Гелиеносность докембрийского фундамента Русской платформы

Благодаря малому атомному весу гелий постоянно диссипирует из атмосферы Земли в космос. Этот отток обеспечивает в приповерхностных слоях литосферы значительное разрежение гелия с парциальным давлением (P) порядка 4*10в-3 мм рт. ст. По сравнению с другими более тяжелыми газами (аргоном — P = 7 мм рт. ст. и азотом — P = 570 мм рт. ст.), все время накапливающимися в атмосфере, отмеченное давление гелия можно образно сравнить с вакуумом. В отличие от столь низких концентраций в приземном слое, создающих общий фон, известны высокие концентрации свободного подвижного гелия на глубине первых сотен метров или непосредственно на поверхности в области выхода спонтанных газов. Перепад концентраций его при этом в ограниченном пространстве может составлять 5—6 порядков. Подобные градиенты известны только для ртути. Еще одной важной особенностью гелия в доступной для исследований области является его химическая инертность. Сочетание низкого фонового давления в приповерхностном слое и химической инертности делают гелий своеобразным газом-индикатором потока с характеристиками, близкими идеальным, что обусловливает высокую генетическую информативность гелиевой съемки.

В опубликованных ранее работах отмечалось отсутствие связи концентраций гелия с рядом приповерхностных факторов и подчеркивалась зависимость распределения от элементов глубинного тектонического строения. Замечена также общая зависимость интенсивности аномалий от близости древнего субстрата. Указанные черты особенно хорошо проявляются в условиях неглубокого залегания фундамента, в частности для территории Северного Казахстана. Последовавшие позже работы помогли уточнить распределения гелия в мощной толще осадочных пород Русской платформы, цоколем которой являются складчатые комплексы протерозоя и архея. Объектами опробования в данном случае служили водозаборные скважины различной глубины, применяемые в целях питьевого, бальнеологического и технического водоснабжения.

Общий вид вертикального концентрационного профиля гелия для района г. Москвы показан на рис. 44. Верхняя область графика построена по данным опробования основных горизонтов питьевого водоснабжения (гжельского, подольско-мячковского, каширского и серпуховско-протвинского); средняя — по скважинам, эксплуатирующим сульфатную воду («Московская минеральная вода»); нижняя — по скважинам, добывающим хлоридно-натровые рассолы (дублер Боенской скважины, ЦНИИКИФ, ЦБЛ и др.). Распределение гелия здесь имеет функциональное выражение и определяется в нижней и средней области поступлением гелия из фундамента и образованием его в самой осадочной толще за счет альфа-распада сингенетичного породе радиоактивного вещества, верхняя часть кривой отражает вынос гелия из верхних слоев в атмосферу. Полное выравнивание концентраций в приповерхностных слоях (на глубине верхних 50—100 м) показывает интенсивную гидравлическую связь артезианских вод с вадозными при резко выраженном размыве поля гелия по пластам.

Роль активного водообмена в верхней части осадочной толщи наглядно проявлена при сопоставлении интенсивностей аномальных сигналов гелия в случае выхода фундамента на поверхность (рис. 45, кривая а) и его глубоком погребении (кривая б). В то же время общая форма концентрационных профилей свидетельствует о едином механизме распределения гелия в верхней части литосферы вне зависимости от фактора экранирования. Подобная особенность проявляется при построении региональных профилей гелиевой съемки по участкам с различной глубиной залегания фундамента. В качестве иллюстрации можно привести профиль, пройденный через центральную часть Московской синеклизы, Воронежский массив, Днепровско-Донецкую впадину и Украинский кристаллический щит. Как видно на рис. 46 аномальный сигнал встречается в любых геологических условиях, но на территории Воронежского массива и Украинского кристаллического щита, характеризующихся минимальным слоем рассеяния, он более интенсивен.

Отмеченное увеличение аномального сигнала гелия с приближением точки зондирования к древнему субстрату проявляется в осадочных породах повсеместно. Особенно высокие концентрации гелия наблюдаются в базальных горизонтах, представленных кембро-ордовикскими. кембрийскими и протерозойскими породами. В районе г. Москвы это слои нижнего кембрия, вскрытые дублерами Боенской скважины. Концентрация гелия здесь на глубине 1200—1500 м превышает 10 мл/л воды. В районе г. Ленинграда — это песчанистая серия верхнего протерозоя, вскрытая под синими глинахми на глубине 200—300 м многочисленными скважинами технического водоснабжения. В районе г. Сороки (Молдавия) наиболее высокая концентрация гелия (до 20 мл гелия на 1 л воды) известна в области Северо-Днестровского разлома в кембро-силурийских и протерозойских образованиях. Упругость в этом случае составляет порядка 2 атм. Предельно высокие концентрации гелия в обводненных древних породах в условиях заметного водообмена ни в коей мере не могут быть объяснены его образованием только за счет альфа-распада находящегося там рассеянного радиоактивного вещества. На основе ряда косвенных признаков можно говорить о преобладании в суммарном потоке гелия суперглубинной природы. Это согласуется и с отмеченным выше характером распределения гелия в условиях непосредственного выхода фундамента на поверхность, где роль осадочных пород в генерации гелия отсутствует вообще.

Балансовые расчеты в системе концентрации и рассеянии гелия показывают относительно раскрытый характер осадочной толщи. Вертикальный переток развит здесь как по системе сквозных разломов, так и по так называемым литологическим «окнам» в экранах. Господствующей формой миграции в зонах пластовой и меж-пластовой повышенной проницаемости является фильтрация гелия в фазе носителя (в подземных газах и водах). В связи с очень низким коэффициентом диффузии гелия в воде (5*10в-5 см2/сек), даже крайне замедленные элизионные перетоки воды и углеводородов приводят к значительно более продуктивному переносу гелия, чем в случае чистой диффузии. В целом для относительно раскрытой (или условно закрытой) системы преобладает субгоризонтальная миграция по пластам с подчиненной вертикальной фильтрацией по зонам межпластового перетока.

На фоне резко контрастирующего поля глубинного гелия отчетливо выглядит распределение в осадочной толще других газовых компонент, например, азота и углеводородных газов. Поле азота в ряде случаев удовлетворительно согласуется с полем гелия, что также свидетельствует о глубинном (в подавляющей части) его происхождении. Накладка биогенного азота, всегда разбавляющего гелий, носит, как правило, подчиненный или очаговый характер. Поле углеводородов в большинстве случаев выглядит наложенным на поле гелия с резко выраженным эффектом ослабления гелия углеводородами (разбавления). Последнее прямо свидетельствует о разном генезисе гелия и метана, причем в отличие от гелия углеводороды представляются образованиями, скорее, местного (характерного для средней и нижней части осадочной толщи) генезиса. Известно, что именно здесь особенно распространены повышенные концентрации нефтематеринской биомассы, в то время как в нижних частях осадочных пород концентрации ее уменьшаются. Абиогенные высокогелиеносные углеводороды встречаются редко в районах тектоно-магматической активизации и имеют, как правило, только минералогическое значение.

На основании изложенного следует констатировать повсеместную тенденцию связи высоких и сверхвысоких концентраций гелия с наиболее древними породами осадочной толщи и кристаллического субстрата. Характер установленной связи вероятно косвенный, поскольку древние породы всегда залегают в нижней части и в основании разреза.

Таким образом, изучение распределения гелия в пределах платформ позволяет исследовать геологические особенности недоступного непосредственным наблюдениям глубоко погруженного древнего докембрийского основания. Сонахождение гелия и углеводородов дает основание ожидать, что развитие этих исследований может способствовать выявлению основных генетических черт органического вещества в осадочных породах чехла и метаморфических комплексах фундамента платформы.