книги из ГПНТБ / Горбушина, Л. В. Радиоактивные и стабильные изотопы в геологии и гидрогеологии

более водообильны трещиноватые и закарстованные извест­ няки. Остальные породы содержат в основном капиллярную воду п служат водоупором.

Толща палеогена представлена плотными глинами, мерге­

пресных и минеральных вод. Минеральные воды в источниках н скважинах представлены содовым, гипсовым и хлориднонатрпевым типами вод и их разновидностями. Общая мине­ рализация варьирует от 0,9 до 28 г/л. Содовые воды содер­ жат до 10— 15 мг/л сероводорода. Минеральные воды из от­ ложений эоцена в Мацесте и Хосте содержат до 40 мг/л йода и до 100 мг/л брома.

Отложения мела и верхней юры в бассейне разнообразны по составу. На Лазаревском участке побережья отложения мела повсеместно представлены террнгенными породами, мер­ гелями, глинами и песчаниками. Полагают, что верхнеюрские отложения здесь представлены карбонатными фациями.

На Сочи-Гагрннском участке побережья вся толща мела и верхней юры сложена карбонатными породами.

Сульфидные воды в отложениях мела и верхней юры вскрыты скважинами в долинах рек Мамайкп, Мацесты, Агуры, Хосты и Кудепсты. В зависимости от приуроченности к тому или иному горизонту сульфидные воды имеют разную минерализацию: от 5 г/л в водах известняков сеном—барре- ма до 23 г/л в водах известняков готернв — валанжнна. Кон­ центрация сероводорода в них от 145 до 350 мг/л. В водах в долине реки Сочи концентрация сероводорода достигает 460 мг/л. В водах известняков верхней юры минерализация до 27 г/л (Мацеста, Хоста) при содержании сероводорода до 450 мг/л. Скважина на Мамайке вскрыла воду с минерализа­ цией 38 г/л и концентрацией сероводорода 460 мг/л. В ре­ зультате бурения в отложениях мела и верхней юры выявле­ ны не только сульфидные (типа мацестинских), но и другие типы вод. Подробное описание сульфидных вод и вод других типов приведено в работе В. М. Куканова [25].

Из слабосульфидных вод назовем лишь минеральную воду из скв. 1 «Гагра», расположенной на восточной окраине Гагринского курорта, на основе которой создана водолечебница. По типу' это сульфатно-кальциево-натриевая вода с общей минерализацией 2,1 г/л, содержанием сероводорода до 34 мг/л и температурой на изливе до 45°С. По происхожде­ нию эта вода отличается, как будет показано, от собственно мацестинских сульфидных вод.

' Анализ геологической обстановки и гидрогеологические ис­ следования, проводившиеся в Сочн-Адлерском бассейне с 1909 г. и до наших дней, не позволили однозначно решить во­ прос о происхождении его сульфидных вод, имеющих громад-

30

мое народнохозяйственное значение. В течение этих лет было выдвинуто несколько гипотез, иногда совершенно исключаю­ щих друг друга.

Первые исследователи сульфидных вод Мацесты В. К- Кон­ стантинов и М. В. Сергеев считали, что мацестинские воды представляют собой метеорные воды, минеральное вещество которых связано с аптскими темно-серыми мергелями, содер­ жащими серный колчедан. Это предположение было позже развито Ф. А. Макаренко.

Ранние исследователи вод Мацесты предполагали преиму­ щественно локальное развитие сульфидных вод и генезис их связывали с глубокими недрами коры, с восхождением их снизу в виде локализованных «жильных» струй. Это ■пред­ ставление встретило возражения после гидрогеологических исследований мацестинских вод, которые имеют широкое рас­ пространение в виде Сочи-Адлерского артезианского бассей­ на сероводородных вод, заполняющих известняки верхней юры, нижнего и верхнего мела и образующих водоносный комплекс большой мощности.

Вопросы генезиса мацестинских вод были рассмотрены

время были предложены две новые гипотезы о происхожде­ нии сульфидных вод. Одну из них предложил и разработал A. М. Овчинников, который считал, что воды Мацесты явля­ ются погребенными морскими водами третичного времени, внедрившимися в известняки бассейна после их тектониче­ ского оформления в складчатые структуры. Затем воды в из­ вестняках изменились. По А. М. Овчинникову, первичные морские воды медленно отдавливаются к источникам Мацес­

гребенные морские воды, а морские реликтовые воды, син­ хронные морским осадкам, из которых они были отжаты.

Другая гипотеза была предложена Ф. А. Макаренко: он считал, что сульфидные воды — продукт современных геохи­ мических процессов, протекающих между атмосферной водой и породой — известняками, в которые вода проникает из об­ ласти .питания. В условиях специфической геохимической об­ становки, имеющей место в глубинах бассейна, атмосфер­ ные воды за время их циркуляции к источникам превращают­ ся в сульфидные воды типа мацестинских [29].

31

В последние годы В. М. Куканов отстаивает предложен­ ную в 1926 г. В. Н. Шишокиным гипотезу о происхождении сульфидных вод Мацесты из вод современного Черного моря

[25, 34, 70].

Существуют и другие представления о сульфидных водах Мацесты. Незадолго до работ Сочинской экспедиции АН

СССР, Н. С. Шатскпй предположил, что сульфидные воды от­ носятся к водам «нефтяного» типа. Но отнесение их к этому типу еще не решает вопроса о генезисе вод.

И, наконец, в 1969 г. С. И. Смирнов высказал предполо­ жение, что солевой и газовый состав сульфидных вод Мацес­ ты генетически связан с минеральным веществом галогенных формаций позднеюрского возраста. Эта гипотеза о генезисе вод основана на данных о составе и свойствах сульфидных вод и учитывает природную обстановку их нахождения. Од­ нако это предположение спорно, да и галогенные породы в пределах Адлерской депрессии пока что не обнаружены.

Решение вопроса о генезисе сульфидных вод имеет важное значение: если воды Мацесты — продукт современных геохи­ мических процессов, протекающих между атмосферной водой и породой, то запасы и ресурсы этих вод в бассейне — возоб­ новляемые, причем, по мнению Ф. А. Макаренко, в тех же размерах, в которых происходит естественная разгрузка их в источники Мацесты. Легко возобновляемыми следует счи­ тать эти воды и по В. М. Куканову.

Отнесение сульфидных вод к погребенным морским водам заставляет считать запасы и ресурсы этих вод в бассейне невозобновляемымп и оттесняемыми постепенно к местам вы­ хода пресными «краевыми» водами с фронтом последних, мо­ жет быть, уже близко подступающим к эксплуатируемым скважинам курорта Мацеста. Тот факт, что у специалистов, изучавших Сочи-Адлерское месторождение методами гидро­ геологии и гидрохимии, возникли различные точки зрения о генезисе сульфидных вод, говорит о сложности рассматрива­ емого вопроса.

В свете существующих гипотез о генезисе сульфидных вод Мацесты и для оценки этих гипотез Московским геологораз­ ведочным институтом вместе с другими организациями был проведен в 1967— 1970 гг. комплекс исследований по опреде­ лению содержания стабильных и радиоактивных изотопов в водах и породах бассейна. Данные этих определений исполь­ зованы для расчета эффективного возраста и выяснения про­ исхождения сульфидных вод.

2. Возраст сульфидных вод бассейна

Попытки расчета возраста сульфидных вод Мацесты де­ лались неоднократно. В работе А. М. Овчинникова (1937— 1939 гг.) приведено значение абсолютного возраста мацес-

32

тинских вод, рассчитанного по гелиевому способу, предложен­ ному В. П. Савченко. По этим данным, возраст вод верхне­ мелового горизонта более древний, чем возраст вод нижеле­ жащего горизонта: для вод сенона — 37 млн. лет, для вод баррема — 11 млн. лет. Эти определения были проведены только для вод из скважин, расположенных в пределах «ми­ неральной» площадки Мацесты. В работе М. С. Меркуловой (1941 г.) приводится возраст сульфидной воды Мацесты, рав­ ный 200 млн. лет (рассчитан по гелиевому способу) [30].

Другого доступного способа (кроме гелий-аргонового) датирования сульфидных вод Мацесты предложить нельзя, так как по тритию можно уверенно определять возраст вод до 50 лет, а по изотопу ИС — до 50 тыс. лет. Как уже гово­ рилось, гелий-аргоновый способ датирования вод дает непло­ хие результаты для пластовых вод артезианских бассейнов при учете геологической обстановки и ряда параметров, вхо­ дящих в расчетную формулу.

Сейчас трудно обоснованно рассчитать ‘возраст сульфид­ ных вод Сочи-Адлерского бассейна, так как обычное понятие пористости и плотности не применимо к водовмещающим тол­ щам пород бассейна. Степень кавернозности и трещиноватос­ ти пород на месте залегания изучена пока недостаточно и определить хотя бы их «эффективные» значения затрудни­ тельно. Керн имеется не для всех пройденных скважинами горизонтов. Кроме того, керн старых скважин Мацесты стра­ тиграфически плохо привязан.

Ниже приводятся физические характеристики водовмеща­ ющих пород бассейна, а также содержание тех компонентов, которые необходимы для расчета эффективного возраста вод по формуле [10].

Общая пористость и трещиноватость пород и прежде всего известняков различных стратиграфических горизонтов подроб­ но изучалась в Институте геологических наук АН СССР в 1937 г. В то время был изучен керн буровых скважин (до глубины 900 м), а также обследована трещиноватость блоков известняков различных горизонтов в обнажениях. Эти работы позволили сделать следующие выводы: средний объем пустот известняков, отвечающий свободной водоотдаче, можно при­ нять равным 0,5—2% объема породы; микропористость в раз­ ных образцах меняется от 3,5 до 8,5% (по Ю. Н. Пастушенко), а средняя эффективная пористость изменяется от 1,6 до 3,6—4%; средняя пористость меловых известняков 0,8%.

Трещиноватость пород и наличие в некоторых случаях в известняках интенсивно развитых мало изученных карстовых пустот затрудняет учет пористости и использование этого па­ раметра .при расчете возраста. С большим приближением при­ мем параметр р = 0,08. Трещиноватость не учитываем.

Содержание естественно радиоактивных элементов в поро­ дах. Для расчета количества гелия, которое может поступить из водовмещающих пород в воду, было отобрано 16 проб керна из меловых горизонтов бассейна. Пробы, за исключе­ нием № 10 и 13, взяты из старого кериохранилища на Мацесте; керн не всегда хорошо привязан по глубинам его отбора. Последнее обстоятельство несколько сгладилось, так как по всем скважинам, бурившимся в последнее десятилетие, был проведен гамма-каротаж. Просмотр каротажных диаграмм и геологических разрезов показал, что радиоактивность пород мела и юры, а следовательно, и содержание в них радиоэле­ ментов меняется очень незначительно. Мощность дозы у-излу- чення пород юры изменяется в пределах 3—5 мкр/ч\ в мело­ вых породах, пересеченных скважиной 2РЭ-Кудепста, она из­ редка повышается до 8 мкр/ч. Средняя мощность дозы у-из- лучения меловых пород чуть выше, чем юрских. Отсутствие отличий в у-каротажных кривых по разрезу скважин, расположенных в разных участках Сочи-Адлерского бас­

скважин Мацесты для всего комплекса меловых пород бас­ сейна. Анализы проб керна на радиоэлементы показали, что содержание их во всех пробах примерно одинаково (U—6,5Х Х10~4%, Ra — 6 •10—11 %, Th — 0,2- 10-3%'). Несколько повы­ шенное содержание радия в некоторых пробах объясняется, очевидно, тем, что в этих образцах известняки содержали большое количество органического вещества — битумов, за­ полнивших многочисленные трещинки в породе.

Содержание калия меняется в пределах 0,6— 1,7%', и, как следует из простого расчета, доля радиогенного аргона (40Аг), который может попасть из вмещающих пород в воду,

вобщем количестве аргона в водных и газовых пробах мала,

иее можно не учитывать Ч

Чрезвычайно интересно было бы проанализировать керн юрских пород. Имеющийся шлам (со скважин Кудепсты и Мамайки) не имело смысла анализировать, так как содержа­ ние радиоактивных элементов в шламе всегда ниже, чем в породе и в хорошо отобранном керне. Породы юры позволи­ ли бы определить содержание в них всех радиоактивных элементов для последующих расчетов количества образующе­ гося гелия, а также для выяснения значения коэффициента радиоактивного равновесия в ряду урана.

•Вернемся теперь к формуле (10) и рассчитаем числовое значение коэффициента, стоящего перед отношением Не/Аг.1

1 Имея в виду последние данные Т. Хоуринга и X. Мура, следует оп­ ределить отношение изотопов -i°Ar/36Ar и в случае необходимости ввести поправку на дополнительное количество изотопа 40Аг [64].

34

Для расчета примем следующие средние значения: U= 6,5X

Численное значение коэффициента в формуле может лишь увеличиться с появлением данных по трещиноватости и кавернозности пород бассейна.

Концентрация гелия и аргона в водах и их соотношение.

Основной газовый состав вод Сочи-Адлерского бассейна изу­ чается в течение многих лет. Раздельные определения содер­ жания гелия и аргона в водах регулярно проводятся с 1969 г., хотя еще М. С. Меркуловой (1940 г.) получено среднее отно­ шение (Не/Аг)=4,14 в водах Старой и Новой Мацесты, Агуры. В табл. 3 приведены результаты анализа газовых проб (анализ газа проведен в газогеохимической лаборато­ рии конторы «Геоминвод»),

9.07.68Старая Мацеста:

»Новая Мацеста:

2.08.68Новая Мацеста:

1229—2600 м (табл. 4). Результаты анализов могут быть положены в основу расчета гелий-аргонового отношения. В пробах, как и следовало ожидать, не был обнаружен кис­ лород, но сходимость результатов анализов на оба газа низ­ ка: концентрация аргона в спонтанном газе, отобранном в раз­ ное время в течение месяца, изменялась от 0,01 до 0,135об.%, хотя значение 0,01, по-видимому, следует исключить. Три дру­ гих значения содержания аргона лежат в пределах 0,1131 — 0,135 об.%.

На основе приведенных данных наиболее достоверными являются результаты анализа проб спонтанного газа, для ко­ торых отношение гелия к аргону равно 1,25— 1,28.

Расчет числового значения возраста сульфидных вод СочиАдлерского бассейна с использованием гелий-аргонового от­ ношения в водах и газах представляет в настоящее время значительные трудности. Они связаны с особенностями геоло­ гического и гидрогеологического строения бассейна, отсутст­ вием данных режимных наблюдений по содержанию газов в водах и отсутствием данных анализов керна пород юры. Воз­ можно, данные анализов этого керна на уран, радий и торий позволят внести новые коррективы в расчет эффективного возраста воды. Данные у-каротажа, проведенного по юрским отложениям в скважине на Мамайке, показывают, что мощ­ ность дозы у-излучения с глубиной падает, что требует провер­ ки и объяснения.

Концентрация гелия в водах некоторых скважин Старой Мацесты (скв. IV и II) и Новой Мацесты (скв. 11) достигает 0,5 об.%, что нельзя объяснить образованием гелия только за счет естественно радиоактивных элементов в породах мела и юры. Возможно, что рассчитанное для вод сенонских отло­ жений значение t представляет скорее не их возраст, а время, прошедшее с момента наиболее интенсивного поступления ге­ лия из нижележащих толщ в пласт. Следовательно, само по­ нятие «возраст» для сульфидных вод Мацесты (смешанные воды) является еще более условным, чем для вод некоторых других артезианских бассейнов.

С учетом сказанного по формуле (19) можно оценить эф­

причем вода из скв. 2Т-2000-Мацеста имеет возраст около 8 млн. лет. Воды из меловых отложений имеют несколько меньший возраст — в пределах 2,5—4 млн. лет.

Не укладываются в эту возрастную схему пробы вод, ото­ бранных из скважины IV и II Старой Мацесты (сенон), воз­ раст вод которых оказался близким к возрасту сульфидных вод из юрских горизонтов. Возможно, во время пробоотбора (август, сентябрь) имел место подсос вод с горизонтов юры.

36

Эффективный возраст сульфидных вод будет рассмотрен ниже при сопоставлении данных по возрасту с данными по содержанию изотопов в водах бассейна.

3. Генезис сульфидных вод бассейна и пропорции смешения

Приведенные выше общие положения о распределении стабильных изотопов в водах разного типа позволили при­ влечь данные по D и 180 в комплексе с другими результатами для решения вопроса о происхождении сульфидных вод бас­ сейна и степени смешения вод, так как очевидно, что основ­ ным механизмом формирования изотопного состава сульфид­ ных вод Мацесты является смешение вод разного типа.

В свете современных гипотез о происхождении сульфид­ ных вод были отобраны и проанализированы на масс-спек­ трометрах 1 пробы сульфидных вод с разных горизонтов бас­ сейна, а также пробы пресных вод из предполагаемых обла­ стей питания и небольшое число проб вод Черного моря. Про­ анализировано несколько проб вод из ванных зданий Старой и Новой Мацесты.

Результаты определений выражены относительно мирово­ го стандарта SMOW — средней пробы воды океана.

Для обработки результатов были необходимы данные ре­ жимных наблюдений по изотопному составу осадков на по­ бережье Черного моря. Ввиду отсутствия такого режимного пункта наблюдений мы воспользовались данными В. Дансгаарда по изотопному составу осадков при режимных наблюде­ ниях на многочисленных пунктах наблюдения за рубежом

(см. рис. 2 ).

Данные исследований различных проб вод Сочи-Адлерско- го бассейна приведены в табл. 5. Речные и озерные воды бас­ сейна характеризуются наиболее низким содержанием б180

(от —9,9 до — 14%о) и 6D (от —70 до — 102%'о), что обуслов­ лено в основном их питанием за счет талых вод. Воды круп­ ных рек Мзымты, Сочи, Хосты, которые берут начало в высо­ когорной части и в связи с большой площадью водосброса те­ кут круглогодично, имеют среднее значение 6180 = — 1 1 ,2 % 0 и 6D = —81 %0.

В сульфидных водах, приуроченных к юрским отложени­ ям, содержание 6180 лежит в пределах от •—0,5 до —5,8%'0, 6D — от —35 до —51 %о и близко к содержанию этих изотопов в океанических водах. Для сульфидных вод меловых отложе­ ний отмечены промежуточные значения 6180 и 6D между по­ верхностными и океаническими водами.1

1 Во ВСЕГИНГЕО и Институте физической химии АН УССР.

38

Т а б л и ц а 5

Изотопный состав и минерализация сульфидных и поверхностных вод Сочи-Адлерского бассейна