Межпластовые подземные воды
Грунтовые воды
Грунтовыми водами, или грунтовым водоносным горизонтом,называется первый от поверхности земли постоянно существующийрегионально распространенный водоносный горизонт сосвободным уровнем. Понятия "постоянно существующий" и "региональнораспространенный" подчеркивают различие междугрунтовыми водами и верховодкой, которая также фиксируетсякак первый от поверхности водоносный горизонт. В отличие отверховодки существование грунтового водоносного горизонтаобычно связано с наличием регионально (в пределах всего рассматриваемогорайона или значительной его части) распространенногопласта слабопроницаемых пород (см. гл. 6). Понятия"свободный уровень", "свободная поверхность" подчеркивают тот факт, что верхней границей грунтового водоносного горизонтаявляется свободный уровень подземных вод (см. рис. 7.1). Привскрытии водоносного горизонта в этом случае отсутствует избыточноедавление воды на его кровле (Р= Р,1Ш) и уровень воды устанавливаетсяна отметке вскрытия верхней границы горизонта.
В связи с этим грунтовые воды не совсем верно называются такжебезнапорными . На участках, где в верхней части водоносногогоризонта распространены линзы слабопроницаемыхпород, или покровные слабопроницаемые отложения, собственноводоносный горизонт фиксируется горными выработками нижеих подошвы. На таких участках наблюдается избыточное гидростатическоедавление, под действием которого уровень воды устанавливаетсявыше кровли водоносного горизонта. В этом случаеподземные воды называются водами с местным напором, илисубнапорными.
В пределах платформенных территорий гумидной зоны грунтовыйводоносный горизонт залегает на глубинах до 10—15 м иформируется преимущественно в рыхлых отложениях четвертичногои неоген-четвертичного возраста. В аридной и полуариднойзонах с глубинами залегания грунтовых вод до 50 м и более, атакже на участках с отсутствием или малой мощностью четвертичныхотложений грунтовые воды могут быть связаны с отложениямилюбого возраста и состава. В массивах древних кристаллическихпород и в горно-складчатых областях (кроме межгорныхвпадин и участков распространения рыхлых отложений значительноймощности) горизонт грунтовых вод связан, как правило,
с верхней трещиноватой зоной горных пород (литифицированныеосадочные, магматические, метаморфические породы). Для этихрайонов при интенсивной эрозионной расчлененности рельефа(горно-складчатые области) характерны максимальные глубинызалегания грунтовых вод (до 200—250 м, возможно, больше).
Зональность грунтовых вод
Учение о зональности грунтовых вод разработано российскимигидрогеологами И.В. Гармоновым, И.К. Зайцевым, B.C. Ильиным,Г.Н. Каменским, O.K. Ланге и другими. Согласно этому учению,под зональностью понимаются закономерности пространственного(площадного) изменения условий формирования и типа грунтовых вод, определяемые воздействием природных факторов, связанныхс проявлением широтной климатической зональности. Впервыепредставления о такой зональности были высказаны В.В. Докучаевым,который считал, что грунтовые воды, являющиеся элементомландшафта, неизбежно должны быть определенным образомсвязаны с широтной климатической зональностью, а также с зональностьюрельефа, почвенного покрова, растительности и т.д.В 1922 г. B.C. Ильиным была составлена первая карта-схема зональностигрунтовых вод европейской части России, Белоруссиии Украины, на которой в направлении с севера на юг этой территориивыделены субширотные зоны: I) грунтовых вод типа тундровых;2) "высоких" грунтовых вод севера; 3) грунтовых вод неглубокиховрагов; 4) глубоких оврагов; 5) овражно-балочной сети;6) балок причерноморского типа; 7) балок прикаспийского типа;8) азональные типы грунтовых вод
При выделении указанных зон и азональных типов грунтовыхвод B.C. Ильиным учитывалась обшеприродная широтная зональностьклиматических условий территории, строение рельефа,геолого-литологические условия верхней части разреза и др. Однакособственно название выделяемых зон и положение их границопределялись на основе учета ландшафтно-геоморфологическихусловий рассматриваемой территории. Выделенные зоны в целомохватывают обширные территории, в пределах которых возможныразличия в грунтовых водах. Однако в каждой зоне могутбыть выделены общие (общезональные) закономерности условийзалегания и типы грунтовых вод, характеристика которых приведена в табл. 7.6. Тем самым отнесение грунтовых вод к определеннойзоне сразу дает представление об основных (наиболее общих)закономерностях их формирования, что определяет безусловноенаучное и практическое значение учения об их зональности, вчастности и карты-схемы B.C. Ильина, со времени составлениякоторой прошло более полувека.
В соответствии со схемой B.C. Ильина, в пределах европейскойчасти России с севера на юг (от зоны к зоне) происходит постепенноеувеличение глубины залегания грунтовых вод, уменьшениев соответствии с сокращением степени увлажнения (К) средних
годовых величин инфильтрационного питания, увеличение минерализации грунтовых вод и соответственное изменение иххимического состава (см. табл. 7.6).Одним из важнейших зональных показателей является глубиназалегания грунтовых вод, определяемая интенсивностью увлажнения(величины питания грунтовых вод), степенью и глубиной эрозионнойрасчлененности рельефа, а также строением верхней части
гидрогеологического разреза. Цифры, приведенные в табл. 7.6,
характеризуют средние глубины залегания грунтовых вод в центральных
частях междуречных пространств на определенном удалении
от крутых склонов, уступов речных террас, заболоченных понижений
(южные зоны), где глубины могут существенно отличаться.
В свою очередь глубина залегания грунтовых вод в центральных
частях междуречных пространств определяет, при прочих равных
условиях, величины инфильтрационного питания, расстояние до
основных дрен (длину путей фильтрации), особенности режима
грунтовых вод и др.
Зональные изменения минерализации (и химического состава)
грунтовых вод также определяются степенью увлажнения территории
(величины питания), глубиной их залегания и литоло-
го-геохимическим комплексом пород зоны аэрации и грунтового
горизонта. Как было сказано выше, формирование в пределах
"южных" зон сульфатных и сульфатно-хлоридных вод с минера-
лизацией до 3,0—5,0 г/л связано с наличием (сохранением) в породах
зоны аэрации относительно более растворимых соединений
(NaCl. CaS04 и др.), что объясняется значительной мощностью
зоны аэрации и малыми величинами инфильтрационного питания.
В пределах зоны прикаспийских балок (частично в зонах овраж-
но-балочной сети и причерноморских балок) резкое увеличение
минерализации и преимущественно хлоридный состав грунтовых
вод характерны для пониженных участков рельефа с неглубоким
(до 2—3 м) залеганием их уровня, где основным видом разгрузки
является испарение.
В северных более увлажненных территориях породы зоны аэрации
находятся на карбонатной стадии выщелачивания, так как в
связи с интенсивным водообменом (большие величины питания)
здесь отсутствуют условия для сохранения легкорастворимых соединений
в верхней части гидрогеологического разреза.
В схеме зональности, предложенной B.C. Ильиным, одновременно
с зональными выделены еще шесть типов (областей) азональных
грунтовых вод, условия формирования которых наряду с
зональными факторами (климат, рельеф) в решающей степени
определяются особенностями геологического строения, гидрографией
и др. К азональным типам грунтовых вод B.C. Ильиным
отнесены: трещинные воды кристаллических массивов и горно-
складчатых областей, трещинно-карстовые воды, воды аллювиальных
отложений, конечно-моренных образований, воды болот
и солончаков. Для каждого из этих типов в связи с проявлением
различных природных факторов (состав пород и строение зоны
аэрации, глубина залегания грунтовых вод, связь с поверхностными
водами и др.) характерны различные условия залегания, формирования
гидродинамического режима, минерализации и химического
состава грунтовых вод.
Схема зональности B.C. Ильина (1922) на уровне современных
требований гидрогеологической науки и состояния изученности
грунтовых вод имеет ряд серьезных недостатков. В названии выделенных
зон не отражены особенности геолого-гидрогеологических
условий территории, хотя они в некоторой мерс учитываются
при определении положения зональных границ; на территории
ряда зон могут быть выделены значительные по площади участки
с особыми условиями формирования и типами грунтовых вод,
которые не отражены в принятом масштабе схемы или вообще не
учитываются (например, при выделении азональных типов грунтовых
вод).
Дальнейшее развитие представлений B.C. Ильина о зональности
грунтовых вод выполнено O.K. Ланге, составившим первую
схему зональности грунтовых вод территории России и сопре-
дельных государств в 1947 г. (рис. 7.9). На основании особенностей
климатических условий территории O.K. Ланге выделены три
провинции зональных грунтовых вод: провинция вечной мерзлоты
с отрицательными среднегодовыми температурами; провинция с
высокой влажностью воздуха, положительными среднегодовыми
температурами и небольшой амплитудой суточных, сезонных и
годовых колебаний температуры; провинция с высокой сухостью
воздуха и большими амплитудами колебаний температуры. В пределах
каждой провинции выделение зон (полос — по O.K. Ланге)
осуществляется по различным принципам; типы азональных грунтовых
вод в целом соответствуют схеме B.C. Ильина.
На основе других принципов разработаны схемы зональности
грунтовых вод И.В. Гармонова (1948) и Г.Н.Каменского (1949),
которые учитывали главным образом распространение грунтовых
вод определенного химического состава и представление о генетических
типах грунтовых вод (основных процессах формирования
химического состава грунтовых вод). Так, И.В. Гармоновым
на территории европейской части России было выделено четыре
зоны грунтовых вод с севера на юг: I) гидрокарбонатно-кремне-
земистых вод; 2) гидрокарбонатно-кальциевых вод; 3) гидрокар-
бонатно-калыдиевых, сульфатных и хлоридных вод с подзоной
континентального засоления; 4) гидрокарбонатно-кальциевых вод
горных областей Крыма и Кавказа. Г.Н. Каменским на территории
России выделены также четыре зоны: I) фунтовые воды зоны выщелачивания;
2) зоны выщелачивания с участками вод континентального
засоления; 3) грунтовые воды зоны континентального
засоления; 4) зона выщелачивания горных районов.
На основе определенного сочетания принципов, предложенных
O.K. Ланге, И.В. Гармоновым и Г.Н. Каменским, составлена схема
зональности грунтовых вод И.К.Зайцева и М.П. Распопова (1958),
на которой выделены две провинции грунтовых вод: устойчивой
многолетней мерзлоты и отсутствия многолетней мерзлоты. В пределах
первой провинции зоны (пояса — по И.К. Зайцеву и М.П. Рас-
попову) выделены на основе типа распространения многолетне-
мерзлых пород и их мощности, в пределах второй — на основе
типа процессов формирования химического состава (выщелачивание,
вынос солей и соленакопление) с дальнейшим подразделением
по типу химического состава и величине минерализации
грунтовых вод.
На основе использования собственно геолого-гидрогеологических
принципов районирования составлена схема зональности
грунтовых вод А.Н. Семихатова и В.И. Духаниной (1958), на которой
положение границ выделенных зон определяется главным
образом распространением основных литогенетических типов
четвертичных отложений. Тип, возраст и мощность четвертичных
отложений обусловливают строение верхней части гидрогеологического
разреза, тип пород, с которыми связаны грунтовые воды,
рельеф территории, т.е. факторы, решающим образом влияющие
на условия залегания и формирования грунтовых вод.
На территории европейской части России этими авторами выделено
восемь зон грунтовых вод (рис. 7.Ю). Каждая зона характеризуется
определенными глубинами залегания, минерализацией
и химическим составом грунтовых вод.
Анализ существующих схем зональности грунтовых вод показывает,
что принципы составления этих схем до настоящего времени
разработаны еще недостаточно, и схемы зональности не дают
полного представления об особенностях условий залегания, формирования
и типах грунтовых вод. Это определяет необходимость
дальнейшей разработки проблемы формирования природной зональности
грунтовых вод, обоснования принципов составления
схем зональности, зональных характеристик видов и величин питания
и разгрузки грунтовых вод, особенностей их режима и других
Межпластовые подземные воды
Межпластовыми водоносными горизонтами называются водоносные горизонты, залегающие между двумя слабопроницаемыми пластами. В отличие от грунтового водоносногогоризонта, верхней границей которого является свободная поверхность подземных вод, межпластовые горизонты всегда имеют относительно слабопроницаемую (водоупорную) кровлю иподошву. В геологических структурах, сложенных слоистыми осадочными отложениями, межпластовые воды распространены на глубинах примерно от 10 м до 7 км и, вероятно, и на больших глубинах, предположительно до 15—20 км в глубоких платформенных структурах,сложенных осадочными породами (Предуральский прогиб. Прикаспийская впадина и др.).
В верхней части геологического разреза, выше уреза поверхностных вод основных дрен территории, проницаемый пласт, залегающий между двумя "водоупорами", может быть насыщен водойне на всю мощность. Такие водоносные горизонты называются межпластовыми безнапорными (со свободной поверхностью). В большинстве случаев проницаемый пласт полностью на всюмощность заполнен водой с избыточным пластовым давлением Р величина которого в общем случае пропорциональна глубине залегания водоносного горизонта. В верхней части гидрогеологического разреза пластовое давление примерно соответствует высоте столба воды от уровня залеганияводоносного горизонта до поверхности земли, в этом случае оно называется нормальным гидростатическим давлением. В глубоких частях разреза, как правило, при относительно надежнойизоляции элемента пластовой системы от поверхности земли и смежных водоносных горизонтов величина пластового давления может быть значительно большей и достигать значений геостатического давления.
При вскрытии межпластового водоносного горизонта буровой скважиной вода под действием избыточного (пластового) давления поднимается выше кровли водоносногогоризонта и устанавливается на определенном уровне Расстояние от кровли водоносного горизонта до установившегося уровня воды называется напором над кровлей водоносного горизонта. Линия, соединяющая (на разрезе) точки установившегося уровня напорных межпластовых вод, называется пьезометрической кривой, поверхность, до которой поднимаются уровни напорных вод, — пьезометрической поверхностью.
При увеличении пластового давления — уменьшение объема воды и увеличение объема пустот (разуплотнение при относительном уменьшении давления на скелет), формируется как бы дополнительная емкость горной породы. В соответствии с этим коэффициент упругоемкости ɳ рассматривается как параметр, характеризующий упругую емкость единичного объема горной породы. Для водоносного пласта в целом в качестве такого параметра рассматривается коэффициент упругой емкости пласта ɱ *, представляющий собой отношение изменения объема воды в единичном элементе пласта к изменению напора (давления): ɱ *= dV/d H=m ɳ
Условия формирования, динамика и режим межпластовых вод определяются главным образом глубиной залегания водоносного горизонта и характером связи со смежными гидрогеологическимиэлементами разреза. В некоторой степени условно могут быть выделены три основныесхемы формирования потока межпластовых подземных вод:
I) "артезианская", 2) схема с перетеканием (схема А.Н. Мятиева), 3) схема с формированием элизионного режима межпластовых вод.
"Артезианская" схема движения межпластовых вод формируется на участках с наклонным залеганием слоев главным образом в верхней части геологического разреза. Выходы водоносных пластов на поверхность на возвышенных участках территории (центральные части междуречных пространств, предгорные возвышенности и др.) являются в этом случае гидравлически открытыми областями питания межпластовых вод.
Разгрузка межпластовых вод происходит в понижениях рельефа или в виде "открытой" разгрузкипри непосредственном вскрытии межпластового горизонта эрозионными врезами или перетеканием через перекрывающие слабопроницаемые породы и по "гидрогеологическимокнам"
Схема "элизионного" движения межпластовых вод формируется в тех случаях, когда баланс элемента межпластовой системы определяется главным образом поступлением поровых растворов, отжимающихся из уплотняющихся осадочных горных пород или воды, формирующейся при дегидратации породообразующих минералов.
Вопрос № 4. Трещинные и трещинно-карстовые подземные воды.
Трещинные и трещинно-карстовые подземные воды выделены в самостоятельные типы на основе различия генезиса и структуры свободного пространства в минеральном скелете. Иногда они рассматриваются как единый трещинно-жильный тип скоплений подземных вод в отличие от пластовых, характерных для рыхлых и слабосцементированных пород.
Тип водовмещающих пород определяет в этом случае существенные различия пространственного распределения фильтрационных и емкостных параметров гидрогеологического разреза, и, следовательно, различные закономерности распространения и формирования подземных вод (условия залегания, распределение величин питания и разгрузки, взаимодействие с поверхностными водами, формирование химического состава).
Трещинные воды.
Трещинные подземные воды являются основным типом свободных (гравитационных) вод в изверженных, метаморфических, сильно литифицированных осадочных и вулканогенных породах, фильтрационные и емкостные свойства которых определяются развитием трещиноватости (трещин) различных генетических типов.
В зависимости от интенсивности трещиноватости, раскрытия трещин, наличия и отсутствия заполнителя (вторичные минералы, или рыхлый материал) проницаемость трещиноватых пород (даже одного сотсава) может изменяться практически от 0 до n*102м/сут. Гравитационная емкость трещиноватых пород в отличие от поровых сред всегда является более низкой и не превышает, как правило 1-5 %.
В качестве подтипов трещинных вод (выделенных по генезису и характеру распространения трещиноватости) обычно рассматриваются:
· Регионально распространенные трещинные преимущественно грунтовые воды верхней зоны выветривания массивов скальных пород.
· Линейно-локальные потоки трещинно-жильных вод зон тектонических нарушений
· Напорные трещинные воды локальных зон глубинной трещиноватости горных пород.
· Пластовые трещинные воды, связанные со слоистыми сильно литифицированными или метаморфизованными породами осадочного чехла платформ и горно-складчатых областей.
· Трещинные и порово-трещинные подземные воды вулканогенно-осадочных пород областей молодого вулканизма.
Основными типами, наиболее широко распространенными и относительно хорошо изученными,собственно трещинными являются подземные воды верхней зоны выветривания и трещинно-жильные воды зон тектонических нарушений.