Гравитационное выщелачивание

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Статья по теме:

Гравитационное выщелачивание

Александр Н. Павлов Россия

Геостатическое давление (geostatic pressure) - давление, оказываемое на пласт весом вышележащей толщи горных пород, величина которого зависит от толщины и плотности пород (В.М. Добрынин, В.А....)

Под действием геостатического давления происходит вынос солей из глинистых пород при их дегидратации. Эта своеобразная форма перехода растворимых компонентов из породы в воду получила название гравитационного выщелачивания [Котова, Павлов, 1968]. Работами П. А. Крюкова [1959, 1960], В. Д. Ломтадзе [1959] и других было установлено, что при отжатии поровых вод из образцов глинистых пород минерализация отдельных порций воды, полученных при различных нагрузках, неодинакова. Более минерализованными всегда являются первые порции, отжимаемые при меньших нагрузках, а менее минерализованными -- последние, отжимаемые при больших нагрузках.

Установление этой закономерности оказало существенное влияние на развитие представлений о формировании химического состава подземных вод и, в частности, вод зоны катагенеза, а также на вопрос о вертикальной гидрохимической зональности [Гуревич, Зайцев, Толстихин, 1958]. Формирование химического состава подземных вод тесно связано с процессом литификации осадков, изменяющихся от ила до горной породы. При этом происходит непрерывное отжимание воды -- вначале свободной, а затем связанной. Такая миграция обусловливает тесную генетическую связь гравитационных пластовых вод с водами водоупоров [Карцев, Вагин, 1966].

С позиций закономерности изменения минерализации поровых вод при отжиме можно полагать, что наряду с прямой вертикальной гидрохимической зональностью водоносных горизонтов должна существовать обратная ей вертикальная гидрохимическая зональность водоупоров. Можно привести ряд примеров, показывающих такую зональность в (табл.1,2).

Из приведенных данных видно, что с глубиной минерализация поровых вод глинистых пород закономерно уменьшается. Это уменьшение носит прерывистый характер, что, по-видимому, связано с чередованием в разрезе водоносных и водоупорных горизонтов, а также неоднородностью литологического состава самих водоупоров. Такой же прерывистостью отличается и соответствующая вертикальная гидрохимическая зональность пластовых вод.

Таблица 1 - Примеры вертикальной гидрохимической зональности водоупоров по результатам изучения поровых вод в глинах

К сожалению, в настоящее время встречаются лишь единичные работы по изучению поровых вод на непрерывных и достаточно больших разрезах. Поэтому нельзя привести значительного количества примеров, указывающих на вертикальную гидрохимическую зональность водоупоров. Но даже имеющийся материал позволяет говорить о существовании двух типов вертикальной гидрохимической зональности: 1) для пластовых вод, 2) для водоупоров.

В последние годы закономерность изменения минерализации поровых вод в процессе отжима стала изучаться с количественной стороны. В 1965 г. была проведена серия опытов с искусственно приготовленными образцами глин [Котова, 1965]. Исходя из заранее выбранной начальной влажности и минерализации, готовились пасты, из которых затем отжимался поровый раствор. Нагрузки прикладывались ступенями. Первая ступень 0,5, последняя -- 3000 кГ/см2. Определялась минерализация отдельных порций отжатой воды,

Таблица 2 - Примеры вертикальной гидрохимической зональности водоупоров по результатам водных вытяжек из образцов керна. Северо-Западное Предкавказье

Определялась минерализация отдельных порций отжатой воды, а затем рассчитывался общий солевой баланс. В качестве примера приводятся 2 эксперимента (табл.3).

Таблица 3 - Основные результаты экспериментальных работ по отжиму поровых вод

Данные табл. 3 позволяют рассмотреть зависимость изменения общего количества солей в поровых водах от приложенной нагрузки. Эти изменения рационально проанализировать в относительных величинах - в процентах от исходных минерализации и количества солей (табл.4, рис.1).

При увеличении нагрузки общее количество солей в глинах интенсивно и закономерно уменьшается. Это уменьшение можно рассматривать как особый вид выноса солей, который назван гравитационным. Гравитационный вынос солей имеет свои особенности, связанные с дегидратацией глин. Отжимающаяся по мере уплотнения вода выносит растворенные соли.

Связь гравитационного выноса солей с процессом дегидратации показана на рис. 2 и выражается прямой линией

(1)

где С -- количество оставшихся солей, % от исходного; W -- оставшаяся влажность, % от начальной.

Таблица 4 - Вынос солей из глин при экспериментальном отжиме поровых вод (в % от исходного)

Рис. 1 - Кривая выноса солей по двум экспериментам. 1,2 -- первый и второй эксперименты

Рис. 2 - Связь гравитационного выноса солей с процессом дегидратации

Важным обстоятельством здесь, по-видимому, является общность описанной закономерности для глинистых пород с разной минерализацией поровых вод.

Полученные на рис.1 кривые, по существу, позволяют описать общий теоретический вид второго типа вертикальной гидрохимической зональности, в основе которой лежит процесс гравитационного выноса солей водоупорных горизонтов.

Идея гравитационного выноса солей из глинистых водоупоров под действием геостатических и тектонических нагрузок хорошо согласуется с представлениями о динамике подземных вод артезианских бассейнов [Зайцев, 1967; Карцев, Вагин, 1966, Колодий, 1966; Мухин, 1965]. По этим представлениям при смене тектонических циклов гидрогеологическая роль водоупоров инверсионно меняется: то они отдают воду, то поглощают, затем вновь отдают и вновь поглощают. При этом каждый раз, исходя из кривых выноса солей (рис. 1) и зависимости (1), они отдают воду более минерализованную, чем получают. Следовательно, можно говорить о постоянном в масштабах геологического времени выносе солей из водоупоров. Этот вынос имеет характер прерывистых циклов: за каждым периодом выноса следует относительное засоление, которое сменяется новым выносом. Возможно, что эти гидрохимические циклы совпадают во времени с палеогидрогеологическимй циклами [Карцев, Вагин, 1962].

Гравитационный вынос солей является, по-видимому, одним из главных процессов, принимающих участие в формировании химического состава подземных вод зоны катагенеза, но далеко не единственным. Здесь можно говорить о целом ряде осложняющих факторов и явлений: неоднократности литологического состава слагающих водоупоры пород, различной палеогидрогеологической истории развития отдельных комплексов пород, отличиях в физико-химических и температурных условиях, различных интенсивности и характере тектонических нагрузок на отдельных этапах геологической истории региона и т. д. Поэтому реальные кривые, описывающие процесс гравитационного выноса солей, по своему виду могут заметно отличаться от кривых на рис.1.

Отклонение реального выноса солей из водоупоров от идеального процесса создает большие затруднения в корректном практическом использовании найденной закономерности. Эти затруднения еще больше увеличиваются из-за того, что теоретические кривые выноса солей по соображениям большей наглядности построены в относительных величинах изменения валового запаса солей в горной породе, а фактический материал, получаемый по керну скважин, выражается в величинах концентраций (мг-экв/л, г/л, г/кг и т. д.) веществ, растворенных в поровой воде.

С целью более удобного использования закономерностей гравитационного выноса солей при решении некоторых практических задач по данным табл. 3 построены кривые изменения минерализации норовых вод, оставшихся в породе после приложения данной ступени нагрузки (рис. 3).

Рис. 3 - Изменение минерализации норовых вод, оставшихся в породе после приложенной нагрузки: 1 -- теоретическая кривая; 2 --фактические данные.

Полученные кривые имеют вид

(2)

где С -- минерализация поровых вод (мг-экв/л, г/л и т. д.), оставшихся в породе при нагрузке р ? 0; С0 -- начальная минерализация поровых вод (мг-экв/л, г/л и т. д.) при отсутствии отжимающей нагрузки, р = 0; л, п -- постоянные, учитывающие физико-химические, геологические, структурные и другие условия приложения нагрузок (по экспериментальным данным для нашего случая получены следующие значения постоянных: л = 4,45-4,0; п = 0,116-0,087; табл. 4).

Для каждых конкретных геологических и гидрогеологических условий существует своя кривая изменения минерализации оставшейся поровой воды, отражающая процесс гравитационного выноса солей. Многообразие природных условий позволяет говорить о существовании целой серии кривых указанного вида.

Если принять, что реальные условия гравитационного выноса солей из горных пород, слагающих водоупорные горизонты, отличаются от экспериментальных настолько, что ошибка, возникающая при замене первых вторыми, является допустимой, то с помощью уравнения (2) в принципе можно решать задачу по оценке минерализации вод бассейна седиментации. Для этого достаточно знать минерализацию поровых вод в трёх сравнительно удаленных друг от друга точках разреза, характеризующих один и тот же стратиграфический комплекс пород, т. е. знать величины С1, С2, С3 и соответствующие им p1,р2,рз. Найденная величина С0 с принятой точностью будет отражать минерализацию вод в бассейне седиментации.

С помощью величины С0 и по известным значениям величин С1, С2, С3, ..., Сп можно вычислить всю кривую гравитационного выщелачивания (в относительных величинах) для наблюдаемых условий. На основании этой конкретной кривой и уравнения (2) представляется возможным рассчитать общий вынос воды и солей с 1 км2 данной водоупорной толщи.

Решение системы из трех уравнений вида (2) относительно величины С0 сводится к графическому решению равенства

вода глина дегидратация

Очевидно, даже приближенное решение указанной задачи открывает широкие перспективы в методике палеогидрогеологических исследований.

Изложенные идеи возникли на небольшом фактическом материале, но они хорошо увязываются с данными экспериментальных исследований и существующими взглядами на динамику подземных вод артезианских бассейнов. Всякий новый материал по изучению поровых вод, бесспорно, позволит уточнить и развить высказанные представления о роли водоупоров в формировании химического состава подземных вод и подойти к вопросу о граничных условиях, в которых процесс гравитационного выноса солей является определяющим.

Литература

1. Бабинец А.Е. О роли поровых растворов в формировании подземных вод. В сб. Проблемы гидрогеологии. М., Госгеолтехиздат. 1960.

2. Гуревич М.С., Зайцев И.К., Толстихин Н.И. Региональные гидрохимические закономерности артезианских бассейнов СССР. Тр. Лабор. гидрогеол. проблем АН СССР, т. ХVI, 1958.

3. Зайцев И.К. К вопросу о гидродинамике артезианских бассейнов. Докл. отд. и комис. Геогр. о-ва СССР, вып.2, гидрогеол. и инж. геол. Л., Изд. ГО СССР, 1967.

4. Карцев А.А., Вагин С.Б. Палеогидрогеологические исследования при изучении формирования и разрушения нефтегазовых скоплений. Сов. геол. №8, 1962.

5. Карцев А.А., Вагин С.Б. Роль седиментационных вод в формировании пластовых вод крупных артезианских бассейнов. Изв. вузов, геол. и разведка, №8, 1966.

6. Колодий Гидродинамические и палеогидродинамические условия плиоценовых отложений Западно-Туркменской впадины. Сов. геол., №2, 1966.

7. Котова М.С. Об изменении состава и минерализации поровых вод при выжимании их из глин. Зап. ЛГИ, т. XLVIII, вып. 2, 1965.

8. Котова М.С., Павлов А.Н. О выщелачивании водоупоров при увеличении геостатического давления. Сб. Поровые растворы и методы их изучения. Минск. Изд-во «Наука и техника», 1968

9. Крюков П.А. Об исследовании растворов, пропитывающих осадочные горные породы. Сб. Проблемы гидрогеол. Госгеолтехиздат, 1960

10. Крюков П.А., Цыба Н.П. Сопоставление состава горных растворов и вод из скважин района строительства Сталинградсвкой ГЭС. В сб. Гидрохим. мат-лы, XXVIII. Изд-во АН СССР, 1959.

11. Ломтадзе В.Д. Результаты исследований воды, отжатой из глинистых отложений различной степени литификации. Изв. вузов, геол. и разведка, №9, 1959.

12. Мухин Ю.В. Процессы уплотнения глинистых осадков. Недра, 1965.

13. Пушкина З.В. Поровые воды современных четвертичных и плиоценовых глинистых отложений в разрезе СКВ. 8б, 8а, 4 (Южный Каспий). Автореф. дисс. М., 1964.

Размещено на Allbest.ru