Строение артезианских бассейнов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Определение

2. Структура и строение артезианских бассейнов

3. Формирование артезианских вод в бассейнах

4. Гидродинамическая зональность

5. Гидрогеохимическая зональность

6. Пример артезианского бассейна платформенного типа

Заключение

Список литературы

Введение

В данной работе будут рассмотрены: строение артезианских бассейнов платформенного типа и их особенности, закономерности формирования и движения вод в них, структура бассейнов, гидродинамическая и гидрогеохимическая зональность, зависимость от влияния внешних и внутренних факторов, условия питания и разгрузки артезианских вод, формирование химического и минерального состава, а также, в качестве примера, будет рассмотрен Московский артезианский бассейн.

1. Определение

Артезианский бассейном называют бассейн подземных вод в пределах одной или нескольких геологических структур, заключающих напорные водоносные горизонты.

Порядок артезианских бассейнов при их соподчинении определяется порядком геогидродинамической системы и порядком тектонической структуры. Тип бассейна определяется типом структуры, так как именно тип тектонической структуры определяет не только размеры бассейна, но и геологическое строение его разреза, что обусловливает существенно различные условия формирования артезианских вод в бассейнах разного типа. артезианский бассейн гидрогеохимический

Артезианские бассейны платформ представляют собой гидродинамические системы водоносных горизонтов и комплексов, выдержанных на огромной площади, измеряемой сотнями тысяч квадратных километров. Как правило, в вертикальном разрезе выделяется несколько водоносных горизонтов, изолированных друг от друга более или менее непроницаемы-ми толщами.

Выделение в качестве единого типа бассейнов, связанных в данном случае со структурами различного типа, оправдано рядом общих закономерностей строения геологического разреза, определяющих основные условия залегания и региональную динамику подземных вод.

2. Структура и строение артезианских бассейнов

Артезианские бассейны являются основными структурно-гидрогеологическими элементами континентальных платформ, занимая практически все площади сплошного распространения отложений осадочного чехла. На периферии платформ, в области формирования опусканий, площади со сплошным распространением отложений осадочного чехла выходят за пределы собственно платформы в область передовых прогибов смежной геосинклинальной системы.

Внутренний структурный план этих элементов определяется положением и развитием более мелких форм, к которым в пределах древних платформ могут быть отнесены своды, валы (мегавалы), локальные поднятия, купола, а также разделяющие их депрессии (впадины, прогибы и др.).

При гидрогеологическом изучении платформенных территорий отложения осадочного чехла рассматриваются как совокупность геофильтрационных сред с геологически упорядоченной слоистой неоднородностью. Вертикальная слоистая (пластовая) неоднородность по масштабу и характеру ее проявления является основным (наиболее общим) свойством разреза осадочного чехла. Природа этой неоднородности генетически обусловлена историей формирования горных пород осадочного чехла; она имеет региональный характер, сохраняясь на площади в сотни тысяч и миллионы квадратных километров, в области наиболее обширных структурных элементов континентальных платформ - плит.

Проявления слоистой неоднородности характерны для любого участка распространения отложений осадочного чехла и практически всегда могут рассматриваться как геологически упорядоченные (стратиграфическая или литолого-фациальная упорядоченность). Пределы изменения фильтрационных свойств в вертикальном разрезе (для смежных слоев), может колебаться от 102 до 10-8 м/сут). Участки и зоны с резкими нарушениями слоистой неоднородности пород чехла (линейная или блоковая неоднородность), в пределах всего разреза или его крупного элемента, могут быть связаны главным образом только с определенными структурными зонами, отдельными структурами, тектоническими нарушениями. В сравнении с общей площадью распространения пород чехла такие участки всегда являются локальными.

Как следует из определения, основной особенностью строения разреза артезианского бассейна является наличие слоистых толщ слабодислоцированных, преимущественно осадочных (реже вулканогенно-осадочных и вулканогенных) пород различного генезиса и состава. В связи с этим разрез бассейна всегда представляет собой многократное чередование гидрогеологических элементов, в качестве которых рассматриваются водоносные слои, горизонты, комплексы, реже водоносные серии, а также относительно слабопроницаемые водоупорные слои, пласты и толщи горных пород.

Кроме выделения собственно водоносных элементов (горизонт, комплекс и др.) при расчленении разреза бассейна во многих случаях наиболее важным является определение положения водоупоров, изолирующих смежные элементы гидрогеологического разреза. Именно наличие таких разделов является причиной, а фиксируемые различия пьезометрических напоров, состава и минерализации подземных вод и т.д. - следствием гидродинамической разобщенности смежных водоносных элементов гидрогеологического разреза.

Представления о строении и типах слабопроницаемых сред осадочного чехла артезианских структур платформ до настоящего времени разработаны слабо. В то же время на основании анализа имеющегося фактического материала можно сформулировать два принципиально важных положения.

1. В разрезе осадочных отложений артезианских структур платформенного типа практически отсутствуют сколько-нибудь широко выдержанные по площади слои и толщи абсолютно непроницаемых горных пород.

По имеющимся представлениям, в качестве абсолютно непроницаемых сред могут рассматриваться только соляные пласты, в которых благодаря их пластичности при высоких давлениях отсутствуют условия для сохранения пористости и открытой трещиноватости. Однако и здесь относительная проницаемость может быть связана с зонами фациального замещения солей или с тектоническими разрывами соляных пластов.

2. Все типы геофильтрационных сред осадочного чехла при определенном строении и условиях залегания (уплотнение, цементация) могут рассматриваться как слабопроницаемые.

Если в качестве предела относительной слабопроницаемости принимать величину, ниже которой породы рассматриваются как "полуколлекторы" - 0,01 мкм (~10-2 м/сут), то практически любые типы пород чехла, кроме некоторых седиментационно-фациальных сред с высокой первичной пористостью, могут характеризоваться подобными или более низкими величинами проницаемости

При гидрогеологическом расчленении разреза бассейна в целом наиболее важным является выделение мощных регионально распространенных слабопроницаемых разделов (толщ), положение которых определяет выделение наиболее крупных стратификационных элементов разреза, называемых гидрогеологическими этажами.

Выделение в качестве самостоятельной крупной единицы осадочного чехла гидрогеологического этажа (яруса) оправдано тем, что этаж рассматривается не только как стратификационный, но и как гидродинамический элемент, занимающий определенное положение в разрезе артезианского бассейна. При этом основным показателем выделения гидрогеологического этажа является единство процессов региональной гидродинамики подземных вод. В качестве общего показателя, определяющего региональную динамику подземных вод этажа, рассматриваются характер и степень связи подземных вод с поверхностью. В качестве границ смежных гидрогеологических этажей - положение региональных слабопроницаемых "разделов", определяющих различную степень изоляции интервалов разреза от поверхности бассейна. В этом случае при любой мощности и строении разреза чехла в артезианском бассейне может быть выделено не более четырех гидрогеологических этажей, характеризующихся определенными различиями региональной динамики подземных вод.

Первый структурно-гидрогеологический этаж (ярус) бассейна выделяется в той части разреза, в пределах которой гидравлическая связь с поверхностью бассейна является основным фактором, определяющим структуру потоков подземных вод.

Влияние верхней гидродинамической границы обусловливает формирование "местных" потоков подземных вод, тесно связанных с современным рельефом территории.

Нижней границей этажа является стратиграфическая граница, соответствующая положению кровли первой от поверхности регионально выдержанной слабопроницаемой толщи бассейна.

Второй структурно-гидрогеологический этаж объединяет водоносные комплексы разреза, подземные воды которых имеют гидравлическую связь с современной поверхностью только на периферии структуры и сводах локальных поднятий внутренней области, а на большей части бассейна изолированы от поверхности регионально выдержанными слабопроницаемыми породами значительной мощности.

Подобный характер связи с верхней гидравлической границей бассейна обусловливает формирование наряду с местным движением (краевая зона) общеструктурных региональных потоков подземных вод.

Третий структурно-гидрогеологический этаж чехла включает водоносные горизонты и комплексы, не имеющие гидравлической связи с современной поверхностью бассейна. Верхней границей этажа является стратиграфическая граница, соответствующая положению кровли регионально выдержанной слабопроницаемой толщи, которая относительно изолирует его от вышележащих интервалов разреза, имеющих гидравлическую связь с поверхностью бассейна. Отсутствие открытой связи с поверхностью на всей площади распространения отложений нижнего этажа приводит к тому, что основным фактором формирования подземного стока является здесь затрудненная связь с подземными водами верхних этажей и пород фундамента, осуществляющаяся по локальным зонам с повышенной вертикальной проницаемостью разреза, а также перераспределение пластовых давлений под воздействием различных эндогенных процессов.

В качестве четвертого структурно-гидрогеологического этажа бассейна условно может рассматриваться фундамент артезианской структуры, выделяемой на основе резкого различия строения и свойств геофильтрационной среды.

Для однотипных (гранулометрия, минералогический состав и др.) горных пород центральных районов структуры характерно постепенное уменьшение проницаемости с увеличением глубины их залегания, связанное с уменьшением воздействия экзогенных факторов, а также усилением роли процессов уплотнения и цементации.

Наиболее благоприятные условия формирования локальных участков и зон с относительно повышенной проницаемостью (проводимостью) пород чехла характерны для сводов и переклинальных частей положительных структур разных порядков в связи с возможным здесь фациальным замещением слабопроницаемых пород, развитием интенсивной соскладчатой трещиноватости, наличием древних размывов, палеокарста и др.

3. Формирование артезианских вод в бассейнах

Закономерности формирования подземных вод в артезианских бассейнах платформенного типа определяются многими факторами, среди которых важнейшими являются форма и размеры бассейна, внутренний структурный план, строение и мощность разреза, типы водовмещающих пород и др. Однако в общем случае основные закономерности формирования региональной динамики подземных вод, их химического состава и минерализации прежде всего связаны с тем, к какому гидрогеологическому этажу разреза бассейна относится данный водоносный горизонт (комплекс).

Первый гидрогеологический этаж бассейна. Как уже было указано выше, к нему относится система относительно изолированных друг от друга водоносных горизонтов и комплексов (пластовая система), в которых формируются местные потоки подземных вод, связанные с рельефом и гидрографией современной поверхности бассейна. Общая мощность первого этажа в зависимости от строения гидрогеологического разреза изменяется обычно в пределах 200--500 м, реже более.

Питание межпластовых подземных вод осуществляется непосредственно за счет инфильтрации атмосферных осадков на участках открытых выходов пластов на поверхность (структурные выходы, склоны междуречий, высокие террасы крупных речных долин и др.), а также за счет нисходящей фильтрации из вышележащих горизонтов разреза (фильтрация по гидрогеологическим окнам в слабопроницаемых пластах и перетекание). В зависимости от климатических условий, строения разреза и типов водовмещающих пород средние суммарные величины питания межпластовых вод первого этажа изменяются от 0,1--0,3 л/с * км 2 в зонах недостаточного увлажнения до 1,0--2,0 - в зонах умеренного и избыточного увлажнения и до 3,0--5,0 л/с * км 2 и более на участках, где разрез верхнего этажа представлен высокопроницаемыми породами (крупно- и грубозернистые пески, галечники, интенсивно закарстованные породы). Однако для конкретных участков пластовых систем в зависимости от распределения фильтрационных параметров водоносных и слабопроницаемых пород удельные величины питания межпластовых вод на относительно коротких расстояниях могут меняться в пределах 1--2 порядков и более.

Строение пьезометрической поверхности межпластовых горизонтов первого гидрогеологического этажа определяет общую структуру потоков подземных вод. Максимальные отметки пьезометрической поверхности характерны для центральных приподнятых частей междуречных пространств, которые рассматриваются в качестве основных областей питания межпластовых вод. Однако в балансовом смысле основные участки питания межпластовых вод с аномально высокими удельными величинами питания чаще всего приурочены не к центральным частям междуречных пространств, а к локальным участкам выхода пластов на поверхность (склоны междуречий, высокие террасы крупных речных долин и др.) и к участкам с наличием "гидрогеологических окон", определяющих существование открытой гидравлической связи элементов пластовой системы. В соответствии с распределением напоров в каждом водоносном горизонте (комплексе) первого этажа формируются потоки межпластовых вод, направленные от относительно приподнятых участков территории к дренирующим эрозионным понижениям (пониженным участкам). Средние значения градиентов пластовых потоков изменяются в пределах 0,01--0,0001.

Разгрузка межпластовых вод осуществляется преимущественно при восходящей фильтрации в грунтовый водоносный горизонт и через него в гидрографическую сеть территории (речные долины, озерные котловины, заболоченные низменности, солончаковые понижения и др.). В отдельных случаях на склонах эрозионных врезов, в бортах тектонических впадин и других понижениях формируются открытые выходы (источники) грунтовых и, реже, межпластовых вод, однако результаты количественных оценок показывают, что в условиях артезианских бассейнов платформ объем родникового стока (источники) обычно составляет менее 10% суммарной разгрузки подземных вод 1 гидрогеологического этажа.

Положение областей питания на возвышенных участках территорий и разгрузки в понижениях рельефа определяет общую схему формирования местных потоков первого гидрогеологического этажа бассейна. В балансе каждого элемента пластовой системы на возвышенных участках территории питание, поступающее из вышележащего горизонта, расходуется на формирование пластового потока и разгрузки в нижележащий элемент разреза, которая происходит путем фильтрации по гидрогеологическим окнам или перетеканием через слабопроницаемые пласты. На пониженных участках рельефа суммарная разгрузка формируется за счет притока по пласту и расхода, поступающего из нижележащего элемента разреза, в том числе за счет восходящей фильтрации из водоносных горизонтов и комплексов второго гидрогеологического этажа.

Формирование химического состава межпластовых вод первого гидрогеологического этажа определяется главным образом процессами выщелачивания и смешения. В связи с относительно небольшой мощностью разреза и наличием участков открытого питания и разгрузки межпластовых вод в отложениях первого этажа формируются преимущественно пресные (менее 1 г/л) подземные воды гидрокарбонатного или сульфатно-гидрокарбонатного состава. Формирование здесь более минерализованных вод сульфатного, сульфатно-хлоридного и хлоридного состава может быть связано:

1) с наличием (сохранением) легкорастворимых SO4 и Сl соединений в водоносных и слабопроницаемых породах разреза первого этажа (гипс-ангидритовые или загипсованные толщи, современные и верхнечетвертичные морские отложения, более древние слабопроницаемые породы морского генезиса и др.);

2) с процессами континентального засоления грунтовых вод и пород зоны аэрации (аридные территории);

3) с притоком высокоминерализованных подземных вод из нижележащих элементов разреза (участки разгрузки подземных вод второго этажа);

4) с процессами антропогенного загрязнения грунтовых вод и через них верхних межпластовых горизонтов.

В районах умеренного и избыточного увлажнения с большими удельными величинами питания межпластовых вод наиболее благоприятны условия длительного сохранения легкорастворимых соединений (SO4, Cl), характерные для нижней части разреза первого этажа, не вскрытой современной или древней эрозией. В связи с этим в нижней части разреза первого этажа часто формируются гидрокарбонатно-сульфатные и сульфатные воды с минерализацией 1,5--3,0 г/л и более. В том случае, когда нижняя часть разреза этажа или подстилающая слабопроницаемая толща представлена соленосными или интенсивно засоленными породами (Приуралье, Ангаро-Ленский регион и др.), непосредственно в водоносных горизонтах первого этажа могут формироваться высокоминерализованные хлоридные воды и рассолы (М = 50--100 г/л и более). В ряде случаев с этим могут быть связаны образование куполов минерализованных вод на участках интенсивной разгрузки, выходы соленых источников, засоление скважин, эксплуатирующих верхние водоносные горизонты, и др.

На втором гидрогеологическом этаже бассейна основной объем современного питания межпластовых вод формируется на относительно приподнятых участках периферии бассейна, а также на прилегающем склоне соседнего структурно-гидрогеологического района.

В пределах периферии собственно бассейна, называемой внутренней областью питания, питание межпластовых вод осуществляется инфильтрацией атмосферных осадков в местах выхода пластов на поверхность и нисходящей фильтрацией через разделяющие слабопроницаемые породы. Питание со стороны выхода пород фундамента на поверхность или со склонов складчатого обрамления бассейна формируется за счет притока трещинно-грунтовых вод, трещинно-жильных вод зон тектонических нарушений, зон интенсивной закарстованности и др. В соответствии с этим склоны обрамления (в общем случае до основного водораздела поверхностного стока) рассматриваются в качестве так называемой внешней области питания артезианских вод (рис. 1).

Часть подземных вод, формирующихся в пределах внешней и внутренней областей питания, разгружается в местную гидрографическую сеть территории, а часть формирует так называемый "глубокий" артезианский сток. В соответствии с классическими представлениями (А.И. Силин-Бекчурин, А.М. Овчинников и др.), в отложениях второго гидрогеологического этажа формируются региональные потоки глубоких артезианских вод, направленные от краевых областей питания к центральным погруженным районам бассейна и далее к региональным областям разгрузки, в качестве которых обычно рассматриваются впадины современных морей и крупные внутриконтинентальные водоемы (предполагаемая протяженность потоков в этом случае составляет сотни, а иногда и тысячи километров). Однако количественные данные, полученные в последнее время, свидетельствуют о том, что представления о так называемых региональных потоках артезианских вод значительно преувеличены.

Рис. 1. Принципиальная схема формирования потоков подземных вод в краевой части артезианского бассейна платформенного типа: / - системы межпластовых горизонтов I и II гидрогеологических этажей бассейна; 2 - слабопроницаемые разделяющие толщи; 3 - породы обрамления и фундамента; 4 - направления движения подземных вод I этажа; 5 - трещинных вод обрамления; 6 - II гидрогеологического этажа; 7 - направления затрудненной субвертикальной фильтрации через слабопроницаемые породы; 8 - границы и номера гидрогеологических этажей; 9 - границы и номера гидродинамических зон

Характер изменения расходов пластовых потоков и положение границ выделенных областей свидетельствуют о том, что современный водообмен в водоносных горизонтах второго этажа формируется главным образом в краевых зонах артезианских бассейнов. В пределах внутренней, как правило, относительно погруженной области бассейна водоносные горизонты второго гидрогеологического этажа практически не имеют связи с современной поверхностью (в латеральном направлении эта связь затруднена значительными расстояниями и наличием краевых областей разгрузки). Таким образом, условия формирования региональных потоков артезианских вод, как правило, резко ограниченны.

В пределах каждого конкретного бассейна (участка) конфигурация границ областей и их ширина могут быть различными. В общем случае ширина (по поверхности) краевых областей питания изменяется от нескольких десятков до сотен километров. Существование краевой зоны разгрузки обычно определяется наличием в современном рельефе глубоких эрозионных понижений с низким положением уровней грунтовых и поверхностных вод (крупные речные долины, озерные котловины и др.). Общей закономерностью является количественно установленный факт, что более 80--90% суммарного объема современного питания межпластовых вод второго гидрогеологического этажа разгружается непосредственно в краевой зоне, не формируя регионального притока к внутренней области бассейна (см. рис 1). В ряде случаев имеющиеся данные по распределению напоров межпластовых вод показывают, что на периферии артезианских бассейнов формируются обширные площади, гидравлически изолированные (наличие водоразделов) от системы региональных потоков артезианских вод бассейна.

Формирование химического состава подземных вод второго этажа, их минерализации и гидрогеотермического режима самым тесным образом связано с рассмотренной выше динамикой потоков межпластовых вод в краевой части бассейна. В пределах внешней и внутренней областей питания основным процессом, определяющим состав и минерализацию подземных вод, является процесс выщелачивания. В том случае, когда питание осуществляется за счет "открытой" фильтрации на выходах водоносных пластов или за счет притока из внешней области, непосредственно в краевой части бассейна формируется, как правило, зона пресных (менее 1 г/л) гидрокарбонатных вод, мощность которой может достигать 600--800 м и более.

Приток маломинерализованных трещинных вод из пород кристаллического или складчатого обрамления рассматривается обычно как основная причина формирования мощной зоны пресных гидрокарбонатных подземных вод в краевой части бассейна. Однако наличие этой зоны может быть также связано со значительными величинами питания в самой краевой зоне бассейна или с другими причинами.

При распространении в разрезе краевой части гипсангидритовых толщ или загипсованных пород непосредственно в области питания формируются преимущественно сульфатные или хлоридно-сульфатные воды с минерализацией до 3,0--5,0 г/л. При наличии гидравлически "открытых" участков питания и интенсивного притока со стороны обрамления для межпластовых вод второго этажа в краевой части бассейна характерно обычно распространение на значительную глубину газов атмосферного происхождения (N2, CО 2, О 2), повышенное содержание органических веществ (для верхних горизонтов, связанных с грунтовыми и поверхностными водами), отсутствие газов и микрокомпонентов глубинного генезиса. Для этих участков также может быть характерно распространение на значительные глубины сезонных и многолетних колебаний температуры подземных вод.

На участках, где питание межпластовых вод второго этажа формируется за счет затрудненной нисходящей фильтрации через слабопроницаемые породы с относительно низкими удельными расходами, существенную роль в формировании состава и минерализации межпластовых вод играют процессы выщелачивания водоупоров. При наличии в слабопроницаемых породах легко растворимых соединений (морские глинистые породы, гипсангидритовые или засоленные толщи и др.) непосредственно под ними в пределах краевой области питания возможно формирование сульфатно-хлоридных и хлоридных вод с минерализацией до 10--15 г/л и более.

Далее по потоку в связи с формированием разгрузки межпластовых вод происходит постепенное сокращение расходов пластовых потоков и скоростей движения подземных вод. Это определяет постепенное уменьшение степени "промытости" гидрогеологического разреза (длительное в течение геологического времени сохранение легкорастворимых соединений в минералого-геохимическом комплексе водоносных и слабопроницаемых пород, сохранение поровых растворов седиментационного генезиса и др.). В этих условиях (при избытке растворимой фазы) процесс выщелачивания ограничен только пределом растворимости основных (SO42-, Сl-) соединений (с учетом постепенного роста температур и давлений при увеличении глубины залегания), что определяет постепенное увеличение минерализации межпластовых вод до значений, характерных для внутренней наиболее погруженной области бассейна, и формирование подземных вод преимущественно хлоридного состава.

Одним из факторов, определяющим состав и минерализацию межпластовых вод, является вертикальная восходящая разгрузка напорных вод, с чем связано поступление более глубоких и в общем случае более минерализованных подземных вод. С наличием восходящей разгрузки подземных вод может быть связано также появление в водоносных горизонтах первого этажа, в грунтовых, а в некоторых случаях в поверхностных водах специфического состава микрокомпонентов (I, В, Вг) и газов глубинного происхождения (СO2, Не, H2S и др.) вплоть до формирования гидрогеохимических и гидрогеотермических аномалий на участках интенсивной восходящей разгрузки напорных вод. Относительно простая схема формирования состава и минерализации подземных вод, определяемая динамикой потока в краевой зоне разгрузки, в реальных условиях является значительно более сложной. Сочетание структурного и гидродинамического факторов определяет наличие здесь основного "зонального геохимического барьера", на котором окислительная обстановка, характерная для краевой зоны питания, сменяется восстановительными условиями внутренней области бассейна.

Термин "барьер" в данном случае является условным, так как различное его положение в каждом водоносном горизонте, конфигурация в плане, изменения в различные этапы геологической истории и другие факторы обусловливают, по сути дела, наличие протяженной переходной гидрогеохимической зоны.

Наличие "геохимического барьера" обусловливает проявление (изменение направленности) ряда химических, физико-химических, биохимических процессов, влияние которых приводит к существенным изменениям химического состава и минерализации межпластовых вод второго гидрогеологического этажа.

Третий (нижний) гидрогеологический этаж бассейнов платформенного типа представляет собой наиболее погруженную часть гидрогеологического разреза, подземные воды которой в современных условиях не имеют открытой гидравлической связи с поверхностью бассейна.

В ряде бассейнов аналогичные условия залегания и формирования характерны также для нижних водоносных горизонтов второго этажа внутренних областей бассейна, где изоляция от современной поверхности определяется наличием мощных толщ перекрывающих слабопроницаемых пород и значительным удалением от краевых зон питания артезианских вод.

Преимущественное распространение в глубоких частях бассейнов слабопроницаемых пород и вероятность существования ограниченных участков и субвертикальных зон с относительно более высокой проницаемостью определяют характерное слоисто-блоковое строение гидрогеологического разреза третьего этажа. В пределах относительно изолированных блоков этой системы динамика подземных вод и баланс блока могут определяться различными составляющими: ослабленным притоком от областей современного питания (см. второй этаж), поступлением глубинных флюидов из пород фундамента, водами, образующимися при дегидратации породообразующих минералов, элизионным питанием, движением подземных вод под действием градиентов пластовых давлений, связанных с возникновением и релаксацией тектонических напряжений, сработкой упругих запасов и др. В связи с этим в пределах каждого относительно изолированного блока возможно формирование местных (внутриструктурных) потоков глубоких подземных вод с различными направлениями движения, градиентами и скоростями.

Формирование региональной динамики подземных вод третьего этажа в решающей степени определяется условиями пластового и межпластового взаимодействия смежных блоков, обеспечивающего затрудненную субвертикальную разгрузку глубоких артезианских вод в верхние горизонты разреза, поскольку в общей гидродинамической схеме бассейна платформенного типа его внутренняя область (по соотношению напоров) рассматривается как область затрудненной рассредоточенной разгрузки глубоких напорных подземных вод.

Наиболее убедительным подтверждением существования в пластовых системах третьего (а в ряде случаев и нижней части второго) этажа гидродинамически изолированных блоков являются проявления так называемых аномальных пластовых давлений, установленные во многих артезианских бассейнах платформенного типа.

В этом случае смежные блоки пластовой системы или блоки смежных пластовых систем характеризуются различными значениями пластовых давлений, величина которых и соотношения с "нормальными" гидростатическими давлениями резко изменяются на относительно коротких расстояниях. Наиболее часто при глубоком бурении на нефтяных и газовых структурах фиксируются так называемые аномально высокие пластовые давления, значительно превышающие нормальные гидростатические. Однако в отдельных артезианских бассейнах в настоящее время установлены участки и обширные области с резким проявлением аномально низких пластовых давлений.

Водоносные горизонты третьего гидрогеологического этажа (а также второго в глубоко погруженных внутренних районах бассейна), как правило, содержат высокоминерализованные воды и рассолы хлоридно-натриевого состава, минерализация которых для различных бассейнов (участков бассейна) изменяется от менее 20 до 300--400 г/л и более. Наиболее четко устанавливается связь величины минерализации глубоких артезианских вод с составом (минералого-геохимическим комплексом) осадочных пород разреза. Так, в бассейнах, где разрез осадочного чехла представлен континентальными толщами и отложениями морских бассейнов нормальной солености (например, Западная Сибирь), средняя минерализация глубоких артезианских вод, как правило, не превышает 30--40 г/л с определенными отклонениями в ту или иную сторону. В бассейнах, где значительная часть разреза сложена галогенными толщами (Приуралье, Ангаро-Ленский регион и др.), на тех же глубинах величина минерализации подземных вод может достигать 300--400 г/л и более.

Для высокоминерализованных вод и рассолов третьего этажа характерны, как правило, резко повышенные содержания некоторых компонентов (I, В, Br, Sr), углеводородов (СН 4, С 3Н 8, С 4Н 10 и др.) и газов глубинного происхождения (СO2, Не).

Формирование химического состава и минерализации подземных вод в гидродинамически "закрытой" системе третьего этажа решающим образом связано также с условиями межпластового (межблокового) взаимодействия подземных вод. Наличие такого взаимодействия в течение геологически длительного времени (с учетом возможных изменений его интенсивности, направлений и др.) должно приводить к постепенному выравниванию состава и минерализации подземных вод в смежных элементах пластовой системы. Однако во многих случаях этого не наблюдается. Это свидетельствует о том, что гидрогеохимический баланс блоков пластовой системы формируется за счет различных составляющих. В то же время наличие межблоковых связей в вертикальном направлении может являться причиной формирования гидрогеохимических (а также гидрогеотермических и др.) аномалий, связанных как с процессами смешения вод разного состава, так и с химическими и физико-химическими процессами, возникающими при изменении минералого-геохимического состава водовмещающих пород, пластовых температур и давлений. В условиях затрудненной (медленной) фильтрации в глубоких частях разреза бассейна возможно относительное усиление влияния на формирование состава и минерализации межпластовых вод различных медленных процессов: диффузия, осмос, процессы дегидратации горных пород, биохимические реакции и др.

Сочетание рассмотренных выше причин определяет изменения (вплоть до резко выраженных гидрогеохимических аномалий) состава и минерализации подземных вод даже в смежных блоках гидрогеологического разреза третьего этажа.

4. Гидродинамическая зональность

В 1931 г. П.И. Бутов ввел понятие о зонах "активного" и "пассивного" водообмена. В 1937-39 гг. Ф.А. Макаренко (для района Мацесты) и в 1939 г. Н.К. Игнатович (для Русской платформы), изучая условия формирования (в том числе и химического состава) подземных вод, пришли к выводу о существовании трех гидродинамических зон. Подробная схема гидродинамической зональности была разработана и опубликована Н.К. Игнатовичем в 1947 г., и сводится к тому, что в разрезе артезианских бассейнов выделяются три гидродинамические зоны.

Зона активного водообмена с крупными "гидродинамическими ресурсами" пресных подземных вод - находится под воздействием экзогенных факторов: климат, рельеф, речная сеть.

Зона "затрудненной циркуляции" подземных вод - в ее пределах происходит уменьшение скоростей и расходов фильтрации, а следовательно, и увеличение времени водообмена.

Зона застойного водного режима (относительного покоя) - подземный сток проявляется только в масштабе геологического времени. Зона характеризуется наличием ряда физико-химических процессов (обменные процессы, диффузия, сорбция, осмос и др.), формирующих специфический химический состав подземных вод.

Им примерно соответствуют три гидрогеохимические зоны: пресных подземных вод гидрокарбонатного состава, солоноватых и соленых вод сульфатного и сульфатно-хлоридного состава и высокоминерализованных вод и рассолов хлоридного состава.

Исходя из различной степени взаимосвязи подземных вод с поверхностным стоком и "соотношения преобладания влияния экзогенных и эндогенных" факторов, В.А. Всеволожский выделил для артезианских бассейнов три гидродинамические зоны, в той или иной мере охватывающие структурно-гидрогеологические этажи.

В пределах первого гидрогеологического этажа по кровле первой водоупорной толщи, не вскрытой эрозией, проводится граница двух гидродинамических зон. Верхняя зона характеризуется свободной связью с поверхностными водами и соответствует зоне свободного (интенсивного) водообмена (по Н.К. Игнатовичу). В нижней гидродинамической зоне нет открытой связи с поверхностью. Разгрузка и питание подземных вод осуществляется преимущественно за счет вертикальной фильтрации через слабопроницаемые толщи. В принятой классификации эта зона соответствует зоне затрудненного водообмена.

Во втором гидрогеологическом этаже по мере погружения и удаления от краевых зон бассейна происходит ухудшение связи с поверхностью и уменьшение скоростей и расходов фильтрации. По характеру изменения расходов в пределах второго этажа выделяются все три гидродинамические зоны со значительно различными сроками водообмена.

В.И. Дюнин (2000) на основании соотношения и изменения величин горизонтальных и вертикальных фильтрационных сопротивлений, характера изменения градиентов и расходов вдоль линии тока количественно обосновал выделение трех гидродинамических зон.

Первая зона ("краевая область питания") охватывает периферийную часть бассейна и по условиям формирования динамики подземных вод является зоной интенсивного водообмена.

Для второй зоны характерно резкое уменьшение расходов латеральных потоков и преобладание затрудненной вертикальной разгрузки подземных вод в вышележащие водоносные комплексы, что приводит к увеличению сроков водообмена. Эта зона является зоной относительно затрудненного водообмена, или переходной зоной.

Третья гидродинамическая зона определяется отсутствием питания, формирующегося в периферийных частях бассейна. Движение осуществляется только путем затрудненной восходящей фильтрации при наличии внутренних источников питания. В соответствии с принятой терминологией - это зона весьма затрудненного водообмена.

Получение все более новой информации о зоне весьма затрудненного водообмена, а также открытие аномально высоких пластовых давлений (АВПД) в древних бассейнах привело к принципиально новым представлениям о гидрогеодинамике глубоких горизонтов. Они основываются на гипотезе о компрессионном (элизионном) движении подземных вод (А.А. Карцев, Ю.В. Мухин, И.К. Зайцев, В.В. Колодий и многие другие). В соответствии с этой гипотезой глинистые тонкодисперсные породы при осаждении захватывают большое количество воды. В последующем, при уплотнении, диа- и катагенезе глинистые толщи отдают воды, которые мигрируют в коллекторские толщи, причем, чем больше суммарная мощность глин в разрезе, тем больший объем воды отжимается. Это приводит к формированию в глубоких частях разреза аномально высоких давлений и движению подземных вод из наиболее погруженных частей (областей питания) артезианского бассейна к приподнятым периферийным частям (областям разгрузки).

В этом случае для артезианских бассейнов характерно наличие границы, где встречаются инфильтрационный и элизионный потоки, т. е. разрез делится на два гидродинамических изолированных этажа (А.А. Карцев, В.В. Колодий и мн. др.). Верхний охватывает зоны активного и затрудненного водообмена и характеризуется движением в нисходящем направлении, по падению пластов под действием градиента гидростатического напора. Нижнему этажу соответствует зона весьма затрудненного водообмена, где господствует восходящее направление фильтрации флюида под действием компрессионного давления. Такое расчленение разреза предполагает отсутствие влияния гидростатического давления, сформированного в периферийных частях артезианских бассейнов, на гидродинамику подземных вод глубоких горизонтов.

В.Н. Корценштейн полагает, что не менее 75% седиментационных вод возвращается в бассейн осадконакопления в результате первичного отжатия, часть оставшихся 25% расходуется на влагоемкие процессы диагенеза глинистых минералов, и только остальная поступает в коллекторские толщи, где смешивается с инфильтрационными подземными водами и движется к областям разгрузки. Указанные явления происходят главным образом на раннем этапе развития водонапорной системы.

Одновременно с исследованиями современных гидродинамических условий глубоких горизонтов стала активно развиваться и палеогидрогеология. На повторяемость гидрогеологических обстановок первым обратил внимание А.Н. Семихатов в 1947 г. Он ввел понятие о "гидрогеологическом цикле" - повторяемости гидрогеологических процессов в подземных толщах, заключающихся в накоплении морских вод в образовавшихся осадках, а затем смене их пресными водами при регрессии моря. Полный гидрогеологический цикл состоит из элизионного (седиментационного), инфильтрационного и иногда эндогенного этапов водообмена.

Предполагается, что в глубокие водоносные горизонты могут поступать воды тремя путями: за счет вод, отжимающихся из пород в процессе катагенеза; за счет инфильтрационного питания, осуществляемого в пределах горно-складчатого обрамления или по периферии артезианских бассейнов; за счет эндогенных растворов, которые в период тектонической активности прорываются из фундамента и, возможно, верхней мантии. В соответствии с этим выделяют геостатический, гидростатический и эндогенный (глубинного типа) гидродинамические режимы (А.А. Карцев, Е.В. Пиннекер). Причем эти типы режимов отдельно могут не встречаться, а могут проявляться одновременно, на разных уровнях разреза и в разное время. Современный режим отражает определенный этап геологической истории артезианского бассейна.

Е.В. Пиннекер выделил три основные стадии гидродинамического развития артезианских бассейнов: геостатический, переходный и гидростатический.

Геостатическая стадия развития определяется наличием тектонических напряжений, процессов уплотнения и литогенеза, а также восходящей миграцией флюида из фундамента. Эта стадия характерна для молодых артезианских бассейнов, которые продолжительное время представляли собой морские бассейны, и после закрытия весь разрез артезианского бассейна был охвачен элизионным движением от центральных частей бассейна к периферии (Западно-Туркменская часть Южно-Каспийского бассейна).

Эндогенный режим (режим глубинного типа) обычно не характерен для всего артезианского бассейна. Он проявляется в областях с повышенной тектонической и вулканической деятельностью и приводит к интенсивному восходящему движения подземных вод. Это может происходить на любой стадии развития бассейна. Величины пластовых давлений, начиная с глубин менее одного километра, в таких районах, как правило, значительно превышают гидростатические.

На переходной стадии в верхнюю часть литосферы проникают инфильтрационные воды и происходит захват верхнего этажа гидростатическим давлением, в нижнем - по-прежнему продолжает господствовать геостатическое давление. Эти этажи являются гидродинамически не взаимосвязанными (Предкавказский прогиб, Туранская и Западно-Сибирская плиты, Лено-Вилюйская впадина).

Гидростатический режим наступает тогда, когда действие гидростатического давления распространяется на всю водоносную систему. Такой режим может существовать только в древних артезианских бассейнах.

По мнению В.И. Дюнина, к основным особенностям формирования подземных вод артезианских бассейнов относятся следующие.

1. Независимо от возраста и геологического строения для всех артезианских бассейнов отсутствует влияние периферии бассейна на формирование глубоких вод зоны весьма затрудненного водообмена.

2. Наличие гидродинамически не взаимосвязанных или весьма слабо взаимосвязанных друг с другом блоков; преобладание вертикальной фильтрации, которая осуществляется периодически и приводит к процессам новообразования минералов.

3. Непостоянство химического и газового состава флюида на относительно небольших расстояниях свидетельствует о неравновесном состоянии гидродинамической системы и подтверждается наличием аномальных пластовых давлений и резкой дифференциацией поля давлений в плане и разрезе.

Эта точка зрения в последнее время принимается все большим числом исследователей и подтверждается для многих регионов. Пластово-блоковый характер проявляется не только в крупных тектонических структурах, но и в локальных, небольших по размерам структурах. В пределах Сургутского свода выделены блоки с различными гидродинамическими условиями, гидрогеохимическими показателями и характером зональности. Р.И. Рустамов для отдельных месторождений Среднекуринской впадины выявил сложную картину распределения давлений с перепадами до 1000 м водяного столба. В.И. Дюниным в пределах Салымского нефтяного месторождения установлена система изолированных блоков, латеральная миграция в пределах месторождения ограничена размерами блоков, и преобладающей является вертикальная миграция.

В последних работах по региональной гидродинамике глубоких горизонтов, посвященных Печорскому артезианскому бассейну, А.М. Фартуковым и А.В. Корзун были сделаны выводы о гидродинамической неоднородности глубоких частей разреза по всей площади распространения водоносных комплексов, об автономности отдельных участков, каждый из которых характеризуется различной интенсивностью и направленностью флюидообменных процессов.

Пластово-блоковый характер глубоких горизонтов может определяться наличием внутренних источников питания. Одним из них, по мнению многих исследователей, является отжатие поровой и кристаллизационной воды на всех стадиях литогенеза. Но этот процесс не дает достаточного количества воды, чтобы существенно повлиять на распределение пластовых давлений.

Другим источником могут служить флюиды, которые прорываются в периоды тектонической активности из глубоких частей земной коры, поднимаются вверх по разрезу и в определенных условиях могут даже изливаться на дневную поверхность. Эти флюиды могут сильно отличаться по химическому и газовому составу, а также термобарическим характеристикам от растворов, находящихся в породах. Данный фактор обязательно должен приводить к нарушению термодинамического равновесия в системе "вода-газ-порода".

В результате образовываются трещины гидроразрыва, происходят фазовые переходы, физико-химические реакции и выпадение минералов. Все эти процессы изменяют величину порового (трещинного) пространства пород и могут приводить к понижению пористости пород или к полному ее исчезновению. Таким образом, это приводит к формированию относительно непроницаемых границ и, как следствие, к гидродинамически изолированным блокам.

На величину и распределение пластовых давлений влияет напряженное состояние вмещающих пород, особенно в районах повышенной тектонической активности, которое, по сути, является источником питания.

По принципу наличия движения различаются следующие представления о гидрогеодинамике артезианских вод.

1. Подземные воды, начиная с определенной глубины, находятся в застойном или относительно застойном состоянии - Б.Л. Личков, Н.К. Игнатович, Н.И. Толстихин, Е.В. Посохов, И.К. Зайцев, Е.Ф. Станкевич и мн. др. При этом большинство исследователей под застойностью понимает отсутствие значительного водообмена с поверхностными водами в настоящее время.

2. Подземные воды во всем осадочном чехле движутся с той или иной скоростью от областей питания к региональным областям разгрузки - А.И. Силин-Бекчурин, М.А. Гатальский, В.П. Якуцени, В.А. Кротова, И.К. Зерчанинов, М.И. Зайдельсон, Е.В. Пиннекер, Ю.В. Мухин и др.

3. Движение глубоких вод осуществляется за счет элизионного питания, а направление движения - из наиболее погруженных частей разреза к периферии артезианских бассейнов - А.А. Карцев, Ю.В. Мухин, И.К. Зайцев, В.В. Колодий, А.Я. Ходжакулиев и мн.др.

4. На отдельных этапах развития артезианских бассейнов преобладает восходящее движение за счет поступления ювенильных вод - В.Ф. Дерпгольц, Е.С. Гавриленко, Л.Н. Елянский, П.Н. Кропоткин, Е.В. Пиннекер, В.А. Кротова, А.А. Дзюба, В.И. Дюнин и мн.др.

По движущим силам.

1. Под действием градиента давления (напора) - А.А. Карцев, Ю.В. Мухин, И.К. Зайцев, В.В. Колодий, А.И. Силин-Бекчурин, М.А. Гатальский, В.П. Якуцени, В.А. Кротова, И.К. Зерчанинов, М.И. Зайдельсон, Е.В. Пиннекер и мн. др. (подавляющее большинство).

2. Под действием сил гравитации существует струйное течение вод с различной плотностью, в результате которого воды с большими значениями плотности опускаются, а с меньшими - поднимаются (А.Б. Ронов, М.Г. Валяшко, А.И. Поливанова, А.А. Куваев), - т. е. главной движущей силой является сила гравитации, или "плотностная конвекция" по А.А. Куваеву.

3. Движение вод происходит под действием подземного испарения или какого-либо иного удаления воды. Движение идет в нисходящем направлении к местам максимального погружения пласта - В.А. Сулин, М.Е. Альтовский, Н.В. Кулаков, А.А. Бродский и др.

4. Движение подземных вод происходит на молекулярном уровне - С.И. Смирнов (диффузия) и А.Г. Арье (файлюация - движение подземных вод в тонкодисперсных породах при градиентах менее начального).

5. На движение глубоких подземных вод существенное влияние оказывают постоянно действующие тектонические силы, меняющие поле напряжений - Г.С. Вартанян, Г.В. Куликов, В.И. Дюнин и др.

По положению источников питания в пространстве.

1. Питание осуществляется на периферии артезианских бассейнов в областях выхода отложений на дневную поверхность (инфильтрационное питание) - Б.Л. Личков, Н.К. Игнатович, Н.И. Толстихин, А.И. Силин-Бекчурин, М.А. Гатальский, В.П. Якуцени, В.А. Кротова, И.К. Зерчанинов, М.И. Зайдельсон, Е.В. Пиннекер, Ю.В. Мухин и др.

2. Области питания расположены во внутренних, наиболее погруженных областях водоносных горизонтов (воды, переходящие в свободное состояние при катагенезе осадочных пород) - А.А. Карцев, Ю.В. Мухин, И.К. Зайцев, В.В. Колодий, С.Б. Вагин, Е.А. Басков и мн. др.

3. Периодическое питание за счет эндогенных процессов (скрытая гидротермальная деятельность) - В.Ф. Дерпгольц, Е.С. Гавриленко, Л.Н. Елянский, П.Н. Кропоткин, Е.В. Пиннекер, В.А. Кротова, А.А. Дзюба, В.И. Дюнин, В.Н. Флоровская, Г.Н. Доленко и мн.др.

Объединяет практически все точки зрения одно очень важное обстоятельство. Все они предполагают гидродинамическую взаимосвязь каждого элемента разреза на всей площади распространения и возможность передачи пластовых давлений на большие расстояния - десятки, сотни и даже тысячи километров.

В.И. Дюнин разделяет следующую точку зрения, которая представляется наиболее предпочтительной и аргументированной немалому ряду ученых. Ограниченная роль периферии бассейна в гидрогеодинамике глубоких водоносных (нефтегазоносных) горизонтов; блоковое (пластово-блоковое) строение глубоких частей разреза артезианских структур; существенная роль эндогенных факторов, проявляющихся периодически; значимая роль тектонических сил, влияющих на формирование современного поля пластовых давлений.

Рис. 2. Принципиальная гидродинамическая схема артезианского бассейна платформенного типа: 1 - слоистые системы водоносных горизонтов (комплексов) трех гидрогеологических этажей бассейна; 2 - региональные слабопроницаемые толщи; 3 - номера гидрогеологических этажей; 4 - границы и номера гидродинамических зон; 5 - зоны тектонических нарушений; 6 - система "местных" и 7 - региональных потоков подземных вод; 8 - субвертикальная фильтрация через слабопроницаемые породы; 9 - "внутренние" источники питания подземных вод (элизионные процессы, дегидратация, приток глубинных флюидов); 10 - породы обрамления и фундамента