Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Геолого-тектонические факторы формирования минеральных вод 11
1.1. Зона Главного хребта 11
1.2. Палеозойский этаж Северо-Кавказского краевого массива 15
1.3. Киммерийско-альпийский чехол Северо-Кавказского краевого массива и Скифской плиты 18
Глава 2. Структурная гидрогеология и гидростратиграфия 23
2.1. Гидрогеологическое районирование, типизация гидрогеологических структур и скоплений подземных вод 23
2.2. Гидрогеологическая стратификация 27
Глава 3. Классификация минеральных вод и особенности размещения их геохимических типов 46
3.1. Классификация минеральных вод 46
3.2. Закономерности размещения геохимических типов минеральных вод в гидрогеологических структурах региона 48
Глава 4. Происхождение и источники углекислоты в минеральных водах 83
4.1. Основные положения и состояние проблемы 83
4.2. Генезис С02 в углекислых минеральных водах 88
Глава 5. Формирование ионно-солевого состава минеральных вод 97
5.1. Углекислые воды 98
5.2. Минеральные воды без «специфических» компонентов и свойств 113
5.3. Железистые, железистые борные и мышьяковистые углекислые воды 117
5.4. Иодобромные воды 121
5.5. Кремнистые термальные воды 132
5.6. Радоновые воды 136
Глава 6. Гелиевый метод исследований минеральных вод 139
6.1. Общетеоретические положения 139
6.2. Распределение гелия и его изотопов в минеральных водах в связи с их формированием 142
Заключение 151
Список литературы 154
- Киммерийско-альпийский чехол Северо-Кавказского краевого массива и Скифской плиты
- Закономерности размещения геохимических типов минеральных вод в гидрогеологических структурах региона
- Углекислые воды
- Распределение гелия и его изотопов в минеральных водах в связи с их формированием
Введение к работе
Актуальность работы. Центральный Кавказ и Предкавказье (в пределах территории Карачаево-Черкесской Республики) исключительно богаты различными по ионно-солевому, газовому и микрокомпонентному составу минеральными водами, начиная от холодных, газирующих С02, гидрокарбонатных кальциевых типа «Нарзан» высокогорной зоны, углекислых хлоридно-гидрокарбонатных кальциево-натриевых типа «Арзни» и «Ессентуки» средне-горной зоны и кончая хлоридными натриевыми йодобромными водами предгорной и кремнистыми термами равнинной зон. Однако даже в этом, хорошо обеспеченном минеральными водами регионе, современное использование их пока ещё далеко не соответствует потенциальным возможностям подземной гидросферы. Это относится как к количеству базирующихся на минеральных водах здравниц, так и к числу применяемых в них для лечения геохимических типов минеральных вод.
Ограниченное использование богатых гидроминеральных ресурсов в значительной степени связано с недостаточной изученностью закономерностей размещения и формирования минеральных вод в различных орогенных и платформенных гидрогеологических структурах Кавказа и Предкавказья. Большая часть гидрогеологической и особенно гидрогеохимической информации в области гидроминеральной проблематики была получена до середины 1980-х годов. В последующие десятилетия обследование и геохимическое исследование многочисленных минеральных источников и гидроминеральных участков практически не проводились. Сводки по минеральным водам Карачаево-Черкесской Республики (КЧР) этого периода, вплоть до последнего времени, базировались на устаревшем, ограниченном по объёму материале, далеко не в полной мере отражающем сложные гидрогеологические и гидрогеохимические условия, свойственные различным геологическим структурам региона. В результате слабо изученными оказались весьма ценные йодобромные и полиметаллические воды, некоторые разновидности минеральных вод без «специфических» компонентов и свойств. Вместе с тем остаются дискуссионными целый ряд кардинальных вопросов, касающихся геохимии и происхождения углекислых вод, наиболее ценных в лечебном отношении.
В результате сложившейся ситуации до настоящего времени отсутствует обобщающая работа, отражающая на современном уровне знаний закономерности размещения и формирования различных геохимических и генетических типов минеральных вод в гидрогеологических структурах региона. Совершенно очевидно, что решение этих и ряда других задач, связанных с проблемой поисков, рационального использования и охраны гидроминеральных ресурсов, возможно только на хорошо разработанной научной основе.
Работа выполнена в рамках «Программы геологического изучения недр и воспроизводства минерально-сырьевой базы КЧР» в 2002-2004 гг. по заданию Правительства и Народного Собрания КЧР (Законы КЧР «О республиканском бюджете КЧР на 2002, 2003 и 2004 гг. от 29.12.2001 г. № 57-РЗ, от 17.02.2003 г. № 9-РЗ и от 22.12.2003 г. № 69-РЗ соответственно).
Целью работы явилось выяснение геохимических особенностей, закономерностей размещения и формирования минеральных лечебных вод в гидрогеологических структурах Центрального Кавказа и Предкавказья (в пределах территории Карачаево-Черкесской Республики) в связи с перспективами их использования в народном хозяйстве.
Задачи исследований:
выявление закономерностей размещения минеральных вод;
изучение роли структурно-тектонических факторов в формировании минеральных вод;
составление классификации минеральных вод и выявление их аналогов среди используемых отечественных и зарубежных типов;
выяснение генезиса и источников углекислоты в минеральных водах различных структурно-формационных зон;
анализ процессов формирования химического состава минеральных вод и их происхождения с использованием гелиевых исследований.
Фактический материал и методы исследований. В основу диссертационной работы положены материалы многолетних гидрогеологических работ автора на Кавказе и в Предкавказье, выполненных в связи расширением санаторно-курортной базы республики. Наиболее детальное исследование минеральных вод региона было выполнено в 2002-2005 гг. совместно с научным руководителем профессором В.Г. Поповым. В ходе полевых работ было произведено описание и геохимическое опробование более 200 минеральных источников естественного и искусственного происхождения, часть которых были обнаружены и исследованы впервые. Был использован следующий набор гидрогеохимических показателей, включающих компоненты ионно-солевого (главные макрокомпоненты), газового (СОг, N2, Ог, H2S, Не), микрокомпонентного (J, Br, As, Fe, H2Si03, Н3В03) и изотопного (Н, О, С, Не) состава минеральных вод.
На месте определялись концентрации 02, Fe2+ и Fe3+ (колориметрированием), С02 (объёмным способом), рН и Eh (с помощью иономера «И-102»), гелия (на магниторазрядном индикаторе «ИНГЕМ-1»). Стационарные химико-аналитические исследования выполнены в аккредитованных испытательных лабораториях ГН1111 «Гидрогеоэкология» (г. Черкесск) и филиале ФГУ «Пятигорский центр стандартизации и метрологии» (г. Ессентуки). В работе также широко использованы литературные и фондовые материалы по геологии, тектонике, геофизике, гидрогеологии, изотопии и гидрогеохимии. Использованы результаты более 800 химических анализов ионно-солевого, микрокомпонентного и газового состава подземных вод, включая 250 проб, отобранных автором.
Личный вклад автора определяется его участием в полевых, лабораторных и камеральных исследованиях. Для обработки информации, её систематизации и обобщения широко использовались математические методы и компьютерные технологии. Все материалы исследований, положенные в основу диссертации, обработаны лично автором. Все научные обобщения, заключения, расчёты, классификации и графические построения выполнены лично автором.
Рисунки, схемы, карты, таблицы, представленные в тексте без библиографических указаний, составлены диссертантом лично.
Научная новизна:
впервые для исследуемого региона на базе современных гидрогеохимических и газогидрогеохимических исследований составлена детальная классификация минеральных вод;
установлено, что распределение отдельных лечебных групп и типов минеральных вод неравномерное, что связано с участием в их формировании комплекса ландшафтно-климатических, геолого-тектонических, гидрогеологических и физико-химических факторов в различных структурно-формационных зонах региона;
уточнены источники и происхождение углекислоты, определена её роль в формировании различных геохимических типов минеральных вод;
выполнен анализ процессов формирования химического состава минеральных вод в сложных гетерогенных литолого-гидрогеохимических системах «вода-порода-газ-ОВ» в рамках трёх дифференцированных направлений -содового, сульфатнонатриевого и хлоркальциевого;
впервые с использованием гелиевого метода в общем комплексе гидрогеохимических исследований произведена типизация минеральных вод по условиям формирования, определена глубинность питающих источники углекислых струй и установлен их генезис.
Защищаемые положения:
1. На базе новых гидрогеохимических данных составлена детальная классификация минеральных вод,
включающая 6 бальнеологических групп и 46 типов, часть которых в регионе выявлена впервые [7, 9, 12].
Углекислота в минеральных водах большей части региона образуется в протерозой-палеозойском кристаллическом фундаменте и имеет метаморфогенное происхождение, а в гидрогеологических массивах Приэльбрусья -магматогенно-ювенильное [1, 2, 5, 10, 14].
Формирование химического состава минеральных вод реализуется по трём направлениям: 1) содовому - «метеогенные воды-СОг-магматические, метаморфические, осадочные алюмосиликатные породы» (ГМи и ГМм) 2) сульфатно натриевому - «метеогенные воды-С02-гипсоносные осадочные породы» (АБ) и 3) хлоркальциевому -«талассогенные воды-метеогенные воды-С02-осадочные породы» (ААБ и АБ) [3, 4, 6, 7, 8, 11, 15, 16, 17].
Гелиевыми исследованиями доказан инфильтрационный генезис углекислых вод, неглубокое залегание «корней» углекислых струй, питающих источники в пределах ГМ, местные источники поступления СОг в осадочный чехол АБ [1, 10, 13].
Практическая значимость работы и реализация её результатов.
Детализированы известные и выявлены новые закономерности распространения и формирования минеральных вод, что позволит на научной основе более эффективно решать вопросы их поисков и разведки (с учётом конкретных бальнеологических типов и запасов месторождений минеральных вод), а также их охраны. Результаты исследований использованы Министерством строительства, энергетики и жилищно-коммунального хозяйства КЧР при разработке «Схемы территориального планирования Карачаево-Черкесской Республики» (2008 г.).
Апробация работы и публикации. По теме диссертации опубликованы 17 статей, в том числе 3 статьи в изданиях, включённых в перечень ВАК. По заданию Правительства КЧР выполнена и внедрена НИР: «Анализ закономерностей размещения и формирования минеральных вод Карачаево-Черкесской Республики с целью расширения санаторно-курортной базы республики и планирования поисковых работ» (Гос. per. № 77-02-1/1).
Основные результаты и положения работы докладывались на международных и региональных конференциях в г.г. Пермь (2000, 2009), Москва (2003), Томск (2004), Новочеркасск (2001, 2003, 2004, 2006, 2009, 2010), Астрахань (2009, 2010, 2011), Махачкала (2009).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и библиографического списка, включающего 88 наименований. Работа изложена на 162 стр. машинописного текста, включая 54 рисунка и 21 таблицу.
Работа выполнена на кафедре геоэкологии, гидрогеологии и инженерной геологии ЮРГТУ (НПИ) под научным руководством профессора Попова В.Г., которому автор выражает глубокую благодарность. При выполнении полевых исследований большую помощь автору оказали профессор А.С-У. Тамбиев, генеральный директор ОАО «Гидрогеоэкология» З.Х. Тамбиев. Автор признателен также коллегам по работе к.г.-м.н. Ю.В. Карнауху, СП. Чернову, В.Л. Омельченко, М.Р. Ураскулову, СЮ. Липченко, О.М. Кудашовой.
Киммерийско-альпийский чехол Северо-Кавказского краевого массива и Скифской плиты
Породы киммерийского комплекса выполняют Лабино-Малкинскую структурно-формационную зону, ранее называемую Северо-Юрской депрессией. Разрезы нижней-средней юры в восточной и западной её частях существенно различаются. При общем терригенном (аргиллит-алевролит-псаммитовом) составе восточнее р. Кубань осадочные породы характеризуются угленосностью (хумаринская свита), присутствием вулканитов среднего состава (шоан-ская свита) и продуктов их размыва (муздухская свита), а также оолитовых железняков (джигиатская свита). Мощность осадков здесь более 3500 м. Западнее р. Кубань в основании лейаса залегают оолитовые железняки, железистые ракушечники и известняки (бугунжинская свита). Вышележащие отложения представлены в нижней части в основном песчаниками (нижняя часть псебай-ской свиты), перекрытыми алевролит-аргиллитовыми осадками (псебайская и джангурская свиты) мощностью более 2200 м.
Альпийский комплекс залегает на территории СКМ и Скифской плиты, разграниченных крупным Черкесским глубинным разломом (см. рис. 1). В нем выделяются келловей-титонский, меловой-эоценовый и олигоцен-нижнемиоценовый талассогенные подкомплексы и эоплейстоцен-голоценовый континентальный подкомплексы слагающих Скалистый и Пастбищный хребты. В основании келловея-мальма залегают конгломераты, песчаники, алевролиты, известняки (каменномостская свита) мощностью до 30-50 м. Выше расположена герпегемская свита (гравелиты, конгломераты, известняки, доломиты) мощностью менее 200 м. Она в свою очередь перекрыта мезмайской свитой (титон), представленной пестроцветными аргиллитами, глинами, гипсами, ангидритами мощностью менее 420 м. Разрез мальма венчает матламская свита, состоящая из известняков, доломитов с прослоями мергелей и аргиллитов мощностью менее 150 м.
Вышележащие меловые отложения образовались в одной фациальной зоне Пастбищного хребта. Берриас-барремская часть их представлена сначала баксанской и ходокопской свитами: известняками, конгломератами, песчаниками, алевролитами мощностью менее 200 м. На них залегают песчаники, алевролиты, аргиллиты с прослоями известняков (жанхотекская и кичмалкинская свиты мощностью более 500 м). Остальная часть разреза нижнего мела (ша-гиртская и абрекская свиты) сложена песками, песчаниками, алевролитами, глинами со стяжениями пирита мощностью 150-500 м. Верхнемеловые отложения в нижней части (турон-коньяк) представлены известняками, мергелями, песчаниками и известняками (джинальская-джегутинская свиты). Мощность их до 350 м. Верхняя часть разреза верхнего мела (40-500 м) сложена преимущественно карбонатными породами, относящимися к зольской и заюковской свитам.
Морские условия осадконакопления, свойственные позднему мелу, продолжались и в палеоцене-эоцене. К нижнему палеоцену (даний-низы танета) относится эльбурганская свита, сложенная преимущественно терригенными осадками мощностью 16-185 м. На ней в западной части региона залегает свита Горячего ключа мощностью 140-220 м. Восточнее реки Кубань её аналогом является карапагинская свита (глины, алевролиты, песчаники) мощностью 100— 230 м. Остальная часть разреза палеоцена-эоцена сложена аргиллитами, мергелями, алевролитами и известняками (абазинская и белоглинская свиты) мощностью 150-400 м.
Олигоцен-нижнемиоценовый подкомплекс (рюпель-коцахур) представлен майкопской серией (хадумская-рицевская свиты) мощностью более 1400 м. В составе её преобладают серые глины с прослоями песчаников, мергелей, сидеритов, доломитов, алевролитов.
Тархан-сарматский интервал кайнозоя включает 6 стратиграфических подразделений - от яманджалгинской толщи до старомарьевской свиты миоцена. Здесь развиты переслаивающиеся песчаники, пески, мергели, глины мощностью 285-780 м.
Породы, слагающие киммерийско-альпийский чехол СККМ и Скифской плиты залегают моноклинально с падением на северо-восток под углом менее 5-15. Тектонические движения по плоскости Черкесского разлома привели к локальному нарушению моноклинального залегания мезозоя-кайнозоя Скифской плиты в северном крыле этого нарушения. Вследствие этого здесь сформировалась малоамплитудная антиклиналь, сопряженная южнее с аналогичной синклиналью. Эоплейстоцен-голоценовые осадки сложены представлены континентальными фациями: аллювиальными, делювиальными и др. В этот же период окончательно сформировался и Эльбрусско-Казбекский вулканический комплекс, представленный дацитами, андезитами, туфами и др. Он отличается сильной тектонической нарушенностью: к системам продольных (субширотных) и поперечных (субмеридиональных) нарушений приурочены многочисленные экзгаляции СОг.
Кристаллический субстрат Скифской плиты, расположенной севернее Черкесского разлома, вскрыт скважинами на глубине менее 1500-2000 м. Самым древним в нём является метаморфический комплекс, представленный кристаллическими сланцами, гранитами, гнейсами, амфиболитами и кварцитами протерозоя. Он перекрыт нижне-среднекаменноугольной углисто-глинисто-сланцевой толщей мощностью до 60 м. Выше залегают нижнетриасовые отложения фроловской толщи, сложенной метаморфизованными терригенными отложениями мощностью менее 1000 м.
Гнейсово-кристаллосланцевые и нижне-среднекаменноугольные образования прорваны позднепалеозойскими гранитоидами малкинского комплекса. Севернее Черкесского разлома размеры и количество интрузий уменьшаются; здесь доминирующее положение занимают протерозойские образования.
Фундамент СККМ и Скифской плиты разбит на блоки многочисленными разломами, служащими путями внедрения углекислых газово-жидких флюидов в мезозойско-кайнозойский осадочный чехол.
Киммерийские инъективные образования. К этой группе пород относится маринский нижнеюрский вулкано-плутонический и джалпакский трахи-сиенитовый комплексы.
Маринский комплеск развит в Лабино-Малкинской зоне. Эффузивная часть его представлена плинсбахской шоанской свитой. Субвулканические и гипабиссальные тела занимают обширную площадь ( 100 км2). Здесь преобладают микрогранит-порфиры, микрогранные порфиры, микрогранодиорит-порфиры. Джалпакский комплекс образует силлы, лакколиты, штоки, сложенные преимущественно трахисиенитами (кварцевыми сиенитами), а также трахирио-литами. Их немногочисленные тела распространены в Даут-Кольтюбинском междуречье.
С конца байоса на Северном Кавказе в магматической деятельности наступает длительное затишье, прерываемое кратковременной активностью в меловой период, которая проявилась на сопредельных с изучаемой территориях в зоне Главного хребта Восточного Кавказа и в Западном Предкавказье.
Заключительная активизация магматизма произошла в плиоцен-четвертичное время, когда в пределах исследуемой территории сформировался эльбрусско-казбекский комплекс. Он объединяет вулканиты и связанные с ними субвулканические и гипабиссальные интрузивы, включает игнимбриты, лавы и туфы липаритов, липарито-дацитов и дацитов. По химическому составу они являются известково-щелочными, калиево-натриевыми. Время формирования комплекса охватывает интервал от акчагыла до голоцена.
Закономерности размещения геохимических типов минеральных вод в гидрогеологических структурах региона
Углекислые воды. Лечебное значение углекислых вод определяется наличием в них растворенной СОг ( 0,5-1,0 г/л), которая в газовом составе вод играет ведущую роль (обычно 95 %), а также их ионно-солевым составом и величиной минерализации. Группа углекислых вод занимает доминирующее положение как по числу относящихся к ней типов, так и по распространенности в регионе.
В первую очередь это связано с кайнозойскими процессами тектоно-магматической деятельности, которые привели к образованию в пределах Кавказа и Предкавказья молодых геологических структур, благоприятных для формирования углекислых минеральных вод. Второй не менее важный фактор, контролирующий формирование и размещение углекислых вод, - это наличие тектонически раздробленного протерозойско-палеозойского кристаллического фундамента, в котором происходит генерация термометаморфической СО2.
Локализация углекислых вод происходит в зонах молодых или омоложенных разрывных нарушений фундамента и перекрывающего его чехла, являющихся каналами миграции углекислых газово-жидких флюидов. Геохимический облик вод определяется минеральным составом водовмещающих пород в их взаимодействии с СОг По химическому составу углекислые воды преимущественно хлоридно-гидрокарбонатные и гидрокарбонатные, реже сульфатно-гидрокарбонатные, хлоридно-сульфатно-гидрокарбонатные, иногда хлоридные и сульфатные. Они распространены практически повсеместно, исключая область глубокого погружения фундамента на севере региона (рис. 3, табл. 3).
Глубина формирования и дальность субвертикального перемещения углекислых вод, как правило, 200-300 м, вследствие чего они обычно отличаются низкой Т (3-12 С). Однако, известны случаи, когда по крупным тектоническим трещинам инфильтрационные воды поступают на существенно большие глубины, где обогащаются СОг, а затем с помощью восходящей миграции выводятся в приповерхностную зону. В подобной ситуации разгружающиеся в виде источников углекислые минеральные воды имеют более- высокую Т и специфический геохимический облик (повышенная концентрация хлоридов). Скважины вскрывают углекислые воды на глубине от первых десятков до 480 м с Г 8-16 С, что несколько выше, чем Г источников; минерализация обычно составляет 1-9, иногда до 18-30 г/л, рН 5,5-7,5, Eh +45...+350 мВ. Часто в минеральных водах присутствуют Fe, H2Si03, Н3ВО3, иногда бром и йод.
Воды гидрокарбонатного класса приурочены: к докембрийским и палеозойским сильно метаморфизованным и дислоцированным кристаллическим сланцам, амфиболитам и гранитам ГХ; глинистым сланцам и андезитовым порфирам позднего палеозоя ПХ; песчаникам, алевролитам, аргиллитам плин-сбахского яруса ранней юры СЮД и песчаникам, аргиллитам, известнякам и алевролитам юры СКМ. Воды имеют невысокую минерализацию (1-3 г/л), содержание С02 0,5 ,4 г/л, рН 5,7-7,2, Г 5,6-12,0 С. Катионный состав отличается разнообразием, но наиболее широкое распространение имеют магниево-кальциевый и натриево-кальциевый (кальциево-натриевый), реже натриевый и трехкомпонентный подклассы. Кальциево-натриевые (натриево-кальциевые) воды распространены только в зоне Главного хребта, натриевые - в Северо-Юрской депрессии и Северо-Кавказской моноклинали, магниево-кальциевые и пестрого катионного состава воды - в пределах всех структур.
Концентрация биологически активных микрокомпонентов в водах гидрокарбонатного класса низкое (мг/л): Fe - 0,3-18,0, Br- 0,4-1,5, J- 0,1-0,4.
Хлоридно-гадрокарбонатный (гидрокарбонатно-хлоридный) класс углекислых вод представляет не только в геохимический интерес, но и большую лечебную ценность. В них преобладающими катионами являются натрий, кальций-натрий, реже магний-кальций-натрий. Скопления гидрокарбонатно-хлоридных натриевых (кальциево-натриевых) трещинно-жильных вод приурочены к кристаллическим образованиям (гранитам, порфиритам, гнейсам, сланцам) палеозоя и протерозоя Главного и Передового хребтов, а также юры межгорных депрессий. Минерализация вод 1,3-8,6 г/л, содержание - С02 0,9-3,9 г/л, рН - 5,7-7,5, Eh +36...+350 мВ, Т - 3,5-22,0 С (источники Магомет-Нарзан, Кичи-Кол, Сентинский Нарзан-1, Тохтар-Нарзан, воды Домбайского, Тебердинского месторождений и др.).
Гидрокарбонатно-хлоридные кальциево-натриевые и натриевые воды установлены также и в осадочных песчано-глинистых породах юрского возраста, развитых в пределах Северо-Кавказской моноклинали и Северо-Юрской депрессии. Здесь их термогеохимические параметры следующие: минерализация - 3,3-8,6 г/л, С02 - 1,3-2,2 г/л, рН - 6,7-7,2, Т -14-16 С. Эти воды имеют широкое распространение и являются аналогами известных типов минеральных вод, используемых как в России, так и за рубежом.
В натриевых водах попеременно преобладают NaCl (22-75 %) и NaHC03 (6-70 %). Остальные соли имеют подчиненное значение (%): Са(НСОз)г и Mg(HC03)2 менее 19, Na2S04 менее 3. Недалеко от станицы Красногорская скважиной 496 с глубины 5-23 м из песчано-глинистой толщи аалена выведены воды, являющиеся близким аналогом Арзнинского типа (Армения):
Это близкий аналог воды типа Казбеги в Грузии.
Хлоридно-гидрокарбонатные магниево-кальциево-натриевые воды распространены в зоне Главного хребта и Северо-Кавказской моноклинали. Они отличаются невысокой минерализацией (1,1-2,9 г/л) и Г 4,2-8,1 С; рН 5,6-6,9. Содержание С02 составляет 1,5-1,7 г/л, Fe 16, H2Si03 40 мг/л. Солевой состав вод представлен в следующем виде (%): NaCl и Са(НС03)2 - 22-37, Mg(HC03)2 - 21-26, NaHC03 - 11-20 и Na2S04 3. Представителем их является источник из юрских андезитовых порфиритов вблизи аула Учкекен, являющийся близким аналогом воды типа Личк (Армения):
Гидрокарбонатно-хлоридные магниево-кальциево-натриевые воды распространены только в зоне Северо-Юрской депрессии и Северо-Кавказской моноклинали. Они вскрываются скважинами на глубине 66-207 м в терриген-ных осадках нижней-средней юры и киммеридж-титона верхней юры и подстилающих гранитах палеозойского фундамента. Воды среднеминерализованные (3,4-7,2 г/л) с содержанием С02 1,6-2,7 г/л, рН 6,4-7,2, Т13-16 С.
Сульфатно-гидрокарбонатные и гидрокарбонатно-сулъфатные углекислые воды принадлежат в основном к магниево-кальциевому подклассу. Натриевые, кальциевые и магниево-кальциево-натриевые воды редки. Они встречены только в зоне СКМ, где связаны с карбонатно-терригенными отложениям юры на глубине 32-202 м. Минерализация их 0,9-2,8 г/л, рН 5,9-7,8, Т 8-16 С, содержание СОг 0,5-1,9, редко до 3,9 г/л. Среди солей доминирует Са(НСОз)г (32-65 %), далее следуют CaS04 (5-38), MgS04 (16-33), Na2S04 (4-9) и NaCl ( 3 %). На Южном участке Кумского месторождения скважиной с глубины 22-202 м из верхнеюрских пестроцветных отложений выведены воды, являющиеся близким аналогом Кисловодского Нарзана и Балатонфюред (Венгрия):
Воды сулъфатно-гидрокарбонатно-хлоридного класса также имеет очаговое распространение. Они обнаружены в зоне СКМ, которые приурочены в основном верхнеюрским отложениям. На Северном участке Кумского месторождения скважина вывела воду следующего химического состава:
Среди катионов обычно преобладают натрий и кальций и лишь в отдельных случаях к числу главных ионов относится и магний. Воды вскрыты на глубине 8,3-295,0 м в карбонатно-терригенных отложениях юры-верхнего мела, слагающих чехол Северо-Кавказской моноклинали. Минерализация вод обычно менее 2,1, редко достигает 4,8 г/л, С02 - 0,9-2,2 г/л, рН - 6,2-7,4, Т- 10-14 С.
Сульфатный тип углекислых вод представлен натриевым подклассом. В природе такие воды встречаются редко [41]. Сульфатные натриевые источники с минерализацией 3,8 г/л, содержанием С02 1,2 г/л впервые были обнаружены нами в зоне Передового хребта. Дебит их — 3,0-4,1 л/с, Г—15 С. Среди солей на долю Na2S04 приходится 92 % (3,5 г/л). Так, источник в долине р. Тохана имеет состав: H,Si0312,5 СОЛ210 M3,8S498HCQ3lC11pH5,5, Л5 . 232 Na92 Са4 Mg4
Углекислые воды хлоридного натриевого типа установлены в Северо-Юрском ААБ и краевой части Предкавказского АБ (Северо-Кавказская моноклиналь) на глубине 200 м и более в песчано-глинистых породах нижней юры. Они отличаются более высокой минерализацией (9,8-25,5 г/л); рН — 6,3-7,3, Т- 9-16 С. Содержание С02 - 1,2-3,4 г/л, Вг 20, J 1,1 мг/л. В солевом составе помимо доминирующего NaCl обнаруживаются MgCl2 и СаС12. Величина коэффициента метаморфизации rNa/rCl составляет 0,85-0,90. Иллюстрацией служит вода, вскрытая скважиной в юрских отложениях в пос. Новый Карачай
Углекислые воды
Зоне выветривания кристаллических пород, имеющей региональное распространение в ГМи и ГМм, свойственны кислородно-азотные (Ог 10 мг/л) пресные (минерализация 0,1-0,2 г/л) гидрокарбонатные, сульфатно-гидрокарбонатные кальциевые, магниево-кальциевые, иногда натриево-кальциевые холодные (Г 4-10 С) регионально-трещинные воды, имеющие околонейтральную и слабощелочную реакцию среды (рН 6,9-8,1), высокие значения окислительно-восстановительного потенциала (Eh +300...+450 мВ). Содержание хлора в них низкое ( 5-10 %), а концентрация биохимической и ат-могенной СОг обычно 20—30 мг/л. Иногда она повышается до 100-150 мг/л, что объясняется гидравлической связью зоны выветривания с локально-трещинными зонами разломов, по которым происходит восходящая разгрузка углекислых вод.
Геохимические особенности углекислых локально-трещинных вод зон разломов кристаллических пород ГМ в значительной степени определяются глубиной заложения разрывных нарушений. Обычно она 200-300 м, что подтверждается близкими к атмосферной концентрациями водорастворенного гелия (2-5)х10"5мл/л). Формирование локально-трещинных вод может быть представлено следующим образом: метеогенные воды через зону выветривания (активной трещиноватости) проникают по тектоническим трещинам в тело ГМ, где приобретают повышенную Г, напорный характер, насыщаются агрессивной СОг, выщелачивают алюмосиликатные минералы, насыщаются карбонатными солями, в известных случаях обогащаются микроэлементами (Fe, As и др.) в результате чего становятся углекислыми минеральными водами.
Флюидопроницаемые разломы в гидрогеологическом отношении играют двоякую роль: 1) дренажных систем, по которым осуществляется миграция на глубину пресных инфильтрогенных вод и 2) каналов, выводящих на поверхность в разной степени «глубинных» углекислых вод. В первом случае, характерном для хребтов и их склонов, нисходящее движение вод обеспечивается более высоким положением уровня трещинно-грунтовых вод зоны выветривания относительно уровня трещинно-жильных вод в зонах разломов. Во втором случае, свойственном долинам рек, разгрузка напорных углекислых вод происходит, когда пьезометрический уровень вод приразломной зоны устанавливается выше поверхности земли.
В осадочном чехле Северо-Юрского ААБ и Предкавказского АБ углекислые воды формируются в морских карбонатно-терригенных комплексах юры в результате поступления из кристаллического фундамента по зонам разломов метаморфогенной СОг- Следствием этих процессов является образование крупных месторождений углекислых минеральных вод: Кумского, Верхне-Подкумского, Красногорского, Важненского, региона КМВ и др. Естественные выходы углекислых вод здесь редки (Хасаутские, Маринские, и др. источники).
В гидрогеологических массивах, сложенных интрузивными и метаморфическими породами, а также артезианских структурах, выполненных терри-генными породами, углекислые воды имеют разнообразный химический состав. Преобладают хлоридно-гидрокарбонатные (гидрокарбонатно-хлоридные) и гидрокарбонатные воды, в катионном составе которых преобладают натрий и кальций. Реже встречаются воды сульфатно-гидрокарбонатные магниево-кальциевые и сложного (шестикомпонентного) состава (см. табл. 3). Исключительно редко обнаруживаются сульфатные воды. Каждый из этих геохимических типов имеет свои особенности, заключающиеся в различной минерализации, концентрации главных ионов, Т, величине рН и Eh и др. Преобладают воды типа I (содового). К типу II (сульфатнонатриевому) относятся сульфатно-гидрокарбонатные воды, имеющие ограниченное распространение в терриген-ных юрских породах Кумского и Верхне-Подкумского месторождений.
Минерализация вод источников и скважин глубиной 60—399 м составляет 1-9 г/л (среднее 3,0), содержание С02 720-4400 мг/л (среднее 1673), 02 1 мг/л.
Наибольший вклад в формирование минерализации вносят гидрокарбонатный, натриевый и хлоридный ионы (соответственно 1,4, 0,5 и 0,48 г/л), что в сумме составляет 2,4 г/л, т.е. 80 % величины минерализации (табл. 9). За ними следуют кальциевый (0,27 г/л) и сульфатный (0,26 г/л) ионы. Магний занимает последнее место (0,08 г/л). Минерализация и концентрации главных ионов, судя по величине S и S, имеют и наибольшую дисперсию относительно среднего содержания. Наиболее сильную изменчивость Sr (123 %) имеет сульфатный ион, занимающий подчиненную роль в формировании ионно-солевого состава. Поведение всех ионов не отвечает нормальному закону распределения (ZA и ZE 3) и ближе всего к логнормальному.
В интрузивных и метаморфических породах Главного, Передового хребтов и Лабино-Малкинской зоны (кристаллические сланцы, гнейсы, граниты, андезиты, порфириты, дациты, кварциты, порфириты, диориты, амфиболиты и др.), а также в осадочных терригенных породах Северо-Юрской депрессии и Северо-Кавказской моноклинали поступление в подземные воды карбонатных солей связано в основном с гидролитическими процессами в алюмосиликатных и силикатных породах. В осадочных породах дополнительным источником их является углекислотное конгруэнтное выщелачивание известняков и доломитов, карбонатного цемента терригенных пород и, не исключено, катионный обмен между гидрокарбонатными щелочноземельными водами и натрием поглощенного комплекса пород:
Са(НС03)2 (вода) +2Na+ (ПК) о 2NaHC03+ Са2+ (ПК).
Гидролиз алюмосиликатов и силикатов протекает при активном участии С02, представляя собой углекислотное выщелачивание. Оно заключается в замещении щелочных и щелочноземельных металлов в кристаллической решетке минералов ионами НҐ, как имеющими наименьшие размеры. При этом главным источником КҐ является диссоциация Н2СОз и частично самой НгО. В результате, в зависимости от состава силикатного вещества, из пород в раствор будут поступать Na+ из альбита (NaAlSi308), кальций из анортита (CaAbSiaOg), калий из ортоклаза (КАІБізОв) и магний из оливина (Mg2Si04). Генетически связанные с ними ионы НСОз , СОз2 и НҐ образуются из НгО и СОг преимущественно термометаморфического происхождения:
С02 + Н20 - Н2С03 о НҐ + НСОз о 2ЬҐ + С032 .
Эти ионы находятся между собой и угольной кислотой в тесной взаимосвязи, образуя карбонатную систему химического равновесия. Соотношения форм карбонатного равновесия определяют величину рН подземных вод. Поэтому между величиной рН и концентрацией С02 наблюдается сильная отрицательная по знаку связь (г -0,65; рис. 15). Это означает, что с ростом содержания С02 увеличивается концентрации иона Н . Одновременно в водах увеличивается и концентрация иона НСОз- (рис. 16).
Углекислые воды исследуемого региона имеют величину рН 5,5-7,5, обычно 6,0-6,5. В слабокислой среде (рН 5,7-6,5) среде в воде преобладают Н2СОз+С02 (50-77 %), а в околонейтральной (рН 6,5-6,9) - ионы НСОэ" (50-75 %). Ионы СОз появляются в значимых количествах при величине рН 9, а гидрокарбонатные исчезают при рН 5. Такие экстремальные кислотно-щелочные условия не характерны для углекислых вод Центрального Кавказа.
С породами, содержащими в своем составе натриевые (кислые) алюмосиликаты, связаны углекислые гидрокарбонатные кальциево-натриевые и натриевые воды, образующиеся в результате следующей реакции
Как видно, эти воды относятся к хорошо выраженному содовому типу: в солевом составе их преобладает NaHC03 (36-41 %), примерно такое же количество приходится на Са(НС03)2 и Mg(HC03)2 (в сумме 34-37 %) и несколько меньше на NaCl (21-29 %).
Чистые содовые (гидрокарбонатные натриевые) углекислые воды, как указывалось (см. главу 3), встречаются редко. Минерализация их обычно 2 г/л. В солевом составе вод кроме NaHC03 (64-82 %), присутствуют NaCl и Na2S04( 18 %), Са(НС03)2 и Mg(HC03)2 ( 6-8 %)6.
В результате углекислотного выветривания полевошпатовых пород, в минеральном составе которых присутствуют кальциевые (основные) алюмосиликаты, в раствор поступают гидрокарбонаты кальция:
2CaAl2Si208 (анортит) + 4С02 + 6Н20- - 2Al2Si205(OH)4 (каолинит) + 2Са2+ + 4HCOf .
Минерализация углекислых гидрокарбонатных магниево-кальциевых и натриево-кальциевых вод 2 г/л. Содержание в них бикарбонатов кальция и магния достигает 80-90 %.
Распределение гелия и его изотопов в минеральных водах в связи с их формированием
Как указывалось, исследование изотопного состава водорода и кислорода в минеральных водах Главного и Передового хребтов показало, что их растворитель имеет инфильтрационное происхождение: практически все фигуративные точки нарзанов находятся на линии метеогенных вод Крейга [53]. Геохимическое состояние вод определяется главным образом кинетикой гидролитических процессов в силикатных породах, в результате которых в раствор поступают гидрокарбонаты кальция, магния и натрия. Источником хлоридов в водах магматических пород, подвергающихся углекислотному выветриванию, являются Cl-содержащие минералы содалит и хлорапатит, жидкие включения, а также рассеянный хлор, входящий в кристаллическую решетку минералов [74]. Природа С02 в подземных водах и газах Приэльрусья, судя по всему, преимущественно магматогенная (вулканогенно-метаморфогенная, мантийная). Присутствие метаморфогенной составляющей (за счёт контактового метаморфизма) в водах подтверждается изотопным составом спонтанной СОг: величина 8ІЗС в них изменяется от -8 до -4 %о.
В Северо-Юрском ААБ и Предкавказском АБ углекислые воды формируются в морских терригенно-карбонатных комплексах мезозоя, залегающих на палеозойском кристаллическом фундаменте, который является источником ме-таморфогенной СОг, внедряющейся по зонам разломов в осадочный чехол. В результате в нем образуются крупные месторождения углекислых минеральных: Кумское, Верхне-Подкумское, Красногорское, Важненское, района КМВ и др. Образование СОг за счёт процессов регионального термометаморфизма («мокрого» термолиза карбонатных пород) подтверждается изотопными опре-делениями С: основная их масса находится в области 5 С от -4 до 0 %о [84].
Талассогенная составляющая появляется в смешанных инфильтрогенно-седиментогенных соленых водах и слабых хлоридных рассолах артезианских структур, что отражается не только на их общим ионно-солевом составе, но и на утяжелении (относительно инфильтрогенных вод) изотопного состава водорода. Подземные воды краевой части Скифской плиты (район г. Черкесска) имеют седиментогенно-эпигенетическую природу. Они представляют собой продукт метаморфизации погребенных Cl-Mg талассогенных вод мезозойских седиментационных бассейнов нормальной и повышенной солености, подвергшихся метаморфизации в терригенных и карбонатных породах под влиянием процессов альбитизации, доломитизации и обменной адсорбции.
Гелиеносность и химический состав наиболее известных углекислых минеральных источников региона приведены на рисунке 53 и в таблице 20. Как видно, размах концентраций Не в них весьма значителен и составляет три по-рядка - от п х 10 до п х10 мл/л. По степени гелиеносности все опробованные источники подразделяются на две группы.
К первой группе относятся естественные выходы углекислых минеральных вод, расположенные в пределах зон Главного, Передового хребтов и сопредельной части Лабино-Малкинской зоны. Содержание Не в них фоновое -(1,0-2,8) Ю-5 мл/л (источники: 9 - Лаштракский, 10 - Хасаутский, 14 - Джема-гатский, 15 - Даутский, 17 - Тохтар-Нарзан, 19 - Джаланкольский, Магомет-Нарзан и др.) и повышенно фоновое - (18,0-18,9)хЮ-5 мл/л (источники: 11- Маринский, 13 - Джингирикский, 18 - Улу-Хурзукский и др.), редко слабо аномальное - (32,1-86,4)х10 5 мл/л (источники: 12 - Индышский, 16 - Махар-ский, 20 - Карт-Джюртский, Бийтик-Тюбинские).
Отличительной чертой их служат наличие Ог и довольно высокие значения Eh (до +200...+240 мВ), свидетельствующие об активном газоводообмене с атмосферой. Воды имеют 7 5,5-13 С (Тохтар-Нарзан - 22 С). При этом воды в кристаллических породах (гранитах, гнейсах, порфиритах, кристаллических сланцах) обычно имеют меньшую минерализацию (1-2 г/л), чем в песчано-глинистых (7-9 г/л).
К этой группе принадлежат кислородно-азотные минеральные воды без «специфических» компонентов и свойств, а также пресные грунтовые воды зоны экзогенной трещиноватости Кавказа и Предкавказья с низкими концентрациями Не атмосферного происхождения (0,5-10)х Ю-5 мл/л).
Вторая группа представлена минеральными водами, вскрытыми скважинами на глубине до 350-390 м, с концентрациями Не (179-3893)х10 5 мл/л (источники: 1 - Домбайский, 2 - Тебердинский, 4 - Кумский, 7 - Эльтаркачский, 8 - Новокарачаевский). Такие концентрации Не (до пхЮ мл/л) для указанных и несколько больших глубин следует считать фоновыми. Величина Eh вод несколько снижается (до +60...+30 мВ). Важно подчеркнуть, что фигуративные точки вод этих источников на графике связи Не с СОг образуют с водами источниками первой группы одно поле (рис. 54), что указывает на неглубокое формирование солевого состава минеральных вод, главным образом в пределах зоны экзогенной трещиноватости пород (100-200 м).
Аномальные концентрации Не - (3521-3893)х10-5 мл/л, более чем на порядок превышающие фоновые, установлены в углекислых минеральных водах Верхне-Подкумской и Красногорской скважин на глубине (47-120 м) в терри-генных юрских отложениях. Образование этих аномалий объясняется близким ( 200-450 м) залеганием кристаллического фундамента, сложенного палеозойскими гранитами, из которого по зонам разломов происходит внедрение угле-кисло-гелиевого флюида в осадочный чехол. Свидетельством совместной воеходящей миграции ССЬ и Не в виде единого флюида служит намечающаяся тенденция связи между этими компонентами (см. рис. 54).
Данные об изотопном составе углекислых вод приведены в [54, 60]. В исследуемом регионе и сопредельных территориях по величине отношения 3Не/4Не воды относятся к трем группам. К первой группе с низким отношением " Не/ Не (З-ІО)хЮ-8), свойственным коровому гелию, относятся воды с газами СО2-СН4 состава. Они вскрыты в нижнемеловых отложениях Скифской плиты на глубине около 1500 м (г.г. Лермонтов, Черкесск).
Вторая, наиболее представительная группа, объединяет минеральные источники разнообразного газового состава - от CH4-N2 (Урупский, Преграднен-ский) до CO2-N2 (Красногорский, Красновосточный, Карачаевский и др.) и почти чисто С02 (Мариинский, Индышский и др.), - для которых изотопное отно-шение в среднем составляет 5x10 , что на порядок выше, чем для Скифской плиты. MB естественных источников и неглубоких скважин (100-300 м) приурочены к юрским отложениям Северо-Юрской депрессии, претерпевшей тек-тономагматическую активизацию в альпийское время. По мнению Э.С. Матвеевой и др. [60], «изотопный состав гелия района свидетельствует о заметном (измеряемом процентами) вкладе ювенильного гелия в общий баланс этого элемента».
Третья группа объединяет углекислые источники, приуроченные к гранитам палеозоя ближнего Приэльбрусья в пределах исследуемой и сопредельных территорий: Тохтар-Нарзан, Ирик-Нарзан, Терскол, Тырныауз и др. Высокие отношения 3Не/4Не (до 0,3-0,9)хЮ 5), значительно превышающие атмосферное, могут быть объяснены как дегазацией молодых интрузий, так и поступлением по зонам проницаемых разломов мантийного Не. Вследствие этого есть основания предполагать присутствие в СОг-газовом флюиде некоторого количества мантийной СОг [54, 58].
Аргументом в пользу предположения о влиянии интрузивной деятельности на изотопно-гелиевое состояние углекислых вод служит высокое стояние Эльбрусского вулканического очага (на 2-3 км ниже уровня моря [25]), с кото 150 рым связана повышенная Т находящихся в сфере его влияния углекислых минеральных источников (15-22 С).
