Estimation of the formation conditions of the Bishuli thermomineral water (Crimean Plain) by isotope geochemical methods

Full Text

Лечебные воды и грязи Крыма используются несколько тысяч лет, а их научное изучение и систематическая эксплуатация начались в советское время (Альбов, 1958, 1954, 1967, 1991; Коханович, 1964; Иванов, Невраев, 1964). Грязи, минеральные и термальные воды локализуются в трех гидрогеологических районах (рис. 1а) и обнаруживаются как на участках естественной разгрузки/залегания, так и скважинами.

Рассматриваемое в данной работе месторождение термоминеральных вод относится к гидроминеральной области Равнинного Крыма, где в основном эксплуатируется базальная пачка нижнего мела, представленная песчаниками, алевролитами, гравелитами. Горизонт имеет область питания в северном Предгорье, погружаясь на глубину 4.0–4.5 км в Равнинном Крыму и 5.5–6.0 км на западе Тарханкутского полуострова. Давление на устьях скважин составляет 5–15 атм., температура воды меняется от 50–90 °С на Центрально-Крымском поднятии до 180–190 °С на западе Тарханкутского полуострова. При удалении от области питания соленость увеличивается до 72 г/дм³, а ассоциация главных анионов меняется с хлоридно-гидрокарбонатной на гидрокарбонатно-сульфатно-хлоридную и далее на хлоридную при смешанно-переменном катионном составе.

Дебиты скважин, пробуренных в Крыму в 1950–1960-х гг. на минеральные воды, как правило, постепенно падают и в настоящее время значительно меньше первоначальных. Поэтому обоснование запасов глубоких горизонтов, а также оценка защищенности термоминеральных вод от загрязнения являются важными задачами. В данной работе условия формирования и эксплуатации термоминеральных вод «Бишули» (пос. Пятихатка, Центральный Крым) исследованы на основании изучения химического состава и содержания изотопных трассеров (²H, ¹⁸O, ¹³C, ³H, ¹⁴C).

 

Рис. 1. (а) Гидроминеральные области Крыма по С.В. Альбову (Геология СССР, 1974): А) Горный Крым – сульфатные и хлоридные (термальные в глубине) минеральные воды, газирующие N₂, реже CH₄, H₂S и CO₂; Б) Равнинный Крым – H₂S, N₂, CH₄ и смешанного газового состава солоноватые и соленые воды, холодные в верхних и термальные в глубоких частях бассейнов; В) Керченский полуостров – CO₂ воды в глубоких водоносных горизонтах, а также H₂S, N₂ и CH₄ холодные и термальные в неогеновых и нижележащих отложениях. (б) Гидрогеологический разрез по С.Л. Пугачу (Гидрогеология СССР, 1970): 1 – палеозойские метаморфиты; 2 – флиш верхнего триаса–нижней юры (таврическая серия); 3 – песчаники, глины и конгломераты средней юры; 4 – закарстованные известняки верхней юры; 5 – песчаники, конгломераты и известняки нижнего мела; 6 – известняки и мергели верхнего мела; 7 – известняки и мергели палеоцена; 8 – известняки и мергели эоцена; 9 – глины олигоцена–нижнего миоцена (майкопская серия); 10 – пески и известняки среднего миоцена; 11 – глины нижнего и среднего сармата; 12 – известняки и пески верхнего миоцена–плиоцена с глинами вверху; 13 – линии тектонических разрывов; 14 – водоносные комплексы и горизонты; 15 – водоупоры. (в) Геолого-гидрогеологическая колонка скважины № 38-Д.

 

ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕРМОМИНЕРАЛЬНЫХ ВОД «БИШУЛИ»

Начиная с 1991 г. минеральные воды «Бишули» добываются одной скважиной (№ 38-Д) из песчаников и алевролитов готерив-барремского водоносного комплекса с глубин 975–1182 м. Дебит скважины 20 дм³/с, статический уровень +172 м при отметке устья +60 м и понижении 27 м. Многолетний химический состав стабилен и выражается формулой (Кайсинова и др., 2016):

 

$М 1,3-1,4 \frac{HC{O}_3 52-57 Cl 27-28 S{O}_4 13-15}{(Na+K) 97-98 Ca 1-2 Mg 1-2}{H}_{2}Si{O}_3 0.046-0.050 рH 8.1-8.4t 53 °С.$

 

Воды не содержат специфических компонентов, H₂S = 0.92 мг/дм³ и ²²²Rn = 2.41 Бк/дм³ (Бальнеологическое…, 2014).

От верхних водоносных горизонтов комплекс отделен несколькими слабопроницаемыми толщами суммарной мощностью до 300 м (рис. 1б, в), что исключает наличие естественной гидравлической связи с поверхностью при хорошем техническом состоянии скважины. Предполагаемая область питания расположена на северных склонах Главной гряды, где готерив-барремский комплекс представлен песками, песчаниками и конгломератами. При удалении от области питания отмечаются фациальные замещения, приводящие к уменьшению водопроницаемости. Одновременно растет температура, достигая на забое скважин 100 °С (Самсонов, 1961).

 

Таблица 1. Изотопные трассеры в термоминеральных водах месторождения «Бишули» (2016 г.)

Параметр	Весна	Осень
3H, ТЕ*	< 0.5	< 0.1
δ13C, ‰ PDB**	н.о.	-9.3
δ18O, ‰	-13.5	-13.3
δ2Н, ‰	-95	-97

* – Ниже порога обнаружения при 10-кратном (весна) и 20-кратном (осень) электролитическом обогащении проб; ** – ошибка измерения изотопного состава углерода ±0.3 ‰.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

Измерения изотопного состава воды выполнялось в РЦ РДМИ Научного парка Санкт-Петербургского университета на лазерном изотопном анализаторе Picarro L2120-i с использованием стандартов МАГАТЭ и Американского геологического общества V-SMOW-2, GISP, SLAP, USGS45 и USGS46. Погрешность измерений составляет ±0.13 ‰ по δ¹⁸O и ±1.5 ‰ по δ²H. Результаты измерений приводятся в промилле относительно стандарта океанической воды V-SMOW. Измерение концентраций трития выполнено после 10-кратного (весна, табл. 1) и 20-кратного (осень, табл. 1) электролитического обогащения на жидкостном сцинтилляционном низкофоновом бета-спектрометре TR 3180 TR/SL с использованием сцинтиллятора Ultima Gold LLT (Perkin-Elmer). Измерение радиоуглерода выполнено после осаждения карбонатов и гидрокарбонатов с кальцием из пробы объемом 120 л с последующим синтезом бензола и измерением счетного образца на бета-спектрометре Quantulus1220. В качестве эталона использовался 5-кратный стандарт современного ¹⁴С. Радиоуглеродный возраст пересчитывался в календарный на основании калибровочной программы “OxCal 4.2” (калибровочная кривая “IntCal 13”, автор Christopher Bronk Ramsey, https://c14.arch.ox.ac.uk). Измерение изотопного состава углерода выполнено из навески, полученной при осаждении карбонатов, пробоподготовка которых производилась на установке GasPrep (фирма NU INSTRUMENTS), измерения – на масс-спектрометре Nu Horizon IRMS (фирма NU INSTRUMENTS) с использованием элементо-анализатора EuroVector.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты измерения изотопных трассеров в минеральной воде месторождения «Бишули» и сопутствующих объектах представлены в табл. 1 и 2.

Содержание трития оказывается ниже предела обнаружения, что указывает на хорошее техническое состояние скважины, обеспечивающее надежную изоляцию эксплуатационного горизонта от поступления посторонних вод.

Изотопный состав минеральной воды по кислороду-18 примерно на 5 ‰ легче современных среднегодовых осадков в потенциальной области питания водоносного комплекса. Он также значительно легче поверхностных и подземных вод в горной и предгорной частях полуострова, а также подземных вод верхних водоносных горизонтов в Равнинном Крыму (рис. 2). Принимая во внимание градиент изменения изотопного состава осадков от температуры, который для климатических вариаций равен 0.6 ‰ / 1 °C по кислороду-18 (Ферронский, Поляков, 2009), находим, что среднегодовая температура воздуха в период формирования вод была примерно на 5 / 0.6 ≈ 8-9 °C ниже современной. Такой климат на территории Крыма отмечался в период валдайского похолодания.

 

Таблица 2. Измеренный и расчетный изотопный состав атмосферных осадков, речных и грунтовых вод (среднегодовые значения состава осадков по Симферополю и Чатырдагу за 2011–2013 гг. по данным (Dublyansky et al., 2018)

Точки опробования	Абс. отметка, м н.у.м.	δ18O, ‰	δ2Н, ‰
Симферополь (средневзвешенное за 2011–2013 гг.)	280	-8.0	-55
Чатырдаг (средневзвешенное за 2011–2013 гг.)	980	-9.0	-61
пос. Пятихатка (расчет*)	60	-8.2	-54
р. Салгир (пос. Пятихатка)	57	-8.7	-51
Грунтовые воды (пос. Пятихатка)	-10	-8.7	-62

* – Расчет выполнен с помощью инструмента On-line Isotope in Precipitation Calculator (OIPC, Gabriel Bowen, OIPC2.2, ver. 7/2008 [http://wateriso.utah.edu/waterisotopes/pages/data_access/oipc.html]).

 

Рис. 2. Содержание изотопов δ²H и δ¹⁸O в водопроявлениях, опробованных в 2016 г. Локальная линия метеорных вод (показана штриховой линией) и средние значения состава атмосферных осадков по Симферополю и Чатырдагу даны по (Dublyansky et al., 2018). Условные обозначения: 1 – атмосферные осадки на Чатырдаге; 2 – атмосферные осадки в Симферополе; 3 – источники в горах и предгорье; 4 – реки в предгорье; 5 – подземные воды в Равнинном Крыму (неогеновый комплекс); 6 – скважина № 38-Д в Пятихатке; 7 – река Салгир в Пятихатке; 8 – грунтовые воды в Пятихатке; 9 – атмосферные осадки в Пятихатке (расчетное значение).

 

Радиоуглеродное датирование с учетом поправок на растворение «мертвых» карбонатов дает возраст воды 28±3 тыс. лет. В исследуемом регионе последний этап похолодания начался 33 тыс. лет назад (т.л.н.), достиг максимума 26.5 т.л.н. и завершился 18–20 т.л.н (Clark et al., 2009; Lisiecky, Raymo, 2005). В пределах последнего этапа похолодания выделяют днестровский межстадиал (в Европе – денекампe) – период 27–30 т.л.н., когда в районе Черного моря имел место плювиальный период (Gerasimenko, 2007; Герасименко, Матвиишина, 2007).

ВЫВОДЫ

Изотопно-гидрохимические исследования минеральных вод «Бишули» позволили установить их возраст 28±3 т.л., что относит их формирование к эпохе максимума последнего похолодания. Эта оценка подтверждается весьма легким изотопным составом воды δ¹⁸O = -13.4 ‰ и δ²Н = -96 ‰ (для современных вод характерны значения δ¹⁸O = -7.4…-8.7 ‰ и δ²Н = -50…-62 ‰) и многолетней стабильностью химического состава. Отсутствие трития в исследуемой воде указывает на достаточно надежную изоляцию эксплуатационного интервала от поступления поверхностных вод.

Согласно полученным результатам, минеральные воды на участке эксплуатации следует признать защищенными от антропогенного загрязнения, однако значительный возраст минеральных вод указывает на ограниченные ресурсы, поэтому эксплуатацию месторождения следует вести из расчета на упругие запасы.

Источник финансирования

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Совета Министров Республики Крым в рамках научных проектов 16-45-910579 «р_а» и 18-45-910007«р_а».

About the authors

G. N. Amelichev

V. I. Vernadsky Crimean Federal University Russia

Author for correspondence.
Email: lks0324@yandex.ru
Russian Federation, Simferopol

I. V. Tokarev

Center of X-ray diffraction studies at the Research park of St.Petersburg State University

Email: tokarevigor@gmail.com
Russian Federation, St. Petersburg

S. V. Tokarev

V. I. Vernadsky Crimean Federal University Russia

Email: lks0324@yandex.ru
Russian Federation, Simferopol

References

Supplementary files