Постановка вопроса

Основной подход к прогнозу землетрясений в настоящее время заключается в отслеживании вариаций интенсивности сейсмического процесса для выявления неустойчивости в его режиме. При значительном объеме опубликованной литературы, ее ценность неодинакова. Во многих работах описываются последствия землетрясений и поведение тех или иных параметров после разгрузки упругих напряжений в коре. Для прогноза же необходимы данные об изменении параметров в процессе подготовки землетрясения, а не после него. М.А. Садовский подчеркивал, что однозначно решить вопрос о прогнозе времени землетрясений можно лишь при постановке режимных наблюдений за комплексом известных предвестников на широкой сети станций, а также при выяснении механизма сейсмического процесса и физической природы предвестников. Он писал: «…для предсказания сильного землетрясения площадь, покрытая постами наблюдений, должна занимать сотни тысяч квадратных километров… расстояние между пунктами наблюдений не должно превышать 50–100 км» (Садовский, 1978; с. 7). Устойчивый пессимизм, сложившийся к настоящему времени в отношении создания теоретических основ прогноза землетрясений (Geller, 1997; Rodkin, 2008; Koronovskiy, Naimark, 2012, 2013), вовсе не означает, что практика прогноза возможных сейсмических катастроф (Sobolev, 1993; и др.) должна быть приостановлена.

Как правило, какой-либо предвестник выявляется для конкретного сильного землетрясения. Следующее сильное землетрясение происходит без заявленного предвестника. Авторами настоящей работы, вместо бесполезного ожидания «предвестников», принята практика анализа гидрогеохимических изменений в резервуаре подземных вод сейсмоактивной структуры. Для полученных закономерностей эволюции резервуара подземных вод устанавливаются парагенетические отношения с событиями подготовки и реализации сильных землетрясений. Иными словами, проводится гидрогеохимическое исследование резервуара подземных вод, доступного для изучения в верхней части коры, и в случае, если определяются перестройки в его эволюции с пониманием будущих событий в таком резервуаре, рубежи гидрогеохимических перестроек резервуара с элементами прогноза проецируются в информационное поле о пространственно-временном распределении землетрясений различной силы, происходящих в средней части коры. После такого перехода делается прогноз будущих сейсмических событий. Кора рассматривается как объект прямого непрерывного мониторингового исследования подземных вод в ее доступной верхней части с выходом на подготовку и реализацию сейсмических процессов в ее средней части, фактически недоступной для получения прямой информации (Rasskazov et al., 2022; 2024).

Современная изотопная геохимия располагает широким набором методов для изучения природных процессов с констатацией причин их возникновение и определением направленности эволюции. Важнейшую генетическую информацию для подземных и поверхностных вод несут изотопы урана. В результате радиоактивного распада ²³⁸U в лабораторных условиях атомное отношение ²³⁴ U/²³⁸U = 5.47×10^–5 соответствует циклическому равновесию между изотопами ²³⁴U и ²³⁸U с отношением активностей (ОА4/8) около 1. В природных условиях наблюдаются отклонения от равновесия, известные как эффект Чердынцева-Чалова (Чердынцев, 1969; Чалов и др., 1980). В разных геологических условиях предлагаются различные объяснения этого эффекта. Так, значения ОА4/8 резко увеличиваются или снижаются при землетрясениях (Zverev et al., 1975; Finkel, 1979). Учитывая возможность возникновения такого эффекта в подземных водах активных разломов Байкальской рифтовой системы, в 2012 г. был организован гидрогеохимический мониторинг сейсмической угрозы на Култукском полигоне. В процессе наблюдений, кроме ОА4/8, определялся широкий спектр химических элементов, а также изотопные отношения Sr (Рассказов и др., 2015; Чебыкин и др., 2015).

По расположению в оси рифтовой структуры эта территория выбрана нами в качестве опорного полигона. Мониторинговые станции находятся в основном в тектонитах Главного Саянского разлома (ГСР) – шовной структуры между архейским Шарыжалгайским блоком фундамента Сибирского палеоконтинента и неопротерозойским Слюдянским метаморфическим субтеррейном Хамардабанского террейна – и частично выходят на фланги этой шовной зоны. В пределах шовной зоны ГСР Култукского полигона значения ОА4/8 не превышают 3.29. Такое максимальное значение определено 04 февраля 2013 г. на ст. 27. При продвижении в Шарыжалгайский блок вдоль Обручевского разлома в роднике ст. 143А выявлены более высокие значения ОА4/8 (до 3.68). Концентрация Si в водах родника ст. 143А с течением времени возрастает подобно возрастанию содержания этого компонента в подземных водах других мониторинговых станций Култукского полигона, поэтому предполагается, что высокие значения ОА4/8 в водах родника ст. 143А имеют тектоническую причину (Ильясова, Снопков, 2023).

Существует, однако, еще одна особенность размещения родника ст. 143А. Он пространственно приурочен к распадку берега Байкала, из которого обломочный материал поступает в виде конуса выноса в прибрежную акваторию озера. Зимой на берегу Байкала образуется наледь. Нельзя исключить вероятности того, что выемка материала из распадка с родником ст. 143А осуществляется в тектонически ослабленной зоне с участием многолетнемерзлых пород. В северных регионах России при таянии древних мерзлых пород OA4/8 возрастает до 15.7 с возрастанием общей минерализации (Yakovlev et al., 2021).

Если этот процесс действительно имеет место и повышенные значения ОА4/8 в водах родника ст. 143А маркируют остатки многолетнемерзлых пород в распадке на берегу Байкала, эта конкурирующая гипотеза должна быть проверена независимыми гидрогеохимическими данными. О возможном участии компонента многолетнемерзлых пород в подземных водах ст. 143А можно судить по изотопам водорода и кислорода. Для изучения подземных и поверхностных вод используются сдвиги масс стабильных изотопов, входящих в молекулу воды – дейтерия (δ ²H) относительно протия (¹H) – δ²H и кислорода-18 (¹⁸O) относительно кислорода-16 (¹⁶O) – δ¹⁸О.

В настоящей работе определяется изотопный состав водорода и кислорода в воде с наиболее неравновесным ураном ст. 143А в сопоставлении с изотопными данными по водороду и кислороду, полученными для подземных вод других мониторинговых станций опорного Култукского полигона и сопредельных территорий Предбайкалья и Тункинской долины. Для интерпретации привлекаются данные по изотопам U, а также по общей минерализации (ОМ) и содержанию Si в подземных водах.

Объекты и методика исследований

На территории Предбайкалья и Тункинской долины в U-H-O-изотопные исследования вовлечены пробы подземных вод, отобранные в основном летом и осенью 2022 г. (с 21 июля до 13 ноября). Опробование вод родников и скважин в Больших Котах проводилось годом раньше (17 октября 2021 г.). В отдельную группу объединяются пробы Култукского полигона, в зоне ГСР. По близости к Байкалу эта группа сопоставляется с группой водопунктов, опробованных вдоль северо-западного берега этого озера и берегов Иркутского водохранилища (ст. 136 (Бугульдейка), ст. ВК-2, ВК-11 (Большие Коты), ст. 108 (Большая Речка), ст. 194 (Иркутск, Радищево). Родник ст. 143А, с одной стороны, относится к Култукскому полигону, с другой стороны, он находится за пределами шовной зоны ГСР, в архейском Шарыжалгайском блоке фундамента Сибирского палеоконтинента. Этот родник расположен на берегу Байкала и рассматривается как водопункт из группы СЗ берега Байкала и берегов Иркутского водохранилища. Для сопоставления приводятся данные, полученные для подземных вод территорий, удаленных от Байкала и Иркутского водохранилища (рис. 1).

Рис. 1. Схема пространственного положения мониторингового полигона Култук (включая ст. 143А) и распределения опробованных подземных вод Предбайкалья и Тункинской долины (а) и положение района исследований на краю Сибирского палеоконтинента (б). Для обозначения местоположения проб используются значки групп, выделенных на диаграммах рис. 2.

Fig. 1. Schematic map of the location of the Kultuk monitoring area (including station 143A) and the distribution of sampled groundwater in the Pre-Baikal region and Tunka Valley (а) and the position of the research area on the edge of the Siberian paleocontinent (б). The location of samples is indicated by the icons of the groups highlighted in the diagrams of Fig. 2.

Для определения химического элементного состава природная вода фильтруется через шприц-насадки с диаметром пор 0.45 мкм (Minisart 16555-K, ацетат целлюлозы, Sartorius Stedim Biotech Gmbh, Германия) в предварительно взвешенные 2 мл полипропиленовые пробирки Эппендорфа (Axygen Scientific, Cat.-No. MCT-200-C, США, Мексика), содержащие 40 мкл консерванта. В качестве консерванта используется концентрированная азотная кислота (70 %), дважды очищенная с помощью суббойлинговой системы перегонки кислот (Savillex DST-1000 sub-boiling distillation system, Япония), в которую добавляется индий (типично 1000 ppb) в качестве внутреннего стандарта. Аликвоты консерванта взвешиваются при добавлении в пробирки. Пробирки с отобранными образцами воды взвешивают и рассчитывают точное содержание азотной кислоты (типично 2 %) и индия (типично 30 ppb). В подготовленных растворах определяют содержание 72 химических элементов методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (ИСПР-МС) на квадрупольном масс-спектрометре Agilent 7500 (Чебыкин и др., 2007, 2012). Изотопы урана определяются после его выделения на ионно-обменной колонке из отдельной пробы воды. Обычно достаточно 400 мл. Детали методики приведены в работе (Чебыкин и др., 2015).

Для исследований изотопного состава водорода и кислорода пробы воды фильтруются через мембранные фильтры 0.45 мкм в пробирки 2 мл. Пробы измеряются на изотопном анализаторе WS-CRDS Picarro L2140-i по методике спектроскопии поглощения света в многопоточных неаксиальных кюветах при сканировании по длинам волн (WS-CRDS, Wavelength Scanned Cavity Ring-Down Spectroscopy). Используется методика ААНИИ (Екайкин, 2016). В качестве стандарта используется иркутская водопроводная вода "Irk", откалиброванная по стандартам воды USGS-46, USGS-47 и стандартам института Арктики и Антарктики (ААНИИ, Санкт-Петербург) VOS-4 и SPB-2. Значения рабочего стандарта Irk: δ¹⁸О –15.727, ²Н – 122.461. Погрешность измерений: δ¹⁸O не более 0.05 ‰, δ²Н не более 0.8 ‰. Полученные данные приводятся в δ-обозначении относительно Венского стандарта средней океанической воды (VSMOW) (табл. 1).

Таблица 1

Гидрогеохимические данные для подземных вод станций мониторинга БРС

Table 1

Hydrogeochemical data for groundwater of BRS monitoring stations

К Култукскому полигону относятся станции: 8, 27, 40, 184, 38, 45, 66А, 14к и 143А. 

*Состав ЮБР приводится для района Култука по данным (Оганесянц и др., 2021).

Результаты

Значения ОА4/8 для основных станций Култукского полигона (зона ГСР) меняются от 1.1 (ст. 14к) до 3.3 (ст. 27). В октябре и ноябре 2022 г. значения этого показателя не меняются, за исключением ст. 14к, для которой 14 октября 2022 г. получено значение 1.30, а позже, 27 октября и 13 ноября – более низкое значение (1.14). Эта станция представляет собой родник в палеосейсмодислокации ГСР, в котором наблюдаются сезонные вариации концентрации U и ОА4/8 (Ильясова и др., 2022).

Значения δ²Н и δ¹⁸О также существенно меняются от станции к станции, но на каждой станции остаются на одном уровне в октябре и ноябре 2022 г. Максимальные величины обоих параметров получены для ст. 40, минимальные – для ст. 14к. Между изотопными составами урана и водорода–кислорода станций 8, 27, 40 и 184 соответствия в относительных вариациях не наблюдается, тогда как минимальное значение ОА4/8 для ст. 14к для всего Култукского полигона соответствует минимальным значениям δ²Н и δ¹⁸О этой станции (рис. 2).

Рис. 2. Диаграммы значений ОА4/8, δ²Н и δ¹⁸О на шкале времени. Данные получены для основных мониторинговых станций подземных вод Култукского полигона в октябре и ноябре 2022 г. Характеристика станций приведена в работах (Рассказов и др., 2015, 2022).

Fig. 2. Diagrams of AR4/8, δ²H, and δ¹⁸O values on a time scale. The data are obtained for the main groundwater monitoring stations of the Kultuk area in October and November 2022. The stations are described in (Rasskazov et al., 2015, 2022).

Для подземных вод Култукского полигона получены в целом более высокие значения δ²Н и δ¹⁸О чем для подземных вод северо-западного побережья Байкала и восточного побережья Иркутского водохранилища. На диаграммах δ²Н – ОА4/8 и δ¹⁸О – ОА4/8 (рис. 3а,в) для подземных вод Култукского полигона обозначаются компоненты Е (с равновесным ураном, equilibrium U) и NE (c неравновесным ураном, nonequilibrium U). Первый из них представлен низким значением δ²Н подземных вод ст. 14к (около –120 ‰) и более высоким значением подземных вод ст. 45 (около –105 ‰), второй имеет промежуточное значение δ²Н подземных вод ст. 27 (около –110 ‰).

Фигуративная точка пробы воды ст. 143А выходит за пределы фигуративных поля подземных вод Култукского полигона (зоны ГСР) и находится на верхнем окончании тренда подземных вод северо-западного побережья Байкала и восточного побережья Иркутского водохранилища. Нижнему окончанию тренда соответствуют точки подземных вод ст. 108 (Большая Речка). К тренду относятся точки подземных вод Больших Котов (ст. БК-2 и БК-11) и Бугульдейки (ст. 136).

На диаграммах δ²Н – ОА4/8 и δ¹⁸О – ОА4/8 (рис. 3б,г) для подземных вод Тункинской долины и удаленных от оз. Байкал и Иркутского водохранилища, получены группы точек с повышенными значениями δ²Н (–107–112 ‰) и δ¹⁸О (–14–15 ‰) при умеренном значении ОА4/8 (1.4–2.0) и с низкими значениями δ²Н (–115–120 ‰) и δ¹⁸О (–16.0–16.5 ‰) при более низких значениях ОА4/8 (0.97–1.3). Отдельно располагаются фигуративные точки подземных вод Предбайкалья (ст. 56 и 10). Высокое значение ОА4/8 (около 15) минеральной воды ст. 56 (Олхинская скважина) отражает особый состав ее источника. Для этой воды получены наиболее низкие значения δ²Н (–132.84 ‰) и δ¹⁸О (–17.68 ‰) среди всех исследованных подземных вод территории исследований.

Рис. 3. Диаграммы δ²Н – ОА4/8 (а) и δ¹⁸О – ОА4/8 (в) для подземных вод Култукского полигона, северо-западного побережья Байкала и восточного берега Иркутского водохранилища и сопредельных территорий Предбайкалья и Тункинской долины, удаленных от оз. Байкал и Иркутского водохранилища, и диаграммы δ²Н – ОА4/8 (б) и δ¹⁸О – ОА4/8 (г) для подземных вод, соответственно, этих же территорий (выделены группы I и II) . Точки опробования см. на рис. 1. Значения δ²Н = –126.21 ± 0.08 и δ¹⁸О = –15.88 ± 0.17 глубинной воды ЮБР приняты по результату измерения пробы байкальской воды с глубины 400 м в районе Култука (Оганесянц и др., 2022).

Fig. 3. Diagrams δ²Н vs AR4/8 (a) and δ¹⁸О – AR4/8 (в) for groundwater of the Kultuk are, northwest coast of Lake Baikal, and eastern shore of the Irkutsk Reservoir and adjacent territories of the Pre-Baikal region and Tunka Valley, remote from Lake Baikal and the Irkutsk Reservoir, and diagrams δ²Н vs AR4/8 (б) and δ¹⁸О – AR4/8 (г) for groundwater, respectively, of the same territories (groups I and II are highlighted). Sampling sites are shown on Fig. 1. The values of δ²Н = –126.21 ± 0.08 and δ¹⁸О = –15.88 ± 0.17 of the deep water composition of the South Baikal Reservoir are plotted for the Baikal water sample taken from a depth of 400 m in the Kultuk area (Oganesyants et al., 2022).

На диаграмме δ²Н – δ¹⁸О (рис. 4а) фигуративные точки подземных вод Култукского полигона относятся к единому тренду от состава ст. 14к до состава ст. 40. Тренд смещен ниже глобальной линии метеорных вод (ГЛМВ) с некоторым наклоном. Подземные воды полигона объединяются в единую генетическую совокупность. Точки подземных вод северо-западного побережья Байкала и восточного побережья Иркутского водохранилища также смещены ниже линии ГЛМВ. Самые низкие значения δ²Н и δ¹⁸О, соответствующие ГЛМВ, имеет вода ст. 108 (Большая Речка берега Иркутского водохранилища). Вблизи точки этой станции на диаграмме рис. 4а находится точка ст. 194 – родника, газирующего сероводородом (Радищево, г. Иркутск). Точки подземных вод северо-западного побережья Байкала сдвинуты вверх и вправо. В целом точки подземных вод северо-западного побережья Байкала и восточного побережья Иркутского водохранилища рассеяны между составами ЮБР и ГЛМВ. Составу ЮБР наиболее близок состав подземной воды ст. БК-11 (Большие Коты). Точка воды ст. 143А принадлежит тренду подземных вод Култукского полигона и в то же время может интерпретироваться в рамках гипотезы общего рассеяния точек подземных вод северо-западного побережья Байкала и восточного побережья Иркутского водохранилища.

На рис. 4б точки подземных вод территорий Предбайкалья и Тункинской долины, удаленных от оз. Байкал образуют две группы с относительным смещением вдоль ГЛМВ (I и II). Для проб, отобранных в районе Олхи (ст. Оlkh-10 и 56), проявляется тенденция смещения точек правее ГЛМВ.

Рис. 4. Диаграммы δ²Н – δ¹⁸О для подземных вод Култукского полигона, северо-западного побережья Байкала и восточного побережья Иркутского водохранилища (а) и сопредельных территорий Предбайкалья и Тункинской долины, удаленных от оз. Байкал (б). Точки опробования см. на рис. 1, условные обозначения – на рис. 3. Положение глобальной линии метеорных вод (ГЛМВ) из работы (Craig, 1961).

Fig. 4. Diagrams δ²Н vs δ¹⁸О for groundwater of the Kultuk area, northwestern coast of Lake Baikal, and eastern coast of the Irkutsk reservoir (a) and adjacent territories of the Pre-Baikal region and Tunka Valley, remote from Lake Baikal (б). Sampling sites are shown in Fig. 1, symbols – in Fig. 3. The Gobal Line of Meteoric Waters (GLMW) is shown after (Craig, 1961).

На диаграмме ОА4/8 – ОМ (общая минерализация) (рис. 5а) значения ОМ меняются в подземных водах Култукского полигона (в зоне ГСР) от 130 до 560 мг/дм³ при вариациях значений ОА4/8 от 1.1 до 3.2. Максимальный разброс значений ОМ дает компонент Е. С возрастанием ОА4/8 разброс значений ОМ последовательно уменьшается и в компоненте NE (ст. 27) составляет интервал от 180 до 280 мг/дм³. В этот интервал попадает значение ОМ воды ст. 143А (200 мг/дм³). Точка этой станции фактически продолжает тренд ОА4/8 – ОМ подземных вод Култукского полигона (зоны ГСР). Точки подземных вод Иркутского водохранилища (ст. 108) и Больших Котов (ст. БК-2 и БК-11) смещены левее фигуративного поля подземных вод Култукского полигона, к составу ЮБР, а точка воды Бугульдейки (ст. 136) смещена, наоборот, правее этого фигуративного поля.

На диаграммах δ²Н – ОМ и δ¹⁸О – ОМ (рис. 5в,д) точки подземных вод имеют иной характер распределения, что подчеркивает резкие различия генетической информации ОА4/8 (изотопов U, растворенного в воде) и параметров δ²Н, δ¹⁸О (термального фракционирования изотопных компонентов молекулы воды). Значение ОМ в резервуаре Южного Байкала минимальное (около 100 мг/дм³). Тренды возрастания ОМ с повышением δ²Н и δ¹⁸О в подземных водах Култукского полигона начинаются от состава ЮБР и образуют дуги. С началом тренда совпадают точки подземных вод Больших Котов (ст. БК-2 и БК-11). Точки подземных вод северо-западного побережья Байкала и восточного побережья Иркутского водохранилища рассеяны правее состава ЮБР с относительным возрастанием ОМ при снижении δ²Н и δ¹⁸О. Точка воды ст. 143А занимает промежуточное положение. Она входит не только в фигуративные поля подземных вод Култукского полигона (зоны ГСР), но и в фигуративные поля подземных вод северо-западного побережья Байкала и восточного побережья Иркутского водохранилища.

На диаграмме ОА4/8 – ОМ подземных вод территорий Предбайкалья и Тункинской долины, удаленных от Байкала и Иркутского водохранилища (рис. 5в), минимальной минерализаций характеризуются воды Хамар-Дабана (ст. 188 и Р4). В Тункинской долине и Олхинском Предбайкалье ОМ подземных вод возрастает. В измерения изотопов включены пробы минеральной воды курорта Аршан в Тункинской долине (ст. 2) с почти изотопно-равновесным U (ОА4/8 = 0.97) и высоким значением ОМ (3.5 г/дм³), а также минеральной воды Олхинской скважины с резко неравновесным U (ОА4/8 = 15) и высоким значением ОМ (3.1 г/дм³).

На диаграммах δ²Н – ОМ и δ¹⁸О – ОМ подземных вод территорий Предбайкалья и Тункинской долины, удаленных от Байкала и Иркутского водохранилища (рис. 5г,е), наблюдается рассеяние фигуративных точек групп I и II. Распределение точек подземных вод группы I в целом подобно рассеянию точек подземных вод северо-западного побережья Байкала и восточного побережья Иркутского водохранилища. Распределение точек подземных вод группы II частично совпадает с трендом подземных вод Култукского полигона.

Рис. 5. Диаграммы ОА4/8 – ОМ (а, б), δ²Н – ОМ (в, г) и δ¹⁸О – ОМ (г, д) для подземных вод Култукского полигона и сопредельных территорий Предбайкалья и Тункинской долины. Точки опробования см. на рис. 1, условные обозначения – на рис. 3.  

Fig. 5. Diagrams AR4/8 vs salinity (OM) (a, б), δ²H vs salinity (в, г), and δ¹⁸O vs salinity (г, д) for groundwater of the Kultuk area and adjacent territories of the Pre-Baikal region and the Tunka Valley. Sampling sites are shown in Fig. 1, symbols – in Fig. 3.

В подземных водах Култукского полигона значения δ²Н имеют фактически линейную зависимость от содержания Si (рис. 6). На панели а фигуративные точки подземных вод этой территории смещаются с возрастанием δ²Н от состава ЮБР. На панели в фигуративные точки подземных вод Култукского полигона смещаются с возрастанием значений δ¹⁸О от состава ст. 14к. Изотопный состав кислорода имеет линейную зависимость от содержания кремния. Температурный механизм фракционирования проявляется в изотопах кислорода так же как в изотопах водорода. Точка ЮБР сдвинута, однако, влево относительно тренда точек подземных вод Култукского полигона.

Рис. 6. Диаграммы δ²Н – Si для подземных вод Култукского полигона, северо-западного побережья Байкала и восточного побережья Иркутского водохранилища (а) и сопредельных территорий Предбайкалья и Тункинской долины, удаленных от оз. Байкал (б), δ¹⁸О – Si для этих же подземных вод, соответственно (в, г). Точки опробования см. на рис. 1, условные обозначения – на рис. 3.  

Fig. 6. Diagrams δ²Н vs Si for groundwater of the Kultuk area, northwest coast of Lake Baikal, and Irkutsk reservoir (a) and adjacent territories of the Pre-Baikal region and Tunka Valley, remote from Lake Baikal (б), δ¹⁸О vs Si for the same groundwaters, respectively (в, г). Sampling sites are shown in Fig. 1, symbols – in Fig. 3.

На диаграммах рис. 6а,в фигуративные поля подземных вод северо-западного побережья Байкала и восточного побережья Иркутского водохранилища в целом смещены правее и ниже фигуративных полей подземных вод Култукского полигона. Следовательно, условия в резервуаре подземных вод Култукского полигона как осевой части БРС в зоне ГСР действительно различаются с условиями в резервуарах подземных вод, для которых, также как для Култукского резервуара, предполагается вхождение компонента ЮБР. Такое же смещение точек подземных вод ст. 143А лишний раз подчеркивает отличие подземных вод этой станции от подземных вод Култукского резервуара (зоны ГСР). На диаграммах рис. 6б,г изотопы водорода и кислорода не имеют явной зависимости от содержания Si.

Сопоставления

Фигуративные точки изотопных составов кислорода и водорода поверхностных и подземных вод Тункинской долины в целом соответствуют направлению ГЛМВ (рис. 7). По данным, приведенным в работе (Дриль и др., 2005), речные воды этой долины условно разделяются на 2 группы по преобладающему типу питания – существенно дождевого (группа I) и существенно ледникового (группа II). Для группы I характерны более высокие значения δ²Н и δ¹⁸О, что связано с преобладанием в их питании дождевых вод. К этой группе относятся поверхностные воды р. Иркут и его притоков на абсолютных высотах 700–900 м. Группа речных вод II отличается более низкими значениями δ²Н и δ¹⁸О, которые объясняются значительной ролью талых ледниковых вод в их питании. К ним относятся воды р. Иркут и его притоков в верхнем течении, на абсолютных высотах 1000–2000 м.

`

Рис. 7. Диаграмма δ²H – δ¹⁸О сравнения данных, полученных для подземных вод территорий Предбайкалья и Тункинской долины, удаленных от оз. Байкал  с данными о поверхностных и минеральных водах Тункинской долины Байкальской рифтовой системы. Группы изотопных составов поверхностных вод (реки: Иркут, Ихе-Угунь, Кынгарга, Халагун, Большой и Малый Зангисан, Харагун, Зун-Мурин) на различных гипсометрических уровнях (I – 700–900 м и II – 1000–2000 м) (Дриль и др., 2005) дополняются новыми данными авторов по подземным водам. Точки опробования см. на рис. 1, условные обозначения – на рис. 3.

Fig. 7. Diagram δ²H vs δ¹⁸O comparing the data obtained for groundwater in the Pre-Baikal region and the Tunka Valley, located far from Lake Baikal with the data on surface and mineral waters in the Tunka Valley of the Baikal Rift System. The groups of isotope compositions of surface waters (rivers: Irkut, Ikhe-Ugun, Kyngarga, Khalagun, Bolshoi and Maly Zangisan, Kharagun, Zun-Murin) at different hypsometric levels (I – 700–900 m and II – 1000–2000 m) (Dril’ et al., 2005) are supplemented by the authors’ new data Sampling sites are shown in Fig. 1, symbols – in Fig. 3.

Минеральные источники обнаруживают отчетливую связь с поверхностными водами в зоне разгрузки. Например, воды родников Хонгор-Ула («Почечный» и «Общеукрепляющий») принадлежат к группе I поверхностных вод, а подземные воды месторождения Аршан принадлежат к группе II (см. рис. 6). Воды месторождения Жемчуг характеризуются резко различным изотопным составом воды. Азотно-метановая термальная вода имеет изотопный состав, соответствующий группе II поверхностных вод, тогда как углекислая термальная вода имеет более высокие значения δ²Н и δ¹⁸О. Существенный сдвиг вправо от линии метеорных вод точки углекислого состава интерпретируется как результат изотопного обмена при повышенной температуре с карбонатными породами, для которых определен интервал значений δ¹⁸О от +17.6 до +27.2 ‰ (Дриль и др., 2005).

Группирование поверхностных вод по преобладающему типу питания в целом подтверждается представленными результатами определений изотопного состава водорода и кислорода в подземных водах станций Предбайкалья и Тункинской долины, удаленных от оз. Байкал. В подземных водах отсутствуют аналоги речных вод с наиболее легкими изотопными составами водорода и кислорода. Минеральная вода ст. 56 (Олхинской скважины) не имеет изотопного аналога в поверхностных водах.

Новые данные характеризуют в основном подземные воды верхнего гидрогеодинамического этажа коры на глубинах до 1.6 км. В работу включена единственная проба ст. 2 с большей глубины (с нижнего гидрогеодинамического этажа) – проба холодной углекислой минеральной воды курорта Аршан. Фигуративная точка этой минеральной воды соответствует тренду термальных вод Баунтовской впадины БРС. В отличие от трендов возрастания δ²Н и δ¹⁸О с возрастанием Si (т.е. с повышением температуры) в Култукском резервуаре верхнего гидрогеодинамического этажа, в Баунтовском резервуаре термальных вод нижнего гидрогеодинамического этажа наблюдаются тренды падения δ²Н и δ¹⁸О с возрастанием Si (т.е. с повышением температуры) (рис. 8).

Рис. 8. Диаграммы δ²Н – Si (a) δ¹⁸О – Si (б) сравнения данных, полученных для подземных вод Култукского полигона, северо-западного побережья Байкала и восточного побережья Иркутского водохранилища (см. рис. 5а) с данными о термальных водах Баунтовской впадины БРС (Замана, 2011). Условные обозначения см. на рис. 3.

Fig. 8. Diagrams δ²Н vs Si (a) δ¹⁸О vs Si (б) comparing the data obtained for groundwater of the Kultuk area, northwest coast of Lake Baikal, and Irkutsk reservoir (Fig. 5a) with the data on thermal waters of the Baunt basin of the BRS (Zamana, 2011). Sampling sites are shown in Fig. 1, symbols – in Fig. 3.

Обсуждение результатов

Подземные воды ст. 143А частично соответствуют геохимическим параметрам Култукского резервуара подземных вод, а частично – геохимическим параметрам подземных вод северо-западного побережья Байкала и восточного побережья Иркутского водохранилища. В подземные воды этих территорий предполагается вхождение компонента ЮБР (Рассказов и др., 2020а). В обсуждении результатов дается определение двух-компонентного смешения подземных вод Култукского резервуара с выделением роли состава ЮБР, особо подчеркивается приложение результатов определения δ²Н и δ¹⁸О для интерпретации происхождения подземных вод Култукского полигона в сопоставлении с подземными водами сопредельных территорий БРС и приводится обоснование специфики изотопных характеристик подземных вод ст. 143А с позиций определения их структурного контроля дуговым разломом.

Модель двух-компонентного смешения подземных вод Култукского резервуара

В результате существенных тектонических движений берегов шовной зоны ГСР ее породы переработаны с усреднением состава тектонитов, поэтому растворы взаимодействия вода–порода Култукского резервуара в этой зоне характеризуются смешением двух компонентов, один из которых имеет высокое ОА4/8 (3.3) и низкое отношение ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (0.70534), другой дает равновесное значение ОА4/8, близкое к 1 при высоком отношении ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (0.7205). С выходом на фланги шовной зоны ГСР модель смешения изотопов U и Sr в подземных водах меняется из-за резкого возрастания отношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr в древнейших метаморфических породах (гнейсах) Шарыжалгайского блока и относительного снижения этого отношения в более молодых породах Слюдянского блока. В качестве одного из компонентов в Култукский резервуар подземных вод входит глубинная вода Южно-Байкальского резервуара (ЮБР) с характеристиками: ОА4/8 = 1.96, ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = 0.708629 (рис. 9).

На диаграммах δ²Н – ОА4/8 и δ¹⁸О – ОА4/8 (рис. 3а,в) большинство фигуративных точек подземных вод Култукского полигона находится между точками ст. 45 и 27. Единственная точка ст. 66А попадает между точками ст. 14к и 27. Такое распределение точек подземных вод этих станций в общем согласуется с их пространственным разделением на диаграмме ОА4/8 – ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr (рис. 9). Таким образом, данные по изотопам водорода и кислорода (входящие в молекулу воды) подземных вод Култукского полигона (зоны ГСР) служат дополнительным подтверждением принятой двухкомпонентной модели смешения растворенных компонентов. При этом подземные воды компонента E (с U, близким изотопному равновесию) на ст. 45 дает меньший температурный сдвиг (δ²Н и δ¹⁸О), а на ст. 14к – больший. Фигуративная точка ЮБР находится ниже фигуративных полей подземных вод Култукского полигона (зоны ГСР); значение δ¹⁸О (–15.88) сопоставимо с этим показателем подземных вод ст. 14к, тогда как значение δ²Н (–126.21) существенно ниже значения подземных вод ст. 14к.

Механизмы фракционирования изотопов водорода и кислорода в подземных водах

Если подпитка глубинными флюидами отсутствует, подземные воды территории формируются за счет метеорных осадков и имеют инфильтрационное происхождение. Исходные изотопы вод, выпавших на поверхность Земли, в основном фракционируют в зависимости от температур. В теплых климатических условиях изотопный состав вод облегчается, в холодных – утяжеляется. Изотопы заметно фракционируют при испарении вод с фазовым переходом в водяной пар и при замерзании с фазовым переходом в лед. Линия замерзания (ЛЗ) пересекает глобальную линию метеорных вод (ГЛМВ) при низких значениях δ²Н и δ¹⁸О, линия испарения (ЛИ) – при повышенных значениях δ²Н и δ¹⁸О (рис. 10).

Рис. 10. Вариации изотопного состава водорода и кислорода в воде в зависимости от среднегодовой температуры воздуха. Начальный изотопный состав воды линий испарения (ЛИ) и замерзания (ЛЗ) соответствует глобальной линии метеорных вод (ГЛМВ). При испарении уходящий пар по изотопам водорода и кислорода облегчается – «пар», а остаточная вода утяжеляется – «вода». При замерзании остаточная вода по изотопам водорода и кислорода облегчается – «вода», а лед утяжеляется – «лед». Из работы (Токарев, 2025) с изменениями.

Fig. 10. Variations in isotopic compositions of hydrogen and oxygen in water depending on the average annual air temperature. The initial isotopic composition of water of the evaporation (ЛИ) and freezing (ЛЗ) lines corresponds to the Global Line of Meteoric Waters (ГЛМВ). During evaporation, the outgoing steam becomes lighter in hydrogen and oxygen isotopes – “steam”, and the residual water becomes heavier – “water”. During freezing, the residual water becomes lighter in hydrogen and oxygen isotopes – “water”, and the ice becomes heavier – “ice”. Modified after (Tokarev, 2025).

Для водно-ледниковых объектов предполагается, что величины ОА4/8 в подземных водах, превышающие 3, являются следствием таяния многолетнемерзлых пород (Токарев, 2025). Этот механизм принимается как универсальный для выделения территорий подземных вод с высоким ОА4/8, в которых, как предполагается, когда-то распространялись мерзлые породы.

Тренд преобладающих составов подземных вод Култукского полигона на диаграмме δ²Н – Si (рис. 6а) отражает температурное фракционирование изотопов водорода. Растворение Si в подземных водах зависит от температуры. Из линейного согласования повышения значений δ²Н и содержания Si в подземных водах следует, что изотопный состав водорода меняется в зависимости от температуры в результате фракционирования изотопов при взаимодействии вода–порода непосредственно в Култукском резервуаре подземных вод. Таким образом, изотопный состав водорода в подземных водах может существенно отличаться от первичного состава метеорных вод (если они проникали в кору) и отражать градиент температур и фазовые переходы, существующие в резервуаре подземных вод. Смещение точки ЮБР влево относительно тренда точек подземных вод Култукского полигона на диаграмме δ¹⁸О – Si (рис. 6б) в сравнении с ее положением на тренде диаграммы δ²Н – Si (рис. 6а) свидетельствует о разной роли компонентов изотопов водорода и кислорода в подземных водах полигона.

Поток газов–восстановителей (включая водород) усиливается при активизации разломов, приводящей к землетрясениям, что отражается в резком косейсмическом снижении окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) подземных вод и возрастанию роли атомарной ртути (Чебыкин и др., 2022; Рассказов и др., 2023). Согласованность тренда подземных вод Култукского полигона с составом ЮБР на диаграмме δ²Н – Si отражает (рис. 6а), таким образом, восстановленный характер флюидных потоков, которые преобладают в ходе сейсмической активизации разломов.

Интересно, что в метане газогидратов определен интервал δ²Н от –200 до –300 (Hachikubo et al., 2013). Пока не ясно, может ли повлиять разрушение газогидратов в донных отложениях Байкала на измеренные значения δ²Н в глубинной байкальской воде.

На примере трендов понижения δ²Н и δ¹⁸О с повышением Si в термальных водах Баунтовской впадины Л.В. Замана (2011, с. 90) приходит к выводу о том, что «…данные по изотопному составу воды изученных термальных источников (Баунтовской впадины ред.) не расходятся с выводом о ее метеогенном происхождении, но в то же время корреляция изотопных отношений с концентрациями растворенной кремнекислоты дает основание предполагать возможность фракционирования изотопов и кислорода, и водорода в процессе взаимодействия воды с вмещающими породами». Рассмотрение причин образования разнонаправленных трендов δ²Н и δ¹⁸О с возрастанием Si в подземных водах Култукского полигона и Баунтовской впадины выходит за рамки настоящей статьи. Заметим только, что за этими различиями кроются разные механизмы образования трендов. Термальные воды представляют собой открытую систему. Они характеризуются изотопным составом урана, близким к равновесию (Рассказов и др., 2024). Утяжеление изотопных составов водорода и кислорода термальных вод может быть следствием увеличения роли отделившейся газовой фазы при высокой (возрастающей) температуре (показатель – растворение Si) на нижнем гидрогеодинамическом этаже. 

Из выявленных зависимостей изотопных составов водорода и кислорода от содержания кремния (растворенной кремнекислоты) в подземных водах Култукского полигона и Баунтовской впадины следует, что подземные воды этих территорий получают сильные сигналы от вмещающих пород, вносящие искажения в их первоначальное состояние (зависимое или независимое от климатических условий). Этот вывод важен для подземных вод Култукского полигона с точки зрения мониторинговых наблюдений для оценки угрозы землетрясений. В подземных водах полигона выявляются изменения различных гидрогеохимических параметров. Изотопный состав водорода и кислорода также подвержен изменениям, свидетельствующим о существенных отличиях процессов глубинного Култукского резервуара от резервуаров других территорий БРС.

Структурный контроль выхода подземных вод в архейских породах Шарыжалгайского блока

Гипотеза о причинах повышения ОА4/8 в подземных родниковых водах ст. 143А укладывается в рамки интерпретации структуры территории как сочленения шовной зоны ГСР с Обручевским разломом, отсекающим от Шарыжалгайского блока сегмент, опущенный за кайнозойское время в Южном Байкале не менее чем на 4 км (Rasskazov et al., 2020 b). Соответственно, возрастание ОА4/8 вызвано более интенсивной отдачей ядер ²³⁴ U из области микротрещиноватости архейских шарыжалгайских пород по сравнению с отдачей из области микротрещиноватости тектонитов шовной зоны ГСР в Култукском резервуаре подземных вод.

Роднику ст. 143А пространственно соответствует дуговой разлом КБЖД, протягивающийся вдоль Обручевского разлома, приблизительно на 1 км (рис. 11а). Расстояние от родника ст. 143А до центральной части дуги составляет 220 м. Глубина резервуара, питающего этот родник, оценивается в 1.4 км по температуре 34 °С, рассчитанной по концентрации Si 9 мг/дм³ в воде этой станции с использованием халцедонового геотермометра (Arnorsson et al., 1983) и регионального геотермического градиента 25 °С/км (Голубев, 2007). Малое расстояние от дугового разлома до родника ст. 143А предполагает субвертикальное погружение дугового разлома до резервуара с последующим выполаживанием плоскости и переходом в листрический разлом. С учетом вероятного площадного нарушения геотермического градиента под впадиной оз. Байкал (Голубев, 2007), эта оценка глубины резервуара вод ст. 143А (1.5 км), скорее всего, занижена. Резервуар должен находиться несколько глубже (рис. 11б).

Рис. 11. Схема выхода родника (станция 143А) на восточной окраине Култукского мониторингового полигона с его структурным контролем дуговым разломом КБЖД на береговом склоне (а) и субмеридиональный профиль АБ предполагаемой глубинной структуры, контролирующей подземные воды (б). На панели а разлом выражен в рельефе уступами и западинами. Расстояние от родника до центральной части дуги – 220 м, до ее западного окончания на окраине пос. Култук – 500 м, до восточного окончания – 520 м. На панели б вода поднимается в структуре дугового разлома от области перехода его субвертикального падения к листрической части.

Fig. 11. Scheme of a spring outlet (station 143A) on the eastern margin of the Kultuk monitoring area with its structural control by the arc fault of the Circum-Baikal Railway on the coastal slope (a) and the north-south profile АБ of the supposed deep structure controlling groundwater (б). In panel a the fault is expressed in the relief by benches and depressions. The distance from the spring to the central part of the arc is 220 m, to its western end on the outskirts of the village of Kultuk is 500 m, to the eastern end is 520 m. In panel б the water rises in the structure of the arc fault from the area of transition from its subvertical dip to the listric one.

Активность дугового разлома КБЖД, контролирующего родник ст. 143А при подготовке Байкало-Хубсугульской сейсмической активизации 2020–2023 гг., отражается в вариациях содержания Si подземных вод (рис. 12а). В 2016 г. в воде родника содержалось около 7 мг/дм³ растворенного кремния. Содержание Si возрастало с течением времени и 18 июня 2016 г. составляло около 8 мг/дм³. В последующие 2.5 месяца содержание Si еще возросло более чем на 1 мг/дм³ и 02 сентября 2019 г. вошло в диапазон значений 9.0–9.5 мг/дм³, характерный для Байкало-Хубсугульской сейсмической активизации. Максимальное значение концентрации Si (9.5 мг/дм³) определено 21 июля 2021 г., после запускающих землетрясений (Быстринского, Кударинского и Хубсугульского). Проба воды, отобранная 18 февраля 2023 г., показала значение 9.1 мг/дм³ в диапазоне значений, характеризующих активизацию, но следующая проба, отобранная 05 апреля 2024 г., имела более низкое значение (8.6 мг/дм³). Спад концентрации Si обозначил завершение сейсмической активизации.

В досейсмический временной интервал 2016–2019 гг. значения OA4/8 подземных вод были повышенными (3.57–3.68) и во время Байкало-Хубсугульской сейсмической активизации снизились да интервала 3.48–3.54. Последнее значение, измеренное 18 февраля 2023 г., опустилось до 3.41 (рис. 12б).

Статья получена: 04.03.2025; исправлена: 20.03.2025; принята: 28.03.2025.

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Рассказов С.В., Ильясова А.М., Чебыкин Е.П., Гутарева О.С., Снопков С.В. Современное вовлечение в деформации края Сибирского палеоконтинента в Байкальской рифтовой системе: данные U-H-O-изотопной систематики подземных вод // Геология и окружающая среда. 2025. Т. 5, № 1. С. 129-158. DOI 10.26516/2541-9641.2025.1.129. EDN: DGSNRD

Полный текст статьи (Русский)

Послать письмо-отзыв

О журнале | Редакция | Свежий номер | Архив | Авторам | События | Объявления | Контакты

© 2021-2025   Научный электронный рецензируемый журнал «Геология и окружающая среда». Все права защищены.

XHTML CSS