БЛАГОРОДНЫЕ ГАЗЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД: ЗНАЧЕНИЕ В

БЛАГОРОДНЫЕ ГАЗЫ ПОДЗЕМНЫХ ВОД: ЗНАЧЕНИЕ В НЕФТЯНОЙ
ГИДРОГЕОЛОГИИ
А.Н.Воронов
Санкт-Петербургский государственный университет, г. Санкт-Петербург.
e-mail arkad@av3011.spb.edu
The distribution of noble gases in groundwater is described. It's possible using database on noble
gases as a geochemical indicator for oil and gas hydrogeology. The role and significance of the gaseous
fields of hydrolythosphere in the history of the development of artesian oil and gas reservoirs are
estimated.
В составе подземных вод совершенно особое место занимает группа инертных
или благородных газов. Большинство из них имеет радиогенное происхождение и отличается целым рядом физико-химических свойств, делающих их незаменимым для
использования в качестве геохимических индикаторов. Некоторые из них имеют практическое или поисковое значение, особенно продуктивно их использование в нефтяной
гидрогеологии. А.А. Карцев неоднократно подчеркивал значение изучения инертных
газов для решения вопросов нефтяной гидрогеологии. В его монографиях закономерностям поведения благородных газов обычно посвящена отдельная глава.
Решение многих вопросов происхождения ресурсов подземной гидросферы,
формирования состава подземных вод, нефтяных и газовых залежей, миграции флюидов невозможно без применения этих весьма информативных показателей. Однако
уверенное применение радиогенных компонентов подземных вод требует знания основных закономерностей их распределения в подземной гидросфере. К числу наиболее
изученных радиогенных компонентов подземных вод относятся гелий, аргон и радон.
Значительный вклад в их изучение внесли исследования В.П. Якуцени, В.В. Тихомирова, Э.М. Прасолова и других отечественных ученых. Большой фактический материал,
накопленный по распределению этих компонентов, позволяет рассмотреть наиболее
общие закономерности их поведения в подземных флюидах, которые могут служить
базисом для их использования в качестве геохимических показателей.
Наиболее полно изучена геохимия гелия. Это в большой мере связано с его
практическим использованием и большими потенциальными возможностями использования в качестве геохимического индикатора. Основы геохимии гелия были заложены в
трудах В.П.Савченко, А.В.Соколова, В.В.Белоусова, В. П.Якуцени. В.В.Тихомирова и
других отечественных гидрогеологов. Гелий - самый легкий из благородных газов имеет два природных изотопа с массой 3 и 4. Наиболее распространен тяжелый изотоп гелия, образующийся при естественном радиоактивном распаде элементов ряда урана,
актиноурана и тория. Количество гелия, образующееся в породе, зависит от содержания радиоактивных элементов и возраста отложений. Концентрация гелия в воде, заполняющей пустотное пространство, определяется, кроме того, пористостью, и долей
потерь гелия. Попадая в поровое пространство, гелий стремится распределиться в соответствии с законом Генри, чтобы его упругость была одинакова. Поэтому, в соответствии с растворимостью в наибольших количествах гелий концентрируется в поровом
пространстве, занятом свободным газом. Несколько меньше его в нефтях и воде.
В балансе гелия гидролитосферы может быть выделен атмосферный, первозданный и радиогенный гелий. Первые два элемента баланса существенной роли в балансе
гелия гидролитосферы существенного значения не имеют, но очень важны как геохимические показатели. Концентрация гелия в подземных водах в гидролитосфере колеблется в интервале от 0.01до 26 мл/л. Фоновая концентрация составляет 0,5 - 0,8 мл/л.
Фоновая упругость гелия в водах составляет 0,011-0,225 МПа. Характерно, что концен-
трация и упругость гелия в водоносных горизонтах разной тектонической приуроченности значительно отличается. Наиболее высокие показатели характерны для древних
платформ (Русской, Восточно-Сибирской, Северо-Американской). Наименьшие упругости и концентрации отмечаются в подземных водах областей современной складчатости и молодых прогибов.
В гидролитосфере наблюдается рост концентрации гелия при увеличении глубины залегания водоносного горизонта. При этом рост наиболее интенсивно происходит в древних бассейнах. Оказалось, что изменение упругости гелия по разрезу осадочной толщи контролируется относительным положением вмещающих отложений в системе фундамент-атмосфера, что подразумевает участие диффузионного перераспределения гелия.
Таким образом, фоновая гелиеносность подземных вод связана с возрастом пород фундамента и вмещающих отложений, относительным положением пород в осадочном чехле, характером и интенсивностью движения подземных вод.
Интерес к аргону связан только с его геохимическими особенностями, позволяющими использовать его как геохимический репер. Долгое время считалось, что
присутствие аргона в подземных водах связано с растворением воздуха. Содержание
аргона в воздухе составляет 0,93%. При изучении изотопного состава аргона выяснилось, что, наряду с воздушной, часть аргона имеет радиогенное происхождение. Поэтому целесообразно рассматривать отдельно поведение радиогенного и воздушного
аргона. Аргон в природных флюидах представлен тремя изотопами с массой 38,39 и 40.
Первые два изотопа считаются почти нацело первичными, захваченными Землей, а аргон-40 может образовываться в результате радиоактивного распада калия.
Поведение радиогенного аргона в гидролитосфере в целом напоминает характер
распределения гелия, то есть с глубиной, изменением относительного положения в осадочной толще и увеличением возраста фундамента и осадочного выполнения бассейна
концентрация и упругость радиогенного аргона увеличивается. Для воздушного аргона
отмечается значительное уменьшение его концентрации и упругости по разрезу гидролитосферы. Фоновые содержания аргона в подземных водах составляют 0,16- 1,85см3/л
Остальные благородные газы, за исключением радона, в подземных водах практические не изучены. К ним относятся неон, криптон и ксенон. Радон самый тяжелый
элемент нулевой группы с атомным номером 86. Его активная биологическая роль давно привлекает к нему внимание. Недавно в России произведено ужесточение допустимых концентраций радона в подземных водах. В тоже время, предлагается использовать данные о концентрациях радона в качестве показателей ряда геологических процессов.
Концентрация радона в подземных водах, прежде всего, зависит от содержания
радия в материнских породах, что в свою очередь зависит от количества материнских
элементов радия. Вторым фактором, определяющим концентрацию радона в водах, является коэффициент эманирования, который может колебаться от 0 до 100%. Наиболее
легко радон эманирует из раздробленных, трещиноватых пород. В среднем, коэффициент эманирования для пород гидролитосферы составляет 10 - 50%. Наименьшим эманированием характеризуются рудные минералы. Осадочным породам свойственны коэффициенты эманирования 3-15%, кислым магматическим 10-25%, гранитам в зонах
разломов 25-30%. Третьим фактором, определяющим, концентрацию радона в воде является степень разбавления, то есть скорость миграции воды в породе и продолжительность контакта воды с материнской породой. Очевидно, что при одной и той же генерации радона и одном коэффициенте эманации содержание радона будет тем выше, чем
меньше объемов воды сменилось в порово-трещинном пространстве породы. Безусловно, названные факторы являются не единственными, и степень насыщения воды радо-
ном зависит от множества других причин. Однако в целом для вод верхней гидродинамической зоны отмечаются пониженные концентрации радона, составляющие 0,01-15
Бк/л, для осадочных отложений зоны затрудненного водообмена - 1,0-39 Бк/л, для вод
кислых магматических пород - 0 20-300 Бк/л.
Например, для Ленинградского артезианского бассейна наиболее высокие концентрации радона зафиксированы в верхней выветрелой зоне кристаллического фундамента, где они достигают величин в 500 Бк/л, средние же его содержания 120-275 Бк/л.
Высокие концентрации радона типичны для ордовикского глинта, где подземные воды
контактируют с диктионемовыми сланцами, обладающими повышенными содержаниями урана. Нижнекотлинский (гдовский) водоносный горизонт характеризуется концентрациями радона в 20-120 Бк/л. Низкие концентрации радона отмечаются в водах
девонских отложений (10-15 Бк/л). Для межморенных отложений устанавливаются
концентрации в 10-60 Бк/л. Для грунтовых четвертичных водоносных горизонтов отмечаются самые низкие концентрации радона.
Впервые охарактеризованы концентрации гелия в подземных водах нижнекотлинского горизонта. В среднем для исследованного участка концентрации составляют
0.028 см3/л, при этом наблюдается рост концентраций с севера (пос. Громово) на юг
(южные районы Санкт-Петербурга) от 6,0.10.-4 до 6,3.10-2. Знание базовых закономерностей распределения радиогенных компонентов в подземных водах позволяет наметить основные пути использования данных об их концентрациях для решения основных вопросов нефтяной гидрогеологии и гидрогеоэкологии.
Одним из основополагающих вопросов современной гидрогеологии является
вопрос о возрасте подземных флюидов. Именно эту проблему предложил решать В.П.
Савченко, используя соотношение аргона и гелия. Как уже указывалось, он считал, что
весь аргон имеет воздушное, а гелий - радиоактивное происхождение. Основной принцип, положенный в основу формулы Савченко остается правильным, однако при расчете надо использовать концентрации воздушного аргона и радиогенного гелия, а полученный возраст нужно считать относительным. Другая важная проблема, решению которой могут содействовать данные о радиогенных компонентах - это проблема времени и масштабов циркуляции подземных вод и других флюидов в гидролитосфере. Используя соотношение как естественных, так и искусственных радиогенных компонентов с разным периодом полураспада можно получить информацию о времени попадания воды, нефти и газа в водоносный горизонт, соотношении и масштабов инфильтрационного и других видов питания.
Весьма перспективным представляется привлечение данных о радиогенных
компонентах для решения других задач нефтяной гидрогеологии. Легко поддается
расшифровке техногенное возмущение газовых полей, которое имеет место при разработке газовых и нефтяных месторождений, потерей газов из газохранилищ и газопроводов, добычи газонасыщенных минеральных вод. Идентификацию новогазообразования, происходящую при изменении режима водоносных горизонтов в верхней гидродинамической зоне, также можно безошибочно проводить по величине насыщения
газов радиогенными компонентами.
Даже базовый вопрос нефтяной геологии - вопрос генезиса углеводородов - легче поддается решению при использовании данных об инертных газах. Думается, что
усложнение задач поиска и разведки новых нефтяных и газовых залежей, приведет к
возрождению нефтяной гидрогеологии, и данные об инертных газах будут снова востребованы