Четвертый семестр / Четвертый семестр / Гидрогеология / Шварцев С.Л. Общая гидрогеология

ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. Назовите источники энергии, определяющие круговорот воды вземной

коре.

2.Почему не исчезаю т реки на Земле? Почему вода рек не проса чивается в недра Зем ли?

3.Расскажите о значении климатическо го круго воро та в жизни лю дей.

4.Что означаю т во зобновляемые ресурсы во ды?

5.Рассчитайте во дный баланс района, где Вы живете или жили.

6.Чем отличаются естественные ресурсы воды от естественных их запасо в?

7.Почему в горах реки быстро вздуваю тся после дождя, а на рав нинах нет?

8.Расскажите, что означает понятие "водообменная система". Приведите примеры таких систем.

9.Можно ли остано вить климатический круго ворот во ды?

10.Чем о тличается гео ло гический круго воро т во ды о т климати ческого?

11.Почему на бо льших глуб инах встреч аю тся гор ные поро ды с высокой

пористостью?

12.Как о кеанич еская во да по падает в недр а З емли?

13.Каким обр азом на Зем ле по явилась во да?

14.Нарисуйте схему взаимосвязи геологического и климатического

круговоротов.

15.Приведите примеры минералов, из которых могут образоваться возрожденные во ды.

16.Объясните разницу между горячим и холо дным началом разви тия Зем ли.

17.Како в возраст гидро сферы З емли?

18.Зачем гидрогеоло гу знать о серпентинизации перидо титов?

19.Какие типы подземных вод по генезису развиты в недрах дна Мирового

океана?

20.Ско лько ювенильных во д на Зем ле?

21.Назо вите механизмы пр оникно вения мор ской во ды в недра Земли.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Богомолов Г. В. Гидрогеология с основами инженерной геологии. - М.: Высш. шко ла, 1975.

2.Виноградов А. П. Химическая э волю ция зем ли. - М.: Изд-во АН СССР,

1959.

3.Добрецов Н.Л., Кирдяшкин А. Г. Г лубинная гео динамика . – Но восиб ирск: Изд-во СО РАН, 1994.

4.Зекц ер И.С , Джа ма лов P.M ., Месхетели А.В. По дзем ный во дообмен суши и моря: - Л.: Тидрометеоиздат, 1984.

5.Кислотные дожди/ Ю.А. Израэль, И.М. Назаров, А.Я. Прессман и др . - Л.: Г идрометеоиздат, 1983.

6.Ковалевский B.C . Мно го летние ко лебания уровней по дземных во д и

по дземно го стока. - М .: Нау ка , 1976.

102

7.Кудели н Б .И. По дземный сто к на территории СССР. - М.: Изд. ,МГУ, 1966.

8.Летников Ф.А., Жатнуев Н.С., Лашкеви ч В.В. Флюидный режим

термоградиентных систем. - Новосибирск: Наука, 1985.

9. Личков Б .Л . О значении теор ии Земли и необ хо димости ее со

здания/ /Гео гр аф , сб . Т. XV. Астр о гео ло гия. - Л .: Изд-во АН СССР, 1962. - С.

7-28.

10. Львови ч М .И. М ировые во дные ресурсы и их бу дущее . - М .: Мысль,

1974.

11.Магара Н. Уплотнение пород и миграция ф люидов. Пер. с анг. - М.: Недра, 1982.

12.Мухи н Ю.В. Про цессы у пло тнения глинистых осадко в. - М .: Недра,

1965.

16.Природные изо топы гидросферы/В. И. Ферронский, В.Т. Ду б инчу к, Б.А . По ляко в и др . - М .: Недр а , 1975 г.

17.Пущаровский Ю.М . Парадигмы в гео ло гии// Приро да . - 1995. - №1. - С .

3342 .

18.Сорохтин О.Г. Глобальная эво люция Земли. - М .: Недра, 1974.

19.Стра хов Н.М . Осно вы теор ии лито генеза . Т. 1. - М .: Изд-во АН СССР,

103

Г л а в а 4

ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ И ЗАКОНЫ ДВИЖЕНИЯ ВОДЫ В НЕДРАХ ЗЕМЛИ

В гидрогеологии довольно прочно укоренилось мнение, что основные

законы движения подземных вод составляют предмет особой научной дисциплины — динамики подземных вод, которая, в свою очередь, является частью подземной гидравлики, изучающей общие законы движения флюидов, т.е. жидких и газообразных тел, распространенных в земной коре (вода,

нефть, газ и др.). Однако с таким подходом к основам движения подземных вод трудно согласиться, ибо в лучшем случае подземная гидравлика охватывает только небольшую (капельно-жидкую) часть всего многообразия движения подземных вод и поэтому не может дать полной картины. На это обращали внимание Д.И. Гордеев, A.M. Овчинников, Г.Ю. Валуконис, А.Е. Ходьков, А.Н. Павлов и др., отметившие, что классическая гидродинамика не учитывает движение других форм воды, а также ее

изменения при движении. Согласно ее законам, вода движется, но не изменяется.

Если базироваться только на законах подземной гидравлики, невозможно объяснить причины попадания морских вод на боль шие глубины, условия и природу возникновения аномально вы соких пластовых давлений, механизм образования возрожденных вод, природу рудообразующих растворов, условия формирования рассолов и многих других типов воды. Поэтому нельзя признать правильным отождествление

основных законов движения подземных вод с фильтрацией воды в перистой среде, хотя это делается в самых авторитетных учебниках и монографиях по динамике подземных вод.

Исторически сложилось так, что ученые, наблюдая в основном климатический круговорот воды в природе, констатировали факты свободной фильтрации воды через поры горных пород и, изучая это явление, достигли в этом направлении выдающихся успехов, что выразилось в

открытии основных законов фильтрации, которые не совсем обоснованно стали приниматься за основные законы движении подземных вод [14].

Основная часть воды в земной коре перемещается в связанном состоянии вместе с частицами горных пород внутри кристаллической решетки или на ее поверхности в виде целых молекул воды или отдельных их составляющих. В определенных геологических условиях эта вода либо покидает горную породу, либо, наоборот , поглощается породой. Масштабы этих явлений весьма

104

широки. Достаточно сказать, что все седиментационные воды образовались не путем инфильтрации, а путем захоронения вместе с осадком горной породы. Поэтому наряду с фильтрацией перемещение воды вместе с осадком, т.е. вместе с геологической средой, которая вмещает эту воду, играет важнейшую роль в геологической истории земной коры.

Разнообразие форм движения подземных вод, многие из кото рых не

укладываются в рамки законов классической гидродинамики, позволило Г.Ю. Валуконису и А.Е. Ходькову предположить геологическую теорию движения подземных вод, под которой они понимают "синтетическую дисциплину, возникшую из специальных разделов геотектоники, учения о формировании месторождений полезных ископаемых, литологии, геохимии, исторической

геологии, классической подземной газогидродинамики и палеогидродинамики и изучающую основные закономерности равновесия и динамики подземных флюидов в геологически длительные промежутки времени" [18, с. 5]. Эту научную дисциплину они предлагают называть флюидогеодинам икой.

Значительно шире к проблеме движения воды в недрах Земли подходят Е.В. Пиннекер и С.Л. Шварцев, предложившие выделять в качестве самостоятельного геологическое движение воды, под которым следует понимать движение воды как геологического тела, занимающего строго

определенные объемы и положение в геологической структуре. Такое движение часто происходит вместе с горными породами, т.е. движется не флюид через поры горной породы, а целая геологическая система вместе с заключенными в ней разнообразными по структуре и составу водами.

Следовательно, необходимо различать движение воды, во-первых, как самостоятельного физического тела в разных фазовых состояниях (жидком, газообразном, твердом), во-вторых, как тела, физически или химически

связанного с горными породами, под влиянием которых движение воды приобретает новые формы и, в-третьих, как геологического тела.

Как видим, формы движения воды в недрах Земли разнообразны. Вместе с тем было бы неправильно за многообразием движения не видеть единства взаимосвязи и взаимообусловленности его форм. Совершенно очевидно, что, например, связанные воды, становясь свободными, строго закономерно меняют характер своего движения. То же самое происходит при пе реходе жидкой фазы в пар, гигроскопической воды в пленочную и

т.д. Поэтому целесообразно говорить о единой геологической форме движения воды в земных недрах как о важнейшей составляющей геологической формы движения материи, обоснованной академиком Б.М. Кедровым.

105

4.1. ДВИЖЕНИЕ ВОДЫ КАК ФИЗИЧЕСКОГО ТЕЛА

Свободная вода, когда она не связана никакими силами с гор ными 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 [21]. Лед может перемещаться как обычное твердое тело, но применительно к зоне криогенеза движется сложным способом, постоянно меняя фазовые состояния даже при отрицательных температурах [19].

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.

4.1.1. 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. Гидростатическое давление Рг определяется по формуле

где ρв — плотность воды; Н — глубина залегания измеряемой точки от уровня первого от поверхности земли водоносного горизонта. В этом случае Рг измеряется в кг/см2 или атмосферах, поскольку давление 1 кг/см2

примерно соответствует 1 атм, или 104 Па.

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.

106

В течение долгого времени к гидродинамике земной коры и подходили с позиций существования в подземных водах только гидростатических давлений. Классические работы Б.Л. Личкова, Ф.А. Макаренко, Н.К. Игнатовича, З.А.Макеева, Г.Н. Каменского и многих других, в которых

обосновывается выделение двух или трех гидродинамических зон — активного, затрудненного и застойного водного режимов — базировались на учете

соотношения областей питания и разгрузки, влияния рельефа, местного и регионального базисов эрозии, имея в виду гидростатическую природу напоров.

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 (Рл ), создаваемого весом вышележащих пород. Последнее соответственно определяется по формуле

где ρп — плотность породы; Н—глубина залегания горных пород.

Так как плотность осадочных горных пород в среднем составляет 2,3 г/см 3 , а плотность даже соленой воды не превышает 1,4 г/см3, геостатическое давление на одних и тех же глубинах больше гидростатического в 2,0-2,5 раза.

Аномально высокие пластовые давления установлены при бурении глубоких нефтяных скважин в районах с большой мощностью сравнительно

молодых (кайнозойских и мезозойских) неметаморфи-зованных осадочных отложений, располагающихся вдоль альпийских геосинклиналей,

характеризующихся активной тектонической жизнью, наличием грязевого вулканизма и других тектонических явлений. В отдельных случаях, например в районах Предкавказья [8], на Туранской плите и других бассейнах [5] аномальные давления установлены на глубинах от 0,5 км.

Причины указанных высоких давлений вызвали споры среди исследователей. Поэтому существует несколько точек зрения, объясняющих природу этих аномалий [10]. Одной из наиболее распространенных гипотез, объясняющих указанное явление, является литификационная гипотеза. Сущность этой гипотезы, наиболее полно развитой Ю.В. Мухиным, А.Е. Ходьковым, Г.Ю. Валукони-сом, И.Г. Кисейным, Ю.А. Ежовым, Ю.П. Вдовиным и др., заключается в том, что уплотнение глинистых осадков, происходящее под влиянием массы вышележащих пород, а также в процессе их диагенеза и катагенеза, обусловливающих отжатие седиментацион-ной

свободной, полусвязанной и связанной воды, приводит к созданию избыточного давления, которое благодаря плохой проницаемости глинистых

и эвапоритовых осадков, сохраняется в течение

107

геологически длительного времени. Основным возражением против этой гипотезы является то обстоятельство, что наиболее интенсивное уплотнение глинистых осадков происходит на глубинах нескольких сот метров от дневной поверхности, тогда как аномальные пластовые давления наблюдаются

обычно на больших глубинах, достигающих 5-7 км. Однако это возражение не правомочно и легко снимается, если учесть, что на больших

глубинах отжимается не свободная, а связанная вода в условиях резко уменьшающейся проницаемости и гидравлической изолированности горных пород. Связанная вода относительно свободной для своего выделения требует больших давлений, а высокая гидравлическая изолированность пород способствует сохранению этих давлений в течение довольно длительного даже геологически времени.

Другие предложенные гипотезы для объяснения аномально высокого пластового давления привлекают такие природные явления, как восходящая миграция флюидов через глинистые, эвапори-товые и другие толщи под воздействием сжимающих неотектонических сил (К.А. Аникиев), выжимание растворов из горных пород под воздействием геостатических и тектонических сил, в результате которых происходит растворение зерен скелета минералов или це ментация пор выпадающими из раствора

минералами (И.Г. Киссин), поступление в чехол осадочных пород глубинных флюидов, выделяющихся в процессе дифференциации и дегазации вещества

мантии Земли (П.Н. Кропоткин, Б.М. Валяев), создание гидродинамических напоров в областях с высокими гипсометрическими отметками (М.Ф. Мирчинк, Б.С. Воробьев) и др. Все эти гипотезы, однако, вызывают различные возражения и не пользуются признанием.

Литификационная гипотеза учитывает, что вода в недра земли попадает в результате геологического круговорота и вытесняется из горных пород все более усиливающимся с глубиной литостатическим давлением. Поэтому она наиболее полно укладывается в схему геологического движения воды на значительных глубинах и является, на наш взгляд, бесспорной.

Лучшим доказательством реальности литификационной гипотезы является тот факт, что аномально высокие пластовые давления обычно связаны с молодыми мезо-кайнозойскими образованиями, содержащими большое количество глин, затрудняющих свободное перемещение воды не только по

вертикали, но и по горизонтали. Совершенно естественно, что после того, когда ранее увеличивающаяся литостатическая нагрузка стабилизируется, в

течение некоторого времени аномальное давление будет сохраняться, но абсолютное его значение должно уменьшаться в силу неполной изолированности реальных природных обстановок.

Находящиеся под высоким пластовым давлением жидкость или газ будут стремиться освободиться от избыточного давления. И это их стремление может быть реализовано в течение определенного геологического времени. Дело в том , что аномальные давления

108

наблюдаются в породах, которые не полностью уплотнены и консолидированы. А если это так, то с течением времени уплотнение пород будет возрастать, что в условиях отсутствия внешней нагрузки должно приводить к увеличению их пористости, а значит и снятию определенной

части литостатического давления. Так, в условиях значительных, глубин при определенном сочетании геологических факторов могут возникнуть горные

породы повышенной пористости, и это подтверждается данными глубокого бурения, включая сверхглубокую Кольскую скважину [11].

Нельзя не учитывать и возможность того, что с течением времени вода может покинуть систему с аномально пластовым давлением. Ведь высокое давление обеспечивает мгновенное заполнение каждой вновь возникающей даже малейшей трещинки, пустоты, каверны. Поэтому постепенно по мере консолидации и уплотнения пород и связанного с этим образования трещин должно наблюдаться как бы растекание воды от мест с большим давлением к местам с меньшим их значением, что будет приводить к выравниванию, а значит и уменьшению давления (с учетом частичной миграции воды из системы аномального давления). Как показывают фактические данные по замерам реальных пластовых давлений, последние на той или иной глубине начинают приближаться к литостатическим (рис. 4.1). 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 гра ница которой может

Рис. 4.1. Общая схе ма вертикальной

гидродинамической зональности земной

гидростатического и литостатического давлений

109

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.

По имеющимся данным нижняя граница переходных давлений зависит от

возраста и характера геологических структур и колеблется в следующих пределах: в областях альпийской складчатости 2-3 км, в областях

герцинской складчатости 3-4 км и в областях байкальской и рифейской

складчатости составляет около 7 км, т.е. в течение геологического развития земной коры зона переходных пластовых давлений закономерно погружается,

а мощность верхней зоны — возрастает.

Возможно ли наличие пластовых давлений в водоносных горизонтах, превышающих значение литостатических давлений? На этот вопрос следует

ответить положительно. Такое возможно в областях, где горные породы

испытывают дополнительное давление за счет, например, внедрения магмы, давление которой превышает литостатическое, или, например, в зоне

погружения литосферных плит одна под другую (зона Беньофа — Заварицкого), в областях вулканической деятельности и т.д.

4.1.2. Гидродина мическая зона льность зе мных недр

Всвязи с установлением фактов аномально высоких пластовых давлений

вподземной 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. Началась разработка новых схем гидродинамической зональности земных недр. Этим вопросом занимались Ю.В. Мухин, А.Е. Ходь-ков, Г.Ю. Валуконис, Л.Г. Заварзин, Ю.А. Ежов, Ю.П. Вдовин, И.Г. Киссин и др.

Сопоставление схем гидродинамической зональности, предложенной различными авторами, приведено в табл. 4.1. Анализ этой таблицы показывает, что большинство исследователей под различными названиями выделяют три близких по сути гидродинамических зоны, различающихся характерами пластовых давлений и движением подземных вод. Более удачными нам представляются названия зон, предложенные Ю.А. Ежовым и Ю.П. Вдовиным, так как они отражают природу формирующихся в этих зонах напоров. Поэтому в дальнейшем мы и будем придерживаться этой терминологии.

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

110