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

о

П р о д о л ж е н и е т а б л . 5

П р и м е ч а н и е . Прочерк — нет сведений.

По дополненным данным табл. 5 построены графики (рис. 5 и 6 ). Результаты изотопных определений позволяют сделать предварительное заключение, что сульфидные воды, приуроченные к юрским отложениям, являются водами мор­ ского генезиса, воды мелового отложения — смешанными. Правомочность этого предположения, а также решение вопро­ са о том, древние это воды или современные, может быть ус­ тановлено, кроме прямых определений возраста вод, на ос­ новании нижеследующего.

Рис. 5. Зависимость между 6D и 6180 в пробах вод СочиАдлерского бассейна:

Исследованиями двух последних десятилетий, выполненны­ ми прецизионными масс-спектральными методами, было по­ казано, что воды Мирового океана имеют довольно однород­ ный изотопный состав, за исключением районов, где проис­ ходит их разбавление пресными водами, причем считают, что концентрация тяжелых изотопов в океанических водах в тече­ ние длительного геологического времени (по крайней мере, начиная с ■кем'брия) оставалась относительно постоянной.

С другой стороны, рассмотрение зависимости между зна­ чениями SD и б180 в исследуемых водах позволяет получить информацию о физико-химических процессах, в которых мо­ лекулы воды принимали участие за их геологическую историю (см. рис. 5). Так, прямая I, построенная Крейгом [74] для

41

многих поверхностных вод мира (за исключением областей с

средней океанической воды поверхностной водой данного ре­

(содержание сероводорода достигает 0,45 г/л). Однако мож­ но показать, что эта реакция практически не влияет на кон­ центрацию изотопов водорода в воде. Сдвиг изотопного соста­ ва сульфидных вод определяется, по-видимому, изотопным обменом между кислородом воды и водовмещающими поро­ дами, поскольку месторождения вод приурочены к трещино­ ватым и закарстованным известнякам мела и верхней юры Сочи-Адлерской депрессии. Оценка величины прироста 180 при температурах 25—46°С показывает, что содержание 180 в водах может приближаться к его значению для океаниче­ ской воды или даже превышать его. При вычислении исполь­ зовались данные о коэффициенте разделения изотопов кисло­ рода для аналогичных систем, установленные эксперимен­ тально Клейтоном [73], и пределы вариаций 6180 для низко­ температурных карбонатов осадочного генезиса, заимствован­ ные из работы [18].

Таким образом, анализ полученных результатов подтвер­ ждает сделанное ранее предположение, что сульфидные воды юрских отложений преимущественно морского генезиса. На­

42

сколько древние эти воды, можно узнать при определении возраста вод (см. гл. 1 ), а также исходя из времени полуобмена изотопами кислорода между водой и карбонатом каль­ ция. Оценить последнее количественно пока не представляет­ ся возможным. Можно только качественно судить, что наблю­ даемые сдвиги в изотопном составе кислорода сульфидных вод могли произойти лишь в случае их длительного захоро­ нения. Подтверждением этого могут быть исследования Бер­ ча [72] и Вебера [16], установивших тенденцию к уменьшению содержания тяжелых изотопов кислорода в морских извест­ няках с увеличением возраста карбонатных пород от четвер­ тичного до докембрийского. При условии неизменности изо­ топного состава воды океана обогащение морской воды тяже­ лыми изотопами кислорода может служить свидетельством того, что это воды древние и приурочены к зонам затруднен­ ного водообмена. Данные наших исследований по возрасту этих вод показывают, что это воды захороненные, поскольку минимальный возраст сульфидных вод юрских отложений со­ ставляет 7— 14 млн. лет.

Следовательно, по результатам изотопных анализов, суль­ фидные воды, приуроченные к юрским отложениям, могут быть отнесены к древним погребенным морским водам. Суль­ фидные воды меловых отложений, которые имеют промежу­ точный изотопный состав между метеорными водами и вода­ ми юрских отложений, являются смешанными.

Сделанный вывод подтверждается определениями отноше­ ния изотопов урана 234U/238U в водах. Отношение 234U/238U в пресных водах областей питания существенно отличается от отношения 234U/238pj в сульфидных водах бассейна и от вод Черного моря. Проверенное многократно отношение 234u/238(j в воде с поверхности Черного моря равно 1,2.

Вышесказанное подтверждает положение А. Н. Огильви, что при смешении двух различных вод, пресной и минераль­ ной, получается серия промежуточных по составу вод, под­

в объеме воды; а и Ь — постоянные параметры, общие для данной пары составных частей и для всей группы вод, полу­ чаемой при смешении двух основных вод.

Подтверждением того, что в сульфидных водах, приуро­ ченных к .меловым отложениям Мацесты, происходит разбав­ ление именно метаморфизованных морских вод, можно полу­ чить на основании сопоставления изотопного состава и мине­ рализации воды (см. рис. 6 ). Прямая I отражает процесс разбавления воды Черного моря пресными водами [наклон прямой / составляет (AD/ДЛ!) «2,4, где М — минерализация

43

воды]. Прямая II характеризует смешение сульфидных вод юрских и меловых отложений с пресными водами [наклон прямой II составляет (AD/ДМ) 1]. Различие в наклонах прямых / и II и линейная корреляция между изотопным со­ ставом и минерализацией подтверждает предположение о разбавлении древней метаморфизованной воды пресными во­ дами. Доля первичной воды в водах, приуроченных к юрским

имеловым отложениям бассейна, рассчитана по формуле

(15).

Первичная седиментационная вода должна быть близка по изотопному составу к воде, отобранной на скв. ЗРЭ-Ма- майка (или к океанической воде — стандарт SMOW), что под­ тверждает приведенные выше данные по возрасту вод. Из

дах юрских отложений составляет 0,57 (или 57%), в водах мела — 0,15 (или 15%).

Из рассмотренного выше следует, что подтверждаются представления А. М. Овчинникова, который рассматривал мацестинские сульфидные воды Сочи-Адлерского артезиан­ ского бассейна как погребенные морские воды, несколько метаморфизованные в донных частях бассейна с примесью инфильтрационных вод.

Для сравнения на рис. 5 и 6 нанесены данные соответст­ вующих определений б180, 6D и минерализации в пробе во­ ды другого генетического типа, а именно, в слабо сульфид­ ной воде из скв. «Гагра».

По общему признанию гидрогеологов, слабосульфидная вода, полученная в скв. «Гагра» из трещиноватых и закарстованных известняков верхней юры на глубинах 1375— 1470 м, является материковой водой, характеризующейся локальным распространением [25]. Общая минерализация ее не превыша­ ет 2 ,1 г/л, концентрация радия — порядка 10 — 1 1 г/л.

Из данных изотопных определений очевидно, что эта вода инфильтрационная — поверхностного происхождения, область ее питания сейчас или в прошлом находилась, вероятно, в го­ рах (воды снеговые или ледниковые). К сожалению, не рас­ полагая в настоящее время пробами водовмещающих и под­ стилающих пород Гагринского района, мы не можем рассчи­ тать ее возраст.

Остановимся более подробно на работе В. П. Шишокина [70], в которой автор, используя данные по ионному составу сульфидных вод Мацесты и Черного моря, делает вывод о

44

возможности образования мацестинской воды путем сульфат­ ной редукции-черноморской воды и об образовании этих вод из вод современного Черного моря. Зависимость между сум­ мой концентраций Ca2+ +M g2+ и С1_, построенная В. П. Шишокиным (рис. 7), как и другие рисунки в рассматриваемой статье, говорят о том, что сульфидные воды Мацесты — сме­ шанные, но делать вывод, что этот рисунок «убедительно по­ казывает генетическую взаимосвязь мацестинской воды с во­ дой Черного моря», нельзя, так как на ту же прямую легла

учтена и океаническая вода (ти­

па SMOW), а не только черноморская. Вероятно, ту же кар- tni-iy получим при построении аналогичной зависимости, взяв за основу не современную черноморскую, а океаническую воду.

Метаморфизация черноморских вод в воды типа мацестин­ ских вполне возможна, но одно это не является доказатель­ ством происхождения мацестинских вод из вод современного Черного моря.

О непрерывно идущей инфильтрации пресных вод в глу­ бинные горизонты бассейна говорят также данные многолет­ них определений содержания радия в сульфидных водах юр­ ских отложений. Данные определений радия за период 1955—

рования использованного в те годы эманометра типа СГ-1М.

45

Тем не менее, результаты исследования показывают, что в во­ дах происходило непрерывное уменьшение концентрации ра­ дия, причем наиболее интенсивно в период 1960— 1970 гг.; это, вероятно, можно объяснить увеличением использования вод в эти годы, вызвавшим более интенсивную, чем ранее, ин­ фильтрацию вод в бассейн.

Ниже будет показано, что источником повышенных кон­ центраций радия в сульфидных водах, приуроченных к юр­ ским отложениям, являются водовмещающие горные породы.

Приведенные данные говорят о необходимости проведе­ ния режимных многолетних наблюдений за содержанием ра­ дия в сульфидных водах, так как при наличии простых и чув­ ствительных методов измерения его концентрации радий мо­ жет быть надежным индикатором изменения режима этих вод во времени.

Среднее содержание 226Ra в водах, приуроченных к юрским отложениям, составляет примерно 10 ~ 10 г/л.

Выяснить источник повышенных концентраций радия не­ обходимо и при решении вопроса о происхождении сульфид­ ных вод Мацесты, так как, по представлению Н. С. Шатского, эти воды являются водами «нефтяного» типа. Если источ­ ником радия являются горные породы, то отношение изотопов радия MsThj/Ra в водах будет таким же, как отношение Th/U в породах. Исходя из этого определили отношение изо­ топов радия в сульфидных водах, приуроченных к юрским и меловым отложениям. По данным табл. 6 рассчитано отноше­ ние тория к урану в породах бассейна. Это отношение не­ обычно мало (для пород этого типа) н изменяется в пределах от 0,3 до 1,0.

Для определения содержания 226Ra и MsThi в водах были отобраны пробы вод из скв. 2Т-Хоста (общий объем 4 л), скв. 2Т-2000 (3 л), скв. 9-К и скв. II (по 90 л). Необходимый для анализов объем проб определялся количеством радия, ко­ торое содержится в этих водах. Пробы были химически обра­ ботаны для выделения в раствор изотопов радия и отделения их от RaTh. Методика радиохимического переведения изото­ пов радия в раствор и отделения от других радиоактивных изотопов стандартная, поэтому здесь не описывается.

Выделенный раствор с изотопами радия переливали в барботер, запаивали и оставляли до накопления в нем радона, затем определяли содержание радия: после накопления в течение 6 месяцев радиотория проводили измерения по торону.

Серия опытов, предварительно проведенных непосредст­ венно на Мацесте, показала, что в пробах сульфидных вод всех горизонтов практически отсутствует короткоживущий изотоп радия ThX (измерения активности проб вод по торону на полевом эманометре типа ЭМ-6 ). Для увеличения чувстви­

46

тельности эманометр был соединен с переучетным блоком «Волна».

Определение содержания MsThi в пробах производилось эманационным способом по торону в проходящей струе воз­ духа. Для измерений использовалась лабораторная установ­ ка «Альфа-1 », отградуированная неоднократно с помощью эталонного источника раствора соли тория.

В сульфидных водах практически нет изотопов тория, в частности RaTh, что было подтверждено соответствующими измерениями по торону и расчетами.

При определении количества MsThi по торону в радиохи­ мически обработанных пробах вод приходится ждать накоп­ ления измеримого количества RaTh в равновесии с ThX и то-

установится через 4,8 года, а потому первое измерение актив­ ности пробы по торону и расчет количества RaTh производи­ ли через 6 месяцев после приготовления пробы, последнее — примерно через 1 год.

По формуле (21) рассчитали количество MsThi в пробах. Зная отношение MsTh к Ra в пробах сульфидных вод, можно рассчитать отношение Th/U в породе. Если расчетное отношение Th/U совпадает с действительным, можно пола­ гать, что источником радия являются горные породы. Расчет

отношения Th/U производим по формуле

X10 -1 8 сек~1.

Втабл. 6 приведены результаты измерений концентрации изотопов радия в пробах и расчетов по ним ожидаемого отно­ шения Th/U в породах. Расчетное отношение Th/U совпадает

сприведенным выше действительным отношением Th/U в по­ родах (от 0,3 до 1,0), следовательно, источником радия в во­ дах являются водовмещающие и, возможно, подстилающие

породы.

47

Th

Чрезвычайно интересными оказались приведенные выше данные определений содержания радиоэлементов в водовмещающих породах бассейна: среднее содержание урана в ме­ ловых породах равно 6,5- 10—* %, радия—-6,8 - 10—11 %. Следо­ вательно, имеет место существенный сдвиг радиоактивного равновесия в породах в сторону урана, т. е. недостаток радия. Недостаток радия в породах объясняется, как показано выше, переходом его в воду. Очевидно, что время выноса радия определяет начало инфильтрации пресных вод бассейна в первичные воды мелового и юрского горизонтов бассейна.

Полагая, что первоначально, до внедрения вод, в породах имело место состояние равновесия между ураном и радием (содержание их, следовательно, было равно 6,5-10~4% рав­ новесного урана), простым расчетом получим, что внедрение инфильтрационных вод в бассейн могло начаться примерно 3 тыс. лет назад. Если это возраст инфильтрационной воды, то, зная эффективный возраст современной смеси вод и про­ порции смеси вод (а\ и а2), нетрудно показать [формула (15)], что возраст первичных седнментационных вод в СочиАдлерском бассейне составляет 16—28 млн. лет, т. е. первич­

времени, внедрившиеся в известняки бассейна после их тек­ тонического оформления в складчатые структуры.

Сделанный вывод о происхождении сульфидных вод СочиАдлерского бассейна говорит о необходимости бережного от­ ношения к водам этого курорта, имеющего мировое значение.

4.Возраст и происхождение йодо-бромных вод бассейна

Впределах Сочи-Адлерского бассейна, кроме сульфидных вод, встречены йодо-бромные воды также большого бальнео­ логического значения.1

1 Не морские донные, а воды, захваченные илами и переработанные в процессе диагенеза.

48

Иодо-бромные воды вскрыты скважинами в различных стратиграфических горизонтах и в разных участках бассейна: в районе поселков Головинка, Уч-Дере и на Кудепсте.

Кудепстинекие йодо-бромные воды представляют наиболь­ ший интерес для бальнеологии, запасы их, вероятно, значи­ тельнее, чем на других участках. При бурении скважин на Кудепсте (скв. 1РЭ, 2РЭ, ЗРЭ) выяснено, что наибольшей водообнльностью обладает второй водоносный горизонт, при­ уроченный к трещиноватым туфогенным песчаникам с редки­ ми прослоями мергелей сеномана. Мощность водоносного го­ ризонта 70 м.

Йодо-бромные воды имеют высокую минерализацию (до 25 г/л), содержат растворенный и спонтанный газы. Содер­ жание радиоактивных изотопов в водах следующее: радон — единицы эман, радий— (4-1-6) •10-1 2 г/л, уран — 5- 10~ 7 г/л.

Для определения возраста и происхождения йодо-бромных вод были проведены определения содержания стабильных и радиоактивных изотопов в водах, выяснены физические свой­ ства водовмещающих пород и содержание в них урана, ра­ дия, тория и калия.

Ввиду малого количества проб керна для определения со­ держания радиоактивных элементов в породах были просмот­ рены кроме того диаграммы у-каротажа, из которых очевид­

нерализации йодо-бромных вод, отобранных из скважин Кудепсты, а также из скважин в поселках Уч-Дере и Головинка; видна разница в составе вод Кудепсты и йодо-бромных вод других участков бассейна. По изотопному составу йодо^бромные воды Кудепсты сильно отличаются от пресных и суль­ фидных вод: это «тяжелые» воды, не укладывающиеся в гра­ фике (см. рис. 6 ) даже близ прямой линии. Очевидно, что в этих водах нет примеси современных пресных вод.