Изотопный состав природных вод Кузбасса на площадях добычи угольного метана

Abstract

Актуальность. В Кузбассе впервые в России реализуется проект по добыче метана из угольных пластов. Пластовой воде, добываемой совместно с метаном из угольных пластов, отводится важная роль, т. к. она долгое время контактировала с угленосными породами, поэтому содержит богатую геохимическую информацию. За период с 2002 по 2022 гг. накопились новые изотопные данные как по водам угольных отложений региона, так и по вышезалегающим водам, включая поверхностные. Цель. На основе накопленного материала по изотопному составу (δD, δ18О, δ13С, 34S, 3H, 14С) природных вод угленосных площадей создать эволюционную схему формирования вод в рамках развиваемой гипотезы по взаимодействию вода-порода-уголь-метан. Объекты. Речные, подземные воды зоны активного водообмена, верхней и нижней части зоны замедленного водообмена (добываемые совместно с метаном из угольных пластов). Методы. Исследования изотопного состава вод проводились в нескольких лабораториях: Центр коллективного пользования многоэлементных и изотопных исследований СО РАН, Томский филиал Федерального Государственного унитарного предприятия «СНИИГГИМС», в радиоуглеродной лаборатории на базе Центра коллективного пользования «Геохронология кайнозоя» и в Тихоокеанском океанологическом институте ДВО РАН. Результаты и выводы. Приведены данные по δD, δ18О, δ13С и δ34S для поверхностных и подземных вод Кузбасса на площадях добычи угольного метана. Показано, что все рассматриваемые воды по изотопному составу (δD и δ18О) являются инфильтрационными. Для вод нижней части замедленного водообмена, добываемых совместно с метаном из угольных пластов, характерен положительный кислородный сдвиг и очень легкий водород. Составлена схема эволюции изотопного состава водорастворенного углерода в регионе согласно полученным данным. Отмечается, что атмосферный источник СО2 характерен только для речных вод, а в подземных водах присутствует только биогенная углекислота. Широкий диапазон значений δ13СDIC последних объясняется разной степенью участия легкой почвенной углекислоты и тяжелой биохимической, образуемых в угольном пласте, в процессе метаноообразования. Самые тяжелые значения характерны для вод, добываемых совместно с метаном из угольных пластов, что связано с длительным взаимодействием с углем и метаном. Определено время такого взаимодействия радиоуглеродным методом: 17-30 тыс. лет. В районах добычи метана из угольных пластов отмечается утяжеление значений δ13СDIC для всех природных вод, что требует дальнейшего изучения

Relevance. In Kuzbass, a coalbed methane production project is being implemented for the first time in Russia. Formation water extracted together with coalbed methane plays an important role, since it has been in contact with the coalbearing rocks for a long time, therefore it contains rich geochemical information. Over the period 2002-2022, new isotopic data were accumulated both on the waters of the region coal deposits and on overlying waters, including surface waters. Aim. Based on the material accumulated on the isotopic composition (δD, δ18O, δ13C, 34S, 3H, 14C) of natural waters in coal-bearing areas, create an evolutionary scheme for the formation of waters within the framework of the developed hypothesis on the interaction of water-rock-coal-methane. Objects. River, underground waters of the zone of active water exchange, upper and lower parts of the zone of slow water exchange (extracted together with coalbed methane). Methods. Studies of the isotopic composition of waters were carried out in several laboratories: in the Multielement and Isotope Research Center of the SB RAS, the Technical Branch of the "SNIIGGIMS", in the radiocarbon AMS laboratory based on the Center for Collective Use "Cenozoic Geochronology" and in the Pacific Oceanological Institute Far Eastern Branch Russian Academy of Sciences. Results and conclusions. The paper introduces the data on δD, δ18О, δ13С и δ34S for surface and groundwater in Kuzbass in coalbed methane production areas. It is shown that all the waters under consideration are infiltration based on their isotopic composition (δD and δ18О). The waters of the lower part of the slow water exchange, produced together with coalbed methane, are characterized by a positive oxygen shift and very light hydrogen. A diagram of the evolution of the isotopic composition of water-dissolved carbon in the region has been compiled according to the data obtained. It is noted that the atmospheric source of CO2 is characteristic only of river waters, and only biogenic carbon dioxide is present in groundwater. The wide range of δ13СDIC values of the latter is explained by the varying degrees of participation of light soil carbon dioxide and heavy biochemical carbon dioxide formed during methane formation in the coal seam. The heaviest values are typical for waters produced together with coalbed methane, which is associated with long-term interaction with coal and methane. The time of such interaction was determined using the radiocarbon method: 17-30 thousand years. In areas where coalbed methane is produced, an increase in δ13СDIC values for all natural waters is observed, which requires further study