Введение к работе
Актуальность проблемы Геотермальные газы являются составной частью геотермального флюида - водного раствора переменного химического состава и фазового состояния, циркулирующего в нагретых горных породах. Геотермальный флюид не только участвует в рудо- и минералообраэоваши.но и представляет собой специфическое энергоемкое полезное ископаемое, которое раэведуется и эксплуатируется в настоящее время наравне с другими источниками энергетического сырья.Можно отметить, что мощность 5000 мегаватт геотермальных электростанций мира в 1986 году должна была обеспечиваться годовой добычей примерно 3*10 т геотермального пара или около 10 т подземной пароводяной смеси, что сравнимо с современной годовой добычей нефти. Отсюда два основных аспекта изучения геотермальных газов: а) определение физико-химических параметров природных гидротермальных растворов,необходимых для описания процессов минерало- и рудообраэования, таких как окислительно-восстановительная обстановка (f0 , fH ) и парциальные давления (концентрации) со2 и н26> ^ решение Чфикладных задач геохимии геотермальных месторождений - выявление признаков, по которым можно судить о состоянии и функционировании геотермальных систем на стадиях поиска, разведки и эксплуатации геотермальных месторождений.
Существует и Третий общегеохимический аспект изучения геотермальных газов. До сих пор продолжаются острые дискуссии о природе источников газов термальных вод, о механизмах "газового дыхания" Земли, Одним из наиболее активных и масштабных в перераспределении и выносе химических элементов земной коры является гидротермальный процесс, который непосредственно связан я магматическим, осуществляющим через вулканы прямую связь мантии с верхними горизонтами земной хоры, атмосферой и гидросферой. Являются ли и геотермальные системы аппаратами прямого переноса летучих от магматических интрузивных тел к поверхности Земли? Или работа магматизма заключается главным образом в переносе с глубин и аккумулировании тепла, а геотермальные системы совершают аа счет этого тепла работу по перераспределению вещества только тех участков коры, в которых циркулирует геотермальный флюид - субстанция, основную массу которой составляют инфильтрационные воды - метеорные или морские.
Решение первых двух задач стало возможным н необходимым в связи с интенсивным освоением у нас в стране и за рубежом геотермаль-
- г -
ных месторождений. Появились объекты исследования - растворы и газы из геотермальных скважин, пробуренных в высокотемпературные продуктивные зоны, образцы гидротермально измененных пород с точной привязкой температуры и состава гідротермального растворенными словами, появилась возможность изучать гидротермальный процесс in situ ,и эта возможность стала реальной в последние 10-15 лет. Чтобы подойти к решений третьей проблемы до того, как станет возможным сверхглубокое и "сверхтемпературное" бурение, точно также необходимо знать, каким закономерностям подчиняется поведение геотермальных газов. Зто наиболее подвижные компоненты геотермального флюида, и именно они могут иметь источником непосредственно магматический расплав.
Цель и задачи работы Основной целью работы является установление общих закономерностей поведения геотермальных газов в недрах высокотемпературных систем. В соответствии с целью задачи работы можно сформулировать следующим образом.
-
Исследование газового состава растворов, вскрытых скважинами в пределах высокотемпературных геотермальных систем Камчатки. Обобщение данных по газовому составу разбуренных месторождений мира, раз дичащихся по температурам продуктивных зон, геологическим и гидрогеологическим особенностям.
-
Изучение изотопного состава газов геотермальных месторождений Камчатки, обобщение данных по изотопному составу скважинных флюидов геотермальных месторождений мира.
-
Термодинамический анализ возможных равновесий (фазовых, химических, изотопных}, контролирующих концентрации (парциальные давления) основных газовых компонентов и нх изотопный состав в природных гидротермальных условиях. Сопоставление расчетных данных и наблюдаемых температурных зависимостей.
-
Решение прикладных задач геотермальной геохимии - разработка теоретических и методических основ газовой геотермометрии, анализ условий применимости газовых и изотопных геотермометров, исследование возможностей оценки фазового состояния теплоносителя и степени дегазации геотермальных резервуаров по газовому и изотопному составу естественных и скважинных флюидов.
5.Формулировка" концепции формирования геотермальных газов и представлений о роли геотермальных систем в перераспределении мантийного и корового вещества.
Научная новизна работы
Проведено комплексное исследование газового состава природных геотермальных флюидов - растворов из скважин геотермальных месторождений, отличающихся температурами продуктивных зон, геологическими, гидрогеологическими особенностями. Установлены неизвестные ранее закономерности в поведении геотермальных газов, имеющие теоретическое и практическое значение. Показано, что основным фактором, контролирующим парциальные давления СО-,, и?з и На в геотермальных флюидах являются температурно-эависимые химические равновесия флюид - порода, а отклонения от равновесий связаны главным образом с изменениями фазового состояния флюида -глубинным кипением и сопровождающими его процессами дегазации.
На основе проведенного исследования автором, одним из первых в мировой практике, предложены однокомпонентные газовые геотермо-меты для геотермальных систем, обоснована и использована комплексная методика гаэогидрохимического изучения высокотемператур- . Ных геотермальных систем, позволяющая по Р-Т характеристикам объекта опробования и составу пробы оценить ионно-солевой и газовый состав флюида в продуктивной зоне, базовые температуры и фазовое
.состояние флюида.
-Проведено комплексное изотопно-геохимическое исследование Цутиовской геотермальной системы.(Камчатка), на примере которого с привлечением литературных данных по другим месторождениям показаны условия применимости изотопных геотермометров (H2naD ~
"гводат Н2 - н2» со2~ н2> со2- сн4- H2S- Б0<и "г0- so/>-Впервые теоретически обосновано и практически показано на большом числе геотермальных объектов, каким образом изотопный обмен кислорода в системе сульфат-вода может быть использован не только для геотермометрии, но и для геохронологических оценок.
- В результате обобщения фактического материала и теоретичес
ких построений впервые показано принципиальное отличие в поведе
нии вулканических и геотермальных газов. Предложена новая концеп
ция формирования состава геотермальных газов, в которой непосред
ственному магматическому питанию геотермальной системы летучими
компонентами отводится подчиненная роль. Согласно этой концепции,
гидротермальный процесс в геохимическом смысле является существен
но коровым. Формирование ионно-солевого и газового состава геотер
мальных флюидов, мобилизация и перераспределение вещества, за ред-
_q._
ким исключением, происходит в тех участках коры, в которых циркулирует геотермальный флюид, основу которого составляют инфиль-трационные воды - метеорные или морские.
Практическая значимость работы
Результаты работы могут быть использованы в практике освоения геотермальных месторождении на стадиях поиска (газовая и изотопная геотермометрия), разведки (газовая геотермометрия, определение фаЗОВОГО СОСТОЯНИЯ ТеПЛОНОСИТеЛЯ, выявление ЗОН ОСНОВНЫХ 80-
допритоков) и эксплуатации (тепловой и гидродинамический режим эксплуатационных скважин, состояние продуктивных зон).
Температурные функции парциальных давлений газовых компонентов могут представлять интерес для специалистов по рудным гидротермальным месторождениям.
Выявленные закономерности поведения атмогенньпе компонентов и особенностей изотопного обмена в природных системах могут применяться в практике гидрогеологических изысканий.
Методика газогидрохимического опробования геотермальных пароводяных скважин, анализа и обработки данных доведена до конкретных разработок и практически используется при освоении геотермальных месторождений Камчатки.
Фактический материал
В основу работы положены данные, полученные автором или при непосредственном участии автора на разбуренных геотермальных мес торождениях Камчатки, главным образом на Мутновском месторождении парогидротерм. Кроме того, использованы материалы ПГО "Саха-лингеология", Камчатской Гидрогеологической экспедиции, а также многочисленные опубликованные данные отечественных и зарубежных исследователей по разбуренным геотермальным месторождениям мира. Газовые анализы камчатских объектов выполнялись при непосредственном участии или лично автором в Институте вулканологии ДВО АІ СССР. Изотопные анализы проведены в институтах АН СССР ( ГИН, ГЕОХИ, ИВП). Теоретические построения, методические разработки і все расчеты выполнены лично автором.
Апробация работы и реализация полученных результатов
По теме диссертации опубликованы 33 научные работы, в том чиї ле монография. Основные положения работы обсуждались на У и УІ Всесоюзных вулканологических совещаниях (Тбилиси, 1980; Петропа ловск-Камчатский,Т984), на Рабочем совещании по вулканическим
газам в Париже (I960), на Всесоюзном совещании по геохимии углерода (Москва, 1981), на П Всесоюзном совещании "Природные газы Земли и их роль в формировании аемной коры и месторождений полезных ископаемых" (Москва, 1982), на IX, X и XI Всесоюзных симпозиумах по геохимии стабильных изотопов (Москва, 1982, 1984, 1986), на Всесоюзном совещании "Дегазация Земли и геотектоника" (Москва, 1985), на I Всесоюзном симпозиуме ^Термодинамика в геологии" (Суздаль, 1985), на II Всесоюзном симпозиуме " Изотопы в гидросфере" (Каменец-Подольский, 1985), на Юбилейной сессии Института вулканологии (1985), на XI Всесоюзном совещании по подземным водам Сибири и Дальнего Востока (Южно-Сахалинск, 1988),на Ш Совещании по вулканическим газам (Новая Зеландия, 1988),а также на постоянно действующем Московском изотопном семинаре (Г0Щ Москва).
Результаты газогидрохимических исследований, выполненных при участии и под руководством автора в рамках хоздоговорных тем на Мутновском геотермальном месторовдении, переданы на производство в виде трех научно-производственных отчетов и использованы при подсчете запасов и оценках эуеплуатационных характеристик теплоносителя. Методические разработки внедрены в практику освоения Мутновского месторождения. Методы газовой и изотопной геотермометрии, разработанные автором, вошли в совместный с ЛГО "Камчат-геология" отчет и используются при производстве работ по прогнозным оценкам ресурсов термоминеральных вод Камчатки.
Структура и объем работы