Гидрогеология

 

 Движение физически связанных вод

 Капиллярная форма движения воды

Хотя капиллярные воды относят к свободным, их движение наряду с гравитационными силами обеспечивается дополнительно силами поверхностного натяжения, которые возника­ют под действием молекулярного притяжения жидкости к твердому телу. Давно замечено, что в тонкой стеклянной трубке, опущенной в воду, вода поднимается на некоторую высоту. Это обусловлено тем, что при смачивании водой стенок сосуда за счет сил повер­хностного натяжения поверхность воды стремится приобрести фор­му шара с образованием вогнутого мениска. Если же жидкость не смачивает стенки, которые являются гидрофобными в отличие от гидрофильных (смачивающихся), то формируется мениск выпуклой формы и соответственно уровень воды в трубке становится ниже уровня свободной воды.

В природных условиях за редким исключением породы являются гидрофильнымии, соответственно, формируется капиллярная кайма или подзона. Высота капиллярного поднятия Нк зависит от грану­лометрического состава горных пород: в мелкозернистых разностях она больше, в крупнозернистых меньше.

Явление капиллярного поднятия воды в пластах горных пород имеет большое практическое значение. Капиллярная вода может служить источником питания растений.

 Молекулярно-диффузионное движение

Молекулы газов, жидкостей и растворенных в них веществ находятся в постоянном тепловом движении. Если к системе не приложены никакие силы, то через любое ее сечение встречные потоки молекул каждого вида равны между собой. Такое движение молекул обеспечивает лишь постоянное их перемешивание, но не дает направленного потока и поэтому называется самодиффузией.

В случае приложения каких-либо сил к системе формируется молекулярный поток вещества в направлении, обратном градиенту поля. В этом случае говорят, что происходит молекулярная диф­фузия вещества, стремящаяся к его выравниванию.

Если система разделена перегородкой, непроницаемой для одного или нескольких видов молекул и проницаемой для другого (или других), то такая диффузия "с неравными возможностями" назы­вается осмосом.

Молекулярная диффузия происходит под действием градиентов концентрации, температуры, давления, электрического, магнитного, гравитационного и других полей. Однако важнейшими выступают силы гравитации, теплового и концентрационного полей.

Движение воды как геологического тела

Гидрогеология изучает воду прежде всего как геологическое тело, хотя форма последнего может меняться непрерывно. В этой связи напомним, что природным телом называется любая матери­альная вещь в природе с фиксированными пространственно-времен­ными границами. Гидрогеологическое тело, в свою очередь, является разновидностью геологического тела.

Как и в геологии в целом, границы гидрогеологических тел проводятся на разных иерархических уровнях: горизонта, комплек­са, бассейна, генетического типа воды и т.д.

Необычность гидрогеологического тела состоит в том, что оно не занимает полностью геологическое пространство, а только часть его, не занятую горной породой, минералом, включая мельчайшие пространства в пределах кристаллической решетки. Вода проника­ет во все без исключения геологические тела, пронизывает их тончайшей сетью волосных капилляров и только местами образу­ет массовые скопления, называемые бассейнами, резервуарами, ме­сторождениями.

Вместе с тем распределение воды в недрах земли во многом определяется характерам и типом горной породы, ее сложением, составом, геологической структурой региона, историей ее развития и эволюции. Поэтому издавна в гидрогеологии сформировалось представление о геологической структуре, которая характеризует "пространственное распределение подземных вод и их взаимоотношение с вмещающими породами" в недрах земли. Следовательно, геологическая структура и ее элементы выступают одной из форм проявления геологического тела воды.

Следовательно, когда мы говорим о геологическом движении воды, то имеется в виду не только и не столько движение воды через поры горных пород, сколько ее движение вместе с горной породой, т.е. ее размещение на определенной глубине, в определен­ном типе породы, форме такого размещения, взаимоотношения с породой и т.д. Если к этому добавить, что состав воды также является результатом ее геологического движения, то станет оче­видной специфическая форма этого движения воды.

Геологическое движение водных растворов — результат более общих тектонических и геолого-структурных движений, обусловлен­ных глубинными силами Земли. Оно неразрывно связано с геоло­гическим круговоротом вещества в недрах Земли и определяется такими явлениями, как движение литосферных плит, уплотнение и разуплотнение горных пород, выжимание и выдавливание воды, переход ее из связанного состояния в свободное и наоборот, гид­ратация и дегидратация пород на различных стадиях литогенеза, включая метаморфизм, химическое разложение и синтез воды и др. Ярким примером тому — движение воды в процессе ее захоронения в осадочных бассейнах.

В самом деле, в земной коре широко распространены седиментационные воды, которые занимают в основном нижние части разреза осадочных бассейнов. Возникает вопрос, каким путем и в какой форме морская вода оказалась погребенной на глубине 3-5 км и более.

Образование седиментационных вод обязано геологическому круговороту вещества, при котором вода вместе с вмещающими ее породами медленно погружается на значительные глубины по мере опускания отдельных участков земной коры, которое компенсирует­ся накоплением осадочных пород соответствующей мощности. При этом захороняются различные виды воды: конституционная, кристаллизационная, гигроскопическая, пленочная, свободная и др. По мере погружения и захоронения осадка соотношение между отдельными видами воды непрерывно меняется, один вид переходит в другой, часть ее молекул химически разлагается, часть отжимается из этой системы и т.д. Все эти процессы совершаются на фоне общего погружения осадков, которые и обеспечивают перенос воды на большие глубины в результате сил тектонической природы.

Элизионное движение воды

Элизия (выдавливание) воды из горных пород начинается с первых моментов их захоронения в седиментационном бассейне. Решающее значение при этом имеет уменьшение порового пространства отложений, происходящее с течением време­ни двумя взаимосвязанными, но различными по своей природе путями:

1) механического (консолидационного) уплотнения за счет массы вышележащих пород, либо тектонических движений;

2) физико-химической переработки горных пород водой с заполнением пор вторичным цементом.

Особенно активно вода отжимается из глинистых отложений в силу того, что они обладают двумя специфическими свойствами в начальный период седиментации:

1) чрезвычайно высокой пористо­стью, быстро сокращающейся при уплотнении,

2) наличием минералов с большим количеством кристаллизационной и конституци­онной, воды, способной переходить в свободное состояние, начиная с определенного термобарического уровня.

Пористость только что отложившихся глинистых осадков состав­ляет 70-90%. Начальная пористость песков 30-50%. Темп сокраще­ния пористости уплотняющегося глинистого ила существенно зави­сит от глубины седиментационного водоема и скорости осадконакопления.

Все сказанное показывает, что водоносные горизонты, формиру­ющиеся в процессе геологического круговорота воды, получают в основном питание не из внешних источников, что характерно для климатического круговорота, а из внутренних. Другими словами, водоносные горизонты получают питание за счет воды, выделяю­щейся из горных пород в процессе их уплотнения. Все это позво­ляет сформулировать представление о внутрипластовой области питания водоносных горизонтов осадочных бассейнов, заполнен­ных седиментационными водами.

 Движение глубинных вод

Под глубинными в данном случае понимаются генетические типы вод, сформированные на значительных глубинах в результате гео­логического и мантийно-океанического круговоротов, т.е. возрож­денные, ювенильные и талассогенные. Генезис таких вод связывают не с отжатием их из горных пород в процессе уплотнения, а с возрождением (синтезом) молекул воды в процессе метаморфизма или выделением их из остывающего расплава в процессе кристаллизации последнего. Движение этого типа вод обусловлено высокими пластовыми давлениями, приближавшимися к литостатическим, и приурочено в подавляющем большинстве случаев к зонам глубоких разломов, образующимся, вероятно, не без участия самих возрожденных или иных вод.

Динамика подземных вод в условиях глубинного гидродинами­ческого режима изучена крайне слабо в силу большой сложности этой проблемы. Сложность связана с тем, что на глубинах более 5-6 км не совсем ясными остаются термодинамические условия залегания воды. Кроме того, большая часть воды здесь находится в химически и физически связанном состоянии, определяющем особые условия движения. Поэтому важнейшей проблемой для этого типа вод является проблема их перехода из связанного в свободное состояние. По своей сути эта проблема является геохимической.

Одной из важнейших эмпирически установленных закономерно­стей движения воды в рассматриваемой зоне является ее восходя­щее движение. Об этом прежде всего свидетельствует многолетний опыт изучения гидротермальных месторождений.

Важная особенность глубинных вод состоит в том, что их, движение происходит в породах с исключительно низкой пористо­стью, которая для интрузивных и метаморфических разностей со­ставляет только 0,1-1,5% и носит межзерновой характер, т.е. обус­ловлена неплотным прилеганием слагающих породу минеральных зерен друг к другу. Элементарной ячейкой порового пространства является капиллярный канал непостоянных сечения, длины и фор­мы. Течение растворов по системе проводников весьма затруднено силами трения и возможно лишь в том случае, если извне к раствору приложено давление большее, чем сопротивление течению. Проницаемость таких пород также является весьма низкой.