Гидрогеология

 

 Движение воды как физического тела

Свободная вода, когда она не связана никакими силами с гор­ными породами, ведет себя как самостоятельное физическое тело, подчиняясь только законам гравитационного, теплового, геофизи­ческого полей. Главным в этом случае выступает гравитационное поле, под действием сил которого вода стремится занимать наиболее низкое положение на Земле или в ее недрах. Если бы вся вода когда-либо смогла занять наиболее низкое положение на Земле, ее движение как физического тела полностью прекратилось. Но этого не происходит благодаря развитой на Земле системе кругооборотов.

В тепловом поле Земли вода меняет свое фазовое состояние и соответственно законы движения. Пар движется преимущественно от участков большего давления и температуры к участкам меньшего их значения. Лед может перемещаться как обычное твердое тело, но применительно к зоне криогенеза движется сложным спо­собом, постоянно меняя фазовые состояния даже при отрицатель­ных температурах.

Движение жидкой воды, которое мы рассмотрим более подроб­но, происходит в результате передачи гидростатического давления от участков более высокого напора к участкам его более низких значений. Поэтому прежде чем переходить к рассмотрению вопроса о движении жидкой воды необходимо разобраться с характером пластовых давлений, формирующихся в водоносном горизонте.

Пластовое давление в водоносных горизонтах

Свободная вода в водоносном пласте, если она его заполнила после образования самой породы, т.е. в процессе климатического круговорота, располагается между частицами отдельных минералов и поэтому непосредственно не подвержена давлению горной породы, а находится под влиянием только гидростатического давления, т.е. веса вышележащего столба воды.

Накопленные к настоящему времени опытные данные действи­тельно подтверждают, что в водоносных горизонтах верхней гид­родинамической зоны пластовые давления совпадают с расчетными; т.е. равны гидростатическим. Иначе и не должно быть, так как в природе нет сил, которые заставили бы воду мигрировать в зону давлений, превышающих ее собственную массу.

Углубление скважин в нефтегазоносных районах и более точные замеры пластовых давлений, т.е, давлений, наблюдаемых в реаль­ном пласте, показали, что начиная с глубины первых километров пластовые давления в водоносных горизонтах становятся выше расчетных гидростатических в 1,3-1,6 раза. Такие давления стали называть аномально высокими. В ряде случаев аномальное давление достигает значений геостатического или литостатического л), создаваемого весом вышележащих пород.

Все это позволяет в разрезе земной коры выделить три гидродинамичес­кие зоны, различающиеся характером пластовых давлений.

1. Зону гидростатических пластовых давлений, распространяю­щуюся до глубины 2-3 км, с преобладанием нисходящего и гори­зонтального движения подземных вод инфильтрационного генезиса.

2. Зону переходных между гидростатическим и литостатичес­ким пластовых давлений, нижняя граница которой может достигать 7 км. В пределах этой зоны распространены в основном седиментационные воды.

3. Зону литостатических давлений, в пре­делах которой содержатся в основном физически связанные воды и редко свободные. Во второй и третьей зонах преобладают вос­ходящие потоки подземных вод.

Гидродинамическая зональность земных недр

В связи с установлением фактов аномально высоких пластовых давлений в подземной гидросфере изменилось представление о природе и характере гидродинамической зональности земной коры. Началась разработка новых схем гидродинамической зональности земных недр.

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 гидродинамической закрытости водоносных систем. Обычно выде­ляют три типа гидродинамического режима:

1. Режим инфильтрационного 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. 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 причинами 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.

Таким образом, в настоящее время в земной коре выделяются несколько резко отличающихся по характеру пластовых давлений типов гидродинамического режима. В пределах каждого из этих типов режима законы движения подземных вод носят различный характер. В настоящее время наиболее изученным в этом отношении является инфильтрационный тип режима, в пределах которого выделяется два подтипа: режим грунтовых (безнапорных) вод и режим артезианских (напорных) вод. Однако прежде чем перехо­дить к этому вопросу необходимо хотя бы кратко познакомиться с основными элементами фильтрационного потока.