Главная страница | Контакты | Случайная страница Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Вертикальная гидрохимическая зональность

К структурам с нормальной гидрохимической зональностью, заключающейся в постепенном увеличении минерализации пластовых вод во всем изученном интервале глубин (до 4,7 км), относятся в Печорской синеклизе Варандей-Адзьвинская структурная зона, Макарихинский и Салюкинский валы, в Предуральском краевом прогибе Воркутское поперечное поднятие и Большесынинская впадина. Средние градиенты температур здесь составляют 2–2,4 °С/100 м. Коэффициенты аномальности давлений в целом по разрезу не превышают 1,12.

Рассматривая вертикальную гидрогеохимическую зональность ПВ, следует учитывать одно весьма важное обстоятельство, нужно различать два типа вертикальной гидрогеохимической зональности. Одна из них наблюдается нами при бурении скважин, и ее следует называть вертикальной зональностью наслоения; другая имеет место по падению водоносных пластов и называется пластовой зональностью. Наибольшее значение при изучении вопросов формирования химического состава ПВ имеет последний тип зональности.

В природе, как правило, не наблюдается четкие и резкие границы между различными гидрогеохимическими зонами; химический состав ПВ, особенно по пласту, обычно изменяется постепенно. Поэтому принято выделять гидрогеохимические зоны, которые в каждом конкретном случае могут быть различными. Например, зоны могут быть выделены по величине минерализации воды, ионно-солевому составу и т.д.

Под гидрогеохимической зоной понимают часть бассейна ПВ (или водоносного пласта), относительно однородную по химическому составу вод, в пределах которой принятый за основу выделения зон гидрогеохимический показатель (или сумма показателей) изменяется в сравнительно узких, условно установленных границах.

Помимо гидрогеохимических зон выделены гидрогеохимические пояса, под которыми понимаются то или иное сочетание зон, отражающее гидрогеохимический разрез на всю мощность осадочного чехла бассейнов. Сочетание зон может быть самым разнообразным, отражающим прямую, обратную, переменную и сложную гидрогеохимическую зональность разреза. Под прямой понимается последовательное увеличение минерализации с глубиной.

ВЫВОДЫ

1) Для прогнозной оценки залежей нефти, газа и газоконденсата необходимо привлечение всех гидрогеологических показателей, включая гидрохимические, газогидрохимические и термодинамические параметры;

2) по выявленным типам гидрохимической зональности прослежены основные зоны накопления нефти и газа. Нижняя инверсионная зона благоприятна для генерации, накопления и сохранения залежей преимущественно газообразных УВ и должна являться основным объектом поисков газовых и газоконденсатных месторождений. Наиболее перспективными районами, на наш взгляд, являются: Шапкина-Юрьяхинский вал, Денисовский прогиб, север Колвинского мегавала и Среднепечорское поперечное поднятие. Переходная инверсионная зона отражает условия смешанной продукции (нефть, газоконденсат), нормальная гидрохимическая зона преимущественно нефтяная;

3) фазовое состояние залежей УВ тесно связано с выявленной гидрохимической зональностью и позволяет с достаточной уверенностью прогнозировать состав залежи в районах с еще не доказанной нефтегазоносностью для Тимано-Печорского региона.

Понятие о геохимических барьерах было сформулировано А.И.Перельманом.

Геохимический барьер - это зона, в которой на коротком расстоянии происходит резкая смена гидрогеохимических условий миграции химических элементов, что вызывает осаждение этих элементов в твердую фазу. Геохимические барьеры возникают не только на границе разных фаз, но и в однородной среде, например, при изменении Eh - pH условий подземных вод или концентраций отдельных компонентов раствора. Основными геохимическими барьерами, приводящими к самоочищению пресных подземных вод, являются окислительный (кислородный), восстановительный, щелочной (гидролитический и карбонатный), сульфидный, кислый, сорбционный гидроксидный и сорбционный глинистый.

Окислительный барьер заключается в окислении более растворимых восстановленных соединений в менее растворимые окисленные. Например, способность околонейтральных и особенно щелочных подземных вод осаждать элементы-гидролизаты с минимальным ПР гидроксидов (Mn, Fe, Al). В результате таких процессов даже на участках загрязнения данными элементами подземные воды могут сохранять свой первоначальный состав.

Восстановительный барьер характеризуется преобразованием более растворимых окисленных форм элементов с переменной валентностью в менее растворимые - восстановленные. Например, Cr в околонейтральных кислород-содержащих водах находится в виде анионов HCrO^-4 и CrO2^-4 (Cr⁶⁺). При снижении Eh происходит образование малорастворимых соединений Cr(OH)₃ и Cr₂O₃ (Cr³⁺).

Щелочной гидролитический барьер возникает при увеличении рН среды. При этом многие элементы, мигрирующие в виде комплексов (Be²⁺, Hg²⁺, Cr³⁺, Fe3+, Mn³⁺, Cu2+), переходят полностью или частично в твердую фазу в виде гидроксидов (BeF⁺ +2OH^- = Be(OH)₂ + F^-).

Действие щелочного карбонатного барьера основано на образовании труднорастворимых карбонатов катионогенных элементов и элементов-комплексообразователей (Fe, Mn, Co, Zn, Pb и др.).

Сульфидный барьер основан на образовании труднорастворимых сульфидов многих элементов - комплексообразователей и анионогенных элементов (Cd, Cu, Hg, Ni, Pb, Zn, Mo, As, Sb). Условия действия этого барьера создаются в зонах сульфат-редукции, а также при подтоке сульфидных вод.

Сорбционный гидроксидный барьер основан на том, что свежеосажденные гидроксиды поливалентных элементов являются эффективными сорбентами. В первую очередь к ним относятся гидроксиды Fe, Mn, Al. В кислой среде данные гидроксиды наиболее интенсивно соосаждают W, As, Se, Mo, Cr, Sb и др. В щелочной среде соосаждаются Ba, Sr, Zn, Cu, Pb и др.

Сорбционный глинистый барьер обусловлен наличием отрицательного заряда на поверхности глинистых минералов. В результате катионного обмена здесь могут осаждаться Li, Be, Zn, Cu, Cd, Pb, Hg, Co, Ni, Tl и т.д.

Как правило, в природных условиях всегда имеет место не один, а несколько геохимических барьеров. С позиции самоочищения подземных вод наиболее эффективными являются окислительные барьеры для элементов с переменной валентностью и сорбционные для большинства элементов, содержащихся в воде в микроколичествах. Для органических веществ характерны также процессы саморазложения. В этом случае вещество продолжает мигрировать, но уже в виде продуктов химических и биохимических реакций.

Количественные показатели геохимических барьеров:

1) Градиент , где M=pH, Eh, T, P;

М - количественный показатель геохимической обстановки;

L- мощность геохим. Барьера.

2) Контрастность S=M₁/M₂

3) Контрастность образовавшихся геохимических аномалий K=Cа/Cф

Классификация барьеров по величине:

-макробарьеры (от нескольких десятков до сотен тысяч метров)

-мезабарьеры (от десятков до тысяч метров)

-микробарьеры (от нескольких миллиметров до десятков метров)

Классификация по направлению миграционных потоков:

-Латеральные

-Вертикальные

По Перельману выделяется 2 типа барьеров:

1 Природные - изменение геохимической обстановки под влиянием природных факторов.

2Техногенные – изменение геохимической обстановки под влиянием антропогенной деятельности.

Среди природных Перельман выделил классы:

1)Биогеохимический - пространственное выражение биогенной аккумуляции.На определенные временные промежутки миграция элементов может прекращаться, а на отдельных участках при этом возможна существенная концентрация части элементов.

2)Физико-химический - перемещение элементов без изменения форм их нахождения.

Простейшие примеры миграции этого типа – перемещение аэрозолей в атмосфере или обломков минералов в поверхностных водах.

3)Механический - представляет собой изменение формы нахождения без их существенного перемещения, например переход элементов из минеральной формы в раствор или из почв в растения.

Среди техногенных выделяются:

1)Физико-химический.Среди них по наибольшему эколого-геохимическому эффекту выделяются сероводородные, глеевые, испарительные, сорбционные. Возникают под действием сельскохозяйственной или промышленной деятельности человека.

2)Механический. В основном связан с гидротехническими сооружениями. Пример: отложения глинистых, коллоидных частиц.

3)Биогеохимический. После озоления растений происходит концентрирование компонентов. Становится возможным рентабельное извлечение металлов из золы.(По данным А.А. Озола).

4)Социальные - зоны утилизации, свалки Т.Б.О., а также жидких отходов.

5)Комплексные - иногда образование одного техногенного барьера влечет за собой образование другого техногенного барьера.

Миграция элементов в подземных водах неразрывно связана с разнообразными процессами, протекающими в подземных водах и в системе подземная вода — вмещающая (окружающая) среда.

Многообразие процессов определяет разнообразие химического со­става подземных вод.

Среди множества процессов наиболее харак­терны для формирования химического состава подземных вод сле­дующие: в системах подземная вода — вмещающая (окружаю­щая) среда это — растворение и выщелачивание, гидролиз, ион­ный обмен, сорбция, диффузия, биогеохимические процессы; в под­земных водах — вторичное минералообразование, концентрирова­ние, разбавление, смешение, биогеохимические процессы.

Растворение и выщелачивание — химические процессы взаимо­действия подземной воды с породами и минералами. Растворе­ние — разрушение водой кристаллической решетки веществ — в геологических условиях относится к породообразующим минералам и мономинеральным породам. Примером мономинеральных пород являются галиты. При растворении минералы полностью перехо­дят в растворенное состояние. Растворение — обратимый процесс, происходящий вследствие полярности молекул воды. Полярная мо­лекула обладает силовыми полями, что обусловливает ее способность притягивать молекулы различных веществ. При этом энергии, с которой вода действует на вещество (энергии гид­ратации), достаточно для разрушения кристаллической решетки вещества.

Выщелачивание — перевод в раствор одного или нескольких компонентов твердого вещества с помощью водного раствора, час­то при участии газов, являющихся окислителями или восстанови­телями. Поэтому выщелачивание в гидрогеохимии в отличив от •растворения представляет собой процесс разложения подземными водами породы. В отличие от растворения — обратимого про­цесса — выщелачивание является сложным необратимым про­цессом.

На растворимость и выщелачивание большое влияние оказыва­ют природные факторы. Среди них велика роль газов и свойств подземных вод — растворов. Так, присутствие в подземных водах значительных количеств углекислоты повышает растворимость кальцита, доломита и выщелачивание терригенных пород. Присут­ствие в водах кислорода повышает возможность миграции компонентов, слагающих породу, обогащенную сульфидами металлов, за счет увеличения интенсивности процессов их окисления. Присутствие в водах ионов, разноименных с ионами породообразующих минералов, повышает растворимость этих минералов и т.

Известно несколько видов выщелачивания. В подземных водах наиболее широко распространены: углекислотное, гидролиз, окис­ление, выщелачивание растворами с повышенной ионной силой.

Углекислотное выщелачивание протекает при взаи­модействии с породами подземных вод, содержащих углекислоту. Углекислотному выщелачиванию подвержены карбонатные (доло­миты, известняки) и силикатные осадочные породы. В результате углекислотного выщелачивания различных пород формируются воды, главным анионом в которых является гидрокарбонат-ион; наряду с гидрокарбонатными формируются также кремниевые воды. Катионный состав гидрокарбонатных и крем­ниевых вод преимущественно кальциевый и магниевый.

Углекислотное выщелачивание широко развито в подземных водах И обладает высокой миграционной способно­стью.

Гидролиз — реакция ионного обмена между веществами и водой А—В + Н—ОН-+А—Н+В—ОН {А—В — гидролизующееся вещество; А—Н и В—ОН — продукты гидролиза). При гидроли­тическом взаимодействии подземных вод с породами происходит замещение в кристаллической решетке породообразующих мине­ралов катионов водородными ионами воды. Последние образуются при частичной диссоциации воды:

Путем гидролити­ческого взаимодействия с терригенными полевошпатовыми поро­дами формируются гидрокарбонатные натриевые минерализован­ные воды.

Окисление — это реакция соединения какого-либо вещества с кислородом. Окислению подвергаются породы в той или иной степени обогащенные сульфидами металлов (пиритом FeS2, гале­нитом PbS, сфалеритом ZnS, халькопиритом CuFeS и др.) или серой. Это разнообразные песчано-глинистые разности пород, реже карбонатные, а также изверженные породы.

В результате окисления формируются преимущественно суль­фатные воды, содержащие, как правило, повышенные количества железа, никеля, меди и других микроэлементов, входящих в состав сульфидов. Макрокатионный состав вод окисления чаще всего кальциевый и магниевый, так как этот процесс сопровождается выщелачиванием известняков, доломитов, карбонатного цемента терригенных пород. В процессах окисления участвует кислород атмосферного происхождения.

Выщелачивание пород растворами с повышен­ной ионной силой можно условно рассматривать как рас­творение, усиленное влиянием минерализованных растворов. В то же время, поскольку этот процесс протекает при взаимодействии вод с породами, его правильнее относить к выщелачиванию. Рас­творимость слаборастворимых природных соединений, таких, как кальцит, доломит, гипс, ангидрит, увеличивается в минерализован­ных растворах, т. е. растворах с повышенной ионной силой. В пла­стовых водоносных комплексах с широким распространением ми­нерализованных хлоридных натриевых вод, вмещенных в карбо­натные и сульфатные породы, эти воды взаимодействуют с послед­ними более активно, чем пресные воды. В результате в водах накапливается кальций. Таким образом, необходимость наличия минерализованных хлоридного натриевого состава подземных вод определяет то положение, что растворимость под влиянием повы­шенной ионной силы возможна преимущественно в пластовых во-доносных комплексах. Процесс этот протекает также (но в зна­чительно меньших масштабах) в прибрежных морских районах в пределах грунтовых вод, куда поступают минерализованные мор­ские воды с высоким содержанием хлора и натрия. Возможен этот процесс и в аридных районах, где грунтовые воды часто имеют хлоридный натриевый состав и высокую степень минерализации.

Адсорбция — поглощение из подземных вод ионов поверхност­ным слоем породы. Порода, на поверхности которой происходит этот процесс, называется адсорбентом, а поглощаемое вещество— адсорбатом. В зависимости от характера взаимодействия между молекулами адсорбата и адсорбента развивается физическая или химическая адсорбция. Первая обусловлена силами межмолеку­лярного взаимодействия, при хемосорбции молекулы адсорбата и адсорбента образуют химическое соединение.

В адсорбционном процессе участвуют катионы, что определяет­ся отрицательным зарядом поверхностного слоя породы. Интен­сивность адсорбции зависит от свойств ионов, в частности от за­ряда и радиуса иона. Чем больше заряд иона, тем интенсив­нее он адсорбируется из водного раствора. Для однозарядных ионов наибольшей способностью к адсорбции обладают ионы, имеющие больший радиус.

Адсорбция в значительной степени определяется также рядом свойств внешних сред, главные из которых: характер пород, кон­центрация ионов в водах. Зависимость адсорбции от характера по­роды заключается в зависимости от удельной поверхности породы (поверхности, приходящейся на один грамм адсорбента). Породы с наибольшей удельной поверхностью — это глинистые породы. В них удельная поверхность может достигать тысячи квадратных метров на грамм. Повышена удельная поверхность у доломитов идоломитизированных известняков. Зависимость адсорбции от кон­центрации ионов в подземных водах прямая; чем больше концен­трация иона, тем вероятнее его адсорбция породой. В результате адсорбции изменяется состав подземных вод, происходит обедне­ние их катионами, а в Целом уменьшение степени минерализации и изменение ионного состава. Адсорбция широко распространена в грунтовых и пластовых водоносных комплексах при наличии по­род-адсорбентов. В системе грунтовая вода — порода адсорбци­онные процессы, как правило, менее развиты, чем в системе пла­стовая вода — порода, что объясняется большей минерализацией пластовых вод по сравнению с грунтовыми.

Сильно развит процесс адсорбции из подземных вод породами раз­личных микроэлементов, поступающих в воды с промышленны­ми стоками.

Ионообменный процесс — разновидность сорбционных про­цессов. Этот процесс возникает, если на поверхности породы, поме­щенной в раствор электролита, имеется комплекс поглощенных катионов. В этом случае будет происходить обмен между ионами раствора и поглощенного комплекса. К обязательным условиям данного процесса относятся присутствие в водовмещающих поро­дах поглощенных оснований и неравные концентрации обменных ионов в растворе и породе.

Для ионного обмена характерно следующее. В системе подзем­ная вода — порода ионный обмен представлен катионным, что является следствием преобладания в поглощенном комплексе по­род катионов. Последнее объясняется тем, что коллоидная часть пород состоит преимущественно из отрицательно заряженных ча­стиц (типа SiO2, AI2O3), которые при формировании ионообменно­го комплекса поглощали катионы. В природных условиях породы, способные к катионному обмену с подземной водой, представлены глинами и глинистыми разностями. Ионный обмен •— самопроиз­вольный процесс, протекающий до установления равновесия. Он затрагивает ионы,- расположенные на поверхности породы, а также в объеме. Ионный обмен — обратимый процесс, и он подчиняется закону действующих масс.

В результате ионного обмена подземные воды теряют те или иные катионы и приобретают другие, т. е. он приводит к качественному изменению в составе воды при сохранении ее концентрации. Под воздействием катионного обмена изменяются также состав погло­щенного комплекса пород и их физические свойства.

К внешним факторам, определяющим емкость обмена, отно­сятся главным образом свойства пород и растворов. В частности, обменная емкость в значительной степени зависит от дисперсности и минералогического состава пород, концентрации катионов в ра­створе, рН среды. Чем выше степень дисперсности пород, тем боль­ше емкость обмена. Минералогический состав глинистых пород влияет на емкость обмена следующим образом. Наибольшей об­менной способностью обладают минералы группы монтморилло­нита, меньшей — минералы группы иллита, минимальной — груп­пы каолинита.

С увеличением концентрации катионов в растворах возрастает способность данного катиона к обмену. Поэтому между поглощен­ными основаниями породы и ионным составом подземной воды в ходе катионообменных реакций устанавливается подвижное рав­новесие.

Чем больше в воде содержится ионов водорода, тем слабее будут участвовать в обменном процессе все другие катионы. Поэтому величина рН определяет часто ход катионообменных реакций. Чем выше рН воды (меньше концентрация ионов водорода), тем больше катио­нов воды обменивается с катионами поглощенного комплекса по­род.

В различных природных условиях ионообменные процессы имеют свои характерные особенности. В значительной степени они определяются качественным и количественным разнообразием по­глощенного комплекса пород.

ГИС