nznistuНауки о Земле и недропользованиеEarth sciences and subsoil use2686-99932686-7931Federal State Budget Educational Institution of Higher Education "Irkutsk National Research Technical University"10.21285/2686-9993-2021-44-2-159-166nznistu-143Research ArticleСтатьиОсобенности строения и процессы формирования сложнопостроенного гидрогеохимического разреза в Байкальской рифтовой зонеStructural features and formation processes of a complex hydrogeochemical section in the Baikal rift zoneПавловС. Х.PavlovS. Kh.

Павлов Сергей Харитонович, кандидат геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник Лаборатории гидрогеологии

664033, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128

Sergey Kh. Pavlov, Cand. Sci. (Geol. & Mineral.), Senior Researcher of the Hydrogeology Laboratory

128 Lermontov St., Irkutsk 664033

spavlov@crust.irk.ruИнститут земной коры СО РАНРоссияInstitute of the Earth's Crust, Siberian Branch of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202116062021442159166Copyright © Павлов С.Х., 20212021Павлов С.Х.Pavlov S.K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.nznj.ru/jour/article/view/143

Целью данной работы являлось исследование влияния органического вещества на формирование ионно-солевого и газового состава азотно-метановых и метановых термальных вод, распространенных в осадочных породах глубоких горизонтов артезианских бассейнов. Объектом исследования стали Тункинский межгорный артезианский бассейн Байкальской рифтовой зоны и Тунгорское газонефтяное месторождение Охотско-Сахалинского бассейна, где в глубоких горизонтах распространены содовые (инверсионные) низко- и высокоминерализованные подземные воды. Работа основана на синтезе результатов традиционного изучения состава природных растворов и количественного исследования физико-химических взаимодействий в системе «вода – порода», проведенного с помощью программного комплекса «Селектор» по степени протекания гидрогеохимического процесса, которая задавалась величиной отношения порода / вода. При взаимодействии использовались химически чистая вода и порода среднего химического состава. Применение физико-химического моделирования позволило проследить процессы формирования состава термальных вод в осадочных породах в зависимости от степени взаимодействия воды с породой и количества органического вещества. В результате установлено определяющее влияние содержащегося в породе органического вещества на интенсивность протекания гидрогеохимического процесса: величину минерализации, соотношение компонентов и количество образующихся метана, азота и углекислоты. Соответствие состава модельных и природных растворов показало возможность формирования различной степени газонасыщенности как низко-, так и высокоминерализованных гидрокарбонатных натриевых подземных вод в пластовых условиях глубоких горизонтов осадочных бассейнов за счет внутренних резервов системы «вода – порода» без привлечения каких-либо компонентов из внешних источников.

The purpose of the work is to study the effect of organic matter on the formation of ion-salt and gas composition of nitrogen-methane and methane thermal water occurring in the sedimentary rocks of deep horizons of artesian basins. The object of research is the Tunka intermountain artesian basin of the Baikal rift zone and the Tungor gas and oil field of the Okhotsk-Sakhalin basin, in the deep horizons of which soda (inversion) low- and high-mineralized groundwater is common. The study combines the results of the traditional study of the composition of natural solutions and the quantitative research of physical and chemical interactions in the “water – rock” system conducted using the Selector software package according to the degree of the hydrogeochemical process, which was set by the value of the rock/water ratio. Chemically pure water and rocks of medium chemical composition were used in interaction. With the use of physicochemical modeling the formation of thermal water composition in sedimentary rocks depending on the interaction degree between water and rock and the amount of organic matter was unravelled. As a result, it was determined that the organic matter present in the rock has the dominant influence on the intensity of the hydrogeochemical process determining the amount of mineralization, the ratio of components, and the amount of methane, nitrogen, and carbon dioxide produced. The correspondent compositions of the model and natural solutions showed the possibility to form low- and high-mineralized sodium bicarbonate groundwater of different gas-saturation degree in the conditions of deep horizons of sedimentary basins due to the internal reserves of the “water – rock” system not involving any components from external sources.

метановые термытермодинамическое моделированиефизико-химическое взаимодействиесостав модельных и природных растворовmethane hot springsthermodynamic modelingphysicochemical interactioncomposition of model and natural solutionsReferencesШестаков В.М. Учет геологической неоднородности – ключевая проблема гидрогеодинамики // Вестник Московского университета. Геология. 2003. № 1. С. 29–28.Shestakov VM. Account of geological heterogeneity as a major problem of hydrogeodynamics. Vestnik Moskovskogo universiteta. Geologiya. 2003;1:29–28. (In Russ.)Карцев А.А., Абукова Л.А. Нефтегазовая гидрогеология на современном этапе // Известия высших учебных заведений. Нефть и газ. 1998. № 4. С. 12–17.Kartsev AA, Abukova LA. Petroleum hydrology at present stage. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Neft' i gaz = Oil and Gas Studies. 1998;4:12–17. (In Russ.)Плюснин А.М., Замана Л.В., Шварцев С.Л., Токаренко О.Г., Чернявский М.К. Гидрогеохимические особенности состава азотных терм Байкальской рифтовой зоны // Геология и геофизика. 2013. Т. 54. № 5. С. 647–664.Plyusnin AM, Zamana LV, Shvartsev SL, Tokarenko OG, Chernyavskii MK. Hydrogeochemical peculiarities of the composition of nitric thermal waters in the Baikal Rift Zone. Geologiya i geofizika. 2013;54(5):647–664. (In Russ.)Шварцев С.Л., Замана Л.В., Плюснин А.М., Токаренко О.Г. Равновесие азотных терм Байкальской рифтовой зоны с минералами водовмещающих пород как основа для выявления механизмов их формирования // Геохимия. 2015. № 8. С. 720–733. https://doi.org/10.7868/S0016752515060084Shvartsev SL, Zamana LV, Plyusnin AM, Tokarenko OG. Equilibrium of nitric springs of the Baikal rift zone with the minerals of water-bearing rocks as a basis for their formation mechanism identification. Geokhimiya. 2015;8:720–733. https://doi.org/10.7868/S0016752515060084Павлов С.Х., Чудненко К.В., Голубева В.А., Оргильянов А.И., Бадминов П.С., Крюкова И.Г. Геологические факторы и физико-химические процессы формирования подземных вод Тункинской впадины // Геодинамика и тектонофизика. 2018. Т. 9. № 1. С. 221–248. https://doi.org/10.5800/GT-2018-9-1-0346Pavlov SK, Chudnenko KV, Golubev VA, Orgilyanov AI, Badminov PS, Kryukova IG. Geological factors and physicochemical processes of groundwater formation in the Tunka depression. Geodinamika i tektonofizika = Geodynamics & Tectonophysics. 2018;9(1):221–248. (In Russ.) https://doi.org/10.5800/GT-2018-9-1-0346Кавказские минеральные воды / отв. ред. В.В. Иванов. М.: Изд-во ЦНИИКФ, 1972. 158 с.Ivanov VV. Caucasian mineral waters. Moscow: Central Research Institute of Balneology and Physiotherapy; 1972. 158 p. (In Russ.)Лаврушин В.Ю., Лисенков А.Б., Айдаркожина А.С. Генезис Ессентукского месторождения углекислых вод (Северный Кавказ) // Геохимия. 2020. Т. 65. № 1. С. 77–91. https://doi.org/10.31857/S0016752520010082Lavrushin VY, Aidarkozhina AS, Lisenkov AB. Genesis of the Essentuki deposit of carbonate water (North Caucasus). Geokhimiya. 2020;65(1):77–91. (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0016752520010082Абрамов В.Ю., Вавичкин А.Ю. Особенности формирования термогазохимического состава минеральных вод Ессентукского месторождения // Разведка и охрана недр. 2010. № 10. С. 27–32.Abramov VYu, Vavichkin AYu. Formation features of the thermogasochemical composition of mineral water of the Essentuki deposit. Razvedka i okhrana nedr = Prospect and Protection of Mineral Resources. 2010;10:27–32. (In Russ.)Мазилов В.Н., Кашик С.А., Ломоносова Т.К. Олигоценовые отложения Тункинской впадины (Байкальская рифтовая зона) // Геология и геофизика. 1993. Т. 34. № 8. С. 81–87.Mazilov VN, Kashik SA, Lomonosova TK. Oligocene deposits in the Tunka depression (Baikal rift zone). Geologiya i geofizika. 1993;34(8):81–87. (In Russ.)Виноградов А.П. Средние содержания химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры // Геохимия. 1962. № 7. С. 555–571.Vinogradov AP. Average contents of chemical elements in the main types of igneous rocks of the crust. Geokhimiya. 1962;7:555–571. (In Russ.)Ронов А.Б., Ярошевский А.А., Мигдисов А.А. Химическое строение земной коры и геохимический баланс главных элементов. М.: Наука, 1990. 182 с.Ronov AB, Yaroshevskii AA, Migdisov AA. Chemical composition of the Earth’s crust and the geochemical balance of the main elements. Moscow: Nauka; 1990. 182 p. (In Russ.)Логачев Н.А. Кайнозойские континентальные отложения впадин байкальского типа // Известия Академии наук СССР. Серия геологическая. 1958. № 4. С. 18–29.Logachev NA. Cenozoic continental deposits in Baikal type depressions. Izvestiya Akademii nauk SSSR. Seriya geologicheskaya. 1958;4:18–29. (In Russ.)Карпов И.К. Физико-химическое моделирование на ЭВМ в геохимии. Новосибирск: Наука, 1981. 247 с.Karpov IK. Physico-chemical computer modeling in geochemistry. Novosibirsk: Nauka; 1981. 247 p. (In Russ.)Чудненко К.В. Термодинамическое моделирование в геохимии: теория, алгоритмы, программное обеспечение, приложения. Новосибирск: Гео, 2010. 287 с.Chudnenko KV. Thermodynamic modeling in geochemistry: the theory, algorithms, the software, applications. Novosibirsk: Geo; 2010. 287 p. (In Russ.)Киреева Т.А., Всеволожский В.А. Инверсионные гидрокарбонатно-натриевые воды как показатель нефтегазоносности глубоких частей геологического разреза // Глубинная нефть. 2013. Т. 1. № 2. C. 234–245 [Электронный ресурс]. URL: http://journal.deepoil.ru/images/stories/docs/DO-1-2-2013/7_Kireeva-Vsevolozhskiy_1-2-2013.pdf (10.02.2021).Kireeva TA, Vsevolozhsky VA. Contrails sodium bicarbonate-water oil and gas as an indicator of the deeper parts of the geological section. Glubinnaya neft'. 2013;1(2):234–245. Available from: http://journal.deepoil.ru/images/stories/docs/DO-1-2-2013/7_KireevaVsevolozhskiy_1-2-2013.pd [Accessed 10th February 2021]. (In Russ.)Павлов С.Х., Карпов И.К., Чудненко К.В. Диспропорционирование и фракционирование углерода в системе «углерод – вода – газ» // Геохимия. 2006. № 7. С. 797–800.Pavlov SKh, Karpov IK, Chudnenko KV. Carbon disproportionation and fractionation in the “carbon – water – gas” system. Geokhimiya. 2006;7:797–800. (In Russ.)Helgeson H.C., Knox A.M., Owens C.E., Shock E.L. Petroleum, oil field waters, and authigenic mineral assemblages: are they in metastable equilibrium in hydrocarbon reservoirs // Geochimica et Cosmochimica Acta. 1993. Vol. 57. Iss. 14. P. 3295–3339. https://doi.org/10.1016/0016-7037(93)90541-4Helgeson HC, Knox AM, Owens CE, Shock EL. Petroleum, oil field waters, and authigenic mineral assemblages: are they in metastable equilibrium in hydrocarbon reservoirs. Geochimica et Cosmochimica Acta. 1993;57 (14):3295–3339. https://doi.org/10.1016/0016-7037(93)90541-4Karpov I.K., Chudnenko K.V., Kulik D.A. Modeling chemical mass transfer in geochemical processes: thermodynamic relations, conditions of equilibria, and numerical algorithms // American Journal of Science. 1997. Vol. 297. Iss. 8. P. 767–806. https://doi.org/10.2475/ajs.297.8.767Karpov IK, Chudnenko KV, Kulik DA. Modeling chemical mass transfer in geochemical processes: thermodynamic relations, conditions of equilibria, and numerical algorithms. American Journal of Science. 1997;297 (8):767–806. https://doi.org/10.2475/ajs.297.8.767Karpov I.K., Chudnenko K.V., Kulik D.A., Bychinskii V.A. The convex programming minimization of five thermodynamic potentials other than Gibbs energy in geochemical modeling // American Journal of Science. 2002. Vol. 302. Iss. 4. P. 281–311. https://doi.org/10.2475/ajs.302.4.281Karpov IK, Chudnenko KV, Kulik DA, Bychinskii VA. The convex programming minimization of five thermodynamic potentials other than Gibbs energy in geochemical modeling. American Journal of Science. 2002;302(4):281– 311. https://doi.org/10.2475/ajs.302.4.281Palandri J.L., Reed M.H. Reconstruction of in situ composition of sedimentary formation waters // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2001. Vol. 65. Iss. 11. P. 1741– 1767. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(01)00555-5Palandri JL, Reed MH. Reconstruction of in situ composition of sedimentary formation waters. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2001;65(11):1741–1767. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(01)00555-5Plyasunov A.V., Shock E.L. Standard state Gibbs energies of hydration of hydrocarbons at elevated temperatures as evaluated from experimental phase equilibria studies // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2000. Vol. 64. Iss. 16. P. 2811–2833. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(00)00401-4Plyasunov AV, Shock EL. Standard state Gibbs energies of hydration of hydrocarbons at elevated temperatures as evaluated from experimental phase equilibria studies. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2000;64(16):2811–2833. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(00)00401-4Price L.C., DeWitt E. Evidence and characteristics of hydrolytic disproportionation of organic matter during metasomatic processes // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2001. Vol. 65. Iss. 21. P. 3791–3826. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(01)00762-1Price LC, DeWitt E. Evidence and characteristics of hydrolytic disproportionation of organic matter during metasomatic processes. Geochimica et Cosmochimica Acta. 2001;65(21):3791–3826. https://doi.org/10.1016/S0016-7037(01)00762-1Павлов С.Х., Чудненко К.В., Хромов А.В. Моделирование формирования фторидных азотных терм в системе «вода – кристаллическая порода» // Геодинамика и тектонофизика. 2020. Т. 11. № 2. С. 378–396. https://doi.org/10.5800/GT-2020-11-2-0481Pavlov SK, Chudnenko KV, Khromov AV. Modeling the formation of fluoride nitrogen-rich hot springs in the water – crystalline rock system. Geodinamika i tektonofizika = Geodynamics & Tectonophysics. 2020;11(2):378–396. (In Russ.) https://doi.org/10.5800/GT-2020-11-2-0481

The authors declare that there are no conflicts of interest present.