Дж.Ж. Кендирбаева
Институт сейсмологии НАН КР, г. Бишкек, Кыргызстан
Аннотация. Приведены особенности гидротермальных систем в Кыргызском Тянь- Шане - единственных проявлений геотермальной деятельности земной коры, продолжающейся по настоящее время. Их показателями являются высокая температура, находящаяся в закономерной связи с наибольшими амплитудами неотектонического
«растяжения». Разгрузка термальных источников происходит из осадочно-метаморфических и интрузивных пород, а также из кайнозойских отложений, характеризуются аналогичными гидрохимическими характеристиками и синхронизирована с периодами активизации геологических процессов.
Ключевые слова: гидротермы, Кыргызский Тянь-Шань, неотектоническая активизация Актуальность проблемы
В земной коре основные типы гидротерм сосредоточены в 3-х зонах: первый- это регионы с современным горообразованием, к которым относятся Тянь-Шань, Прибайкалье, Алтай и Бурято-Охотск, второй- области, находящиеся на завершающей стадии альпийской геосинклинали- Кавказ, Копет-Даг и Памир, а третий- район современного вулканизма- Камчатка (Осика, 1981). В течение многих лет научные споры о природе термоминеральных вод (ТМВ) Кыргызского Тянь-Шаня не прекращаются, наоборот, набирают высокие темпы без оценки геотермальной деятельности земли.
Кыргызский Тянь-Шань представляет собой сложно построенную структуру, состоящую из артезианских бассейнов и гидрогеологических массивов. Они служат не только неисчерпаемыми кладовыми чистых питьевых вод, но и, благодаря глубинным разломам, выступают транспортирующим каналом гидрогеотермических полей и регулятором дыхания Земли. Вдоль крупных зон таких тектонических нарушений выявлена глубинная неоднородность, разделяющая структуры по мощности (до 40км), плотности (2,75-2,85г/см3) и вещественному составу. Именно из отдельных таких зон выходят источники с высокой температурой, а также с богатым набором ионов и экзотических газов.
Поэтому изучение вопросов особенностей гидротермальных систем Кыргызского Тянь-Шаня, где прослеживаются все этапы геологического развития (Чедия, 1986), представляет наибольший интерес, особенно с позиций раскрытия их взаимосвязи с внутренним теплом земли. Для достижения этой цели изучены многочисленные публикации по регионам с аналогичной историей геологического развития, а также привлечены гидрогеохимическое опробование скважин и собственные разработки лабораторно- экспериментальных работ (Иманкулов и др. 2016; Кендирбаева, 2015).
Методика исследований
Для решения поставленных задач определялись содержания H2S, O2 и CO2, Br- и I-, а также гелия (Не), дейтерия и ṍО18, pH и Eh, основанные на статистике, а их интерпретация совмещены с факторным анализом (Имашев и др., 2018).
Обсуждение результатов
В гидротермальных системах (≥40°С) по концентрации гелия от 2,6·10-4 до 1,110-
3мл/л, превышающей атмосферный фон, радона (226Ra/222Rn+4He) и дейтерия (ṍД‰), не свойственных инфильтрационным водам выяснена роль:
- эндогенных процессов, которые по разломам с наибольшими амплитудами смещения приводят к приближению в верхние части дневной поверхности мантийных веществ;
- типов структур- гидрогеологических массивов и артезианских бассейнов в проявлениях не только гравитационных, но и антигравитационных процессов;
- гистерезиса- внедрению геотермических процессов за счет тектонических процессов, а также асинхронности как механизма в геотермических системах (Иманкулов и др., 2017).;
Естественные гидротермы малой минерализации приурочены к абсолютным отметкам 2200 и более м, причем между набором и количеством компонентов, географическим положением и удаленностью от гидрографической сети выявлены закономерные взаимосвязи. Так, источники в Северном Тянь-Шане сосредоточены от 2200 до 2500-2600м, в Срединном, где характерна наибольшая высота рельефа, тяготеют к 2600- 2800м, а в Южном- от 2200 до 2800м известны субтермы в пределах первой надпойменной террасы, а из трещин, удаленных на расстоянии более 100м- термы и гипертермы.
Физико-химические различия ТМВ в местах разгрузки зависят долей участия поверхностных вод. Так, три групповые выходы ТМВ Алтын-Арашан, находящиеся на востоке Тескейского гидрогеологического массива, по термическим параметрам резко различны: первая- северная группа, выходящая вблизи русла р. Арашан, выклинивается на высоте 1900-2000м, с температурой 33-35,50С, рН- от 7,8 до 8,0, а Еh- от +200 +150мВ; к средней, тяготеющей к 2200-2300м, свойственно высокая температура (50-50,50С), щелочная среда (рН= 9,0-9,5) и переходные условия разгрузки (от 0 до +100мВ), тогда как для южной, приуроченной к высоте 2800м и удаленной на 300-400м от ее русла, характерны температура +56,50С (Кендирбаева, 2015).
В то же время выяснилось, что температурно-геохимический облик гидротерм региона не зависит от структурной приуроченности и глубины своей цикуляции (табл.1).
Таблица 1. Характеристика термоминеральных вод малой минерализации Типы
гидрогеологических структур
Вмещающие поро- ды и их геологи- ческий возраст
Т0С Мг/л Химический состав, мг-экв./%
Название ТМВ- водопунктов Гидрогеологические
массивы
Каледонские гра- нитные интрузии и метаморфичес- кие сланцы
32- 50,5
0,25- 0,3
HC03S04CI (Na+K)Ca S04CI (Na+K)Ca
Тескейская гидротермальная линия, Иссык- Ата, Аламедин, Кара-Балта и др.
Межгорные артезианские бассейны
Песчаники, конг- ломераты, брек- чии и паттумы верхнего неогена
30- 48
0,25- 0,8
HC03S04CI (Na+K)Ca S04CI (Na+K)Ca
Учкайнар, Джергалан, Каджисай
Бишкек, Курское и др.
ТМВ повышенной минерализации с содержанием H2S до 5 мг/л при рН 7,4-7,8, Eh от+120 до +140 мВ и температурой до 40-450С связаны с региональными надвигами, отделяющими горные массивы от бассейнов. В их солевом составе, кроме NaCl, имеются CaSO4, MgCl2, MgSO4 и Ca(HCO3)2. Они, циркулируя в терригенных породах, обладают отношением rNa/rCl 0,89-0,91, содержанием СО2 до 10мг/л, в некоторых H2S достигает от 5 до 17 мг/л при рН 7,65-7,95. Также присутствуют (мг/л) Br— в количестве 7,6-8,5 и H3BO3-от 1,4 до 4,1, H2SiO3 - от 7,6-12,9 и F— - до 7,3.
В этой связи главным направлением пользуются высокоамплитудные надвиги субширотного простирания, которые, протягиваясь на десятки и сотни километров, пересекают складчатые зоны во фронтальных частях. С ними связаны ТМВ с 2-х- и 3-х компонентным катионным составом, т.е. Na-Са, Na-Ca-Mg, Ca-Na, Ca-Mg-Na, которые фиксируются на площадях пресных и солоноватых вод в четвертичных толщах. Они по химическому составу и температуре подразделены на две группы:
- к первой относятся хлоридные натриево-кальциевые воды с М до 10 г/л и температурой 35,0-40,3°С, у которых с ростом М снижаются рН (7,4-6,5) при увеличении СО2 (13,7 мг/л) и повышении NaCl, MgCl2 и CaCl2, до 70-90%, но при М≥10 г/л CaCl2
достигает 19%, а степень метаморфизации, снижаясь от 0,7 до 0,4, становится ниже нормальной морской воды (0,87);
- вторая группа представлена хлоридно-сульфатными и сульфатно-хлоридными натриевыми натриево-кальциевыми ТМВ с М от1,0 до 3,4г/л. В них имеются (%) NaCl и Ca(HCO3)2, CaSO4, MgCl2 и CaCl2.
Сопоставляя эти группы, заключили, что минерализация гидротерм обязана высоким содержаниям Cl2 и Na, увеличивающимся при уменьшении SO2-4, Ca2+ и HCO-3.
Такое поведение ионов указывает на наличие процессов смешения, но распределение ионов в них не соответствует линейному закону, за исключением концентрации хлора.
Поведение последнего исходит из того, что он не сорбируется коллоидами и не накапливается биогенным путем, причем отклонение натрия и магния в сторону уменьшения, а кальция- на увеличение позволяет полагать о взаимосвязи между обменно- адсорбционными процессами и водами глинистых пород. Также сульфаты отклонены от линейного закона, т.к. равны 4550 ммоль/л, хотя должны быть около 20-24
Что касается сульфатов, по нашему мнению, это формы нахождения серы, различные для глубоких и приповерхностных условий: в первом случае она представлена газо-водяным флюидом, из которого по мере приближения к поверхности земли появляются H2S и его продукт S, окисленные до SO42-, этим самым увеличивается SO42-, а H2S снижается.
Именно по графикам установлены пропорции смешения флюида и холодных вод, причем в этом едином- водно-газовом потоке допускается также возможность совместной миграции не только седиментационных вод, но и слабых рассолов, вытесненных из глубоких частей бассейнов гидростатическим давлением и геостатистической нагрузкой.
Итак, наименьшая глубина поступления флюида по температуре принята 1950-2000м, причем об участии эндогенной составляющей свидетельствуют высокие концентрации гелия и фтора от 1,110-1 до 4,910-2мл/л и от 7,5 до 9,5 мг/л, а также их положительные корреляционные связи с SO42-
и температурой, отрицательные- с Eh и анионом НСО3-.
Гидрогеотермальные системы высокой и рассольной минерализации изучены по Ферганской депрессии, прослеживающей вдоль одноименного хребта на 240 км шириной около 70 км. Здесь в интервалах глубин 3194-4700м обнаружены термы с М от 13,7 до 42,9 г/л, концентрациями Br- 43,8 и I- 2,5 и NH+ 21 мг/л при низкой- от 0,48 до 1,8 сульфатности.
Их природа под экранирующей поверхностью надвига вполне очевидна, т.к. степень метаморфизации rNa/rCl составляют 1,01-1,05, на этих глубинах также зафиксированы углеводороды (УВ) при наличии метана (СН4) до 86-98% и его гомологов- C2H6 + C3H8 и СN2, не превышающих 2% и <12% соответственно. Близкие к ним термальные рассолы вскрыты на структурах Майлуу-Суу и Восточный Избаскент, содержащие Br- и NH4-
при метаморфизации rNa/rC 1,056-1,059, а также обнаружена малосернистая и легкая нефть. В них преобладают восстановительные условия- закрытость термической среды для образования вод, вытесняемых процессами дегидратации из глин (рис. 1). На этом фоне, самое главное, выявлена геотермическая инверсия- рассолы в геологических разрезах с высокой температурой, но снижающей книзу, сопровождается уменьшением Na+ Cl-, и Са2- Br-и I-за счет высокой щелочной обстановки для седиментогенных бассейнов.
В целом для азональных гидротерм, выходящих в гидрогеологических массивах, характерны высокие геотермические градиенты (более 70/100м), причем даже в безводных отложениях, а в артезианских бассейнах обнаружены как нормальные (до 30/100м), так и повышенные (более 30/100м) температуры, с которыми закономерно связан определенный облик гидропроявлений. Дело в том, что неотектонический этап, интегрируя всю историю геологического развития региона, сформировал структуры, куда за счет обновления древних и образования новых разломов, избирательно внедряются флюиды, а инфильтрационные воды проникают на глубины, достаточные для нагрева. Исходя из вышеизложенного, выделены два типа гидрогеотермических полей:
- первый- нормальный тип, с которым связаны самоизливающиеся термы низкой (до 1,0) и пониженной (до 3,0) минерализации (г/л), в которых преобладают гидрокарбонаты и
сульфаты, а среди катионов- натрий при подчиненном содержании кальция и хлоридов.
Здесь существует активная гидравлическая взаимосвязь с областями современного питания;
другой- повышенный тип, где циркулируют высоконапорные гидротермы с М от 15- 20 до 150г/л при хлоридном натриево-кальциевом и кальциево-магниевом составе, свидетельствующие об участии динамичного влияния температуры земной коры.
Рисунок 1 – Изменения минерализации и основных ионов гидротерм Выводы
Гидротермальные системы Кыргызского Тянь-Шаня являются ярким проявлением геотермальной деятельности земной коры, непрерывно протекающей по настоящее время, но блоковым строением структур создано неустойчивое равновесие между перераспределением внутреннего тепла и интенсивностью дегазации Земли.
Список литературы
1. Имашев С.А., Кендирбаева Дж.Ж., Свердлик Л.Г. лгоритмы и технологии программного обеспечения «Geocimistry» для гидрогеохимических эффектов при землетрясениях с К ≥10 // Вестник КРСУ № 1. 2018. С. 164-168.
2. Иманкулов Б.И., Кендирбаева Дж.Ж. Об исследовании подземных вод в межгорных впадинах Кыргызского Тянь-Шаня в свете теории систем /Глубинное строение, тепловое поле Земли, интерпретация геофизических полей. Екатеринбург. 2017. С. 206-210.
3. Кендирбаева Дж.Ж Гидрогеохимические параметры блоково-разрывной делимости плиоцена Кыргызского Тянь-Шаня (на примере Иссык-Кульского артезианского бассейна) //Вестник Института сейсмологии НАН КР. № 2. 2015. С. 51-59
4. Осика Д.Г. Флюидный режим сейсмически активных областей. М.: Наука, 1981. С. 204 5. Чедия О.К. Морфоструктуры и новейший тектогенез Тянь-Шаня.– Фрунзе: Илим.
1986. С. 314
УДК 550.82