Львовская впадина
Львовская впадина расположена на юго-западной окраине Русской платформы и вытянута в северо-западном направлении. На севере ее граница проходит по Владимиро-Волынскому глубинному разлому, имеющему широтное простирание. На востоке ее окаймляет полоса развития каменноугольных отложений. С юго-запада впадина ограничена складчатыми герцинскими структурами, которые отделяются от каледонид Рава-Русским глубинным разломом.
Подземные воды Львовской впадины изучены до кристаллического фундамента, погруженного в этой юго-западной части Русской платформы на 4,5—5 км.
Геологическое строение. Львовская впадина окончательно сформировалась в палеозое на кристаллическом фундаменте, сложенном метаморфизованными и дислоцированными породами протерозоя и ассоциирующими с ними гранитоидами. Нижний структурный ярус протерозоя представлен амфиболитами, биотитовыми и диопсидовыми сланцами. Разломы в этом ярусе имеют северо-западное простирание. Верхний ярус выделяется в северо-восточной части впадины и имеет преимущественно северо-восточное простирание (Луцкий разлом и др.). Магматическая деятельность и тектонические подвижки по этим разломам происходили в основном в середине рифея и завершились к концу протерозоя. Верхний ярус фундамента сложен метаморфизованными эффузивными породами среднего и основного состава и характеризуется широким развитием калиевого метасоматоза. Судя по большой мощности обломочных красноцветов, в среднем и верхнем рифее на ранней стадии заложения впадины господствовали аридные ландшафты с широким развитием процессов континентального засоления поверхностных и грунтовых вод.
Осадочный палеозойский этап развития впадины начался накоплением в кембрии мощной толщи кварцевых песчаников и алевролитов с прослоями аргиллитов.
Силурийские образования представлены глинисто-карбонатной толщей. Ее перекрывают девонские песчаники, алевролиты, аргиллиты и известняки с прослоями доломитов. Мощность всех этих осадочных отложений растет в юго-западном направлении и уменьшается в восточном — по направлению к воздымающемуся склону Украинского кристаллического массива, пересеченному серией глубинных разломов (Ровенский и др.).
В центральной части впадины выявлены два крупных глубоко-погребенных поднятия, осложненных брахиантиклинальными структурами (Велико-Мостовская, Милятинская, Перемышлянская, Каменско-Бугская и др.). Оба поднятия тяготеют к глубинным разломам северо-западного простирания и играют важную роль, как будет показано ниже, в формировании металлоносных рассолов. Приуроченные к ним девонские брахиантиклинальиые складки, экранированные надвигами, оказались газоносными на глубинах 2,4—3 км.
Нижележащие известняки силура образуют здесь барьерный риф шириной 5 км, который простирается с северо-запада на юго-восток (от т. Бреста через г. Бучач на г. Кишинев).
От Внешней зоны Предкарпатского прогиба Львовская впадина и приуроченный к ней артезианский бассейн отделены ступенчатыми региональными сбросами и разломами.
Все эти структурные и литологические особенности впадины определили ее гидрогеологические условия и особенности распределения микрокомпонентов в подземных водах и вмещающих породах.
Гидрогеологические условия. Формирование подземных вод во Львовской впадине тесно связано с ее геологической историей развития. В кембрии в процессе длительного прогибания, сопровождавшегося накоплением в морских условиях мощных толщ осадочных отложений, в юго-западной части впадины началось формирование артезианского бассейна. Основной областью сноса терригенного материала и инфильтрации атмосферных осадков являлся восточный склон Украинского кристаллического массива, сохранившего значение главной области питания глубоких вод нижнего гидрогеологического палеозойского этажа бассейна и в последующие этапы его развития.
К концу девона благодаря тектоническим движениям в зоне глубинных разломов в антиклинальных структурах-ловушках (наиболее погруженных частях впадины) локализовались скопления углеводородных рассолов, обогащенных разнообразными микрокомпонентами.
Формирование состава этих рассолов, начатое в морских лагунных условиях, продолжалось все последующее (длительное) время в глубоких частях впадины.
Самый нижний докембрийский этап слабо изучен в гидрогеохимическом отношении. Состав его водоносных комплексов охарактеризован по данным разведочного бурения на северо-восточном крыле Львовского артезианского бассейна. Вскрытые здесь на глубине 1405—1437 м протерозойские песчаники обводнены хлоридно-натриевыми рассолами с минерализацией до 100 г/л. Концентрация металлов в них незначительная (табл. 4). Так, например, скважины, пробуренные в районе г. Луцка, вывели на поверхность рассолы с содержанием (в мг/л): рубидия до 0,9, цезия до 0,01, меди до 0,05, цинка до 0,1, свинца до 0,07.
Пористость протерозойских водоносных песчаников выше (10—16%), чем пористость кембрийских водовмещающих пород, поэтому дебиты скважин, пробуренных до протерозойского фундамента, более значительны (80—106 м3/сут), чем дебиты скважин, вскрывающих осадочные песчано-глинистые отложения кембрия.
К западу протерозойские образования, так же как и палеозойские, постепенно погружаются. Соответственно общая минерализация рассолов возрастает до 153 г/л, а концентрации составляют (в мг/л): рубидия до 3, стронция до 350, меди до 0,1, цинка до 1, свинца до 1,2.
Отмечается четкое нарастание концентраций почти всех микрокомпонентов (особенно наиболее летучих при высоких температурах) по мере приближения к зонам глубинных разломов, проникающих в кристаллический фундамент.
Гидрогеологический разрез осадочного чехла впадины представлен тремя этажами. В нижнем палеозойском этаже на глубинах более 4 км распространены рассолы хлоридно-натриево-кальциевого и кальциево-натриевого состава, содержащие (в мг/л): рубидия до 9,1, цезия до 1,1, стронция до 2000, брома 1500, цинка <5, свинца 4 и другие микрокомпоненты.
В газовом составе этих рассолов преобладает метан (90%). Температура рассолов на глубине 3—3,5 км доходит до 96° С. Вмещающие породы представлены кварцевыми песчаниками и алевролитами кембрийского и силурийского возраста, отличающимися плохими коллекторскими свойствами (пористость 2—7,4%, проницаемость 1*10в-4—2*10в-3 мкм2), что обусловливает слабые расходы скважин (до 12 м3/сут) и низкие динамические уровни.
Кембрийский водоносный комплекс экранирован силлурийскими глинами, предотвратившими разбавление металлоносных рассолов и вытеснение их в вышележащие водоносные горизонты.
Силурийский водоносный комплекс приурочен к известнякам, мергелям и песчаникам. Заключенные в них рассолы характеризуются менее метаморфизованным составом. В хлоридно-натриево-кальциевых рассолах, имеющих минерализацию 80—126 г/л, содержится до 0,5 мг/л рубидия, до 0,1 мг/л цезия и 265 мг/л стронция. При этом концентрация всех макро- и микрокомпонентов возрастает в юго-западном направлении в сторону погружения Львовского артезианского бассейна на глубину более 2 км.
В северной и восточной приподнятых частях бассейна концентрация большинства микрокомпонентов снижается (в мг/л): рубидия до 0,3, цезия до 0,02, стронция до 64. Это объясняется уменьшением мощности водоупорных экранирующих глин в окраинных зонах бассейна и их большим приближением к поверхности, что создает более благоприятные условия для понижения минерализации силлурийских водоносных горизонтов.
В связи с плохими коллекторскими (проницаемость 1*10в-4— 5*10в-4 мкм2) свойствами силурийских водовмещающих пород дебиты скважин, вскрывающих эти породы, обычно не превышают 5 м3/сут при динамических уровнях 1500—1900 м.
Верхнедевонский водоносный горизонт характеризуется небольшой (до 5 г/л) минерализацией и соответственно низкой концентрацией редких элементов (в мг/л): рубидия до 0,05, стронция до 1 (табл. 5).
В нижне- и среднедевонском водоносных комплексах на глубинах 1800—2500 м содержания увеличиваются (в мг/л): рубидия до 0,3, цезия до 0,08 и стронция до 120. Величина общей минерализации изменяется в пределах от 70 до 136 г/л в зависимости от состава водовмещающих пород и интенсивности водообмена.
Пористость девонских водоносных песчаников не превышает 6,5%, а проницаемость 2 мкм2. Поэтому дебиты девонских скважин, как правило, очень небольшие. Общая газонасыщенность девонских горизонтов составляет приблизительна 1000 см3/д при содержании метана до 85%.
Второй мезозойский этаж включает юрский и меловой водоносные комплексы, в которых по мере погружения на юго-запад к Внешней зоне Предкарпатского прогиба общая минерализация также увеличивается до 35 г/л.
На участках смешения хлоридно-натриевых вод меловых горизонтов, содержащих в зоне разломов повышенные (до 30 мг/л) количества стронция и до 5 мг/л бария, с распространенными выше сульфатно-кальциевыми водами верхнетортонских отложений происходит образование целестина и барита. Количество редких щелочных элементов в этих водах не превышает сотых долей миллиграмма на литр.
Верхний кайнозойский этаж промыт, за исключением отдельных структур, экранированных водоупорными глинами сармата, благоприятствующих образованию месторождений сульфатнокальциевых сероводородных вод и генетически связанных с ними серных залежей в верхнетортонских гипсо-ратинских известняках. Содержание большинства микроэлементов в этих водах, за исключением марганца и ванадия, невелико. Что же касается последних, то формирование соответствующей промышленной минерализации в сарматских отложениях прогнозируется по гидрогеохимическим данным.
Итак, вертикальная гидрогеохимическая и гидродинамическая зональности Львовского бассейна характеризуются увеличением общей минерализации подземных металлоносных вод с глубиной и снижением интенсивности водообмена в том же направлении.
Пресные гидрокарбонатные воды сменяются слабоминерализованными сульфатными, переходящими ниже в соленые (до 35 г/л) хлоридно-натриевые и рассольные (до 250 г/л) хлоридно натриево-кальциевые. В этом же направлении происходит нарастание концентраций рудных и сопутствующих микрокомпонентов, достигающих максимальных величин в наиболее глубоких метаморфизованных и экранированных рассолах кальциевого типа. Анализ палеогидрогеологических условий Львовской впадины подтверждает вывод о преимущественном накоплении микрокомпонентов в рассолах в наиболее погруженных частях палеозойского фундамента.
Наличие щелочных базальтов, габбро-диабазов и гранитов свидетельствует о том, что ранняя стадия развития Львовской палеозойской впадины сопровождалась вулканической и интрузивной деятельностью. В последующий более спокойный седиментационный этап привнос и накопление редких элементов в породах и в подземных водах наиболее интенсивно продолжались на участках долгоживущих разломов.
В конце среднего — начале верхнего девона произошли дифференцированные поднятия морского дна, сопровождавшиеся образованием лагун, в которых осаждались гипсы и доломиты. Эта геохимическая и палеогеографическая направленность развития гидрогеологических структур на юго-западной окраине Русской платформы в конце палеозоя отчетливо проявилась в повышении хлор-бромных и натрий-хлорных отношений в подземных водах верхнедевонских пород (табл. 6).
Отсутствие выдержанного экрана водоупорных образований над верхним девоном привело к тому, что металлоносные рассолы, обогащенные (см. табл. 5) рубидием, цезием и стронцием, сохранились здесь лишь в глубокопогребенных структурах нижнего гидрогеологического этажа Львовской тектонической впадины. Большая продолжительность их формирования в течение 900— 1000 млн. лет установлена на основании гелий-аргоновых соотношений в рассолах, приуроченных к кембрийским, силурийским и нижнедевонским отложениям.
Судя по величинам хлор-бромных и натрий-хлорных отношений (см. табл. 6) в подземных водах нижнепалеозойских осадочных отложений, соленость морских бассейнов в кембрии, силуре в нижнем девоне была недостаточно высокой для кристаллизации каменных и калийных солей. В этот период геологической истории развития Львовская впадина испытывала наиболее интенсивное прогибание в зоне сочленения с Внешней зоной Предкарпатского прогиба, сформировавшегося на платформенном палеозойском фундаменте. В том же направлении увеличивается и степень метаморфизации рассолов, проявляющаяся в падении отношений натрия к хлору и в увеличении отношений кальция к магнию. С глубиной происходит уменьшение калий-рубидиевых и кальций-стронциевых отношений. В то же время отношения рубидия к хлору по мере погружения продуктивных водоносных горизонтов растут.
В целях выяснения направленности изменений соотношений редких элементов в подземных водах юго-западной окраины Русской платформы в зависимости от палеогеологических условий, а также установления их связи с другими химическими элементами были рассчитаны соответствующие коэффициенты парной и множественной корреляции с помощью ЭВМ, Результаты расчетов представлены в виде обобщенной диаграммы на рис. 2, из которой следует, что редкие элементы в глубоких наиболее минерализованных рассолах имеют соответственно и самую тесную положительную связь, характеризуемую весьма высокими коэффициентами корреляции (+7 при нижнем пределе значимости ±0,5) не только с общей минерализацией, но и с такими специфическими компонентами нефтяных вод, как бром, бор, иод.
Отрицательная корреляционная связь с сульфатными анионами объясняется геохимическими условиями появлеНИЯ ЭТИХ анионов В гидрогеологически раскрытых частях структур, неблагоприятных для накопления редких, особенно щелочных элементов.
Редкометальные рассолы отличаются минимальными скоростями движения (<0,001 см/год). Гидростатические уровни нижнепалеозойских горизонтов повышаются к осевой зоне Львовского бассейна, осложненной долгоживущим глубинным региональным разломом.
Особенности распределения микрокомпонентов в породах. Опробование керна наиболее глубоких нефтепоисковых скважин Велико-Мостовской и Перемышлянской структур на рубидий и цезий показало, что по мере приближения к кристаллическому фундаменту содержание их увеличивается (рис. 3). Наиболее отчетливо это проявляется по данным содержания цезия. В целом концентрация редких щелочных элементов колеблется в зависимости от литологии, химического состава и возраста пород (табл. 7). Так, содержание рубидия и цезия в осадочных разностях колеблется не более чем вдвое (песчаники рифея и девона), эффузивные же породы протерозоя отличаются слабоповышенным содержанием редких щелочей по сравнению с вышележащими породами верхнепалеозойского возраста.
Наиболее высокие содержания цезия и рубидия установлены в гидротермально-измененных эффузивных породах фундамента и в калиеносных глинах палеозоя (рубидия до 0,028%, цезия до 0,0015%), что обусловлено их наиболее высокой сорбционной емкостью.
Все экстремальные концентрации редких щелочных элементов в породах разного возраста тяготеют к глубинным разломам, являвшимся длительное время скрытыми очагами разгрузки термальных металлоносных рассолов и оказавшим большое влияние на процессы перераспределения рудных элементов в породах.
Итак, палеогеохимический анализ условий формирования подземных вод Львовской впадины показал, что редкими элементами наиболее обогащены древние глубокие хлоридно-кальциевые рассолы морского седи ментационного генезиса. Главными геологическими и гидрогеологическими факторами их накопления в подземных водах являлись:
а) длительное проявление глубинного магматизма и постмагматических гидротермальных процессов на раннем протерозойско-нижнепалеозойском этапе формирования гидрогеологических структур;
б) продолжительное концентрирование в морских палеозойских бассейнах в процессе их длительного прогибания;
в) наличие глубокопогребенных экранированных глинистыми водоупорами структур-ловушек, благоприятных для накопления и длительного сохранения металлоносных рассолов с сопутствующими углеводородными флюидами;
г) напряженный геотермический режим, интенсифицирующий процесс разложения водовмещающих пород, обогащенных органическими веществами нефтяного типа.
