Методика и результаты изучения в скважинах полей гелия и радиогенного аргона на Урале тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.12 ВАК РФ

Принятые условные обозначения.

Введение.

I. Общие сведения о гелие и радиогенном аргоне.

1.1. Распространенность гелия в атмосфере, океане горных породах и подземных водах.

1.2. Изотопия гелия.

1.3. Процессы миграции гелия.

1.4. Общие сведения о радиогенном аргоне.

П. Аппаратура и методика исследований.

П.1. Приборы для проведения газового опробования в скважинах.

П. 1.1. Пробоотборники.

П.1.2. Оборудование для спуско-подъемных операций

П.1.3.-Вакуумный пост.

П. 1.4. Уровнемер.

П. 1.5. Устройство для дегазации.

П.2. Методика отбора проб воды и растворенного в ней газа.

П.2.1. Схема опробования.

П.2.2. Подготовка пробоотборника ПВГ-1С/45 к спуску в скважину.

П.2.3. Отбор проб.

П. 2.4. Терм о вакуумная дегазация.

П.З. Методика определения концентраций радиогенных газов.

П.3.1. Единицы измерения концентраций растворенных газов.

П.3.2. Порядок определения концентраций радиогенных газов.

П.3.3. Определение концентраций газов в случае проведения вакуумной дегазации.

П.3.4. Определение среднего коэффициента дегазации.

П.3.5. Определение концентрации гелия.

П.3.6. Определение концентрации радиогенного аргона.

П.4. Достоверность полученных результатов. 69 П.4.1. Ошибки из-за неустановившегося режима движения подземных вод в скважине.

П.4.2. Ошибки, связанные с утечкой гелия через стенки стекляных ампул при длительном хранении.

П.4.3. Приборные ошибки.

П.5. Изучение комплекса растворенных газов. 80 Ш. Результаты изучения полей гелия и радиогенного аргона.

Ш.1. Влияние осадочного чехла, высоты рельефа и глубины до кристаллического фундамента на распределение гелия в скважинах.

Ш.2. Поля гелия в различных тектонических структурах Урала.

Ш.З. Информативность полей концентраций гелия при изучении проницаемых зон в вертикальном разрезе.

Ш.4. Поля радиогенных газов в горных породах различного вещественного состава и возможность расчленения разреза.

Ш.5. Проницаемость рудных зон.

Ш.б. Применение радиогенных газов для генетической классификации месторождений.

Ш.7. Комплексирование термических и газовых исследований.

Ш.8. Оценка времени контакта подземных вод с горными породами.

Ш.9. Применение соотношения радиогенного аргона и гелия для геохронологической характеристики изучаемых объектов.

В,ыводы.

Список используемой литературы.

Актуальность проблемы.

Изучение концентраций гелия и аргона в различных природных средах, путей и способов миграции, измерения изотопных соотношений получили в последнее время широкое развитие. Гелий и аргон привлекаются для решения глобальных вопросов образования, развития и энергетики Земли для все более расширяющегося круга практических задач геологии и других проблем. Изучение концентраций гелия и аргона для познания строения земной коры позволит более успешно выполнить задачу расширения и укрепления минеральной базы, поставленную ХХУ1 съездом КПСС и июньским 1983 года пленумом ЦК КПСС "О мерах по ускорению научно-технического прогресса в народном хозяйстве" перед геологической службой страны.

До пятидесятых годов нашего столетия все исследования в области гелия и аргона велись, в основном, в связи с поиском и разведкой месторождений гелиеносных газов и разработкой гелиевого и калий-аргонового методов определения абсолютного возраста. Должного внимания полям концентраций гелия и аргона как источнику сведений о строении земной коры не уделялось, хотя еще в 1912 году В.И.Вернадский указал на возможность использования гелия для изучения газового дыхания Земли. Начиная с пятидесятых годов нашего столетия начала быстро расширяться область геологического применения гелия и аргона. Работами, выполненными Ю.П.Булашевичем, В.Н.Башориным, Э.К.Герлин-гом, B.C.Голубевым, А.Н.Еремеевым, Н.И.Мусиченко, И.Н.Толсти-хиным, А.И.Тугариновым, И.Н.Яницким, В.П.Якуцени и другими, была изучена информативность гелия и аргона при изучении земной коры, поведение этих газов в приповерхностной зоне, разработаны методика и аппаратура для определения содержания гелия и аргона в различных природных средах. Установлено, что образуясь при радиоактивных превращениях урана, тория и калия, гелий и аргон мигрируют, в основном, вместе с флюидами по различным проницаемым зонам [30].

Исследование миграции гелия по зонам проницаемых разломов было начато в Институте геофизики УНЦ АН СССР по инициативе Ю.П.Булашевича. В.Н.Башорин, занимавшийся этой проблемой в качестве аспиранта Института геофизики, является одним из авторов открытия "Закономерность распределения концентраций гелия в земной коре" (Еремеев А.Н., Башорин В.Н., Яницкий И.Н. и др. 1969г.). В настоящее время по изучению концентраций гелия в приповерхностной зоне земной коры надежно определяется наличие "живущих" разломов.

Распространенность изотопов гелия в солнечной системе такова, что отношение гелия-3 к гелию-4 равно в среднем п - 10""^

34]. Изучение изотопного состава гелия, распространенного в

7 ft земной коре, дает величину отношения порядка 10 f 10 . Для к предположительно мантийного гелия эта величина равна /?- 10 , что дает основание говорить о наличии в недрах Земли первичного гелия, захваченного при образовании планеты.

При решении ряда теоретических задач математического моделирования возможного теплового развития Земли, потоки гелия и аргона могут служить критериями, которые позволят сделать вывод о реальности той или иной модели [ 9 ].

Исследования, проводимые до последнего времени, в основном, ограничивались изучением поведения гелия и радиогенного аргона в приповерхностной зоне земной коры глубиной редко превышающей 200 метров. Распределению концентраций гелия и радиогенного аргона в глубоких горизонтах земной коры должного внимания не уделялось, хотя имелись отдельные сведения о сложной форме кривых зависимости концентраций гелия и аргона от глубины.

Цель работы.

Изучение геологической информативности вертикальных распределений концентраций гелия и радиогенного аргона. Включающее разработку аппаратуры и методики отбора и определения концентраций гелия и радиогенного аргона в водных пробах. Детальное исследование связи распределений гелия, растворенного в подземных водах с геологическим строением и тектоникой рудных полей. Изучение связи концентраций гелия и радиогенного аргона с вещественным составом горных пород. Получение фактического материала о концентрациях гелия и радиогенного аргона в разрезе скважин и выявление закономерностей этого распределения. Определение целесообразности комплексирования гелиевой съемки с термометрией с целью выбора оптимального интервала скважины для определения тепловых потоков.

Основные фактические данные получены при использовании разработанных в соавторстве пробоотборников типа ПВГ для отбора проб растворенных газов из скважин и анализе газов на аналитических установках, созданных на базах масс-спектрометров ПТИ-7А, МК-1309 и МБ -10.

Фактические материалы, которые легли в основу работы, представляют собой результаты изучения концентраций гелия и радиогенного аргона в 2000 проб из более чем 200 скважин, расположенных на Урале, Северном Казахстане и Приморье преимущественно на различных месторождениях минерального сырья. Максимальная глубина исследованных скважин достигает 2000 метров.

Научная новизна.

В результате исследований установлено, что кривые распределения концентраций гелия и радиогенного аргона в скважинах имеют сложную форму и несут геологическую информацию об изучаемых объектах.

Основные защищаемые положения.

1. Методика изучения концентраций гелия и радиогенного аргона в скважинах с помощью пробоотборников типа ПВГ.

2. Применение вертикального распределения гелия в скважинах для изучения проницаемых зон и решения некоторых вопросов генезиса месторождений.

3. Зависимость аргон-гелиевого отношения от вещественного состава горных пород и их Еозраста.

4. Факт приуроченности высоких концентраций гелия к рудным зонам колчеданных и магнетитовых месторождений, свидетельствующий о том, что проницаемые зоны, контролировавшие процесс рудообразования, являются более проницаемыми и в настоящее время.

5. Применение кривых распределения гелия при выборе оптимального интервала скважины для определения теплового потока.

Практическая ценность и реализация работы.

1. При непосредственном участии автора создана аппаратура и разработана методика изучения растворенных гелия и радиогенного аргона в скважинах.

2. Разработанная аппаратура и методика успешно используются при изучении газоопасности месторождений. Выявленные высокие ^до 60 мл/л)концентрации метана на одном из месторождений, были учтены при проектировании горных работ.

3. Полученные фактические данные по содержаниям гелия для железорудных месторождений позволяют использовать гелий для изучения генезиса месторождений.

4. Предложен способ определения возраста геологических процессов, который позволит получать информацию о возрасте геологических объектов в тех случаях, когда известными методами изотопной геохронологии это сделать затруднительно.

5. Изучение распределения гелия в вертикальном разрезе дает информацию о проницаемых зонах с нисходящим движением флюидов, которые невозможно обнаружить поверхностной гелиевой съемкой.

Апробация работы.

Отдельные вопросы, освещенные в работе, докладывались на:

Конференции молодых геологов и геофизиков "Совершенствование геологоразведочных работ и применение прогрессивных геологических, геофизических и геохимических методов". Свердловск, 1978 г.

Выездной сессии Научного совета Академии Наук СССР (отделение геологии, геофизики, геохимии) по комплексным исследованиям земной коры и верхней мантии. Свердловск, 1979 г.

Республиканском семинаре "Изотопные и радиометрические методы при поисках и разведке подземных вод". Киев, 1981 г.

Семинарах лаборатории ядерной геофизики Института геофизики УНЦ АН СССР.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 9 работ.

Объем работы.

Диссертация содержит /<£"7 страниц машинописного текста, состоящего из трех глав, введения, выводов. Работа иллюстрирована 49 рисунками, II таблицами. Список литературы содержит 89 названий.

В первой главе излагаются общие сведения о радиогенных гелие и аргоне, процессах образования и миграции, известных геологических приложениях гелиевых и аргоновых исследований. Во второй главе описывается аппаратура и методики проведенных исследований. В третьей главе рассмотрены результаты изучения полей радиогенных гелия и аргона, рассмотрена их геологическая информативность. Завершают работу выводы.

Работа выполнена в лаборатории ядерной геофизики Института геофизики УНЦ АН СССР под руководством член-корреспондента АН СССР Ю.П.Булашевича. В процессе работы автор постоянно пользовался поддержкой и научными консультациями к.г.-м.н. В.М.Ершова, к.т.н. Н.П.Карташова, к.г.-м.н. А.Н.Ковальчука, к.г.-м.н. В.Н.Башорина, к.ф.-м.н. Ю.В.Хачая. Выполнению работ способствовало творческое содружество с товарищами по работе В.В.Николаевым, В.А.Щаповым, М.Мингазовым, А.Ю.Соколовым, Т.И.Скворцовой, Л.О.Клепиковой, которым автор выражает признательность. Глубокую благодарность автор выражает научному руководителю член-корреспонденту АН СССР Ю.П.Булашевичу.

I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ГЕЛИЕ И РАДИОГЕННОМ АРГОНЕ

В этой главе изложены известные сведения о гелие и радиогенном аргоне, которые были использованы при выполнении предлагаемой работы.

ВЫВОДЫ

1. Для изучения растворенных в подземных водах газов по скважинам и в водоемах диссертантом в соавторстве созданы пробоотборники типа ПВГ, отличающиеся чистотой и полным сохранением отбираемой газовой пробы, большой глубиной исследования за счет цельнометаллической конструкции.

2. Разработана методика изучения растворенных газов с использованием пробоотборника ПВГ-1С/45.

3. Показано, что пригодность скважин для исследований растворенных газов определяется временем выстойки скважины после бурения, которое должно быть не менее месяца. Кривые изменения концентраций радиогенных газов в скважинах сохраняют свою форму и значения в течение всего времени жизни скважины, что обуславливает возможность количественной интерпретации.

4. Экспериментально установлена возможность расчленения разреза по аргон-гелиевому отношению, измеренному в водах скважин.

5. Рудные зоны на колчеданных и магнетитовых контактово-метасоматических месторождениях Урала выделяются в разрезе скважин высокими концентрациями гелия (первые мл/л) и радиогенного аргона. Столь же высокие концентрации приурочены к зонам дробления и другим нарушениям сплошности пород. Эта свидетельствует о том, что проницаемые зоны, контролировавшие процесс рудообразования, являются более проницаемыми и в настоящее время.

6. Из сравнения низких концентраций гелия в скважинах Северо-Гороблагодатского месторождения относительно типичных магнетитовых месторождений контактово-метасоматического типа установлена его вулканогенно-осадочная природа, подтвержденная геологическими данными.

7. По совокупности термических и гелиевых данных по Шад-ринскому месторождению минеральных вод показано, что насыщенные углекислотой минеральные воды поднимаются в мезо-кайнозойси V кие отложения по проницаемой зоне из палеозойского фундамента.

8. Обоснован и предложен в соавторстве способ определения радиологического возраста метаморфических пород на основе использования зависимости аргон-гелиевого отношения от времени.

9. По результатам изучения гелия в скважинах крупных тектонических структурах Урала (поднятиях и погружениях) отмечена корреляция концентраций гелия с величиной теплового потока. Наиболее низкие концентрации приходятся на Тагило-Магни-тогорский прогиб. Возможные объяснения такого явления - уменьшение содержания урана и тория в породах Тагило-Магнитогорского прогиба по сравнению с краевыми структурами Урала, либо сравнительно большая промытость пород прогиба из-за наличия большей раздробленности.

10. Применение гелиевого метода позволяет обнаружить вертикальные движения жидкости по скважине со скоростями на два порядка меньшими, чем по расходометрии. Это особенно важно при выборе оптимальных интервалов скважин для определения тепловых потоков.

11. Аномалии концентраций гелия в подземных водах проницаемых зон на 2-3 порядка превышают фоновые значения. Это определяет большую перспективность гелиевого метода при изучении разрывной тектоники рудных полей.

12. Попутно с изучением концентраций гелия и аргона были изучены концентрации других газов. В частности, установлены высокие концентрации (до 60 мл/л) метана и (до 20 мл/л) водорода в подземных водах сульфидных месторождений. Установлен количественный закон уменьшения концентраций растворенного кислорода с глубиной в подземных водах вулканогенно-осадочных пород Тагило-Магнитогорского мегасинклинория.

1. Башкатов Д.Н., Тесля А.Г. Гидрогеологические наблюдения при бурении и опробовании скважин на воду. М., Недра, 1970.

2. Белоусов В.В. Вопросы геологии гелия. Тр. геол.-развед. бюро газ. месторождений. Вып.6, ОНТЙ, 1934.

3. Болотин 10.А. Геологическое строение Подольского медно-кол-чеданного месторождения и условия локализации рудных телв закрытой структуре. Автореф. канд. диссертации., Алма-Ата, 1978.

4. Булашевич Ю.П., Карташов Н.П., Башорин В.Н. Коэффициенты диффузии радона и гелия в естественном залегании пород. Изв. АН СССР, Физика Земли, 1970, М.

5. Булашевич Ю.П., Башорин В.Н. 0 приуроченности высоких концентраций гелия в подземных водах к пересечению разрывных нарушений. ДАН СССР (математика, физика), 1971, т.201, №4, с.840.

6. Булашевич Ю.П., Башорин В.Н. 0 выявлении разломов на Свердловском профиле ГСЗ по повышенным концентрациям гелия в подземных водах. Кзв. АН СССР, Физика Земли, 1973, №3, с.93-100.

7. Булашевич Ю.П., Башорин В.Н., Дружинин B.C., Рыбалка В.М. Гелий в подземных водах на Свердловском профиле ГСЗ. ДАН СССР (математика, физика), 1973, т.208, М.

8. Булашевич Ю.П., Ершов В.М. Способ определения глубины разломов земной коры относительно геологических границ. A.c. 347718 (СССР). ВНИИ0НЭНГ.ЭН. Нефтегазовая геология и геофизика, 1973, №9, с.24.

9. Булашевич Ю.П., Хачай Ю.В. 0 связи выделения аргона и гелия из мантии с термической эволюцией Земли. Изв. АН СССР,1. Физика Земли, 1974, №7.

10. Булашевич Ю.П., Карташов Н.П. Распределение концентраций гелия в Северном Ледовитом океане. ДАН СССР, 1977, т.236, №, с.565-567.

11. Булашевич Ю.П. Закономерности распределения разломов по Свердловскому и Ишим-Барабинскому геолого-геофизическим профилям. В сб.Исследование гелиевых и тепловых полей Урала. Свердловск, Изд-во УНЦ АН СССР, 1980, с.38-45.

12. Булашевич Ю.П., Щапов В.А. Геотермическая характеристика некоторых структур Урала. В сб. Исследование гелиевых и тепловых полей Урала. Свердловск, УНЦ АН СССР, 1980, с. 17-23.

13. Булашевич Ю.П., Юрков А.К. Газы в подземных водах некоторых рудных районов Урала. ДАН СССР, 1980, т.253, №4, с. 932-935.

14. Булашевич Ю.П., Юрков А.К., Николаев В.В. Газонасыщенность пластовых вод месторождений "Восток-I" и "Восток-2". Отчет по хоздоговору с ЦНИИПП МЦМ СССР. Свердловск, Институт геофизики УНЦ АН СССР, 1980, 24 с.

15. Булашевич Ю.П., Дымкин A.M., Попов Б.А., Юрков А.К. Новые данные о вулканогенно-осадочной природе некоторых магне-титовых руд Урала. ДАН СССР, 1981, т.261, №6, с.1389-1391.

16. Булашевич Ю.П., Щапов В.А., Юрков А.К. Термогелиевая характеристика Шадринских минеральных вод на Урале. ДАН СССР, 1983, т.272, №4, с.832-834.

17. Вернадский В.И. Очерки геохимии. М., Наука, 1983, с.329.

18. Виноградов А.П. Среднее содержание химических элементов в главных типах изверженных горных пород земной коры. Геохимия, №7, 1962, с.555-571.19