Строение артезианских бассейнов

5. Гидрогеохимическая зональность

Гидрогеохимическая зональность артезианских бассейнов платформенного типа отражает общие закономерности изменения состава и минерализации артезианских вод с увеличением глубины залегания и удалением от "открытой" периферии к внутренней погруженной области бассейна (В.И. Вернадский, И.К. Зайцев, Н.К. Игнатович, Е.В. Посохов и др.). "Нормальным" считается гидрогеохимический разрез бассейна, в котором снизу вверх могут быть выделены три гидрогеохимические зоны: 1 - пресных (до 1,0 г/л) подземных вод гидрокарбонатного кальциевого (каль-циево-магниевого) состава, 2 - солоноватых и соленых вод сульфатного (сульфатно-хлоридного) состава, 3 - рассолов хлоридно-го натриевого состава с минерализацией до 300--400 г/л и более (И.К. Зайцев, Е.В. Посохов и др.).

Классические представления о природе формирования гидрогеохимических условий (зональности) артезианских бассейнов всегда исходили из предпосылки об их тесной связи с закономерностями региональной динамики артезианских вод (М.А. Гатальский, Н.К. Игнатович, Ф.А. Макаренко, А.И. Силин-Бекчурин и др.). Наиболее полно это положение сформулировал Н.К. Игнатович (1944, 1950), который считал, что трем гидродинамическим зонам разреза бассейна (см. выше) соответствуют три гидрогеохимические зоны: гидрокарбонатных, сульфатных и хлоридных подземных вод. Однако вслед за этим (Гатальский, 1954) было показано, что даже в условиях одного бассейна гидрогеохимические показатели гидродинамических зон могут изменяться в широком диапазоне. При сравнении гидрогеохимических разрезов различных артезианских бассейнов эта закономерность проявляется еще более резко как по распределению величины минерализации, так и по содержанию и соотношению основных компонентов состава.

В то же время, уровень минерализации артезианских вод и закономерности ее изменения в разрезе бассейна в значительной степени определяются минералого-геохимическим комплексом водоносных и слабопроницаемых пород.

Формирование гидрогеохимической зональности (увеличение минерализации и изменение химического состава артезианских вод с глубиной) связывают с различными причинами. Среди них можно назвать:

1) гипотезу эндогенного происхождения (А. Зюсс, В.А. Кротова и др.), связывающую формирование хлоридных рассолов с поступлением флюидов из мантии;

2) седиментогенную гипотезу (М.Г. Валяшко, И.К. Зайцев и др.), по которой высококонцентрированные растворы хлоркальциевого типа (по В.А. Сулину) являются захороненной рапой древних солеродных бассейнов;

3) гипотезу "подземного испарения" (М.Е. Альтовский);

4) гипотезу гравитационного распределения ионов (К.В. Филатов), согласно которой "тяжелые" ионы (Са, Mg, Ba, Fe) накапливаются в погруженных частях бассейна, а наиболее легкие (НСОэ и др.) - в верхних частях;

5) гипотезу "трансляционного" перераспределения ионов (О.Я. Самойлов, Д.С. Соколов); 6) гипотезу "мембранного эффекта" и др. Наиболее вероятно, что фиксируемые проявления вертикальной гидрогеохимической зональности являются результатом комплексного воздействия многих процессов, которые происходили в течение геологически длительных периодов взаимодействия подземных вод с горными породами, газами и органическим веществом.

Наряду с "нормальным" типом гидрогеохимического разреза в артезианских бассейнах широко распространены так называемые "инверсионные" разрезы, в которых в той или иной мере нарушается общая закономерность изменения химического состава и минерализации подземных вод с глубиной (см. рис. 10.10).

Наиболее изучены гидрогеохимические "инверсии", формирующиеся в краевых частях артезианских бассейнов в условиях континентального засоления грунтовых вод. Широкое развитие процессов испарения грунтовых вод и континентального засоления приводят к формированию непосредственно в грунтовом горизонте аридных территорий высокоминерализованных хлоридных вод и рассолов (до 100--150 г/л). Вниз по разрезу в межпластовых горизонтах первого этажа (иногда и второго) по мере увеличения изоляции от засоленных грунтовых вод происходит постепенное уменьшение минерализации подземных вод и соответственное изменение их состава. В отдельных случаях при наличии в разрезе выдержанных пластов слабопроницаемых пород непосредственно под высокоминерализованными грунтовыми водами хлоридного состава скважины вскрывают пресные и слабосолоноватые (до 1,5--2,0 г/л) воды гидрокарбонатно-сульфатного, сульфатного и другого состава, области питания которых расположены вне участков интенсивного испарения и засоления грунтовых вод. Ниже по разрезу, как правило, восстанавливается "нормальная" гидрогеохимическая зональность с увеличением минерализации межпластовых вод с глубиной залегания.

Аналогичные проявления гидрогеохимических "инверсий" возможны также при распространении в верхней части разреза горных пород с высоким содержанием легкорастворимых соединений SO2- и Сl- (гипсангидритовые толщи, отложения современных и верхнечетвертичных морских террас, котловины крупных соленых озер и др.).

В глубоких (от 200--400 до 2500--3000 м и более) частях гидрогеологического разреза артезианских бассейнов платформенного типа и крупных межгорных впадин (см. гл. 11.2) широко распространены проявления инверсионной зональности, связанные с залеганием под зоной высокоминерализованных (до 100--250 г/л и более) хлоридных вод менее минерализованных высококарбонатных вод CI--HC03--Na и даже НСO3--Сl--Na состава. Для этих вод характерна высокая концентрация карбонатных анионов (суммарное содержание НСO3+ + СO3- до 20--30 г/л), отсутствие или минимальные концентрации S02- и Са 2+, высокие концентрации I, В, NH4. Формирование подземных вод данного химического состава обычно связывают с наличием в горных породах значительных содержаний органических веществ и деятельностью сульфатредуцирующих микроорганизмов.

Поскольку подземные воды данного типа генетически связаны с породами, относительно обогащенными органическим веществом, их наличие рассматривается как поисковый признак нефтегазоносности.

Однако формирование в ряде случаев (Западно-Сибирский бассейн и др.) на значительных глубинах (до 2500--3000 м и более) высококарбонатных вод с минерализацией 10 г/л и менее по существующим представлениям возможно только при "разбавлении" маломинерализованными водами (Крайнов и др., 2004). При относительно небольших (первые сотни метров) глубинах залегания такое разбавление может быть связано с поступлением современных или древнеинфильтрационных вод. В глубоких частях разреза разбавление может быть связано с отжатием маломинерализованных связанных вод глинистых пород, с водами, формирующимися при дегидратации породообразующих минералов, или с поступлением пароводяных флюидов из пород фундамента.

6. Пример артезианского бассейна платформенного типа

Московский артезианский бассейн - бассейн подземных вод юго-западной части Московской синеклизы, расположен в центре Восточно-Европейской равнины. Площадь - около 360 тыс. км 2. Водоносные комплексы приурочены к толще карбонатно-терригенных пород от нижнекембрийского до антропогенного возраста, залегающих на складчатом кристаллическом фундаменте. Мощность осадочных пород - от 100-300 до 4000-4500 м.

Самые древние отложения представляют девонские образования (приемущественно, на глубине более 1000 м), и содержат минеральные воды и рассолы. Далее идут древние породы каменноугольного периода. Они образовались более 300 млн. лет назад и представлены известняковыми (карбонатными) породами. Известняки и доломиты каменноугольных отложений содержат большие запасы напорных подземных артезианских вод. В послекаменноугольный период древнее море отступило, однако, в Юрский период (около 190 млн. лет назад) территория Восточно-Европейской платформы вновь оказалась покрытой морем, что привело к образованию песчано-глинистых отложений и черных пластичных глин. Эти глины, перекрывающие известняки слоем мощностью до 60-70 м, являются хорошим водоупором и надежно защищают артезианские воды от загрязнения сверху. В конце Юрского периода и в последующим за ним меловом времени море обмелело и оставило после себя преимущественно песчаные, реже - глиняные отложения. 65 млн. лет назад наступил континентальный этап развития территории, продолжающийся до наших дней.

В соответствии с историческими условиями формирования, для Московского артезианского бассейна характерно наличие трех вертикальных зон, отличающихся особенностями гидродинамических и гидрохимических условий.

В верхнюю зону интенсивного водообмена входят водоносные горизонты, непосредственно примыкающие к поверхности земли и находящиеся в области питания атмосферными осадками с высокой степенью связи с поверхностными водотоками и водоемами. Нижним уровнем верхней зоны является кемеридж-келловейский водоупор, не позволяющий проникать водам в нижние зоны. Подземные воды верхней зоны обычно пресные с минерализацией до 1 г/дм 3, преимущественно гидрокарбонатно-кальциевые. Мощность зоны до 250-300 м.

Вторая зона охватывает водоносные толщи перми, триаса и верхне- и, частично, среднекаменноугольных отложений. Наличие в кровле этой зоны водоупора, и преимущественно глинистый состав пермской и триасовой толщ обуславливает почти полное отсутствие взаимосвязи с пресными водами верхней зоны. Воды этой зоны - сульфатные, сульфатно-хлоридные натриевые и натриево-кальциевые с минерализацией от 5-10 до 50 г/дм 3. Мощность зоны - 300-400 м.

В наиболее глубоких частях артезианского бассейна располагается зона самого замедленного водообмена. Солоноватые воды замещаются солеными, а затем рассолами высокой степени минерализации - от 50 до 270 г/дм 3. Состав вод главным образом хлоридный, натриевый. Мощность от 400-500 до 1600-2000 м в наиболее прогнутых частях бассейна.

Пресные подземные воды бассейна являются одним из источником водоснабжения Москвы и всего Центрального промышленного района России. Наибольшими ресурсами обладают каменноугольные водоносные комплексы, которые широко используются для питьевых и промышленных целей.

Соленые воды и рассолы зон затрудненного и замедленного водообмена, приуроченные преимущественно к девонским и пермским отложениям, используются для лечебных и бальнеологических целей. Слабоминерализованные воды (4 г/дм 3) верхнедевонских горизонтов в районе Москвы известны как минеральная вода "Московского" типа.

Заключение

Подводя итоги, можно сделать вывод, что артезианские бассейны платформ представляют собой гидродинамические системы водоносных горизонтов и комплексов, выдержанных на огромной площади, измеряемой сотнями тысяч квадратных километров, имеют сложную структуру в несколько этажей и зон различного характера, которые отличаются друг от друга и находятся во взаимодействии; Как правило, в вертикальном разрезе выделяется несколько водоносных горизонтов, изолированных друг от друга более или менее непроницаемыми толщами. Артезианские бассейны содержат огромные естественные запасы пресных подземных вод, движение которых формируется за счёт разности давлений и зависит от глубины залегания, которая так же влияет на тип питания и разгрузки артезианских вод. В свою очередь минерализация и тип вод также зависят от глубины вод и от горных пород, слагающих бассейн. Наиболее крупными бассейнами на территории России, на сегодняшний день, являются Западно-Сибирский, Московский и Прибалтийский.

Список литературы

1. "Лекции по общей гидрогеологии". Курмангалиева А.Р.

2. "Общая гидрогеология". Всеволожский В.А. МГУ-2007.

3. "Поиск и разведка подземных вод для крупного водоснабжения", Н.П. Биндеман, изд-во "Недра" - 1969.

Размещено на Allbest.ru