Строение подземной гидросферы, гидродинамическая и гидрохимическая зональность.
Строение подземной части гидросферы, количество воды, содержащееся в горных породах, и ее фазовое состояние в более широком смысле — распределение и движение различной воды определяются термодинамическими условиями разреза земной коры, строением и историей геологического развития ее основных структурных элементов, составом и свойствами (типом) горных пород и в верхней части разреза в значительной мере рельефом и гидрографией современной поверхности, а также климатическими условиями конкретных территорий. В соответствии с существующими представлениями в гидрогеологическом разрезе земной коры сверху вниз от поверхности земли могут быть выделены: зона аэрации, криолитозона, зона насыщения (полного насыщения) и зона подземных вод в надкритическом состоянии.
Зона аэрации — представляет собой верхнюю не полностью насыщенную (ненасыщенную) водой часть разреза горных пород, мощность которой изменяется от первых сантиметров (метров) на равнинных пониженных участках территории до 200—250 м и более на интенсивно расчлененных междуречных пространствах горных районов. Верхней границей зоны аэрации является поверхность земли, нижней — поверхность (уровень) подземных вод первого водоносного горизонта.
В пределах акватории Мирового океана, а на континентах и островах под руслами рек и внутренних водоемов в том случае, если подземные воды первого водоносного горизонта имеют непосредственную гидравлическую связь с поверхностными водами, зона аэрации (неполного насыщения) отсутствует.
Криолитозонавыделяется как самостоятельный элемент подземной гидросферы в области распространения многолетнемерзлых пород (высокие широты Северного и Южного полушария, высокогорные районы). В зависимости от строения гидрогеологического разреза земной коры она обычно охватывает часть зоны аэрации и верхнюю часть зоны полного насыщения. Мощность криолитозоны в зависимости от климатических условий местности (главным образом среднегодовые температуры воздуха), геологического строения и геотемпературных условий верхней части разреза земной коры изменяется от первых метров до 1000—1500 м и более.
В условиях криолитозоны основная масса подземных вод находится в твердом состоянии (лед, газовые гидраты), а также в виде физически связанной воды, промерзание которой происходит при температурах ниже 0°С. Свободная гравитационная вода в пределах криолитозоны может быть связана только с участками распространения горных пород, находящихся в талом состоянии, или в тех случаях, когда вода в связи с повышенной минерализацией не замерзает при отрицательных температурах.
Зона полного насыщения охватывает верхнюю часть разреза земной коры от уровня первого водоносного горизонта (нижняя граница зоны аэрации) до глубин 8—20 км, на которых по существующим представлениям температура и давление водных растворов достигают критических значений.
В пределах зоны полного насыщения (в соответствии с ее названием) свободное пространство в минеральном скелете горных пород (поры, трещины, крупные пустоты) полностью заполнено свободной гравитационной водой и водой, физически связанной с поверхностью минеральных частиц горной породы, за исключением участков (слоев, зон), свободное пространство которых заполнено газом, жидкими углеводородами или пароводяной смесью.
Водой в надкритическом состоянииназываются подземные воды с температурой и давлением выше критических. Для чистой воды критическая температура равна 374°С, давление − 2,2∙104 кПа. При высоких концентрациях растворенных веществ (подземные растворы) критическая температура возрастает до 450°С. давление − до 3,5∙104 кПа. При этих условиях вода характеризуется пониженными значениями вязкости, уменьшением величины рН, повышенной электропроводностью. В связи с этим вода в надкритическом состоянии приобретает свойства активного растворителя и при наличии повышенных концентраций металлов может являться одним из факторов гидротермального рудообразования. По существующим представлениям вода в надкритическом состоянии представляет собой газово-жидкий раствор (флюид), образование которого связано с кристаллизацией магм и с процессами термо- и динамометаморфизма. При снижении давления «надкритическая» вода переходит в «нормальную» жидкость и пар (пароводяную смесь), что по существующим представлениям сопровождается увеличением ее объема в 1,5−2,0 раза.
Зона аэрации в приповерхностной части гидросферы. Увлажнение здесь непостоянное, ниже находится зона полного водонасыщения. Эта зона включает один или несколько водоносных горизонтов и несколько водоупоров.
Зона аэрации с зоной водонасыщения образует зону активного водообмена. В зоне водонасыщения происходит горизонтальная миграция к долине от водораздела по водоносному горизонту. В долинах наблюдается разгрузка в виде родников или в виде аллювиальных отложений в речных долинах. В этой зоне продолжительность цикла миграции воды от выпадения до выхода на поверхность – от одного дня до нескольких лет
За время существования горных пород (миллионы лет) цикл миграции успевает повториться миллионы раз, соответственно через породы фильтруются массы воды, более превосходящие их собственную массу.
Подвижные элементы с высоким коэффициентом водной миграции (щелочные металлы, галогены) выносятся из пород практически полностью и в породах их почти не остаётся. Преобладающими ионами становятся менее подвижные, которые из пород не выщелачиваются (Ca2+, Mg2+, HCO3 -). Характерными являются гидрокарбонатно-кальциевые воды, и гидрокарбонатно-магниевые. Невысокая растворимость у ионов, суммарная минерализацияневысокая, не более 0,5 г/л.
Нижняя граница зоны активного водообмена определяется возможностью выхода воды на поверхность. Определяется она отметками урезов рек до подошвы аллювиальных отложений. Мощность – от отметок водоразделов до днищ долин и ниже. В равновесных условиях мощность зоны активного водообмена составляет не более 100-150 м.
Под воздействием естественных причин и деятельности человека мощность может сокращаться и не превышает первых десятков метров.
Под долинами располагаются зоны повышенной проницаемости пород, в которых поток вод является более минерализованным.
Ниже располагается зона затруднённого водообмена. Вода может выходить на поверхность в других местах. Питание всё равно достаточно активное, а напоры значительно выше. Циклы водообмена продолжительные – десятки и сотни лет. Соответственно за время существования пород количество повторившихся циклов меньше. Продолжительность контактов с породами выше. Химический состав другой, преобладают ионы SO4-. Соответственно минерализация возрастает до нескольких г/л, а воды называются солоноватыми, иногда до 10 г/л – солёные. Для питьевых целей они не пригодны, но некоторые разновидность используются в лечебных целях.
Ещё ниже на глубинах в сотни метров располагается зона весьма затруднённого водообмена. Минерализация здесь сотни г/л из-за наличия ионов Na+ и Cl-, так что воды называются хлоридно-натриевыми, а по степени насыщения – рассолами. Количество рассолов выше, чем количество пресной воды.
Гидродинамическая зональность подземных вод. В связи с установлением фактов аномально высоких пластовых давлений в подземной гидросфере изменилось представление о природе и характере гидродинамической зональности земной коры. Бытовавшее ранее мнение о гидродинамических зонах, как зонах разной интенсивности водообмена с единой природой гидростатических давлений, сменилось представлением о разной природе последних. В соответствии с гидродинамической зональностью в недрах земли выделяются и разные типы гидродинамического режима подземных вод, под которым следует понимать характер движения воды, обусловленный величиной пластовых давлений и степенью.Обычно выделяют три типа гидродинамического режима.
1. Режим инфилыпрационного типа, в пределах которого движение подземных вод происходит вследствие разности напоров в зоне современной инфильтрации и зоне разгрузки. Пластовое давление подземных вод равно гидростатическому. При благоприятных условиях режим этого типа может существовать до глубины 5 – 6 км (рис. 4.2). В этом случае важно только, чтобы была единая гидравлическая система и область питания превышала область разгрузки. 2. Режим элизионного (выжимающего) типа. Движение вод происходит вследствие их выжимания из пород, уплотняющихся под действием геостатического давления или возникающих тектонических напряжений. Этот тип режима наблюдается обычно на глубинах, превышающих 1000 м. Пластовое давление, как правило, выше гидростатического, но значительно ниже литостатического. 3. Режим глубинного типа характерен для водонапорных систем, залегающих в глубоких частях подземной гидросферы. Основными причинам и движения вод в зоне действия этого режима является воздействие на них геостатического и тектонического давлений. Такое воздействие возможно лишь в условиях существенной изоляции глубинных водонапорных систем, ибо при наличии хорошего оттока жидкости внешнее давление воспринимается преимущественно скелетом породы. Пластовое давление может достигать значений геостатического давления и даже его превышать.