Chemical composition of natural waters of the eastern rim of the Siberian platform (Predverkhoyansk foredeep)

Full Text

Введение

Первые обобщающие научные работы, посвященные геологическому строению краевых прогибов, появились в 40–50 гг. прошлого века [1, 2]. Тогда же были оформлены и приведены их основные признаки: характерная форма (протяженные, узкие синклинальные прогибы), ассиметричное строение (крутое внутреннее крыло, примыкающее к складчатой зоне и пологое внешнее – к платформе), специфичный характер разрывных нарушений (сложные и резкие дислокации распространены преимущественно в зоне примыкания к складчатой области) и особенности состава вмещающих пород (в значительной мере это терригенные толщи с максимальной мощностью во внутренних частях прогиба). Проблемы нефтегазоносности краевых прогибов освещены в трудах [3, 4]. Изучению прогибов Сибирской платформы посвящены работы геологических институтов СНИИГГиМС и ВНИГРИ 1970–1980-х гг., публикации [5–9]. Из более поздних исследований следует выделить работы [10–17].

Все исследования перикратонных прогибов главным образом сфокусированы на их геологическом строении, процессах формирования и перспективах нефтегазоносности этих территорий. Вопросы, связанные с геохимией природных вод данных структур, либо вовсе не освещены, либо приводятся в крайне ограниченном виде.

Ранее проведенными исследованиями на примере конкретных объектов показана эффективность применения геохимических данных для прогноза нефтегазоностности различных геологических структур [18–20]. При проведении геохимических поисков встает вопрос о корректном определении фоновых концентраций химических элементов, соответствующих естественному обогащению компонентов природной среды [21–25], особенно это актуально при проведении гидрогеохимических работ в условиях распространения многолетней мерзлоты [26–29]. Кроме этого, в последнее время в практику геохимических исследований активно внедряются технологии обработки данных с использованием искусственного интеллекта [30–33], применение которых для построения достоверных прогнозов потребует значительного наращивания объемов открытых геохимических данных по районам с различными природно-климатическими и геолого-структурными условиями.

Целью данного исследования является изучение химического состава природных вод Предверхоянского прогиба и выявление геохимических особенностей гидросферы в районах резкой смены геолого-тектонических условий в пределах восточного обрамления Сибирской платформы.

Объект и методы исследования

Предверхоянский прогиб представляет собой отрицательную структуру, в строении которой принимает участие комплекс каменноугольных, пермских, триасовых, юрских и меловых отложений. Прогиб вытянут вдоль складчатых обрамлений Западного Верхоянья в субмеридиональном направлении более чем на 1300 км, изгибаясь вдоль долины рек Лены и Алдана. Как и все краевые прогибы, он имеет асимметричное строение. В нем выделяются внешняя приплатформенная и внутренняя зона, примыкающая к складчатым сооружениям Верхоянских гор.

В силу своего географического расположения Предверхоянский прогиб крайне труднодоступен и остается слабоизученным объектом, и в этой связи любой полученный фактический материал требует внимательного изучения и представляет собой ценную информацию.

В течение двух полевых сезонов 2014 и 2015 гг. сотрудниками отдела гидрогеологии нефтегазоносных провинций и геоэкологии Сибирского научно-исследовательского института геологии, геофизики и минерального сырья в схожих геолого-тектонических условиях были пройдены полевые маршруты по рекам (с юга на север) Томпо, Ляписке и Соболох-Маян (Собопол) (рис. 1). Все полевые маршруты последовательно по направлению от истока к устью пересекли три типовых участка - горный, где на дневную поверхность выходят более древние, интенсивно дислоцированные отложения складчатого обрамления; пограничный – тектоническая зона форланда Верхоянского складчатого пояса (граница Сибирской платформы), и собственно сам прогиб с выходом в зону моноклинального погружения мезозойских отложений. Суммарная длина полевых маршрутов по трем рекам составила более 600 км.

Основные характеристики исследуемых водных объектов приведены в таб. 1.

 

Таблица 1. Основные характеристики исследуемых рек [34, 35]

Table 1. Main characteristics of the studied rivers [34, 35]

Река River	Площадь водосбора, км2 Water collecting area, km2	Длина, км Length, km	Расход воды, м3/с River flow, m3/s
Томпо Tompo	42700	570	158,6 (279 км от устья km from mouth)
Ляписке Lapiske	10300	299	-
Собопол Sobopol	13300	411	82,1 (240 км от устья km from mouth)

 

Передвижение полевых отрядов по рекам и пробоотбор проходили в летний период (июль–август) с использованием надувных ПВХ-лодок, оснащенных подвесными моторами.

Пробы воды отбирались не только из основного русла рек и притоков, а также из заводей, стариц и проток со слабым течением. В бассейнах рек Соболох-Маян и Ляписке были также опробованы пойменные озера. Шаг опробования в среднем составлял 1,5–2 км со сгущением до 1 км в зоне выхода в прогиб. Распределение отобранных проб по типам водопунктов представлено в табл. 2.

Пробы воды на полный химический анализ отбирались в одноразовые ПЭТ флаконы объемом 100 мл с соблюдением всех необходимых требований и рекомендаций.

 

Таблица 2. Объем опробования по типам водопунктов

Table 2. Volume of sampling by types of water points

Объект исследования Object of the study	Основное русло Main riverbed	Заводи и протоки Backwaters and branches	Притоки Tributaries	Пойменные озера Floodplain lakes	Всего Total
бассейн р. Томпо Tompo river basin	36	33	12	-	81
бассейн р. Ляписке Lapiske river basin	40	29	54	7	130
бассейн р. Собопол Sobopol river basin	112	5	40	10	167
Итого проб воды Total water samples	188	67	106	17	378

 

Рис. 1. Обзорная схема района исследования

Fig. 1. Overview scheme of the research area

 

Измерения быстроизменяющихся параметров природных вод (pH, Eh, температура) производились непосредственно в месте отбора проб портативным анализатором HQ-40D фирмы Hach Lange (США). Анализ химического состава вод проводился в Проблемной научно-исследовательской лаборатории гидрогеохимии Томского политехнического университета с использованием методов ионной хроматографии на двухканальном безреагентном ионохроматографическом комплексе ICS-5000 с кондуктометрическим детектированием производства компании Dionex-Тhermo Scientific (США). Содержание в исследуемых водах анионов CO₃^2– и HCO₃^– определялось традиционным для этих показателей методом титриметрии. Определение концентрации Si выполнялось методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой на приборе NeXION 300D, Perkin Elmer (США).

Результаты исследования и их обсуждение

Природные воды изученной территории пресные и ультрапресные с минерализацией, как правило, не более 200 мг/л. Величина pH изменяется от 5,5 до 8,4 при среднем значении 7,2. Окислительно-восстановительный потенциал находится в пределах от 28 до 292 мВ. Среднее значения Eh 186 мВ.

По ионному составу все изученные природные воды Предверхоянского прогиба достаточно однородны, о чем свидетельствует кучное расположение точек на диаграмме Пайпера (рис. 2).

 

Рис. 2. Диаграмма Пайпера природных вод Предверхоянского прогиба

Fig. 2. Piper’s plot of natural waters of the Predverkhoyansk foredeep

 

Среди катионов доминируют Ca²⁺ и Mg²⁺, а среди анионов – HCO₃^– и SO₄^2–. Однако в бассейнах рек Ляписке и Соболох-Маян (Cобопол) встречены единичные водопункты с преобладанием хлорид-иона (до 78,3 %-экв) и иона натрия (до 65,7 %-экв). Данные пробы имеют нетипичный состав и сильно выбиваются из общей выборки, в связи с чем они были исключены из статистических расчетов.

В целом состав вод Предверхоянского прогиба по ряду показателей, таких как общая минерализация, содержание ионов Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃^–, близок к кларку речных вод [25]. Однако содержания таких ионов, как Na^– и Cl^–, в исследуемых водах заметно ниже, а ионов SO₄^2–, напротив, существенно выше, что может являться отражением особенностей состава подстилающих горных пород (табл. 3).

Общие характеристики химического состава изученных объектов, а также их специфику хорошо иллюстрирует диаграмма размаха «ящик с усами» (box and whiskers chart), представленная на рис. 3. При сопоставлении химического состава рассматриваемых рек выявлено, что, несмотря на схожие условия формирования, они различаются по своему химическому составу. Эти различия на первый взгляд могут показаться не столь значительными, однако для маломинерализованных вод это может являться отражением специфики процессов формирования их химического состава.

Характеристика природных вод бассейна р. Томпо

Маршрут по р. Томпо был выполнен в летний период 2014 г. и прошел от р. Ольчан (Уольчан) – левого притока р. Томпо, до приустьевой части. Это самая крупная и полноводная из всех изученных, в рамках данной работы, рек с площадью водосбора более 40 тыс. км². Химический состав воды разных элементов речной системы р. Томпо представлен в табл. 4.

 

Таблица 3. Данные по химическому составу природных вод Предверхоянского прогиба, мг/л

Table 3. Chemical composition of natural waters of the Predverkhoyansk foredeep, mg/l

Компоненты Components	Природные воды/Natural waters				Кларк подземных вод зоны вечной мерзлоты Average for ground waters permafrost zone [36]	Кларк речной воды Average for river waters [37]
	бассейн р. Томпо Tompo river basin	бассейн р. Ляписке Lapiske river basin	бассейн р. Собопол Sobopol river basin	Среднее содержание для Предверхоянского прогиба Predverkhoyansk foredeep
pH	6,7–8,4 7,4	5,5–7,5 7,0	6,0–7,9 7,2	5,5–8,4 7,2	6,5	-
Eh	129–268 228	37–250 161	28–292 184	28–292 186	-	-
Ca2+	6,0–54,1 22,2	1,0–29,7 11,0	2,1–33,6 22,1	1,0–54,1 18,4	16,8	14,7
Mg2+	1,7–13,7 5,0	0,4–6,9 2,1	0,7–9,6 5,5	0,4–13,7 4,2	5,65	3,65
Na+	0,2–1,4 1,0	0,4–12,0 2,5	0,2–3,5 1,9	0,2–12,0 1,9	6,64	8,6
К+	0,18–0,53 0,39	<0,1–2,50 0,51	<0,1–2,45 0,43	<0,1–2,50 0,45	0,83
HCO3–	19,5–172,0 65,8	7,3–105,0 39,4	8,5–79,3 55,3	7,3–172,0 52,3	82,8	53,0
SO42–	4,2–41,7 23,5	<0,05–52,3 8,5	0,1–54,8 30,8	<0,05–54,8 21,7	4,05	11,5
Cl-	<0,1–0,52 0,11	<0,1–3,17 0,33	<0,1–2,90 1,24	<0,1–3,17 0,68	4,67	8,25
Si	1,2–2,7 1,9	0,8–4,6 2,2	0,3–4,3 1,9	0,3–4,6 2,0	-	-
NO3	<0,1–1,72 0,44	<0,1–2,70 0,28	<0,1–1,40 0,33	<0,1–2,70 0,34	0,31	-
Мобщ/TDS	37,6–254,6 118,0	9,7–147,0 64,3	14,2–177,9 117,2	9,7–254,6 99,6	-	99,7
Количество проб Quantity of samples	81	124	163	368	-	-

Примечание: здесь и далее, в числителе – минимальное и максимальное значение, в знаменателе – среднее.

Note: here and elsewhere, in the numerator – the minimum and maximum values, in the denominator – the average.

 

Таблица 4. Химический состав поверхностных вод бассейна р. Томпо, мг/л

Table 4. Chemical composition of natural waters of the Tompo river basin, mg/l

Компоненты Components	Основное русло Main riverbed	Заводи и протоки Backwaters and branches	Притоки Tributaries
pH	6,7–7,5 7,3	6,8–7,9 7,5	7,0–8,4 7,6
Eh	188–267 234	129– 268 224	188–260 223
Ca2+	8,7–21,2 16,8	9,7–54,1 25,9	6,0–49,6 28,5
Mg2+	3,5–5,0 4,5	3,1–8,4 5,2	1,7–13,7 5,8
Na+	1,0–1,4 1,1	0,4–1,4 1,0	0,2–1,3 0,6
К+	0,36–0,51 0,40	0,25–0,53 0,41	0,18–0,40 0,29
HCO3–	19,5–61,0 46,1	21,9–172,0 78,9	24,4–168,4 88,8
SO42–	21,2–26,9 24,2	12,3–35,1 23,1	4,2–41,7 22,6
Cl–	<0,1–0,52 0,11	<0,1–0,44 0,12	<0,1–0,14 0,08
Si	1,5–2,3 1,8	1,4–2,5 1,9	1,2–2,7 1,8
NO3	0,20–1,72 0,39	<0,1–1,18 0,39	<0,1–1,47 0,75
Мобщ/TDS	55,8–113,6 93,3	60,4–254,6 134,7	37,6–242,2 146,7
Количество проб Quantity of samples	36	33	12

 

Рис. 3. Диаграмма «ящик с усами», отражающая гидрогеохимические особенности изученных объектов. Крестик посередине – это среднее арифметическое; линия чуть выше или ниже крестика – медиана; нижняя и верхняя грань прямоугольника (типа ящика) соответствует первому и третьему квартилю; горизонтальные черточки на конце «усов» – максимальное и минимальное значение

Fig. 3. Box and whiskers chart reflecting the hydrogeochemical specificity of the studied objects. The cross in the middle is the arithmetic mean; the line just above or below the cross is the median; the lower and upper sides of the rectangle (box type) correspond to the first and third quartile; horizontal dashes at the end of the "whiskers" are the maximum and minimum values

 

Наиболее однородный состав характерен для вод основного русла реки. Это ультрапресные сульфатно-гидрокарбонатные или же гидрокарбонатно-сульфатные, магниево-кальциевые воды с минерализацией 55,8–113,6 мг/л (табл. 4). Столь низкая минерализация связана, вероятнее всего, с фактором разубоживания, так как маршрут по реке Томпо проходил в условиях «высокой воды» при частых, интенсивных осадках. Значения показателей pH и Eh характерны для поверхностных вод и изменяются незначительно.

В ионном составе преобладание сульфат-иона наблюдается в «горной» части, где на поверхности и близко к ней залегают гипссодержащие горные породы. Ниже по течению соотношение двух главных анионов изменяется и составляет 65 %-экв. для HCO₃^– и 35 %-экв для SO₄^2– (рис. 4), при этом отмечается закономерный рост минерализации.

Формулы ионно-солевого состава для верхней (1) и нижней (2) части маршрута представлен ниже:

$M\mathrm{0,08}\frac{HC{O}_{2}63S{O}_{4}37}{Ca68Mg28}$ (1)

$M \mathrm{0,05} \frac{S{O}_{4}55 HC{O}_{3}45 }{Ca 58 Mg 35},$ (2)

 

Рис. 4. Общая минерализация (мг/л) и содержание ионов HCO₃^– и SO₄^2– (%-экв) в пробах воды из основного русла р. Томпо

Fig. 4. Total mineralization (mg/l) and content of HCO₃^– and SO₄^2– ions (%-Eq) in water samples from the main channel of the Tompo river

 

Химический состав притоков наиболее разнообразен. В сравнении с основным руслом они характеризуются более щелочными условиями среды и повышением минерализации вод. Разброс значений минерализации – от 37,6 до 242,2 мг/л. Содержания макроэлементов в этих пробах также варьируется в весьма широких пределах. Как правило, это сульфатно-гидрокарбонатные воды с минерализацией в среднем 147 мг/л. Воды заводей имеют преимущественно гидрокарбонатный кальциево-магниевый, магниево-кальциевый состав.

Характеристика природных вод бассейна р. Ляписке

Маршрут по р. Ляписке был выполнен в летний период 2015 г. и прошел от ручья Дотитчан – правого притока Ляписке, до устья. Бóльшая часть маршрута приходится на горный участок, на протяжении которого река пересекает с востока на запад несколько горных хребтов: Тагындянский, Малыкай-Хая, Муосучанский, Быгынский, Кутургинский и Усть-Вилюйский. Горный характер реки нашел отражение и в химическом составе вод (табл. 5).

Природные воды бассейна р. Ляписке характеризуются более низкой минерализацией, пониженными значениями pH и более высокими концентрациями ионов Na⁺ и K⁺, в сравнении с вышерассмотренным объектом, что может свидетельствовать о преобладании атмосферного фактора при формировании их состава и более активном водообмене. В составе вод притоков в отдельных точках отмечается повышенные концентрации сульфат-иона и пониженная величина рН, что может косвенно указывать на возможность растворения сульфидных минералов, наблюдаемых в горной части.

 

Таблица 5. Химический состав поверхностных вод бассейна р. Ляписке, мг/л

Table 5. Chemical composition of natural waters of the Lapiske river basin, mg/l

Компоненты Components	Основное русло Main riverbed	Заводи и протоки Backwaters and branches	Притоки Tributaries	Пойменные озера Floodplain lakes
pH	6,5–7,5 7,1	5,5–7,5 7,1	5,5–7,4 6,9	5,6–7,1 6,4
Eh	69–240 162	37–239 155	51–250 156	160–242 194
Ca2+	9,2–15,5 12,0	4,1–22,2 13,3	2,2–29,7 9,5	1,0–15,7 6,8
Mg2+	1,7–3,3 2,3	1,6–4,2 2,5	0,5–3,9 1,6	0,4–6,9 2,3
Na+	2,2–3,4 2,6	1,0–11,0 3,2	0,4–12,0 2,2	0,4–2,7 1,4
К+	0,48–0,83 0,60	0,29–2,50 0,69	<0,1–0,80 0,36	0,15–1,59 0,48
HCO3–	34,1–51,2 41,0	22,0–105,0 51,9	7,3–97,6 33,2	7,3–80,5 33,3
SO42–	6,4–14,6 10,9	<0,05–15,9 9,1	<0,05–52,3 7,2	<0,05–2,8 1,2
Cl–	0,10–1,00 0,35	<0,1–3,17 1,42	<0,1–2,20 0,26	<0,1–0,45 0,15
Si	1,7–2,5 2,1	2,0–3,3 2,5	0,8–4,6 2,3	0,9–3,3 1,8
NO3	<0,1–2,70 0,29	<0,1–1,40 0,27	<0,1–1,60 0,29	<0,1–1,02 0,21
Мобщ/TDS	55,9–84,3 69,8	29,4–147,0 80,4	10,9–136,4 54,4	9,7–106,3 45,6
Количество проб Quantity of samples	40	29	54	7

 

Характеристика природных вод бассейна р. Соболох-Маян

Маршрут по р. Соболох-Маян (Собопол) был выполнен в летний период 2015 г. и прошел от оз. Куоланда-Кюель, расположенного в пойменной части крупного правого притока (р. Куоланда), до приустьевой части.

По сравнению с другими изученными объектами, природные воды бассейна р. Соболох-Маян наиболее минерализованы и богаты ионами Mg²⁺, SO₄^2– и Cl^– (табл. 6).

Воды с самой высокой минерализацией 200–250 мг/л отмечаются в горном озере Куоланда-Кюель, расположенном в тектонической зоне вертикальных разломов Собопольского сдвига. Они отличаются хлоридным (>75 %-экв) кальциево-натриевым составом. Абсолютные содержания хлорид-иона достигают 85–110 мг/л, в то время как его фоновые концентрации в бассейне р. Соболох-Маян (Собопол) не превышают 3 мг/л.

Наиболее близкие по составу подземные воды (3) изучены в Усть-Вилюском районе Якутии, где при опробовании субкриогенного мелового терригенного водоносного комплекса были встречены также гидрокарбонатно-хлоридные, кальциево-натриевые воды, но со значительно более высокой минерализацией – от 1,7 до 4,0 г/л. (Усть-Вилюйская скважина № 6, 265 м) [38].

 $M \mathrm{2,0}\frac{Cl70 HC{O}_{3}45 }{Na 60 Ca 30 Mg 10}.$ (3)

Формирование подобной аномалии хлоридных натриевых вод в ландшафтной обстановке Западного Верхоянья интерпретируется однозначно как результат глубинной восходящей разгрузки поземных вод. Благоприятные условия для восходящей разгрузки глубинных флюидов создает вертикальная трещиноватость пород, сопровождающая сдвиговые разломы, широко распространенные в исследуемом регионе [11–13].

Заключение

Химический состав природных вод Предверхоянского прогиба, изученный в пределах бассейнов рек Томпо, Ляписке и Соболох-Маян (Собопол), разнообразен. Общая минерализация изученных вод, как правило, не превышает 200 мг/л, а преобладающее значение имеют традиционные для поверхностных вод ионы Ca²⁺, Mg²⁺, HCO₃^– и SO₄^2–. В долинах рек Ляписке и Соболох-Маян встречены и опробованы нетипичные для данной территории воды хлоридного натриевого и гидрокарбонатного натриевого состава.

 

Таблица 6. Химический состав поверхностных вод бассейна р. Собопол, мг/л

Table 6. Chemical composition of natural waters of the Sobopol river basin, mg/l

Компоненты Components	Основное русло Main riverbed	Заводи и протоки Backwaters and branches	Притоки Tributaries	Пойменные озера Floodplain lakes	оз. Куоланда-Кюель Lake Kuolanda-Kuel
pH
Eh
Ca2+
Mg2+
Na+
К+
HCO3–
SO42–
Cl-
Si
NO3
Мобщ/TDS
Количество проб Quantity of samples	112	5	40	6	4

 

Наблюдаемые гидрохимические аномалии указывают на современные процессы восходящей разгрузки глубинных флюидов из толщ в основании осадочного чехла по проницаемым зонам, связанным со складчато-надвиговыми дислокациями сочленения Сибирской платформы с передовыми структурами Верхоянья.

При сопоставлении химического состава рек в горной и платформенной части выявлено, что роль сульфат-иона доминирует в верховьях, где отмечены выходы гипссодержащих горных пород.

Представленные результаты отражают фоновые содержание основных химических элементов природных вод, распространенных в пределах Предверхоянского прогиба. Показаны закономерности распределения основных ионов, выявлены общие черты и различия между исследуемыми участками. Полученный фактический материал может послужить фундаментом для более детальных исследований, направленных на изучение процессов формирования состава природных вод в условиях распространения многолетней мерзлоты, а также применяться для обоснования комплекса гидрогеологических критериев прогноза нефтегазоносности осадочных бассейнов восточного обрамления Сибирской платформы.

About the authors

Denis S. Malkov

National Research Tomsk Polytechnic University

Author for correspondence.
Email: MalkovDS@tpu.ru
ORCID iD: 0000-0001-9614-7506

Postgraduate Student

Russian Federation, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050

Alexey I. Surnin

Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Raw Materials

Email: SurninAI@rusgeology.ru

Cand. Sc., Head of Department

Russian Federation, 67, Krasny avenue, Novosibirsk, 630091

Natalya V. Guseva

National Research Tomsk Polytechnic University

Email: GusevaNV@tpu.ru

Dr. Sc., Professor

Russian Federation, 30, Lenin avenue, Tomsk, 634050

References

Supplementary files