Формирование подземных флюидов Большого Кавказа и его обрамления в связи с процессами литогенеза и магматизма

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Формирование подземных флюидов Большого Кавказа и его обрамления в связи с процессами литогенеза и магматизма

( 25.00.09 - геохимия, геохимические методы поиска полезных ископаемых)

Лаврушин Василий Юрьевич

Москва - 2008

Работа выполнена в Учреждении Российской Академии Наук Геологическом институте РАН (ГИН РАН)

Научный консультант: доктор геолого-минералогических наук Поляк Борис Григорьевич (ГИН РАН, г. Москва)

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук, профессор Гричук Дмитрий Владимирович (кафедра Геохимии МГУ им. М.В.Ломоносова)

доктор геолого-минералогических наук, профессор Киссин Иснау Гаврилович (ОИФЗ РАН, г. Москва)

доктор геолого-минералогических наук, профессор Холодов Владимир Николаевич (ГИН РАН, г. Москва)

Ведущая организация: Учреждение Российской Академии Наук Дальневосточный Геологический институт ДВО РАН, г. Владивосток.

Защита состоится: 23 декабря 2008 г в 14 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 002.215.02 при Геологическом институте РАН по адресу: Москва, Пыжевский пер. 7, конференц-зал (4 этаж)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологической литературы Секции наук о Земле по адресу: Москва, Старомонетный пер. 33 (здание ИГЕМ РАН)

Автореферат разослан: 20 ноября 2008 г.

Отзывы на автореферат, заверенные печатью, в 2-х экземплярах направлять по адресу: 119017, Москва, Пыжевский пер. 7, Геологический институт РАН, ученому секретарю диссертационного совета Садчиковой Т.А.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат геолого-минералогических наук Т.А.Садчикова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. Работа проводилась в соответствии с приоритетными направлениями исследований ОНЗ РАН «Флюиды в земной коре и мантии Земли» (2002-2006 гг.) и «Изучение вещества, строения и эволюции Земли … методами геохимии…» (2007-2011 гг.) и затрагивали целый ряд фундаментальных проблем. Определение изотопного состава гелия, который указывает на соотношение генетически различных компонентов этого газа в природных объектах [Мамырин и др., 1970; Озима, Подосек, 1987; Поляк, 1988; Прасолов, 1990], позволило уточнить источники вещества и обстановки формирования разнотипных подземных флюидов. Не менее важным для этого является определение роли взаимодействия в системе «вода-порода» в формировании геохимических особенностей подземных вод и газов, как горных сооружений, так и осадочных бассейнов складчатых областей. В сумме эти исследования дают представление о генезисе и геохимических циклах воды и углеродсодержащих газов (СН₄ и СО₂) в земной коре и позволяют прояснить механизмы формирования грязевулканических систем. Особенно актуальны такие исследования при изучении флюидов Кавказского сегмента Альпийско-Гималайского подвижного пояса, где формирование подземных вод определяется, с одной стороны, процессами литогенеза осадочных пород, а с другой - новейшей тектономагматической активностью.

Известно, что такая активность влияет на геохимические особенности подземных флюидов [Масуренков, 1961; Дислер, 1971; Вартанян, 1977; Ломоносов и др., 1977; Пиннекер, 1977; Кононов, 1983; Поляк, 1988; Чудаев и др., 2000; Зверев, 2006; и др.]. При тектоническом омоложении платформенных областей, которое сопровождается ускорением вертикальных движений и проявлениями молодого вулканизма, меняется химический состав газов минеральных вод, который в генеральном плане эволюционирует от метанового к азотному и углекислому. На основе этих идей можно связать изотопно-геохимические особенности природных вод с разными тектоническими обстановками их формирования. Под этим углом зрения в диссертации проанализированы геохимические особенности минеральных вод Большого Кавказа и его обрамления, формирующихся в обстановке внутриконтинентальной коллизии.

Общей целью работы было определить изотопно-геохимическим опробованием термоминеральных источников генезис солевой, водной и газовой фаз основных типов минеральных вод региона, ассоциирующихся с различными геолого-структурными элементами Большого Кавказа и его обрамления.

Для этого решались следующие задачи:

- уточнение ореолов глубинного магматизма по данным об изотопном составе гелия в подземных флюидах;

- исследование мантийного и корового источников метана и углекислоты в газовой фазе минеральных вод;

- реконструкция температурных условий формирования подземных вод ;

- использование травертинов для реконструкции палеофлюидного режима;

- изучение эманаций грязевых вулканов региона;

Фактический материал. В основу работы положены результаты комплексного опробования минеральных источников Большого Кавказа и его обрамления, проведенного автором в период с 1994 по 2003 гг. Всего было обследовано ~250 минеральных источников, скважин и грязевых вулканов. Взятые образцы воды, газов и твердого вещества (грязевулканические брекчии, травертины) анализировались разными методами, дающими представление о содержании в них макро- и микрокомпонентов, включая редкоземельные элементы, а также стабильных изотопов водорода, кислорода, углерода, бора, гелия, аргона.

Научная новизна и практическая значимость. Последние комплексные региональные исследования минеральных вод проводились в Закавказье более 20 лет назад [Буачидзе, Мхеидзе, 1989], а на Северном Кавказе еще раньше [Углекислые…, 1963; Врублевский, 1962; 1969; Пантелеев, 1962]. Позже в газовой фазе подземных флюидов во многих местах был определен изотопный состав Не и Ar, а также изотопный состав С в углерод-содержащих газах [Матвеева и др., 1978; Якубов и др., 1980; Газалиев и др., 1982; 1988; Войтов и др. 1981; 1984; 1993; 1994; 1996; Буачидзе, Мхеидзе, 1989; Поляк и др., 1998, Polyak et. al.. 2000; и др.].

К началу работы определения изотопного состава Н₂О, благородных и углерод-содержащих газов и карбонатов вошли в обычную практику геохимических исследований, как и методы многокомпонентного химического анализа воды (ICP-MS и ICP-AES). Широкое использование этих геохимических характеристик позволилло определить соотношение мантийных и коровых компонентов в различных типах минеральных вод региона, а также реконструировать температурные условия их формирования.

На основе данных о величине отношения ³Не/⁴Не в газах минеральных вод Большого Кавказа была определена северная граница Казбекской вулканической области. Детально исследовано распределение изотопов гелия вблизи вулкана Эльбрус, и показана возможность использования этих данных для выявления молодых интрузивных тел, прогнозируемых геофизическими методами. Это позволяет уточнить геодинамические схемы Кавказского региона.

Впервые выполнены определения изотопного состава бора в выбросах грязевых вулканов Таманского полуострова и Восточной Грузии. Они, вместе с другими изотопно-геохимическими характеристиками (химическим и изотопным составом воды, газов и глины), свидетельствуют о формировании грязевулканических флюидов в едином резервуаре, расположенном в верхней части осадочного чехла предгорных прогибов и межгорных впадин региона. Новые определения изотопного состава грязевулканических вод и разработанные на их базе модели формирования грязевулканических флюидов доказывают «элизионный» генезис грязевулканических систем, связанный с процессами трансформации глинистых минералов и органического вещества в осадочном процессе.

Проведенное исследование представляет и практический интерес для использования минеральных вод в целях бальнеологии и в качестве объектов туризма. Приведенные в работе материалы уточняют положение минеральных источников, давая их координаты, а также дают представление о бальнеологических характеристиках их вод (температуре, минерализации, концентрациях Br, Si, Fe, As, CO₂ и др.). В некоторых случаях минеральные воды могут рассматриваться и в качестве сырьевой базы для извлечения полезных компонентов - I, Br, Li, Rb, Cs, Sr, СО₂. Все это дает основу для ревизии гидроминеральных, бальнеологических и рекреационных ресурсов Большого Кавказа и Предкавказья.

Полученные изотопно-гелиевые данные также имеют важный экологический аспект, уточняя прогноз вулканической опасности вулканы Эльбрус и Казбек на Северном Кавказе активны: последние извержения Эльбруса происходили в начале нашей эры, а Казбека - в VIII веке до РХ [Гущенко, 1979; Богатиков и др., 1998; 2001; 2002]. Существует потенциальная угроза активизации этих вулканических центров, которая может вызвать катастрофические последствия (пеплопады, сходы крупных селевых потоков, паводки и т.п.). Данные об изотопном составе гелия можно использовать для районирования территории региона по степени вулканического риска опасности и для планирования сети станций мониторинга вулканической и сейсмической опасности.

Апробация работы. По теме диссертации автором опубликовано 36 работ. Основные положения работы докладывались на Международной конференции памяти ак. П.Н.Кропоткина (г.Москва), симпозиумах по геохимии изотопов им. ак. А.П.Виноградова (г.Москва), на международной конференции, посвященной 75-летнему юбилею гидрогеохимии (г. Томск) и др.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, основного текста, состоящего из пяти глав, заключения, табличных приложений и списка литературы. Общий объем работы составляет 350 стр., из них 211 страниц машинописного текста, 100 иллюстраций и 32 таблицы (из них 9 вынесены в приложение).

Защищаемые положения.:

1. Углекислые воды Большого Кавказа представляют собой сложную систему, компоненты которой имеют разный генезис. По изотопному составу гелия и углерода CO₂ газы минеральных вод близки к газам верхней мантии, однако, судя по высоким значениям СО₂/Не, на 1-3 порядка превышающим значения в MORB, доля метаморфогенной СО₂ значительно превышает магматогенную. Примесь метана в газах имеет коровое происхождение, и его повышенные концентрации маркируют надвиговую структуру Главного хребта. В питании источников доминирует атмогенная составляющая. В изотопном составе воды видны следы высотной зональности, типичной для современных атмосферных осадков. Отмечены признаки термической активности, приуроченные к центрам плиоцен-четвертичного вулканизма. Метановые флюиды грязевых вулканов представляют собой гомогенную систему, все компоненты которой (газ, вода, солевая нагрузка) имеют коровый источник и формируются в едином резервуаре в верхних этажах осадочной толщи. Формирование изотопного состава воды грязевых вулканов лучше всего описывается моделью изотопного уравновешивания в системе «вода-иллит-метан». Эта модель согласуется с локальными оценками температур флюидогенерации и основными изотопно-химическими характеристиками газо-водных флюидов (химическим составом воды и величинами д¹¹В и д¹³С_СН4), что доказывает элизионный генезис грязевулканических систем.

2. Высокие величины ³Не/⁴Не в Кавказском регионе отмечают области внедрения силикатного расплава в кору. Таким способом выяснена конфигурация магматической камеры Эльбруса, подтверждено наличие молодого интрузивного тела в разрезе Средне-Куринской впадины и определена северная граница Казбекской области новейшего вулканизма. Последняя, в отличие от Эльбрусской, не распространяется на Скифскую плиту, а ограничивается Передовым хребтом Большого Кавказа.

3. Геохимические характеристики травертинов позволяют реконструировать некоторые особенности древних флюидных систем: минерализации воды, спектра РЗЭ, концентрации некоторых элементов-примесей, а также для оценки температуры флюидогенерации. Однако они непригодны для определения изотопного состава углерода спонтанно выделяющейся СО₂ и кислорода воды из-за кинетических эффектов фракционирования изотопов в системе «вода-СаСО₃-атмосфера».

Благодарности. Исследования, положенные в основу данной работы, были частью многолетней программы по изучению распределения изотопов гелия в подземных флюидах суши. Автор выражает признательность Б.Г.Поляку, который в значительной степени осуществлял стратегию проводимых исследований, за постоянные консультации. Автор также благодарен О.А. Богатикову, А.Г. Кусраеву, А.Г. Гурбанову, В.И. Черкашину, М.К. Курбанову, Г.И. Буачидзе, Е.Г.Потапову, Р.А. Магомедову, М.М. Меликову за помощь и всестороннее содействие в организации полевых работ на территории Северного Кавказа и в Закавказье. Автор весьма обязан В.К. Карандашеву и М.И.Степанец за высокое качество проведенных химических исследований образцов воды и твердого вещества, а также Е.Н. Дубининой, Б.Г. Покровскому, В.Н. Кулешову, И.Л. Каменскому за прекрасно выполненные изотопные исследования коллекции газо-водных флюидов, собранной автором. Всех перечисленных коллег, а также В.И. Кононова, М.Д. Хуторского, А.И. Бычкова автор сердечно благодарит за ценные советы, замечания и обсуждение материалов на различных этапах подготовки работы.

Фактический материал и методы исследований

минеральный подземный вода кавказ

В главе дается характеристика собранного фактического материала, расположения точек опробования и методик полевых и лабораторных исследований.

В основу работы положены материалы опробования минеральных вод и скважин Большого Кавказа и его обрамления. При этом основной приоритет отдавался опробованию естественных водопроявлений - минеральных источников и грязевых вулканов. Их появление связано с тектоническим вскрытием глубоких водоносных горизонтов или развитием новейшего вулканизма и тем самым отражает специфику флюидного режима в обстановке внутриконтинентальной коллизии. Всего автором было обследовано более 300 водопроявлений региона.

Химический состав воды, травертинов и глинистых фракций из грязевых вулканов определялся методами ICP-AES и ICP-MS в Аналитическом центре Института проблем технологии микроэлектроники и особочистых материалов РАН (ИПТМ РАН, г. Черноголовка Московской обл.). Химический анализ газовой фазы выполнен автором методом газовой хроматографии в Геологическом институте РАН (г. Москва).

Определения изотопного состава воды (D и ¹⁸О) проводились в Институте геологии, минералогии, петрографии и геохимии рудных месторождений РАН (ИГЕМ РАН, г. Москва) и в Геологическом институте РАН на масс-спектрометре DELTA^plus фирмы ThermoQuest (Finigan). Определение изотопного состава углерода в СО₂ и СН₄ выполнены в Геологическом институте РАН на масс-спектрометре МИ-1201В. Изотопные определения инертных газов проводились в Геологическом институте КНЦ РАН (г.Апатиты) на масс-спектрометре МИ 1201ИГ.

Поскольку преимущественно опробовались естественные водопроявления, температура формирования которых на глубине была неизвестна, то для оценки температур флюидогенерации применялись гидрохимические геотермометры (SiO₂, Na-K, Mg-Li, Li-Na) по [Fournier et al., 1973, 1979; Fouillac et al., 1981; Kharaka et al. 1989]. В главе приводится анализ различных факторов (смешения с инфильтрационными или формационными водами), влияющих на точность таких оценок. Показано, что наиболее чувствительным к разбавлению инфильтрационными водами оказывается Si-геотермометр.

Особенности тектонического строения Кавказского региона

Согласно проведенным исследованиям [Хаин, 1982; Zonenshain, Le Pichon, 1986; Гамкрелидзе, Гиоргобиани, 1987; Philip et al., 1989; Адамия и др., 1989; Копп, 1989; Короновский 1994-2004; Большой Кавказ…, 2007] между Африкой и Евразией на протяжении юры-палеогена существовал обширный океан Тетис, в центральной части которого имелось несколько микроплит с корой континентального типа. В раннем миоцене начался спрединг Красного моря, и Аравийская плита стала смещаться к северу, вызывая постепенное сокращение ширины Тетиса. «Жесткий» контакт Анатолийской микроплиты и Скифской плиты ознаменовал начало континентальной коллизии (11-10 млн.лет) в Кавказском сегменте Альпийского пояса. Произошло воздымание Малого и Большого Кавказа и начали формироваться предгорные прогибы (Индоло-Кубанский, Терско-Каспийский) и межгорные депрессии (Рионская и Куринская). С позднего миоцена (N₁²) в регионе постоянно господствует обстановка субмериодинального сжатия. По оценке В.Е. Хаина [1982], его величина при образовании Большого Кавказа составляла не менее 200 км.

В мезо-кайнозое на Большом Кавказе выделяют несколько фаз вулканической активности [Милановский, Короновский; 1973; Короновский, 1994; Короновский, Демина, 2007]. При исследовании современного флюидного режима наибольший интерес вызывает последняя, плиоцен-четвертичная фаза. Она локализуется в центральном секторе горного сооружения в пределах двух крупных вулканических областей - Эльбрусской и Казбекской. Ее продукты представлены известково-щелочными и субщелочными сериями пород [Милановский, Короновский, 1973; Станкевич, 1976; Попов и др., 1987; Остроумова и др., 1995; Богатиков и др., 2002 и др.].

Вулканиты Эльбрусской области отличаются относительно кислым составом (преобладают липарито-дациты) и морфологическим разнообразием - развитием, помимо крупного полигенного вулкана Эльбрус, субвулканических тел и покровов игнимбритов. Вулканическая активность здесь достигла максимума в позднем плиоцене-плейстоцене. Последнее извержение Эльбруса произошло в I-II веке н.э. [Гущенко, 1979; Богатиков и др., 1998; 2001].

Для Казбекской области характерны вулканиты менее кислого состава с колебаниями от дацитов до андезито-дацитов и изредка андезито-базальтов (позднечетвертичные). Все извержения представлены излияниями лав и выбросами пирокластики, игнимбриты отсутствуют.

Приводится обзор гипотетических моделей развития магматизма в регионе на коллизионном этапе. Часть исследователей связывают вулканизм с заключительными стадиями развития зоны субдукции [Адамия и др., 1981; Зоненшайн и др., 1987; Dewey, 1988; Владимиров и др., 2003]; другие - с сочетанием коллизионной обстановки с «горячим пятном» [Бубнов, 2003] или с растеканием плюмового вещества из района Восточно-Африканских рифтов в северном направлении по границе «кора-мантия» [Ершов и др., 2001; 2004]. Согласно другой гипотезе, на коллизионном этапе разогрев нижних частей коры и магматизм, как его следствие, происходят в результате окисления глубинных флюидов [Короновский, Демина, 1996; 1999; 2004; 2007; Демина Короновский, 1998].

Исследование расплавленных включений и минералов-вкрапленников показывает сложный характер формирования новейших вулканитов Большого Кавказа [Толстых и др., 2001; Газеев и др., 2001]. Две генерации плагиоклазов в лавах (андезин и олигоклаз) указывают на смешение основного и более кислого расплавов. Участие разных расплавов подтверждается и изотопной гетерогенностью различных минеральных фаз [Чернышов и др., 2000]. В координатах ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr-е_Nd фигуративные точки молодых вулканитов Большого Кавказа образуют хорошо выраженный тренд, совпадающий с линией смешения корового и мантийного материала [Бубнов, 2003]. Таким образом, петрологические и изотопные данные указывают на участие базитовых мантийных расплавов в формировании молодых вулканитов Большого Кавказа. Однако они не позволяют установить присутствие вещества нижней мантии, как предполагают авторы некоторых моделей.

Природно-климатические и гидрогеологические условия Кавказского региона

В главе приводится характеристика климатических и гирогеологических особенностей Большого Кавказа и его обрамления, рассматриваются региональные особенности химизма вод (солевого и газового состава), а также приводятся данные о региональных особенностях распределения изотопных характеристик инертных газов (Не и Ar).

Природные условия региона отличаются чрезвычайным разнообразием. Здесь встречаются почти все известные виды ландшафтов: начиная от полупустынь и засушливых (полынных и злаковых) степей предгорий до широколиственных, а иногда и субтропических лесов морских побережий, сменяющихся по мере увеличения абсолютных отметок смешанными и хвойными лесами, а за тем альпийскими лугами, высокогорной тундрой и ледниками. Разнообразие природных ландшафтов определяется сочетанием количества атмосферных осадков, величиной среднегодовых температур и абсолютных отметок. Годовое количество атмосферных осадков возрастает с увеличением высотных отметок от 445 мм/год на равнине и до 596 и 673 мм/год в предгорных и высокогорных районах (соответственно) [Климатический атлас СССР, 1960]. На высотах более 3000 м встречаются участки вечной мерзлоты. Высота снеговой линии, поднимаясь с запада на восток, колеблется в пределах 2770-3900 м над уровнем моря.

В горных районах высокая расчлененность рельефа и сильная тектоническая раздробленность пород обеспечивают быстрое проникновение атмосферных осадков в водоносные горизонты. Поэтому в гидрогеологическом плане горное сооружение Большого Кавказа является региональной областью питания практически всех водоносных комплексов Предкавказья и Закавказья.

Гидрогеологические исследования в регионе изначально были связаны с разведкой месторождений углекислых минеральных вод Пятигорья. История их централизованного освоения берет начало с указа Александра I от 24 апреля 1803 года, согласно которому - Кавказские Минеральные Воды были признаны лечебной местностью государственного значения. Благодаря исследованиям Г.В. Абиха, Э.Э. Карстенса, А.П. Нелюбина, А.М. Овчинникова, Н.Н. Славянова, В.В. Иванова, А.Н. Огильви, Ю.А. Будзинского, А.Н. Бунеева, М.И. Врублевского, Г.И. Буачидзе, А.П. Карасевой, И.Я. Пантелеева, С.Р. Крайнова и др. Кавказская провинция углекислых вод (и особенно район Кавказских Минеральных Вод - далее КМВ) стали своего рода эталонным объектом изучения углекислых вод. Гидрогеологические особенности пластовых нефтяных и грязевулканических вод Западного, Восточного Кавказа и Закавказья начали изучаться позднее в связи с освоением нефтегазовых месторождений региона. Им посвящены работы И.М. Губкина, В.В. Белоусова, В.Н. Холодова, Г.И.Буачидзе, И.Г. Киссина, В.В. Коллодия, М.К. Курбанова, В.А. Сулина, Е.Ф. Шнюкова, А.В. Щербакова, А.А. Якубова, и многих других исследователей.

В геологическом разрезе региона выделяют два крупных гидрогеологических этажа [Углекислые…, 1963; Кавказские минеральные…, 1972; Киссин, 1964; Буачидзе, Мхеидзе, 1989; Курбанов, 2001]. Нижний - приурочен к трещинно-жильным системам кристаллических пород палеозойского фундамента, а верхний - к слабо дислоцированным терригенно-карбонатным комплексам мезо-кайнозоя.

Инертные газы в подземных флюидах и тектоно-магматическая активность

Взаимосвязь флюидного и тектонического режима.

Под термином «флюидный режим» подразумевается комплекс специфических физико-химических характеристик газо-водного флюида (химический и изотопный состав воды и газов, температура формирования вод и т.д.), которые зависят от условий циркуляции флюида в земной коре. Эти условия определяются вулканической активностью, скоростью вертикальных движений, геотермическим режимом и т. д. Одной из таких характеристик является химический состав газов минеральных вод [Вернадский, 1960; Иванов, 1960-1964; Барабанов и Дислер, 1968; Дислер, 1971; Ломоносов и др., 1977; Кононов, 1983;]. Согласно этим представлениям, углекислые воды генетически связаны с глубинными магматическими процессами (выделением магматогенной СО₂). Азотные же термы вообще характерны для областей с высокими скоростями вертикальных движений, обеспечивающих глубокое проникновение атмогенных вод в толщу пород и их нагрев региональным тепловым полем. Вынос глубинного тепла этими водами не связан с вулканической активностью. Метановые воды типичны для нижних гидрогеологических этажей осадочных бассейнов и в платформенных условиях довольно редко выводятся на поверхность. Однако в подвижных поясах происходит тектоническое вскрытие резервуаров метановых вод. Это приводит к формированию минеральных источников, газирующих метаном, а при наличии в разрезе мощных слоев глинистых осадков и к образованию грязевых вулканов. В Кавказском регионе зональность минеральных вод [Овчинников, 1948; и др.] подчеркивает его структурные особенности. К осевой части Большого Кавказа приурочена область развития углекислых вод. Она простирается узкой полосой вдоль оси Большого Кавказа. Только в районе КМВ она распространяется на южную окраину Скифской плиты. Почти все углекислые источники располагаются вблизи центров плиоцен-четвертичного вулканизма, поэтому большая их часть сосредоточена в Эльбрусской и Казбекской вулканических областях.

С удалением от осевой зоны Главного хребта углекислые воды сменяются азотно-метановыми термами. Классические азотные термы, аналогичные забайкальским с концентрацией N₂ > 80-99 % об., на Кавказе встречаются довольно редко. В термах Кавказа почти всегда присутствует метан, объемная доля которого в спонтанном газе часто достигает 60-70 %. Естественные источники этого типа известны в южном Дагестане (Ахты, Кизил-Дере, Исти-су и др.) и в Закавказье (Тбилисские термы). Как правило, температура таких вод не превышает 60 ^оС [Курбанов, 2001]. Местами в районах распространения азотно-метановых, а иногда и углекислых вод встречаются выходы сероводородных вод, обогащенных H₂S (месторождения Талги, Тамиск, Мацеста, углекисло-сероводородные воды Пятигорья).

В предгорных и межгорных впадинах развиты пластовые метановые воды. Они разгружаются в областях развития грязевого вулканизма (Азербайджан, Восточная Грузия, Таманский полуостров) и в некоторых предгорных районах, например в Дагестане и Северной Осетии, где водоносные комплексы, содержащие метановые воды, вскрываются тектоническими нарушениями.

Признаки мантийной активности по данным изотопии гелия.

Как известно [Мамырин, Толстихин, 1981; Lupton, 1983; Поляк, 1988; и др.], изотопный состав гелия в геологических объектах является однозначным индикатором наличия в них мантийного компонента (с ³Не/⁴Не=R~10^-5), поскольку в континентальной коре с кларковым содержанием материнских элементов (U, Th и Li) каноническое радиогенное значение R~10^-8.

Исследования газов минеральных вод Кавказского региона указывают на присутствие в них той или иной примеси мантийного гелия [Матвеева и др., 1978; Газалиев, Прасолов, 1988; Буачидзе, Мхеидзе, 1989; Поляк и др., 1998; Прасолов, 1990; и др.]. Наряду с низкими, близкими к каноническому радиогенному значениями R не более ~1010^-8 (фоновыми для эпигерцинской Скифской плиты, в регионе отмечены и чрезвычайно высокие величины - до 600-87010^-8 [Polyak et. al., 2000; Лаврушин и др., 2003, 2007 ].

Область высоких значений ³Не/⁴Не приурочена к осевой части горной системы Большого Кавказа, причем максимальные значения R отмечаются в его центральном сегменте в районе вулканов Эльбрус и Казбек. Здесь она распространяется на южную окраину Скифской плиты - в район КМВ и далее на север, охватывая Ставропольское сводовое поднятие и совпадая с участком, так называемого Транскавказского вулканического поднятия. На западном и восточном флангах Большого Кавказа значения R снижаются до 30-50Ч10^-8. Таким образом, область высоких значений R полностью включает в себя зону распространения углекислых вод. К северу от Главного хребта с изменением состава газового состава вод с углекислого на азотно-метановый величина R снижается, приближаясь к фоновым значениям для Скифской плиты. Корреляция величин ³Не/⁴Не в газах источников с ⁸⁷Sr/⁸⁸Sr в Эльбрусских, Казбекских и Пятигорских вулканитах доказывает (рис. 1), что транспортировка мантийного гелия в верхние части коры осуществляется силикатным расплавом, а сами расплавы имеют мантийную природу. Дегазируясь в коре, расплав является поставщиком мантийных компонентов (прежде всего, Не) во флюидные системы. Поэтому данные о составе гелия в газах минеральных вод можно использовать для определения ареала плиоцен-четвертичного вулканизма на Большом Кавказе и локализации скрытых магматических очагов.



Размещено на http://www.allbest.ru/

К началу наших работ граница области магматической активности на Большом Кавказе была по изотопно-гелиевым данным надежно определена только в Эльбрусском секторе [Матвеева и др., 1978; Поляк и др., 1998]. Дополнительное опробование позволило выяснить положение северной границы Казбекской вулканической области. Оказалось, что область ограничивается южным склоном Передового хребта (рис.2). Ее граница особенно контрастна на северном склоне вулкана Казбек. Здесь находятся две группы термоминеральных источников - углекислые Верхне-Кармадонские (№8) и на расстоянии 8 км от них азотно-метановые Нижне-Кармадонские (№7). Между этими группами источников значения ³Не/⁴Не быстро снижаются от 19010^-8 до 2710^-8. Таким образом, на очень коротком расстоянии кардинально меняется как общий газовый состав минеральных вод, так и изотопный состав содержащегося в них гелия. Это указывает на резкую смену флюидного режима в соседних блоках земной коры.

Таким образом, к северу от Казбека убывание отношения ³Не/⁴Не оказывается гораздо более быстрым, чем в Приэльбрусье. Там ореол повышенных значений ³Не/⁴Не протягивается далеко в пределы Скифской плиты, отражая, как показало гидродинамическое моделирование [Яковлев и Поляк, 1997], разгрузку мантийного гелия не только через магматический канал Эльбруса, но и другие аппараты. К северу же от Казбека наличие таких аппаратов менее вероятно, так что граница Казбекской вулканической области имеет, очевидно, субширотное простирание.

Близость границы мантийной активности к оси Большого Кавказа противоречит представлению о магмоподводящей роли Цхинвал-Казбекского разлома. Он относится к Аграхан-Тбилисско-Левантийской левосдвиговой разломной зоне, которая трассируется в Кавказском секторе Альпийского пояса через всю его ширину [Милановский, Короновский, 1973; Короновский, 1994]. Несмотря на региональное значение этой зоны, изотопно-гелиевый сигнал не распространяется вдоль нее так далеко на север, как в Эльбрусском секторе.

Новые данные по изотопному составу гелия в газах Северной Осетии (ист. Кубус в верховьях р.Харес, R=146Ч10^-8), несмотря на малое число углекислых источников в междуречье рр. Черек Балкарский - Чегем, позволяют предполагать, что вдоль Главного хребта Казбекская вулканическая область сливается с Эльбрусской.



Тектоническая активность и изотопы аргона в газах Большого Кавказа

Величина ⁴⁰Ar/³⁶Ar в газах региона меняется от субатмосферных (295,6 ± 3) и более низких значений (272 в Дагестане и 285 в Приэльбрусье) до 660. Обогащение радиогенным ⁴⁰Ar/ чаще отмечается в метановых газах [Войтов и др., 1984; Мирзалиев и др., 1993; Лаврушин и др., 1996]. Углекислые же воды характеризуются субатмосферными величинами аргонового отношения.

Высокие величины ⁴⁰Ar/³⁶Ar отмечаются в газах источников северо-восточной части Большого Кавказа (район Дагестанского клина), а также на южном и северо-западном склонах этого горного сооружения. Таким образом, избыток в подземных газах радиогенного аргона маркирует участки наиболее активного проявления геодинамических процессов (стрессовых нагрузок, развития тектонических покровов, высокой сейсмической активности, повышенных скоростей вертикальных движений и т.п.).

Сопоставление величин ³Не/⁴Не и ⁴⁰Ar/³⁶Ar не выявляет какой-либо статистически значимой взаимосвязи, что доказывает коровую природу избыточных количеств ⁴⁰Ar. Вероятно, обогащение подземных газов радиогенным аргоном происходит вследствие прогрева, механического дробления и кливажирования пород. Поэтому соотношение ⁴⁰Ar/³⁶Ar кажется перспективным индикатором активности геодинамических процессов.

В целом, влияние коллизионной обстановки на флюидный режим носит двойственный характер. С одной стороны, высокая активность геодинамических процессов в горных районах способствует разгрузке азотно-метановых терм, газы которых обогащены ⁴⁰Ar. В предгорных и межгорных впадинах под влиянием высокой геодинамической активности происходит тектоническое вскрытие залежей углеводородов, что отражается в появлении метановых источников и грязевулканических систем. С другой стороны, та же активность приводит к вторжению в верхние горизонты коры мантийных магматических очагов, что проявляется в повышении значений ³Не/⁴Не в коровых флюидах и формировании углекислых вод.

Региональные Особенности флюидного режима Большого Кавказа и его обрамления

В главе приводятся результаты исследования различных типов минеральных вод, распространение которых контролируется структурным планом региона.

Углекислые воды. Геолого-структурная приуроченность

Кавказская провинция углекислых вод охватывает горные районы Большого и Малого Кавказа и является одной из крупнейших в Альпийском поясе. Только на Большом Кавказе насчитывается порядка 600 углекислых источников [Углекислые…, 1963; Буачидзе, Мхеидзе, 1989], которые распространены вдоль простирания Главного хребта на участке от среднего течения р. Мзымта (месторождение Чвижепсе, Западный Кавказ), до верховьев р. Андийское Койсу (ист. Инхоквари, в Дагестане). Протяженность этой зоны составляет ~500 км. при средней ширине 20-30 км. Но в районе КМВ область углекислых вод распространяется на 150-200 км к северу, охватывая склоны Скалистого хребта (зону моноклиналей) и южную окраину Скифской плиты.

На Северном Кавказе углекислых источников больше, чем на Южном. Например, в Приэльбрусье насчитывается до 240 таких водопроявлений, из них только ~40 находятся на южном склоне Главного хребта. В Казбекской области отмечается аналогичная тенденция. Вероятно, такое распределение углекислых источников относительно Главного хребта отражает структуру его южного склона - здесь комплексы пород юрского и мелового возраста надвинуты на более молодые отложения Куринской и Рионской впадин и, по-видимому, экранируют поток глубинных газов.

Температура и глубины формирования водБольшинство углекислых источников Большого Кавказа характеризуется температурами от 2,5 до 10-15оС. Более высокие температуры отмечены лишь в в Верхне-Кармадонских источниках (54оС), пятигорском Провале (42оС) и источниках Джилы-су с температурами около 20 С, разгружающихся в верховьях рек Малки и Бийтиктебе [Углекислые…, 1963; Цогоев, 1969].

Сопоставление измеренных температур воды с абсолютными отметками выходов источников показывает тренд убывания этих температур с высотой. От него отклоняются только фигуративные точки источников, располагающихся в непосредственной близости от вулканических центров (Эльбруса, Казбека, лакколитов КМВ), что указывает на существование здесь магматогенных термических аномалий.

Оценки «базовых температур» формирования углекислых источников, выполненные по гидрохимическим геотермометрам [Fournier at al., 1973, 1979; Fouillac at al., 1981; Kharaka at al. 1989; и др.], подтверждают этот вывод. Например, Эльбрусская термоаномалия надежно фиксируется в источниках, расположенных в радиусе ~20 км от вулкана, что примерно совпадает с оценками размеров вулканической камеры по геофизическим данным [Авдулов, 1962]. Относительно вулкана зона повышенных температур располагается асимметрично, далеко распространяясь в северо-восточном и восточном направлениях. Анализ распределения «базовых» температур показывает, что вулкан располагается в узле пересечения зон положительных температурных аномалий СЗ, CВ и субширотного простирания. Угол между первыми двумя составляет 90^о, а с осью Главного хребта (фронтом коллизии) они образуют углы ~45^о. На местности эти зоны проходят по долинам рек Кыртык и Бийтик-Тебе (субширотная), рек Худес и Кубани (северо-западная) и р. Малка (северо-восточная). эти аномалии, по-видимому, трассируют глубинные разломы, в том числе трещины скола, возникшие в коре в результате тектонического сжатия, а расположение Эльбруса в узле пересечения этих зон обеспечивает долговременную активность вулкана.

Исходя из оценок глубины залегания кровли промежуточной камеры Эльбруса ~2 км [Авдулов, 1962; Масуренков, 1971; Хитаров и др., 1984] и температуры плавления кислых магм, геотермический градиент над ней оценен в 130-150 єС/км. Его сопоставление с «базовыми» температурами, рассчитанными по Na-Li-геотермометру, дает оценку глубины циркуляции для вод Эльбрусского района около 1.5 км. Оценки для Казбекской области дают схожие результаты (~1,6 км). Из этого следует, что в горных районах Большого Кавказа «базовые» глубины циркуляции вод везде примерно одинаковы.

Таким образом, температуры углекислых минеральных вод, как измеренные, так и «базовые», показывают, что вблизи N₂-Q магматических образований недра до сих пор аномально прогреты. Градиенты температур вблизи вулканических центров в 3-6 раз выше, чем на южной окраине Скифской плиты).

Особенности химического состава Химический состав вод меняется по мере удаления от оси Главного хребта. Например, в Главном хребте источники характеризуются относительно невысокой минерализацией - от 0,15 до 10 г/л и в среднем ~2,5 г/л (n=110). Севернее, в зоне развития осадочных комплексов юрско-мелового возраста максимальная и средняя минерализация возрастают до ~20 г/л и ~5 г/л (n = 40) (соответственно). Увеличение минерализации в северном направлении сопровождается изменением химического типа воды с НСО₃/Са на НСО3-СL/Na-Ca и Cl/Na. Ионы Mg⁺² и SO₄^-2 имеют подчиненное значение. Концентрация [Mg⁺²] редко достигает 30 мг.-экв.%, а [SO₄^-2], как правило, не превышает 2 мг.-экв.%.

Eh вод варьирует от ~ +100 до +350 мВ, а величина рН - от 5,1 до 7,0. Концентрация растворенной углекислоты [СО_{2 вр}] меняется от 0,3 до 2,64 г/л и в 133 обследованных источниках составляет в среднем 1,43 г/л. Встречаются и более высокие значения [СО_{2 вр}]. Например, в скв. 1 месторождения Багиата (Южная Осетия) оно достигает 5,5 г/л. В Эльбрусском районе в латеральных вариациях [СО_{2 вр}] видна определенная закономерность - область максимальных концентраций вытянута в субширотном направлении и располагается севернее Эльбруса, совпадая с положением Пшекиш-Тырнаузской шовной зоны.

Особенностью химизма углекислых вод Большого Кавказа является прямая корреляция между концентрациями [НСО₃^-] и [Cl^-]. На первый взгляд, она подтверждает старые представления об эндогенном генезисе хлор-иона [Масуренков, 1961. Однако, как показывают наши данные, с приближением к Эльбрусу систематического увеличения концентрации хлор-иона не происходит. корреляция же концентраций НСО₃^- и Cl, вероятно, носит парагенетический характер, отражая изменение условий формирования вод по мере удаления от Главного хребта.

Для углекислых вод характерны высокие концентрации многих микрокомпонентов. Из бальнеологически значимых в воде часто присутствуют кремний ([Н₄SiO₄] до 220 мг/л, в среднем 57 мг/л, n=165), бор ([В] до 145 мг/л, среднее 17 мг/л, n=165), железо ([Fe] до 63 мг/л, среднее 9 мг/л, n = 165). Максимальные концентрации кремнекислоты обнаруживаются в источниках, ближайших к Эльбрусу, Казбеку и вулканическим центрам Кельского нагорья. С удалением от них [Н₄SiO₄] в воде снижается в 3-5 раз. Многие минеральные воды Большого Кавказа по классификации В.В.Иванова [1977] относятся к классу борных вод. Сильнее всего бором обогащены воды Главного хребта, особенно источники Северной и Южной Осетии: Кубус (145 мг/л), Колтусуар (72 мг/л), Кобет (51 мг/л), Кесельта (55 мг/л), Верхне- (50 мг/л) и Нижне-Кармадонские (25-37 мг/л) и многие другие. Концентрация бора в воде коррелирует с содержанием Cl^- и НСО₃^- и общей минерализацией воды.

значения Сl/B минимальны в источниках Главного хребта, варьируя от 1-5 до 10-15. Севернее, в зоне Передового хребта, они возрастают до 25-60 и продолжают увеличиваться, достигая значений 500-2000 и более в водах КМВ (в морской воде Cl/B=4100). Аналогичная тенденция наблюдается и на южном склоне Большого Кавказа в Южной Осетии. Таким образом, с удалением от Главного хребта в солевом составе источников возрастает влияние седиментогенных, первично морских вод.

Спектры РЗЭ в водах, в целом, однотипны. Для них характерно относительное обогащение в области тяжелых РЗЭ. Такая форма спектров объясняется большей устойчивостью карбонатных комплексов (преимущественно Ln(CO₃)^2-) тяжелых РЗЭ при субнейтральных и слабокислых значениях рН, присущих углекислым водам [Балашов, 1976; Mхller et al., 1993; Johannesson et al., 1994].

Изотопный состав углекислых вод наиболее полно был изучен в районе КМВ [Ляшенко, Потапов, 1984; Кучер и др., 1989]. Эти исследования показали, что в предгорьях Северного Кавказа формирование минеральной воды происходит в результате смешения атмосферных и седиментационных вод. Малая примесь последних отмечена также в минеральных источниках Северной Осетии и Краснополянского района [Кучер и др., 1989; Соколовский и др., 1992; Селецкий и др., 1995]. Источники же горных районов оставались малоизученными.

Величины D и ¹⁸О в углекислых водах Северного Кавказа, включая район КМВ и Западный Кавказ, варьируют в широком интервале значений - от -108 до -52‰ и от -14,4 до -2,5‰ относительно SMOW соответственно [Ляшенко, Потапов, 1984; Кучер и др., 1989; Соколовский и др., 1992; Селецкий и др., 1995]. окрестности Эльбруса характеризуются более узким диапазоном значений как D (от -100 до -78 ‰), так и ¹⁸О (от -14,2 до -6,0 ‰). В отличие от углекислых вод КМВ и Западного Кавказа, соотношение величин дD и д¹⁸О в источниках Приэльбрусья близко к «линии Крейга» (рис. 3 ). В латеральном распределении D и ¹⁸О есть определенная закономерность - их минимальные величины отмечаются в источниках ближайших к Главному хребту.

Корреляции изотопного состава воды с высотными отметками и совпадение большинства фигуративных точек источников с линией метеорных вод указывает на то, что в питании углекислых источников Большого Кавказа доминируют современные атмосферные воды. Отмеченная для них высотная зональность изотопного состава указывает также на чрезвычайно малое удаление областей питания от мест выходов минеральных источников.



Химический состав выделяющихся газов. В газовой фазе углекислых вод доминирует углекислота - до 95 - 99,9 % об. В виде примесей присутствуют N₂, CH₄, CO, О₂, благородные газы, редко Н₂. Концентрации азота и метана больше в источниках, формирующихся в осадочных комплексах юрско-мелового возраста (район КМВ, Северная и Южная Осетия), т.е. возрастают к периферии горного сооружения. Таким же образом меняется и концентрация гелия - с удалением от Эльбруса и Казбека к периферии горного сооружения его концентрации возрастают, достигая максимальных значений в газах КМВ.

Метан присутствует в количествах от 6Ч10^-5 до 15-20 % об., обычно пропорциональных концентрациям «воздушных и коровых» газов (N₂, Ar, Ne, Не). В углекислых водах Приэльбрусья исследована латеральная изменчивость содержания [СН₄] в спонтанно выделяющихся газах. На периферии горного сооружения там, где формирование углекислых вод происходит в водоносных комплексах мезозойского возраста, это содержание, как правило, возрастает. Однако высокие концентрации метана (до 0,5-15 % об.) встречаются и в газах некоторых источников Главного хребта (рис. 4), выходы которых приурочены к массивам кристаллических пород палеозойского возраста, причем область таких значений [СН₄] линейно вытянута вдоль оси хребта. Происхождение этой аномалии метана не ясно, т.к. минеральные источники этого района не имеют видимой связи с осадочными породами.

Источники компонентов газовой фазы. Изотопный состав гелия. Региональные закономерности распределения величин ³Не/⁴Не=R в углекислых, азотных и метановых газах Кавказского региона обсуждались в главе 3. Максимальные значения R отмечены в углекислых источниках Приэльбрусья (в одноименных источниках Джилысу в долинах рек Бийтиктебе и Малка). Особенности распределения величин ³Не/⁴Не вблизи Эльбруса были изучены детально (рис. 5). При удалении от вулкана величина R резко снижается от (0,50ч0,87)Ч10^-5 на расстоянии 9-12 км от вулкана, до ~0.2Ч10^-5 на расстоянии более 15 км. Положение изолинии R=350Ч10^-8, в общем, совпадает с границей Эльбрусской кальдеры, выделенной геолого-геоморфологическими наблюдениями [Богатиков и др., 1998]. Но в северо-восточном, восточном и южном секторах кальдеры область повышенных значений R выходит за ее пределы, до водораздела рек Баксан и Чегем.

Сопоставление с температурами вод и результатами других исследований [Богатиков и др., 2002], которые показывает, что вулканическая постройка Эльбруса находится на западной периферии геотермической и изотопно-гелиевой аномалии, совпадающей с зоной разуплотнения горных пород. Последняя интерпретируется [Богатиков и др., 2002; Шемпелев и др., 2005] как основная магматическая камера, питающая вулканические центры Эльбрусского района. Границы этой зоны примерно соответствуют изолинии 200-250 (Ч10^-8) (рис. 5).

Последнее извержение Эльбруса происходило в I-II в.н.э. [Богатиков и др., 1998; 2001], что указывает на потенциальную вулканическую опасность этого района Кавказа в целом. Кажется, что выявленная изотопно-гелиевая аномалия очерчивает область максимальной вероятности такого риска.

Трахилипаритовые лакколиты КМВ с возрастом ~ 8 Ma (Pohl et al., 1993) находятся в области более низких значений R (в среднем 78Ч10^-8). Такое снижение значений ³Не/⁴Не к северу от Эльбруса поддерживается изменением состава стронция в вулканитах (рис. 1) и указывает на бульшую контаминацию трахилипаритов коровым веществом. Она может быть следствием обогащения мантийными компонентами магм более поздних генераций. На такую возможность указывает антидромный характер изменения химического состава продуктов Эльбруса [Милановский, Короновский, 1973] и некоторые другие признаки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

в Кельско-Казбекском районе распределение величин ³Не/⁴Не изучено менее детально. здесь максимальные значения R (до 690Ч10^-8) отмечены на южном склоне Большого Кавказа. Обширная изотопно-гелиевая аномалия обрамляет Кельское вулканическое нагорье и Джавский вулканический район. Вулкан Казбек, как и Эльбрус, располагается не в центре этой аномалии, а на ее северной периферии, причем на северном склоне вулкана значения R быстро снижаются (см. рис.2).

Изотопный состав углерода в СО₂ был хорошо изучен в термальных водах района КМВ [Зорькин и др., 1981; Войтов и др., 1994, 1996, 1998; Потапов и др., 1998], однако источники горных районов были охарактеризованы лишь одиночными определениями [Кравцов и др., 1974; Буачидзе, Мхеидзе, 1989]. Наши исследования отчасти восполняют этот пробел, характеризуя как величину д¹³С в этих источниках, так и ее вариации в пространстве и времени.

Изменчивость д¹³С(CO₂) во времени изучена в Приэльбрусье. опробование одного из источников Джилысу (р. Бийтиктебе) в 1999 году показало, что здесь величина д¹³С(СО₂) в течение 12 дней варьировала от -5,9 до -6,4 ‰ относительно PDB. Через год здесь же значение д¹³С(СО₂) составило -5,4‰. Опробование других источников показало, что вариации д¹³С в углекислоте, как правило, не превышают 1‰. Исключение составляют газы источников Джилысу на р. Малка. В них значение д¹³С(СО₂) в 1998 и 2000 гг. составило -5,8 и -3,0 ‰ соответственно. В целом, полученные данные указывают на относительную стабильность величины д¹³С в СО₂.

Зато в Приэльбрусье видна изменчивость д¹³С(CO₂) в транскавказском направлении. Около Эльбруса значения д¹³С(СО₂) по 55 пробам варьируют от -8 до -5‰, составляя в среднем -6,9‰. К северу от вулкана, в районе КМВ, значения д¹³С(СО₂) увеличиваются («утяжеляется») до -4,0 ч -1,4‰ (рис. 6 а, б, в). Вместе с тем, здесь же в некоторых пробах встречается и изотопно-легкая углекислота (с д¹³С от -9,0 до -12,6‰). Аналогичные тенденции прослеживаются и в газах Казбекской области. Таким образом, спектр значений д¹³С(СО₂) в районах, удаленных от Главного хребта, очевидно, обусловлен, с одной стороны, изотопным обменом СО₂ с карбонатами осадочного происхождения, а с другой - окислением органического вещества.

По простиранию Главного хребта значения д¹³С(СО₂) тоже изменяются. Восточнее Эльбруса, в шести углекислых источниках Северной Осетии и Дагестана величина д¹³С(СО₂) снижается до -10,8, составляя в среднем -10,1‰ [Газалиев и др., 1982; Соколовский и др., 1992]. По нашим данным, и к западу от Эльбруса углерод СО₂ тоже становится изотопно легче: в Пхейскийх (Лаштракских) и Краснополянских нарзанах величина д¹³С в семи пробах снижается до -11,0‰, в среднем составляя - 8,9‰.

Размещено на http://www.allbest.ru/

В целом, углекислые газы Приэльбрусья по изотопным характеристикам гелия и углерода похожи на газы верхней мантии (MORB), в которых ³Не/⁴Не =(1.150.1)Ч10^-5 [Marty & Tolstikhin, 1988], а ¹³С = -5…-8‰ [Галимов, 1968; Javoy at al., 1986]) (рис. 7). Однако, имея «субмантийные» изотопные характеристики, они существенно отличаются от газов резервуара MORB более высокими (на 1-3 порядка) отношениями СО₂/Не [Marty and Tolstikhin, 1998]. Это, указывает на присутствие в этих газах преобладающей доли углекислоты «немантийного», т.е. корового генезиса.

...