Про джерела надходження та міграцію брому в підземних водах (на прикладі Дніпровсько-Донецького авлакогену)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Про джерела надходження та міграцію брому в підземних водах (на прикладі Дніпровсько-Донецького авлакогену)

В.Г. Суярко, О.В. Гаврилюк

Анотація

ПРО ДЖЕРЕЛА НАДХОДЖЕННЯ ТА МІГРАЦІЮ БРОМУ В ПІДЗЕМНИХ ВОДАХ (НА ПРИКЛАДІ ДНІПРОВСЬКО-ДОНЕЦЬКОГО АВЛАКОГЕНУ)

* В.Г. Суярко, д.г.-м.н., професор,

** О.В. Гаврилюк, ст. викладач,

* Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна,

** Харківський національний університет міського господарства імені О.М. Бекетова.

Розглянуто основні джерела надходження брому в підземну гідросферу та деякі особливості його водної міграції. На прикладі Дніпровсько-Донецького авлакогену описано закономірності структурної приуроченості та просторового розповсюдження елементу. Підкреслено, що геохімічна історія брому у земних надрах тісно пов'язана з історією геологічного розвитку регіону. Розкрито особливості формування гідрогеохімічних аномалій елементу.

Ключові слова: аномалії брому, підземні води, водна міграція, джерела надходження, глибинні флюїди, галогенні відклади, пластові води, антиклінальні структури, глибинні розломи.

Аннотация

ОБ ИСТОЧНИКАХ ПОСТУПЛЕНИЯ И МИГРАЦИИ БРОМА В ПОДЗЕМНЫХ ВОДАХ (НА ПРИМЕРЕ ДНЕПРОВСКО-ДОНЕЦКОГО АВЛАКОГЕНА)

Ключевые слова: аномалии брома, подземные воды, водная миграция, источники поступления, глубинные флюиды, галогенные отложения, пластовые воды, антиклинальные структуры, глубинные разломы.

Вступ

Актуальність та аналіз попередніх досліджень. Формування аномалій брому в підземних водах - важлива проблема гідрогеохімії. Її основним завданням є визначення джерел надходження елемента у підземну гідросферу та його водна міграція в різних за складом підземних водах. Розв'язанню цих задач присвячено наукові праці М. Валяшка (1956), В. Дерпгольца (1962, 1971), А. Щербакова (1968), Г Короткевича (1970), С. Крайнова (1980), В. Попова (1985), О. Сухореброго (2000), В. Суярка (2006) та інших дослідників.

Аналіз фактичного матеріалу з геохімії підземних вод південно-східної частини Дніпровсько-Донецького авлакогену дозволив авторам статті конкретизувати основні природні джерела надходження брому в підземну гідросферу та визначити особливості водної міграції елемента. Це є необхідним для розв'язання багатьох практичних задач і зокрема: прогнозування зон глибинних розломів, пошуків скупчень вуглеводнів та гідротермальної мінералізації, а головне - родовищ лікувальних і промислових бромних вод. Саме цим і визначається актуальність теми статті.

Метою статті є характеристика природних джерел надходження брому в підземні води та особливостей його водної міграції, а також визначення практичного значення гідрогеохімії цього елемента.

Викладення основного матеріалу

Дослідження геохімії підземних вод східної частини Дніпровсько-Донецького авлакогену, в межах якого сформувався однойменний артезіанський басейн, дозволили не лише конкретизувати, а й визначити певні пріоритети в підході до обґрунтування джерел і особливостей міграції брому у підземних водах.

Бром - одновалентний абіогенний хімічний елемент підгрупи галогенів, що характеризується дуже високою розчинністю його солей. Саме тому в геологічному середовищі майже не зустрічаються мінерали брому (за винятком рідкісних - бромаргіриту, бромеліту, бромхлораргилиту та ін.), а сам бром знаходиться в розсіяному стані. Морська вода вміщує 0,065 %, розсоли соляних озер - до 0,2 %, а пластові води вуглеводних родовищ - від 0,01 до 0,001 % цього елементу. Ізоморфні домішки брому є в кам'яній солі (галіті), а також у сильвіні, карналіті, бішофіті [1, 10, 12, 17].

У деяких геологічних регіонах підземні води сильно збагачені бромом, вміст якого інколи на 2-3 порядки перевищує фонові значення. За наявності великих об'ємів такі води можуть використовуватися як бальнеологічні (лікувальні) або промислові (гідромінеральна сировина). Лікувальними питними бромними (йодобромними) водами є води, які за своєю загальною мінералізацією можна вживати в натуральному або розбавленому (до 10-15 г/дм ³) вигляді і які зберігають кондиційний вміст брому (>25 г/дм³). Мінімальні концентрації елемента в промислових водах складають 250-500 г/дм ³ (в залежності від мінералізації) [11, 15].

За результатами різних досліджень [1, 3, 4, 10, 17 та ін.], серед основних джерел надходження брому в підземну гідросферу є: розсоли вилуження та розчинення галогенних товщ, пластові води нафтогазових покладів, порові розчини осадових відкладів та глибинні флюїди.

Найчастіше бромні води виявляються серед метанових хлоридних вод. Серед азотних - бромні води зустрічаються рідко і, як правило, мають нижчу концентрацію елементу. Області розповсюдження таких вод, головним чином, співпадають з областями формування хлоридних вод середньої та високої мінералізації, які є характерними для глибоких горизонтів артезіанських басейнів платформ, передгірських прогинів і міжгірських западин [11]. бром підземна водна міграція

Бромні води зустрічаються в артезіанських басейнах Східно-Європейської платформи (Дніпровсько-Донецькому, Московському та ін.), у передгірських прогинах (Передкарпатському, Передуральському, Передкавказькому та ін.), а також у багатьох локальних міжгірських прогинах гірсько-складчастих систем. На теренах України бромні води і розсоли, окрім Дніпровсько-Донецького та Передкарпатського прогинів, виявлено також у Причерноморській,

Таблиця 1. Розчинність сполук брому у воді за різних температур, мг/дм3 (за С. Крайновим, В. Щвецом, 1980)

Приазовській і Львівсько-Волинській западинах, Закарпатському прогині та Кримській гірській системі. Вони використовуються як лікувальні (Свалява, Закарпаття; Бердянськ, Запорізька обл. та ін.). Проте, попри промислові концентрації брому в підземних водах різних регіонів, вони й досі не використовуються як гідромінеральна сировина для його промислового вилучення.

Міграція брому в підземних водах здійснюється в різних формах залежно від їх геохімічних особливостей. Вона, здебільшого, відбувається у вигляді різноманітних комплексних сполук (з катіонами природних вод, металами, галогенами). У хлоридних вуглекислих розсолах бром найчастіше знаходиться в простій іонній формі [10]. Сполуки брому з Ca, Mg, Na та К мають високу розчинність, що й обумовлює фактичну відсутність природних мінералів брому (табл. 1).

Полігалогенні комплекси, характерні для хлоридних натрієвих розсолів, бром найчастіше утворює з хлором (BrCl²") [1, 2, 10, 14]. За даними експериментальних досліджень, в процесі штучного галогенезу концентрації брому у твердій фазі (галіті) завжди є меншими за одиницю. Це свідчить про те, що в геохімічній системі "сіль-вода" кількість брому, що випадає в осад, є значно меншою за ту, що залишається в розчині [1]. Саме цим, на нашу думку, обумовлюється той факт, що вміст брому у хлоридному натрієвому розчині завжди знаходиться у прямій залежності від його мінералізації.

Серед інших полігалогенідів також слід вказати на йод-бромні комплекси, в яких роль катіонів відіграють органічні основи, а також комплексні йони [2]. Полігалогенні сполуки здебільшого є комплексними аніонами, що можуть включати один і більше галогенів. У розчинах вони утворюються завдяки приєднанню молекул галогенів до аніонів галогенів. У новостворених комплексних сполуках ці елементи виконують роль центрального йона, навколо якого координуються молекули того ж самого або іншого галогену [2, 10]. Полігалогеніди такого типу є водночас стійкими і досить рухливими, що й забезпечує їхню розповсюдженість у природних водах. З іншого боку, полігалогеніди, які пов'язані з катіонами металів, є менш стійкими у різних геохімічних середовищах водної міграції. Враховуючи падіння поляризаційного ефекту в ланцюгу J > Br > Cl > F, можна очікувати, що найстійкішими сполуками повинні бути полійодиди, а найменш стійкими - поліфториди.

Високі концентрації брому (до 6-10 і навіть 15 г/дм ³) в підземних водах нафтогазових провінцій є досить надійними гідрогеохімічними індикаторами при прогнозуванні і пошуках родовищ нафти і газу. Зумовлено це тим, що вуглеводневі флюїди асоціюють у надрах з хлоридними розсолами, які вміщують бром, а хлорбромний коефіцієнт (Cl/Br) яких дорівнює від 200-100 до 60-20 [1, 10].

На відміну від пластових розсолів, в районах розповсюдження соленосних порід, концентрації брому у розсолах і водах вилуження є значно нижчими. Вони, як правило, не перевищують значень n-10² мг/дм³, а хлор-бромний коефіцієнт сягає 1000 [1, 5, 10, 12]. Причиною цього, на нашу думку, є особливості кінематики процесів вилуження-розчинення кам'яної та інших солей. Галіт є легкорозчинним мінералом. За температури 10^о С та тиску 760 мм рт. ст. розчинність його в дистильованій воді складає 357,2 мг/дм ³ [2]. При цьому інтенсивність розчинення солі визначається гідродинамічними умовами, що регулюють швидкість переходу молекул галіту в розчин і залежить, перш за все, від напору водяного потоку, що контактує з соляним тілом та від кута нахилу соляного пласта [9]. Чим більшими є ці величини, тим швидкість розчинення солі стає вищою. Вода, досягаючи пласта галіту, рухається у напрямку його падіння поступово змиваючи (розчиняючи) верхні шари мінералу. За малих градієнтів падіння гідравлічного рівня, вода переміщується дуже повільно і, внаслідок тривалої взаємодії з кам'яною сіллю в процесі вилуговування, збагачується йонами Na+ та Cl^-, а також Бг^-, який дуже часто ізоморфно входить до кристалічної решітки галіту. Усе це призводить до формування в зоні контакту насичених розчинів, які утворюють навколо соляних тіл своєрідний "захисний шар". Завдяки цьому агресивні інфільтраційні води, що характеризуються меншою мінералізацією і, відповідно - меншою щільністю, рухаються над розсолами "захисного шару", не вступаючи у взаємодію з соляними породами. За умови стабільності геологічної обстановки та відсутності дії зовнішніх чинників, між водою та галітом встановлюється фазова рівновага, яка захищає сіль від подальшого розчинення. У разі порушення такої природної рівноваги відбувається зміна динамічного режиму природних вод, що омивають соляні відклади. Це призводить до зміни динамічного режиму вод і, як правило, збільшення їх швидкості руху і напору. В результаті "захисний шар" розчину навколо галіту руйнується, що супроводжується процесами розчинення солі [14]. Саме через це аномально високі концентрації брому в підземних водах, формуються переважно на ділянках природного (прояви сучасного тектогенезу й карсту) та штучного порушення фізико-хімічних рівноваг у системі "сіль-вода".

Порові розчини осадових відкладів також часто вміщують бром, який міг зберігатися ще з часів седиментогенезу, навіть попри його високу летючість. Проте концентрації елемента в них є найзначнішими й звичайно не перевищують n-10^-1- n-10 мг/дм ³ [12, 13]. Тому порові розчини навряд чи можуть розглядатися як суттєве джерело надходження брому в підземну гідросферу. Несприятливим для цього є і дуже повільний (мм/рік) капілярний рух порових розчинів, які є реліктами древніх морських вод в осадових породах. Бром, який вміщується в них, при контакті з більш динамічними підземними водами, мобілізується ними й переноситься до зони вільного водообміну. Інтенсивність цього процесу обумовлюється різкістю порушення гідродинамічної рівноваги у глибоких зонах вповільненого і дуже вповільненого водообміну [17]. Важливим фактором вилучення брому з порових розчинів є також процеси катагенезу, які спричиняють дегідратацію осадових мінералів і гірських порід. Так на глибинах 2000-3000 м у геологічних структурах південно-східної частини Дніпровсько-Донецького авлакогену температури сягають 80-100° С (табл. 2).

Таблиця 2. Розподіл температур у породах Шебелинської структури (за В. Осадчим, 1976)

Що стосується глибинних (метаморфогенно-катагенетичних) флюїдів, які розвантажуються по зонах розломів, то для них високі концентрації брому є досить характерною ознакою. Причому як хлоридні натрієві розсоли з мінералізацією до 250-300 мг/дм ³, так і вуглекислі гідрокарбонатні натрієві води з невисокою (до 1-10 г/дм ³) мінералізацією вміщують досить високі концентрації брому (іноді до 1000 і більше мг/дм ³) [4, 17]. Існує гіпотеза про формування у глибинній частині земної кори своєрідної "хлоробромосфери", в якій атоми і йони хлору та брому, що знаходяться у газоподібному вигляді, займають величезні об'єми порово-тріщинного та капілярного простору в гірських породах [3, 4].

Дослідження геохімії брому в підземних водах східної частини Дніпровсько-Донецького авлакогену, з яким пов'язане утворення однойменного артезіанського басейну, вказує на те, що надходження елемента в гідросферу має різні джерела. Бром, фонові значення якого в підземних водах регіону коливаються в межах 1,01,5 мг/дм ³ [14], є одним з таких мікроелементів, що найчастіше зустрічається у водоносних горизонтах різного віку. Його суттєві вмісти визначено в 95 % гідрогеохімічних проб [16]. У межах гідрогеохімічного вивчення глибин палеозойських відкладів (до 2 км) максимальні концентрації брому у підземних водах досягають 100-600 мг/дм³. Найконтрастніші аномалії приурочені до склепінь антиклінальних структур, що контролюються розломами. З ними пов'язані процеси тепломасоперенесення, основним агентом якого у верхній частині літосфери є води глибоких горизонтів палеозою. Збагачені різноманітними хімічними елементами та комплексами, вони обумовлюють формування на різних гіпсометричних рівнях гідрогеологічного розрізу комплексних аномалій, у складі яких бром часто посідає провідне місце. Оскільки аналіз фактичного матеріалу опробування свердловин підтверджує, що концентрації брому в підземних водах закономірно збільшуються з глибиною, це фактично дає позитивну відповідь на питання щодо провідної ролі глибинного джерела насичення гідросфери цим елементом "хлоробромосфери". Саме так, на думку авторів, можна пояснити закономірність розподілу брому в геологічних структурах регіону (табл. 3).

Таблиця 3. Концентрації брому в підземних водах деяких геологічних структур східної частини Дніпровсько-Донецького авлакогену

У зонах глибокого катагенезу на глибинах, що перевищують 3-4, а іноді і 5-7 км, бром знаходиться у хлоридних розсолах у вигляді комплексного аніону BrCl²" [8, 17], який має дуже високу хімічну рухливість [2]. Окрім того, його рухливість збільшується через високу напруженість геотермічного поля, що існує на таких глибинах. Це є однією з основних причин високих вмістів брому у розсолах Дніпровсько- Донецького нафтогазоносного басейну, які знаходяться на глибинах формування вуглеводневих флюїдів. У випадках порушення фізико- хімічної рівноваги у зонах існування бромовмисних розсолів можуть мати місце їх своєрідні "ін'єкції" по розломах у водоносні горизонти та комплекси що залягають вище. Це часто й є основною причиною збагачення їх бромом.

Підземні води та розсоли, в яких формуються найконтрастніші гідрогеохімічні аномалії брому, звичайно характеризуються високою лужністю (рН 7,8-9,0). Нами експериментально встановлено пряму залежність концентрацій елементу від мінералізації, геохімічного типу підземних вод і величини рН середовища міграції (рис. 1 а, б, в).

Води, що найкраще відповідають характеристикам, за яких у них відбувається найактивніша міграція брому, знаходяться у пластових колекторах водоносних порід зон уповільненого та дуже уповільненого водообміну в нафтогазових басейнах, до яких належить і Дніпровсько-Донецький. Вони часто є складовою системи "нафта-газ-вода" і через це наявність брому в розчині може бути надійним пошуковим гідрогеохімічним індикатором скупчень вуглеводнів.

Глибинні джерела надходження брому до підземних вод зони вільного водообміну регіону (200-300м) можна встановити у випадках, коли контрастні гідрогеохімічні аномалії елемента виявляються на флюїдодинамічно активних ділянках зон розломів. На цих ділянках утворюються осередки давнього поліхронного глибинного тепломасоперенесення, з якими пов'язані не лише сучасна гідрогеохімічна і газогеохімічна інверсії, а часто також багатофазова гідротермальна мінералізація та скупчення вуглеводнів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

а)

б)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Концентрації брому в залежності від мінералізації (а), геохімічного типу підземних вод (б) та величини рН (в)

Висновки

1. Серед природних джерел збагачення бромом підземних вод Дніпровсько-Донецького авлакогену можна виділити: розсоли вилуження (розчинення) галогенних товщ; порові розчини осадових порід; пластові води глибоких горизонтів палеозою та ендогенні флюїди. Проте провідну роль у цьому відіграють розсоли галогенних товщ та пластові води глибоких горизонтів палеозою.

2. Найактивнішими формами міграції брому в підземних водах є прості йони брому, а також його комплексні сполуки з галогенами та металами.

3. Гідрогеохімічні аномалії брому, що характеризуються високою контрастністю та великими розмірами, часто утворюються на

ділянках довготривалого тепломасоперенесення, де також формуються зони гідротермальної мінералізації та скупчень вуглеводнів.

4. Бром у регіоні може бути надійним гідрогеохімічним елементом-індикатором зон активізованих глибинних розломів, ділянок гідротермальної мінералізації, а також скупчень нафти і газу.

5. У підземних водах південно-східної частини Дніпровсько-Донецького авлакогену концентрації брому досягають значень, при яких ці води можна застосовувати не лише як бальнеологічні, а й використовувати як гідромінеральну сировину для промислового вилучення елементу.

Література

1. Валяшко, М.Г. Геохимия брома в процессе галогенеза [Текст]/М.Г. Валяшко //Геохимия. - 1956. № 6. - С. 33-48.

2. Гринберг, А.А. Введение в химию комплексных соединений [Текст]/ А.А. Гринберг. - Л.: Химия, 1971. - 632 с.

3. Дерпгольц, В.Ф. Вода во Вселенной (в космосе, на малых телах Солнечной системы, в атмосферах, на поверхности и в недрах планет) [Текст]/В.Ф. Дерпгольц. - Л.: Недра, 1971. - 222 с.

4. Дерпголь, В.Ф. К гипотезе формирования природных растворов [Текст]/ В.Ф. Дерпгольц // ДАН СССР, 1962. - Т. 142, № 6. - С. 1384-1386.

5. Зайцев, И.К. Гидрогеохимия СССР [Текст]/И. К Зайцев. - Л.: Недра, 1968. - 239 с.

6. Геология и нефтегазоносность Днепровско-Донецкой впадины. Нефтегазоносность [Текст]/ Б.П. Кабышев, П.Ф. Шпак, О.Ф. Билык, под общ. ред. П.Ф. Шпака; АН УССР. Ин-т геологических наук. - К.: Наук. думка, 1989. - 204 с.

7. Капченко, Л.Н. О происхождении подземных вод нефтегазовых провинций и формирование их состава [Текст]/Л.Н. Капченко //Гидрогеология нефтегазовых провинций. - К.: Наук, думка, 1982. - С. 66-77.

8. Колодий, В.В. Подземные вод нефтегазоносных провинций и их роль в миграции и аккумуляции нефти (на примере Юга СССР) [Текст]/ В.В. Колодий. - К.: Наук. думка, 1983. - 245 с.

9. Короткевич, Г.В. Соляной карст [Текст]/Г.В. Короткевич. - Л.: Недра, 1970. - 256 с.

10. Крайнов, С.Р. Основы геохимии подземных вод [Текст]/ С.Р. Крайнов, В.М. Швец. - М.: Недра, 1980. - 285 с.

11. Основы геологии. Использование и охрана подземных вод [Текст]/Под ред. Н.А. Марирова, Е.В. Пиннекера. - Новосибирск: Наука, 1983. - 231 с.

12. Попов, В.Г. Особенности распределения и накопления брома в подземных водах Предуралья [Текст]/ В.Г. Попов //Гидрогеохимические материалы, 1985. - Т. 93. - С. 53-63.

13. Сухоребрый, А.А. Кислотно-щелочные свойства и микрокомпонентный состав инфильтрогенных поровых растворов глинистых пород артезианских бассейнов Украины [Текст]/ А.А. Сухоребрый // Геол. Журнал, 2000. - № 1. - С. 41-48.

14. Суярко, В.Г. Геохимия подземных вод восточной части Днепровско-Донецкого авлакогена [Текст]/ В.Г. Суярко. - Харьков: ХНУ имени В.Н. Каразина, 2006. - 225 с.

15. Суярко, В.Г. Гидрогеохимические особенности подземных вод Донбасса [Текст]/ В.Г. Суярко //Геохимия. - 1988. - № 5. - С. 738-747.

16. Суярко, В.Г. Экология подземной гидросферы Донбасс [Текст]/ В.Г. Суярко. - К.: Знание, 1997. - 69 с.

17. Щербаков, А.В. Геохимия термальных вод [Текст]/А.В. Щербаков. -М.: Наука, 1968. - 234 с.

Размещено на Allbest.ru