Введение к работе
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).
