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

родные термы наиболее часто встречаются на склонах и кратерах действующих вулканов, углекислые и азотно-углекислые приурочены к крупным зонам разломов районов современного и раннечетвер-тичного вулканизма, метановые и азотные распространены в межгорных впадинах,

предгорных прогибах областей современного вулканизма, а также в грабенах рифтовых зон. Соответственно в этом же направлении уменьшаются

температура гидротерм, их газонасыщенность, изменяется газовый и химический состав. По мере удаления от действующих вулканов сильно кислые термы сменяются кислыми, нейтральными и, наконец, слабощелочными. Характерной особенностью рассматриваемых терм является высокое содержание в них кремниевой кислоты, а также разнообразных летучих компонентов.

В высокотемпературных фумаролах (180-700° С), т.е. в выходах горячего вулканического газа и пара в виде струй или спокойно парящихся масс из трещин горной породы, преобладают НС1, HF, SO2, СО2, Н2, NH3, В, СН4, H2S, N2; в среднетемпературных солъфатарах (< 180° С), т.е. источниках пара , содержащего сероводород или сернистый газ (сернистые фумаролы), — Н2 , СО2, СО, СН4, N2, SO2, H2; а в низкотемпературных сольфатарах (<100° С) - H2 S, СО, СО2 , СН4 , N2.

Вопросы генезиса самой воды в гидротермальных системах издавна привлекали внимание исследователей. Их постановка относится ко времени

известного спора "плутонистов" и "нептунистов" и в течение многих лет она активно дискутировалась, причем временами господствовали то одни, то другие представления, но в последние годы эти некогда полярные позиции заметно сблизились.

Если в 30-х-40-х годах нашего столетия в работах многих геологов (В. Линдгрен, Л.К. Грейтон, Б.И. Пийп и др.) гидротермы рассматривались как изолированные динамические системы, берущие начало от магматических очагов, а основным источником воды и переносимых ею компонентов считалась магма, то с середины пя тидесятых годов начала преобладать иная точка зрения. В работах многих гидрогеологов (А.Л. Дей, A.M. Овчинников, Е.Т. Аллен, А.И. Германов, В.В. Иванов, Б.Ф. Маврицкий, В.И. Кононов) гидротермальные растворы стали рассматриваться как гравитационные подземные воды артезианского типа, нагревающиеся

внутренним теплом Земли. Присутствие в них ювенильной составляющей резко ограничивалось или вовсе отрицалось. Причем, начиная с 1956 г., эти

представления стали основываться на результатах изотопных исследований самой воды (Г. Крейг, К. Боато, Д.Е. Уайт и др.). При этом было показано, что термальные воды обычно обогащены по отношению к местным атмосферным водам тяжелым кислородом (что объясняется кислородным обменом с силикатами), а содержание дейтерия в них оказывается таким, как и в поверхностных водах данного района. Это, по мнению указанных авторов, говорит о тесной генетической связи термальных вод с метеорными и о явном преобладании последних в составе гидротерм.

242

В то же время анализ теплового баланса гидротермальных систем,

проведенный различными исследователями (Г.Дж. Банвелл, Д.Е. Уайт , В.В. Аверьев, Е.А. Вакин, В.М. Сугробов, Ю.Ф. Манухин, В.И. Кононов),

показал, что прогрев этих систем, как правило, не может быть обеспечен

только съемом кондуктивного регионального теплового потока движущимися инфильтрационными водами и требует дополнительного теплового

источника.

Возникшее противоречие, по В.М. Кононову, снимается, если допустить,

что большая часть глубинного флюида имеет не ювениль-ное (мантийное), а метаморфогенное (коровое) или инфильтрацион-ное происхождение, а

источником тепла служит мантия.

В соответствии с различными современными подходами к генезису

гидротерм в областях вулканизма существуют разные подходы и к формированию их состава. Многие исследователи (Б.И. Пийп, Г.М. Власов,

Д.С. Коржинский, С.И. Набоко, Л.М. Лебедев, Г.И. Арсанов, X. Накамура, К. Маеда, Д.Е. Уайт и др.) полагают, что гидротермальные

растворы формируются под активным воздействием магматических очагов — как коровых, так и уходящих корнями в верхние слои мантии. В последнем

случае в результате дегазации подкоровой базальтоидной магмы в

гидросферу может поступать ювенильное вещество.

По мнению известного американского исследователя Д.Е. Уайта, основные различия в составе современных гидротерм вызваны физическим состоянием воды при выделении из магмы и передвижении к поверхности. Хлоридные

натриевые воды он считает исходным типом гидротерм областей современного вулканизма, связывая их происхождение с плотными вулканическими парами.

Возможная схема образования гидротерм изображена на рис. 5.25. Вместе с тем Д.Е. Уайт придает большое значение влиянию горных пород и

проникновению в систему инфильтрационных вод. О значительной роли горных пород в формировании состава гидротерм свидетельствуют

экспериментальные работы новозеландского исследователя А. Эллиса.

В отличие от Д.Е. Уайта, В.В. Иванов связывает наблюдающееся

разнообразие состава термальных вод не с различными стадиями вулканической деятельности, а с процессами химической дифференциации вулканических

седиментационные воды. Попадание раствора в высокотемпературную область вызывает разложение сульфатов, что трансформирует глубинные гидротермы в

бессульфатные хлоридные натриевые воды с наличием СО2, H2S и N2 воздушного происхождения. В приповерхностных условиях из-за

интенсивного преобразования и снижения давления состав гидротерм значительно изменяется. Окончательный их состав определяется вкладом

вулканических эманации, вмещающих пород, погребенных морских вод и рассолов. Все это определяет большое разнообразие состава термальных вод областей современного вулканизма [13,33].

243

11. Расскажите об основных закономерностях распределения органи ческого вещества в во дах.

12.В чем специфика состава физически связанных во д?

13.Чем отличается конгруэнтное растворение минералов от инконгруэнтного?

14.Что означает равновесно-неравновесное состояние воды с горными породами?

15.Каково соо тношение состава воды и горных пород?

16.Почему в р ассо лах дом иниру ю т хлори ды натрия?

17.Расскажите о механизмах, определяющих химическое разложение воды в

земной коре.

18. Чем отличается гео химический цикл воды от геологического кру говорота?

19.Назовите основные факторы миграции химических э лементов.

20.Чем отличается коллоидная миграция элементов о т растворенной?

21.Для чего испо льзуется коэффициент во дной миграции?

22.Что понимается по д гео химическим барьером?

23.Назо вите осно вные факторы и процессы формирования состава подземных

вод.

24.Каков смысл гидро гео химического цикла во ды в земной коре?

25.От че го зависит состав атмосферных осадков?

26.Где протекает б иогенный э тап формирования состава во ды?

27.Что понимается под литогенным этапом формирования состава воды?

28.Где и почему протекают процессы континентального засоления и криогенеза?

29.В чем о тличие состава азо тных и углекислых терм?

30.Отку да беру тся со леные во ды и рассо лы на древних щитах?

31.Что происхо дит с во дой, захороняющейся на дне морей?

32.Как и где формируются крепкие хлоридно -кальциевые рассо лы?

33.Какова гидрогео химическая зональность ар тезианских бассейнов?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Басков Е.А., Суриков С .Н. Гидро термы Зем ли. - Л.: Недра , 1989.

2.Вер надский В.И. Избранные , соч инения. Т. IV. Кн. 2. - М : Изд-во АН

СССР, 1960.

3.Вовк И.Ф. Радио лиз по дземных во д и его гео хим ическая ро ль. -М.: Недра,

1978.

4.Гаррелс P.M ., Крайст Ч.Л. Растворы , минералы , равно весия. Пер . с англ. -

М.: Мир , 1968.

5.Геохимия и генезис рассо лов Иркутского амфитеатра/М.Г. Валяшко , А .И.

По ливанова, И.К. Жер ебцо ва и др . - М .: Наука, 1965.

6.Геохимические особенности поровых растворов горных пород/П. А. Удо дов, А.Д. Назаров; Е.С. Коробейникова и др. - М .: Недра, 1983.

7.Деви с С ,У ист Р. Г идро гео ло гия. Пер . с англ. - М.: Мир , 1970.

8.Дрив ер Дж . Г ео хим ия приро дных во д. Пер . с англ. - М .: М ир , 1985.

9.Зверев В.П. Гидрогеохимия осадочного процесса. — М.: Наука, 1993.

10.Карпов И.К. Физико-химическое мо делирование на Э ВМ . -Но восибирск:

Наука, 1981.

245

И. Кир юхи н В.А., Ни ки ти на Н.В., Суд ари ков С М . Гидро гео химия складчатых об ластей. - Л .: Недра, 1989.

12.Кирюхин В.А., Короткое А.И., Шварцев С.А. Гидро гео химия. М.: Недра ,

1993.

13.Кононов В. И. Гео химия термальных во д областей современно го

вулканизма. - М .: Наука , 1983.

14. Край нов С Р., Швец В.М . Г идро гео хим ия. - М .: Недра , 1992.

15.Крюков П.А, Горные , почвенные и иловые растворы . - Новосибирск: Наука, 1971.

16.Кузнецов С И, Ива нов М .В., Ляли кова Н.Н. Введение в гео ло ги ческу ю микроб ио логию . - М .: Изд-во АН ССС Р, 1962.

17.Ов чи нни ков A.M. Г идро гео химия. - М .: Недр а, 1970.

18.Основы гидрогео логии. Гидрогео химия/ С.Л. Шварцев, Е.В. Пин некер , А .И. Пер ельман и др . - Но восиб ирск: Нау ка, 1982.

19.Перельма н А.И. Гео хим ия ландшаф тов. - М .: Высшая шко ла , 1966.

20.Пер ельма н А.И. Гео химия. - М .: Высшая шко ла , 1989.

21.Пиннекер Е.В. Рассолы Ангаро-Ленского артезианско го бассейна. - М : Нау ка , 1966.

22. Поровые растворы горных поро д как среда обитания

микроорганизмов/ П.А . Удо дов, Е.С. Короб ейнико ва , Н.М . Рассказо в и др . - Новосибирск: Наука, 1981.

23.Посохов Е.В. Формирование химическо го состава по дземных во д (Основные факторы ). - Л .: Гидрометеоиздат, 1969.

24.Ферро нский В.И., Пол яков В.А. Изо то пия гидросфер ы. - М.: Наука,

1983.

25.Химический и микробиоло гический состав физически связанных во д ю го - востока Западной Сиб ири/ С. Л. Шварцев, Е.С, А. Д. Назаров и др ./ Г ео л. и гео ф .

-1 9 94 , - № 3, - С. 7 0- 7 9.

26.Шварцев СЛ . Гидро гео химия зоны гипер генеза. - М.: Недра, 1978.

27.Шишкина О.В. Гео химия морских и о кеанических ило вых во д. - М.: Нау ка ,

1972.

28.Collins A.G. Geochemist ry o f o ilfield waters. - A msterdam: Elsv ier, 1975.

wo rld . A su mmary . -Geo l. Su rv . Pro f. Pap er, 1965. - № 492.

246

Г л а в а 6

ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ФОРМЫ ЗАЛЕГАНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Гравитационные воды подземной гидросферы, хотя залегают в горных

породах и находятся в постоянном движении, но все же образуют в геологическом пространстве тела определенных размера и формы, которые называют скоплениями, резервуарами, бассейнами, потоками, месторождениями и т.д. В этой связи возникает проблема выделения и классифицирования пространственных форм залегания подземных вод в различных геологических структурах и водоносных комплексах. Большой вклад в разработку этой проблемы внесли А.Н. Семихатов, И.К. Зайцев, Н.И. Толстихин, Н.К. Игнатович, A.M. Овчинников, Н.А. Маринов, А.А. Карцев, Е.В. Пиннекер, Н.В. Роговская, В.А. Кирюхин, В.М. Степанов , К.И. Караванов и др.

Установление пространственных (по площади и глубине) закономерностей распределения подземных вод в земной коре составляет предмет региональной или структурной гидрогеологии, которая изучает гидрогеологические особенности отдельных геологических структур, региональные закономерности распространения и условия залегания подземных вод, их динамики и состава,

разрабатывает методы региональной оценки массопереноса (водообмена).

6.1.ПОДЗЕМНЫЕ ВОДОНОСНЫЕ СИСТЕМЫ

Вразделе 2.5 было показано, что геологическое пространство земной коры

сгидрогеологических позиций делится на водоносные горизонты, водоносные комплексы, гидрогеологические этажи и бассейны, а также необводненные (водоупорные) горные породы, практически не содержащие гравитационных подземных вод. Все перечисленные элементы гидрогеологической стратификации взаимодействуют между собой в разных соотношениях и формах в зависимости от конкретной геологической структуры региона и геологической ее истории. Отсюда становится очевидным, что условия залегания и формирования подземных вод не могут быть поняты и правильно оценены без детального анализа истории развития и типа геологической структуры, как не может быть понята и история геологической структуры без знания поведения воды в земной коре.

Геологическая структура в первую очередь определяет условия залегания

подземных вод, которые формируют подземную водонос-

247

ную систему. Под последней следует понимать участок земной коры, состоящий только из свойственных ему соотношений во-доносных,

спорадически обводненных и водоупорных или сдрениро-ванных горизонтов,

комплексов и бассейнов подземных вод, залегающих в пределах одной геологической структуры. В свою очередь, геологические структуры с

однотипными гидрогеологическими условиями принято называть гидрогеологическими.

Под гидрогеологической структурой, следовательно, понимается геологическое тело, в пределах которого остаются более или менее

одинаковыми и непрерывными характер распределения подземных вод, условия формирования их ресурсов и состава. Говоря иначе,

гидрогеологическая структура характеризует пространственное распределение подземных вод и одновременно их взаимоотношение с

горными породами.

Приняв за структурный элемент заполненное водой элементарное

геологическое пространство — пору и трещину, Е.В. Пиннекер [21] получил два простых вида гидрогеологической структуры: поровую, образованную

водосодержащими порами, и трещинную, образованную обводненными

трещинами. Далее, комбинируя эти два структурных элемента в зависимости от типа геологических структур (платформенных и горно-складчатых), он

выделил порово-пласто-вую, регионально-трещинную и жильную их разновидности, которые, в свою очередь, подразделил на ряд типов или

скоплений вод по условиям залегания (рис. 6.1).

Рис. 6.1.

Структурно-гидрогеологические подразделения

248

Аналогичную классификацию разработали И.К. Зайцев, Н.И. Толстихин и В.А. Кирюхин (табл. 6.1).

Та б ли ца 6 . 1

Класс ифика ция скоплений подземных вод

Но в отличие от классификации Е.В. Пиннекера, в ней не два, а три

основных типа вод: пластовые, трещинно-жильные и лавовые. Несколько иначе к подразделению форм скопления подземных вод подходит Б.Е.

Антыпко [1], которая выделяет семь типов с определением конкретной сути каждого (табл. 6.2 ).

Гидрогеологические структуры, по Н.К. Игнатовичу, делятся: 1)по степени закрытости: на раскрытые, частично раскрытые и закрытые; 2) по степени проточности: на проточные, частично проточные и непроточные и 3) по степени промытости: на промытые, частично промытые и непромытые. К раскрытым проточным и промытым структурам относятся горно-складчатые области, к закрытым, непроточным и непромытым — глубокие части платформенных и глубоких впадин. Остальные гидрогеологические структуры занимают промежуточное положение.

Следовательно, гидрогеологическая структура одновременно выступает и

природной емкостью для подземных вод, и водообмен-ной системой. Первая характеризуется объемом воды, который может вместить геологическое

тело, т.е. статическими запасами, вторая — количеством воды, проходящим через нее в единицу времени, т.е. динамическими запасами (см. раздел 3.2.3).

Поэтому следует различать две функции, выполняемые гидрогеологической структурой как геологическим телом: 1) вместилища воды (резервуар, бассейн, массив и т.д.) и 2) проводника воды (водообменная, водонапорная, геогидродинамическая система). Первая функция

249

Та б л и ца 6 . 2

Класс иф икация и определение типов скопления подземных вод

связана с размещением объема воды в геологическом пространстве, вторая — с временем нахождения воды в этом же пространстве. К сожалению, отмеченные две функции гидрогеологических структур не всегда четко различаются, что приводит к терминологической путанице.

6.1.1. Гидрогеологическая структура как емкость подземных вод

С позиций емкостных свойств гидрогеологическая структура представляет

собой водоносную систему разных строения, размеров, объема, в зависимости от которых ее называют бассейном, резервуаром, массивом и т.д. Подразделение таких емкостей учитывает прежде всего этажное строение верхней части земной коры. В пределах платформенных и горно-складчатых структур обычно выделяют два этажа: 1) нижний этаж — фундамент, сложенный в основном кристаллическими (магматическими и метаморфическими) породами, как правило смятыми в складки, и 2) верхний этаж -чехол, представленный преимущественно осадочными породами,

которые имеют спокойное залегание и слабо дислоцированы.

250

В случае выхода фундамента на дневную поверхность формируется раскрытая гидрогеологическая структура, а в случае погружения чехла на значительные глубины формируется наиболее, закрытая, плохо промываемая структура. Для фундамента характерны в основном трещинные и трещинно-

жильные воды, для чехла — поровые и разнообразные пластовые воды. Г.Н. Каменский, И.К. Зайцев и Н.И. Толстихин еще в 50-х годах

выделили два основных типа гидродинамических структур: артезианские бассейны и гидрогеологические массивы, позже к этому перечню Н.И. Толстихин и В.А. Кирюхин добавили вулка ногенные бассейны, а В.М. Степанов — обводненные разломы.

Артезианские бассейны — это погружения, выполненные преимущественно слоистыми осадочными породами и состоящие из чехла и

подстилающего его фундамента, которые развиты в основном на платформах и реже в горно-складчатых сооружениях. Они свойственны отрицательным тектоническим формам — мульдам, впадинам, синклиналям с прилегающими склонами, котловинам и т.д. (табл. 6.3). Для верхних горизонтов характерны грунтовые

Таб лиц а 6 . 3

Сис те ма тиза ция платф орменных структур [23]

порово-пластовые воды. В интрузивных телах и неглубоком фундаменте встречаются напорные жильно-трещинные воды, но превалируют напорные

пластовые воды. По ведущим водно-коллекторским свойствам пород артезианский бассейн образует резервуар разнообразных пластовых вод.

Гидрогеологические массивы — это выступы фундамента, обычно лишенные чехла, в которых господствующее значение имеют трещинные кристаллические породы, и развитые преимущественно в горно-складчатых областях и реже на платформах. Они свойственны положительным тектоническим формам. Это поднятия складчатых сооружений, в которых слоистость существенно утратила гид-

251