А. Д. Барабашова, В. И. Пчелинцева. О связи гидрохимической и газовой зональностей в условиях восточной части Донбасса

Известно, что химический состав подземных вод по вертикальному разрезу не остается постоянным и находится в тесной связи с газовой зональностью [1]. В настоящем сообщении эта проблема рассматривается применительно к условиям восточной части Донбасса.

Для данной территории характерна следующая вертикальная гидрохимическая зональность подземных вод.

На верхних горизонтах, начиная от поверхности, наиболее интенсивно прогекают процессы выщелачивания и растворения солей, в первую очередь, галита, гипса и кальцита, находящихся в покрывающих карбон кайнозойских отложениях.

Вода, содержащая углекислоту, является хорошим растворителем и при фильтрации через покровные отложения происходит обогащение ее не только хорошо растворимыми солями, но и малорастворимыми (такими как СаСО₃, MgC0₃). Выщелачивание карбонатов и сульфатов кальция и магния, а также обогащение солями натрия в результате замещения его в поглощенном комплексе грунтов на кальций, приводит к формированию в поверхностной зоне гидрокарбонатно-сульфатных, сульфатно-гидрокарбонатных, натриево-кальциевых и кальциево-натриевых вод. Наряду с этим, в поверхностной зоне (зоне выветривания) протекают процессы, ведущие к обогащению вод сульфатами за счет сульфидов, в больших количествах содержащихся в каменноугольных породах.

Процессы окисления сульфидов и переход их в сульфаты могут быть представлены в следующих вариантах:

1) 2FeS₂ + 2Н₂О + 7О₂ = FeSО₄ + 2H₂SO₄;

2) 2FeS+2О₂+2CО₂+2H₂O = FeSO₄ + F(HCО₃)₂ + H₂S.

Свободная серная кислота вступает в реакцию с углекислым кальцием, в результате чего образуется гипс и свободная углекислота:

Процесс этот ведет к накоплению в подземных водах сульфатов. Одновременно, вследствие катионного обмена между водами и щелочными натриевыми глинистыми сланцами, возрастает содержание ионов Nа, что и приводит к образованию сульфатных натриевых вод.

Сульфатные воды, проникая на все большую глубину, входят в зону прекращения притока вод, содержащих кислород, т. е. попадают из окислительной обстановки в восстановительную. Здесь наблюдается десульфатиэация вод. Считается, что процесс десульфатизации проходит в водах, содержащих органические соединения, в частности метан.

Очень широко известны в литературе [1] следующие реакции:

Процессы обогащения подземных вод натрием, при одновременном уменьшении содержания кальция и магния и явления десульфатизации приводят к тому, что к нижним горизонтам наблюдается переход подземных вод к гидрокарбонатно-хлоридному натриевому, хлоридно-гидрокарбонатному натриевому и хлоридному натриевому типам.

В очень тесной связи с химическим составом подземных вод находится и состав растворенных в них газов.

Поверхностные воды, насыщенные воздушными газами, при своем движении в недра земной коры постепенно теряют кислород, углекислый газ и азот.

Аналогичное распределение газов угольных пластов и вод в отложениях карбона неслучайно. Оно показывает, что образование газовых зон в значительной степени обусловлено переносом газов в водном растворе. С инфильтрационными водами в недра земли поступают газы воздушного и биохимического происхождения.

В обратном направлении идет перемещение газов метаморфического происхождения (в основном метана).

В результате смешивания газов воздушного и метаморфического происхождения формируются различные по компонентному составу газовые зоны.

Первая зона приурочена к верхним горизонтам, где циркулирует гравитационная вода. Эта зона в большинстве случаев развита в области распространения в угленосной толще азотно-углекислых и углекисло-азотных газов.

Ниже следует переходная зона - зона газ-вода, где поры, заполненные ведой, перемежаются с порами, заполненными газом. Здесь уже почти нет циркулирующей гравитационной воды и газы, в основном, являются метано-азотными и азотно-метановыми.

Третья зона - зона чисто метановых газов - характеризуется отсутствием гравитационной воды и наличием застойной - гигроскопической и пленочной,

Таким образом, газ непрерывно перемещается из метановой зоны к дневной поверхности через зону газ-вода. Попадая в зону циркулирующей гравитационной воды (зона свободного водообмена), метан быстро выносится.

А. И. Кравцов установил закономерную связь химического состава подземных вод и газов для угольных месторождений. Им выделены пять типов подземных вод, сменяющих друг друга с углублением в угленосную толщу:

1) воды гидрокарбонатные кальциевые и гидрокарбонатные магниево-кальциевые (газы азотно-углекислые);

2) воды гидрокарбонатные кальциевые и сульфатно-гидрокарбонатные натриево-кальцневые (газы углекисло-азотные);

3) воды сульфатные натриевые, гидрокарбонатпые натриевые и гидрокарбонатно-сульфатные натриевые и натриево-кальциевые (газы метаново-азотные);

4) воды гидрокарбонатные натриевые (газы азотно-метановые);

5) воды гидрокарбонатные натриевые, гидрокарбонатно-хлоридные натриевые и хлоридные натриевые (газы метановые).

На территории Восточного Донбасса установленная связь гидрохимической и газовой зональности подтверждается в общих чертах. В деталях же имеются некоторые отличия, которые обусловлены пестрым химическим составом подземных вод, сложностью тектонических условий и другими геологическими факторами. Описание взаимосвязи гидрохимческой и газовой эональностей но отдельным районам Восточного Донбасса приводится ниже.

Каменско-Гундоровский угленосный район. Среди подземных вод каменноугольных отложений этого района выделяется три гидрохимические зоны:

Зона сульфатно-гидрокарбонатных и гидрокарбонатно-сульфатных кальциевых, кальциево-натриевых, натриево-кальциевых и магниево-кальциевых вод. Мощность этой зоны непостоянна и изменяется от 100 м в сводовой части Изваринской антиклинали до 200 м в замковой. В пределах Северо-Каменской синклинали мощность ее равна 200-220 м. На юг и юго-запад нижняя граница зоны постепенно поднимается и в пределах Южно-Каменского и Деревеченского участков мощность зоны составляет 80-120 м.

Нижняя граница гидрохимической зоны совпадает почти повсеместно с нижней границей распространения углекисло-азотных газов. Только в пределах замковой части Изваринской антиклинали (шахты № 54, Станичная) зона углекисло-азотных газов погружается на гораздо большую глубину (до 300 м), чем соответствующая ей гидрохимическая зона.

Это объясняется, по-видимому, повышенной трещиноватостью пород карбона, распространенной на большую глубину, что обусловило более активную циркуляцию подземных вод, и повлекло за собой вынос метана и погружение зоны углекисло-азотных газов.

Вторая зона отличается неоднородностью химического состава подземных вод, которые изменяются от сульфатного натриевого до хлоридно-сульфатного натриевого типа.

Нижняя граница этой зоны в свободной части антиклинали проходит на глубине 150 м, в замковой она погружается до 300 м (шахта N? 54) и в пределах Северо-Каменской синклинали до 350-400 м. В юго-западной части района глубина залегания зоны около 200 м. Вторая гидрохимическая зона совпадает с зоной распространения азотно-метановых газов.

Зоне замедленного водогаэообмена или зоне метановых газов соответствуют подземные воды хлоридного натриевого состава, которые имеют повсеместное распространение.

Белокалитвенский угленосный район. В пределах Белокалнтвепской синклинали получили распространение сульфатно-хлоридные натриевые воды и частично, только в самой верхней части каменноугольных отложений, сульфатно-гидрокарболятные и сульфатные натриевые воды. Нижняя граница подземных вод этого состава проходит на глубинах до 190-200 м. Ниже залегает зона хлоридных натриевых вод. На южном крыле Белокалитвенской синклинали зоне сульфатных и сульфат но-хлоридных вод по глубине соответствует зона распространения метаново-азотных газов. Далее, в северо-восточной части района, в пределах полей шахт Горняцких и Шолоховских (Тацинская и Горняцкая синклинали) выделяются три гидрохимические зоны подземных вод и соответствующие им по глубине три газовые зоны:

Зона сульфатно-гидрокарбонатных натриево-кальциевых и сульфатных кальциево-магнневых и натриево-кальциево-магнневых вод с глубиной распространения до 160 м. Ей соответствует зона углекисло-азотных газов.

Зона хлоридно-гидрокарбонатных и хлоридно-сульфатных натриевых и натриево-кальциевых вод распространена до глубин 300-400 м. На этих глубинах (от 150 до 500 м) залегает зона метаново-азотных газов.

Ниже глубин 300-400 м располагается зона хлоридного натриевого состава, которая соответствует зоне замедленного водогаэообмена или зоне метановых газов.

Краснодонецкий угленосный район. По району имеются единичные данные о химическом составе вод в пределах участка шахты № 16 - 17. Здесь выделяются следующие типы подземных вод и соответствующие им газовые зоны:

1. Гидрокарбонатно-сульфатные натриевые воды, нижняя граница которых залегает на глубине 150-200 м. В пределах этих же глубин (200 м) распространена зона углекисло-азотных газов.

2. Хлоридно-сульфатные натриевые воды находятся на глубине 350 м. Этому типу вод соответствует зона азотно-метановых газов, но нижняя граница ее проходит несколько выше - на глубине 250 м.

3. Хлоридно-натриевые воды, верхняя граница которых проходит на глубине 300-350 м. К центральной части Краснодонецкого района граница их поднимается, здесь воды хлоридно-натриевого типа встречены на глубине 100 м.

Одновременно наблюдается в этом направлении уменьшение мощности азотно-метановой зоны, которая в центральной частн района распространена до глубины 70 м. Зоне метановых газов соответствует зона хлоридных натриевых вод.

Таким образом, распределение в каменноугольных отложениях по глубине газов и химических типов подземных вод имеет общие черты, так как обусловливается одними и теми же геологическими и гидрогеологическими факторами как степень раскрытости и промываемости структуры и условия циркуляции подъемных вод.

В таблице приводятся газовая и гидрохимическая зональности, установленные для вышеописанных районов восточной части Донбасса.

Отклонение от общих выявленных закономерностей в восточной части Донбасса отмечено в Гуково-Зверевском, Шахтинско-Несветаевском и Сулино-Садкинском угленосных районах. Здесь в подземных водах выделяются все гидрохимические зоны, в то время как до глубины 150 м основной газовой зоной является зона метаново-углекисло-азотных газов.

Эго обусловлено, по-видимому, высокой степенью метаморфизма угленосной толщи, при которой генерации метана не происходит. Иной характер распределения газов имеет место в районе шахт Бургуста Замковая № 1, № 2 и № 3, где выделяются следующие газовые зоны: до 150 м - метаново-азотная, от 150 до 300-400 м - азотно-метановая. Этим газовым зонам, по глубинам залегания в районе шахт соответствуют гидрохимические зоны подземных вод соответственно: сульфатно-гидрокарбонатных и хлоридно-сульфатных натриевых, а также хлоридных натриевых вод.

Повышенная газоносность угольных пластов указанных участков и наличие здесь зоны метановых газов обусловлено тем что угли находятся в зоне «обратной» метаноносности.

Литература

1. Л. В. Докукин, А. С. Докукина. «Возникновение кислотных рудничных вод и борьба с ними». М., Углетехиздат, 1950.

2 А. И. Кравцов. Геологические условия газоносности угольных рудных и нерудных месторождений полезных ископаемых. М., "Недра", 1968.