Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние изученности и постановка проблемы исследования 9
1.1 Представление о термальных водах 9
1.2 Состояние изученности термальных подземных вод Томской области 14
1.3 Проблема рационального и комплексного использования термальных подземных вод 20
2 Физико-географические, геологические и гидрогеологические условия распространения термальных вод 25
2.1 Физико-географические условия Томской области 25
2.2 Геологическое строение 28
2.3 Особенности тектоники 41
2.4 Гидрогеологические условия 49
3 Распространение и запасы термальных вод 56
3.1 Геотермические условия 56
3.2 Распространение термальных вод 58
3.3 Запасы термальных вод 68
4 Состав термальных вод и особенности его формирования 76
4.1 Химический состав термальных вод 76
4.2 Формирование состава термальных вод 95
5 Прогнозирование последствий эксплуатации термальных вод 99
5.1 Прогноз изменения температур при эксплуатации термальных вод 99
5.2 Вторичное техногенное минералообразование 120
6 Перспективы использования термальных подземных вод 128
6.1 Теплоэнергетическое использование 129
6.2 Бальнеологическое применение 132
6.3 Технологические особенности использования термальных вод 134
Заключение 137
Литература 138
- Состояние изученности термальных подземных вод Томской области
- Геологическое строение
- Распространение термальных вод
- Формирование состава термальных вод
Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивный рост энергопотребления в России и многих странах мира обусловил заметное снижение легкодоступных запасов традиционных источников энергоресурсов. Как следствие, это привело к повышению их стоимости и росту экологической нагрузки на природную и социальную среду и обусловило необходимость широкого привлечения нетрадиционных источников возобновляемой энергии - ветровой, солнечной, приливной, органической (биомассы), геотермальной. Одно из ведущих мест среди таких источников занимают термальные подземные воды, обладающие достаточным тепловым потенциалом для удовлетворения значительной части энергетической потребности человечества.
В Западной Сибири проблема освоения геотермальных ресурсов актуальна в связи с выявленными большими запасами геотермальной энергии, составляющими по различным оценкам до 70 % всех геотермальных ресурсов Российской Федерации. В Томской области, занимающей юго-восточную часть Западно-Сибирского артезианского бассейна, сосредоточено большое количество населённых пунктов, удалённых от централизованных систем теплоснабжения и основных транспортных магистралей. В то же время на её территории рассредоточено большое число законсервированных нефтегазопоисковых скважин, вскрывших подземные термальные воды и расположенных в непосредственной близости от поселков, расположенных в суровых северных условиях.
Потенциал геотермальных ресурсов Томской области позволяет решать многие энергетические проблемы региона, особенно в целях экономически целесообразного подхода к электро- и теплоснабжению населённых пунктов удалённых от централизованных систем теплоснабжения и основных транспортных магистралей. Это отвечает программам ООН о развитии малой энергетики и Киотскому протоколу «Об ограничении выбросов в атмосферу Земли парниковых газов и загрязняющих веществ», а также закону Российской Федерации «Об энергосбережении...».
Гидрогеологические, гидрогеохимические и геотермические условия осадочного чехла Западно-Сибирской плиты изучались как производственными геологическими, так и научными организациями и охватывают почти столетний период. Их результаты отражены в многочисленных отчетах, статьях, монографиях и диссертациях М.Б. Букаты, Л.С. Бычковой Н.Н. Винниченко, Е.М. Дутовой,
-
Д. Дучкова, Н.А. Ермашовой, Г.Д. Гинсбурга, Г.Д. Гурари, Ю.Г. Зимина,
-
А. Зуева, Е.А. Жуковской, В.Г. Иванова, Ю.Н. Карагодина, А.Э. Конторовича,
-
Р. Курчикова, Б.Ф. Маврицкого, Л.С. Маныловой, В.М. Матусевича, М.П. Нагорского, А.Д. Назарова, В.А. Нуднера, Г.Л. Плевако, Д.С. Покровского,
-
К. Попова, Н.М. Рассказова, А.А. Розина, С.И. Сергиенко, Я.Б. Смирнова, Ю.К. Смоленцева, Б.П. Ставицкого, В.В. Трушкина, П.А. Удодова, С.Л. Шварцева и других. Вместе с тем, несмотря на наличие значительного количества научных работ многие вопросы, связанные с особенностями распространения и эксплуатации термальных подземных вод остались недостаточно изученными. Появившаяся в настоящее время методическая основа и программное обеспечение численного моделирования гидрогеологических, гидрогеохимических и гидрогеотермических процессов позволяет на новом уровне подойти к анализу и решению этих вопросов.
В данной работе рассматриваются термальные подземные воды меловых отложений Томской области, а в качестве объектов детальных исследований выбраны Колпашевская, Первомайская, Оленья и Южно-Черемшанская площади.
Цель работы - установить особенности распространения, запасы и тепловые ресурсы термальных вод меловых отложений Томской области и выявить характер изменения геотемпературного поля и вторичного минералообразования при их использовании как альтернативных источников энергии.
Основные задачи: 1) анализ геологических, гидрогеологических и геотермических условий водоносных комплексов меловых отложений, содержащих термальные воды; 2) оценка запасов и тепловых ресурсов термальных вод; 3) моделирование изменения геотемпературного поля в процессе эксплуатации термальных вод; 4) моделирование вторичного минералообразования в стволе добывающих скважин при эксплуатации термальных вод.
Исходные материалы и методика исследования. В основу диссертационной работы положен фактический материал, полученный автором в ходе научных исследований, проводимых в лаборатории гидрогеологии нефтегазоносных бассейнов ТФ ИНГГ СО РАН, а также НИ ТПУ, ИПР, где автор и работает в настоящее время. В работе использована фондовая информация ФГУ ТФИ по Томской области, материалы кафедры ГИГЭ ТПУ и Томского филиала ИНГГ СО РАН. В обработке и анализе учтены гидрогеологические и гидрогеохимические данные по 150 скважинам, в том числе более 250 замеров температур и термограмм, данные гидродинамических исследований 28 скважин, расположенных на наиболее перспективных на термальные воды площадях и более 3 тыс. анализов состава подземных вод Томской области.
Собранные материалы сведены в базу данных Access. Статистическая обработка численной информации выполнялась в программах Microsoft Office Excel и StartSoft Statistica, картографические построения осуществлялись с помощью программ Surfer и CorelDRAW. Расчёты запасов, изменения температурного режима подземных вод и оценка вторичного минералообразования в процессе их добычи осуществлялись на основе численного моделирования с использованием программного комплекса HydroGeo, разработанного М.Б. Букаты.
Научная новизна. Установлено, что для теплоснабжения в Томской области наиболее перспективны термальные воды апт-альб-сеноманского, готерив- барремского и валанжинского водоносных комплексов. Впервые для условий Западной Сибири осуществлено моделирование эксплуатации термальных подземных вод в замкнутом и открытом циклах, оценено изменение температурного режима подземных вод. Дана оценка ресурсов и объёмных и тепловых эксплуатационных запасов термальных вод. Показано, что процесс добычи термальных вод будет сопровождаться вторичным минералообразованием в стволе эксплуатационных скважин.
Практическая значимость работы заключается в оценке прогнозных эксплуатационных запасов, тепловых ресурсов и качества термальных подземных вод в пределах перспективных для первоочередного освоения площадей Томской области, а также в разработке рекомендаций по их использованию.
Защищаемые положения.
1. Основные ресурсы термальных подземных вод региона связаны с нижнемеловыми отложениями и сосредоточены в валанжинском, готерив- барремском и апт-альб-сеноманском водоносных комплексах, для которых установлен общий региональный тренд повышения температурного фона с юго- востока на северо-запад. Вертикальная и латеральная зональность в распределении
температур подземных вод обусловлена глубиной залегания водоносного комплекса, направлением потоков вод и литологическим составом водовмещающих пород.
-
-
-
Эксплуатация меловых геотермальных систем приведёт к постепенному снижению температурного фона подземных вод. «Замкнутый» цикл эксплуатации вызовет снижение температур в целом по разрезу, при «открытом» цикле максимальные изменения температур будут приурочены к призабойным частям нагнетательных (нагрев) и добывающих (охлаждение) скважин.
-
Эксплуатация термальных вод приведёт к природно-техногенному минералообразованию в стволе скважины и на водоподъёмном оборудовании. Состав и масштабы формирования вторичной фазы зависят от исходной минералообразующей способности термальных вод и степени изменения термобарических условий при их эксплуатации.
Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на VI, VII, VIII, X, XI Международных симпозиумах имени академика М.А. Усова (Томск, 2002, 2003, 2004, 2007, 2009), на II Всероссийской конференции молодых учёных (Томск, 2003), на конференции, посвящённой 75-летию кафедры ГИГЭ Томского политехнического университета (Томск, 2005), на Всероссийском совещании по подземным водам востока России (Иркутск, 2006; Тюмень, 2009), на Трофимуковских чтениях (Новосибирск, 2006, 2007, 2008), на Всероссийской молодёжной конференции (Иркутск, 2009).
Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 19 печатных работах, из них: 3 - в центральных изданиях, включённых в перечень ВАК, 6 - в научно-технических сборниках и материалах конференций, 10 - тезисы докладов на различных конференциях.
Личный вклад автора. Автором осуществлён сбор фактического материала, проведён статистический анализ и выполнены картографические построения, проведены расчёты по оценке ресурсов, объёмных и тепловых эксплуатационных запасов термальных вод, осуществлено моделирование эксплуатации термальных подземных вод и оценено изменение их температурного режима, показаны состав и масштабы вторичного минералообразования, интерпретированы результаты и сформулированы выводы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Список литературных источников составляет 164 наименования. Общий объем работы - 159 страниц, включая 33 рисунка и 22 таблицы.
Благодарности. При написании диссертационной работы автор неоднократно обращался к д.г.-м.н. С.Л. Шварцеву, Д.С. Покровскому, В.К. Попову, Л.А. Строковой, В.Б. Белозерову, В.П. Парначеву, к.г.-м.н. В.П. Меркулову,. О.С. Черновой, Г.М. Татьянину, Е.А. Жуковской, К.И. Кузеванову, Д.А. Новикову, В.В. Крамаренко, которым выражает благодарность за советы и методические рекомендации.
Автор благодарна за помощь, бесценные советы, моральную поддержку и содействие в выполнении работы к.г.-м.н. А.Д. Назарову.
Особую признательность за терпеливую поддержку, высокие требования к работе и ценные советы автор выражает, ныне покойному, Михаилу Болеславовичу Букаты, а также Екатерине Матвеевне Дутовой оказавшей поддержку на завершающем этапе работы.
Состояние изученности термальных подземных вод Томской области
Гидрогеологическое изучение Томской области началось вместе с планомерным геологическим исследованием Западной Сибири, начатым в связи с поисками месторождений нефти и газа. В результате бурения глубоких опорных скважин, мелкомасштабных геологических съёмок начатых в конце 40-50-х годов прошлого века, были получены первые гидрогеологические сведения, в том числе термальные характеристики вод. В конце пятидесятых - начале шестидесятых годов материалы геотермических исследований Западно-Сибирской плиты были обобщены (Б.Ф.Маврицким 1958, 1959, 1962; Макаренко и др., 1963; Торгованова и др., 1960; Зимин и др., 1967; Розин, 1977). Маврицкий Б.Ф. считал, что на геотермический режим осадочного чехла оказывают влияние гидрогеологические, климатические и в меньшей степени структурно-геологические факторы при преобладающей роли первого.
До конца 60-х годов практически не учитывались возможные вариации теплофизических свойств горных пород в различных типах отложений. На это обстоятельство впервые указал Г.Д. Гинсбург (1973). В конце 60-х и начале 70-х гг. были опубликованы первые данные по тепловому потоку. На их основе строились различные схемы распределения этого параметра, имеющего важнейшее значение формирования термальных вод (Назаров, 1974; Геология нефти..., 1975; Геотермические поиски..., 1979). Одни авторы считали, что плотность теплового потока увеличивается в северном направлении (Сергиенко, 1977); другие отмечали отсутствие закономерных изменений теплового потока (Дучков, 1979; Соколова, 1979). По мнению ряда исследователей (Сергиенко, 1977; Розин, 1977; Смирнов, 1980) распределение теплового потока согласуется с тектоническим строением Западно-Сибирской плиты; по другим данным (Дучков, 1979; Результаты геотермических..., 1984) считается, что о наличии такой связи говорить преждевременно.
Первые сводные характеристики подземных вод палеозойского фундамента и мезозойско-кайнозойского чехла были представлены в 1960-65 гг. В.П. Щипачевым и М.П. Нагорским, которые обобщили результаты ранее проведённых исследований в пояснительных записках к геологическим и гидрогеологическим картам Томской области. За все время предшествующих геологических и гидрогеологических исследований накоплен обширный материал по динамике и химическому составу подземных вод Томской области. Основной материал получен в результате проведения геологических и гидрогеологических съёмок, экологических и режимных наблюдений, специальных научных изысканий, поисков, разведки и эксплуатации месторождений подземных вод, нефти и газа. В работе «Западно-Сибирский артезианский бассейн (гидрогеология, геотермия, палеогидрогеология)» (1962) Б.Ф. Маврицким были описаны литофации, солевой и газовый состав подземных вод и температурные условия мезозойских комплексов в Западной Сибири и отмечена возможность использования для теплофикации и лечебных целей. Двумя годами позже А.А. Розин, Л.И. Буракова и др. (1964) в работе «Подземные термальные воды меловых и юрских отложений в пределах территории деятельности НТГУ» рассмотрели вопросы распределения, химического состава, геотермических свойств и отметили определённые затруднения энергетического использования термальных минеральных вод. В 70-ом году вышел ряд работ, характеризующих гидрогеологическую и геологическую обстановку Западной Сибири. Монография «Гидрогеология СССР» (Том 16 Западно-Сибирская равнина) под ред. В.А. Нуднера является обобщающей работой, в которой подведены итоги гидрогеологических исследований Западной Сибири. В ней А.А. Розин, Б.П. Ставицкий и др. рассмотрели данные по гидрогеологической стратификации, распространению, обводненности, гидрогеохимических особенностях, нефтегазоносное мезозойских-кайнозойских отложений и дали рекомендации по возможности использования вод в лечебных целях, для хозяйственно-питьевого водоснабжения и ограниченной теплофикации. В том же году Ю.Г. Зимин защитил диссертацию на тему «Гидрогеология и геотермический режим мезозойских отложений южной части ЗСАБ», в которой описал солевой, газовый и микрокомпонентный состав, а также температурные условия пластовых вод мезозойских комплексов. Тогда же была составлена первая сводная гидрогеохимическая карта с характеристикой солевого и газового состава подземных вод юрских, меловых и палеогеновых отложений для Томской области масштаба 1:1500000 (под ред. П.А. Удодова), отражающая общие закономерности изменчивости химического состава и геотермии минеральных подземных вод.
В 70-х годах выходят сборники статей «Комплексное освоение ресурсов Обского бассейна» (1970) и «Вопросы изучения курортных ресурсов и организация санаторно-курортного лечения в Сибири и на Дальнем Востоке» (1974, вып. 2), а также журнал «Известия ТПУ» (1975, т. 297). В них имеются статьи, А.А. Розина и других авторов, посвященные солевому и газовому составу, составу специфических компонентов, биологическим и техноценным свойствам лечебных, термальных и промышленных вод мезозойско-кайнозойских отложений и приведена серия погоризонтных компонентных гидрогеохимических схем. Обобщая результаты исследований А.А. Розин (1977), изложил ряд новых представлений о гидрогеохимии и формировании состава вод мезозойских отложений артезианского бассейна. В 80-90 гг. выходит ряд работ и отчётов, в которых оценены и описаны состав и возможности использования тепла подземных вод, оценены их запасы и качество. Детально рассматривались температурные условия отдельных частей бассейна. Тепловой режим региона анализировался на основе определения теплофизических свойств пород, расчёта теплового потока и распределения его плотности по территории Западно-Сибирской плиты (Дучков и др., 1982; Курчиков и др., 1980, 1986, 1987; Курчиков, 1992; Ставицкий и др., 1981; и др.). А.Д. Назаров в работе «Термальные подземные воды Томской области и их народнохозяйственное применение» (1980), дал описание состава и возможности использования и извлечения тепла из минеральных вод Белоярского, Советского, Колпашевского и других месторождений. П.А. Удодов, А.Д.Назаров, С.Л.Шварцев (1980, 1985) сделали прогноз нефтегазоносности и перспектив использования лечебных, термальных и техноценных вод, а также рассмотрели солевой, газовый, изотопный, органический, микробиологический и микрокомпонентный состав пластовых вод и поровых растворов палеозойского фундамента и мезозойско-кайнозойского осадочного чехла. Н.Н. Винниченко, Л.С.Бычкова (1984, 1990) оценили геотермальные ресурсы и возможности использования термальных подземных вод в качестве альтернативного источника энергии, в частности запасы, и качество лечебных вод тарской свиты для Чажемтовской водолечебницы. В атласе Томской области в разделе «подземные воды» (1985) построены и описаны схематические карты и разрезы с оценкой перспектив нефтегазоносности и прогнозом использования вод для водоснабжения, в лечебных целях и при добыче рудных компонентов. С.Л. Шварцев и др. (1991) в отчёте дали описание распространения, состава, генезиса и ресурсов минеральных вод промышленно развивающихся районов Томской области.
Геологическое строение
Описываемый район представляет собой юго-восточную часть Западно-Сибирской плиты. Современные представления о геологическом строении Западной Сибири в целом и её юго-восточной части приводятся в работах многих исследователей. Наиболее значимый вклад внесли Ф.Г. Гурари, Н.Н. Ростовцев, Е.Е. Даненберг, А.Э. Конторович, B.C. Сурков, О.Г. Жеро, В.А. Кондрашов, И.И. Нестеров, Н.С. Шатский, В.П. Казаринов и других. Геологическое строение изучаемой территории довольно сложное и представлено: 1) интенсивно метаморфизованными, дислоцированными и слабо дислоцированными образования палеозойского складчатого фундамента; 2) осадочными и эффузивно-осадочными отложения перми, локализованными в грабенах и грабен-рифтовых зонах; 3) терригенно-угленосными и терригенными отложениями мезозойско-кайнозойского чехла. Краткая литолого-стратиграфическая характеристика разреза
Палеозойские отложения - Рг Складчатый фундамент в пределах описываемой территории представлен отложениями палеозойской эры (Гидрогеология..., 1975; Конторович и др., 1999; Геология..., 2000; Елкин и др., 2001, 2003; Егоров и др., 2003). Он сложен метаморфизованными и сильно дислоцированными породами палеозойского и частично докембрийского возраста.
Глубина залегания фундамента в пределах изучаемой территории достигает 3—4 км, в направлении с северо-запада на юго-восток она постепенно уменьшается и в районе г. Томска породы фундамента выходят на поверхность. Породы складчатого фундамента сильно выветрены, трещиноваты, водоносны и представлены тремя основными группами -карбонатными, терригенными и магматическими (Конторович и др., 1975; Евграфов и др., 1998; Елкин и др., 2000). По площади и разрезу они распределены неравномерно и разбиты многочисленными разломами (Жеро и др., 1974; Сурков и др., 1981; Макаренко и др., 1998). Верхняя часть фундамента представлена корой выветривания, образовавшейся в результате гипергенных изменений пород.
Литологическое разнообразие пород доюрского фундамента в пределах рассматриваемой территории обусловлено блоковой неоднородность складчатого основания. В зонах проявления грабен-рифтовых систем (Колтогорско-Уренгойский, Усть-Тымский, Чузикский грабен-рифты) это, в основном, эффузивно-терригенные осадки с подчинённой ролью интрузивных комплексов (граниты, базиты). Толщина этого комплекса составляет первые сотни и даже тысячи метров. Преимущественно глинистые и карбонатно-глинистые сильно дислоцированные сланцы, прорванные интрузивными телами кислого и основного состава, слагают антиклинорные и синклинорные зоны разновозрастных складчатых систем (Верхневасюганский, Нижневартовский, Назинско-Сенькинский антиклинории). Слабо дислоцированные карбонатно-глинистые и карбонатные породы приурочены к зонам устойчивых срединных массивов. Палеозойские отложения включают в себя осадочные породы ордовика, силура, девона, карбона и перми. Ордовикские отложения вскрыты только в Нюрольском структурно-фациальном районе (Решения..., 1999). Толща представлена зеленоватыми, пёстроцветными, доломитизированными, зо - — рассланцованными глинистыми известняками, известковистыми аргиллитами и песчаниками. К отложениям нижнего силура отнесены глинистые слоистые и массивные известняки, включающие линзы песчаников и алевролитов. Они вскрыты на Останинской и Медведевской площадях. В составе верхнего силура описаны как терригенно-карбонатные породы (зелёные и тёмные аргиллиты, алевролиты и песчаники, а также слоистые и массивные известняки), так и вулканиты (образований установлены базальтовые и андезитовые порфириты и туфы). Отложения девона в основном охарактеризованы морскими фациями и наиболее полно и разнообразно представлен в центральной и западной частях Томской области. Нижнедевонский комплекс отложений представлен органогенными известняками и доломитами, а также глинисто-кремнистыми породами. Среднедевонский и верхнедевонский комплекс пород представлен преимущественно органогенными, рифогенными известняками с подчинёнными аргиллитами и глинисто-кремнистыми породами. В пределах карбона и перми выделяются два комплекса отложениях: нижний (нижнекаменноуголиные - башкирские отложения) представлен преимущественно морскими, а верхний (верхнекаменноуголъные пермские отложения) преимущественно континентальными фациями. Нижний комплекс представлены темно-серыми кремнистыми аргиллитами, радиоляритами, кремнистыми слоистыми, а местами фораминиферовыми известняками, в верхней части разреза - аргиллитами, алевролитами и песчаниками. Верхний комплекс представлены сероцветными конгломератами, гравелитами, песчаниками и аргиллитами.
На отложениях складчатого фундамента с резким угловым несогласием залегают терригенные породы осадочного чехла, мощность которого в юго-восточной части Западно-Сибирской плиты различна и колеблется от десятков метров (на юго-востоке) до 2-3 км во впадинах и прогибах (в западных и центральных районах). Разрез осадочного чехла представлен отложениями мезозойского и кайнозойского возрастов.
Распространение термальных вод
На территории Томской области распределение температур подземных вод имеет схожую тенденцию и подчиняется зональному характеру, причём данная закономерность прослеживается как по площади (увеличение температуры происходит с юго-востока на северо-запад), так и по глубине.
Пластовая температура подземных вод в пределах меловых отложений изменяется в широком диапазоне - от 10 до ПО С. Разброс температур связан с величиной теплового потока, характером тектонической структуры, интенсивностью развития дизъюнктивной тектоники и проявлением многих других факторов.
На основании имеющегося фактического материала составлены карты распределения пластовых температур, отдельно по трём водоносным комплексам (рис. 8, 9, 10). В результате таких построений установлено, что для апт-альб-сеноманского водоносного комплекса в целом характерно распространение преимущественно тёплых и горячих вод (20-50 С), однако в юго-восточной части Томской области отмечена зона с холодными водами (13-20 С) (см. рис. 8). В готерив-барремском водоносном комплексе на юго-востоке распространены термальные подземные воды с температурой 20 С, переходящие на северо-западе в воды с температурой до 97 С (см. рис. 9). На юго-востоке, в валанжинском водоносном комплексе, залегают подземные воды с температурой 25 С, а на северо-западе температура вод достигает 105-110 С (см. рис. 10). Детальный анализ геотермических условий далее показан на примере Колпашевской, Первомайской, Оленьей и Южно-Черемшанской площадей, наиболее перспективных для первоочередного освоения геотермальных ресурсов Томской области (Мищенко, 2002,2006 2007 2). Выбор площадей детального изучения связан с несколькими факторами. В первую очередь с гидрогеологическими характеристиками (гидродинамические, геотермические, геохимические свойства водоносных комплексов). Так северо-западная территория Томской области, расположенная в более погруженной части Западно-Сибирского артезианского мегабассейна (Первомайская, Оленья и Южно Черемшанская площади), характеризуется повышенными показателями теплового потока, более замедленным водообменом, способствующему повышению минерализационной способности подземных вод. В тот время как в центральной части Томской области (Колпашевская площадь), характеризуется более низкими геотемпературными и гидрогеохимическими показателями. Во вторых, с географическим расположением исследуемых площадей. Так, Колпашевская площадь приурочена к пересечению транспортных путей, в связи, с чем на её территории, помимо применения термальных вод для тепло- и энергообеспечения, возможно создание крупного курортно-оздоровительного комплекса на базе уже действующих лечебно-профилактических учреждений, использующих термальные минеральные воды. В тоже время, Первомайская, Оленья и Южно-Черемшанская нефтегазоносные площади находятся на северо-западе области, где на первое место выходит вопрос об удовлетворении тело- и энерго потребностей населённых пунктов, в связи с чем они могут стать идеальными экспериментальными площадками для апробации методов и технологий теплоэнергетического использования термальных вод.
Условные обозначения см. на рис. 8 Колпашевская площадь приурочена к Парабельскому своду. Точечные замеры температур при испытании характеризуют разрез от четвертичных до нижнемеловых отложений включительно. По характеру распределения температур в разрезе и величине геотермического градиента можно выделить несколько характерных участков (рис. 11 а). В верхней части разреза до глубины 900 м на геотермические условия существенное влияние оказали инфильтрационные воды, так как к данной территории приурочено распространение локальной области питания. Уменьшение геотермического градиента на глубине 1800-2400 м возможно связано с литологическим составом пород, определяющим их теплопроводность, но есть вероятность и занижения измеренных температур, связанная с недостаточным временем восстановления естественной температуры в стволе скважины.
Гидрогеологический разрез на данной территории характеризуется точечными замерами температур при испытании скважин от верхне- до нижнемеловых отложений (400-2500 м) включительно. По характеру распределения температур в разрезе и величине геотермического градиента, рассчитанного по точечным замерам, можно выделить несколько участков (рис. 11 б).
Первый из них, в верхней части разреза (до 400 м), характеризуется температурой до 20 С, связанной с поверхностным охлаждением нижележащих пород за счёт действия климатических факторов. На втором участке, приуроченном к глубине 850-1650 м, отчётливо прослеживается скачкообразное повышение геотермического градиента до 4-5 С/100м. Возможно, это также связано с неточностью замера температуры во время испытания скважины.
Формирование состава термальных вод
В нашем случае, в процессе формирования состава подземных вод, основными источниками поступления элементов являются в первую очередь захороненные воды, во-вторых, водовмещающие горные породы и, в-третьих - рассеянное органическое вещество. Показателем степени метаморфизованности служит CI/Br коэффициент, а показателем степени промытости - rNa/rCl коэффициент. Анализ изменения данных коэффициентов с глубиной показал, что в меловых отложениях (апт-альб-сеноманском, готерив-барремском и валанжинском водоносных комплексах) доминирующее распространение имеют седиментационные воды (рис. 20). Среднее значение Сі/Br коэффициента равно 225.5 в апт-альб-сеноманском, 216 готерив-барремском и 244.7 валанжинском в.к.; а значения коэффициента rNa/rCl соответственно равны 0.97; 0.78 и 0.7. Подземные воды седиментационного цикла формируются в исходных морских и озёрных бассейнах. Но как показали исследования, часто они более солёные, чем исходные морские. Принимая во внимание то, что основным источником хлора является солевой комплекс морского происхождения, нами рассчитана степень изменения (по хлору) современных подземных вод относительно морских. Таким образом, видно, что подземные воды Томской области отличаются от морских более высокими содержаниями кальция, гидрокарбонат-иона, йода и кремнезёма.
Осадконакопление происходило в морском бассейне с нормальной, и в отдельных случаях, пониженной солёностью вод, с непродолжительными периодами регрессии морского бассейна. Подземные воды изменены по сравнению с морской водой. Это выражается, в небольших, по сравнению с морской водой, содержаниях сульфат-иона (средние концентрации составляют от 18.67 до 43.15 мг/л), что свидетельствует о прохождении подземных вод этапа восстановления серы (табл. 18).
При этом воды сохраняют хлоридный натриевый состав морского бассейна, с последующими изменениями солёности воды и химического состава, в результате концентрирования и длительного взаимодействия в системе «вода-порода». Это подтверждает теорию С.Л. Шварцева о формировании состава подземных вод (1996, 1998).
Большое значение при формировании состава подземных вод имеют процессы взаимодействия воды с вмещающими породами с участием органического вещества (Шварцев, 1996). Эту теорию подтверждает увеличение концентраций брома, йода и бора с глубиной. Основным источником брома выступает древняя морская вода, а также глинистые минералы, которые перекристаллизуются на стадии диа- и катагенеза. Одним из источников йода служит элизионная вода, отжатая из пород, другим источником выступает органическое вещество, а также процесс выщелачивания йода водами из вмещающих пород. Источником бора в подземных водах выступает исходная морская вода (содержание бора в морской воде 4.6 мг/л). В процессе седиментации часть элемента концентрируется из неё. Другим источником является захороненная органика, и терригенные породы, которые в процессе выщелачивания обогащают бором воды. Резюмируя, следует отметить, что главными факторами формирования состава подземных вод являются: генетический тип подземных вод, процессы взаимодействия в системе «вода-порода-органическое вещество», её равновесно-неравновесное состояние. Таким образом, эволюция состава подземных вод региона проходит под воздействием преимущественно палеогеографических, литолого-фациальных и термобарических факторов при длительном взаимодействии в системе «вода-порода-газ-органическое вещество». Прогнозирование последствий изменения температурного режима подземных вод в процессе эксплуатации является одной из ключевых проблем их практического использования, и в тоже время практически не изучено. Данный вопрос имеет практическое значение, поскольку в процессе использования подземных вод, уже исходя из чисто теоретических соображений, должно происходить изменение теплового поля структуры. Моделирование изменения температурного режима по площади и разрезу осуществлено гидродинамическим методом в соответствии с реальным литологическим строением исследуемых площадей (Колпашевской, Первомайской, Оленьей и Южно-Черемшанской) с использованием ЗО-сеточной модели в составе программного комплекса HydroGeo. При совместном моделировании геофильтрации, теплопереноса и геомиграции на пространственных сетках в данном программном комплексе применён подход, который предусматривает расщепление вычислений на условно независимые гидродинамическую, геотемпературную и геохимическую составляющие. При моделировании использовались численные методы. Соответственно, рассматриваемая область фильтрации разбивалась на относительно однородные по фильтрационно-ёмкостным свойствам и составу пород и флюидов блоки, образующие 3-мерную пространственную сетку. Между ячейками такой сетки имитировались: фильтрация водных растворов, теплоперенос и связанные с ними процессы дисперсии вещества вод и смешения растворов с использованием метода конечных разностей.
Похожие диссертации на Термальные воды меловых отложений юго-восточной части Западно-Сибирского артезианского бассейна: распространение, использование, прогнозы
-
-
-
