Южное Предуралье, в геотектоническом отношении отвечающее юго-восточному склону Восточно-Европейской платформы и южной части Предуральского краевого прогиба, является классической областью распространения нижнепермской галогенной формации, мощность которой достигает 500 м и более. Основным типом подземных вод глубокозалегающих нефтегазоносных комплексов региона являются хлоридные рассолы, генетически связанные с галогенными породами. Они образуют выдержанную в пространстве гидрогеохимическую зону, приуроченную к палеозойским и позднепротерозойским терригенно-карбонатным отложениям мощностью от 1-3 до 7-10 км.
В геохимическом отношении хлоридные рассолы представлены тремя основными типами: 1) магниевыми, натриево-магниевыми (минерализация М=380-475 г/дм3) меж- и внутрисолевыми, являющимися захороненной маточной рапой нижнепермского эвапоритового бассейна; 2) натриевыми (М=36-320 г/дм3) над- и подсолевыми, имеющими инфильтрационно-диффузионное происхождение и 3) кальциевыми и натриево-кальциевыми подсолевыми (М=200-330 г/дм3), образовавшихся в результате седиментогенно-эпигенетических процессов [5].
Нижнепермская толща представлены типично лагунно-морским парагенезисом хемогенных пород (известняк, доломит, гипс, галит, сильвинит, карналлит, бишофит). Поэтому для выяснения палеогидрохимических условий этой эпохи можно использовать результаты экспериментальных работ по испарительному концентрированию морской воды [3]. В ходе его происходит последовательное осаждение солей: кальцита СаСО3 при достижении минерализации раствора 15-36 г/дм3, доломита СаСО3×MgCO3 - 72-85, гипса СаSO4×2H2O - 135-150, галита NaCl - 320, сильвина KCl - 430 г/дм3, карналлита KCl×MgCl2×6H2O - 470 и бишофита MgCl2×6H2O - 510 г/дм3.
Плотность раствора ρ по мере его концентрирования растет от 1,025 г/см3 для нормальной морской воды до 1,131, 1,227, 1,290, 1,318 и 1,367 г/см3 в начале садки соответственно гипса, галита, сильвинита, карналлита и бишофита. Одновременно происходит метаморфизация состава морской воды: из хлоридной натриевой (в начальные стадии галогенеза) она превращается в хлоридную магниево-натриевую и натриево-магниевую (на стадии садки галита) и магниевую (в завершающие стадии галогенеза). Процесс испарительного сгущения рассолов сопровождается накоплением в маточной рапе галофильных элементов (брома, калия, бора и др.) и редких щелочных металлов (лития, рубидия и цезия).
Дораннепермская история геологического развития Южного Предуралья характеризовалась широким развитием седиментогенеза в морских бассейнах с нормальной соленостью, с которыми связаны мощные толщи карбонатных пород, занимающие до 90% палеозойского разреза. Инфильтрационные этапы развития, соответствующие континентальным перерывам, по сравнению с седиментационными этапами играли резко подчиненную роль, причем глубина проникновения инфильтрационных вод не превышала первых сотен метров. В целом палеогидрогеологическая обстановка на протяжении позднего протерозоя, раннего и среднего палеозоя была благоприятна для накопления и захоронения в породах нормальных морских и слабо рассольных вод, испытавших некоторое смешение с пресными метеогенными водами.
Литолого-фациальные и гидрохимические условия осадконакопления претерпели кардинальные изменения в ранней перми, особенно в кунгурском веке, когда, унаследованный от каменноугольного периода, морской бассейн, к западу от формирующегося Урала разделился на две части - более глубоководную предуральскую и мелководную, покрывающую всю остальную платформенную область.
Рис.1. Литолого-гидрохимическая схема ассельско-артинского эвапоритового бассейна (составила С.П.Носарева с использованием материалов [4,9]).
Литолого-гидрохимические зоны (в скобках в числителе - М, г/дм3, в знаменателе - ρ, г/см3): 1 - солоноватоводная молассовая (1-36/1,0-1,02), 2 - нормальной морской солености известняковая (36/1,02), 3 - слабо рассольная известняково-доломитовая (36-140/1,02-1,13), 4 - рассольная доломитово-гипсово-ангидри-товая (140-320/1,13-1,23), 5 - рассольная доломитово-ангидритово-галитовая (320-470/1,23-1,29), 6 - рассольная ангидритово-галитово-карналлитовая (470-510/1,29-1,36); границы: 7 - литолого-гидрохимических зон, 8 - тектонических элементов: I - Восточно-Европейская платформа, II - Предуральский прогиб (II-1 - Юрюзано-Айская впадина, II-2 - Бельская впадина), III - горноскладчатый Урал.
Условия осадконакопления в ассельском, сакмарском и артинском веках носили близкий характер. Для них свойственно четыре основных типа литолого-фациальных и гидрохимических обстановок, носящих зональный характер. Они прослеживаются в виде субмеридиональных полос уральского простирания (рис. 1). В западной части территории в условиях мелководного шельфа с высокой соленостью (М=140-320 г/дм3, ρ=1,13-1,23 г/см3) развита доломитово-сульфатная фация, в центральной - нормальная морская и слабо рассольная (М = 36-140 г/дм3, ρ=1,02-1,13 г/см3) известняково-доломитовая.
К востоку они последовательно сменяются карбонатными шельфовыми и рифогенными осадками, а затем глинисто-карбонатными глубоководными (депрессионными) породами морского бассейна с нормальной соленостью (М=36 г/дм3, ρ=1,02 г/см3). На крайнем востоке, в Юрюзано-Айской и Бельской впадинах Предуральского прогиба отлагались пресноводные и солоноватоводные молассовые осадки (М<36 г/дм3, ρ=1,0-1,02 г/см3).
Судя по литолого-фациальному облику пород состав вод эвапоритового бассейна на ассельско-артинской стадии его развития был преимущественно хлоридным натриевым.
Рис.2. Литолого-гидрохимическая схема кунгурского эвапоритового бассейна (составила С.П.Носарева с использованием материалов [4,9]).
Усл. обозначения см. на рис. 1.
Кунгурский век ознаменовался дальнейшим подъемом платформы и, как следствие, обмелением морского эвапоритового палеобассейна, даже в пределах Предуральского краевого прогиба. Это вызвало значительные изменения условий осадконакопления в обстановке господствующего в то время аридного климата. Соответственно большие изменения претерпели и гидрохимические условия (рис.2). Наиболее широкое распространение получила доломитово-гипсово- ангидритовая фация, занимающая около 50% исследуемой территории. На юго-востоке, в Бельской впадине Предуральского прогиба, в лагунной части эвапоритового бассейна развита галитово-сильви-нитово-карналлитовая фация, соответствующая весьма крепким рассолам хлоридного магниевого состава (М=470-510 г/дм3, ρ=1,29-1,36 г/см3). Между этими двумя литолого-фациальными (и гидрохимическими) зонами находится промежуточная по минерализации и плотности солеродных рассолов доломитово-ангидритово-галитовая фация (М=320-470 г/дм3, ρ= 1,23-1,29 г/см3).
В расположенных к северу Соликамской депрессии и к югу - Прикаспийской впадине, благодаря глубокому сгущению рапы до эвтонической стадии (М=510-550 г/дм3, ρ=1,36-1,38 г/см3), произошла садка не только галита, сильвинита и карналлита, но и бишофита.
Результаты литолого-гидрогеохимических исследований свидетельствуют, что в позднем палеозое в Предуралье существовала гравитационно неустойчивая гидродинамическая система, поверхностная часть которой была представлена эвапоритовым бассейном с высококонцентрированной (М до 400 г/дм3 и более) тяжелой (плотность r до 1,3-1,4 г/см3) хлоридной магниевой маточной рапой, а подземная - карбонатными, в меньшей степени терригенными породами карбона, девона, венда и рифея, насыщенными менее минерализованными (М=30-150 г/дм3), а следовательно, более легкими (r=1,02-1,13 г/см3) водами.
Обогащенные магнием, бромом и другими галофильными элементами и щелочными металлами крепкие рассолы раннепермского солеродного бассейна путем плотностной (концентрационной) конвекции перемещались в нижележащие комплексы палеозоя еще до начала формирования соленосной толщи. В дальнейшем накопление солей сопровождалось их уплотнением, уменьшением пористости (от 50 до 5% и менее) и, как следствие, отжимом межкристальной хлормагниевой маточной рапы, которая также гравитационно погружалась в глубокие части осадочного бассейна. Наиболее интенсивно этот процесс протекал на глубине менее 1000 м, когда соли теряли до 80% объема содержащейся в них маточной рапы [8].
Как показали расчеты, базирующиеся на фильтрационных параметрах пород палеозоя и вертикальных градиентах плотностной конвекции, даже при минимальном значении скорости конвекции, равном 5 см/год, подсолевая палеозойская толща мощностью 4000 м будет заполнена пермскими рассолами за 80 тыс. лет. Эта величина хорошо согласуется с продолжительностью накопления соленосных толщ (временем существования эвапоритовых бассейнов), которая оценивается в десятки-первые сотни тысяч лет [10].
Как видно, процесс плотностной конвекции реализуется в довольно узком интервале геологического времени и завершается при исчезновении положительного градиента плотности раствора. В конечном итоге жидкая фаза пермского галогенеза заняла гравитационно устойчивое положение в подсолевых толщах Предуралья.
Важно хотя бы ориентировочно оценить количество маточной рапы раннепермского солеродного бассейна. По данным [1], основанным на опытных данных, объем солеродных рассолов превосходит объем выделившихся солей от 1,9 раз при галитовой стадии галогенеза до 185 раз - при гипсовой. Расчеты самого общего характера показали, что только в кунгурском веке общий объем маточной рапы эвапоритового бассейна измерялся сотнями тысяч-миллионами кубических километров [2]. Очевидно, что даже небольшой части этого количества (десятков тысяч кубических километров) вполне достаточно для заполнения порово-трещинных коллекторов палеозоя и протерозоя.
Нисходящая миграция рассолов через преимущественно карбонатные отложения палеозоя сопровождалась их метаморфизацией, заключающейся в обмене гидратированного магния и натрия на кальций пород. Как показали литолого-гидрогеохимические и термодинамические исследования, в исследуемом регионе ведущую роль в формирование подсолевых хлоркальциевых рассолов принадлежит процессам метасоматической доломитизации известняков [6]. Поскольку хлормагниевые рассолы поступили в уже сформировавшиеся карбонатные породы на эпигенетической стадии их эволюции, образовавшиеся в результате процессов метаморфизации хлоркальциевые рассолы являются седиментогенно-эпигенетически-ми.
Закономерным следствием галогенеза, плотностной конвекции и процессов межфазового взаимодействия в системе «маточный рассол-порода» является селективная аккумуляция микроэлементов в различных геохимических (генетических) типах рассолов [5]. Максимальные концентрации их установлены в меж- и внутрисолевых рассолах хлоридного магниевого состава (в г/дм3): Br (до 17,5), В (до 1,5), K (до 42), Sr (до 3,5), Rb (до 0,1), Li (до 0,05), Cs (до 0,001). В промышленных концентрациях эти элементы содержатся и в продуктах их метаморфизации - рассолах хлоркальциевого типа.
Таким образом, следует констатировать, что главная роль в формировании запасов и химического состава подземных рассолов Предуралья, играют процессы галогенеза в раннепермском эвапоритовом палеобассейне и плотностной конвекции солеродной маточной рапы в подстилающие терригенно-карбонатные толщи палеозоя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
- Валяшко М.Г. Геохимические закономерности формирования месторождений калийных солей. М.: Изд-во МГУ, 1962. 398 с.
- Жарков М.А., Жаркова Т.М., Мерзляков Г.А. // Геология и геофизика. 1978. № 3. С. 3.
- Жеребцова И.К., Волкова Н.Н. // Геохимия. 1966. № 7. С. 832.
- Мерзляков Г.А. Пермские солеродные бассейны Евразии. Новосибирск: Наука, 1979. 142 с.
- Носарева С.П., Попов В.Г. Гидрогеология в начале XXI века: материалы Международной конф./ ЮРГТУ (НПИ). 2006. С.96.
- Попов В.Г. // Литология и полез. ископаемые. 2004. № 1. С. 60.
- Попов В.Г., Носарева С.П., Михайлов В.И. Материалы V1 Международной конф. «Новые идеи в науках о Земле». 2003. Т. 1. С. 251.
- Сонненфелд П. Рассолы и эвапориты. М.: Мир, 1988. 480 с.
- Сюндюков А.З. Литология, фации и нефтегазоносность карбонатных отложений Западной Башкирии. М.: Наука, 1975, 174 с.
- Фивег М.П. // Тр. Всесоюзн. НИИ галургии. 1954. Вып. 29. С. 38.