ON THE ZONATION OF FLUID SYSTEMS OF THE SOUTHERN URALS AND THE CIS-URAL REGION

О ЗОНАЛЬНОСТИ ФЛЮИДНЫХ СИСТЕМ ЮЖНОГО УРАЛА И ПРЕДУРАЛЬЯ

Научная статья

Куделина И.В.*

Оренбургский государственный университет, Оренбург, Россия

* Корреспондирующий автор (kudelina.inna[at]mail.ru)

Аннотация

В исследуемом регионе развита горнодобывающая промышленность. Под влиянием флюидных систем и глубинных разломов сформировались залежи нефти, газа и разнообразных руд. Флюидные системы характеризуются вертикальной зональностью и являются активными участниками геологических процессов. На платформе и в зоне складчатости сформировались палеоподнятия и палеопрогибы со срединными массивами и эпигеосинклинальными орогенными системами, а также артезианские бассейны с залежами нефти, газа и битумами. Вокруг горнодобывающих предприятий растут площади техногенно нарушенных и опустыненных территорий. Истощение и загрязнение вод затрудняют обеспечение населения водой питьевого качества. Необходима программа защиты и рационального использования водных ресурсов с учетом зональности гидросферы.

Ключевые слова: флюидные системы, зональность, надкритическое состояние воды, разломы, зоны разуплотнения, прорывные технологии.

ON THE ZONATION OF FLUID SYSTEMS OF THE SOUTHERN URALS AND THE CIS-URAL REGION

Research article

Kudelina I.V.*

Orenburg State University, Orenburg, Russia

* Corresponding author (kudelina.inna[at]mail.ru)

Abstract

The Southern Urals and the Cis-Ural Region studied in this article have a developed mining industry. The influence of fluid systems and deep faults contributed to the formation of deposits of oil, gas and various ores. Fluid systems are characterized by altitudinal zonation and take an active part in geological processes. On the platform and in the folding zone, paleoelevations and paleodepressions with median mass and epigeosynclinal orogenic systems were formed, as well as artesian basins with oil, gas and bitumen deposits. Mining enterprises are being surrounded by the growing area of industrially disturbed and deserted territories. Water depletion and pollution make it difficult to provide drinking water to the population. There is a need for a program for the protection and rational use of water resources, taking into account the zoning of the hydrosphere.

Keywords: fluid systems, zonation, supercritical state of water, faults, decompression zones, breakthrough technologies.

Введение

Исследуемая территория включает районы Челябинской, Оренбургской областей, Башкортостана и Татарстана с площадью до 350 тыс. км² (рис. 1) и расположена в южной части уральского региона. На исследуемой площади развиты сельское хозяйство, горнодобывающая промышленность, лесо- и нефтегазопереработка, машиностроение и другие отрасли. Подземные воды и их вертикальную зональность территории изучали многие исследователи, считавшие платформенную и горно-складчатую части территории не взаимосвязанными.

 

Рис. 1 – Обзорная карта Южного Урала и Предуралья: 1 - исследуемые площади; 2 - гидрогеологические профили; 3 – исследованные участки

 

Представления изменились после экспериментального получения вод в надкритическом состоянии [11]. Было установлено, что воды в надкритическом состоянии играют важную роль в составе флюидов мантии и глубинных горизонтов земной коры и, возможно проявляют себя в составе «плюмов» в ядре Земли. Это соответствует положению В.И. Вернадского о единстве природных вод [1], которые формируют круговорот вещества на планете и внутри ее.

Глубинные флюиды рассматриваются с позиций участия в этом круговороте в виде фильтрационных или диффузионных потоков. При изучении этих вопросов необходимо учесть влияние хрупкого состояния вещества земной коры на формирование разломов и воздействие космических объектов на деформацию планеты, что проявляется в сжатии и разуплотнении пород. Отсутствие упругости пород проявляется в формировании зон трещиноватости, которая изменяется во времени. Если присутствует пластичность вещества земной коры, то механизм сжатия и разуплотнения пород способствует перемещению флюидов, выталкивая пластичное вещество из закрывающихся трещин или зон сжатия, и затягивания обратно при открытии трещин или из зон разуплотнения. Глубинные разломы формируются в хрупких породах. Они имеют место выше по разрезу от наиболее глубоких гипоцентров землетрясений. Ниже по разрезу трещиноватость замещается зонами разуплотнения вещества, перемещение которого проявляется в виде «плюмов». Глубины в 700-900 км можно условно считать нижней границей гидросферы, но следует учитывать, что от границы Конрада до глубин 700-900 км вода в надкритическом состоянии может легко терять свою устойчивость в той части разреза, где давление возрастает. При понижении давления воды из надкритического состояния переходят в гравитационное, увеличиваясь в объеме до 1,5 раз и с этим, по А.Я. Гаеву [3], может быть связан процесс формирования землетрясений. Далее с глубиной давление увеличивается, количество воды снижается, и мощные сотрясения сменяются менее мощными плюмами.

Основные результаты

По результатам палеогидрогеологического анализа Урала [2], его структурный план многократно перестраивался с формированием соответствующих комплексов осадков и этажей. При отмеченном геодинамическом механизме разломов восстанавливается связь флюидов фундамента и осадочного чехла. Флюиды перемещаются по разрезу. Древние разломы (доуралиды) северо-западного простирания и субмеридиональные уралиды контролируют месторождения углеводородов и рудных полезных ископаемых. Разломы являются критериями при поисках месторождений полезных ископаемых и усиливают влияние техногенеза на окружающую среду.

Сложились представления о глубинных флюидах и их вертикальной зональности. В верхней части разреза до границы Конрада выделена гидродинамическая зона трещинных гравитационных вод, далее, до глубин 700-900 км – гидродинамическая зона вод в неустойчивом надкритическом состоянии. Неустойчивость состояния обусловлена переходом воды в гравитационное состояние при понижении давления.

При многократной перестройке структурного плана и поднятии территории тектонические разломы обновлялись, и гидрогеологическая связь фундамента платформы с чехлом восстанавливалась. При прогибании территории происходило сжатие, приводящее к перемещению флюидов. Как уже было сказано, на платформе тектонические нарушения контролируют месторождения углеводородов, а в зоне складчатости – месторождения различных руд. С тектоническими нарушениями в регионе так же связано формирование речных долин и зон сосредоточения пресных подземных и поверхностных вод.

Учитывая важную роль флюидных систем и геотектоники в развитии минерально-сырьевой базы и отраслей хозяйства, программа исследования флюидных систем должна стать составной частью программы перехода к ноосфере, по В.И. Вернадскому, который еще в 1931 г. писал, что «гидрогеология … чрезвычайно сузила свои задачи» [1]. В течение последующих лет гидрогеология активно развивалась [5], [6]: издано большое количество научных изданий, в том числе «Гидрогеология СССР», «Основы гидрогеологии» под ред. Е.В. Пиннекера, работы по гидрогеологии континентов и океанов [4], [6], по картографированию регионов и оценке водных ресурсов. По словам С.Л. Шварцева, воды представляются природным ресурсом, а не как «компонент (стихия) окружающего мира». Роль их, как стихии, в понимании В.И. Вернадского и Ж.Б. Ламарка, попытались раскрыть Е.В. Пиннекер, С.Л. Шварцев и др. [9], в том числе, при формировании месторождений полезных ископаемых и экологической обстановки [6].

Для оценки влияния стихии на гидросферу необходимо раскрыть роль глобальных и региональных геодинамических процессов и зонировать флюидную систему планеты. Так, А.В. Кудельский [7] разделил эту систему на две части: с температурами ниже и выше надкритических (374-450^о С). Необходима дальнейшая детализация зональности флюидных систем, для обеспечения прогноза развития ситуации и разработки новых технологий в науках о Земле. Этому может способствовать открытие надкритического состояния воды [11]. В.И. Вернадский говорил, что «вода занимает особое положение и стоит особняком в истории нашей планеты». С.Л. Шварцев назвал это выражение великого ученого постулатом В.И. Вернадского [10].

Вода в гравитационном состоянии преобладает только до границы Конрада, а в остальной части планеты флюиды представлены водами в надкритическом состоянии. На исследуемой территории с длительной историей развития, воды имеют различное происхождение. Преобладают воды седиментогенные, инфильтрогенные и смешанного происхождения. На Южном Урале до глубины в 600 м распространены пресные воды, сменяемые глубже водами термальными, солеными и рассолами [2].

На каждом этапе развития региона формировались водоносные комплексы, водоупоры и этажи. Субаквальные бассейны переходили в переходные или субаэральные. В регионах Урала выделено 11 этапов перестройки структурного плана [2] с преобладанием бассейнов переходного типа. Это привело к формированию гидрогеологических этажей и подэтажей (рис. 2).

 

Рис. 2 – Вертикальная зональность гидросферы Предуралья (составили И.В. Куделина и А.Я. Гаев). Гидродинамические этажи: I – активного водообмена и регионального стока; II – затрудненного водообмена в низах осадочного чехла; III – трещинных, гравитационных вод до границы Конрада (6); IV – вод мантии до самых глубоких гипоцентров землетрясений (7) 700-900 км. Комплексы со стоком из пород: Mz-Kz: I-1; P_2-3 − 1-2; московско-кунгурских – II-1; франско-верейских (II-2) и протерозойско-кыновских (II-3). Зоны: гидрогенеза: карбонатного (А), сульфатного (Б), сульфатно-хлоридного и хлоридно-сульфатного (В), хлоридного (Г); Гидрогалогенеза: максимального (Д), равновесного (Е) и унаследованного (Ж). Гидрометагенеза (З в III и IV этажах)

  Выводы

В разных геологических структурах региона зоны сосредоточения подземных вод проявились не одинаково. В Казанско-Кажимском прогибе деформации оказались не до развитыми, но способствовали формированию к востоку от прогиба субмеридиональных сводовых поднятий, Предуральского прогиба и пост-миогеосинклинальной складчатой зоны. У западной части региона с тектоническими нарушениями связаны интрузии магматических пород. В результате на платформе сформировались своеобразные артезианские бассейны, а в складчатой зоне гидрогеологические массивы и адмассивы при подчиненном развитии бассейнов. На платформе сформировались палео-поднятия и палео-прогибы со срединными массивами и эпигеосинклинальными орогенными системами.

Вокруг горнодобывающих предприятий возрастает интенсивность техногенного опустынивания территории, загрязнения окружающей среды и истощения водных ресурсов. Это приводит к трудностям с обеспечением населения водой питьевого качества. Необходима разработка комплексной программы водо- и природопользования, как по отдельным районам, так и по региону, в целом. Программа должны учитывать закономерности в формировании зональности гидросферы и ее флюидных систем.

Конфликт интересов Не указан.

Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Вернадский В.И. История природных вод / В.И.Вернадский. – М.: Наука, 2003. - 751с.
2. Гаев А.Я. Гидрогеохимия Урала и вопросы охраны подземных вод / А.Я. Гаев. – Свердловск: Изд-во Урал. ун-та, 1989. - 368 с.
3. Гаев А.Я. Фундаментальные и прикладные проблемы гидросферы. Ч. 1. Основы гидрогеологии / А.Я. Гаев и др. : учеб. пос.– М.: Университетская кн., 2016.- 160с.
4. Гидрогеология СССР в 55 томах. – М.: Недра, 1970-1978.
5. Карцев А.А. Палеогидрогеология / А.А. Карцев, С.Б. Вагин, Е.А. Басков. – М.: Недра, 1969. – 151 с.
6. Кирюхин В.А. Гидрогеология XXI века – возможные пути развития / В.А. Кирюхин, В.М. Швец // Изв. ВУЗов. Геология и разведка, 2007, № 1. С. 56-63.
7. Кудельский А.В. Подземная гидросфера и геофлюиды земной коры и верхней мантии / А.В.Кудельский // Геофизический журнал, № 5. Т. 39. 2017. С. 3-26.
8. Шестопалов В.М. Очерки дегазации земли. / В.М. Шестопалов и др.// Научно-инж. центр НАН Украины. Ин-т геол. наук НАН Украины. Киев, 2018. – 632 с.
9. Пиннекер Е.В. Основы гидрогеологии. Общая гидрогеология / Е.В. Пиннекер, Б.И. Писарский, С.Л. Шварцев // Новосибирск: Наука, 1980.- 231с.
10. Шварцев С.Л. Будущее гидрогеологии – в резком расширении границ ее исследований / С.Л. Шварцев // Гидрогеология и карстоведение – Пермь, 2009. Вып. 18. С. 12–21.
11. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013; DOI:10.1073/ pnas.1220301110. [Electronic resource] URL: chemport.ru. (accessed 12.10.2020)

Список литературы на английском языке / References in English

1. Vernadsky V.I. Istorija prirodnyh vod [History of natural waters] / V.I. Vernadsky. – Moscow: Nauka, 2003. - 751p. [in Russian]
2. Gaev A.Ya. Gidrogeohimija Urala i voprosy ohrany podzemnyh vod [Hydrogeochemistry of the Urals and issues of groundwater protection] / A.Ya. Gaev. – Sverdlovsk: Ural Publishing House. University, 1989. — 368 p. [in Russian]
3. Gaev A.Ya. Fundamental'nye i prikladnye problemy gidrosfery. Ch. 1. Osnovy gidrogeologii [Fundamental and applied problems of the hydrosphere. Part 1. Fundamentals of hydrogeology] / A.Ya. Gaev et al. : textbook. settlement - M.: University book., 2016.- 160 p. [in Russian]
4. Gidrogeologija SSSR [Hydrogeology of the USSR] in 55 volumes. – M.: Nedra, 1970-1978. [in Russian]
5. Kartsev A.A. Paleogidrogeologija [Paleohydrogeology] / A.A. Kartsev, S.B. Vagin, E.A. Baskov. - M.: Nedra, 1969. — 151 p. [in Russian]
6. Kiryukhin V.A. Gidrogeologija XXI veka – vozmozhnye puti razvitija [Hydrogeology of the XXI century - possible ways of development] / V.A. Kiryukhin, V.M. Shvets // Izv. VUZov. Geologija i razvedka [Izv. Universities. Geology and Exploration], 2007, No. 1. P. 56-63. [in Russian]
7. Kudelsky A.V. Podzemnaja gidrosfera i geofljuidy zemnoj kory i verhnej mantii [Underground hydrosphere and geofluids of the earth's crust and upper mantle] / A.V. Kudelskiy // Geofizicheskij zhurnal [Geophysical journal], No. 5. Vol. 39. 2017. P. 3-26. [in Russian]
8. Shestopalov V.M. Ocherki degazacii zemli [Essays on land degassing]. / V.M. Shestopalov et al. // Nauchno-inzh. centr NAN Ukrainy. In-t geol. nauk NAN Ukrainy [Scientific-Ing. center of the National Academy of Sciences of Ukraine. Institute of geol. Sciences of the National Academy of Sciences of Ukraine]. Kiev, 2018. — 632 p. [in Russian]
9. Pinneker E.V. Osnovy gidrogeologii. Obshhaja gidrogeologija [Fundamentals of Hydrogeology. General hydrogeology] / E.V. Pinneker, B.I. Pisarsky, S.L. Shvartsev. – Novosibirsk: Nauka, 1980.- 231 p. [in Russian]
10. Shvartsev S.L. Budushhee gidrogeologii – v rezkom rasshirenii granic ee issledovanij [The future of hydrogeology lies in a sharp expansion of the boundaries of its research] / S.L. Shvartsev // Gidrogeologija i karstovedenie [Hydrogeology and Karst Science] - Perm, 2009. Issue. 18, P. 12–21. [in Russian]
11. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013; DOI:10.1073/ pnas.1220301110. [Electronic resource] URL: chemport.ru. (accessed 12.10.2020)