ГлавнаяПроцессы, обусловливающие состав пластовых вод, все еще не поняты до конца. Любая удовлетворительная модель должна объяснить и общее увеличение минерализации вод с глубиной, и вариации относительных концентраций растворенных компонентов.
Взаимодействие с эвапоритами. Источниками некоторых соленых пластовых вод, в том числе рудообразующих рассолов центральной части шт. Миссисипи, несомненно, были растворы, взаимодействовавшие на глубине с эвапоритами, или инфильтрационные ультрасоленые воды, возникшие в пересыхающих поверхностных водоемах. При последующем диагенезе пород состав этих рассолов может изменяться. Заметное уменьшение содержания калия в эвапоритовых рассолах может быть, например, обусловлено образованием аутигенного калиевого полевого шпата.
Ho взаимодействие с эвапоритами не является универсальным решением проблемы происхождения подземных рассолов. Соленые воды известны в бассейнах, где отсутствуют эвапориты, и, кроме того, соотношение главных растворенных компонентов в некоторых рассолах нельзя объяснить только испарением и последующим изменением морских вод.
Фильтрация через мембраны. В 1947 г. Де-Ситтер высказал предположение, что рост солености с глубиной в осадочных бассейнах можно объяснить тем, что тонкозернистые глинистые осадки ведут себя как полупроницаемые мембраны, которые позволяют молекулам воды мигрировать вверх в процессе захоронения и уплотнения пород, но которые ограничивают или предотвращают перемещение растворенных компонентов. Этот механизм известен как мембранный, ультрафильтрационный или солевой фильтрационный эффект.
Теоретически основанием для того, чтобы рассматривать глинистые сланцы как полупроницаемые мембраны, служит наличие у частиц большинства глинистых минералов отрицательного заряда поверхности. Этот заряд частично обусловлен замещением в решетке минерала кремния алюминием, а алюминия — магнием. Таким образом, в водном растворе поверхность глины будет отталкивать анионы. Окружающая глинистую частицу зона, в которой концентрации анионов существенно понижены вследствие отталкивания, известна как диффузный слой, или слой Гюи. Если глинистый осадок достаточно уплотнен, так что слои Гюи смежных частиц глинистых минералов перекрываются, то концентрация анионов в поровых водах осадков эффективно уменьшается. Такая осадочная порода может затем служить полупроницаемой мембраной, не пропускающей анионы. Нейтральные молекулы, например H2O, H2CO3 и H2S, могут пройти через мембрану, а анионы задерживаются. Так как электронейтральность растворов за мембраной должна сохраняться, задержка анионов будет также приводить к дополнительной задержке катионов.
Толщина слоя Гюи и, следовательно, степень уплотнения, которая необходима для образования полупроницаемой мембраны, зависят от температуры, плотности заряда на отдельных глинистых частицах и концентрации и типов электролитов в поровых растворах. Согласно оценке Бернера, для растворов, обладающих соленостью морской воды, современные морские осадочные породы будут проявлять мембранные свойства, если при уплотнении их пористость уменьшается примерно до < 0,3. Из рис. 4.1 видно, что это может соответствовать глубине захоронения в интервале от 300 до 2700 м. При большей солености поровых вод или меньшей плотности заряда на глинистых породах для создания мембранных эффектов требуется большая степень уплотнения.
Одни заряженные частицы проходят через глинистую мембрану легче, другие — труднее. К факторам, влияющим на подвижность ионов, относятся избирательная адсорбция или отталкивание мембраной и относительные скорости в потоке флюида. Например, катионы, сильнее притягивающиеся к активным местам в глинах, должны задерживаться сильнее. Гидратированные ионы с большими радиусами будут испытывать большее гидравлическое торможение и иметь меньшие скорости. В системах, где скорости потока малы и гидравлическое торможение является второстепенным, теоретически предпочтительнее прохождение маленьких одновалентных катионов (Li > Na > К) и отставание больших двухвалентных катионов (Mg < Ca < Sr < Ba). Элементы, представленные в основном нейтральными комплексами, должны проходить через мембрану легче, чем элементы, присутствующие главным образом в виде ионов.
Экспериментальные данные, которые обобщили Хэншоу и Коплен и Харака и Берри, подтверждают мембранные свойства уплотненных глин. Харака и Берри нашли, что степень отставания одно- и двухвалентных катионов в глинистых мембранах подчиняется приведенной выше последовательности. При градиентах давления, характерных для глубинных условий, кальций должен задерживаться сильнее, чем натрий. Хлор-ион и сульфат-ион задерживаются сильнее, чем бикарбонат-ион.
В толще осадочных пород, играющих роль мембраны, вследствие разницы в значениях фугитивности воды должен возникнуть поток. Он будет направлен к той стороне мембраны, где фугитивность ниже, а скорость его будет зависеть от величины градиента фугитивности и легкости, с которой молекулы воды могут проходить через мембрану, т. е. от мембранной проводимости. Разница в значениях фугитивности может быть результатом различий напора Ah (уравнение 4.4), общей минерализации Ac, электрического потенциала Ae и температуры AT. Движения жидкости, возбуждаемые этими механизмами, называются соответственно гидравлическим потоком, осмосом, электроосмосом и термоосмосом. Олсен исследовал движение водных растворов через плотный каолинит при гидравлическом, осмотическом и электрическом градиентах. На основании работы Олсена, общий поток флюида J через каолинитовую мембрану может быть описан уравнением
где Kh — коэффициент проницаемости (Kh = epg/n), a Kc и Ke — коэффициенты осмотической и электроосмотической проводимости соответственно, L — толщина мембраны. С ростом уплотнения глины отношения (Kc/Kh) и (Kc/Kh) увеличиваются, и относительная роль осмотического и электроосмотического градиентов все более возрастает.
Если вообще существуют градиенты гидравлического давления, достаточные для того, чтобы вода перемещалась вверх, через уплотненные глинистые мембраны, преодолевая влияние осмотических градиентов, то глинистые породы могут способствовать концентрации солей в глубинных водах по механизму, который предполагал Де-Ситтер. Пока продолжается фильтрация раствора через мембрану, степень минерализации глубинных вод увеличивается и они избирательно обогащаются теми катионами и анионами, которые задерживаются мембраной. Согласно этому механизму, глубинные воды должны становиться не только более солеными, но и обогащаться, например, кальцием и калием относительно натрия, что в действительности характерно для некоторых бассейнов (рис. 4.8). Нужно иметь в виду, что к фракционированию растворенных компонентов могут привести и другие процессы, например ионный обмен на рассредоточенных глинистых минералах пород, не обладающих мембранными свойствами. Одного ионного обмена, однако, недостаточно для увеличения общей минерализации подземных вод.
Бредехофт и др. предположили, что достаточные гидравлические градиенты для мембранной фильтрации могут создаваться в центральных частях наклоненных или сильно прогнутых впадин, в которых области питания более глубоких водоносных горизонтов расположены гипсометрически выше, чем области питания водоносных горизонтов, лежащих стратиграфически выше и приуроченных к центральной части бассейна. Градиент напора, вызванный разницей высот областей питания, может при идеальных условиях позволить водам проникать в бассейн через его поднятые края, стекать по глубоким водоносным горизонтам, а затем подниматься через толщу перекрывающих глинистых мембран в центре бассейна. Значительные вертикальные градиенты образуются также в областях быстрого осадконакопления, подобных побережью Мексиканского залива (рис. 4.4). Ho некоторые из этих областей высокого давления флюида запечатаны толщами сланцев очень низкой проницаемости, и вполне вероятно, что скорость потока через такие толщи слишком мала, чтобы привести к существенной фильтрации. Скорости потока в бассейне Мексиканского залива все еще не определены.
Анализ вариаций bD и b18O для пластовых вод Северной Америки показывает, что основным источником H2O в глубинных рассолах являются атмосферные поверхностные воды. Этот важный вывод означает, что происходит непрерывная глубокая циркуляция пресных поверхностных вод с вымыванием реликтовой морской H2O и задержкой растворенных солей в донных толщах бассейна. Такой процесс согласуется, следовательно, с механизмом мембранной фильтрации по Бредехофту и др. Мы еще многого не знаем о влиянии дегидратации, ионного обмена и фракционирования на изотопный состав пластовых вод, а хорошо поняв эти процессы, можно было бы количественно оценить роль атмосферной H2O в формировании глубинных рассолов.
Эффективность мембранной фильтрации должна постепенно уменьшаться с глубиной, так как воды становятся более солеными и плотность заряда на глинах при диагенезе уменьшается. Кроме того, исследования Олсена показывают, что при высоком уплотнении глин потребовались бы большие гидравлические градиенты для преодоления осмотических сил, которые перемещают воду вниз, к контакту мембраны с более минерализованными растворами. В глубоких частях некоторых бассейнов (рис. 4.7) увеличение степени минерализации вод с глубиной практически прекращается, что, возможно, отражает уменьшение эффективности глинистых мембран с глубиной захоронения. Модель мембранной фильтрации согласуется со многими особенностями химического состава пластовых вод. Нужно, однако, согласиться с Манхеймом в том, что необходимо скрупулезно собирать дополнительные данные по гидравлическим градиентам и скоростям потоков, чтобы выяснить возможную роль фильтрации в определенных бассейнах.
Другие механизмы. Согласно эффекту Соре, растворенные соли должны диффундировать в направлении термического градиента и концентрироваться в более холодной части раствора. В осадочном бассейне это привело бы к образованию наиболее соленых и плотных рассолов на самых малых глубинах, т. е. к гидродинамической нестабильности. При наличии ионообменной среды, например пород с рассеянными глинистыми минералами, миграция примет обратное по сравнению с эффектом Соре направление, и ионы будут диффундировать к участкам, где раствор теплее. По оценке авторов этой последней работы, в стационарных условиях обогащение растворов хлор-ионом может достигать 5% на каждые 100 м глубины. Дандюран и др. описывают механизм концентрации солей и рудообразующих компонентов по эффекту Соре. Для этого требуется, однако, горизонтальный термический градиент, что, как правило, неприложимо к седиментационным бассейнам.