Эволюция состава стабильных изотопов водорода, кислорода и углерода в водах нефтегазоносных отложений северных районов Западной Сибири

В работе представлены результаты исследования изотопного состава кислорода и водорода вод и углерода водорастворенной углекислоты для нефтегазоносных отложений северных районов Западной Сибири, охватывающих широкий стратиграфический диапазон – мезозой (от сеномана до байоса) и частично палеозой. Полученные значения δD и δ¹⁸O – очень разнообразны, охватывают интервалы от –120‰ до –50‰ и от –17‰ до –2‰ соответственно. Такой разнообразный изотопный состав вод указывает на отсутствие унифицированного механизма накопления вод и их преобразование в ходе геологической эволюции Западно-Сибирского осадочного бассейна. Главной чертой большинства изученных вод является выраженные значения изотопных кислородных сдвигов относительно GMWL (Global meteoric water line), в целом нарастающие с увеличением возраста водовмещающих отложений и достигающие 9‰, что указывает на их древнее седиментационное происхождение.
Диапазоны вариации изотопного состава углерода растворенной в воде углекислоты (от –51,8‰ до +21,8‰) и его содержания в водах (от 0,2 до 38,6 ммоль/дм3 ) указывают на широкий спектр условий и процессов, участвующих в преобразовании водорастворенной углекислоты. Тем не менее, установлена общая закономерность изменения изотопного состава углерода CO2 во времени. На основании полученных данных предложена модель преобразования изотопного состава углерода углекислоты в виде замкнутого цикла «атмосфера – почвы – глубокие водоносные горизонты», основанная на данных по изотопному составу водорастворенной углекислоты в водах нефтегазоносных отложений северных районов Западной Сибири.

1. Ветштейн В.Е., Артемчук В.Г., Назаров А.Д. (1981). Особенности формирования и нефтегазопоисковое значение изотопного состава пластовых вод и поровых растворов. Геология нефти и газа, 6, с. 35–43.

2. Вышемирский В.С., Конторович А.Э. (1997). Циклический характер нефтенакопления в истории Земли. Геология и геофизика, 38(5), с. 907–918.

3. Вышемирский В.С., Конторович А.Э. (1998). Эволюция образования углеводородных газов в истории Земли. Геология и геофизика, 39(10), с. 1392–1401.

4. Голышев С.И., Иванов В.Г. (1983). Изотопный состав водорода, кислорода, углерода подземных вод юго-восточной части ЗападноСибирского нефтегазоносного бассейна. Геохимия, 7, с. 1024–1028.

5. Конторович А.Э., Богородская Л.И., Голышев С.И. (1985а). Закономерности фракционирования изотопов углерода в седикахитах. Геология и геофизика, 9, с. 34–42.

6. Конторович А.Э., Богородская Л.И., Голышев С.И. (1985б). Распределение стабильных изотопов углерода в седикахитах различной генетической природы. Геология и геофизика, 7, с. 3–11.

7. Конторович А.Э., Конторович В.А., Рыжкова С.В., Шурыгин Б.Н., Вакуленко Л.Г., Гайдебурова Е.А., Данилова В.П., Казаненков В.А., Ким Н.С., Костырева Е.А., Москвин В.И., Ян П.А. (2013). Палеогеография Западно-Сибирского осадочного бассейна в юрском периоде. Геология и геофизика, 54(8), с. 972–1012.

8. Криосфера нефтегазоконденсатных месторождений полуострова Ямал (2013). Т.2. Криосфера Бованенковского нефтегазоконденсатного месторождения. Под ред. Ю.Б. Баду, Н.А. Гафарова, Е.Е. Поднебесного. М.: ООО «Газпром экспо», 424 с.

9. Крицук Л.Н., Поляков В.А. (2005). Изотопный и химический состав подземных вод и природных вод Западной Сибири. М.: Геоинформмарк, 52 с.

10. Кругликов Н.М. (1964). Гидрогеология северо-западного борта Западно-Сибирского артезианского бассейна. Тр. ВНИГРИ. Ленинград: Недра, вып. 238, 166 с.

11. Кругликов Н. М., Нелюбин В. В., Яковлев О. Н. (1985). Гидрогеология Западно-Сибирского нефтегазоносного мегабассейна и особенности формирования залежей углеводородов. Ленинград: Недра, 363 с.

12. Курчиков А.Р., Плавник А.Г. (2009). Кластеризация гидрогеохимических данных в задачах оценки прогнозных ресурсов углеводородов нефтегазоносных комплексов Западной Сибири. Геология и геофизика, 50(11), с. 1218–1226.

13. Лепокурова О.Е. (2012). Геохимия уникальных пресных щелочных вод Чулымского бассейна. Вестник Томского государственного университета, 365, с. 181–186.

14. Мельников В.П., Спесивцев В.И. (1995). Инженерно-геологические и геокриологические условия шельфа Баренцева и Карского морей. Новосибирск: Наука, 198 с.

15. Назаров А.Д. (2004). Нефтегазовая гидрогеохимия юго-восточной части Западно-Сибирской нефтегазоносной провинции. М.: Идея-Пресс, 288 с.

16. Новиков Д.А. (2019). Роль элизионного водообмена в формировании гидродинамического поля Ямало-Карской депрессии. Литология и полезные ископаемые, 3, с. 248–261. https://doi.org/10.31857/S0024-497X20193248-261

17. Новиков Д.А. (2020). Характер равновесий в системе «вода-газ» на примере юрско-меловых нефтегазоносных отложений Ямало-Карской депрессии. Геология и геофизика, 61(8), с. 1074–1092. DOI: 10.15372/GiG2019179

18. Новиков Д.А., Борисов Е.В. (2021). Прогноз нефтегазоносности юрских резервуаров зоны сочленения Енисей-Хатангского и ЗападноСибирского бассейнов. Геология и геофизика, 62(2), с. 216–237. DOI: 10.15372/GiG2020119

19. Новиков Д.А., Шварцев С.Л. (2009). Гидрогеологические условия Предъенисейской нефтегазоносной субпровинции. Геология и геофизика, 50(10), с. 1131–1143.

20. Новиков Д.А., Вакуленко Л.Г., Ян П.А. (2019а). Особенности латеральной гидрогеохимической и аутигенно-минералогической зональности оксфордского регионального резервуара Надым-Тазовского междуречья. Геология и геофизика, 60(6), с. 843–859. DOI: 10.15372/GiG2019041

21. Новиков Д.А., Черных А.В., Садыкова Я.В., Дульцев Ф.Ф., Хилько В.А., Юрчик И.И. (2019б). Эволюция гидрогеохимического поля северных и арктических районов Западно-Сибирского осадочного бассейна в мезозое. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 330(10), с. 165–180. https://doi.org/10.18799/24131830/2019/10/2314

22. Новиков Д.А., Дульцев Ф.Ф., Черных А.В., Хилько В.А., Юрчик И.И., Сухорукова А.Ф. (2020а). Гидрогеохимия доюрских комплексов Западной Сибири. Геология и геофизика, 61(11), с. 1561–1576. DOI: 10.15372/GiG2019145

23. Новиков Д.А., Максимова А.А., Пыряев А.Н., Ян П.А. (2020б). Первые изотопно-гидрогеохимические данные по природным водам юго-восточного склона кряжа Чекановского. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 331(11), с. 157–167. https://doi.org/10.18799/24131830/2020/11/2897

24. Новиков Д.А., Пыряев А.Н., Черных А.В., Дульцев Ф.Ф., Рыжкова С.В. (2021а). Первые данные по изотопному составу пластовых вод разрабатываемых нефтяных месторождений Новосибирской области. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринггеоресурсов, 33(2), с. 59–72. https://doi.org/10.18799/24131830/2021/2/3043

25. Новиков Д.А., Пыряев А.Н., Черных А.В., Дульцев Ф.Ф., Ильин А.В., Чертовских Е.О. (2021б). Новые данные по изотопному составу (δ13С, δD, δ18O, 87Rb/86Sr и 87Sr/86Sr) рассолов Сибирской платформы. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 332(7), с. 20–33. https://doi.org/10.18799/24131830/2021/7/3260

26. Новиков Д.А., Копылова Ю.Г., Вакуленко Л.Г., Сухорукова А.Ф., Пыряев А.Н., Максимова А.А., Дульцев Ф.Ф., Черных А.В. (2021в). Изотопно-геохимические особенности проявления слаборадоновых вод «Инские источники» (юг Западной Сибири). Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 332(3), с. 135–145. https://doi.org/10.18799/24131830/2021/3/3109

27. Поляков В.А., Дубинчук В.Т., Голубкова Е.В., Льготин В.А., Макушин Ю.В., Макарова К.М. (2008). Изотопные исследования подземных вод на полигоне «Томский». Разведка и охрана недр, 29(11), с. 47–52.

28. Пыряев А.Н., Новиков Д.А., Максимова А.А. (2022). Стабильные изотопы как инструмент контроля границ закрытых экосистем на примере бассейна р. Витим. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 333(5), с. 148–157. https://doi.org/10.18799/24131830/2022/5/3483

29. Ставицкий Б.П., Курчиков А.Р., Конторович А.Э., Плавник А.Г. (2004). Гидрохимическая зональность юрских и меловых отложений Западно-Сибирского бассейна. Геология и геофизика, 45(7), с. 826–832.

30. Стрелецкая И.Д., Лейбман М.О. (2002). Криогеохимическая взаимосвязь пластовых льдов, криопэгов и вмещающих их отложений центрального Ямала. Криосфера Земли, 6(3), с. 15–24.

31. Трубецков Д.И., Рожнев А.Г. (2001). Линейные колебания и волны. М.: Изд-во Физико-математической литературы, 416 с.

32. Ферронский В.И., Поляков В.А. (2009). Изотопия гидросферы земли. М.: Научный мир, 632 с.

33. Шварцев С.Л. (1991). Взаимодействие воды с алюмосиликатными горными породами. Обзор. Геология и геофизика, 12, с. 16–50.

34. Шварцев С.Л. (1992). О соотношении составов подземных вод и горных пород. Геология и геофизика, 8, с. 16–50.

35. Шварцев С.Л. (2008). Взаимодействие в системе вода-порода как новая база для развития гидрогеологии. Тихоокеанская геология, 27(6), с. 5–16.

36. Шварцев С.Л., Новиков Д.А. (2004). Природа вертикальной гидрогеохимической зональности нефтегазоносных отложений (на примере Надым-Тазовского междуречья, Западная Сибирь). Геология и геофизика, 45(8), с. 1008–1020.

37. Alçiçek H., Bülbül A., Yavuzer I., Alçiçek M.C. (2019). Origin and evolution of the thermal waters from the Pamukkale Geothermal Field (Denizli Basin, SW Anatolia, Turkey): Insights from hydrogeochemistry and geothermometry. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 372, pp. 48–70. https://doi.org/10.1016/j.jvolgeores.2018.09.011

38. Cai C., Franks S.G., Aagaard P. (2001) Origin and migration of brines from Paleozoic strata in Central Tarim, China: constrains from 87Sr/86Sr, δD, δ18O and water chemistry. Applied Geochemistry, 16, pp. 1269–1284. https://doi.org/10.1016/S0883-2927(01)00006-3

39. Connolly C.A., Walter L.M., Baadsgaard H, Longstaffe F.J. (1990). Origin and evolution of formation waters, Alberta Basin, Western Canada Sedimentary Basin. I. Chemistry. Applied Geochemistry, 5, pp. 375–413. https://doi.org/10.1016/0883-2927(90)90017-Y

40. Craig H. (1966). Isotopic Composition and Origin of the Red Sea and Salton Sea Geothermal Brines. Science, 154, pp. 1544–1548. https://doi.org/10.1126/science.154.3756.1544

41. Craig H. (1961). Isotopic variations in meteoric waters. Science, 133, p. 1702–1703. https://doi.org/10.1126/science.133.3465.1702

42. Dansgaard W. (1964). Stable isotopes in precipitation. Tellus, 16(4), pp. 436–468. https://doi.org/10.1111/j.2153-3490.1964.tb00181.x

43. Das A., Krishnaswami S., Bhattacharya S.K. (2005). Carbon isotope ratio of dissolved inorganic carbon (DIC) in rivers draining the Deccan Traps, India: sources of DIC and their magnitudes. Earth and Planetary Science Letters, 236, pp. 419–429. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2005.05.009

44. Das N., Horita J., Holland H.D. (1990). Chemistry of fluid inclusions in halite from the Salina Group of the Michigan Basin: Implications for Late Silurian seawater and the origin of sedimentary brine. Geochimica et Cosmochimica Acta, 54, pp. 319–327. https://doi.org/10.1016/0016-7037(90)90321-B

45. Epstein S., Mayeda T. (1953). Variation of O18 content of waters from natural sources. Geochimica etCosmochimicaActa, 4(5), pp. 213–224. https://doi.org/10.1016/0016-7037(53)90051-9

46. Evans M.N., Selmer K.J., Breeden III B.T., Lopatka A.S., Plummer R.E. (2016). Correction algorithm for online continuous flow δ13C and δ18O carbonate and cellulose stable isotope analyses. Geochem. Geophys. Geosyst, 17, pp. 3580–3588. https://doi.org/10.1002/2016GC006469

47. Global Monitoring Laboratory. http://www.cmdl.noaa.gov/ccgg/iadv/

48. Górka M., Sauer P.E., Lewicka-Szczebak D., Jedrysek M.-O. (2011). Carbon isotope signature of dissolved inorganic carbon (DIC) in precipitation and atmospheric CO2 . Environmental Pollution, 159, pp. 294–301. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2010.08.027

49. Hitchon B., Billings G.K., Klovan J.E. (1971). Geochemistry and origin of formation waters in the western Canada sedimentary basin-III. Factors controlling chemical composition. Geochimica et Cosmochimica Acta, 35, pp. 1321–1349. https://doi.org/10.1016/0016-7037(71)90088-3

50. Hitchon B., Friedman I. (1969). Geochemistry and origin of formation waters in the western Canada sedimentary basin-I. Stable isotopes of hydrogen and oxygen. Geochimica et Cosmochimica Acta, 33, pp. 1321–1349. https://doi.org/10.1016/0016-7037(69)90178-1

51. Hoefs J. (2021). Stable isotope geochemistry. Ninth edition. Springer Nature Switzerland AG, 528 p. https://doi.org/10.1007/978-3-030-77692-3

52. Jiang L., Worden R.H., Cai C. (2015). Generation of isotopically and compositionally distinct water during thermochemical sulfate reduction (TSR) in carbonate reservoirs: Triassic Feixianguan Formation, Sichuan Basin, China. Geochimica et Cosmochimica Acta, 165, pp. 249–262. https://doi.org/10.1016/j.gca.2015.05.033

53. Kopec B.G., Feng X., Posmentier E.S., Sonder L.J. (2019). Seasonal deuterium excess variations of precipitation at summit, Greenland, and their climatological significance. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 124, pp. 72–91. https://doi.org/10.1029/2018JD028750

54. Labotka D.M., Panno, S.V., Locke, R.A., Freiburg J.T. (2015). Isotopic and geochemical characterization of fossil brines of the Cambrian Mt. Simon Sandstone and Ironton–Galesville Formation from the Illinois Basin, USA. Geochimica et Cosmochimica Acta, 165, pp. 342–360. https://doi.org/10.1016/j.gca.2015.06.013

55. Li W., Lu S., Li J., Wei Y., Zhao S., Zhang P., Wang Z., Li X., Wang J. (2022). Research progress on isotopic fractionation in the process of shale gas/coalbed methane migration. Petroleum Exploration and Development, 49(5), pp. 1069–1084. https://doi.org/10.1016/S1876-3804(22)60333-1

56. Londry K.L., Dawson K.G., Grover H.D., Summons R.E., Bradley A.S. (2008). Stable carbon isotope fractionation between substrates and products of Methanosarcina barkeri. Organic Geochemistry, 39, pp. 608–621. https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2008.03.002

57. McNutt R.H., Frape S.K., Dollar P. (1987). A strontium, oxygen and hydrogen isotopic composition of brines, Michigan and Appalachian Basins, Ontario and Michigan. Applied Geochemistry, 2, рp. 495–505. https://doi.org/10.1016/0883-2927(87)90004-7

58. Nan H., Rao W., Ma H., Chen J., Li T. (2011). Hydrogen, oxygen, helium and strontium isotopic constraints on the formation of oilfield waters in the western Qaidam Basin, China. Journal of Asian Earth Sciences, 40, рp. 651–660. https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2010.10.018

59. Nelson S.T. (2000). A simple, practical methodology for routine VSMOW/ SLAP normalization of water samples analysed by continuous flow methods. Rapid Communications in Mass Spectrometry, pp. 1044–1046. https://doi.org/10.1002/1097-0231(20000630)14:12<1044::AID-RCM987>3.0.CO;2-3

60. Novikov D.A. (2017). Hydrogeochemistry of the Arctic areas of Siberian petroleum basins. Petroleum Exploration and Development, 44(5), pp. 780–788. https://doi.org/10.1016/S1876-3804(17)30088-5

61. Novikov D.A. (2018). Genetic classification of subsurface waters and brines of Arctic regions of Siberia. IOPConference Series: Earth and Environmental Science, 193(1), 012049. https://doi.org/10.1088/1755-1315/193/1/012049

62. Novikov D.A. (2020). Hydrogeochemistry of authigenic mineral formation in Upper Jurassic sediments (the Nadym-Taz interfluve area, Arctic regions of Western Siberia). Applied Geochemistry, 122, 104704. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2020.104704

63. Novikov D.A. (2022). Equilibrium modeling of water-gas systems in Jurassic–Cretaceous reservoirs of the Arctic petroleum province, northern West Siberia. Petroleum Exploration and Development, 49(2), pp. 363–373. https://doi.org/10.1016/S1876-3804(22)60030-2

64. Novikov D.A., Sukhorukova A.F. (2015). Hydrogeology of the northwestern margin of the West Siberian Artesian Basin. Arabian Journal of Geosciences, 8(10), рp. 8703–8719. https://doi.org/10.1007/s12517-015-1832-5

65. Pohlman J.W., Ruppel C., Hutchinson D.R., Downer R., Coffin R.B. (2008). Assessing sulfate reduction and methane cycling in a high salinity pore water system in the northern Gulf of Mexico. Marine and Petroleum Geology, 25, pp. 942–951. https://doi.org/10.1016/j.marpetgeo.2008.01.016

66. Reference Products for Environment and Trade. https://nucleus.iaea.org/sites/ReferenceMaterials/Pages/Stable-Isotopes.aspx

67. Roston B.J., Holmden C. (2000). Fingerprinting formation-waters using stable isotopes, Midale Area, Williston Basin, Canada. Journal of Geochemical Exploration, 69–70, pp. 219–223. https://doi.org/10.1016/S0375-6742(00)00024-8

68. Schlegel M.E., McIntosh J.C., Bates B.L., Kirk M.F., Martini A.M. (2011). Comparison of fluid geochemistry and microbiology of multiple organic-rich reservoirs in the Illinois Basin, USA: Evidence for controls on methanogenesis and microbial transport. Geochimica et Cosmochimica Acta, 75, pp. 1903–1919. https://doi.org/10.1016/j.gca.2011.01.016

69. Schlegel M.E., Zhou Z., McIntosh J.C., Ballentine C.J., Person M.A. (2011). Constraining the timing of microbial methane generation in an organic-rich shale using noble gases, Illinois Basin, USA. Chemical Geology, 287, pp. 27–40. https://doi.org/10.1016/j.chemgeo.2011.04.019

70. Strąpoć D., Mastalerz M., Schimmelmann A., Drobniak A., Hedges S. (2008). Variability of geochemical properties in a microbially dominated coalbed gas system from the eastern margin of the Illinois Basin, USA. International Journal of Coal Geology, 76, pp. 98–110. https://doi.org/10.1016/j.coal.2008.02.002

71. Stueber A.M., Walter L.M. (1991). Origin and chemical evolution of formation waters from Silurian-Devonian strata in the Illinois basin, USA. Geochimica et Cosmochimica Acta, 55, pp. 309–325. https://doi.org/10.1016/0016-7037(91)90420-A

72. Stueber A.M., Walter L.M., Huston T.J., Pushkar P. (1993). Formation waters from Mississippian-Pennsylvanian reservoirs, Illinois basin, USA: Chemical and isotopic constraints on evolution and migration. Geochimica et Cosmochimica Acta, 57, pp. 763–784. https://doi.org/10.1016/0016-7037(93)90167-U

73. Wilson T.P., Long D.T. (1993). Geochemistry and isotope chemistry of CaNa-CI brines in Silurian strata, Michigan Basin, U.S.A. Applied Geochemistry, 8, pp. 507–524. https://doi.org/10.1016/0883-2927(93)90079-V

74. Zhang J., Quay P.D., Wilbur D.O. (1995). Carbon isotope fractionation during gas-water exchange and dissolution of CO2. Geochimica et Cosmochimica Acta, 59(1), pp. 107–114. https://doi.org/10.1016/0016-7037(95)91550-D

75. Zhu W., Wang T., Xie Z., Xie B., Liu K. (2015). Giant gas discovery in the Precambrian deeply buried reservoirs in the Sichuan Basin, China: Implications for gas exploration in old cratonic basins. Precambrian Research, 262, pp. 45–66. https://doi.org/10.1016/j.precamres.2015.02.023