В табл. 11 приведены затраты времени на подготовку и выполнение одного анализа по всем вариантам гелиеметрических исследований. Сопоставление этих показателей выгодно отличает съемку по подвижному гелию, особенно варианты съемки по водной и газовой фазам. С помощью таких исследований фиксируется распределение концентраций гелия, отражающих его поток.


1. ГАЗОГЕЛИЕВАЯ СЪЕМКА

Основные объемы газогелиевой съемки выполнены по шпурам в варианте обычной наземной газовой съемки. Проходка шпуров механическая с помощью различных вибро- и гидро- задавливателей глубиной от 2—3 до 10—15 м. Наиболее рациональное в настоящее время средство для проходки шпуров — портативный ручной шнековый мотобур «М-1». Испытаны различные способы отсоса газовой пробы из шпура: с тампонажем и без тампонажа; сразу после проходки и с экспозицией. Для тампонажа применялись пакер-зонды, а также пробки с цементацией устья и заливкой глинистым раствором. Отсос из герметизированных шпуров, так же как негерметивированных, производился вакуумно-циркуляционным способом. В качестве отсасывающих средств применялись ручные насосы Камовского и Шинца, в отдельных случаях форвакуумные насосы.
Результаты сопоставления перечисленных способов оборудования шпуров показывают их практическое тождество, что обусловлено наличием в зонах восходящего потока заметного напора газа, отжимающего из шпура атмосферный воздух.

В практике газогелиевой съемки отмечены многочисленные случаи, когда газ из шпуров, вскрывших плотный покровный суглинок, выделялся с шумом и выбросом воды под избыточным давлением в (1—2) х 10⁵ Па до сработки небольших запасов газа под экранирующим слоем. Обычно такое истечение газа продолжалось в течение нескольких десятков минут, реже первых часов. После сброса избыточного давления устанавливается стабильное истечение газа. По этой причине газовыделения в зонах разломов, как правило, отличаются относительной стабильностью во времени. Режимные наблюдения за некоторыми из них в условиях тектонического покоя производились в течение трех-пяти лет; они показали достаточную стабильность аномалий.

Исследована зависимость результатов съемки от глубины проходки шпуров и характера грунта. В достаточно пористых грунтах (песках, супесях, лёссах) концентрация гелия на аномальных участках постепенно возрастает до глубины 7—10 м, и ниже наблюдается зона некоторого насыщения. Интенсивное рассеяние в пределах первых метров в этом случае обусловлено известным эффектом «дыхания» почвы, связанным с изменениями атмосферного давления и температуры. В плотных глинах и суглинках распределение более сложное: проходка куста шпуров на разную глубину, как правило, показывает здесь фоновую концентрацию до тех пор, пока снаряд не войдет в проницаемые породы (например, в щебенистую кору выветривания). Полученные по кустам шпуров данные удовлетворительно согласуются с наблюдениями по необсаженным скважинам (шнековым и колонковым): даже на аномальном участке сигнал гелия в стволе скважины появлялся только тогда, когда технический раствор при оседании вниз проходил слой непроницаемых пород и в стенках вскрывались нижележащие газонасыщенные образования. После их обнажения концентрация гелия в стволе скважины быстро возрастала, достигая вскоре практически постоянного значения, которое сохранялось до конца, периода наблюдений. Значительно реже в скважине наблюдались более сильные выбросы газов сквозь буровой раствор. При углеводородном составе газа в этом случае мог происходить вспышки и взрывы, что требует соблюдения мер предосторожности.

Рис. 8. Схема распределения концентраций гелия в кровле щебенистой коры выветривания
в зоне глубинного разлома (Северный Казахстан, 1964г.). График отражает пульсирующий
характер аномалии, проявившейся при четырехкратном повторном опробовании:
1 — 16 июля,
2 и 3 — соответственно 3 и 11 августа, 4 — 24 сентября;
4 — шпуры гелиевой съемки
5 — покровные суглинки;
6 — коренные породы;
7 — зона разлома,


Общая схема распределения гелия в области мобильного разлома при его перекрытии покровными суглинками показан на рис. 8. При малой глубине шпуров (1—2 м) аномальная концентрация здесь фиксируется только в очень локальной по ширине зоне нарушения суглинков, в то время как по шпурам, вскрывающим весь экранирующий слой, отмечается достаточно обширная область растекания аномальных концентраций. Гелиевая съемка по шпурам и скважинам горных выработок не вызывает особых затруднений, поскольку газ в них интенсивно выделяется из стенок и вытекающей воды. Пробы здесь отбирались в колбы вакуумно-циркуляционным способом на устье или составной металлической, трубкой с разным заглублением. В геотермически аномальных районах газ выбрасывается с парами воды при температуре до 100°С и под большим давлением; в вулканических районах температура сольфатар ещё выше. Поэтому важным дополнительным элементом отбора становится предварительное охлаждение струи с поглощением компоненты кислых газов. Последующее совершенствование съемки должно предусматривать одновременное изучение гелия и других газовых индикаторов: метана, водорода, углекислого газа, парообразной ртути и т.п. Целесообразность комплексной газовой съемки определяется большими вариациями компонентного состава подземных газов, явно связанными с тектоническим режимом фрагментов земной коры (Еремеев, Ершов, Яницкий, 1971г.). В условиях резкого уменьшения интенсивности какого-то одного компонента (в том числе и гелия) комплексная съемка будет фиксировать другие индикаторы, аномальные значения которых характеризуют, различия геодинамики участков литосферы.


2. ВОДНОГЕЛИЕВАЯ СЪЕМКА

Подземные воды имеют повсеместное распространение. Ниже зеркала (или пьезометрического уровня) они занимают практически все свободное пространство — сообщающиеся поры, трещины раскрытого типа, за исключением случаев, когда коллекторы заполнены свободным газом (углеводородами, азотом, углекислотой). Поэтому подземные воды являются наиболее распространенным растворителем и носителем гелия. Растворимость гелия в воде достаточно высокая. При стопроцентной концентрации, атмосферном давлении и температуре + 5°С в 1 л воды может раствориться 9 мл гелия. Соответственно упругость его при этом равна 1 х 10⁵ Па. С увеличением давления растворимость растет практически линейно:
2 х 10⁵ Па — 18 мл;
5 х 10⁵ — 46;
2,5 х 10⁶ – 230;
10⁷ — 924;
5 х 10⁷ — 4200;
10 х 10⁸ Па — 7400 мл.

С увеличением температуры растворимость гелия также повышается, но в меньшей степени. Например, при 100°С в 1 л воды может раствориться 12 мл, при 200 —3 0, при 300°С — 75 мл (Намиот, Бондарева, 1961г.). Наличие в воде повышенных концентраций других газов, в том числе часто встречаемых в подземных условиях азота и метана, существенно увеличивает растворимость (адсорбцию) гелия.
Все перечисленные и обычно одновременно действующие в природных условиях факторы увеличивают возможность растворения гелия. Единственным, несколько сдерживающим фактором, является минерализация воды. Так, при молярной концентрации NaCl в 1 л воды может раствориться не 9 мл, а только 7,6 мл гелия, при двухмолярной — 6 мл, при пятимолярной (рассол) около 4 мл. Однако этот фактор действует намного слабее суммы вышеуказанных, что определяет практически неограниченные возможности растворения гелия в подземных водах на больших глубинах.

Таблица 12 Отношение фактических и возможных концентраций гелия в воде.

В табл. 12 приведены реальные и возможные концентрации растворенного в воде гелия, а также числа, показывающие отношение этих величин. Последние подтверждают большой недостаток присутствующего в подземных водах гелия относительно количеств, которые могут раствориться в соответствующих условиях. Такой «дефицит» с глубиной возрастает, несмотря на увеличение в том же направлении реального гелиенасыщения подземной среды. Однако и эти сравнительно небольшие концентрация гелия (как отмечено в разделах 7 и 8 главы II) значительно превосходят предельно допустимые уровни гелиенасыщения, соответствующие хондритовой модели Земли.

Распределение подземных вод в литосфере по вертикали неравномерное. В общем случае водообильность увеличивается от зеркала вниз и достигает какого-то максимума в той части разреза, где наибольшая эффективная пористость пород сочетается с наилучшими условиями литания подземных вод. В осадочной толще водообильность чередуется от больших величин в пластах-коллекторах до минимальных значений в разделяющих их экранах. Для пород кристаллического субстрата максимальная водообильность щебенистого и жильно-трещинных коллекторов в условиях равнинного рельефа отмечается на глубине 30—70 м, т. е. в области сочленения раскрытых тектонических нарушений с зоной выветривания (Голубев, Осипов, Яницкий, 1970г.). Ниже с повышением горного давления трещиноватость и водообильность уменьшаются, что установлено во многих случаях при проходке глубоких шахт, где на уровне 300—500 м обводненные зоны встречаются весьма редко. Так, становятся экзотичными обводненные зоны на горизонтах 390 и 430 м золоторудных месторождений Северного Казахстана — Джеламбет и Бестюбе.

Гелий в воде находится в состоянии истинного раствора. Его упругость в растворе равновесна концентрации в окружающей среде — породах и газах. Разумеется, полное равновесие возможно только в идеализированных условиях, характеризующихся весьма медленным и равномерным массообменом флюидов, омывающих твердую фазу. В реальных условиях подземной геосферы происходит восстановление постоянно нарушаемого равновесия, именуемого динамическим равновесием. В наземных водоемах (озерах, болотах, морях и океанах), а также в водотоках (ручьях, реках) содержание гелия более равномерное; оно преимущественно равновесно концентрации гелия в атмосферном воздухе (5 х 10^–5мл/л). Но и здесь на локальных участках донной разгрузки содержание гелия увеличивается в соответствии с интенсивностью питающего источника.

Требования к опробованию подземных и открытых водоемов различны: в первом случае оказывается достоверной приповерхностная зона (30—50 м для условий выхода фундамента на поверхность и до 120 м для мощной осадочной толщи); во втором случае съемку необходимо вести по придонному слою. Объяснение указанного различия для обоих случаев одинаковое: вариации поля гелия контрастнее выражены в зоне максимального вертикального градиента его концентрации. В первом случае это приповерхностные слои активного водогазообмена; во втором — придонные слои, куда по донным трещинам внедряются подземные воды. На первом этапе исследований для извлечения гелия из воды применялась вакуумная дегазация, предложенная В. П. Савченко в 1935г. По этому методу в качестве дегазатора использовалась десятилитровая бутыль, предварительно откачанная примерно до 1 кПа. Вода напускалась до половины объема, что обеспечивало в дегазаторе разрежение около 5 х 10⁴ Па и сохраняло условия кипения воды. Выделившийся газ выжимался с помощью резиновой камеры в газоприемник. В процессе такой дегазации извлекалось около 90% растворенного в воде гелия (Савченко, 1935г.).

Достаточно надежный способ дегазации по методу Савченко оказался малопроизводительным в полевых условиях. Поэтому начиная с 1958г. Н. И. Мусиченко стал применять упрощенный способ с объемом дегазатора 1 л и с вытеснением опробуемой водой выделившегося газа в пробозаборник (рис. 9). Давление в дегазаторе во время напуска пробы изменялось примерно от 1 до 100 кПа, что существенно уменьшило уровень извлечения растворенного газа и гелия, который не превышал 50%.

Рис. 9. Схема дегазации воды упрощенным способом с выжиманием выделившегося газа водой в промывалку.
1 — насос Камовского;
2 — пробозаборник;
3 — дегазатор емкостью 1 л;
4 — стеклянные переходники.


Дальнейшее развитие водногелиевой съемки с применением массового отбора проб потребовало полного исключения вакуумной дегазации. В 1966—1970гг. с этой целью использовался предложенный автором распределительный способ, при котором опробуемая вода наливалась в бутылку на 9/10 её объема под атмосферным давлением, бутылка плотно закупоривалась резиновой пробкой. Перераспределение гелия между водой и оставленной (1/10) частью атмосферного воздуха обеспечивало пропорциональное (исходной гелиенасыщенности пробы) приращение концентрации в газовой фазе. Такое приращение фиксировалось при анализе газовой фазы; по величине приращения с точностью, не меньшей, чем при вакуумной дегазации, определялось исходное содержание гелия в опробуемой воде.

С созданием прибора мембранного типа стал возможен прямой: анализ гелия в воде без каких-либо промежуточных операций его извлечения. Это повысило чувствительность анализа в десятки раз и позволило выполнять массовые исследования проб непосредственно на водопункте.

Водногелиевая съемка использована при исследованиях в различных геологических, морфологических и климатических условиях: Кольский полуостров и Карелия; Прибалтика и Молдавия; равнины Русской платформы, Зауралья и Западно-Сибирской низменности; горы Крыма, Кавказа и Средней Азии, включая Памир, и др. Варианты съемки опробованы на трассе БАМ, в районах вечной мерзлоты (Якутия), в термальных и вулканических зонах — Забайкалье, Курильские острова, Камчатка, Исландия. Результаты применения этого метода подтвердили его эффективность и высокую информативность, что определяет перспективы развития гелиевой съемки.


3. КЕРНОВАЯ ГЕЛИЕВАЯ СЪЕМКА

На раннем этапе исследований, как и при углеводородной съемке, отсос свободного газа из породы производился вакуумным способом. Поиск более эффективных способов обработки позволил отказаться от вакуумирования. Еще в 30-х годах В. Г. Хлопин показал, что глубокое вакуумирование образца не дает столь высокого извлечения из него гелия, как при частичном разрежении [(3—4) х 10⁴ Па] в атмосфере метана. Тот же эффект был получен позже различными исследователями при использовании в качестве газа-наполнителя азота и водорода.

Физико-химическая основа процесса объясняется отмеченным выше наличием ближних межатомных связей гелия с вмещающей средой. Эти связи имеют место в реакции гелия как с твердым веществом породы, так и с заполняющими ее газами. При высоком разрежении связь гелия с газом-наполнителем становится меньше уровня связи с породой, вследствие чего миграция гелия из образца в вакуум практически прекращается. Отмеченные особенности позволили использовать для керновой съемки аналог распределительного способа, описанного выше для воды. По этой методике поднятый из скважины керн сразу же эвакуировали в герметичный сосуд (керновый стакан), заполненный водой. После завинчивания крышки к стакану присоединяли через два штуцера стеклянную колбу-барбатер, заполненную водой и атмосферным воздухом (рис. 10). Дозу воздуха прибавляли на ранней стадии работ, когда анализ выполняли масс-спектрометрическим способом и газовая фаза требовалась для напуска в прибор. Наличие двух соединительных трубок обеспечивало в закрытой системе циркуляцию воздуха и воды. Нормальное положение кернового стакана с подключенным барбатером показано на рис. 10. При этом воздух находился в стакане в контакте с испытуемой породой. Выделяющийся из керна гелий попадал в воду или сразу в газовую фазу. Через небольшое время (1— 2 сут) при трех-пятикратном переворачивании системы возникало равновесие свободного подвижного гелия: его содержание в воде, газе и породе уравнивалось.

Рис. 10. Система для изучения количества свободного подвижного гелия в твердой фазе (керне или штуфах).
1 — керновый стакан;
2 — куски породы;
3 — переходники с зажимами;
4 — сменный стеклянный пробозаборник.


Для определения выделившегося количества гелия систему переворачивали в исходное положение и легким встряхиванием добивались полного перетекания газовой фазы в барбатер, после чего соединительные трубки перекрывали зажимами и отсоединяли. В отключенном барбатере определяли содержание гелия в газе и уточняли объем газа, а к керновому стакану сразу же подключали другой барбатер с атмосферным воздухом и чистой водой. Такие циклы повторяли до прекращения изменений содержания гелия в газовой фазе. Количество циклов зависело от первичной гелиенасыщенности образца: при низкой концентрации достаточно было выполнить три-пять циклов; в аномальном случае число их могло достигать 15.

Количество выделившегося в первом цикле гелия составляло:

где n х 5 х 10^-6 — измеренное в барбатере содержание гелия, мл/л; 50 — объем газовой фазы, мл.


Количество гелия в воде отключаемого барбатера не учитывалось, поскольку оно не более 1/100 его доли в газе, что не превышает погрешности анализа. Полное количество выделившегося гелия определялось суммированием объемов по единичным циклам:

Масса исследуемой пробы устанавливалась после завершения газоотделения и вскрытия системы; в окончательном виде гелиенасыщенность выражалась в см³/г. Для рассмотренной системы была установлена возможность упрощенной оценки гелиенасыщения по первому циклу. В этом случае каждый образец выдерживали в системе стандартное время — 3 сут. Эмпирическая формула расчета при емкости кернового стакана 1 л объеме воздуха в системе 50 мл имела следующий вид:

где n — измеренная в первом цикле концентрация гелия.


С применением приборов мембранного типа анализ может быть упрощен, а точность его значительно повышена путем использования в качестве фазы-наполнителя кернового стакана одной воды. Добавление воздуха целесообразно только при изучении сильно гелиенасыщенных образцов. Время газоотделения также можно уменьшить за счет создания подогреваемой до 30—40°С конвективной циркуляционной системы. Рассмотренный способ керновой съемки дает только нижнюю границу гелиенасыщения породы, поскольку часть свободного подвижного гелия теряется при выбуривании керна и при его подъеме на поверхность, сопровождающемся сбросом гидростатического давления. Эти потери в определенной мере пропорциональны глубине бурения. Для проведения точных исследований требуется применение устройств, обеспечивающих надежную герметизацию керна еще на забое скважины.


4. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО ВАРИАНТА СЪЕМКИ

Параллельные исследования газа, воды и керна в пределах локальных участков показали удовлетворительное соответствие в оценке уровня гелиенасыщения, что позволяет рекомендовать, использование в производственных масштабах наиболее простого способа. Таким способом является водногелиевая съемка. Этот вид работ позволяет изучать поле гелия в любых условиях с минимальной затратой средств, т. е. с максимальной экономической эффективностью. Остальные варианты следует рассматривать только как вспомогательные, пригодные для решения: дополнительных задач.

Большую часть стоимости съемки составляет отбор проб, включающий объезд точек съемочной сети, обеспечение условий опробования на намеченном пункте и собственно отбор. Если транспортные затраты и стоимость отбора проб по всем вариантам съемки сопоставимы, то стоимость подготовительных операций колеблется в больших пределах. Например, для отбора с достоверного горизонта пробы породы (с поверхности такие пробы неинформативны) необходимо бурение скважин или проходка горных выработок; для газовой съемки также требуется бурение шпуров или скважин.

Водногелиевая съемка в большинстве случаев не требует подобных подготовительных операций, поскольку может выполняться по сети имеющихся природных или созданных человеком водопунктов. Так, в европейской части Советского Союза (кроме Крайнего Севера) существует кондиционная сеть водозаборных скважин, достаточная для создания карт масштаба до 1 : 1 000 000. К районам с подобными условиями можно отнести Кавказ и горные части Средней Азии с учетом множества природных родников. Только в засушливых пустынных районах можно обсуждать целесообразность замены водногелиевой съемки газовым вариантом. При этом следует помнить, что и здесь бурение и опробование специально предназначенных для съемки скважин (с учетом параллельного гидрогеохимического опробования) могут оказаться более эффективными, чем газовый вариант исследований. Проблематична пока методика гелиевой съемки в условиях вечной мерзлоты, где вариант керновой съемки по представительному горизонту (на глубине 10—45 м) должен рассматриваться в качестве основного. Дополнительные исследования позволят уточнить порядок комплексирования вариантов гелиевой съемки для различных региональных условий.



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