Оценка глубинных температур термальных источников Хангая и Восточного Саяна с помощью гидрохимических геотермометров

Использование теплового потенциала гидротерм как экологически чистого и практически неиссякаемого источника для нужд энергетики и коммунального хозяйства широко распространено в мировой практике, особенно в таких странах, как Исландия, Япония и Новая Зеландия. Низкотемпературные воды (до 100оС) находят применение в промышленности, бальнеологии, сельском и коммунальном хозяйстве. Термальные воды с температурой выше 100оС используются для выработки электроэнергии. Термальные источники Хангая и Восточного Саяна имеют температуру на поверхности до 90оС, однако их глубинные температуры могут быть значительно выше. Глубинными называются температуры гидротерм на глубине их формирования, характеризующие уровень, на котором глубинный теплоноситель оказывает воздействие на циркулирующие в верхних горизонтах коры подземные воды [1]. Термальные источники Хангая и Восточного Саяна представляют собой гидротермальные системы, заключенные в рамках отдельных геологических структур, формирующиеся либо при нагревании вод в региональном тепловом поле в результате их глубокой циркуляции, либо при дополнительном поступлении в водоносные горизонты глубинного тепла, приносимого магмой или надкритическим флюидом [2]. Глубинные температуры, как геотермический параметр, позволяют оценить термальное состояние недр и перспективность использования гидротермальных систем.

Фактический материал и методика исследования

В период 1998-2010 гг. нами проведено газово-геохимическое и температурное опробование более 20 термальных источников Хангая и Восточного Саяна с целью получения сведений о тепловом состоянии гидросферы. Опробование включало в себя отбор проб воды на макро- и микрокомпоненты, газовый состав и измерение температуры воды. Пробы на микрокомпоненты отфильтровывались через фильтры и подкислялись азотной кислотой. Определение их химического состава производилось методом ICP-MS в Институте геохимии CO РАН. Определение макрокомпонентов Na, K, Ca, Mg, HCO 3 , SO 4 , Cl и других проводили по стандартным методикам, анализ газа методом газовой хроматографии в гидрохимической лаборатории Института земной коры CO РАН. Измерения температуры воды проводились электронными и ртутными термометрами с погрешностью измерения 0,1-0,3^оС. Температурные замеры не всегда позволяют определить причины наблюдаемых термоаномалий и влияние экзогенных и эндогенных факторов. Оценить их роль можно, привлекая данные о температурных условиях на глубине формирования термальных вод.

Наиболее точные представления о глубинных температурах дают замеры в глубоких скважинах, однако такими сведениями мы не располагаем. Для оценки глубинных температур применена методика, использующая данные о химическом составе гидротерм. Теоретически и экспериментально установлена зависимость концентрации кремнезема и соотношения ряда щелочных металлов от температуры термальных источников, позволяющая по концентрации того или иного компонента оценить температуру на глубине формирования гидротерм, исходя из предположения о равновесии в системе «вода-порода-газ» и отсутствии значительного осаждения или растворения данного компонента по пути миграции из зоны нагрева к выходу источника на дневную поверхность [3-6]. Достигнув определенного уровня по концентрации кремнезема и щелочных металлов, термальные воды достаточно длительное время сохраняют эту концентрацию при охлаждении гидротерм. Это явилось основой для создания кремниевого и катионных геотермометров. Кремниевый геотермометр с успехом применялся на Камчатке [7] и в других районах мира [8, 9]. Однако растворимость кремнезема зависит кроме температуры и от других факторов, в частности, от формы кремнезема и содержания в водах углекислоты. Роль углекислотного выщелачивания в области высоких температур снижается, а в области низких температур этот процесс играет значительную роль. Дислер [3] рассмотрел поведение различных форм кремния как в жидкой воде, так и в виде минералов при различных Р-Т условиях. Им выполнена типизация термальных вод по составу и температуре, отраженная кривыми регрессии, причем для каждой линии расчет температур ведется с учетом форм кремнистых соединений. Фурнье,

Роу и Трусделл [10, 11] предложили аналитическое выражение этих кривых в виде формул для аморфного кремнезема, β-кристобалита, α-кристобалита, халцедона, кварца при адиабатическом и кондуктивном охлаждении. Глубинные температуры по кремниевому геотермометру рассчитаны по формуле Фурнье-Трусделла, соответствующей кривой растворимости халцедона и применяемой для низкотемпературных (t повех< t кип ) и малодебитных систем:

t форм. = 1051,1/(4,655 – lgSiO 2 ) – 273, где содержание SiO 2 выражено в мг/л.

Эта формула является наиболее подходящей для гидротермальных систем Хангая и Восточного Саяна, так как температура термальных источников не выше температуры кипения, дебиты не столь значительны, а в геологическом разрезе установлено присутствие халцедона. Для сравнения нами рассчитаны глубинные температуры по соотношениям концентраций щелочных металлов в водном растворе Na-Li, Mg-Li, Na-K, Na-K-Ca (катионные геотермометры) [5, 6, 12]. Наиболее надежным оказался Na-K-Ca-геотермометр, менее чувствительный к процессам смешения термальных вод с метеорными, так как в расчетной формуле используются не абсолютные величины химических элементов, а их соотношения:

t форм = 1647/(lg(Na/K) + βlg(Ca^1/2/Na) + 2,24) – 273, где Na, K, Ca – концентрации ионов соответствующих элементов, моль/л, β – константа, зависящая от стехиометрических коэффициентов реакции и равная ¾ при t < 100^оС и Ca^1/2/Na>1.

Глубина формирования гидротерм определяется по соотношению:

h ф_{орм .} = t ф_орм по SiO₂/γ, где γ = 25^оС/км – средний геотермический градиент региона .

Значение геотермического градиента принято с учетом теплопроводности магматических и метаморфических пород в горных районах Южной Сибири.

Результаты и их обсуждение

Значения температур, полученные по этим геотермометрам, при сравнении оказываются близкими (табл. 1).

Таблица 1

Прогнозные температуры глубинных вод по кремниевому и катионному геотермометрам для минеральных источников Восточного Саяна и Хангая

Рис. График связи прогнозных глубинных температур t (˚C), SiO 2 по t (˚C) Na-K-Ca

Различия в среднем по геотермальным системам не превышают 35^оС. Кроме того, разность ∆ t = t форм. ,^оС по SiO 2 – t форм. ^оС по Na-K-Ca имеет, как правило, один и тот же знак. Отклонения фигуративных точек от общего тренда можно объяснить смешением восходящих гидротерм с близповерхност-ными холодными водами и сильным влиянием углекислоты в диапазоне низких температур (рис.). Возможно, это отражает установившееся равновесие в системе «вода-порода-газ». Однако имеются и существенные различия, в первую очередь они связаны с геологическим строением территорий. В Восточном Саяне широко распространены карбонатные породы, тогда как в Хангае их практически нет. Отсюда различия в газовом и химическом составе гидротерм. Гидротермальная система Хангая представлена азотными водами сульфатно- гидрокарбонатного натриевого состава, а гидротермы Восточного Саяна являются уже углекисло-азотными гидрокарбонатными смешанного анионного состава.

Как отмечалось ранее, наличие углекислоты оказывает существенное влияние на точность расчетов, особенно в диапазоне низких температур, поэтому разброс значений по гидротермальной системе Восточного Саяна выше, чем по гидротермам Хангая. Глубины формирования гидротерм также имеют различия. Если гидротермальная система Хангая имеет глубину формирования термальных вод в диапазоне 5-6 км, то гидротермы Восточного Саяна формируются в более широком диапазоне 0,75-5,0 км. Пространственное совпадение гидротермальных систем с районами проявления молодого вулканизма свидетельствует об их возможной связи с единым источником тепла, а именно аномальный разогрев корового субстрата связан с подлитосферными плюмоподобными аномалиями [13]. В Восточном Саяне вулканический след термоаномалии смещен в сторону Тывы, поэтому и глубины формирования гидротерм находятся в более широком диапазоне.

Оценка глубинных температур гидротерм с помощью гидрохимических геотермометров показывает перспективность гидротермальных систем Хангая и Восточного Саяна для использования геотермальной энергии.