Рис. 1. Схема гелиеносности газовыделяющих скважин Мид Континента (США) по Д. Ш. Роджерсу, 1935г.
Области распространения газов с наиболее высокими концентрациями гелия:
1 — от 0,25 до 0,5 об. %;
2 — более 0,5 об. %;
3 — местоположение месторождений.
Это позволило изучать компонентный состав природных газов. Автором метода был Ш. Муре. По чувствительности и точности анализ по схеме Ш. Муре сопоставим с анализом по схеме X. П. Кэди, однако параллельное определение компонентного состава газа расширило возможности метода. Поэтому при возобновлении работ (1914г.) американские ученые использовали способ Муре. Этот классический метод анализа гелия используется с несколькими усовершенствованиями и в настоящее время в различных странах как контрольный при проверке новых способов.
В истории исследований гелия часто немалую роль играли конъюнктурные соображения. Впервые серьезно гелием занялись только в начале первой мировой войны, когда этот легкий взрывобезопасный газ был признан лучшим наполнителем, дирижаблей. В связи с отсутствием месторождений гелиеносных газов в Европе немцы пытались извлекать гелий из воздуха (по методу Линде) и из монацитовых концентратов. Стоимость чистого гелия, полученного таким путем, была крайне высокой, а количество его для наполнения дирижаблей — явно недостаточным.
Горное Бюро США вернулось в связи с этим к работам X. П. Кэди и Д. Ф. Макфарленда; руководство геологической частью проблемы было поручено талантливому исследователю Д. Ш. Роджерсу. В 1915—1920гг. было проведено массовое опробование газоносных скважин и обнаружено несколько месторождений с концентрацией гелия до 8 – 10 об.%. Тогда же был найден первый гигант пo запасам гелия — месторождение Амарильо (или Клифсайд), получившее позже название Хьюгтон Пенхендл, с запасами в сотни миллионов кубических метров.
В 1921г. вышла наиболее интересная работа по геологии гелия Д. Ш. Роджерса; русский перевод ее был издан в 1935г. Это была полная сводка сведений того времени о распределении гелия в природных образованиях с обзором гипотез его накопления. Рассмотрим основные положения этой работы.
Среди первых месторождений гелиеносных газов, обнаруженных еще X. П. Кэди и Д. Ф. Макфарлендом, Петролия и Генриэтта были достаточно локальными и хорошо изученными. Эти месторождения и окружающие их проявления гелия приурочены к коллекторам средне- и верхнепенсильванского возраста (пермь — карбон). В связи с таким распределением ряд исследователей сделали вывод о каких-то особых гелийпродуцирующих свойствах пенсильванских толщ и стали утверждать, что поиски гелия вне этой системы, особенно в более молодых породах, бесперспективны (первая гипотеза).
Однако вскоре пришлось отказаться от принципа стратиграфической привязки гелиевых месторождений к определенному горизонту, поскольку гелиеносность одной и той же свиты в совершенно аналогичных условиях оказывалась резко различной. Более того, интенсивное гелиенасыщение было обнаружено позже в коллекторах различного возраста — от палеозоя до верхнего мела включительно. При этом в некоторых случаях концентрация гелия в газах мезозойских коллекторов была выше, чем в палеозойских. Одновременно была установлена приуроченность высокой гелиеносности к определенным сочетаниям структур, В этих районах максимумы ее отчетливо тяготеют к областям сопряжения полого залегающих осадочных толщ с древними гранитными массивами. В других районах, где гелиевые месторождения были обнаружены далеко от выходов гранитных массивов, американские геологи пытались найти погребенные кристаллические структуры. В ряде случаев им удалось установить такую связь: например, месторождение Амарильо оказалось расположенным над погребенным гранитным массивом.
На основании этих фактов X. П. Кэди и Д. Ф. Макфарленд следующим образам объяснили генезис месторождений гелиеносных газов: гелий образуется в подстилающих гранитных породах за счет распада радиоактивных элементов, находящихся там в повышенных концентрациях; накопление гелия в вышележащих коллекторах происходит путем его восходящей миграции (вторая гипотеза).
Критический разбор обеих гипотез сделал Д. Ш. Роджерс. С одной стороны, он рассчитал вероятность такого процесса для условий месторождения Петролия и пришел к выводу, что содержащиеся в нем запасы гелия могли выделиться из подстилающих гранитов всего за 25 млн. лет. С другой стороны, Д. Ш. Роджерс привел несколько аргументов, отрицающих возможность образования месторождений гелия таким путем: во-первых, экспериментальные данные о весьма трудной отдаче гелия нерадиоактивными минералами и радиоактивной смолкой; во-вторых, очень убедительные факты, вскрывающие следующее логическое противоречие — если полагать, что гелий месторождения Петролия образовался от распада нормально рассеянных в породе paдиоактивных элементов, то подобные скопления должны наблюдаться в структурных аналогах повсеместно.
Анализируя конкретную геологическую обстановку, Д. Ш. Роджерс пришел к твердому убеждению, что высокая гелиеносность Петролии и других месторождений явно указывает на наличие каких-то специфических условий. В поисках таких условий он предложил изучить следующие четыре гипотезы:
- гелий выделился из подстилающих гранитных пород, но только на отдельных участках их интенсивного прогрева, связанного с поствулканической деятельностью (третья гипотеза);
- гелий выделился из тех же подстилающих гранитных пород, но в связи с интенсивным дроблением их на отдельных участках в зоне мощных разломов (четвертая гипотеза);
- гелий образовался в гипотетических месторождениях радиоактивных элементов, приуроченных к некоторым подстилающим массивам гранитов (пятая гипотеза);
- гелий газовых месторождений генетически не связан ни с рассеянными радиоактивными элементами гранитов, ни со сконцентрированными в них рудами — он образовался на месте (в коллекторах) за счет обогащения грубообломочного материала коллекторов акцессорными радиоактивными минералами (шестая гипотеза).
Необходимо отметить, что полученные в то время экспериментальные данные о сохранности гелия в породе и минералах были весьма противоречивы. Тем не менее большинство исследователей считало, что достаточная отдача гелия кристаллической породой может быть только при интенсивном прогреве или дезинтеграции — объемном дроблении пород. В природе подобные явления могут происходить в связи с высокотемпературными ультраосновными интрузиями и в зонах крупных разломов. Однако Д. Ш. Роджерс отводил третьей и четвертой гипотезам не первостепенную роль. Главное внимание он уделил разработке пятой и шестой гипотез.
Для объяснения случаев сверхвысокой генерации гелия Д. Ш. Роджерс приводил известные факты повышения содержаний радиоактивных элементов в гранитах и осадочных породах в 50–100 раз или допускал даже наличие в субстрате Мид Континента и плато Колорадо гипотетических месторождений радиоактивных руд. Все упомянутые генетические факторы гелиенакопления иллюстрировались примерами геологической ситуации центральной части США, где характерны крупные разломы, молодые интрузии базальтоидов, аномально высокие тепловые потоки и где уже тогда были известны значительные скопления вторичных урановых минералов — карнотитов.
Важно подчеркнуть, однако, что Д. Ш. Роджерс рекомендовал тщательно изучить связь гелия с радиоактивностью для проверки первого, наиболее простого и доступного объяснения генезиса гелиеносных газов. Он тогда уже приводил примеры балансовых расчетов Ш. Муре и А. Лепапа (1911—1914гг.) для гелия, содержащегося в угольных шахтах и в термальных источниках Франции; расчеты показали невероятно большие количества эквивалентного радиоактивного вещества, требуемого для обеспечения зафиксированных гелиеносных струй. Так, для получения количества гелия, выделившегося в шахте Франкольгольц только за учтенные 20 лет эксплуатации, понадобился бы распад радиоактивных веществ, находящихся в 33 млрд. т каменного угля, на протяжении 100 млн. лет, а для обеспечения потока гелия в источниках Карно Сантаней необходим постоянный распад 500 млн. т урановой смолки. Еще более невероятные цифры балансовых эквивалентов получались для месторождений США.
Поэтому Д. Ш. Роджерс в заключение генетического обзора, в частности, писал: «Из всех гипотез, которые были рассмотрены в предыдущем изложении, наиболее убедительными и подтверждающимися наибольшим количеством фактов являются следующие предположения:
1) гелий образуется из урана и тория, месторождения которых расположены вблизи горизонтов, заключающих в себе гелиеносный газ;
2) гелий существует искони и приходит из находящихся на глубине вместилищ...
Автору этих строк первая гипотеза во многих отношениях представляется наиболее приемлемой... Но если невозможно будет доказать существование подобных месторождений и если другие гипотезы не получат новых доказательств, то путем исключений придется обратиться к теории первичного гелия» (Роджерс, 1935г., с.101—102). Окончание этой цитаты выделено нами, поскольку данный вопрос остается открытым и в настоящее время, хотя теперь могут быть предложены для рассмотрения новые гипотезы в пользу как радиогенного, так и первозданного гелия (Бородзич и др., 1976г.).
В работе Д. Ш. Роджерса приведено несколько схем распределения концентраций гелия по площади для горизонтов на глубине 500—1000м, построенных по данным опробования газовых скважин. Это были первые попытки изображения поля гелия на значительной глубине. Информативность таких карт для решения структурно-геологических задач намного ниже, чем при съемке в приповерхностном слое активного водогазообмена (Яницкий, 1974г.). В дальнейшем карты подобного рода строились весьма редко.
Трудной для работ раннего периода оказалась расшифровка распределения концентраций гелия в вертикальном разрезе. Первоначально возникло представление о максимуме гелиенасыщения всего на уровне 200—300м и падении концентрации с глубиной. Позже В. П. Савченко и А. Л. Козлов (1933—1960гг.) расшифровали эту геохимическую загадку, а исследования других авторов показали постоянный рост гелиенасыщения с глубиной.
В целом работа Д. Ш. Роджерса завершила начальный период становления геологии гелия и до сих пор поражает широтой анализа множества обсуждавшихся факторов аномально высокого гелиенасыщения. Ни одной подобной равноценной работы по проблеме гелия на Земле впоследствии не издавалось.
В середине 20-х годов наметился прогресс винтокрылой авиации, быстро вытеснившей дирижабли. Потеря единственного в то время потребителя гелия привела к закрытию действовавших в США заводов по переработке природных газов; одновременно значительно сократились исследовательские работы.
В царской России работы по гелию не проводились, хотя В. И. Вернадский дважды пытался поставить эту проблему перед Императорской Академией Наук. После Великой Октябрьской социалистической революции исследования начались благодаря указанию В. И. Ленина о создании при Академии наук Комитета по гелию, преобразованного позже в НТС по гелию при Госплане СССР. Максимального развития работы по гелию достигли в период 1933—1935гг. К этому времени относятся интересные публикации В. И. Вернадского, В. Г. Хлопина, В. В. Белоусова, В. П. Савченко и др. Однако после 1935г. работы в области геологии гелия сократились и в СССР.
Этот спад в развитии гелиевой проблемы продолжался до середины 40-х годов, пока не определились новые, стратегически важные сферы потребления гелия — атомная техника, ракетостроение, кессонные работы, качественная металлургия, физика сверхнизких температур. К I960г. производство гелия в США достигло 10 млн. м3 при перспективе увеличения до 20 млн. м3 ежегодно, что потребовало обеспечения крупных его запасов.
Следует подчеркнуть, что при значительном расширении поисковых работ в этот период американские специалисты не предпринимали попыток решения проблемных геологических задач. Их, видимо, не интересовали причины образования гигантских скоплений высокогелиеносных газов, содержащих около 4,5 млрд. м3 гелия и обнаруженных уже во всех стратиграфических этажах бассейна Сан-Хуан (плато Колорадо и Мид Континент). Отдельные публикации носили констатационный характер и содержали лишь схематическое описание геологии обнаруженных месторождений (Dean, Lauth, 1961г. и др.). Только известный геофизик Г. Кук (Cook, 1961г.) после ряда расчетов заявил, что подобные массы гелия по крайней мере на два порядка (!) превышают любые возможные количества радиоактивного вещества, которые можно допустить здесь в толще земной коры. В этой связи В. Дитон (Deaton, 1959г.) был вынужден предположить наличие достаточных по мощности радиогенных источников гелия в недрах.
Интересной в этом плане представляется работа геолога Б. Хитчона (Hitchon, 1963г.), показавшего с помощью статистического анализа определенную связь увеличения концентраций гелия в газовых залежах Канады вблизи фундамента. Введенный им «коэффициент положения» явился важным признаком ведущей роли в гелиенасыщении газовмещающей осадочной толщи подстилающего кристаллического субстрата.
К другим важным публикациям конца 50-х годов следует отнести работы Т. Джеймса и Д. Гарриса по проявлениям высоких концентраций гелия в зоне Восточно-Африканских рифтов, а также работу П. Хюго (Huqo, 1963г.) по району Одентал-Рюст (Южная Африка). Эти работы были направлены на поиски крупных промышленных месторождений гелия, аналогов упомянутых месторождений США. Однако на том этапе поставленные задачи решены не были, хотя геологическая ценность полученной информации бесспорна.
За последние 10 лет новые заслуживающие внимания работы по геологии гелия в зарубежной литературе не встречались. По-видимому, убедившись в малой эффективности поисков крупных месторождений гелиеносных газов вне Северной Америки, специалисты пришли к выводу о целесообразности закупки гелия в США или добычи его попутно из гигантских газоконденсатных месторождений типа Слохтерн-Гронингем (Нидерланды), содержащих десятки миллионов кубических метров товарного гелия.
В Советском Союзе после Великой Отечественной войны гелиевая промышленность развивалась по линии как поисков высокогелиеносных газовых залежей, так и попутного извлечения гелия из крупных газовых месторождений. Достаточно полное обобщение опубликованных данных по геологии гелия в 60-х годах сделано В. П. Якуцени (1968г.).
Самостоятельная проблема применения гелия как индикатора при решении различных прикладных геологических задач начала развиваться в 30-х годах. Основоположником этого направления был В. Г. Хлопин, создавший методику количественных исследований газов, в частности гелия, в минералах и породах. В. П. Савченко предложил в 1933г. использовать гелий-аргоновый коэффициент для приближенной оценки возраста подземных вод. Несколько позже в СССР (Хлопин, Герлинг, 1957г.) и за рубежом (Харлей, 1956г.; Keevil, 1942г.) получили широкое развитие исследования гелия в породах и минералах при попытке определения их абсолютного возраста. В этой связи были получены важные сведения о величине потерь радиогенного гелия большей частью минералов и основными группами пород; для минералов с плотной кристаллической структурой были получены избыточные количества гелия, в отдельных случаях весьма значительные. В настоящее время способ геологического датирования с помощью гелия всеми исследователями признан малоинформативным. Однако полученные в ходе экспериментов данные очень важны для понимания вопросов геохимии и баланса гелия в недрах. Исследованиями неподвижных форм гелия, аргона и других газовых компонентов в минералах занимались С. Б. Брандт (1971—1975гг.), К. К. Жиров (1970—1973гг.), Л. Н. Овчинников (1971—1975гг.) и др. Они были направлены на изучение процессов рудообразования и выявление рудоконтролирующих структур — глубинных разломов.
В самостоятельную группу можно объединить несколько работ, в которых исследовались взаимоотношения гелия и изотопов аргона для оценки интенсивности поступления гелия из литосферы в атмосферу и диссипации его в космос (Damon, Kulp, 1958г.; Turekian, 1959г.; Акасофу, Чепмен, 1974г.). Выполнялись также расчеты поступления гелия на Землю с метеоритной пылью (Маупе, 1956г.).
В печати неоднократно появлялись сообщения о нахождении гелия в шахтах в связи с изучением газового режима горных выработок. Наиболее интересной из такого рода публикаций является работа шведских исследователей (Grip, Odman, 1944), изучавших проявления гелиеносных газов на полиметаллических рудниках Болиден, Даннемор, Энаберг и на о. Эланд. Следует отметить большую ценность изложенных в ней результатов детальных исследований газовыделений по подземным горным выработкам, где отмечена пространственная корреляция газопроявлений с тектоническими нарушениями, хотя генезис гелия авто¬рами этой работы связан с урансодержащими тухолитами. В газовыделяющих скважинах о. Эланд ими была зафиксирована максимальная для Европы концентрация гелия в свободных подземных газах — 1,2 об.%. В этой работе впервые приведены данные об аномальных концентрациях азота и гелия в северной части Балтийского моря. Аномально высокая гелиеносность этого бассейна заслуживает особого внимания.
Определенное отличие от отмеченных выше возрастных исследований имела осуществленная в 1945—1947гг. попытка Э. К. Герлинга зафиксировать гелиевое «дыхание» Земли. На важность таких исследований В. И. Вернадский обращал внимание еще в 1933г. Объектом исследований стал купол Мельниковского газового месторождения в Поволжье расположенный на глубине около 60 м. Пробы грунтового воздуха в этих исследованиях отбирались из шпуров, пройденных по нескольким профилям над куполом; анализ газа выполнялся на приборе Хлопина— Герлинга, представляющем собой усовершенствованную модификацию прибора Ш. Муре (Герлинг, 1957г.). По-видимому, недостаточная чувствительность прибора не позволила получить на Мельниковском куполе заслуживающих внимания результатов, и подобного рода работы не были продолжены.
Возможность поисков месторождений радиоактивных руд по гелиевым аномалиям имеет связь с одной из основных гипотез гелиеобразования, изложенной Д. Ш. Роджерсом и обусловленной радиоактивным а-распадом. Позже эту же возможность неоднократно обсуждали В. И. Вернадский, В. Г. Хлопин, Мария Кюри. Последняя, в частности, весьма скептически оценивала применимость гелиевой съемки для поисков радиоактивных руд из-за наличия глубинных источников гелия, намного более продуктивных, чем залежи радиоактивных руд в приповерхностной зоне. Еще в начале столетия М. Кюри писала: «Гелий, выходящий из Земли, вероятно, образуется из лежащих на глубине радиоактивных веществ..., однако поиски радиоактивных минералов, основывающиеся на этом признаке, по-видимому, не имеют шансов на успех, так как радон, а тем более устойчивый гелий могут происходить из отдаленных подземных областей. Количество выделяющегося гелия, по-видимому, не связано с активностью источника» (Кюри, 1960г.).
Первые расчеты возможного аномального эффекта в связи с локальными радиоактивными источниками конечных размеров были выполнены в Радиевом институте АН СССР при оценке предложения В. К. Котульского применять гелиевую съемку для поисков радиоактивных руд (1944г.). По свидетельству В. И. Баранова, эти расчеты показали низкие приращения концентраций над фоновым потоком гелия, на основании чего метод был признан малообнадеживающим, и за рамки теоретической оценки работы тогда не вышли.
Экспериментальную проверку возможности поисков радиоактивных руд гелиевый метод получил несколько позже в работах В. С. Глебовской, А. Г. Граммакова, И. М. Хайкювича и др. (Граммаков, Глебовская, Хайкович, 1966г.). Анализ проб осуществлялся указанными авторами на модернизированных гелиевых течеискателях масс-спектрометрического способа измерения. Чувствительность приборов по газовой фазе достигала 5 х 10–4 об,%; точность анализа при такой концентрации составляла примерно ±20 отн.%; при содержании гелия 1 х 10–3 об,% точность повышалась до ±5%. Однако при анализе гелия в воде чувствительность и точность исследований снижались почти на порядок за счет неизбежной предварительной дегазации воды. Полный газовый анализ выборочных проб производился объемно-химическим и хроматографическим способами.
Судя по публикациям, перечисленные авторы фиксировали на раннем этапе исследований в области распространения радиоактивных рудных тел небольшие по интенсивности аномалии гелия, параметры которых могли быть объяснены известной массой а-излучателя; позже, однако, были встречены мощные по интенсивности аномалии, природу которых пришлось связывать с глубинными источниками, без расшифровки последних (Граммаков, Глебовская, Хайкович, 1965г.). Наконец, в более поздних работах тех же авторов нашли отражение мешающие прямому поисковому методу факторы — горизонтальный поток подземных вод, интенсивные восходящие по разломам потоки глубинного гелия и пр., что требовало, по мнению авторов, разработки способов «разбраковки» аномалий. Особые надежды при этом были возложены на изотопный анализ гелия («Изотопы...», 1974г.), поскольку давно уже предполагалось, что аномалии, связанные с залежами радиоактивных руд, должны иметь повышенные концентрации Не4, т. е. более тяжелый изотопный состав (природный гелий состоит из двух изотопов: легкий изотоп Не3 является продуктом ядерных реакций, тяжелый изотоп Не4 образуется при а-распаде радиоактивного вещества).
Последняя задача до сих пор остается нерешенной, причины этого рассматриваются в Главе II. Сомнительна также перспектива применения гелиевой съемки для прямых поисков месторождений нефти и газа, предложенной Н. И. Мусиченко, поскольку приповерхностная зона участка высокого нефтегазонасыщения отличается минимальной вертикальной проницаемостью (Быков, Шустер, 1972г.) и характеризуется фоновым полем гелия в верхней области рассеяния (Яницкий, 1974г.). Например, по данным В. Н. Башорина (устное сообщение), вся площадь подсоленосной залежи Оренбургского газоконденсатного месторождения характеризуется фоновым полем гелия; такая же картина получена В. М. Коробейником для площади Шебелинского газового месторождения и А. В. Дикуном для месторождений Волгоградской области.
Таким образом, идея поисков месторождений радиоактивных руд, газа и нефти по максимумам гелиевых аномалий оказалась действительно малоперспективной, что объясняется принципиально иными законами распределения концентраций гелия в верхней литосфере.
Разработка региональной гелиевой съемки была начата во Всесоюзном научно-исследовательском институте минерального сырья (ВИМС) в 1964г. по инициативе А. Н. Еремеева. Одновременно к таким же исследованиям приступил В. Н. Башорин, работавший на Урале и в Тургайском прогибе (Башорин, 1976г.). До 1967г. решались методические вопросы — способы отбора проб, их анализа, построения карт. Основной объем исследований был направлен на изучение водной фазы; анализ гелия в ней проводился на новых приборах мембранного типа конструкции Л.Е. Левиной, В.В. Пименова, В.Е. Стадника («Магниторазрядный...», 1973г.; «Измерительная...», 1975г.). Применение новой аппаратуры исключило необходимость предварительной дегазации воды, что позволило постепенно повысить чувствительность и точность исследований.
В 1967—1969гг. основной объем водногелиевой съемки выполнялся на территории Северного Казахстана, Тургайского прогиба и Урала. Для Северного Казахстана было построено до 10 вариантов схем распределения концентраций гелия в подземных водах для всего региона и несколько фрагментов более крупного масштаба по участкам детальных работ в отдельных его частях. Интерпретация проводилась путем сопоставления схем распределения гелия с различными геологическими и геофизическими картами.
Позже исследования проводились в других районах Советского Союза. Они носили как рекогносцировочный, так и детальный характер и выполнялись с целью структурно-геологического картирования, а также косвенного прогноза эндогенного оруденения. Число организаций — исполнителей гелиевой съемки значительно расширилось. В нескольких районах СССР, в том числе в зонах вечной мерзлоты, комплексная газовая съемка выполнялась группой НИС МГРИ (Фридман, 1970г.); в Забайкалье региональные и рекогносцировочные исследования проведены В. И. Флешлером.
В 1970—1972гг. установлена высокая информативность гелия для изучения миграции вод в гидросфере (Виндюков и др., 1974г.), что привлекло новую группу участников работ — гидрогеологов, работников санэпидемслужбы Минздрава СССР.
Широкий фронт выполненных работ позволил приступить к обобщению материалов и составлению карт для различных районов.
Благодаря перечисленным исследованиям главные черты распределения потока гелия достаточно хорошо изучены и есть основа для создания карты поля гелия всей территории Советского Союза. Такая карта имеет многоцелевое назначение. Уточнены также возможности комплексной газовой съемки в зоне аэрации и в подземных водах. В этот комплекс в зависимости от конкретной геологической обстановки могут входить различные компоненты — от водорода и гелия до наиболее тяжелой — парообразной ртути. Эти направления работ развиваются многочисленными исследователями.
Главная
1. История исследований гелия
2. Общие сведения о нахождении и распределении гелия в недрах
3. Изучение потока гелия в верхней части литосферы
4. Методика водногелиевой съемки
5. Обработка результатов гелиевой съемки
Литература
Об авторе
|