К оглавлению

О некоторых вопросах гидрогеологии палеозоя Русской платформы (Печатается в порядке обсуждения.)

М.П. ТОЛСТОЙ

Обработка материала по опорному бурению, разведочным и эксплуатационным нефтяным и газовым скважинам, пробуренным за последние годы на Русской платформе, позволила на нервом этапе систематизировать обширные материалы но водоносности глубоких недр.

Полученные данные по напорам, химическому составу отдельных пластовых водоносных горизонтов, содержанию брома, иода и других химических элементов используются для практических вопросов нефтепромысловой геологии - для выяснения роли гидрогеологических факторов в оценке перспектив газонефтеносности отдельных районов платформы, условий образования, аккумуляции, миграции нефти и разрушения нефтяной залежи.

Обширный материал, систематизированный геологами но изучению подземных вод, главным образом слабоминерализованных [5, 9, 10], Московского артезианского бассейна, Северо-Украинской мульды, Причерноморской впадины, позволил установить ряд закономерностей.

Глинистые перекрытия, залегающие вблизи дневной поверхности, «в зоне активного водообмена», изолируют смежные водоносные горизонты друг от друга, вследствие чего они представляют в гидравлическом отношении обособленные резервуары, обладающие различными напорными уровнями, неодинаковым химическим составом воды, различной производительностью.

Такие водоносные горизонты, тщательно изученные упомянутыми исследователями, установлены среди вод карбона и верхнего девона Московской синеклизы, третичных и меловых отложений Украинской мульды, верхнетретичных и третичных отложений Причерноморской впадины.

В сводной работе В.А. Кротовой [7] произведена систематизация гидрогеологического материала, установлен ряд закономерностей. По мнению В.А. Кротовой, все хлоридные воды, содержащиеся в различных горизонтах, в химическом отношении весьма сходны между собой, в связи с чем в огромной толще палеозоя мощностью свыше 1500 м она выделяет единый в гидравлическом отношении водоносный комплекс; напоры вод почти всех его горизонтов весьма близки друг к другу, скорости движения вод глубоких горизонтов определяются от 1 до 5 м в год; речные долины Волги, Камы и Белой дренируют водоносный палеозойский комплекс и т. д.

В условиях платформы, где пласты залегают с небольшим уклоном, какие-либо дизъюнктивные нарушения отсутствуют, трудно говорить о далекой вертикальной межрезервуарной миграции вод и нефти; вертикальная миграция по трещинам если и происходит, то преимущественно в смежных, соприкасающихся друг с другом пластах (отдельные районы Жигулевского и Краснокамско-Полазненского валов) и ее масштабы в региональном плане незначительны.

Основной вид миграции подземных вод на платформах - боковое движение по пласту - внутрирезервуарное движение от участков выхода пород на дневную поверхность к центру депрессии; миграция флюидов имеет место от крыльев складок к центральным частям структур и т. д.

Трудно допустить, что в 2000-метровой толще палеозоя имеется только один повсеместно выдержанный водоупор - гипсово-ангидритовая толща кунгура, в связи с чем в гидравлическом отношении возможно выделение только двух водоносных комплексов: верхнего в пермских отложениях и нижнего под водоупором в артинских, каменноугольных и девонских отложениях.

Нельзя недооценивать многочисленные прослои глин в разрезе палеозоя Волго-Уральской области и других частях платформы: в бавлинской свите, в кровле пашийских слоев, между визеем и намюром, в московском ярусе и в кровле казанского яруса. Доказано, что в Московской синеклизе горизонт верейских глин мощностью 10-20 м является надежным перекрытием для вод среднего карбона от нижнего карбона. В таком случае неясно, почему эти же глины при мощности, почти вдвое большей (25-40 м), и залегании на глубине от 500 до 1200 м не являются водоупором в Волго-Уральской области.

Так, в Москве в трещиноватой 200-метровой толще каменноугольных известняков и доломитов с прослоями глин содержатся два артезианских водоносных горизонта, гидравлически изолированных друг от друга, характеризующихся разными напорами, химическим составом и водообилием.

В Москве, в Лужниках, на пойменной террасе р. Москва, на стадионе им. Ленина в 1956 г. были пробурены две артезианские скважины для водоснабжения. Одна из них глубиной 120 м использует воды из среднего карбона, вторая глубиной 210 м, расположенная рядом, вскрыла воды серпуховского горизонта нижнего карбона ().

Пьезометрические уровни и химический состав вод оказались совершенно различными (см. табл. 1), что подтверждает вывод о том, что даже в условиях Москвы, где сильный отбор подземных вод для водоснабжения создал большую депрессионную воронку, 15-20-метровая толща глин верейского горизонта среднего карбона  полностью изолирует горизонты друг от друга и какая-либо гидравлическая связь между ними отсутствует.

В Волго-Уральской области угленосная толща нижнего карбона регионально нефтеносна на обширной площади, хотя ее закрытость и удаленность от дневной поверхности меньше, чем отложений верхнего девона. Здесь, кроме благоприятных условий для нефтеобразования в нижневизейский век (что является главным), известную роль в деле сохранения нефтяной залежи от разрушения сыграла глинистая покрышка, залегающая над песками.

Наконец, известно, что даже в верхней гидрохимической зоне - зоне активного водообмена в нижнем карбоне Московской синеклизы - при разработке угля устанавливается несколько водоносных горизонтов, изолированных друг от друга глинами и характеризуемых различными химическим составом, режимом, гидравлическими свойствами и дебитами. Так, для изучения обводненности угольной залежи в северо-западной части Московского угольного бассейна (верховья Волги) в д. Аббакумово (Калининская область) в 1950 г. была пробурена гидрогеологическая скважина глубиной 115,65 м. В 100-метровой толще известняков нижнего карбонаона встретила пять самостоятельных водоносных горизонтов, различных по напорам вод, дебиту и химическому составу вод: серпуховским, алексинский, тульский, сталиногорский, лихвинский.

Характеристика двух смежных верхних горизонтов приводится в табл. 2.

Приведенные в табл. 1 и 2 материалы можно увеличить; они доказывают различие напоров, производительности и химического состава вод смежных водоносных горизонтов. Почему же все эти различия должны полностью исчезнуть на больших глубинах? Хлоридный состав вод и четко выраженная вертикальная зональность, установленная впервые в 1944 г. еще Н.К. Игнатовичем (зона активного водообмена - гидрокарбонатные воды, зона затрудненного водообмена - сульфатные воды и зона весьма затрудненного водообмена - хлоридные воды), отнюдь не обусловливают полную однотипность вод внутри каждой гидрохимической зоны.

В зоне активного водообмена установлена целая гамма пресных вод гидрокарбонатного состава. Хотя с глубиной в целом различия в химическом составе вод сглаживаются, но они сохраняются и среди рассольных хлоридных вод, опробование которых из-за большой глубины залегания сопряжено с трудностями и производится, к сожалению, недостаточно тщательно.

Характер водоносности глубоких недр палеозоя известен еще плохо. Для огромной толщи пород более подробные сведения имеются только по интервалам, перспективным в той или иной степени на нефть и газ. В отношении химического состава вод все наши знания ограничиваются обычным анализом пяти компонентов: Cl, SO4, НСО3, Са, Mg.

При этом часто неизвестно содержание даже брома и иода, не говоря уже о рН, калии, аммонии, стронции, железе, боре, барии, радиоактивности и ряде других рассеянных и редких элементов. Мало материалов и о напорах вод, производительности горизонтов, режиме пластов, температуре и давлении. Почти ничего неизвестно о составе газов, бактериальном населении и содержании нафтеновых кислот.

При общей закономерности возрастания с глубиной концентрации солей, выражаемой различно (в мг-экв на 100 г, в градусах Боме или величиной плотного остатка), имеется много примеров отступления от этого явления.

Так, еще в XVII и XVIII вв. при солеварении из пермских рассольных вод в районе Соликамска, Балахны и Тотьмы солепромышленники отмечали, что хотя с глубиной рассол обычно становился «добротнее», однако в ряде скважин имелось обратное явление - на глубине 95 м «сила солености была менее», чем на глубине 80-85 м [12]. В Прикамье [8] воды известняков турнея на глубине 1425 м имеют плотный остаток 265 г/л, а вышележащие воды песков угленосной толщи 275-280 г/л. Явления того же порядка были установлены и в скважинах девона Самарской Луки и Московской синеклизы: - в скважинах опорного бурения- Непейцино, Поварово, Солигалич.

Поэтому отрицание рядом геологов, связи между характером минерализации вод, концентрацией солей и литологическим составом водовмещающих пород слишком категорично. На больших глубинах в зоне весьма замедленного водообмена среди вод хлоридной минерализации эта связь имеет место; представления о большом сходстве минерализации - результат недостаточности наших знаний о температуре, радиоактивности, пластовом давлении вод, содержании газов, редких и рассеянных элементов.

Для выяснения степени закрытости различных водоносных, горизонтов важным показателем служат количество солей, содержащихся в бассейне того или иного древнего моря, бывшего на территории Русской платформы, и (особенно) количество оставшихся солей в осадках после превращения их в горные породы.

Соленость девонских, каменноугольных, пермских морей была неодинакова; она изменялась существенно в различные геологические периоды и в различных частях одного и того же бассейна в одно и то же время.

Химический состав вод древних девонских, карбоновых и пермских морей нам неизвестен, но на основании изучения карбонатных, терригенных и сульфатно-галогенных осадков можно предполагать, что соленость девонских морей в отдельные века живетского и фаменского времени была очень высокой, достигая 200-250 г/л; во франское время, наоборот, она составляла менее 35 г/л; в карбоновый период в западных частях платформы и в донамюрское время на востоке соленость вод была также низкой - до 35 г/л; в московский и уральский века соленость к востоку от 42° меридиана была значительной - до 50-80 г/л; в пермский период (в артинский и кунгурский века) высокой - до 250 г/л; в казанский век - до 50-80 г/л; в татарский век соленость была весьма своеобразной, но в целом, по-видимому, небольшой - до 35-50 г/л; в отдельных же замкнутых лагунах концентрация вод могла быть и весьма значительной.

Очевидно, соленость вод в палеозойских морях была весьма разнообразной, изменяющейся не только во времени, но и значительно по площади в зависимости от глубины бассейна и величины речного сноса.

Известно, что содержание солей и отношение Cl/Br в различных частях, современного Каспийского моря (не считая залива Кара-Богаз-Гол) изменяется в широких пределах - от 6,2- 13 г/л (Северный Каспий - Красноводский залив) до 40-53 г/л (заливы Мертвый Култук-Кайдак). Отношение Cl/Br соответственно 766-760 и 600-333.

В современном Черном море соленость около 18 г/л, Cl/Br = 316, а в Средиземном море около 37 г/л, Cl/Br = 279.

Поскольку палеогеографические особенности обширной Русской платформы были различны в разные геологические времена, и количество солей в седиментационных и погребенных водах было неодинаковым. Поэтому простое деление концентрации вод на глубину залегания водоносного горизонта и уменьшение отношения Cl/Br с глубиной не будут характеризовать закрытость того или иного пласта, а могут в известной степени лишь отражать особенности седиментации и диагенеза в различных водоемах и лагунах верхнего палеозоя.

Иловые воды современных морей также характеризуются неодинаковой соленостью и различным отношением Cl/Br. Эти соотношения в отдельных случаях при погребении осадков под мощной толщей более молодых пород в какой-то степени сохраняются на длительное геологическое время. В других случаях - при поднятии дна бассейна, когда отложения начинают промываться текучими водами, древние воды заменяются новыми водами атмосферного происхождения, эти соотношения могут изменяться.

Можно принять, что на Русской платформе в ряде случаев в девонских, карбоновых и пермских отложениях сохранились древние морские седиментационные (сингенетические осадкам) и погребенные (моложе осадков) воды, которые в настоящее время вскрываются скважинами [13].

В этом случае начальная концентрация этих вод могла быть совершенно неодинаковой, т.е. воды могли иметь концентрацию солей и 35, и 50, и 100 г/л, следовательно, отношение величии концентрации воды опробуемого горизонта в мг/л к глубине его залегания отнюдь не является коэффициентом закрытости структур, как это пропагандирует М.А. Гатальский [3].

Кроме того, понятие «закрытость структуры» неточно по своему существу. Еще Н.К. Игнатович [6] отмечал, что каждая структура состоит из нескольких пластов различной проточности, промытости, следовательно, и в закрытых структурах некоторые пласты могут быть более сильно промытыми, другие, наоборот, непромытыми. Не всякий промытый пласт будет содержать обязательно слабоминерализованную воду, а закрытый, наоборот, рассолы. Этот вопрос более сложен. Химический состав вод и их движение хотя часто и связаны между собой, но не всегда и везде контролируют друг друга.

Приводимый ниже материал по отношениям Cl/Br для пермских вод в различных частях платформы на наш взгляд полностью опровергает вывод В.А. Кротовой о том, что хлор-бромный коэффициент зависит от глубины залегания водоносного горизонта, что для вод перми Волго-Уральской области он имеет значения: для верхней перми от 1300 до нескольких тысяч, для нижней перми от 500 до 1450, а отношение Na/Cl колеблется от 0,98-0,90.

Химические анализы воды верхней перми в центральные частях Русской платформы и Волго-Уральской области - М. Соль, Тотьма, Леденгск, Сольвычегодск, приведенные в табл. 3 и 4, показывают значения Cl/Br от 166 до 738, Na/Cl от 0,88-2,2, а для вод нижней перми - Солигалича, Ярославля, Иванова, Балахны, Глазова, Левшино- Cl/Br=143-438; Na/Cl = 0,66 - 0,90. Предположение, что все эти пункты являются «гидрохимическими аномалиями» и в опробуемые интервалы пород мигрировали воды снизу, из девона, пройдя толщу пород от 1000 до 1500 м, более чем сомнительно.

Хлоридносульфатнонатриевокальциевые воды Тотьмы, Леденгска с плотным остатком 50-70 г/л, равно как хлориднонатриевокальциевые воды Ярославля, Левшино, Иванова с 65-147 г/л не поднялись в водоносный горизонт снизу, а сформировались в тех же отложениях, в которых они сейчас вскрываются, т.е. являются древними морскими седиментационными и погребенными водами. На это указывают вся палеография и геологическая история платформы в пермский период, об этом говорят их широкое площадное распространение на обширной территории, химический состав, содержание иода, брома, бора, бария, стронция, а также отношения NaCl/KCl, Cl/Br, Sr/Ca и др.

Это подтверждают работы И.И. Горского [4], Н.С. Пчелина [11], А.Н. Бунеева [2].

Все сказанное дает основание сделать следующие выводы.

Представления о едином гидравлическом и химическом комплексе хлоридных рассольных вод, содержащихся в отложениях карбона и девона Волго-Уральской области, отражают неполноту наших знаний о гидрогеологии (в широком смысле этого слова) глубоких недр и являются, надо думать, временным явлением. Более тщательное и комплексное изучение глубоких водоносных горизонтов поможет выявить определенные параметры, свойственные тому или иному пласту.

Содержащиеся в водоносных пластах растворенные соли являются отмытым морским солевым комплексом, а сами воды - иловыми водами и водами древних морей, проникшими в породы. Начальная концентрация вод и характер минерализации солей были в различных морях неодинаковы, поэтому и до промывания пород водами атмосферного происхождения концентрация солей, содержание хлора, брома, отношения Na/Cl, Cl/Br были совершенно различными, свойственными данному зпиконтинентальному бассейну.

Нельзя на основании только отдельных отношений между химическими элементами (Na/Cl, Cl/Br и др.) без всестороннего геологического анализа делать выводы о формировании солевого состава подземных вод определенных водоносных горизонтов. Частное от деления концентрации вод на глубину залегания водоносного горизонта, уменьшение с глубиной отношения Cl/Br не являются показателями «закрытости структур». Различные химические отношения Na/Cl, Ca/Sr, Cl/Br, NaCl/KCl, содержание иода и т. д. в той или иной степени отражают как совокупность особенностей седиментации и диагенеза в различных водоемах и лагунах девона, карбона и Перми, так и последующие геологические процессы, но пользоваться этими отношениями надо с осторожностью на широком региональном геологическом фоне.

ЛИТЕРАТУРА

1.     Апрессов С.М. Роль дизъюнктивной дислокации в нефтяных месторождениях. Азнефтеиздат, 1947.

2.     Бунеев А.Н. К истории вод седиментации. Сов. геология, № 19, 1947.

3.     Гатальский М.А. Значение динамики в формирований подземных вод Русской платформы. Геол. сб. ВНИГРИ, № 2, 1956.

4.     Горский И.И. О соляных источниках губерний Вологодской, Костромской, Ярославской, Нижегородской, Владимирской. Мат. по общ. и прикл. геол., вып. 26. ГОНТИ, 1926.

5.     Жуков В.А., Толстой М.П., Троянский С.В. Артезианские воды каменноугольных отложений Подмосковной котловины. ГОНТИ, 1939.

6.     Игнатович Н.К. О закономерностях распределения и формирования подземных вод. ДАН, т. 65, № 3, 1944.

7.     Кротова В.А. Волго-Уральская нефтеносная область. Гидрогеология. Гостоптехиздат, 1956.

8.     Куканов В.М. Гидрогеологические закономерности как фактор в установлении и изучении глубинных нефтяных структур. Сов. геология, № 4, 1945.

9.     Маков К.И. Подземные воды Причерноморской впадины. ГОНТИ, 1940.

10. Плотников Н.И. Северо-Украинская (Южно-Русская) мульда. Гидрогеологический очерк глубоких подземных вод. ОНТИ, 1934.

11. Пчелин Н.С. Минеральные воды Ивановской области. ГОНТИ, 1935.

12. Словарь географический Российского государства, собранный А. Щекатовым. Москва, 1805.

13. Толстой М.П. Геологические условия формирования минерализованных вод и их номенклатура. Гидрохимические материалы, т. XXIV, 1955.

Тимирязевская с/х академия.

 

Таблица 1

№ скв.

Возраст

Глубина, м

Плотный остаток

С1

so4

Са

Mg

Fe

Жесткость общая, нем. градусы

Напор, м абсолютной высоты

мг/л

1

C2m+p

120

694,0

84

169,4

74,0

57,0

1,35

23,7

99,0

2

C2v.sp

210

504,0

6

232,0

46,0

30,5

0,40

13,4

97,7

 

Таблица 2

Район

Возраст

Глубина залегания, м

Напор, м абсолютной высоты

Дебит,

Хлор

Сульфаты

Жесткость общая, нем. градусы

л/сек

мг/л

Аббакумово

C1v.srp

15,85-23,0

201,7

2,0

1,4

9,86

5,37

 

C1v.al

48,2-54,8

201,1

0,5

3,2

27,5

14.60

 

Таблица 3 Воды верхней перми

Показатели

М. соль, скв. 24, глубина 30 м

Горькая Соль, Пошехонско-Володарский район, источники

Тотьма, скв. Октябрьская

Леденгск, скв. Богородская, глубина 244,5 м, фонтан 4 м

Сольвычегодск, скв. Новая, глубина 82 м, фонтан

Удельный вес

 

1,0071

 

1,0384

1,0123

Плотный остаток, г/л

10,22

8,32

76,15

51,70

15,328

Хлор:

г/л

4,669

1,3420

44,97

26,21

6,7220

г-экв

131,68

37,84

1268,00

738,40

189,56

%-экв

78,83

31,30

84,80

84,10

78,40

Сульфатный ион:

г/л

1,538

3,9100

2,364

26,21

6,7220

г-экв

32,02

81,39

43,20

132,20

65,890

%-экв

19,17

67,40

15,00

15,00

21,59

Гидрокарбонатный ион:

г/л

0,1848

0,0849

0,1129

0,1490

0,5220

г-экв

3,03

1,40

1,80

0,7004

0,082

%-экв

1,81

1,20

0,10

0,80

0,01

Натрий:

г/л

2,9636

1,9570

-

17,1441

4,6715

г-экв

128,87

85,26

1116,38

744,9000

203,110

%-экв

77,15

70,60

88,70

85,50

78,90

Магний:

г/л

0,2132

0,2115

0,483

0,8737

0,3552

г-экв

17,53

17,40

155,30

71,8000

29,210

%-экв

10,50

14,40

6,20

8,20

11,30

Кальций

г/л

0,4135

0,3596

3,198

1,043

0,4775

г-экв

20,64

17,95

45,70

54,60

23,830

%-экв

12,35

14,80

5,10

6,30

10,80

Бром, мг/л

12,12

5,6

27

37

20

Иод

-

-

 

6,3

3

Cl/Br

389

239

166

738

336

Na/Cl

0,98

2,2

1,04

1,02

1,006

Формула Курлова

 

Таблица 4 Воды нижней перми

Показатели

Солигалич, глубина 234 м, фонтан с глубины 64-68 м

Ярославль, глубина 602,5 м, фонтан с глубины 211-215 м

Иваново, глубина 702 м, фонтан с глубины 260 м

Балахна, глубина 251 м

Глазов, самоизливание с глубины 697 м

Левшино, с глубины 65 м

Удельный вес

 

 

1,080

1,040

1,035

1,093

Плотный остаток, г/л

20,918

96,55

111,6

60,623

51,00

147,0

Хлор: г/л

9,6986

57,430

63,62

33,307

25,982

79,6645

г-экв . . .

273,53

1619,70

1850,50

939,26

732,270

2229,6200

%-экв . . .

84,83

96,75

96,00

89,79

93,40

98,0800

Сульфатный ион:

г/л . . . .

2,9691

2,514

3,6400

4,81

2,36

22,0082

г-экв . . .

74,24

52,34

75,75

100,09

49,20

41,77

%-экв . . .

14,65

3,13

3,90

9,57

6,28

1,82

Гидрокарбонатный ион:

г/л . . . .

0,0703

0,024

0,0277

0,043

0,03

0,1036

г-экв . . .

1,16

0,39

0,45

0,705

1,10

1,7000

%-экв . . .

0,36

0,02

-

0,640

0,07

0,08

Натрий:

 

 

33,3900

 

 

 

г/л . . . .

5,0760

30,970

 

18,966

- --

-

г-экв . . .

220,73

1346,670

1663,57

825,02

538,00

1476,90

%-экв . . .

68,46

80,44

86,60

79,28

68,70

65,00

Магний:

г/л ....

0,5010

1,693

1,7250

1,489

1,1850

4,8180

г-экв . . .

41,20

139,23

141,8500

117,46

97,400

396,04

%-экв . . .

12,78

8,32

7,30

11,29

12,440

17,40

Кальций:

г/л ....

1,2050

3,758

2,3720

1,968

2,952

8,0172

г-экв . . .

60,15

187,57

118,40

96,200

147,300

390,04

%-экв . . .

18,65

11,20

6,10

9,43

18,82

17,40

Бром, мг/л . .

44,0

131,0

168,0

Около 100

180,0

360,0

Иод, . . .

-

1,0

-

-

5,0

25,0

Cl/Br ....

220

438

390

333

144,3

222,2

Na/Cl ....

0,79

0,83

0,90

0,88

0,73

0,66

Формула Курлова