CC BY
27
УДК 550.4+551.328.2+552.54(571.56)
НОВЫЕ ДАННЫЕ ОБ ИЗОТОПНОМ СОСТАВЕ (18О и 2Н) ПОДЗЕМНЫХ ВОД КИМБЕРЛИТОВЫХ ТРУБОК ЯКУТСКОЙ АЛМАЗОНОСНОЙ ПРОВИНЦИИ
1 2 3
С.В. Алексеев , Л.П. Алексеева , А.М. Кононов
Институт земной коры СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 128.
Представлены новые данные о геохимических особенностях и изотопном составе хлоридных соленых вод и рассолов, вскрытых в ряде кимберлитовых трубок Якутской алмазоносной провинции. Распределение стабильных изотопов 2H и 18О свидетельствует о том, что геохимические особенности рассолов обусловлены взаимодействием древних седиментогенных вод с вмещающими породами. Результаты исследований подтверждают седиментогенно-метаморфогенную природу крепких рассолов, а также наличие значительной доли инфильтрационных вод в составе соленых вод и слабых рассолов. Библиогр. 3 назв. Ил. 4. Табл. 1.
Ключевые слова: стабильные изотопы водорода и кислорода; кимберлиты; осадочные породы; генезис подземных вод.
NEW DATA ON ISOTOPIC COMPOSITION (18О and 2Н) OF GROUND WATERS OF YAKUTSK DIAMONDIFEROUS PROVINCE KIMBERLITE PIPES
S.V. Alexeev, L.P. Alexeeva, A.M. Kononov
Institute of the Earth's Crust SB RAS, 128 Lermontov St., Irkutsk, 664033, Russia.
The paper introduces new data on the geochemical features and isotopic composition of the chloride saline waters and brines developed in several kimberlite pipes of the Yakutsk diamond-bearing province. The distribution of stable isotopes 2H and 18O is the evidence of the fact that geochemical features of the brines are determined by the interaction of ancient sedimentogenic waters with host rocks. The study results prove the sedimen-tagenous and metamorphogenic nature of strong brines as well as the presence of the considerable part of infiltration waters in the composition of saline waters and weak brines. 3 sources. 4 figures. 1 table.
Key words: stable hydrogen and oxygen isotopes; kimberlites; sedimentary rocks; ground water genesis.
Использование стабильных изотопов кислорода и дейтерия для решения проблемы формирования подземных вод является в последнее время общепринятым методом. В настоящей работе новые данные об изотопном составе подземных вод обводненных зон ким-берлитовых трубок Якутской алмазоносной провинции привлечены к решению вопроса о генезисе рассолов.
Объектами исследования являлись подземные воды Верхнемунского, Дал-дынского, Алакитского и
Среднемархинского кимберлитовых полей в пределах Якутской алмазоносной провинции, расположенной на северо-востоке Сибирской платформы (рис. 1). Анализ макрокомпонентного состава подземных вод выполнен в Институте земной коры СО РАН (г. Иркутск) по
1 Алексеев Сергей Владимирович, доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией гидрогеологии, тел.: (3952) 426637, факс: (3952) 426900, e-mail: [email protected]
Alekseev Sergey, Doctor of Geological and Mineralogical sciences, Head of the Laboratory of Hydrogeolo-gy, tel.: (3952) 426637, fax: (3952) 426900, e-mail: [email protected]
2Алексеева Людмила Павловна, кандидат гео лого-минералогических наук, старший научный сотрудник, тел.: (3952) 422777, факс: (3952) 426900, e-mail: [email protected]
Alekseeva Lyudmila, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Senior Researcher, tel.: (3952) 422777, fax: (3952) 426900, e-mail: [email protected]
3Кононов Александр Матвеевич, кандидат геолого-минералогических наук, научный сотрудник, тел.: (3952) 422777, факс: (3952) 426900, e-mail: [email protected]
Kononov Alexander, Candidate of Geological and Mineralogical sciences, Scientific Researcher, tel.: (3952) 422777, fax: (3952) 426900, e-mail: [email protected]
стандартным методикам: концентрация катионов (калия, натрия, лития, рубидия, стронция) измерялась методом пламенной фотометрии на атомно-адсорбционном спектрофотометре, содержание анионов (а также кальция и магния) - титрометрическим, сульфатов - турбидиметрическим и весовым методами. Изотопный состав кислорода и 18 2
водорода (О и Н) определён в лаборатории стабильных изотопов ДВГИ ДВО РАН на масс-спектрометре Thermo Finnigan МАТ 253, Германия, Бремен.
О ' I 12
Рис. 1. Положение изученных кимберли-товых полей на Сибирской платформе:
1 - граница Якутской алмазоносной провинции; 2 - кимберлитовые поля: I - Верх-немунское, II - Далдынское и Алакитское, III - Среднемархинское
Геологическое строение и гидрогеологические условия
Верхнемунское кимберлитовое поле расположено в бассейне р. Муны (левый приток р. Лены). Верхняя часть геологического разреза представлена терригенно-карбонатными толщами кембрия и ордовика, прорванными ким-берлитовыми трубками средне-палеозойского возраста и интрузиями траппов пермо-триаса. Мощность многолет-немерзлых пород составляет 240-287 м.
Гидрогеологический разрез представлен двумя водоносными комплексами -среднекембрийским и верхнекембрийским, а также водоносными зонами кимберлитовых тел. Все отложения характеризуются высокой плотностью, повышенной глинистостью и вследствие этого - слабой водообильностью. Подземные воды представлены рассолами с минерализацией 50-125 г/дм3 (подмерзлотный верхнекембрийский водоносный комплекс) и 220-380 г/дм3 (среднекембрийский водоносный комплекс). Химический состав - хлоридный смешанного катионного состава без абсолютного преобладания какого-либо из трех (Са2+, №+) катионов (рис. 2).
Бром присутствует во всех пробах, максимальное его содержание - более 4000 мг/дм3 при средней концентрации около 1000 мг/дм . Другие микрокомпоненты
также имеют существенные максималь-
2+ +
ные концентрации:
Sr2+ >2000, Ь+ >70,
ЯЬ+ >10 мг/дм3.
X Далдынское и Алакитское X у \ кимберлитовые поля у \
20 / \ 80 20 / \ 80
i *-/ Vs0 о
*/Jk\%
во / «ЛЯГ* \ 40
/ Ж'- \
во / ° • • \ го
100 /_\ 0100 /_V 0
Г 1 ! ' I 1 I 1 I 1 Т Т 1 ! 1 I 1 I 1 I 1 Т
о го 40 60 80 100 о го 40 60 80 100
K++Na+ Cl-
Рис. 2. Графики-треугольники химического состава соленых вод и рассолов кимберлитовых полей Якутской алмазоносной провинции
Далдынское и Алакитское кимбер-литовые поля расположены в бассейне верхнего течения р. Мархи (левый приток р. Вилюя). В платформенном чехле выделяется два структурных яруса, разделенных длительным перерывом в осадконакоплении: венд-нижнепалеозойский и верхнепалеозойско-нижне-мезозойский. Первый вмещает кимбер-литовые тела, второй - их перекрывает. Верхнепалеозойско-нижнемезозойский структурный ярус образован в основном терригенными отложениями карбон-пермского возраста, которые залегают на размытой поверхности кембрийского карбонатного цоколя. Магматические образования представлены трубочными, реже даечными и жильными телами кимберлитов среднего палеозоя (р^^), а также силлами долеритов пермь-триасового возраста. Мощность много-летнемерзлых пород в районе изменяется от 70 м в долинах рек до 670 м на водоразделах. В подмерзлотной части разреза подземные воды вскрываются на глубине 0,1-2,5 км. В районе выделены меж- и подмерзлотные водоносные комплексы верхнего- среднего, нижнего кембрия, протерозоя, а также обводненные зоны кимберлитовых трубок. Подземные воды верхнекембрийского комплекса представлены солеными водами и рассолами хлоридного натриево-магниево-кальциевого и натриево-кальциево-магниевого состава. Их минерализация изменяется от 30 до 250
3 3
г/дм при среднем значении 90 г/дм . Микрокомпоненты имеют высокие концентрации: бром - до 2500, литий - до 120, рубидий - до 7,7, стронций - более 800 мг/дм . Венд-нижне-среднекем-брийские водоносные комплексы имеют между собой гидравлическую связь по зонам тектонических нарушений и выдержанным по площади горизонтам трещинно-кавернового типа. Подземные воды этой части разреза формируют единый гидрогеологический резервуар, заполненный крепкими и весьма крепкими рассолами исключительно хло-ридного кальциевого состава. Их мине-
рализация изменяется от 198 до 404
3 3
г/дм при среднем значении 310 г/дм и возрастает в зависимости от глубины залегания водовмещающих пород. Столь высокая минерализация рассолов обеспечивает и самые высокие концентрации микрокомпонентов в Якутской алмазоносной провинции: Br- до 6500, Sr2+ >2100, Li+ >400, Rb+ >45 мг/дм3.
Среднемархинское кимберлитовое поле расположено в среднем течении р. Мархи на междуречье притоков Накын и Хання. В осадочном чехле мощностью 3,5-4 км выделяются венд-палеозойский и мезозойский структурные ярусы. Венд-нижнепалеозойский структурный ярус включает терригенные, тер-ригенно-карбонатные породы кембрия и ордовика. Среднепалеозойский структурный ярус представлен траппами и кимберлитами. Терригенные породы мезозойского структурного яруса -нижнеюрские песчаники, глинистые алевролиты и аргиллиты - залегают на терригенно-карбонатных породах O1 и €3. Мощность многолетнемерзлых пород в районе изменяется от 90 м в долинах рек до 600 м на водоразделах.
Подземные воды представлены рассолами с минерализацией 54-118 г/дм3 (межмерзлотный водоносный комплекс нижнего ордовика и верхнего кембрия) и 224-323 г/дм3 (подмерзлот-ный верхнекембрийский водоносный комплекс). По химическому составу рассолы межмерзлотного комплекса относятся к хлоридным кальциево-магниевым, а подмерзлотные воды имеют хлоридный кальциевый состав.
Установленное максимальное содержание брома составляет более 2000 мг/дм3 при средней концентрации около 1000 мг/дм . Другие микрокомпоненты имеют концентрацию:
Sr2+ >300, Li+
>40, Rb+ >2 мг/дм3.
Обводненные зоны трапповых интрузий и кимберлитовых трубок гидравлически связаны с водоносными комплексами вмещающих пород. Подземные воды, вскрытые в интрузивных телах, в целом идентичны по составу и
минерализации подземным водам осадочных толщ. Они представляют собой хлоридные кальциево-магниевые либо кальциевые рассолы с минерализацией от 80 до 380 г/дм (таблица).
Исследования изотопного состава подземных вод Сибирской платформы, выполненные ранее [1, 2, 3], позволили установить особенности распределения стабильных изотопов водорода и кислорода. По значениям 518О и 52И все соле-
ные воды и рассолы разделены на 2 группы: 1) хлоридные натриевые с пониженным содержанием тяжелых изотопов, 2) хлоридные кальциевые, обогащенные кислородом-18 и дейтерием. Было показано, что дифференциация геохимических типов вод обусловлена связью изотопного состава рассолов с их минерализацией. Существенное утяжеление изотопного состава хлоридных
Химический и изотопный состав подземных вод
Глубина отбора пробы, м рИ 7 Сумма ионов, г/дм3 Ионный состав: г/дм3 / мг-экв/дм3 / %-экв. Относительное содержание, %%
К+ Мм2+ Са2+ С1- 8042- НС03- 52Н 5180
Верхнемунское кимберлитовое поле
Трубка Заполярная
244 6,9 1,07 88,4 0,7 11,6 8,0 9,8 57,3 0,1 0,1 -129,6 -16,5
16,7 502,5 660,9 490,8 1617 2,2 2,2 52Н/518О = 8
1,0 30,1 39,6 29,4 99,1 0,1 0,1
263 6,7 1,06 87,0 0,2 13,6 4,8 11,3 56,0 0,2 0,2 -127 -15,3
0,2 589,3 390,3 563,3 1578, 3,3 2,4 52Н/518О = 8
0,4 38,04 25,2 36,36 99,0 0,2 0,2
Трубка Поисковая
288 6,45 1,06 83,8 0,4 10,4 8,2 9,0 54,8 0,2 0,1 -120,4 -14,5
10,3 450,2 677,2 448,7 1545 3,6 1,3 52Н/518О = 8
0,7 28,4 42,7 28,3 99,1 0,2 0,1
Трубка Комсомольская-Магнитная
257 6,55 1,07 95,4 0,5 11,0 9,1 10,6 63,3 0,3 0,1 -123 -14,9
12,8 478,2 744,5 526,4 1785 6,0 0,8 52Н/518О = 8
0,7 27,1 42,3 29,9 99,1 0,3 0,0
Трубка Новинка
278 6,20 1,06 86,4 0,5 11,1 7,7 10,2 54,9 0,2 0,0 -122,8 -15,6
12,7 481,1 629,4 509,1 1548 4,4 0,8 52Н/518О = 8
0,8 29,5 38,6 31,2 98,2 0,3 0,0
Далдынское кимберлитовое поле (Трубка Удачная)
610 4,8 1,26 372 14,8 25,8 14,3 78,3 235,1 0,1 0,1 -48,4 -0,88
380 1121 1174 3908 6633 1,8 2,4 52Н/518О = 55
5,8 17,0 17,8 59,4 99,3 0,0 0,0
Алакитское кимберлитовое поле (Трубка Айхал)
227 7,20 1,18 249 4,3 24,6 13,7 42,8 160,6 0,3 0,2 -66,3 -5,67
109 1071 1130 2137 4530 6,5 3,2 52Н/518О = 12
2,5 24,1 25,4 48,1 99,2 0,1 0,1
224 6,75 1,18 252 5,1 27,2 13,7 43,2 160,4 0,3 0,1 -62,3 -5,1
130 1181 1125 2157 4523 7,1 2,4 52Н/518О = 12
2,8 25,7 24,5 47,0 99,2 0,2 0,1
Среднемархинское кимберлитовое поле (Трубка Нюрбинская)
244 5,75 1,07 93 1,0 9,0 5,4 16,4 59,3 0,9 0,0 -119 -15,1
26,4 392,0 447,3 819,7 1672 19,1 0,4 52Н/518О = 8
1,6 23,3 26,5 48,6 98,2 1,1 0,0
209 5,85 1,05 65,7 0,8 5,6 4,0 11,8 42,4 1,0 0,1 -123,6 -15,7
19,4 243,8 324,9 586,8 1196 20,1 1,3 52Н/518О = 8
1,6 20,7 27,7 49,9 98,0 1,6 0,1
рассолов происходит при минерализации подземных вод более 300 г/дм . От-2 18
ношения 5 Ш5 О для соленых вод и слабых рассолов выщелачивания составляют 7-9, для крепких и весьма крепких рассолов (хлоридных кальциевых метаморфизованных) это отношение увеличивается до 22 и даже до 29.
Новые данные о содержании стабильных изотопов кислорода и водорода обводненных зон кимберлитов хорошо согласуются с ранее установленными закономерностями. Исследованные подземные воды по катионному составу являются кальциевыми с небольшим содержанием магния и натрия (17-27 %-экв.) или со смешанным катионным составом (примерно равные количества трех катионов). Три пробы подземных рассолов, отобранные из карьеров ким-берлитовых трубок Удачная и Айхал, имеют минерализацию 248-372 г/дм , и
для них характерны самые высокие от-
18
носительные содержания 5 О (-5,67...-0,88%о) и 5^ (-66,3...-48,4%о), а также
максимальные значения
отношения
52Ш518О (12, 12 и 55). На графике эти точки попадают практически на линию тренда хлоридных кальциевых рассолов
Сибирской платформы (рис. 3). Это, безусловно, свидетельствует в пользу седиментогенно-метаморфогенной гипотезы происхождения рассолов, насыщающих обводненные зоны кимберли-товых тел.
Остальные семь проб подземных вод, отобранных из обводненных зон кимберлитовых трубок Верхнемунского и Среднемархинского кимберлитовых полей, тяготеют к группе солёных вод и рассолов с облегченным изотопным составом кислорода и водорода и одина-
18 2
ковым соотношением 5 О/5 H=8, которое характерно и для поверхностных вод. Относительные содержания кисло-рода-18 изменяются от -16,5 до -14,5%, дейтерия от -129,6 до -119%. Это дает основание полагать, что метеорные воды участвовали в разбавлении седимен-тогенных вод до минерализации менее 100 г/дм и в настоящее время являются главной составляющей рассолов ким-берлитовых трубок.
Колебания 5 О и
52Н
связаны с
изменением минерализации вод также в направлении разделения всех вод на две группы: 1) слабые рассолы с облегченным изотопным составом и 2) крепкие
б18о
и
'1
ю
Далдынское кимоерлиговое поле
Алакитское кимберпитовое поле
Верхнемунское и Среднемархинское кимберлитовые поля
100
-100 -150 -200 -250
• С1-Са рассолы к поверхностные воды Тренд С1-Са рассолов
О П-Ма соленые воды и рассолы □ С1-Са и Cl-Mg рассолы(новьгеданные) - - * Тренд СШа соленых вод и рассолов
Рис. 3. Соотношение концентраций дейтерия и кислорода-18 в соленых водах и рассолах Сибирской платформы. GMWL - глобальная линия метеорных вод; SMOW- стандарт
среднеокеанической воды
рассолы, обогащённые тяжелыми изото-
18 2
пами О и Н (рис. 4). В первую группу входят воды кимберлитов Верхнемун-ского и Среднемархинского полей, которые приурочены к верхней части гидрогеологического разреза, во вторую -крепкие рассолы Далдынского и Ала-
-25 -20 -15
0-ioрГ
tO е;
■ 3
о
5
0 100 200 300 400 500 600 700
-250 -200 Я-150 -100 -50 0
0 100 200 300 400 500 600 700 Минерализация воды, г/дм3
Рис. 4. Изотопный состав кислорода и водорода в зависимости от минерализации соленых вод и рассолов, вскрытых в осадочных породах и кимберлитах Сибирской
платформ: 1 - Cl-Caрассолы; 2 - Cl-Na солёные воды и рассолы; 3 - Cl-Ca и Cl-Mgрассолы (новые данные)
китского полей, вскрытые в глубоко залегающих горных породах.
Таким образом, новые данные об изотопном составе подземных вод обводнённых зон кимберлитовых трубок Якутской алмазоносной провинции подтверждают седиментогенно-мета-морфогенную природу крепких рассолов, а также наличие значительной доли инфильтрационных вод в составе слабых рассолов.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 13-0501075).
Библиографический список
1. Алексеев С.В., Алексеева Л.П., Борисов В.Н. и др. Изотопный состав (H, O, Cl, Sr) подземных рассолов Сибирской платформы // Геология и геофизика. 2007. Т. 48, № 3. С. 291-304.
2. Пиннекер Е.В., Борисов В.Н., Кустов Ю.И. и др. Новые данные об изотопном составе кислорода и водорода рассолов Сибирской платформы // Водные ресурсы. 1987. № 3. С. 105-115.
3. Shouakar-Stash O., Alexeev S.V., Frape S.K., Alexeeva L.P. и др. Geochemistry and stable isotopic signatures, including chlorine and bromine isotopes of the deep groundwaters, of the Siberian platform, Russia // Applied Geochemistry, 2007. Vol. 22, Issue 3. P. 589-605.
Рецензент кандидат гео лого-минералогических наук, доцент Иркутского государственного технического университета М.А. Тугарина
