Широкое осуществление глубокого поискового и разведочного бурения на нефть и газ определило необходимость развития гидрогеологических исследований, связанных с изучением глубоких водоносных горизонтов, прежде всего платформенных структур. Крупный вклад в развитие этого направления внесли советские ученые Г.В. Богомолов, М.А. Гатальский, Н.К. Игнатович, А.А. Карцев, В.А. Кротова, Б.Ф. Маврицкий, Е.В. Пиннекер, А.И. Силин-Бекчурин, С.Н. Смирнов, В.А. Сулин, А.Е. Ходьков, С.А. Шагаянц.

1.2 Зона аэрации

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 [5, 6].

Обобщенный гидрогеологический разрез земной коры, характеризующий условия залегания подземных вод и принципиальную схему их движения, приведен на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальный гидрогеологический разрез земной коры:

1 - осадочные породы земной коры; 2 - гранитный и базальтовый слой земной коры; 3 - верхняя мантия; 4 - зоны глубоких тектонических разломов; 5 - зона аэрации (вне масштаба); 6 - криолитозона; 7 - зона полного насыщения; 8 - зона подземных вод в надкритическом состоянии; 9 - нижняя граница зоны аэрации; 10 - подошва осадочных пород; 11 - нижняя граница зоны полного насыщения; 12 - граница Мохоровичича; 13 - направления движения «местных» потоков подземных вод; 14 - региональных потоков; 15 - глубинных субвертикальных потоков; 16 - возможное поступление ювенильных растворов; 17 - инфильтрационное питание; 18 - испарение грунтовых вод; 19 - захоронение морской воды с осадками и отжатие поровых вод

В соответствии с существующими представлениями (О. Мейнцер, Е.В. Пиннекер, Ф.П. Саваренский, А.М. Свешников и др.) в гидрогеологическом разрезе земной коры сверху вниз от поверхности земли могут быть выделены: зона аэрации, криолитозона, зона насыщения и зона подземных вод в надкритическом состоянии [1,6].

Понятие «зоны аэрации» было введено американским гидрогеологом О. Мейнцером (1933г.) и представляет собой верхнюю не полностью насыщенную (ненасыщенную) водой часть разреза горных пород, мощность которой изменяется от первых сантиметров (метров) на равнинных участках территории до 200-250 м и более на интенсивно расчлененных междуречных пространствах горных районов. Верхней границей зоны аэрации является поверхность земли, нижней - уровень подземных вод первого водоносного горизонта.

Рис. 2 Схема залегания типов подземных вод зоны аэрации:

1 - породы зоны аэрации, 2 - грунтового водоносного горизонта,

3 - слабопроницаемые породы, 4 - почвенный слой,

5 - уровень грунтовых вод и капиллярная кайма, 6 - верховодка

По М.П. Толстому определение зоны аэрации можно сформулировать так - это поверхностный пояс в разрезе земной коры, находящий на стыке атмо-, гидро- и литосфер, лежащий выше постоянного уровня подземных вод.

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 гидравлическаю связь с поверхностными водами, зона аэрации (неполного насыщения) отсутствует [2, 4, 6].

1.3 Криолитозона

Территория, на которой распространены многолетнемерзлые породы, называется криолитозона ( от греч. «криос» ? холод, «литос» ? камень, порода). Криолитозона состоит из мерзлых, морозных и охлажденных пород.

1) мерзлые породы содержат в своем составе лед,

2) морозные ? породы с t < 0 ?С, в которых отсутствуют лед и вода ( это чаще магматические и метаморфические породы и их разновидности),

3) охлажденные породы имеют t ниже 0 ?С и насыщены солеными водами.

Данная зона выделяется 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 [5, 6, 7].

Рис. 3 Схема залегания различных по отношению к многолетнемерзлым породам типов подземных вод:

А - надмерзлотные воды сезонно-талого слоя; Б - воды сквозного дождевально-радиационного талика; В - надмерзлотные воды подозерного несквозного талика; Г - воды сквозного подруслового талика; Е - межмерзлотные воды; Ж - подмерзлотные воды неконтактирующие безнапорные; З - подмерзлотные воды неконтактирующие напорные; И - подмерзлотные воды контактирующие напорные; К - надмерзлотные воды несквозного дождевально-радиационного талика; 1 - изверженные трещиноватые породы; 2 - щебень и дресва; 3 - суглинки; 4 - пески, галечники; 5 - многолетнемерзлые породы и их граница; 6 - обводненность пород состояния (а), периодическая (б); 7 - направление движения подземных вод; 8 - подошва сезонно-талого слоя (б) и сезонно-мерзлого слоя (а); 9 - скважины, стрелкой показана глубина появления и установившийся уровень подземных вод

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 (Романовский, 1983; Ершов, 2002; и др.).

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 [1, 3, 5].

1.4 Зона полного насыщения

Эта зона 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, свободное пространство которых заполнено газом, жидкими углеводородами или пароводяной смесью [1, 3, 4].

Положение нижней границы зоны полного насыщения обосновывается в настоящее время только исходя из представлений о термодинамических условиях разреза земной коры и фазово-агрегатном состоянии воды при высоких давлениях и температурах, поскольку эта граница пока не вскрыта буровыми скважинами.

Материалы Кольской сверхглубокой скважины свидетельствуют о том, что на глубинах до 12 км существуют условия, характерные для зоны полного насыщения. В то же время в связи с наличием представлений о надкритическом состоянии воды в магматических расплавах можно предполагать, что в областях современного вулканизма нижняя граница зоны полного насыщения может располагаться на значительно меньших глубинах (Пиннекер, 1983).

По имеющимся данным в ряде районов современного вулканизма парогидротермы с температурами, близкими к критическим значениям (до 300°С и более), вскрыты буровыми скважинами на глубинах 1500-2000 м (Мексика, Сьерра-Прието, скважина глубиной 1500 м, температура воды 388°С).

1.5 Зона подземных вод в надкритическом состоянии

Нижняя часть разреза земной коры до границы с верхней мантией рассматривается в настоящее время как зона, содержащая подземные воды в надкритическом состоянии. Мощность этой зоны в пределах континентов достигает, вероятно, 20-30 км и более (Всеволожский, 2007).

Водой в надкритическом состоянии называются 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 (Крайнов, 2004).

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 (Всеволожский, 1980).

Движение подземных вод в земной коре является составной частью общего круговорота воды на планете. В то же время с геологических позиций движение воды в земных недрах, включающее простые (механическая, физическая, химическая) и сложные формы движения (биологическая, техногенная), переходы воды из одного фазово-агрегатного состояния в другое и процессы взаимодействия воды с горными породами, рассматривается в настоящее время в качестве важнейшей составляющей геологической формы движения материи [1, 3, 4].

В качестве основных видов единой геологической формы движения материи применительно к движению собственно подземных вод обычно рассматриваются два основных вида круговорота воды в земной коре ? гидрогеологический и геологический (рис. 4).

Рис. 4 Взаимосвязь гидрогеологического и геологического круговоротов воды в земных недрах (по Е.В. Пиннекеру, 1980)

2. Геологическая деятельность подземных вод

2.1 Разрушительная деятельность

В противоположность водам поверхностным подземные воды очень активны в гидрохимическом отношении, т.е. являются сильными растворителями различных горных пород и минералов. Одновременно с процессами разрушения огромных толщ пород, возникновением пустот, миграцией и выносом солей происходит и созидательный процесс - образование новых минеральных агрегатов; из-за испарения водных растворов возникает засоление почв, в областях, избыточно увлажненных, происходит заболачивание - возникают торфяники (Толстой, 1976).

Страницы: 1, 2, 3, 4