Роль глубинной геодинамики в формировании гидролитосферы (на примере Каспийско-Кавказского сегмента Альпийско-Гималайского подвижного пояса) (22.09.2011)

Автор: Хаустов Владимир Васильевич

Апробация работы

Результаты проведенных исследований и основные положения диссертации докладывались:

- на международных симпозиумах, совещаниях и конференциях:

Международный научный семинар "Экологическая гидрогеология стран Балтийского моря" (Санкт-Петербург, 1993), международная конференция "Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды" (Томск, 1995), Международный симпозиум «Будущее гидрогеологии: современные тенденции и перспективы» (Санкт-Петербург, 2007), международная конференция «Изменяющаяся геологическая среда: пространственно-временные взаимодействия эндогенных и экзогенных процессов» (Казань, КГУ, 2007), XIV международная конференция «Связь поверхностных структур земной коры с глубинными» (Петрозаводск, 2008), XVIII Международная конференция (школа) по морской геологии «Геология морей и океанов» (Москва, 2009).

- на всероссийских совещаниях и конференциях:

(((( Всесоюзное гидрохимическое совещание (Ростов-на-Дону, 1987), Всесоюзный семинар памяти Б.Л. Личкова (Ленинград, 1989), Всероссийская конференция «Дегазация Земли: геодинамика, геофлюиды, нефть, газ и их парагенезы» (Москва, 2008), Всероссийская конференция «Дегазация Земли: геотектоника, геодинамика, геофлюиды, нефть и газ, углеводороды и жизнь» (Москва, 2010), Всероссийская научная конференция с международным участием, посвященная 100-летию С.Н. Иванова «Тектоника, рудные месторождения и глубинное строение земной коры» (Екатеринбург, 2011).

- на региональных совещаниях и конференциях:

(((, IV научные конференции молодых ученых МГРИ (Москва, 1988, 1989), V( Краевое совещание по геологии и полезным ископаемым Северного Кавказа (Ессентуки, 1990), научно- практическая конференция "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов" (Курск, КГТУ, 1995), региональная научная конференция "Геология и полезные ископаемые Западного Урала" (Пермь, ПГУ, 1997), конференция «Многообразие современных геологических процессов и их инженерно-геологическая оценка» (Москва, МГУ, 2009), междисциплинарный научный семинар «Система «планета Земля»» (Москва, МГУ, 2008, 2009, 2010).

Публикации

Автором опубликовано по теме диссертации 45 печатных работ, в том числе 2 монографии и 14 статей в ведущих рецензируемых российских журналах из Перечня ВАК.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения и содержит 340 страниц текста, 66 рисунков, 36 таблиц, библиография - 495 наименований, 9 приложений.

В первой главе «Роль геодинамического режима в формировании флюидодинамических особенностей конкретных регионов» на основании новейших достижений глубинной геодинамики обосновывается геодинамический подход, принятый за основу в исследованиях конкретных региональных гидрогеологических условий. Приведен обзор современных представлений о природе глубинных вод. Предложено новое понятие ювенильного водного флюида (ЮВФ) и анализируется возможность его идентификации с помощью изотопных соотношений его газовой составляющей, минерализации и химического состава. Обосновано участие ЮВФ в формировании гидрогеологических условий регионов с активным геодинамическим режимом.

Во второй главе «Формирование подземных вод Южно-Каспийской впадины и ее обрамления» рассмотрены современные представления о геологической эволюции этого относительно слабо изученного региона. Проанализированы его гидрогеологические особенности с выделением верхней зоны, зоны доминирования элизионных процессов и зоны активного геодинамического режима. Предложена модель формирования подземных вод Южно-Каспийской впадины.

В третьей главе «Формирование подземных вод Большого Кавказа» освещены современные представления об истории геологического развития и основных особенностях геологии этого сложно построенного региона. Рассмотрены условия формирования подземных вод верхнего гидрогеологического этажа. Для глубинных вод – углекислых минерализованных вод нижнего гидрогеологического этажа разработана модель формирования их вещественного состава.

В четвертой главе «Практическая значимость выявления очагов разгрузки ЮВФ» на основании установленных закономерностей влияния глубинного геодинамического режима на гидрогеологические условия анализируются вероятные механизмы развития региональной экологической проблемы современного роста уровня Каспийского моря и дается прогноз ее развития; разработаны рекомендации по учету глубинной флюидодинамики при захоронении РАО; обосновывается использование гидрогеохимического критерия в процессе идентификации геотектонических структур; обоснована возможность переоценки ресурсов пресных вод в целях водоснабжения.

Благодарности

Работа выполнена на геологическом факультете СПбГУ. В диссертации изложены исследования, являющиеся частью многолетней программы по изучению влияния глубинной геодинамики на формирование природных вод (кафедра гидрогеологии ЛГУ – СПбГУ).

Автор глубоко признателен научному консультанту д.г.-м.н., профессору В.А. Прозоровскому, а также всем сотрудникам и преподавателям геологического факультета и НИИ Земной коры СПбГУ (ЛГУ), помогавшим обсуждениями, конструктивной критикой, советами и замечаниями. Отдельно автор выражает искреннюю благодарность к.г.-м.н., доценту М.А. Мартыновой за неоценимую помощь, внимание и поддержку на протяжении 25 лет сотрудничества.

За ценные консультации и поддержку идеи автор благодарит чл.-корр. РАН В.Г. Румынина и В.Н. Опарина.

В процессе работы над диссертацией автор пользовался советами и консультациями докторов наук Б.Н. Рыженко, В.И. Гридина, А.В. Лехова, В.Г. Савоненкова, Л.П. Никитиной, Т.Г. Петрова, В.П. Зверева, И.С. Гулиева, Л.Л. Перчука, Н.А. Озеровой, А.Н. Воронова, С.Л. Шварцева, Е.А. Лушникова, кандидатов наук Ю.Н. Диденкова, В.А. Бычинского, Б.Н. Голубова, А.А. Медведковой, И.Л. Хархордина, Е.Г. Потапова, Е.А. Федорова и др., за что искренне им признателен.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИХ ОБОСНОВАНИЕ

Первое защищаемое положение. Предложено понятие ювенильного водного флюида (взамен «ювенильных вод» Э. Зюсса), генетически связанного с глубинными геодинамическими процессами; показано, что вода, входящая в состав этого флюида, не имеет прямых генетических признаков; рассмотрены косвенные методы, позволяющие устанавливать ее генезис; участие ЮВФ в формировании природных вод носит достаточно масштабный характер. На примере Каспийско-Кавказского региона впервые показана зависимость облика природных вод от типа глубинных геодинамических процессов; использование современных методов обработки фактического материала позволяет утверждать, что формирование глубинных вод в условиях рифтогенеза и коллизии существенно различаются.

В современной теоретической гидрогеологии природным водам, генетически связанным с глубинными подкоровыми процессами, большинством исследователей практически не уделяется никакого внимания. Более того, термин «ювенильные воды», которым изначально назывались первичные воды, никогда ранее не участвовавшие ни в каких круговоротах, попросту утратил свой смысл. До последнего времени проявления таких вод - в первую очередь в областях современного вулканизма, большинство исследователей если и допускают, то лишь в самых ничтожных количествах, а как правило даже не рассматривают.

В настоящее время происходит очередное коренное изменение представлений о процессах в Земле. Создается единая теория тектоники всей мантии Земли, описывающая взаимодействие и эволюцию плит, плюмов и дрейфующих континентов [Maruyama et al, 1994; Devies, 1997; Грачёв, 2000; Добрецов и др., 2001; Никишин и др., 2002; Лобковский и др., 2004; Quere, Forte, 2006; Kopper, Watts, 2010; Трубицын, 2011 и др.].

; Летников, 2008 и др.]. В последние десятилетия очевидно возрастает признание существенной значимости роли флюидных систем в образовании и преобразовании земной коры и развитии в ней разнообразных ассоциированных процессов и явлений [Дегазация Земли:…, 1985, 1991, 2002, 2006, 2008, 2010 и др.]. Изучение этой проблематики на сегодня позволяет утверждать, что вся первичная гидросфера имеет мантийный генезис и её воспроизводство обеспечивается перманентным процессом генерации воды в процессе глобальной дегазации Земли [Кирюхин, 2005 и др.].

Тектоно-магматические процессы являются реакцией планеты на прохождение глубинных флюидов через твердые оболочки Земли – мантию и земную кору. В свою очередь характер флюидного режима определяется геодинамической обстановкой конкретного региона, которая служит определяющим моментом в формировании подземных вод прежде всего глубоких горизонтов. Здесь необходимо остановиться на характеристике воды, выделяющейся при дегазации магматических расплавов.

В 1902 году Э. Зюссом был предложен термин «ювенильные» воды для вод, которые являются ранее не принадлежавшими гидросфере и не участвовавшими ни в каких видах водных круговоротов Земли. Позже понятие ювенильных вод многократно уточнялось и модифицировалась [Саваренский, 1935; Семихатов, 1954; Ланге, 1969; Карцев, 1972; Самарина, 1977; Пиннекер, 1980; Ежов, 1981; Мартынова, 1983 и др.] и практически утратило свое смысловое значение.

Представления о химическом и газовом составе ювенильных вод, масштабах распространения их в природе и т. д. далеко не однозначны, зачастую дискуссионны и противоречивы. Это и понятно, поскольку они формируются в глубоких земных недрах и процесс их образования недоступен прямому наблюдению, а на поверхность поступают в сильно измененном виде. В связи с полной неясностью в толковании категории «ювенильные воды» нами предлагается ввести понятие ювенильного водного флюида (ЮВФ). ЮВФ представляет собой первичную воду, зарождение которой осуществляется в верхнемантийных, а возможно и более глубоких очагах плавления (плюмы, «горячие точки»), которая мигрирует в сторону поверхности Земли вместе с сопутствующими летучими, в первую очередь газами.

Синтез воды, входящей в состав ЮВФ, сопряжен с процессом плавления мантии при рифтогенезе или же связан с более глубокой («холодной») дегазацией Земли. Прямых диагностических признаков у воды, входящей в состав ЮВФ, на сегодня не существует, так как по сравнению с другими водами она изучена гораздо хуже. Тем не менее, современная наука, безусловно, располагает определенной информацией о целом наборе характерных признаков, касающихся ЮВФ.

Возможности идентификации ЮВФ значительно расширяются за счет изучения изотопных соотношений его газовой составляющей, наиболее информативным и достоверным здесь считается изотопное соотношение 3Не/4Не («мантийная метка» - 3Не/4Не=R~10-5) [Якуцени, 1968; Мамырин, Толстихин, 1981; Kyser, Rison, 1982; Lupton, 1983; O'Nions, 1984 и др.; Поляк, 1988; Прасолов, 1990 и др.].

Что же касается минерализации и солевого состава ювенильных вод, то в гидрогеохимии трудно найти еще один вопрос, по поводу которого мнения ученых были бы столь же противоречивы. Одна группа исследователей считает их крепкими рассолами [Дерпгольц, Гавриленко, 1971; Капченко, 1966 и др.], другая - водами с очень низкой минерализацией [Мартынова, Грачев, 1980; Карцев, 1972; Ежов, 1976; Розин, 1977 и др.], третья настаивает на их близости с водой современного океана. [Rubey, 1964; Валяшко, 1966; Виноградов, 1989; Когарко, Рябчиков, 1978 и др.]. Наиболее убедительной нам представляется гипотеза М.А. Мартыновой, поскольку в момент своего зарождения ювенильные воды не могут содержать в себе растворенных веществ.

В дальнейшем формирование химического состава ювенильных вод происходит за счет процессов растворения мантийногенных газов и взаимодействия с вмещающими породами (углекислотное растворение алюмосиликатов). Поэтому воды ювенильного генезиса наряду с низкой минерализацией имеют среди преобладающих анионов карбонатный (гидрокарбонатный) ион, а среди кaтионов- натрий (калий). По типу они, вероятнее всего, карбонатные: среда их - нейтральная или щелочная, в них могут присутвовать в повышенных концентрациях соединения кремния и фтор [Мартынова, 1983]. Согласно В.И. Кононову, именно «такой маломинерализованный высокотемпературный флюид кремнисто-гидросульфидного натриевого состава и характерен, по-видимому, для глубинных частей базальтового разреза областей современного вулканизма с океаническим типом земной коры» (результаты реконструкции состава глубинных флюидов, произведенной путем термодинамических расчетов на основании химического анализа разгружающихся водной и паровой фаз и газов) [Кононов, 1983]:

Оценка количественной стороны подтока ЮВФ в верхние геосферы предпринималась многими исследователями, использующими с этой целью различные методические подходы. Поскольку прямое исследование подтока ЮВФ недоступно, о возможной производительности глубинного потока, как правило, судят опосредованно [Хорн, 1965; Хесс, 1965; Пиннекер 1980; Шварцев, 1982; Тимофеев, Холодов, Зверев, 1985; Мартынова, 1987; Зверев, 2007; Орленок, 2008; и др.]. Следует отметить, что существующие на сегодня оценки этого процесса разнятся на 2 порядка (0.25*1015 / 3.6*1017).

Несмотря на существенные расхождения оценок величины глубинного подтока, количество ювенильных вод, пополняющих современную гидросферу, следует признать значительным. Доказательствами гигантских потенциальных возможностей резервуара воды в мантии могут служить результаты экспериментальных исследований растворимости воды в минералах: так, в высокобарических модификациях оливина – вадслейите [McMillan et al., 1991; Smith, 1994; Kohlstedt et al., 1996] и рингвудите [Inoue et al., 1998] содержание воды может достигать 2.4-3.3 мас.%. При интегрировании по всей массе литосферной мантии это может дать объем воды в 5 раз больший, чем в современном Мировом океане [Бабушкина, Никитина и др., 2009]. Экспериментально подтверждена возможность интенсивной дегазации перидотитовой магмы на глубине 410 км, а ее начало на глубине 1200-1500 км (Ohtani et al., 2004).

Среди крупнейших структур наибольший интерес в плане оценки участия ЮВФ представляют окраины литосферных плит. На их границах в зависимости от геодинамического режима формируются либо зоны сжатия и характерные для них процессы субдукции (обдукции), либо зоны растяжения с типичными для них рифтами. И на дивергентных, и на конвергентных границах осуществляется активный тепломассообмен между мантией и земной корой. Именно здесь происходят наиболее значимые геологические процессы, обусловливающие формирование современной гидросферы: магматизм, вулканизм, метаморфизм, высокая сейсмичность, повышенный тепловой поток и гидротермальная деятельность. Однако, влияние геодинамического режима, различного на разнознаковых окраинах литосферных плит, приводит к отличиям как структурно- гидрогеологических особенностей, так и в целом условий формирования гидросферы этих активизированных регионов.

Основные объемы глубинного углеводородно-неорганического флюида (плюма) разгружаются в пределах мировой сети трещиноватости – планетарной рифтовой системы [Континентальный и океанский рифтогенез, 1985; Милановский, Никишин, 1988; Грачев, 2000; Сывороткин, 2002; Зверев, 2007 и др.]. Главными компонентами неорганической ветви мантийных летучих являются вода и углекислота [Летников, 2001]. В этой связи рифтогенный геодинамический режим вне всякого сомнения предопределяет формирование специфических гидрогеологических условий.

Наиболее ярко влияние масштабной разгрузки ЮВФ проявляется в формировании гидрохимических инверсий, то есть уменьшение минерализации воды вниз по вертикали разреза. Приуроченность инверсионных гидрохимических разрезов к областям рифтогенеза очевидна. Географическое размещение гидрохимических инверсий в подземных водах и поверхностных водоемах четко контролируется зонами разрывных тектонических нарушений глубокого заложения в пределах палео- и современных рифтогенных структур [Мартынова, Мартьянова, 1984; Хаустов, 2007]. В работе анализируются все распространенные на сегодня гипотезы формирования инверсионной зональности подземных вод.

Иные условия наблюдаются в коллизионных поясах Земли. С зонами Заварицкого - Беньофа обычно ассоциируются активные трансрегиональные (иногда трансконтинентальные) разломы, имеющие мантийное заложение и представляющие собой зоны максимальной геодинамической, флюидно-магматической и гидродинамической активности, особенно в узлах их сопряжения. Здесь в мантию поступают огромные массы чужеродного материала, в том числе самые разнообразные подземные воды, включая седиментационные, горные породы галогенных формаций и др. Благодаря этому на определенных глубинах в соответствии с РТ-условиями формируются восходящие потоки погребенных, эпигенетических и возрожденных вод и других летучих компонентов, которые определяют специфический характер и гидрохимический режим региональных гидротермальных процессов. Отличительной особенностью современных гидротерм в пределах коллизионных структур является повышенная минерализация, газонасыщенность и высокая абсолютная и относительная хлоридность [Мартынова, Хаустов, 1990]. Основным источником хлора в гидротермах коллизионных поясов, вероятно, служат продукты отгонки воды и летучих веществ из погружающихся литосферных блоков [Хаустов, 1989, 2009].

В целом же в формировании химического состава таких вод скорее всего участвуют флюиды различного генезиса: мантийногенные (ЮВФ), эпигенетические и возрожденные (отделившиеся в результате термических преобразований погружающихся блоков коры), магматогенные (образованные в результате дегазации коровых магматических очагов), конденсационные (конденсаты газовых струй), седиментационные и инфильтрационные.


загрузка...