Стратегия освоения гидроминерального сырья Оренбургской области

Актуальная задача настоящего времени для России – расширение границ использования минеральных ресурсов как путем повышения полноты и комплексности их извлечения из недр, так и за счет освоения нетрадиционных видов полезных ископаемых Современные технологии позволяют извлекать из подземных вод и рассолов серу, соду, медь, цинк, некоторые урановые соли, значительную часть лития, борной кислоты и глауберовой соли, иногда извлекаются магний, вольфрам, уран, радий. В ряде стран (США, Японии, Италии, ФРГ и др.) достигнуты определенные успехи в использовании гидроминерального сырья, добыче редких элементов и минеральных солей. Пока удерживают первое место в мире по производству из гидроминерального сырья: США – лития (около 16 тыс. т/год карбоната), брома (до 190 тыс. т/год), оксида магния (до 750 тыс. т/год), поваренной соли (около

16 000 тыс. т/год); Япония – йода (до 7,5 тыс. т/год); Италия – боратов (около 35 тыс. т/год) и т.д. (Новиков и др., 2024). В настоящее время в России проводятся исследования по оценке ресурсной базы гидроми-нерального сырья основных нефтегазоносных провинций. Вопросы распределения промышленных компонентов в подземных водах осадочных бассейнов Сибири на данный момент представлены в научной литературе наиболее полно (Кругликов и др., 1985; Вожов, 1987; Ставицкий и др., 2004; Шварцев, Новиков, 2004; Букаты, 2009; Novikov, 2017; Алексеева, Алексеев, 2018; Сидкина, 2018; Каширцев и др., 2019; Новиков и др., 2020; Новиков, Борисов, 2021; Новиков и др., 2021; Новиков и др., 2022; Новиков и др., 2024; Новиков и др., 2025). В этой связи обобщение имеющихся гидрогеохимиче-ских данных по другим регионам России входит в перечень самых актуальных задач современности.

Работа лицензирована в соответствии с CC BY 4.0. Чтобы просмотреть копию

этой лицензии, посетите

Материалы и методы

Степень изученности подземных вод в пределах исследуемой части ВолгоУральской нефтегазоносной провинции неоднородна по основным стратиграфическим подразделениям перми, каменноугольной системы и девона. Наибольшее количество опробований водоносных горизонтов связано с территориями, на которых открыты месторождения нефти и газа, а также с площа- дями, перспективными для поиска скоплений углеводородов. В основном это южные и центральные районы ВосточноОренбургского валообразного поднятия, территория Соль-Илецкого выступа, Бузулукской впадины, Зайкинско-Росташкинской и Малокинельской зоны поднятий, ЮжноТатарского свода и Павловской седловины. Общая база данных гидрогеохимической информации представлена 6090 записями. Была выполнена необходимая разбраковка фактических данных, в первую очередь проанализирована электронейтральность проб, что позволило исключить из выборки 1211 некачественных проб с фильтратом бурового раствора и примесью других технологических жидкостей. После исключения некачественных проб геохимическая выборка представлена сведениями о 4879 пробах. Изученные в гидрогеохимическом плане объекты сосредоточены в отложениях девятнадцати ярусов перми, каменноугольной системы и девона. Наибольшим количеством проб охарактеризованы отложения визейского (1240 проб) и турнейского (1172) ярусов каменноугольной, а также франского (513) и фамен-ского (489) ярусов девонской систем (рис. 1а).

Рис. 1. Численная характеристика фактического материала (а) и тип вертикальной гидрогеохими-ческой зональности пермских, каменноугольных и девонских отложений Оренбургской области (б)

При решении конкретных задач для количественной характеристики гидрогеохимиче-ских показателей в рамках данного исследования используются понятия «фон» и «аномалия». Под гидрогеохимическим фоном понимается средняя из наиболее часто встречающихся концентраций того или иного компонента подземных вод. Под гидро- геохимической аномалией понимается концентрация, значительно превышающая фоновую и имеющую ореольный характер. Гидрогеохимический фон и аномалии также зависят от масштабов прогноза и делятся на региональные, зональные, локальные. В нашем случае при оценке регионального гидрогеохимического фона концентрации основных солеобразующих и микрокомпонентов в растворе использовались геохимические выборки подземных вод для каждого яруса перми, каменноугольной системы и девона.

Гидрогеохимическим полем в нашем случае следует называть такую разновидность геологических полей, где в качестве признаков рассматриваются показатели макро- и микрокомпонентного состава подземных вод исследуемого объекта. Эти показатели и являются исходными количественными оценками признаков гидрогеохимического поля. Под воздействием гидрогеохимических процессов происходит вертикальное и латеральное перераспределение перечисленных выше показателей, приводящее к их рассеянию или концентрации в исследуемом объекте.

Результаты и обсуждение

Гидрогеологическое строение изучаемого региона весьма сложное и характеризуется протеканием процессов соляного тектогенеза. На тип вертикальной гидрогеохимиче-ской зональности любого нефтегазоносного бассейна оказывают влияние семь ключевых факторов: 1) возраст осадочного выполнения бассейна, определяющий стадию взаимодействия в системе вода – порода – газ – органическое вещество; 2) палеообстановки, характеризующие изначальный химизм сингенетичных вод (захоранивающихся одновременно с осадком); 3) наличие эвапоритов, к которым приурочены рассолы разной степени катагенетических изменений; 4) процессы магматизма и сопряженная с ними гидротермальная деятельность, оказывающие влияние на осадочные породы и заключенные в них воды; 5) гидродинамический и геотермический режимы недр, контролирующие протекание элизионных процессов и геохимию поровых вод; 6) процессы преобразования органического вещества, нефтегазообра-зования, миграции, аккумуляции и деградации залежей УВ; 7) наличие в разрезе многолетнемерзлых пород (ММП) (Novikov, 2017; Новиков и др., 2024).

Региональным водоупором на основной площади изучаемого региона является водоупорный кунгурский (карбонатно-сульфатно-галогенный) горизонт. Именно присутствие этого горизонта в разрезе осадочного чехла определяет количество гидрогеологических этажей. Первый гидрогеологический этаж – зона свободного водообмена – включает гидрогеологические подразделения осадочного чехла от голоцена по кунгурский ярус перми включительно. Второй гидрогеологический этаж охватывает часть геологического разреза ниже кунгурских отложений и включает гидрогеологические подразделения отложений перми, карбона, девона, ордовика и кристаллического фундамента. В этой связи исследуемый регион закономерно характеризуется прямым типом вертикальной гидрогеохимической зональности в верхнем гидрогеологическом этаже и инверсионным практически по всему разрезу ниже кунгурской толщи (рис. 1б).

Согласно установленной вертикальной гидрогеохимической зональности, наиболее минерализованные подземные воды выявлены в интервале пермских водоносных горизонтов. Наиболее минерализованные подземные воды с величиной общей минерализации до 458,2 г/дм³ получили локальное распространение в пределах кунгурского водоупорного горизонта. В пределах казанских отложений (Р 2 kz) рассолы с минерализацией более 300 г/дм³ доминируют в Бузулукской впадине и сопредельных районах ВосточноОренбургского свода и Соль-Илецкого погребенного выступа. В направлении к структурам Южно-Татарского свода происходит снижение общей минерализации рассолов до 100 г/дм³ и менее. Область развития высокоминерализованных рассолов более 350 г/дм³ в пределах центральных районов Бузулукской впадины требует подтверждения глубоким бурением. Ниже в гидрогеологическом разрезе наблюдается закономерное снижение величины общей минерализации рассолов до 343 г/дм³ и менее в башкирских отложениях (C 2 b), а также до 300 г/дм³ и меньше в жи-ветских (D 2 žv) (рис. 2).

Рис. 2. Схематические карты общей минерализации подземных вод казанских (а), сакмарских (б), башкирских (в), визейских (г), франских (д) и живетских (е) отложений Оренбургской области.

Основные тектонические элементы: I - Прикаспийская синеклиза; II - Южно-Татарский свод; III -Бузулукская впадина; IV - Восточно-Оренбургский свод; V - Соль-Илецкий погребенный выступ; VI -Салмышская впадина

Содержания промышленных компонентов (Br, I, B2O3, Li, Rb, Sr) в подземных рассолах с глубиной меняются по-разному. Бром распространен в рассолах всего рассматриваемого интервала. Его максимальные концентрации (до 4,0–4,8 г/дм3) фиксируются в водах казанских (Р2kz) и кунгурских (Р1k) отложений. Практически все рассолы гидрогеологического разреза можно отнести к промышленным по брому в соответствии со значениями минимальных промышленных концентраций (> 200 мг/дм3) (рис. 3). Йод также имеет широкое распространение в подземных рассолах. Большинство изученных объектов характеризуется его содержаниями ниже минимальных промышленных концентраций (> 10 мг/дм3). Промышленные по йоду рассолы развиты преимущественно в пределах пермских и девонских отложений. Литий в концентрациях более минимальных промышленных (> 10 мг/дм3) установлен преимущественно в пермских водоносных горизонтах (до 100 и 744 мг/дм3). Ниже по гидрогеохимическому разрезу наблюдается снижение его содержаний вплоть до живет-ских отложений (D2žv). Рубидий характеризуется в целом низкими концентрациями

(менее минимальных промышленных) по всему гидрогеологическому разрезу. Отдельные объекты с повышенными концентрациями (> 3 мг/дм3) в рассолах установлены в горизонтах девонского возраста. Концентрации стронция ведут себя закономерно – увеличиваясь с глубиной по мере роста времени взаимодействия в системе вода-порода. Промышленные по стронцию рассолы (> 300 мг/дм3) развиты в пределах каменноугольных и девонских отложений. В пермских горизонтах распределение стронция практически не изучено. Соединения бора весьма широко распространены по всему гидрогеологическому разрезу в концентрациях много больше минимальных промышленных (> 322 мг/дм3). Максимальные содержания B2O3 установлены в рассолах перми (до 3,8 мг/дм3). В целом, уменьшение гидрофильности химических элементов можно иллюстрировать уменьшением гео- химических перспектив их использования из подземных вод в виде следующего ряда анионогенных (Br > Cl > I > В > F > As, W, Mo, Ge) и катионогенных (Sr > Li > > Cs, Са, Mg > К > Rb) элементов.

Рис. 3. Изменение с глубиной содержаний брома и йода в подземных водах пермских, каменноугольных и девонских отложений Оренбургской области

В свете современных представлений о формировании седиментационных рассолов считается, что образование в них высоких концентраций редких щелочных элементов является результатом геохимических взаимодействий первичных Cl-Na-Mg и Cl-Mg-Na рассолов с вмещающими породами, в результате чего происходит метаморфизация этих рассолов в Cl-Na-Ca и Cl-Ca-Na геохимические типы. В связи со значительной геохимической ролью вмещающих пород в формировании рассолов с высокими содержаниями редких щелочных элементов отмечено тяготение таких рассолов к металлоге-ническим провинциям, специализированным на редкие щелочные элементы (т.е. породы в этих провинциях обогащены этими элементами). В областях питания гидрогеологических структур, содержащих такие рассолы, часто имеются пегматитовые месторождения лития, рубидия, цезия. Все эти положения подтверждены экспериментальными исследованиями взаимодействий хлоридных рассолов с различными породами, в том числе и экспериментальными исследованиями при высоких температуре и давлении.

Заключение

В настоящее время в Российской Федерации крайне слабо развита нормативная база, регламентирующая добычу и постановку на Государственный баланс гидроминерального сырья. Одним из сдерживающих факторов по ее развитию является отсутствие на оцениваемых объектах длительных и дорогостоящих гидродинамических исследований, ведь высокие концентрации полезных элементов в подземных водах не являются решающим фактором, обеспечивающим их отнесение к промышленным. Такие концентрации могут лишь указывать на потенциальную возможность использования этих вод в качестве промышленных, непосредственно же подземные воды относят к промышленным по совокупности признаков, решающее значение среди которых имеют: эксплуатационные запасы подземных вод; технологические возможности как извлечения отдельных элементов из вод, так и их комплексное использование; условия эксплуатации водозаборов (глубина скважин и динамические уровни подземных вод) и сброса отработанных вод; факторы технико-экономического и общеэкономического порядка (пути сообщения и пр.). В этой связи стратегия освоения гидроминерального сырья Оренбургской области должна включать не только поиски объектов с наличием промышленных вод, но и детальную оценку их ресурсной базы.

Исследования выполнены при финансовой поддержке проекта Министерства науки и высшего образования № FWZZ-2026-0047.