая к изучению процессов эволюции флюидных систем (ФС), мы должны выявить их определяющие структурно-геологические особенности, позволяющие идентифицировать независимые и зависимые факторы состоя-

ния системы, установить состав модели и разработать сценарии подъема эндогенного флюида от верхней мантии до поверхности земли.

По этой причине будет полезно рассмотреть структурно-гидрогеологические особенности формирования гидросферы Байкальского рифта' с позиции тектоники литосферных плит и обосновать общую концептуальную схему имитационных моделей эволюции эндогенного флюида с участием водного раствора, газов и твердых фаз в совокупности связанных между собой резервуаров.

1. Структурно-гидрогеологические условия Байкальского рифта

Структурно-гидрогеологический анализ предполагает решение трех взаимосвязанных задач (1 - исследование происхождения и развития геологических структур, проницаемости и коллекторских свойств слагающих их пород; анализ изменения этих свойств в ходе геологического развития; 2 - определение генетического облика формирующихся вод и их эволюция; 3 - выявление гидрогеологических структур, благоприятных для локализации месторождений подземных вод различного состава и целевого использования), сопровождаемых геодинамической (ГДМ) -> структурно-гидрогеологической (СГГМ) -> физико-химической (ре-зервуарно-динамическая модель - РДМ) моделями.

Определяющее положение в рифтовых системах занимают структуры межгорных бассейнов (рифтовых впадин). Их заложение происходит на начальных этапах формирования рифтовых систем в условиях утонения коры, раздвижения и вертикальных смещений крупнейших блоков литосферы. Опускание блоков в осевых зонах формирующихся рифтов осуществляется вдоль тектонических разломов, вследствие чего рифто-вые впадины приобретают форму грабенов. Сходство в направленности геологических процессов открывает возможность систематизации гидрогеологических структур рифтовых зон по основным параметрам кол-лекторских свойств горных пород и особенностям распределения в них подземных вод, а также закономерностям формирования состава и свойств подземных вод.

Важной составляющей гидрогеологических условий Байкальского региона выступает наличие термальных минеральных подземных вод. Связь особенностей их формирования с рифтогенезом очевидна. Однако представляется целесообразным с позиции плитной

тектоники произвести сопоставительный анализ условий формирования и, как следствие, состава современных гидротерм, приуроченных к различным окраинам литосферных плит с соответствующими геодинамическими режимами. Так, например, анализировались гидротермы Байкальской рифтовой зоны, Восточно-Африканской рифтовой системы, Исландии, Шань-сийской рифтовой зоны (КНР), формирующиеся в условиях спрединга и рифтогенеза с одной стороны, и Новой Зеландии, Курило-Камчатских островных дуг с характерными чертами геодинамического режима сжатия и субдукции - с другой, Результаты структурно-гидрогеологического анализа говорят о том, что сходство в облике гидротерм заключается лишь в их повышенной температуре; все другие параметры (газовый, макро- и микрокомпонентный состав) существенно отличаются в зависимости от приуроченности выхода к району со свойственным ему типом режима, Повышенные минерализация, содержание хлора и других компонентов в гидротермах зон субдукции, обязаны участию в формировании их состава субдуктируемого материала, в частности, рассола морской воды, которым пропитан осадочный слой погружающейся океанической плиты.

В значительно меньшей степени исследователи разделяют точку зрения о вероятном влиянии рифто-генного геодинамического режима на формирование состава воды в самом озере Байкал, Однако об этом свидетельствуют следующие факты. Величина минерализации воды озера (0,096 г/ дм3) ниже средней минерализации впадающих в озеро рек (0,117 г/дм3). В общем солевом балансе озера эта разница (21 мг/ дм3) приводит к тому, что в озере ежегодно должно оставаться порядка двух тыс. тонн солей, Характер гидрохимического разреза воды озера инверсионный, хотя при минерализации менее 0,1 г/ дм3 этот факт устанавливается с трудом, и ему обычно не придают значения.

В свете вышеизложенного представляют интерес результаты выполненных гидрохимических исследований, показывающие изменение концентрации хлора как по разрезу водной толщи, так и в пределах придонного слоя воды озера [4]. Наименьшее содержание хлора отмечается в придонных слоях воды у западного берега озера; по мере удаления от зоны минимальных концентраций в восточном направлении и к поверхности содержание хлора в воде увеличивается таким образом, что в целом отчетливо вырисовывается асимметричное его распределение, повторяющее известную асимметрию структуры и физических полей впадин Байкальской рифтовой зоны, которая обусловлена асимметричным растеканием вещества аномальной области верхней мантии. Минимум концентраций хлора в придонном слое байкальской воды соответствует положению грабена внутри Южно-Байкальской впадины. Анализируя данные гидрохимического разре-

за, можно предположить, что поступление вод с более низким содержанием хлора происходит не только по рифтогенным разломам, обусловливающим асимметрию байкальских впадин, но и в осевых зонах, к которым приурочена современная сейсмическая активность, В этой связи известны и инверсии вертикальной гидрогеохимической зональности подземных вод в других впадинах Байкальской рифтовой зоны, В частности, это отчетливо устанавливается по глубоким скважинам в пределах Усть-Селенгинской впадины.

Результаты изучения изотопного состава гелия (3Не/4Не) из придонного слоя воды в центральной и южной котловинах озера, выполненного одновременно с гидрохимическими исследованиями, покрзали изменения этого соотношения от 0,20-Ю"6 до 1,15-Ю"6, что, по-видимому, свидетельствует о поступлении значительных количеств гелия из ложа озера, Отмечается рост величины отношения 3Не/4Не (и соответственно доли мантийного гелия) в южном направлении, согласующийся с изменением гидрохимических характеристик вод. Эти результаты вместе с данными по породам рифта и газам гидротерм Тункинской впадины, где величина отношения достигает 7,7-8,9-10"6, позволяют предполагать резкий рост выноса мантийных флюидов в юго-западной части рифтовой зоны.

Таким образом, данные по изотопии гелия в породах и водах Байкальского рифта показывают существенное влияние аномальной области верхней мантии на современный флюидный режим. То, что количественное распределение мантийного гелия в гидротермах и в водах оз. Байкал согласуется с гидрохимическими данными, говорит, очевидно, о единстве процессов, вызывающих в спрединговых условиях как опреснение гидросферы, так и обогащение вод мантийным гелием за счет поступления эндогенных флюидов.

2. Общие вопросы физико-химического моделирования гидрогеохимических процессов

Наряду с качественными геолого-геохимическими построениями, аналитическими и численными решениями задач тепло- и массопереноса, имитационное физико-химическое моделирование оказывается единственно пригодным средством исследования характерных особенностей формирования химического состава ювенильных вод,

Общая схема предмодельных исследований, выглядит так [5]:

выбор логической схемы (геолого-геохими-ческая модель), наиболее адекватной объекту из набора альтернативных гипотез (рис, 1);

строгое эмпирическое подтверждение адекватности принятой логической схемы природному объекту [6];

доказательство непротиворечивости и работоспособности теоретической модели путем решения тестовых и научных задач,

Основные и ультраосновные интрузии

Современные гидротермы

Естественные выходы холодных вод

Резервуары термодинамической модели

\/

и /

Разрывные нарушения

Направления движения мантийного флюида

Направление движения метеорных вод

Атмосферное питание

Рис. 1. Обобщенная структурно-гидрогеологическая схема физико-химической модели формирования гидросферы Байкальского риф• та: <2 - полигенетические фации молассовой формации четвертичного возраста; Ы2 - грубообломочная молассовая формация верхнего неогена; N1 - тонкообломочная молассоидная формация нижнего неогена; АН + РЯ - магматические и метаморфические образования архейско-протерозойского возраста

Верхняя мантия

Трещиноватость пород

50 °С

100 °С 200 °С

300 °С 400 °С

Кайнозойские отложения

К настоящему времени в геохимии утвердился обобщенный образ ФС, включающих в себя гидротермальные и рудообразующие системы. Характерные черты ФС - необратимая эволюция во времени, непрерывный пульсационно-циклический характер флюидного потока, взаимодействие с породами земной коры, гидросферой и атмосферой. Неизменные составные части ФС: магматическая камера или глубинный источник тепла и летучих; в различной степени дезинтегрированный и разуплотненный блок вмещающих пород, в котором циркулируют восходящие и нисходящие потоки инфильтрационных глубинных и метеорных вод; просекающие надстройку флюидоканалы, геологически фиксируемые в виде зон разломов; однонаправленный поток летучих с давлением, близким к литостатическому.

Эволюция ФС - сложный физико-химический процесс изменения состава флюида, взаимодействующего с вмещающими породами, океаническими осадками, подземными и поверхностными водами - может быть представлена следующими сценариями:

1-ый сценарий. Модель охлаждения (подъема) эндогенного флюида. В сценариях охлаждения рассчитывается ряд равновесных состояний системы заданного состава при понижающихся температурах и давлениях согласно геобаротерме 1 [7]. Основное свойство сценария заключается в том, что равновесный состав системы в каждом из этих расчетов не зависит от свойств предшествующих равновесных состояний при заданых РГ-условиях. Наиболее точный прототип такого сценария - медленное остывание газово-жидких включений в инертной породе. Другими словами в каждой точке геобаротермы рассматривается своя изолированная система.

2-ой сценарий. Модель проточного реактора. Глубинный флюид из корневой зоны проникает по стволовой трещиноватой зоне в проточном режиме по геобаротерме без взаимодействия с вмещающими породами. В данном сценарии водный раствор и газы являются подвижными фазами, поэтому состав флюида, восходящего от резервуара к резервуару, изменяется. Конденсированные фазы, образующиеся в результате установившегося равновесия, остаются в своих резервуарах и могут повторно вступать во взаимодействие с новыми порциями флюида. В резервуарах, отвечающих приповерхностным условиям, предусмотрена возможность смешения с метеорной водой, В каждом цикле в проточный реактор поступает новая порция флюида.

3-ий сценарий. Модель взаимодействия глубинного флюида с вмещающими породами. Флюид, проходящий через стволовую трещиноватую зону, взаимодействует с ксенолитом в 4-ом резервуаре и из последнего резервуара поступает в зону разгрузки в морские или пресноводные водоемы, т.е. нами принята модель сквозной проточной метасистемы [8]. Характерная особенность третьего сценария - смешанный источник

восходящего флюида. Эндогенный флюид в областях субдукции взаимодействует с погружающимся осадочным материалом, насыщенным морскими водными растворами. Анализ имеющихся геолого-геохимических данных показывает, что моделирование по сценарию взаимодействия с породами возможно в нескольких модификациях, отличающихся по источнику «второго» гравитационного и/или седиментационного раствора (рис, 1), Рассмотренный набор сценариев эволюции эндогенных флюидов не является исчерпывающим и может быть расширен с учетом новых геолого-гидрогеологических данных йли иных соображений. Настоящая статья представляет результаты моделирования эволюции ФС по первому сценарию.,-

Физико-химическая модель охлаждения (подъема) эндогенного флюида представлена четырьмя независимыми компонентами С-Н-О-е (где е - электрон), Список веществ, потенциально возможных в равновесии, включает, наряду с компонентами газовой фазы, водный раствор и твердые фазы - графит и алмаз. Всего 129 компонентов, Зависимые компоненты водного раствора подбирали таким образом, чтобы они соответствовали аналитическому газовому составу гидротерм, Общее число зависимых компонентов водного раствора 10, включая Н20 как зависимый компонент - растворитель. Газы представлены следующими классами органических веществ: алканы - 40, цикло-алканы - 5, арены - 23, спирты - 20, альдегиды - 10, карбоновые кислоты - 5, эфиры - 5, неорганические газы - 7. Подробно со списком зависимых компонентов можно ознакомится в [7].

Термодинамическая информация для компонентов газовой фазы получена на основе термодинамических данных, представленных Г. Хельгесоном [9]. Экстраполяция стандартных термодинамических характеристик за пределы температурной области, в которой они использованы Г. Хельгесоном, проводилась по уравнению теплоемкости Р.Бермана [10]. В работе Г. Хельге-сона использовалась линейная экстраполяция, приводящая к значительной систематической погрешности изобарно-изотермических потенциалов образования неорганических веществ в области температур выше 800 °С. Новое уравнение рассчитано с помощью регрессионного анализа величин теплоемкостей, полученных по уравнениям, представленным Г. Хельгесоном, Для углеводородных газов с С > 20 критические Г, Р, У, сжимаемость и фактор ацентричности Питцера были рассчитаны с помощью множественной регрессии на основе данных, представленных Р. Ридом [11].

3, Результаты

За последние годы получены принципиально новые данные о масштабах и механизмах глубинной дегазации Земли, а также природе углеводородного (УВ) флюида. Количественная оценка глобальной дегазации Земли, полученная Г.И.Войтовым на основе результатов

многолетних исследований УВ-дегазации в самых различных регионах суши и дна океана, показывает, что из ежегодного поступления в атмосферу и гидросферу 2,4-Ю14 г углерода 70 % (1,68-1014 г) приходится на УВ. Вклад мантии оценивается в 80% [12]. Даже в условиях минимальных масштабов УВ-дегазации (5-Ю13 г/год) за 500 млн. лет из недр к поверхности Земли вынесено 2,5-1022 г УВ. Сопоставление этих цифр с прогнозными запасами нефти (2-Ю17 г), газов в залежах (2-Ю17 г), нефтяных битумов (1-Ю18 г), горючих сланцев (5-Ю18 г) свидетельствует о том, что неф-тегазонакопление - всего лишь побочная ветвь на фоне гораздо более масштабного процесса глубинной УВ-дегазации Земли.

Состав ювенильного флюида существенно изменяется в зависимости от режима дегазации и геологических условий. Потоки глубинного флюида могут быть преимущественно метанового, водородного или водно-углекислого состава, однако всегда содержат некоторое количество кислорода. Поэтому, рассматривая процессы преобразования восходящих флюидов, наряду с метаморфозами УВ-содержащих компонентов, необходимо исследовать возможность образования ювенильной воды.

Исходя из сложившихся в настоящее время представлений о мантийном флюиде, как преимущественно углеводородном, принята следующая схема расчетов. Выбраны три состава первичных флюидов: преимущественно углеродный CHii8, отвечающий составу тяжелой дегазированной нефти, углерод-водородный СН2д, соответствующий составу газово-жидких включений в мантийных породах и минералах и преимущественно метановый СН4|5, отвечающий составу метано-водородных флюидных потоков. Особенности эволюции каждого из составов рассматривались в зависимости от содержания кислорода во флюиде. Были приняты следующие отношения С к О - 1:0.1, 1:0.5, 1:1 отражающие наиболее вероятные вариации состава флюида по кислороду. Pi-условия термодинамического равновесия соответствовали значениям геобаротермы 3. Главной задачей модельных экспериментов было определение тех количественных термодинамических ограничений, которые управляют устойчивым или метастабильным существованием воды в восходящем от верхней мантии флюиде,

Из результатов расчета компонентного состава системы С-Н-0 видно, что в земной коре, независимо от соотношения С:Н:0, термодинамически устойчив метан, вода и двуокись углерода, которые в верхней мантии сменяются тяжелыми алканами (Сп-Сго), в том числе и кислородсодержащими. На рис. 2 изображены диаграммы фазовых полей системы С-Н-0 в координатах РГ-условия (глубина) -содержание равновесных компонентов. Из диаграмм видно, что независимо от количества кислорода во флюиде вода равновесна только с легкими углеводородами. Даже обедненный кислородом глубинный

флюид (см. рис. 2а, 2г, 2ж), содержащий в нижних точках геобаротермы тяжелый кислородсодержащий углеводород С20Н42О и СО, в условиях температур меньше 1500 °С преобразуется в метан и Н20. Увеличение содержания кислорода приводит к образованию С02 и росту концентрации СО в области устойчивого существования тяжелых углеводородов, а в зоне существования легких углеводородов образуются большие количества Н20 (см. рис. 26,в; д,е; з,и), В двухфазной области диаграммы, т.е. там, где стабильны флюид и твердый углерод, количество двуокиси углерода определяется соотношением Н:0. Некоторое количество С02 сохраняется в равновесии с Н20 в решениях, соответствующих верхним точкам геобаротермы, если количество свободного водорода Н2 незначительно (см. рис. 2в). В том случае, когда во флюиде существует водород, то в равновесном составе газовой фазы возможно существование только метана (см. рис. 2).

В условиях, близких к земной поверхности, в равновесии сосуществуют уже три фазы: водный раствор, газ и графит. Дивергенция глубинного флюида на газ и водный раствор приводит к изменению состава в газовой фазе, относительное количество метана в ней возрастает от 70 до 90%. Поэтому основным компонентом водного раствора является также метан, и только в тех решениях, где отношение С:0 > 0,5, а С:Н < 2, в растворе возможно присутствие С02 в сопоставимых или даже превышающих содержание метана количествах (см, рис. 2 а, б).

Заключение

С помощью имитационных экспериментов был изучен наиболее простой сценарий прохождения флюида по проницаемым зонам Байкальского рифта. Предварительный анализ результатов термодинамического моделирования эволюции восходящего кислородсодержащего углеводородного флюида показал, что мантийный флюид является источником воды, образующейся в результате преобразования тяжелых углеводородов в метан с примесью его легких гомологов, СО и С02. Основными компонентами, растворенными в ювенильных водах, являются метан и С02, что следует из существа процесса образования воды из исходно сухого углеводородного флюида.

Результаты моделирования позволяют выделить две равноправные ветви глубинной дегазации Земли. Первая - углеводородная, сопровождается накоплением специфических форм углеродистых образований, формированием месторождений нефти, газа и конденсата. В этом случае тяжелые углеводороды сохраняют метастабильную устойчивость, а образования сколько-нибудь значительных количеств воды не происходит.

Со второй, водно-углекислой ветвью, связано накопление карбонатов и газогидратов, но, в первую

Науки о Земле

Компоненты водного раствора, моль 0,12 0 0,04 0,08 ^ 0,12 0

0 20 40 60 80 100 0 Компоненты газовой фазы, вода, %масс.

Рис. 2. Образование ювенильных boa из мантийного флюида в зависимости от исходного химического состава: а, б, в - Н:С = 1,8; г, а, е- Н:С = 2,1; ж, з, и - Н:С = 1,8. Содержание кислорода: а, г, ж - 0,1 моль; б, д, з - 0,5 моль; в, е, и - 1 моль

очередь, - существование источников ювенильных вод. Этот процесс возможен вследствие относительного обогащения восходящих потоков водородом и кислородом за счет образования твердых углеродсодержа-щих веществ. Детально это будет рассмотрено в следующих публикациях на основе резервуарно-динами-ческих моделей.

Библиографический список

1. Аверьев В.В, Гидротермальный процесс в вулканических областях и его связь с вулканической деятельностью // Труды I! Всесоюз, вулканолог, совещания, - М,: Наука, 1966. - Т. 1. - С. 118-128.

2. Овчинников A.M. Минеральные боды, - М.: Госгеолтехиз-дат, 1963. - 375 с.

3. Карпов И,К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. - Новосибирск: Наука, 1981. - 248 с,

4. Мартынова М.А., Грачев А.Ф. Современные представления об эволюции состава гидросферы II Проблемы гидрогеохимии и промышленные рассолы, - Минск, 1983. -С. 16-22.

5. Гричук Д.В. Термодинамические модели субмаринных гидротермальных систем, - М.: Научный мир, 2000, -303 с,

6. Лэгачев H.A. История и геодинамика Байкальского рифта, Геология и геофизика, - 2003. - Т. 44, - № 5, - С. 391-406.

7. Зубков В.С„ Степанов А.Н., Карпов И.К., Бычинский В,А, Термодинамическая модель системы С-Н в условиях высоких температур и давлений II Геохимия, - 1998. - Т, 36, № 1, - С. 95-101.

8. Чудненко К,В,, Карпов И.К., Мазухина С,И., Бычинский В.А., Артименко М.В, Динамика мегасистем в геохимии: формирование базовых моделей процессов и алгоритмы имитации II Геология и геофизика, - 1999, - Т. 40, № 1. - С. 45-61.

9. Helgeson Н,С„ Owens С.Е., Knox A.M., Richard L. Calculation of standard molal thermodynamic properties of crystalline, liquid, and gas organic molecules at high temperatures and pressures II Geochim. Cosmochim. Acta, 1998. - V, 62. - №6. - P, 985-1081.

10. Berman R.G. Internally-consistent thermodynamic data for mineral in the system Na20-K20-Ca0-Mg0-Fe0-Fe203-Al203-Si02-Ti02-H20-C02 II J. Petrol,, 1988. - V, 29, №2. -P. 455-522.

11. Рид P., Праусниц Дж„ Шервуд Д, Свойства газов и жидкостей. - Л: Химия, 1982. - 591 с.

12. Войтов Г,И. Химизм и масштабы современного потока природных газов 8 различных геоструктурных зонах II Журнал Всесоюзного химического общества. - 1986, - Т. XXXI. - Вып. 5, - С. 533-540.

О.Чулуун

Вклад в изучение ураноносности Монголии

В монографии Ю.Б.Миронова «Уран Монголии», С-Пб. - 2003 г. излагаются результаты его личных исследований и также материалы, полученные большим коллективом российских и монгольских геологов при изучении региональной металлогении урана, поисках и разведке урановых, полиметаллических, флюоритовых и ряда других месторождений.

Данная монография - это фундаментальная работа, в которой впервые с большой полнотой рассматривается ураноносность Монголии. Лейтмотивом монографии является признание и применение при метало-

геническом анализе роли понятий об иерархии изученных геологических объектов и их систематики на основе структурно-вещественного подхода.

Книга состоит из семи глав. В первой рассмотрена история изучения ураноносности Монголии, которая началась в 1948 г. ревизионными работами советских геологов, в результате которых на территории Монголии было выявлено большое число проявлений урана в различных по возрасту и составу метаморфических, осадочных и магматических образованиях. Наиболее комплексное и всестороннее изучение ура-

* Публикуя официальный отзыв геологической службы управления по делам полезных ископаемых Монголии на монографию Ю.Б.Миронова "Уран Монголии", редколлегия выражает уверенность в том, что высокая оценка монографии Ю.Б.Миронова увеличит круг ее читателей и еще раз подтвердит приоритет российской геологической школы.