Гидрогеология

 

Артезианские воды

Артезианскими называют все подземные воды, кроме первого от поверхности водоносного горизонта, залегающие между водоупорными слоями и имеющие напор. Такие воды встречаются в основном в дочетвертичных отложениях, образующих крупные геологические структуры как на платформах, так и в горно-складчатых областях.

Для артезианских вод характерны следующие особенности:

1. они относятся к межпластовым водам, поскольку сверху и снизу изолированы водоупорами;

2. при вскрытии уровень этих вод устанавливается выше кровли содержащего их горизонта, а иногда и выше поверхности земли (скважины на таких участках фонтани­руют);

3. распространены в большом интервале глубин от несколь­ких десятков метров до 15 км;

4. они в значительно меньшей степени, чем грунтовые, подвержены воздействию экзогенных факторов и обладают относительно стабильным режимом;

5. им свойствен упругий характер фильтрации, что связано с проявлением упругих свойств воды и самого пласта при изменении давления в недрах;

6. сложная и обычно затрудненная взаимосвязь межплас­товых вод, преимущественно вертикальное (сверху вниз) их перетекание на периферии структур и снизу вверх в областях наиболь­шего прогибания фундамента или низких абсолютных отметок зем­ной поверхности.

Артезианские воды обычно занимают геологические структуры отрицательной формы: синеклизы, впадины, мульды, краевые и межгорные прогибы, грабены и т.д. В течение долгого времени считали, что артезианские воды формируются за счет внешней об­ласти питания, расположенной в местах выхода водоносного гори­зонта на дневную поверхность, а движение воды происходит под влиянием разности напоров в областях питания и разгрузки водо­носных горизонтов. В этом случае пластовое давле­ние не может превышать гидростатическое, а гидродинамический режим остается на всем протяжении бассейна инфильтрационным.

Однако по мере накопления новых данных, выяснилось, что такое представление верно только для части артезианских бассейнов небольшого размера, рас­положенных преимущественно в предгорных или горных областях.

Для большинства же артезианских бассейнов платформенного типа такое представление далеко от действительности и требует пересмот­ра. Это связано с тем, что большинство артезианских бассейнов на платформах и особенно крупные из них всегда содержат седиментационные воды, характеризуются наличием аномально высоких пластовых давлений, элиэионным типом гидродинамического режима и т.д. Значительная часть воды таких бассейнов сформирована не путем инфильтрации в процессе климатического круговорота, а захоронена в результате геологического круговорота. Последний же по многим гидродинамическим, генетическим, гидрогеохимическим параметрам принципиально отличается от первого. Все это требует разделения артезианских бассейнов на два типа:

инфильтрационные и элизионные.

Артезианские бассейны инфильтрационного типа заполнены водой только метеорного генезиса. Имен­но для артезианских бассейнов такого типа выделяют три области:

- инфильтрационного питания (внешняя и внутренняя);

- напора

- разгрузки.

В этом случае движение воды происходит под влиянием разности напоров в областях питания и разгрузки, пла­стовое давление в любой части бассейна остается по своей природе гидростатическим. Размеры областей питания и разгрузки являются относительно области напора незначительными, хотя первые и рас­полагаются часто в горной (внешней) части бассейна, а также в междуречных пространствах, локальных возвышенностях, мелких хребтах, гривах и т.д.

Область распространения напора (стока) находится внутри ос­новной площади артезианского бассейна. В ее пределах водоносным горизонтам (комплексам) свойственны напорные уровни, которые принято именовать пьезометрическими. Расстояние по вертикали от кровли водоносного горизонта до пьезометрического комплекса называется напором подземных вод. Напор характеризует запас потенциальной энергии воды.

Область разгрузки артезианских вод располагается на более низких абсолютных отметках по сравнению с областью питания. Область разгрузки представляет собой, как правило, совокупность открытых и скрытых очагов (разгрузка в рыхлые четвертичные отложения, русла рек, на дне морей). В зависимости от гипсометрического положения областей пита­ния и разгрузки, а также их местонахождения в пределах артези­анского бассейна интенсивность подземного стока бывает самой разнообразной. Очень часто встречаются артезианские бассейны с замедленным водообменом в погруженных частях, когда области питания имеют примерно одинаковое высотное положение, а видимые области разгрузки отсутствуют.

Иногда разгрузка подземных вод происходит по тектонически ослабленным зонам, а также через слабопроницаемые или водоупорные (при значительной разности напоров) породы кровли на всей площади их распространения.

Артезианские бассейны элизионного типа формируются на уча­стках прогибания земной коры и заполнения их осадочным материалом в процессе геологического круговорота. Изначально такие бассейны заняты солеными морскими водами, которые погружаются (захороняются) в недра земли вместе с горными породами. В этом случае напор и движение вод возникают не за счет превышения области питания над областью разгрузки, а под влиянием нарастающего веса вышележащих пород и дополнительно тектонических напряжений. В этих условиях происходит отжим связанных глинами вод и перенос их в водоносные горизонты, регулярное перераспределение напоров, возникновение аномально высоких пластовых давлений.

Бассейн не получает воду из внешних или внутренних областей питания. Источником ее служат водовмещающие горные породы, которые при уплотнении и уменьшении пористости выдавливают воду, ранее захваченную из морского бассейна. Интенсивность такого элизионного отжатия воды с глубиной зату­хает, но в тех или иных размерах продолжается на всех этапах захоронения горных пород. Эти процессы протекают в течение десятков и даже сотен миллионов лет. Наряду с физически связан­ными глины отдают и химически связанные воды, так как в бассейне происходит глубокая трансформация минерального веще­ства на всех стадиях литогенеза.

Из сказанного вытекает важный вывод о том, что артезианские бассейны элизионного типа отличаются наряду с другими призна­ками наличием принципиально иной, отличной от уже упоминавших­ся выше внешней и внутренней областью питания. Эту область мы предлагаем называть внутрипластовой. Последняя, следовательно, представляет собой систему пластов горных пород, отдающих раз­личные виды воды, изначально захваченной в бассейне седимента­ции, в процессе их уплотнения под действием массы вышележащих пород или возникающих тектонических напряжений. Отжатие воды из пород происходит на всех стадиях литогенеза (диагенеза, катагенеза и даже метагенеза).

Внутрипластовая область питания располагается в самом артези­анском бассейне, в его внутренней (захороненной) части и почти полностью может совпадать с областью распространения напора и соответственно стока. Более того, внутрипластовая область пита­ния гипсометрически располагается ниже области разгрузки, т.е. картина оказывается как раз обратной той, которая обязательна "для классического артезианского бассейна. При этом чем более мощными являются слои водоупорных пород (глин), тем больше при прочих равных условиях отжимается воды и соответ­ственно выше напор. Особенно велик напор в центральной, наибо­лее погруженной части бассейна, которая испытывает наибольшее прогибание и аккумулирует больше осадочных пород.

Водоносные горизонты не получают никакого количества дополнительной воды, кроме той, которая от­жимается из горных пород. Отсюда гидродинамика бассейна опреде­ляется только элизионным типом режима.

Артезианские бассейны инфильтрационно-элизионного типа. Сразу после отступления моря в водоносные горизонты, заполнен­ные морской водой, устремляются инфильтрационные воды, т.е. начинается процесс вытеснения или замещения седиментационных вод инфильтрационными — один из важнейших гидрогеологических процессов, широко развитый в артезианских бассейнах. Процесс замещения начинается с самых верхних горизонтов и областей их питания. Постепенно этот процесс захватывает все более и более глубокие горизонты и новые площади. В конце концов за геоло­гически достаточное время все седиментационные воды из бассейна могут быть вытеснены инфильтрационными. Соответственно артези­анский бассейн перейдет из типа элизнонного, который он представ­лял изначально, в инфильтрационный.

Большая часть современных артезианских бассейнов на плат­формах и некоторая часть в горно-складчатых областях находят­ся на той или иной стадии вытеснения соленых вод пресными. Поэтому они относятся к инфильтрационно-элизионному типу.

Основные факторы, контролирующие скорость и объемы замещения одних вод другими:

1. Возраст бассейна. Чем более древним в геологическом смысле является бассейн, тем при прочих равных условиях он будет более промыт, т.е. в большей мере и на большую глубину заполнен инфильтрационными водами.

2. Размер бассейна. При одинаковом возрасте бассейны неболь­ших по размеру и мощности отложений будут промыты значительно быстрее, чем бассейны больших по размеру и глубине заложения.

3. Геологическое строение бассейна. Наличие выдержанных по простиранию хорошо проницаемых отложений способствует более быстрому замещению соленых вод пресными и, наоборот, литологическая неоднородность пород, их фациальная изменчивость, пре­обладание глинистых разностей способствуют сохранению седимен­тационных вод. Особенно велико значение мощных региональных водоупоров, развитых по всему бассейну. Как правило, это спо­собствует крайне застойному гидродинамическому режиму и со­хранению седиментационных вод ниже водоупора в течение сотен миллионов лет.

4. Рельеф и соотношение областей питания и разгрузки. Расчле­ненный рельеф определяет большие перепады напоров в бассейне, способствующие поддержанию интенсивного водообмена. Равнинный плоский рельеф, удаленность областей питания от областей разгруз­ки создают слабый водообмен и сохраняют в течение длительного времени седиментационные воды. Этому же способствует отсутствие в бассейне больших по размерам внутренних областей питания.

5. Мощность и интенсивность генерации воды внутрипластовой областью питания - при интенсивной элизии воды из глинистых отложений и плохой проницаемости коллекторов в бассейне созда­ются высокие напоры, включая зоны АВПД (аномально высоких пластовых давлений), которые препятствуют или сдерживают проникновение в бассейн инфильтрационных вод.

6. Климат и палеоклимат. Влажный климат, изобилующий боль­шим количеством атмосферных осадков, способствует промыванию бассейна и, наоборот, сухой с небольшим количеством осадков замедляет этот процесс. Естественно, что необходимо учитывать не только современный климат, но и климат прошлых эпох, в течение которых происходило промывание бассейна.

7. Проницаемость отложений. Кроме литологического состава проницаемость горных пород зависит от многих других факторов; наличия мерзлоты, карстовых явлений, зон тектонических нарушений, торфяной подушки, степени трещиноватости и т.д. Все это влияет на скорость замещения одного генетического типа воды другим.

Различное сочетание и многочисленность факторов определяют разную степень вытеснения седиментационных вод инфильтрационными в каждом конкретном бассейне. Как правило, верхние водо­носные горизонты промыты и заполнены инфильтрационными во­дами, а нижние сохраняют соленые седиментационные, естественно, измененные по составу в процессе длительной геологической эво­люции. Промежуточные горизонты содержат воды, смешанные в той или иной степени, т.е. инфильтрационно-седиментационные.