Статья в журналеОткрытый доступ
Геологические факторы геотермальной системы и гидрогеохимия глубоких слабоминерализованных верхнемеловых водоносных горизонтов Жаркентского (восточно-Илийского) бассейна на юго-востоке Казахстана
Geological controls on the geothermal system and hydrogeochemistry of the deep low-salinity Upper Cretaceous aquifers in the Zharkent (eastern Ily) Basin, south-eastern Kazakhstan
https://doi.org/10.3389/feart.2023.1212064
Ключевые данные
- Верхнемеловой коллектор на глубине до 2 850 м, мощность 30–50 м, проницаемость до восьми дарси.
- Температура воды на устье 96–102 °C; скважина 5539 (около 2 850 м) дает воду температурой 103 °C; начальный самоизлив до 75,2 л/с.
- Минерализация геотермальных вод 0,3–0,9 г/л; палеогеновых вод — до 22 г/л.
- Геотермические градиенты: восток 21,1–30,3 °C/км, центр 25,1–32,9 °C/км, юг 27,3–53,5 °C/км; аномалия 40–60 °C/км у Добына и Шонжы.
- Среднее по всем пробам: δ²H −99,9 ± 7,61‰, δ¹⁸O −13,7 ± 0,76‰, дейтериевый эксцесс 9,52 ± 4,21‰; глубокие геотермальные скважины (n = 6): δ²H −106,56 ± 2,85‰.
- Локальная линия метеорных вод: δD = 7,6·δ¹⁸O + 9,4.
Аннотация
The Zharkent (eastern Ily) Basin is renowned for its low-salinity natural hot springs and geothermal wells, primarily utilized for recreational purposes. Despite the growing commercial interest, the geothermal system in this area is very poorly documented or understood. Accordingly, we conducted a multi-disciplinary study, focusing on the advanced characterization of waters from productive Cretaceous strata, along with the interpretation of geothermal gradients and reservoir recharge in a geological context. Conventional wisdom asserts that Ily is an intracratonic basin characterized by high geothermal heat in its central part and by geothermal aquifers that are rapidly replenished by meteoric water recharge via porous strata exposed on the basin margin. Our results argue for an alternative and expanded interpretation of these systems. Elevated geothermal gradients (with average of up to 40°C/km in the southern part of the basin and locally possibly up to 55°C/km) are likely associated with crustal thinning owing to the development of a pull-apart basin. Anomalously fresh water (<1 g/L) in the deep (up to 2850 m depth) Upper Cretaceous reservoir is charged laterally, predominantly by snowmelt waters from basin bounding mountains. Recharge includes both mountain-front recharge (MFR), where water infiltrates into outcrops of reservoir rock near the mountain fronts, and mountain-block recharge (MBR), characterized by deep groundwater flow through fractured, predominantly rhyolite basement rocks (as evidenced from their solutes in reservoir waters). The combination of elevated geothermal gradients, low salinity water chemistry, and excellent reservoir properties makes the studied reservoir horizon an attractive target for geothermal development. Our results are applicable to other geothermal systems in strike-slip settings across Central Asia, and potentially worldwide.
Авторская аннотация воспроизводится на условиях лицензии CC BY 4.0. Аннотация дана на английском языке.
Ключевые слова
- геотермальная энергия
- Жаркентский бассейн
- гидрогеохимия
- впадина растяжения
- подземные воды
- стабильные изотопы
Простыми словами
Жаркентский (восточно-Илийский) бассейн на юго-востоке Казахстана известен слабоминерализованными горячими источниками и геотермальными скважинами, которые используются в основном для отдыха. Еще в 1950-х годах нефтепоисковые скважины вскрыли горячую воду — около 96 °C на устье — в верхнемеловых коллекторах на глубине 2 682–2 730 м; недавно пробуренная скважина 5539 глубиной около 2 850 м дает из того же интервала воду температурой 103 °C. Продуктивный горизонт мощностью 30–50 м обладает высокой проницаемостью — до восьми дарси.
Авторы заново обработали данные о температурах, химическом составе вод, стратиграфии, гравиметрии и структуре и в мае–июне 2021 и 2022 годов отобрали пробы из скважин и источников: четырех глубоких геотермальных скважин глубже 2,5 км, пяти геотермальных скважин глубиной 600–700 м, неглубоких скважин на грунтовые воды, источника, теплой артезианской скважины и ручья. По 18 скважинам геотермические градиенты составляют 21,1–30,3 °C/км на востоке бассейна, 25,1–32,9 °C/км в центре и 27,3–53,5 °C/км на юге, с сильной аномалией 40–60 °C/км у поселков Добын и Шонжы.
По мнению авторов, бассейн представляет собой впадину растяжения (pull-apart), образованную сдвиговыми разломами, а неравномерность градиентов объясняется неравномерным утонением коры. Тепло переносится в основном кондуктивно, хотя вода, поднимающаяся по открытым разломам, может локально добавлять тепло. Верхнемеловая вода пресная — 0,3–0,9 г/л, тогда как в перекрывающих палеогеновых и неогеновых слоях минерализация до 20 раз выше за счет воды, просачивающейся с поверхности.
Стабильные изотопы указывают, что глубокие воды питаются в основном талыми снеговыми водами: самые обедненные тяжелыми изотопами воды дают глубокие геотермальные скважины. Растворенный кремнезем и другие ионы говорят о том, что вода поступает в коллектор и там, где он выходит на поверхность у подножия гор, и через трещиноватый риолитовый фундамент под горами. Авторы делают вывод, что высокие градиенты, пресная вода и отличные коллекторские свойства делают верхнемеловой горизонт привлекательным геотермальным объектом, а результаты применимы к другим геотермальным системам в зонах сдвигов Центральной Азии.
Рисунки (2)
Как цитировать
Ashirgul Kozhagulova, Vadim Yapiyev, Leila Karabayanova, Antoine Dillinger, Vyacheslav Zavaley, Aisulu Kalitova, Emil Bayramov, John Holbrook, Stephen E. Grasby and Milovan Fustic (2023). Geological controls on the geothermal system and hydrogeochemistry of the deep low-salinity Upper Cretaceous aquifers in the Zharkent (eastern Ily) Basin, south-eastern Kazakhstan. Frontiers in Earth Science, vol. 11, 1212064. https://doi.org/10.3389/feart.2023.1212064