Литология и полезные ископаемые, 2020, № 2, стр. 153-161

ГЕОХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЕЛИНГРАДСКОЙ СИСТЕМЫ

Результаты изучения состава вод Велинградской системы и свободной газовой фазы, выделяющейся из них при разгрузке, отражены в ряде публикаций [Атлас …, 1971; Щерев, Христов, 1985; Владева и др., 2000]. В 2018 г. два термальных поля системы: самое южное (Чепино) и самое северное (Драгиново) были опробованы совместно исследователями Российской АН и Болгарской АН для уточнения состава спонтанно выделяющихся газов. Взятые пробы были проанализированы по известным методикам в Геологическом институте РАН для выяснения общего химического состава газов и в Геологическом институте Кольского научного центра РАН для определения изотопного состава гелия. Полученные результаты представлены в табл. 1. Они подтвердили принадлежность данной системы к акратотермам.

Термальные воды этого типа рассмотрены в специальной монографии по материалам исследования 217 источников на территории России и других республик бывшего СССР [Барабанов, Дислер, 1968]. Такие источники распространены в районах новейшего горообразования и повышенной сейсмичности – в глыбово-складчатых структурах Закавказья, Памира, Тянь-Шаня, Тувы, Алтае-Саянской и Байкало-Монгольской областей, Сихотэ-Алиня, Сахалина и Камчатки. Из них 73% – имеют температуру на выходе не выше 50°С; 78% − общую минерализацию ниже 1 г/л, причем около 50% − менее 0.5 г/л; последние приурочены преимущественно к гранитным массивам. По типу минерализации акратотермы неоднородны, что отражает взаимодействие инфильтрационных вод с вмещающими породами. При этом в их анионном составе доминируют ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$- или SO₄-ионы, а Cl, как правило, играет подчиненную роль; катионный же состав обычно натриевый. Отличительной особенностью акратотерм является присутствие кремнекислоты, содержание которой растет с увеличением температуры [Барабанов, Дислер, 1968].

В табл. 1 включены данные об акратотермах Велинградской системы, которые были опубликованы ранее [Пиперов и др., 1987; Piperov et al., 1994], но без указания, какие именно из ее термальных полей они характеризуют. Сравнение этих данных с полученными при опробовании этой системы в 2018 г., свидетельствует о ее геохимической стабильности.

Л.Н. Барабанов и В.Н. Дислер [1968, с. 57] подчеркнули, что “…подавляющее большинство… исследователей азотных терм считает, что основной их составляющей являются инфильтрационные атмосферные воды, обогащающиеся на глубине различными компонентами в результате процессов выщелачивания… в процессе… циркуляции их по породам”. Это абсолютно правильно в отношении Н₂О акратотерм и их солевой нагрузки, но относительно самого азота верно лишь тогда, когда в газовой фазе гидротерм отношение концентраций N₂ и Ar, который лучше азота растворяется в воде, не превышает ~84, что отвечает отношению долей этих компонентов в атмосферном воздухе. Однако если отношение N₂ /Ar в акратотермах больше “воздушного”, оно указывает на присутствие в исследуемом газе примеси “избыточного” − неатмогенного азота. Для точного определения этой примеси следует измерить изотопный состав аргона, и в случае ⁴⁰Ar/³⁶Ar > 295.6, что указывает на примесь к атмосферному аргону радиогенного ⁴⁰Ar_РАД, образующегося при распаде в породах радиоактивного ⁴⁰К, вычесть эту примесь из общей концентрации аргона в пробе и найти в ней истинное отношение N₂ /Ar_АТМ. Судя по величине ⁴⁰Ar/³⁶Ar = 293 в газах пробы “Каменица”, охарактеризованной в табл. 1, избыточного, т.е. неатмогенного (“глубинного”, “корового”, “мантийного”) азота в гидротермах Велинградской системы нет.

Отсутствие такого азота в акратотермах отмечается в разных районах их распространения, например, в Восточно-Карпатском регионе [Поляк и др., 2018], Байкало-Монгольском регионе и Сихотэ-Алине [Шуколюков, Толстихин, 1965] и других структурах, что в этих случаях свидетельствует о чисто метеогенной природе питающих вод. Эта же особенность Велинградских акратотерм поддерживается низкой величиной отношения концентраций в их газах изотопов гелия ³Не/⁴Не. В газах участка Чепино это отношение, по нашим определениям, составило (14 ± 3) × 10^–8 и является практически таким же (15 × 10^–8), как определенное ранее (~30 лет назад) в пробе “Велинград” Н. Пиперова [1987]). Оба этих значения очень близки к типичным для радиогенного гелия, образующегося в континентальной коре − ≈3 × 10^–8 [Мамырин, Толстихин, 1981].

В подземных водах другого газового состава, например, в метановых водах Предкарпатского нефтегазоносного краевого прогиба или в углекислых водах восточного сегмента Складчатых Карпат, примесь избыточного N₂ в газовой фазе, напротив, была встречена в большинстве опробованных водопроявлений [Поляк и др., 2018]. В газах Предкарпатского прогиба присутствие “избыточного” (неатмосферного) азота считается следствием преобразования органического вещества, содержащегося в выполняющих прогиб породах, тогда как присутствие такого азота в углекислых минеральных водах может быть связано с более глубинными процессами.

ВАРИАЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ, рН И МИНЕРАЛИЗАЦИИ В ВЕЛИНГРАДСКИХ ГИДРОТЕРМАХ

Как было показано в работе [Стоянов, Христов, 2018], значения параметров гидротерм Велинградской системы в разных ее выходах неодинаковы. Эти параметры приведены в табл. 2 вместе с нашими интегральными оценками дебита термальных вод на каждом из термальных полей (или каждой зоны поля Лъджене) и вытекающими из этих оценок средневзвешенными значениями T°С, pH и общей минерализации (М) для каждого из этих участков. Эти оценки графически отображены на рис. 2 вдоль профиля через Велинградскую гидрогеотермальную систему, приведенного в работе [Стоянов, Христов, 2018]. На трех верхних графиках этого рисунка границы каждого из четырех полей (очагов разгрузки) Велинградских терм определены по пересечениям линии профиля с границами полей на приложенной карте (см. рис. 1 и нижний график рис. 2), а положение отдельных водопроявлений, из-за отсутствия в цитируемой работе их координат, условно приписано середине пересечения каждого поля линией профиля. На этом “среднем сечении” горизонтальными штрихами отмечены все частные значения (в отдельных водопроявлениях) каждого рассматриваемого параметра (Т°С, рН или общей минерализации вод), а кружками − средние значения этих параметров в каждом из четырех термальных полей.

Рис. 2.

Сопряженные вариации параметров термальных вод в Велинградской системе вдоль профиля, показанного на рис. 1. Условные обозначения см. на рис. 1. На графиках в верхней части рисунка прямоугольниками показаны диапазоны вариаций параметров в пределах каждого термального поля. Горизонтальные границы прямоугольников соответствуют максимальному и минимальному значениям параметров, риски на вертикальных осях прямоугольников – частным значениям параметров, кружки – их средневзвешенным значениям на данном поле; соединяющий их пунктир отражает тенденцию изменения величин параметров вдоль долины р. Чепинской.

Это позволило более корректно определить латеральные тренды изменения каждого параметра в субмеридиональном сечении Велинградской гидрогеотермальной системы, чем это было сделано в вышеуказанной работе Н. Стоянова и В. Христова. Уточненные тренды, однако, не изменили сделанного в этой работе вывода о закономерных изменениях параметров гидротерм Велинграда при движении с Ю–ЮЗ на С–СВ: росте температуры и минерализации терм в этом направлении при уменьшении в них рН. Эти взаимосвязанные изменения параметров термальных вод разных полей Велинградской системы наглядно проявлены на графиках, приведенных на рис. 3.

Рис. 3.

Взаимосвязанные вариации температуры, pH и величины минерализации термальных вод в Велинградской системе. Разными символами показаны знаки разных полей (Чепино – кружки, Лъджене – ромбы, Каменица – треугольники, Драгиново – квадраты). Крупные значки соответствуют средним значениям для каждого поля, мелкие – частным значениям в исследованных водопроявлениях. Линии на графиках – корреляционные линейные тренды, R² – оценки достоверности аппроксимации.

Но изменения эти, как показано на рис. 2, происходят вдоль описанного профиля не монотонно, а с разной интенсивностью, резко возрастая между полями Лъджене и Каменица. Это указывает, с одной стороны, на родство гидротерм всех полей Велинградской системы, а с другой – на изменение гидрогеологических условий вдоль профиля: если ультрапресные воды Чепино и Лъджене относятся к гидрокарбонатному типу, то несколько более минерализованные воды Каменицы и Драгиново – к сульфатному, что сопровождается понижением рН. По-видимому, именно последние, к тому же более горячие, точнее характеризуют восходящий поток термальных вод, а поля Чепино и Лъджене представляют периферию гидрогеотермальной системы, где циркулируют и разгружаются ее дериваты, разбавленные более холодными и пресными метеогенными инфильтрационными водами. Для проверки такого заключения необходим дополнительный, более детальный анализ гидродинамических условий в Велинградской системе. В этой связи стоит заметить, что в 14 км севернее, на простирании линии рассмотренного профиля в долине р. Чепинской находится гидрогеотермальное поле Варвара (см. рис. 1б и работу [Атлас …, 1971]). Термы этого поля, судя по “Справочнику…” [Владева и др., 2000], вдвое водообильнее по сравнению с термами ближайшего поля Драгиново (19.5 л/с); при той же Т = 90°С они характеризуются несколько более высокой общей минерализацией (0.77 г/л) и рН = 8.3 при таком же сульфатнвом типе минерализации. Представляется, что это не просто “близнец” Велинградских терм, а еще один элемент общей гидрогеотермальной системы. Подтверждение такого предположения могло бы увеличить прогнозные бальнеологические и геотермальные ресурсы Велинградской системы.

Что касается последних, то общий вынос тепла на всех четырех полях Велинградской гидрогеотермальной системы, согласно приведенным в табл. 2 оценкам дебитов и температур в индивидуальных выходах гидротерм на каждом поле, оценен в ~9030 ккал/с, или ~ 38 МВт. В табл. 3 приведены оценки доли каждого из четырех полей в общем дебите гидротерм системы и выносе ими глубинного тепла.

Сопоставление этих оценок показывает, что более половины общей массы разгружающихся в Велинградской системе термальных вод изливается на Чепинском поле, где выделяется в атмосферу почти половина общего количества тепла, выносимого гидротермами. К северо-востоку от Чепинского поля дебиты других термальных полей последовательно убывают, в отличие от роста температур разгружающихся вод, (см. табл. 2 и работу [Стоянов, Христов, 2018]).