Водные ресурсы, 2020, T. 47, № 3, стр. 312-321

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Объекты исследований данной работы – гидрогеохимические условия в центральной части Западно-Сибирского бассейна, включая районы, сопредельные Колтогорско-Толькинской шовной зоне, в границах прямоугольной области, протягивающейся почти на 700 км с Ю на С, более чем на 400 км с З на В. Область полностью включает в себя хорошо изученные в геологическом и гидрогеологическом отношении территории Нижневартовского свода и Александровского мегавала, весь Каймысовский свод и практически весь (за исключением небольшой северной части) Ларьеганский мегапрогиб (рис. 1).

Рис. 1.

Фрагмент тектонической карты и карты геодинамического районирования: 1 – структуры первого порядка (1 – Суторминская мегаседловина, 2 – Пякупурский мегапрогиб, 3 – Вэнгапурский мегавал, 4 – Етыпурский мегавал, 5 – Ампутинский мегапрогиб, 6 – Стахановская мегаседловина, 7 – Бахиловский мегавал, 8 – Ларьеганский мегапрогиб, 9 – Верхнетолькинская мегатерраса, 10 – Сургутский свод, 11 – Северо–Вартовская мегатерраса, 12 – Валюнинская мегаседловина, 13 – Варьеганский мегавал, 14 – Тагринский мегавал, 15 – Толькинский мегапрогиб, 16 – Верхнекаралькинский мегавал, 17 – Тюменский мегапрогиб, 18 – Нижневартовский свод, 19 – Стрежевская мегаседловина, 20 – Александровский мегавал, 21 – Пылькараминский мегавал, 22 – Пылькараминская мегаседловина, 23 – Юганская мегавпадина, 24 – Колтогорский мегапрогиб, 25 – Усть–Тымская мегавпадина, 26 – Каймысовский свод, 27 – Средневасюганский мегавал, 28 – Парабельский мегавал, 29 – Нюрольская мегавпадина, 30 – Пудинский мегавал); 2 – линеаменты, 3 – границы геодинамических блоков и их номера, 4 – обозначение геодинамического блока.

Количество гидрогеохимических опробований и основные статистические характеристики ионно-солевого и микрокомпонентного состава вод представлены в табл. 1. Преобладают воды хлор-кальциевого типа, на порядок меньше проб гидрокарбонатно-натриевого типа, хлоридно-магниевые и сульфатно-натриевые воды встречаются в единичных пробах.

Приведенные в таблице средние значения общей минерализации подземных вод и содержания в них отдельных водорастворенных компонентов лишь отчасти отражают сложный характер изменения гидрогеохимических условий в рассматриваемой области. Более информативен коэффициент вариации, который по большинству основных параметров ионно-солевого и микрокомпонентного состава максимален для вод юрского комплекса. Очевидно, это свидетельствует о большей вариативности процессов, определивших современный гидрогеохимический режим этого комплекса по сравнению с неокомским и апт-альб-сеноманским комплексами.

Вместе с тем обращает на себя внимание существенно пониженная величина коэффициента вариации содержания гидрокарбоната в водах юрского комплекса (48.8% по сравнению с 69.8 и 75.4% в апт-альб-сеноманском и неокомском соответственно) при том, что этот показатель значительно выше в водах юрских отложений (0.745 кг/м³). По-видимому, это результат воздействия общего для юрских отложений мощного фактора, определившего стабильно высокую насыщенность вод гидрокарбонатом, возможно, элизионного или ювенильного генезиса или связанного с особенностями преобразования органического вещества, формирования углеводородов и с их первичной миграцией из нефтематеринских пород.

ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕКТОНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

Для описания гидрогеохимических условий, а также для их сопоставления с последствиями влияния тектонических процессов на основные свойства отложений на ранних этапах формирования бассейна, в работе в качестве геологической основы использована тектоническая карта центральной части Западно-Сибирского бассейна [16]. Фрагмент этой карты в рамках рассматриваемой территории приведен на рис. 1.

При анализе закономерностей изменения химического состава подземных вод необходимо учитывать влияние и более поздних по времени тектонических процессов, определяющих как пликативные, так и дизъюнктивные дислокации. Однако это существенно затрудняется сложностью и недостаточной изученностью тектонических процессов, особенно тех, что приводят к разрывным нарушениям осадочного чехла бассейна. До недавнего времени рассматривалась преимущественно пликативная модель формирования современного строения осадочного чехла Западно-Сибирского бассейна, в том числе и при анализе гидрогеологических условий. Фактически лишь с началом трехмерных сейсмических исследований появились достаточно надежные методы прослеживания дизъюнктивных нарушений в пределах юрско-меловых отложений бассейна.

Применение трехмерных сейсмических методов ограничено небольшими участками, для которых информация о химическом составе подземных вод имеется, как правило, в небольшом объеме. Если это и позволяет проводить сопоставительный анализ гидрогеохимических и геодинамических условий, то лишь локально, без регионального обобщения.

В этих условиях для последующего сопоставительного анализа привлечены результаты геодинамического районирования из [13]. Это районирование выполнено, в первую очередь, на основе анализа рельефа земной поверхности, геометрии речных русел, стариц, болот, а также имеющейся информации о глубинном строении осадочного чехла и кристаллического фундамента бассейна и представлений об общепланетарных геодинамических закономерностях.

В целом, несмотря на экспертный (во многом субъективный) характер проведенного районирования, применяемые методы имеют объективную основу, что подтверждается их успешным применением при решении ряда задач, связанных с анализом разведки и разработки месторождений углеводородов [1, 2, 7].

Результаты районирования представлены в виде серии линеаментов различной длины, преимущественно северо-восточной и северо-западной направленности (рис. 1). В их расположении прослеживаются определенные закономерности, например – группировка близких друг к другу линеаментов одной направленности в линейно выдержанные зоны. На рис. 1–7 отмечены три такие линейные зоны. Их краевые точки у границ рисунков обозначены римскими цифрами I, II и III. К этим зонам приурочены более протяженные линеаменты (длина которых на 10–15% больше средней), что служит косвенным свидетельством объективного характера выделяемых закономерностей.

Представленные линейные зоны делят рассматриваемую в данной работе территорию на шесть областей, которые для удобства дальнейшего изложения последовательно с Ю на С и с В на З обозначены буквами от A до F.

ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

В задачах регионального (в пределах всего Западно-Сибирского бассейна) и субрегионального (в рамках крупных территорий, например Ханты-Мансийского автономного округа) уровня картографирование минерализации и состава подземных вод, как правило, выполняется по достаточно крупным объектам – апт-альб-сеноманскому, неокомскому и юрскому водоносным комплексам [3, 5, 14, 15]. Этот же подход применен и в данной работе.

При построении карт, наряду с использованием данных гидрогеохимического опробования, в качестве дополнительной информации учтены обобщенные результаты картографирования химического состава подземных вод водоносных комплексов всего Западно-Сибирского бассейна [15]. Это, с одной стороны, позволило детально отследить пространственные закономерности гидрогеохимических условий в рассматриваемой в данной работе области, а с другой – выполнить их надежное согласование с закономерностями регионального уровня – всего бассейна.

Результаты картографирования общей минерализации подземных вод и содержания в них основных макрокомпонентов (ионов кальция и гидрокарбоната) и микрокомпонентов (йода, брома и бора) приведены на рис. 2–7. Карты содержания ионов натрия и хлора, в значительной степени схожие с картами общей минерализации, здесь не приводятся. На рис. 2–7 вынесены, как на рис. 1, границы тектонических структур первого порядка и границы выделенных областей по результатам геодинамического районирования.

Рис. 2.

Минерализация подземных вод, кг/м³: а – апт-альб-сеноманских, б – неокомских, в – юрских отложений. 1 – границы структур первого порядка, 2 – границы геодинамических блоков и их номера, 3 – обозначение геодинамического блока.

Рис. 3.

Содержание кальция в подземных водах, 10^–3 кг/м³: а – апт-альб-сеноманских, б – неокомских, в – юрских отложений. 1 – границы структур первого порядка, 2 – границы геодинамических блоков и их номера, 3 – обозначение геодинамического блока.

Рис. 4.

Содержание гидрокарбоната в подземных водах, 10^–3 кг/м³: а – апт-альб-сеноманских, б – неокомских, в – юрских отложений. 1 – границы структур первого порядка, 2 – границы геодинамических блоков и их номера, 3 – обозначение геодинамического блока.

Рис. 5.

Содержание йода в подземных водах, 10^–3 кг/м³: а – апт-альб-сеноманских, б – неокомских, в – юрских отложений. 1 – границы структур первого порядка, 2 – границы геодинамических блоков и их номера, 3 – обозначение геодинамического блока.

Рис. 6.

Содержание брома в подземных водах, 10^–3 кг/м³: а – апт-альб-сеноманских, б – неокомских, в – юрских отложений. 1 – границы структур первого порядка, 2 – границы геодинамических блоков и их номера, 3 – обозначение геодинамического блока.

Рис. 7.

Содержание бора в подземных водах, 10^–3 кг/м³: а – апт-альб-сеноманских, б – неокомских, в – юрских отложений. 1 – границы структур первого порядка, 2 – границы геодинамических блоков и их номера, 3 – обозначение геодинамического блока.

Представленные результаты свидетельствуют о том, что в содержании основных параметров ионно-солевого и микрокомпонентного состава подземных вод рассматриваемой области отсутствуют ярко выраженные общие пространственные закономерности. В частности, у различных водоносных комплексов не прослеживается общность расположения зон с повышенными (пониженными) величинами как содержания отдельных компонентов, так и общей минерализации подземных вод. Нет согласованности изменения компонентного состава подземных вод в пределах отдельных водоносных комплексов – карты по каждому показателю существенно различаются. При этом характерны существенные различия не только деталей субрегионального уровня, но и трендовых закономерностей изменения гидрогеохимических параметров.

Наблюдаемые существенные различия пространственных закономерностей изменения отдельных компонентов водорастворенного комплекса подземных вод, очевидно, отражают сложные процессы, определившие современное состояние гидрогеохимических условий глубоких горизонтов. При этом результирующий состав подземных вод обусловлен воздействием множества факторов, индивидуальных для каждого из рассмотренных компонентов. Вместе с тем изменчивость химического состава подземных вод, очевидно, связана с существенной неоднородностью структурно-литологических и фильтрационно-емкостных свойств вмещающих отложений в пределах рассматриваемой области исследований.

СОПОСТАВЛЕНИЕ ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИХ И ТЕКТОНИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ

На картах гидрогеохимических параметров не прослеживается явная взаимосвязь ионно-солевого и микрокомпонентного состава водорастворенного комплекса с положением границ Колтогорско-Толькинской шовной зоны, являющейся результатом мощных процессов рифтогенеза.

Лишь в сеноманских отложениях и только для минерализации подземных вод наблюдается пространственная согласованность изолиний с границами Толькинского мегапрогиба и частично – северной части Колтогорского мегапрогиба. Но граница областей с содержанием кальция больше и меньше 0.5 кг/м³ в этих водах фактически рассекает шовную зону пополам. Практически вся шовная зона по содержанию гидрокарбоната (<0.125 кг/м³) идентична большей части рассматриваемой территории. Для микрокомпонентного состава отмечается определенная схожесть закономерностей по минерализации – тренд изменения этих параметров с З на В с расположением изолиний субпараллельно осевой части Толькинского мегапрогиба. Но по йоду и брому фиксируется вклинивание с В на З в центральную часть Нижневартовского свода областей с пониженным содержанием компонентов (<0.004 и <0.02 кг/м³ соответственно). А вклинивание области с пониженным (<0.004 кг/м³) содержанием бора прослеживается вплоть до Юганской мегавпадины.

К западу от Толькинского мегапрогиба характерна тенденция роста минерализации подземных вод неокомских отложений, но по отношению к Колтогорскому мегапрогибу отмечается противоположная направленность увеличения минерализации к востоку. Аналогичные закономерности наблюдаются также и в содержании кальция и в меньшей степени – брома и бора. Содержание гидрокарбоната в водах неокомского комплекса Колтогорско-Толькинской зоны (0.25–0.5 кг/м³) в основном близко к средним значениям этого показателя для вод по всей рассматриваемой территории, и лишь южная часть Колтогорского мегапрогиба входит в зону пониженного (<0.25 кг/м³) содержания гидрокарбоната. При общем тренде уменьшения концентрации йода в подземных водах в восточном направлении наблюдается существенное различие этого показателя для вод Толькинского мегапрогиба и сопредельных территорий (где содержание йода составляет <0.008 кг/м³) и Колтогорского мегапрогиба, который входит в обширную область с повышенным содержанием йода (>0.008 кг/м³).

В юрском водоносном комплексе наблюдается меньшая по сравнению с водами вышележащих комплексов пространственная выдержанность зон с близкими содержаниями отдельных компонентов и более широкие пределы вариации самих гидрогеохимических показателей. Это дополнительный аргумент для вывода о том, что признаки явного влияния Колтогорско-Толькинской шовной зоны на химический состав подземных вод отсутствуют.

Как видно из приведенных карт минерализации и содержания основных водорастворенных элементов в подземных водах, пространственные закономерности их изменения не контролируются не только границами распространения Колтогорского и Толькинского мегапрогибов, но и другими отрицательными и положительными структурными элементами. Выделяемые однородные по гидрогеохимическим параметрам зоны охватывают целиком или частично и те и другие. А сами структуры разделяются на отдельные районы с существенно различающимися минерализацией и концентрациями водорастворенных компонентов.

Таким образом, анализ карт, отображающих закономерности изменения химического состава подземных вод на рассматриваемой территории, свидетельствует о том, что палеотектонические условия, несмотря на то, что они в большой степени определяют основные особенности строения Западно-Сибирского бассейна, в целом не контролируют современное состояние гидрогеохимического режима глубоких горизонтов. Отметим также, что их влияние не прослеживается и в современном геотемпературном режиме недр [6, 9].

Вместе с тем, как видно из рис. 2–7, имеется определенная взаимосвязь между гидрогеохимическими условиями водоносных комплексов рассматриваемой области и расположением линеаментных зон, выделенных по результатам геодинамического районирования и характеризующих влияние неотектонических процессов на морфоструктурные особенности рельефа земной поверхности.

ОБСУЖДЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Представленные результаты свидетельствуют о существенных различиях пространственных закономерностей изменения минерализации и содержания основных водорастворенных макро- и микрокомпонентов в подземных водах глубоких горизонтов в пределах рассматриваемой в данной работе части Западно-Сибирского бассейна. В этом выражаются сложность и многообразие процессов, определивших современный химический состав подземных вод, в частности – воздействие палеотектонических процессов (в том числе приведших к образованию Колтогорско-Толькинской шовной зоны), которые, несомненно, оказали влияние на формирование наблюдаемых гидрогеохимических закономерностей.

Однако в современном гидрогеохимическом режиме недр в большей степени прослеживается влияние относительно недавних (или даже современных) тектонических процессов. Это проявляется в согласованности характерных изолиний общей минерализации подземных вод с границами областей, выделенными по результатам геодинамического районирования (выполненного преимущественно по топографическим данным земной поверхности). По отдельным компонентам водорастворенного комплекса такая согласованность – или менее явная и более фрагментарная или совсем не прослеживается.

Конечно, необходимо учитывать субъективность методов линеаментного анализа, реализованных при решении задач геодинамического районирования. Вместе с тем наблюдаемая согласованность изменения гидрогеохимического облика подземных вод (по крайней мере в отношении их минерализации) с границами блоков, выделенных по независимым данным и в некоторой степени формализованными методами, свидетельствует в пользу объективного характера проведенных границ.

В целом можно отметить, что сопоставление пространственных закономерностей химического состава подземных вод и геодинамических условий свидетельствует о существенном воздействии тектонического фактора на гидрогеохимический режим недр на протяжении всей истории развития бассейна. Однако это воздействие проявляется в большей степени в пространственных закономерностях изменения общей минерализации подземных вод (и, соответственно, содержания ионов натрия и хлора) и в меньшей степени – в содержании других макро- и микрокомпонентов.

Это обусловлено тем, что тектоника влияет, в первую очередь, на параметры фильтрации подземных вод – направленность движения, изменение границ потоков, формирование и разрушение гидродинамически связных зон. И, соответственно, наблюдаемая определенная согласованность тектонических условий и минерализации подземных вод свидетельствует о том, что содержание основных макрокомпонентов подземных вод – натрия и хлора в значительной степени определяется гидродинамическими факторами. На содержание остальных компонентов (в том числе кальция, гидрокарбоната, йода, брома и бора) существенное воздействие оказывают и другие факторы, в частности – условия седиментации отложений, их постседиментационные преобразования и многопараметрическое физико-химическое взаимодействие подземных вод с вмещающими породами.

ВЫВОДЫ

Анализ детального картографирования гидрогеохимических параметров в пределах Колтогорско-Толькинской шовной зоны и сопредельных районов свидетельствует о существенном различии пространственных закономерностей содержания элементов ионно-солевого, микрокомпонентного состава и общей минерализации подземных вод в целом. Значимо отличаются друг от друга гидрогеохимические условия апт-альб-сеноманского, неокомского и юрского водоносных комплексов. В этом выражается разномасштабное результирующее воздействие геологических и гидрогеологических процессов на наблюдаемые концентрации отдельных компонентов водорастворенного комплекса подземных вод.

Проведенное сопоставление закономерностей пространственного изменения химического состава подземных вод с морфоструктурными особенностями строения глубоких горизонтов, обусловленными тектоническими условиями начального периода развития бассейна, свидетельствует об отсутствии между ними закономерных взаимосвязей. В частности, не обнаружено явного разделения химического облика подземных вод зоной Колтогорско-Уренгойского грабен-рифта.

Установлено наличие связи распределения минерализации подземных вод по всем водоносным комплексам с блоковым строением осадочного чехла. В этом проявляется воздействие относительно недавних или активных и в настоящее время тектонических процессов на современный гидрогеохимический облик подземных вод центральной части Западно-Сибирского мегабассейна. Это свидетельствует о значимом влиянии гидродинамических факторов, направлений и границ миграционных потоков на пространственные закономерности изменения минерализации подземных вод и содержания основных компонентов химического состава – ионов натрия и хлора.