Подземные воды условий эпигенеза

Эпигенез включает в себя всю совокупность процессов определяющих минералогические и структурные изменения в осадочных породах после их образования, т.е. после завершения их диагенеза.

Ведущими процессами его являются уплотнение и термо­катали­ти­ческое минералогическое преобразование пород при относительно низкой их влажности. Среди химических реакций наибольшее значение имеют окислительно-востановительные, растворение, карбонитизация, дегидратация глин и термическое разложение органического вещества. Многие из этих реакций носят сложный, не до конца понятый, харак­тер и меняют свое содержание по мере увеличения температуры и давления. Главным фактором, контролирующим эпигенетические процессы является температура и давление. Повышение температуры и давления, сопровождаемое отжатием поровой воды приводит к преобразованию наименее стойких компонентов породы. Наибольшие минералогические изменения претерпевают глинистые минералы, органическое вещество и подземная вода. Процесс изменения состава и свойств этих компонентов называют катагенезом. Степень преобразованности некоторых из этих компонентов позволяет дифференцировать прогрессивный эпигенез на стадии их катагенеза.

Причиной эпигенетических процессов является либо изменение термодинамической обстановки вследствие погружения или подъема пород, либо привнос новых минеральных веществ посторонними подземными водами. Эпигенез при погружении осадочных пород называют прогрессивным, а при подъеме - регрессивным. Регрессивный эпигенез вызывается падением температуры и давления. Эпигенетические изменения состава пород, вызванные привносом минерального вещества в составе не сингенетичных им флюидов называются наложенными.

В геологическом круговороте подземных вод эпигенез располагается между диагенезом или гипергенезомсверху и метаморфизмом снизу и характеризуется давлением от 10 до 50 и более МПа и температурой от 0 и ниже до 200-300⁰ С. Самые низкие температуры имеют место в районах многолетнеего промерзания. Пористость пород в процессе эпигенеза меняется в широком диапазоне в зависимости от глубины и минералогического состава пород. Мощность и положение зоны эпигенеза в земной коре определяется, в основном, глубиной проникновения диагенетических или гипергенных процессов и величиной геотермического градиента.

Зона развития эпигенетических процессов отличается наибольшим числом активных источников подземной воды. Из зоны диагенеза в нее поступают седиментогенные воды, которые образовались вместе с породами. Из зоны гипергенеза поступают метеогенные воды, сформировавшиеся за счет инфильтрации и подземного стока. Снизу в зону эпигенеза могут поступать воды, образованные при метаморфических и магматических процессах. Наконец, значительный объем подземных вод может быть образован непосредственно в зоне эпигенеза вследствие процессов дегидратации минералов в составе пород. Эта множественность источников воды, широкий диапазон изменения термо-барической обстановки, сложность химических процессов обуславливают многообразие подземных вод зоны эпигенеза по их изотопному и компонентному составу. Плохая доступность этих вод для непосредственного исследования и неопределенность временного фактора в формировании их состава объясняют их плохую изученность и множественность гипотез и точек зрения относительно закономерностей их формирования.

Изотопный состав подземных вод зоны эпигенеза определяется их генетической природой и процессами изотопного обмена внутри нее.

Изотопный состав водорода почти не подвержен воздействию процессов изотопного обмена внутри рассматриваемой зоны, вследствие относительно низкого содержания водорода в породах, 0,1-0,3% массы. Единственным процессом, который мог бы обеспечить заметные параллельные изменения изотопного состава водорода и кислорода, является подземное испарение. Этот процесс может иметь огромное значение в местах подземного газообразования. Влага в составе подземного газа должна приобретать некоторый дефицит тяжелых изотопов, D и ¹⁸O, а остаточная вода должна ими обогащаться. Мигрируя в составе подземного газа в область меньших глубин, давлений и температур, эта влага может конденсироваться и образовать скопление опресненной и изотопно легкой воды. Признаком существования таких подземных вод могут служить воды полученные в Днепровско-Донецкой впадине на глубине 2 км с минерализацией до 4 г/л и значениями dD от -2,1 до 5,3% и d¹⁸O от -0,25 до - 0,46%. Подобные воды обнаружены также в восточной части Терско-Сунженской области на глубинах 4-6 км.

Однако, как правило, предполагают, что содержание дейтерия в глубоких подземных водах характеризует генетическую природу исходной воды, что воды метеогенного происхождения имеют изотопный состав атмосферной влаги, а седиментогенного - изотопный состав морской воды. Промежуточные концентрации дейтерия отражают пропорции смешивания седиментогенных и метеогенных вод.

Однако, кроме этих процессов простого смешивания в зоне эпигенеза действуют другие, которые вызывают так называемый кислородный сдвиг, т.е. значительные отклонение от прямой Крейга в сторону более высоких значений d¹⁸O. Причины такого отклонения привлекают пристальное внимание, так как они могут характеризовать либо изотопный состав вод, поступающих со стороны зоны метаморфизма, либо особые условия формирования подземных вод в самой зоне эпигенеза.

Наиболее вероятно, что этот сдвиг вызван обменом с изотопами кислорода вмещающих пород, в которых он составляет до 40% массы. Простые расчеты показывают, что изотопный обмен между подземной водой и глинистыми минераламипри температурах эпигенетических процессов не может заметно изменить величину d¹⁸O. Однако, воды, образованные при дегидратации глин, характеризуются повышенным содержанием ¹⁸O. При прочих равных условиях наибольшие изменения изотопного состава кислорода можно ожидать при взаимодействии с карбонатными породами, сложенными известняками и доломитами, которые имеют d¹⁸O равное +3,0%.

Взаимодействие воды с основными и кислыми магматическими породами в реальных условиях при температурах больше 400⁰ С может привести к максимальному кислородному сдвигу от 0,3 до 0,5%. Большее значение в этом плане может иметь также обмен изотопами кислорода с подземным газом. В частности, заметное влияние на изотопный состав кислорода может оказать взаимодействие воды с двуокисью углерода в условиях высоких температур. Некоторые исследователи кислородный сдвиг связывают с процессами подземного нефте- и газообразования, с внедрением конденсационной и солюционной влаги.