Формирование подземных флюидов Большого Кавказа и его обрамления в связи с процессами литогенеза и магматизма тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.09, доктор геолого-минералогических наук Лаврушин, Василий Юрьевич

• Лаврушин, Василий Юрьевич
• доктор геолого-минералогических наук
• 2008

Оглавление диссертации доктор геолого-минералогических наук Лаврушин, Василий Юрьевич

Введение

1. Фактический материал и методы исследований

1.1. Фактический материал

1.2. Методы полевых исследований

1.3. Методы лабораторных исследований

1.4. Методы оценки температур флюидогенерации

2. Особенности строения Кавказского региона.

2.1. Основные черты современного геологического строения Большого Кавказа и прилегающих осадочных бассейнов

2.2. История геологического развития Большого Кавказа

2.3. Мезо-кайнозойский вулканизм

2.4. Новейший (коллизионный) вулканизм

2.5. Вещественные особенности новейших вулканитов

2.6. Модели формирования горных систем в обстановке континентальной коллизии

2.7. Происхождение вулканизма на коллизионном этапе

3. Природно-климатические, гидрогеологические и изотопно-геохимические особенности флюидного режима Кавказского региона

3.1. Природно-климатическая характеристика

3.2. Гидрогеологическое строение

3.3. Газовая зональность минеральных вод

4. Инертные газы в подземных флюидах и тектоно-магматическая активность

4.1. Взаимосвязь флюидного и тектонического режима

4.2. Признаки современной мантийной активности по данным изотопии гелия

4.3. Тектоническая активность и изотопы аргона в газах Большого Кавказа

5. Особенности флюидного режима Большого Кавказа и его обрамления

5.1. Углекислые воды

5.1.1. Геолого-структурная приуроченность

5.1.2. Температура вод

5.1.3. Геотермические условия и глубины формирования вод

5.1.4. Особенности химического состава

5.1.5. Изотопный состав воды

5.1.6. Химический состав выделяющихся газов

5.1.7. Источники компонентов газовой фазы

5.1.8. Травертины как индикатор флюидного режима

5.2. Термальные азотные и азотно-метановые воды.

5.3.1. Геолого-структурная приуроченность

5.3.2. Температура вод

5.3.3. Особенности химического состава

5.3.4. Изотопный состав воды

5.3.5. Химический состав выделяющихся газов

5.3.6. Источники компонентов газовой фазы 129 Выводы

5.3. Холодные метановые воды грязевых вулканов

5.3.1. Область распространения

5.3.2. Геологическая позиция районов грязевого вулканизма

5.3.3. Состав твердых продуктов извержений

5.3.4. Особенности химического состава грязевулканических флюидов

• Химический состав воды

• Температурные условия флюидогенерации

• Химический состав газов

5.3.5. Изотопный состав грязевулканических газов

5.3.6. Генезис С-содержащих газов

5.3.7. Роль температур в формировании микрокомпонентного состава водыи013С (С02иСН4)

5.3.8. Изотопы бора в выбросах грязевых вулканов

5.3.9. Изотопный состав грязевулканических вод

5.3.10. Модели формирования изотопного состава грязевулканических вод

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование подземных флюидов Большого Кавказа и его обрамления в связи с процессами литогенеза и магматизма»

Актуальность. Данная работа проводилась по приоритетному направлению исследований РАН «Флюиды в земной коре и мантии Земли», в рамках которого были изучены разнообразные подземные флюиды Кавказского региона. Исследования затрагивали целый ряд фундаментальных проблем геологии. Определение изотопного состава гелия позволяет оценить в природных газах соотношение коровой и мантийной составляющих [Мамырин и др., 1970; Озима, Подосек, 1987; Поляк, 1988; Прасолов, 1990]. Не менее важно определение роли взаимодействия в системе «вода-порода» в формировании изотопно-химических особенностей пластовых вод и природных газов осадочных бассейнов горно-складчатых областей. Эти исследования в сумме дают представление о генезисе и о геохимических циклах воды и углеродсодержащих газов (СН4 и СО2), а также позволяют во многом прояснить механизмы формирования грязевулканических систем. Особенно актуальны такие исследования при изучении флюидов Кавказского сегмента Альписко-Гималайского горно-складчатого пояса, где формирование подземных вод определяется как процессами литогенеза осадочных пород, так и новейшей тектономагматической активностью.

Известно, что тектоническая активность влияет на геохимические особенности подземных флюидов [Масуренков, 1961; Дислер, 1971; Вартанян, 1977; Ломоносов и др., 1977; Пиннекер, 1977 и др.]. Особенно ярко это проявляется при тектоническом омоложении платформенных областей, которое сопровождается ускорением вертикальных движений и проявлениями молодого вулканизма. Под воздействием этих процессов меняется химический состав газов минеральных вод, который в генеральном плане эволюционирует от метанового к азотному и углекислому.

Эти идеи получили развитие во многих работах [Кононов, 1983; Поляк, 1988, 2003; Чудаев и др., 2000; Зверев, 2006; и др.] и на их основе можно связать изотопно-геохимические особенности природных вод с некоторыми тектоническими обстановками, выделенными в рамках плейт-тектонической парадигмы (океанические и континентальные рифты, зоны субдукции, магматические плюмы и т.д.). В диссертации проанализированы геохимические особенности минеральных вод Большого Кавказа и его обрамления, формирующихся в обстановке внутриконтинентальной коллизии.

Общей целью работы было определить изотопно-геохимическим опробованием термоминеральных источников генезис солевой, водной и газовой фаз основных типов минеральных вод региона, ассоциирующихся с различными геолого-структурными элементами Большого Кавказа и его обрамления. Для этого решались следующие задачи:

- уточнение ореолов глубинного магматизма по данным об изотопном составе гелия в подземных флюидах;

- исследование мантийного и корового источников метана и углекислоты в газовой фазе минеральных вод;

- реконструкция температурных условий формирования подземных вод;

- использование травертинов для реконструкции палеофлюидного режима;

- изучение эманаций грязевых вулканов региона с целью выяснения механизмов формирования грязевулканических систем;

Фактический материал. В основу работы положены результаты комплексного опробования минеральных источников Большого Кавказа и его обрамления, проведенного автором в период с 1994 по 2003 гг. Всего было обследовано более 300 минеральных источников, скважин и грязевых вулканов. Взятые образцы воды, газов и твердого вещества (грязевулканические брекчии, травертины) анализировались разными геохимическими и изотопными методами, дающими представление о содержании в них макро- и микрокомпонентов, включая редкоземельные элементы, и стабильных изотопов водорода, кислорода, углерода, бора, гелия, аргона.

Научная новизна и практическая значимость. Последние комплексные региональные исследования минеральных вод проводились в Закавказье более 20 лет назад [Буачидзе, Мхеидзе, 1989], а на Северном Кавказе еще раньше [Углекислые., 1963; Врублевский, 1962; 1969]. В результате сформировалось представление о химизме минеральных вод, и были выполнены первые определения некоторых изотопных характеристик спонтанно выделяющихся газов. К началу данной работы в практику геохимических исследований вошли методы многокомпонентного химического анализа воды (ЮР-МБ и ГСР-АЕБ), а также определения изотопного состава НгО, благородных газов (Не, Аг), уг-лерод-содержащих газов (СО2, СН4) и карбонатов.

Полученный этими методами массив изотопно-геохимических данных позволил сделать оценку соотношения мантийных и коровых компонентов в различных типах минеральных вод региона, а также реконструировать температурные условия их формирования.

На основе новых данных о величине отношения 3Не/4Не в газах минеральных вод Большого Кавказа была определена северная граница Казбекской вулканической области.

Детально исследовано распределение изотопов гелия вблизи вулкана Эльбрус и показана возможность использования изотопно-гелиевых данных для подтверждения наличия и конфигурации интрузивных тел, выделяемых геофизическими методами. Эти данные позволяют уточнить существующие геодинамические схемы Кавказского региона и вносят определенность в представления о механизмах формирования новейших вулканитов Большого Кавказа.

Впервые выполнены определения изотопного состава бора в выбросах грязевых вулканов Таманского полуострова и Восточной Грузии. Они, вместе с другими изотопно-геохимическими характеристиками (химическим и изотопным составом воды, газов и глины), свидетельствуют о формировании грязевулканических флюидов в едином резервуаре, расположенном в верхней части осадочного чехла предгорных прогибов и межгорных впадин региона. Новые данные об изотопном составе грязевулканических вод и разработанные на их базе модели формирования грязевулканических флюидов доказывают «элизионный» генезис грязевулканических систем, связанный с процессами трансформации глинистых минералов и органического вещества в осадочном процессе.

Полученные результаты представляют и практический интерес для использования минеральных вод в целях бальнеологии и в качестве объектов туризма. Приведенные в работе обильные материалы дают представление о многих бальнеологических характеристиках минеральных источников (температуре, минерализации, концентрациях Br, Si, Fe, As, СО2 и др.), а также их географических координатах. Это создает основу для ревизии бальнеологических ресурсов Большого Кавказа и Предкавказья, что может быть учтено при совершенствовании курортной и туристической инфраструктуры региона. Минеральные воды Кавказа можно также рассматривать как памятники природы, формирующие вокруг себя геохимические аномалии (естественные источники загрязнения), вокруг которых иногда образуются специфические биоценозы. Поэтому полученные данные должны представлять интерес для экологов. В некоторых случаях минеральные воды региона могут также рассматриваться в качестве сырьевой базы для извлечения полезных компонентов - I, Вг, Li, Rb, Cs, Sr, C02.

Полученные автором новые изотопно-гелиевые данные также имеют прикладной аспект, касающийся прогноза катастрофических явлений. На Северном Кавказе находятся активные вулканы Эльбрус и Казбек. Последние извержения Эльбруса происходили в начале нашей эры, а Казбека - в VIII веке до РХ [Гущенко, 1979; Богатиков и др., 1998; 2001; 2002]. Существует потенциальная опасность активизации этих вулканических центров, которая может вызвать катастрофические последствия (пеплопады, сходы крупных селевых потоков, паводки и т.п.). Новые данные по изотопии гелия могут быть использованы для планирования сети станций газохимического мониторинга вулканической и сейсмической опасности.

Апробация работы

По теме диссертации автором опубликовано 36 работ, из них 17 в реферируемых журналах. Основные положения работы были также апробированы на международных и всероссийских конференциях и симпозиумах по геохимии стабильных изотопов, нефтяной геологии и гидрогеологии. Кроме того все материалы исследований неоднократно докладывались на ежегодных научных конкурсных сессиях в ГИН РАН.

Структура работы. Диссертация состоит из следующих разделов: введения, четырех глав, заключения, приложения и списка литературы. Общий объем работы составляет 300, из них 211 страниц машинописного текста, 100 иллюстраций и 32 таблицы (из них 9 вынесены в приложение).

Защищаемые положения.

1. Углекислые воды Большого Кавказа представляют собой сложную систему, компоненты которой имеют разный генезис. По изотопному составу гелия и углерода СОг газы минеральных вод близки к газам верхней мантии, однако, судя по высоким значениям СОг/Не, на 1-3 порядка превышающим значения в MORB, доля метаморфо-генной СО2 значительно превышает магматогенную. Примесь метана в газах имеет коровое происхождение, и его повышенные концентрации маркируют надвиговую структуру Главного хребта. В питании источников доминирует атмогенная составляющая. В изотопном составе воды видны следы высотной зональности, типичной для современных атмосферных осадков. Отмечены признаки термической активности, приуроченные к центрам плиоцен-четвертичного вулканизма.

2. Метановые флюиды грязевых вулканов представляют собой гомогенную систему, все компоненты которой (газ, вода, солевая нагрузка) имеют коровый источник и формируются в едином резервуаре в верхних этажах осадочной толщи. Формирование изотопного состава воды грязевых вулканов лучше всего описывается моделью изотопного уравновешивания в системе «вода-иллит-метан». Эта модель согласуется с локальными оценками температур флюидогенерации и основными изотопно-химическими характеристиками газо-водных флюидов (химическим составом воды и величинами 5ИВ и 513Ссда), что доказывает элизионный генезис грязевулканических систем.

3. Высокие величины 3Не/4Не в Кавказском регионе отмечают области внедрения силикатного расплава в кору. Таким способом выяснена конфигурация магматической камеры Эльбруса, подтверждено наличие молодого интрузивного тела в разрезе Средне-Куринской впадины и определена северная граница Казбекской области новейшего вулканизма. Последняя, в отличие от Эльбрусской, не распространяется на Скифскую плиту, а ограничивается Передовым хребтом Большого Кавказа.

4. Геохимические характеристики травертинов позволяют реконструировать некоторые особенности древних флюидных систем: минерализации воды, спектра РЗЭ, концентрации некоторых элементов-примесей, а также для оценки температуры флюидоге-нерации. Однако они непригодны для определения изотопного состава углерода спонтанно выделяющейся СО2 и кислорода воды из-за кинетических эффектов фракционирования изотопов в системе «вода-СаСОз-атмосфера».

Благодарности. Исследования, положенные в основу данной работы, были частью многолетней программы по изучению распределения изотопов гелия в подземных флюидах суши. Автор выражает признательность Б.Г.Поляку, который в значительной степени осуществлял стратегию проводимых исследований, за постоянные консультации. Автор также благодарен O.A. Богатикову, А.Г. Кусраеву, А.Г. Гурбанову, В.И. Черкашину, М.К. Курбанову, Г.И. Буачидзе, Е.Г.Потапову, P.A. Магомедову, М.М. Меликову за помощь и всестороннее содействие в организации полевых работ на территории Северного Кавказа и в Закавказье. Автор весьма обязан В.К. Карандашеву и М.И.Степанец за высокое качество проведенных химических исследований образцов воды и твердого вещества, а также E.H. Дубининой, Б.Г. Покровскому, В.Н. Кулешову, И.Л. Каменскому за прекрасно выполненные изотопные исследования коллекции газо-водных флюидов, собранной автором. Всех перечисленных коллег, а также В.И. Кононова, М.Д. Хуторского, А.И. Бычкова автор сердечно благодарит за ценные советы, замечания и обсуждение материалов на различных этапах подготовки работы.

Заключение диссертации по теме «Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых», Лаврушин, Василий Юрьевич

Выводы

Полученные данные позволяют определить происхождение различных компонентов грязевулканических флюидов. Рассмотренные варианты формирования изотопных параметров грязевулканических вод Тамани и Грузии - результат формализации природных процессов в соответствии с топологией диаграммы 8180 - ЗБ. В связи с этим ни один из них не может полностью объяснить все имеющиеся геохимические и геологические характеристики грязевулканической деятельности. Можно лишь предположить, что наиболее близко соответствуют реальным наблюдениям два последних варианта эволюции изотопных параметров водной фазы грязевулканических выбросов. Совершенно очевидно, что эти процессы в природе протекают не изолированно, а могут накладываться друг на друга. Их разумное сочетание, вероятно, позволит исключить отмечаемые выше противоречия результатов расчетов с некоторыми геохимическими данными.

Наконец отметим, что рассмотренные в работе механизмы формирования изотопных характеристик вод грязевых вулканов, по-видимому, являются далеко не единственными. Например, миграция газоводных флюидов в пористых средах может сопровождаться мембранными эффектами, однако учесть их влияние на изотопный состав воды весьма затруднительно.

Реконструкция температурного режима формирования грязевулканических флюидов с помощью геотермометров в какой-то мере компенсирует пробел в наших знаниях о глубинах формирования грязевулканических систем и проясняет некоторые дискуссионные моменты, касающиеся особенностей их химического и изотопного состава. Сопоставляя геохимические особенности грязевулканических выбросов с расчетными температурами, удалось доказать, что обогащение сопочных вод некоторыми микрокомпонентами (например, 1л и В) происходит в результате увеличения температур взаимодействия в системе «вода-порода» и не связано с гипотетической разгрузкой флюидов эндогенного происхождения [Гемп и др., 1978].

То же самое касается и особенностей изотопного состава углерода метана и углекислоты. Линейная корреляция между 513С в газах и расчетными температурами (см. рис. 5.3.25) дает основание считать, что утяжеление изотопного состава углерода происходит в результате постседиментационных преобразований органического вещества. Кажется, что

13 он может отражать увеличение 8 С в газах, происходящее по мере расходования реакционно-способных форм органических соединений в литогенезе. Любопытно, что, в отличие от грязевых вулканов, подобные эффекты не сказываются на изотопном составе СО? углеводородных залежей Кавказского региона.

По-видимому, такие различия связаны с условиями циркуляции грязевулканических флюидов. В отличие от залежей, которые накапливают углеводороды, грязевулкани-ческие резервуары можно рассматривать как открытые (или частично открытые) газогене-рирующие системы. В них создаются условия для постоянного оттока газообразных продуктов разложения органического вещества. В таких условиях каждая последующая порция метана и углекислоты может иметь более тяжелый изотопный состав (легкий углерод расходуется быстрее). По мере погружения осадков эти тенденции должны усиливаться, что будет также соответствовать росту температуры флюидогенерации. Поэтому величины 813С (СОг) и (СН4) в газах Тамани коррелируют не только с геотермометрами, но и между собой.

Впрочем, такой механизм тоже не является универсальным, поскольку не объясняет часто наблюдаемых вариаций 813С(СН4) и 813С (СОг) в соседних сальзах одного вулкана. Возможно, более важную роль здесь играют процессы изотопного фракционирования углеводородов и СО2 в двухфазной системе «газ-вода», происходящие при их транспортировке по грязевулканическому каналу. Одним из следствий этого может быть также генерация метана (и углекислоты) из различных по молекулярному весу, и соответственно изотопному составу, фракций углеводородов [Буачидзе, Мхеидзе, 1989].

Суммируя обсуждение результатов, можно сформулировать основные выводы:

1. Грязевулканические воды Таманского полуострова и Грузии характеризуются диапазоном величин 5!80 (+0,7 +10,0 %о) и 8Б (-37 -н -13 %о). Как на Таманском полуострове, так и в Кахетии, в распределении величин 8Б и 8180 отмечается общая закономерность - изотопный состав грязевулканических вод утяжеляется с приближением к горному сооружению Большого Кавказа. В том же направлении изменяется химический тип грязевулканических вод от хлоридно-гидрокарбонатного натриевого к гидрокарбонатному натриевому («содовому»).

2. Значения 81) и 8180 коррелируют с температурами флюидогенерации, рассчитанными по гидрохимическим геотермометрам. Очевидно, что утяжеление изотопного состава грязевулканических вод является температурно-зависимым процессом.

3. Отмечены прямые корреляции величин 8Б и 3180 с концентрациями щелочных и щелочноземельных металлов, бора, НСОз и обратная - с концентрациями растворенных галогенов (С1, Вг, I). Они, по-видимому, указывают на активную роль в формировании изотопного состава воды процесса иллитизации смектита, сопровождающегося выделением рыхло-прочносвязанной воды и десорбцией микрокомпонентов из обменного комплекса смектита. Зависимость изотопных параметров от концентрации НСОз в растворе также указывает на вероятную связь с процессами преобразования органического вещества в литогенезе. Наличие обратной корреляции величин и 8180 воды с изотопным составом бора (8ПВ), входящего в обменный комплекс глин, подтверждает предположение о влиянии процесса перехода смектита в иллит на изотопный состав вод.

4. В рамках рассмотренных вариантов механизма формирования изотопного состава грязевулканических вод реконструированы изотопные характеристики воды древнего морского бассейна (Паратетиса), питающей грязевулканические системы Тамани и

Грузии. Вероятно, это был опресненный бассейн, вода которого характеризовалась значениями 5Б — -40%о и 5180 - -6%о.

5. Показано, что вода грязевулканических систем активно участвует в процессах постсе-диментационного преобразования минерального и органического вещества, что приводит к изменению ее изотопного и химического состава. Таким образом, вода не является инертным компонентом, каким ее можно было бы представлять при формальном рассмотрении гипотез о формировании грязевых вулканов в обстановках тектонической коллизии или уплотнения мощных молассовых толщ.

6. Полученные данные лучше всего согласуются с гипотезами «газового» и/или «элизи-онного» происхождения грязевулканических систем. При этом модельными расчетами показано, что изотопное переуравновешивание в системе «иллит-метан-вода» оказывает не менее сильное влияние на изотопный состав воды, чем процессы рэлеевской дистилляции-конденсации. Совокупностью этих процессов можно объяснить практически все изотопно-геохимические особенности грязевулканических выбросов.

7. Формирование грязевулканических вод происходит при температурах от 45 до -170 °С. В исследуемых регионах это соответствует глубинам от -1 до 4,5 км. На таких уровнях здесь залегают слои майкопской и ширакской свит. Отмечено, что как на Тамани, так и в Восточной Грузии вода вулканов, ближе всего расположенных к горному сооружению Большого Кавказа, формировалась при более высоких температурах.

8. С температурами, рассчитанными по гидрохимическим геотермометрам (1л-Ыа и 1л-М^), коррелируют концентрации многих элементов солевого состава (1л, Шз, Сз, Бг, Ва, В, I, НСОз). Это указывает на определяющую роль температуры в процессе формирования химического состава грязевулканических вод при взаимодействии в системе «вода-порода».

9. Существуют заметные различия геохимических характеристик жидких и твердых продуктов извержений вулканов Средне-Куринского и Индоло-Кубанского бассейнов. Судя по спектрам РЗЭ в глинистых фракциях пульпы, в заполнении Средне-Куринской впадины заметную роль играл материал вулканогенного (вулканогенно-осадочного) происхождения.

10. В каждом грязевулканическом районе по глинистым фракциям выявляется определенная минералогическая и химическая зональность относительно главных структурных элементов региона (горного сооружения Большого Кавказа).

11. Распределение 8ПВ величин (впервые определенных в воде и глинах грязевых вулканов Кавказа) также имеет зональный характер - минимальные значения 8ПВ (и в глине и в воде) характерны для предгорных районов. К центральным частям бассейнов они увеличиваются. Такая зональность может отражать повышение температур флюидоге-нерации с приближением к горному сооружению Большого Кавказа.

12. Величины 5ИВ коррелируют с температурами, рассчитанными по гидрохимическим

13 геотермометрам, и значениями 5 С в спонтанных газах (С02 и СН4). Столь тесная взаимосвязь геохимических характеристик твердых, жидких и газообразных составляющих выбросов грязевых вулканов указывает на их поступление из единого (геохимически уравновешенного) резервуара.

13. Исследования изотопов гелия в газах грязевых вулканов доказывают коровое происхождение С-содержащих газов (СН4 и С02). Таким образом, грязевой вулканизм (и скопления углеводородов в осадочных бассейнах региона) не может быть следствием «глубинной дегазации Земли».

14. Источником грязевулканических газов является кора. Однако в районах проявления магматической активности, фиксируемой по повышенным значениям 3Не/4Не, изотопный состав углерода метана заметно утяжеляется. Очевидно, это явление связано с аномальным прогревом пород, вызванным активностью мантии, что приводит к увеличению доли высокотемпературного (изотопно-тяжелого) метана. Этот вывод является следствием связи величины Я и теплового потока [Поляк, 1988], и согласуется с результатами реконструкции температур флюидогенерации по гидрохимическим геотермометрам.

15. Появление "ультратяжелой" углекислоты в грязевулканических газах не связано с влиянием магматических (мантийных) эманаций. Ее происхождение может быть результатом изотопного фракционирования в результате многоактной подземной дегазации и неравновесных условий разгрузки флюида.

В заключение следует заметить, что интерпретация некоторых результатов не всегда может быть однозначной. Например, по гидрохимическим геотермометрам удалось оценить глубины формирования грязевулканических вод в диапазоне от ~1 до 4,5 км. Но мы не знаем, насколько точно эти цифры отражают истинную глубину заложения «корней» грязевых вулканов (в первую очередь это касается оценок максимальных глубин).

Ответ на этот вопрос во многом зависит от принимаемой модели формирования грязевулканических систем. Например, если считать, что сопочные воды разгружаются из зоны аномально-высокого пластового давления (АВПД), сформировавшейся под влиянием каких-либо процессов в некотором объеме пород (грязевулканическом резервуаре), то полученные оценки температур и глубин можно с уверенностью приписать исходному резервуару. В этом случае из-за более высокого гидродинамического давления в канале вулкана, сообщающегося с зоной АВПД, поступление в него вод из субповерхностных водоносных горизонтов практически исключено. В пользу такой модели косвенно свидетельствуют многочисленные геохимические корреляции, обсуждаемые выше.

Несколько иные выводы можно сделать, если считать, что «движущей» силой грязевого вулканизма является сухой газ из разрушающихся газовых залежей, вскрытых тектоническими нарушениями (модель «газового» вулканизма). В этом случае, поднимающийся к поверхности поток газа способен создавать эффект эрлифта, захватывая воду (и грязь) из вышележащих пластов. Такая система будет открыта для притока воды, газа и пульпы из вышележащих слоев. В этом случае, полученные оценки температур могут рассматриваться как минимальные из возможных.

О существовании вулканов такого типа говорят, хотя и редкие, находки конденсационных вод (например, вулканы Байда и Южный Нефтяной), а также разгрузка «сухого» газа на некоторых вулканах. Возможно, что оба эти механизма сосуществуют в природе. Поэтому полученные нами результаты ни в коей мере не ставят точку в понимании многих дискуссионных проблем, связанных с явлением грязевого вулканизма.

Заключение

Региональные особенности флюидного режима Большого Кавказа подчеркивают структурный план региона, возникший в результате внутриконтинентальной коллизии. Это, прежде всего, относится к газовой зональности, в которой распространение азотно-метановых термальных вод маркирует амагматические районы с высокими скоростями вертикальных движений. Углекислые воды приурочены к области плиоцен-четвертичного вулканизма, расположенной в центральном секторе горной системы. Специфика Большого Кавказа обусловлена тем, что в коллизионном ансамбле участвуют континентальные плиты, имеющие мощный осадочный чехол, мезозойский этаж которого вовлечен в процессы горообразования, а кайнозойский - в основном заполняет предгорные и межгорные впадины. Мощность кайнозойских отложений достигает нескольких километров. В их толще формируются месторождения нефти и газа. Однако из-за активного тектонического воздействия нефте-газовые покрышки теряют свою целостность, что в конечном итоге способствует формированию грязевулканических систем.

Данные об изотопном составе гелия в газо-водных флюидах региона позволяют получить независимым методом объективную информацию о масштабах распространения и об источниках магматических расплавов плиоцен-четвертичных вулканических центров Большого Кавказа. Характер соотношения величин Не/ Не в газах и 878г/8б8г в вулканитах (рис. 4.2.) однозначно указывает на поступление расплава из верхней мантии и его контаминацию коровым материалом. Эти данные дают дополнительную информацию для анализа имеющихся геодинамических моделей формирования региона и для выяснения генезиса силикатных расплавов, образовавшихся на коллизионном этапе развития региона. Например, имеющиеся изотопные характеристики вулканитов и газов плохо согласуются с представлениями об образовании вулканитов в результате внутрикорового плавления [Короновский, Демина, 1996; 2007] или при проникновении силикатного расплава нижнемантийного происхождения [Бубнов, 2003; Ершов и др., 2001; 2004].

Исследования изотопов гелия в газах грязевых вулканов показало, что их формирование не связано с магматизмом - с «глубинной дегазацией Земли». Флюиды грязевых вулканов имеют коровое происхождение, генетически связанное с осадочным циклом преобразования органического вещества.

Сравнение изотопных и химических характеристик воды грязевых вулканов и минеральных источников Большого Кавказа показывает кардинальные различия в условиях их формирования. В горных районах преобладают воды трещинного типа, имеющими инфильтрационное питание. Они сохраняют изотопные характеристики воды атмосферных осадков, выпавших на соответствующих высотах. Однако при этом оценки температур флюидогенерации по гидрохимическим геотермометрам показывают, что солевой комплекс минеральных вод формируется на глубинах не менее 1,5 км. Их газовая фаза также имеет смешанное происхождение - в ней участвуют магматогенные и метаморфогенные компоненты (СО2, Не), коровые (СН4) и атмосферные газы (N2, Ar, Ne). Таким образом, углекислые воды представляют собой разнокомпонентную смесь, составные части которой имеют различный генезис.

Воды грязевых вулканов, напротив, формируются в едином геохимически-уравновешенном резервуаре, диапазон глубин (-1,5 + -4,5 км) которого соответствует положению в разрезе Индоло-Кубанского прогиба и Средне-Куринской впадины слоев майкопской и ширакской свит.

Другим важным аспектом исследования грязевулканических систем Кавказского региона является выявление латеральной геохимической зональности, сформированной температурно-зависимыми характеристиками флюидов: 8D и 5180 (в воде), гидрохимическими геотермометрами (Mg-Li и Li-Na), 8ПВ в глине, S13C(CH4) и т.д. Все они показывают на увеличение температур флюидогенерации с приближением к горному сооружению Большого Кавказа. Эти тенденции указывать на наличие региональной термоаномалии, возникшей в результате тектонической коллизии на Большом Кавказе.

В конечном итоге проведенные исследования позволяют сформулировать следующие защищаемые положения:

1. Углекислые воды Большого Кавказа представляют собой сложную систему, компоненты которой имеют разный генезис. По изотопному составу гелия и углерода С02 газы минеральных вод близки к газам верхней мантии, однако, судя по высоким значениям С02/Не, на 1-3 порядка превышающим значения в MORB, доля метаморфогенной С02 значительно превышает магматогенную. Примесь метана в газах имеет коровое происхождение, и его повышенные концентрации маркируют надвиговую структуру Главного хребта. В питании источников доминирует атмогенная составляющая. В изотопном составе воды видны следы высотной зональности, типичной для современных атмосферных осадков. Отмечены признаки термической активности, приуроченные к центрам плиоцен-четвертичного вулканизма.

2. Метановые флюиды грязевых вулканов представляют собой гомогенную систему, все компоненты которой (газ, вода, солевая нагрузка) имеют коровый источник и формируются в едином резервуаре в верхних этажах осадочной толщи.

Формирование изотопного состава воды грязевых вулканов лучше всего описывается моделью изотопного уравновешивания в системе «вода-иллит-метан». Эта модель согласуется с локальными оценками температур флюидогенерации и основными изотопно-химическими характеристиками газо-водных флюидов (химическим составом воды и величинами 8 В и 8 Ссн4Х что доказывает элизионный генезис грязевулканических систем.

3. Высокие величины 3Не/4Не в Кавказском регионе отмечают области внедрения силикатного расплава в кору. Таким способом выяснена конфигурация магматической камеры Эльбруса, подтверждено наличие молодого интрузивного тела в разрезе Средне-Куринской впадины и определена северная граница Казбекской области новейшего вулканизма. Последняя, в отличие от Эльбрусской, не распространяется на Скифскую плиту, а ограничивается Передовым хребтом Большого Кавказа.

4. Геохимические характеристики травертинов позволяют реконструировать некоторые особенности древних флюидных систем: минерализации воды, спектра РЗЭ, концентрации некоторых элементов-примесей, а также для оценки температуры флюидогенерации. Однако они непригодны для определения изотопного состава углерода спонтанно выделяющейся СОг и кислорода воды из-за кинетических эффектов фракционирования изотопов в системе «вода-СаСОз-атмосфера».

В заключение хотелось бы отметить, что полученные результаты не ставят точку в исследовании минеральных вод региона. Осталось довольно много вопросов, которые автор, не располагая соответствующими химико-аналитическими данными, вынужден был оставить за рамками данной работы. В частности несомненный интерес вызывают данные по обогащению минеральных вод Главного хребта бором, литием и другими специфическими компонентами. Также нет полной ясности по вопросу происхождения избыточного азота в углекислых водах Большого Кавказа. Проведение изотопных исследований этих элементов, вероятно, способствовало бы расширению наших знаний об источниках их высоких концентраций и геологических процессах, проходящих в недрах региона.

Список литературы диссертационного исследования доктор геолого-минералогических наук Лаврушин, Василий Юрьевич, 2008 год

1. Абих Г.В. О появившемся на Каспийском море острове и материалы к познанию грязевых вулканов Каспийской области // Тр. Геол. ин-та АзАН СССР, т. 13/39, 1939. С. 21-118.

2. Абрамович И.И., Клушин И.Г. Петрохимия и глубинное строение Земли. Л.:Недра, 1978. 375 с.

3. Авдулов М.В, Короновский Н.В. О геологической природе Эльбрусского гравитационного минимума // Вестник МГУ. Сер. 4. Геология, 1993. №3, С. 94-101.

4. Авдулов М.В. О геологической природе гравитационной аномалии Эльбруса // Изв. АН ССР, Сер. Геол. 1962, № 9. С.67-74.

5. Авдусин П.П. Грязевые вулканы Крымско-Кавказской геологической провинции: петрографические исследования. М.: Изд-во АН СССР, 1948. 192 с.

6. Адамия Ш.А. Особенности строения земной коры и верхней мантии Кавказа и его связь с современными структурами // Геофизические поля и строение земной коры Закавказья. М.: Наука, 1985. С.151-169.

7. Адамия Ш.А., Габуния Г.Л., Кутелия З.А., Хуцишвили О.Д., Цимакуридзе Г.К. Характерные черты тектоники Кавказа // Геодинамика Кавказа. М.: «Наука», 1989. С.3-15.

8. Азбель И.Я., Толстихин И.Н., Радиогенные изотопы и эволюция мантии Земли, коры и атмосферы, 1988. Апатиты:ГИ Кф АН СССР. 140 с.

9. Алексеев В.А., Алексеева Н.Г., Войтов Г.И. Новое об изотопном составе углерода углеродистых газов некоторых грязевых вулканов Таманской грязевулканической провинции // ДАН, 2000, т. 371, № 2, с. 227-230.

10. Альбов C.B. К вопросу о молодом вулканизме в Керченско-Таманской области. // Вулканизм и формирование минеральных месторождений в Альпийской геосинклинальной зоне (Карпаты, Крым, Кавказ). Новосибирск: Наука, 1973. С. 109 112.

11. Аракелянц М.М., Борсук А.М., Шанин Л.Л. Новейшая гранитоидная вулкано-плутоническая формация Большого Кавказа по данным калий-аргонового датирования // Докл. АН СССР. 1968. Т. 182. № 5. С. 1157-1160.

12. Арбузкин В.Н., Фельдман И.С., Трофименко Е.А. Результаты первого этапа электроразведочных работ АМТЗ и МТЗ в геналдонском ущелье // Вестник Владикавказского научного центра, 2004. т.4. № 3. С. 12-24.

13. Ахмедов Г.А., Куликов В.И., Керимов K.M. Геофизические поля и глубинное строение юго-восточного Кавказа // Геофизические поля и строение земной коры Закавказья. М.: Наука, 1985. С.33-43.

14. Балашов Л.С. Геохимия редкоземельных элементов. М: Наука, 1976. 267 с.

15. Барабанов Л.Н., Дислер В.Н. Азотные термы СССР. М.: Изд-во ЦНИИК и Ф, 1968, 120 с.

16. Белоусов В.В., Яроцкий А.Л. Грязевые сопки Керченско-Таманской области, условия их возникновения и деятельности. М.: ОНТИ НКГП СССР, 1936. 154 с.

17. Богатиков O.A., Гурбанов А.Г., Газеев В.М. и др., Активный вулкан Эльбрус и этапы его геологической истории // Катастрофические процессы и их влияние на природную среду. Т.1: Вулканизм. М.: МПНТ РФ, 2002. С. 291-320.

18. Богатиков O.A., Мелекесцев И.В., Гурбанов А.Г., Сулержицкий Л.Д., Катов Д.М., Пурига А.И. Радиоуглеродное датирование голоценовых извержений вулкана Эльбрус (Северный Кавказ, Россия) // ДАН, 1998, т.363, №2, С. 219-221.20.