ГлавнаяМинерализация вод. В большинстве мезозойских и палеозойских осадочных бассейнов общая концентрация растворенных в пластовых водах солей обычно увеличивается с глубиной (рис. 4.7). Скорость нарастания степени минерализации вод с глубиной, как правило, уменьшается, и максимум наблюдаемых значений общей минерализации достигает характерной для каждого бассейна величины. В Иллинойсском бассейне, например, эта величина составляет около 200 ‰. В Мичиганском же бассейне, который характеризуется присутствием эвапоритов, минерализация глубинных вод превышает 400 ‰. В более древних осадочных бассейнах латеральные вариации солености вод в пределах данной толщи отражают в целом морфологию дна бассейна. Линии изоконцентрат солености часто параллельны изолиниям глубины залегания фундамента бассейна, причем наиболее соленые воды занимают самые глубокие части бассейна.
Отчетливая инверсия солености с глубиной была установлена в кайнозойских песках и аргиллитах побережья Мексиканского залива. В Манчестерском поле шт. Луизиана до глубины около 3 км минерализация увеличивается с 120 до 200 ‰, а затем падает до 35 ‰, отвечающих солености морской воды, и даже ниже в осадочных породах с аномально высоким давлением флюидов. Количество воды, выделяемое при дегидратации монтмориллонита на глубине, вероятно, недостаточно, чтобы вызвать эту инверсию солености, и Осмастон предполагает, что вода в зонах высокого давления просто никогда не обладала такой высокой минерализацией, как вода толщ, залегающих непосредственно выше. Ho эта проблема далека от решения, так как в других областях высокого давления флюидов на побережье Мексиканского залива соленость эквивалентна или превышает минерализацию вод в вышележащих зонах гидростатического давления.
Главные растворенные компоненты. Каждый осадочный бассейн характеризуется уникальным набором составов вод, как ясно показал Де-Ситтер в работе о диагенезе седиментационных вод. Тем не менее можно сделать некоторые важные обобщения, касающиеся состава вод.
Большинство подземных соленых вод в песчаниках и карбонатных породах обогащено кальцием, стронцием, барием и фтором и обеднено натрием, калием, магнием и сульфат-ионом по сравнению с современной морской водой с таким же содержанием хлор-иона. Поведение бикарбонат-иона более сложно. Хотя в глубинных рассолах концентрации бикарбонат-иона обычно низки, в некоторых водах средних глубин и соленостей он является доминирующим анионом. Большая часть пластовых вод, обогащенных сульфат-ионом, приурочена к небольшим глубинам. Многие из этих характерных тенденций изменения состава вод иллюстрирует рис. 4.8 (построенный по данным Графа и др.), который показывает наблюдаемое обогащение или обеднение главными растворенными компонентами в процессе химической эволюции рассолов Иллинойсского бассейна. Так как концентрация хлор-иона растет с глубиной, на указанном рисунке, по существу, можно видеть типичную наблюдаемую и во многих других бассейнах, последовательность изменения состава вод с глубиной: от HCO3-(SO4)-вод малых глубин через Na-Cl-воды к Na-Са-О-водам.
Вследствие трудностей отбора образцов о составе подземных вод в глинистых осадках известно гораздо меньше, чем о составе вод в более проницаемых песчаных и карбонатных породах. Из исследований Уивера и Бека и Шмидта следует, что по крайней мере в осадочных породах побережья Мексиканского залива как солености (рис. 4.7), так и относительные составы вод в песчаных и глинистых отложениях сильно различаются. В зонах, характеризующихся гидростатическим давлением флюидов, соленость вод в аргиллитах в 4—10 раз ниже, чем в соседних песчаных породах. В некоторых зонах высокого давления флюидов их минерализация оказывается одинаково низкой в породах обоих типов (рис. 4.7). Уивер и Бек нашли, что концентрации натрия и калия в водах из аргиллитов были больше, чем в морской воде, а кальция и магния — меньше. Относительная распространенность анионов в норовых водах аргиллитов такова: HCO3 > SO4 > Cl и SO4 > HCO3 > Cl в противоположность водам из песчаных пород, в которых преобладает хлор-ион.
Кислотность и окислительно-восстановительный потенциал. Устойчивость многих рудных и жильных минералов в водных растворах удобно рассматривать в зависимости от кислотности и окислительно-восстановительного потенциала системы. В связи с этим очень важны измерения pH, Eh, рЕ или PО2 пластовых вод. Ho с удалением пластовых растворов от равновесных поверхностных условий прямые измерения этих параметров становятся всё более трудными.
Большинство измерений pH подземных вод проводится у забоя скважины или в лаборатории, где температуры обычно ниже, чем истинные температуры осадочных пород. В эти значения pH нужно вводить поправки на изменения констант диссоциации с температурой, чтобы рассчитать правильные величины pH. У чистой воды, например, pH уменьшается в ходе простого нагрева с 7,0 при 25° С до 5,8 при 150° С. В значения pH, приводимые в данной статье, поправки на глубинные условия не внесены.
Опубликованные величины pH соленых пластовых вод изменяются в среднем от 5 до 9. Анализы в обзоре Уайта и др. показывают связь общего состава рассолов со средними значениями pH: у сульфатно-бикарбонатных вод 8,0, у натрий-хлоридных 7,1, у натрий-кальций-хлоридных 6,7, Стандартное отклонение во всех случаях составляет 0,5 единицы pH. Как было показано выше, эта последовательность составов грубо соответствует росту глубины, и изменение pH, таким образом, наводит на мысль о постепенном высвобождении иона H+ при диагенезе.
Информация об окислительно-восстановительном состоянии пластовых вод очень скудна. Теоретически Eh можно рассчитать из данных по pH, температуре и относительной концентрации компонентов, участвующих в реакциях окисления-восстановления пар, например метан — двуокись углерода, нитрит — нитрат или сульфид — сульфат. Некоторые подземные воды содержат, например, большие количества серы одновременно и в сульфидной, и в сульфатной форме. Хотя это должно было бы определять окислительный потенциал этих вод, сульфат-ион инертен к неорганическому восстановлению при температурах ниже 250° С и равновесие может не достигаться, Результат можно считать удовлетворительным, если сходные данные получаются по нескольким окислительно-восстановительным парам, но такое совпадение при низких температурах наблюдается редко.