подземных вод

СПБГУАП группа 4736

исключающими гидравлическую связь со смежными водоносными комплексами, и обеспечивающими данному водоносному комплексу гидрогеодинамические и гидрогеохимические особенности. Водоносным комплексом объединяется несколько в различной степени выдержанных водоносных горизонтов, при этом в водоносном комплексе напоры подземных вод значительно изменяются по разрезу, что предопределяется степенью гидравлической связи отдельных его горизонтов.

Относительно объема водоносного комплекса также существуют различные мнения. Считается, что его мощность не должна превышать мощности стратиграфической подсвиты или свиты (Пиннекер, 1966), иногда она повышается до серии и даже системы (Богданов, Кононов, 1975). Важно,

чтобы водоносные комплексы различались по литолого-фациальным и связанным с ними гидрогеологическим особенностям.

Самое крупное подразделение гидрогеологической стратификации осадочных и осадочно-вулканогенных отложений называют по-разному -

водоносная серия, гидрогеологический этаж, водоносный ярус и т. д.

Из предложенных наименований для самого крупного подразделения гидрогеологической стратификации, пожалуй, наиболее удачен термин Н. А.

Маринова (1961) водоносная, или гидрогеологическая, формация. В нее объединяются водосодержащие литологически, генетически и в фильтрационном отношении однородные, хотя и разновозрастные породы,

которым свойственны определенные закономерности накопления,

распространения и формирования подземных вод. Водоносные формации часто разделяются регионально выдержанными водоупорами или стратиграфическими перерывами; они включают несколько сходных водоносных комплексов. Каждая такая формация отличается от другой палеогидро-геологическим развитием, присущими только ей общими чертами гидро-геодинамики и гидрогеохимии.

Основными в разрезе чехла древних и эпигерцинских платформ могут считаться следующие типы водоносных формаций:

СПБГУАП группа 4736

) песчано-глинистых рыхлых пород с порово-пластовыми водами; ) осадочно-вулканогенных покровов или толщ с трещинно-пластовыми

и пластово-трещинными водами; ) песчано-глинистых сцементированных пород с трещинно-пластовыми

водами; ) карбонатных образований с трещинно-пластовыми или карстово-

пластовыми водами; ) соленосных толщ, содержащих межсолевые водоносные горизонты

пластового типа.

Иногда в разрезе чередуются несколько водоносных формаций сходного типа, разделенных регионально выдержанными водоупорами. В

частности, такая картина свойственна разрезу крупнейшего в мире Западно-

Сибирского артезианского бассейна.

Закономерности локализации подземных вод в горных породах

Подземные воды заключены в пористых или трещиноватых проницаемых породах (рис. 3.1), которые пропускают воду при наличии перепада давления. Их называют водоносными в отличие от водоупорных пород. Последние не пропускают или очень слабо пропускают воду, разделяя или подстилая породы с заключенными в них подземными водами.

СПБГУАП группа 4736

Рис. 3.1 Основные типы пористости горных пород (Мейыцер, 1935].

- рыхлая, с хорошо отсортированными зернами и высокой пористостью; 2 - рыхлая, с плохо отсортированными зернами и малой пористостью:.3 - хорошо сортированная, состоящая из пористых галек и имеющая высокую пористость; 4 - со сниженной вследствие образования цемента пористостью; 5 - кавернозная, пористость которой увеличилась результате выщелачивания; 6 - с пористостью, обусловленной развитием трещин.

Согласно изображенной на рис. 3.2. гидрогеологической классификации горных пород, водоносные породы в зависимости от водопроницаемости представляют гидрогеологический коллектор, а

водоупорные - гидрогеологический изолятор. В земных недрах закономерности локализации подземных вод предопределяются прежде всего такими водно-коллекторскими свойствами пород, как пористость и водопроницаемость.

Объем всех пустот в породе правильно называть скважностью пли пустотностью, но его чаще именуют пористостью (см. рис. 3.1.). Для движения воды важное значение имеют размеры пустот и их со-общаемость друг с другом, а не только общая величина пористости. Скажем, глины,

пористость которых достигает 50-60%, практически не пропускают подземные воды, а песчаные или трещиноватые породы уже при пористости

10% - хорошие проводники. Дело в том, что для глин характерны субкапиллярные поры (диаметр менее 0,0002 мм), в которых вода не может передвигаться и которые большей частью изолированы друг от друга.

Породы, относящиеся к коллекторам, характеризуются капиллярными

(0,0002-0,1 мм) и сверхкапиллярными (более 0,1 мм) просветами поровых

СПБГУАП группа 4736

каналов. Подземные воды передвигаются главным образом по сверхкапиллярным порам, однако гидростатическое давление способно передаваться и через капиллярные поры, в которых движение воды происходит под влиянием сил поверхностного натяжения. В крупных, как правило, лишенных капиллярной влаги пустотах подземные воды передвигаются под влиянием сил гравитации и разности напоров.

Рис. 3.2 Гидрогеологическая классификация горных пород (Stepnovic,

1902)

Поры горных пород могут быть сообщающимися (открытыми) и

изолированными (закрытыми). Полный объем открытых и закрытых пор независимо от их величины, формы и взаимного расположения - общая

(абсолютная) пористость. Она выражается отношением объема всех пор к объему всей породы. Для гидрогеологических целей важна не общая, а так называемая динамическая (эффективная) пористость - отнесенный к общему объему породы объем открытых пор, через которые происходит перемещение жидкости при обычных в природе градиентах напора.

Динамическую пористость чаще всего и имеют в виду, когда говорят о пустотности (скважности) горных пород.

Динамическую пористость не следует путать с открытой пористостью,

СПБГУАП группа 4736

характеризующей все открытые поры. Движение жидкости происходит не по всему объему открытых пор, поскольку часть порового пространства,

например на стыках частиц, занята всегда капиллярной, рыхлоили прочносвязанными разновидностями воды. Открытая пористость по величине всегда больше динамической.

Проницаемость - свойство горных пород пропускать через себя жидкости и газы при наличии градиента давления. Гидрогеологов интересует, прежде всего, водопроницаемость, от которой зависят фильтрационные свойства пород-коллекторов. Количественно проницаемость оценивается коэффициентом проницаемости, а

водопроницаемость - коэффициентом фильтрации.

Единица проницаемости - 1 Д (дарси) - численно отвечает проницаемости образца породы длиной 1 см с площадью поперечного сечения 1 см2, через который при падении давления на 1 атм протекает 1см3/с

жидкости с вязкостью 0,001 Па∙с. Коэффициент проницаемости, имеющий размерность м/сут, м/с и т. д., представляет скорость фильтрации при напорном градиенте, равном 1.

Как видно из табл. 3.1, для пресных подземных вод при температуре

20°С проницаемость в 1 Д ориентировочно соответствует коэффициенту фильтрации 0,85-0,9 м/сут.

Горные породы могут быть весьма проницаемыми (коэффициент проницаемости от 10 до нескольких сотен тысяч миллидарси),

полупроницаемыми (10-0,1 мД) и практически непроницаемыми (менее 0,1

мД). Более подробное деление приводится в табл. 3.1.

Кпроницаемым породам относятся галечники, отсортированные пески

ипесчаники, кавернозные карбонатные и трещиноватые кристаллические породы. Поровое пространство, занимающее обычно 10-40%, равномерно распределено по объему породы и принадлежит преимущественно сверхкапиллярньтм или крупнокапиллярным порам. Поры других размеров имеют подчиненное значение, на физически связанную воду приходится

СПБГУАП группа 4736

части земной коры температурах и давлениях породы со значениями коэффициента фильтрации менее 0,1-0,001 мД могут считаться достаточно надежным водоупором. По мнению Г. Я. Богданова и В. М. Кононова,

глинистые толщи следует считать водоупорными при мощности более 10м.

Хорошим водоупором являются мерзлые породы.

С глубиной, по мере роста давления, пористость и проницаемость горных пород уменьшаются. Правда, бывают и исключения, когда на глубинах 3-6 км встречаются песчаники или известняки, пористость которых составляет 1,5-20%. Однако в целом она па таких глубинах на порядок меньше, чем в верхних горизонтах.

По водно-коллекторским свойствам осадочные (а также осадочно-

вулканогенные) породы резко отличаются от кристаллических

(магматических и метаморфических) пород. Рассмотрим их раздельно.

Систематика подземных водоносных систем

Емкости подземных вод различного таксономического ранга могут быть охарактеризованы размером (объемом), строением (формой), составом и свойствами. Естественно, какой-то один признак не даст четкого представления о геологическом теле, содержащем воду. Даже разграничение гидрогеологических резервуаров по нескольким ведущим признакам не способно учесть всех факторов распределения, перемещения и формирования подземных вод.

Следуя структурно-вещественному принципу разграничения, который в гидрогеологии именуется структурно-гидрогеологическим, мы получим наиболее полный набор признаков. Применительно к систематике подземных водоносных систем он должен учитывать, по крайней мере, следующие признаки: 1) размер и строение геологического тела. 2) вещественный состав пород, определяющий характер распределения подземных вод, 3)

особенности питания, стока и разгрузки подземных вод.

СПБГУАП группа 4736

вод. В них коллекторы чередуются с водоупорами. Бассейну свойственно чередование по разрезу осадочных пород водоносных пластов и комплексов.

Массив представляет выход на поверхность или горное поднятие чаще всего кристаллических пород, которые состоят из водоносных зон трещиноватости и жил.

Эти емкости подземных вод хорошо противопоставляются друг другу,

чего нельзя сказать при пользовании распространенными терминами

«артезианский бассейн» и «гидрогеологический массив». В самом деле,

артезианский бассейн по определению, данному К. Кейльгаком, есть не что иное, как система напорных вод, которая включает в себя и внешнюю область питания, т. е. склоны массива. Гидрогеологический массив, по Н. И.

Толстихину (1962),- массив трещинных вод. Выходит, противопоставляя систему напорных вод (артезианский бассейн) массиву трещинных вод

(гидрогеологическому), резервуары подземных вод сравниваются по различным признакам - напору и коллекторским свойствам пород. Если же названия давать по сопоставимым и противопоставляющимся друг другу признакам, то логичнее пользоваться терминами «бассейн пластовых вод» и «массив трещинных вод». Тогда, кстати, гораздо проще решается вопрос о проведении границы бассейна с массивом.

Бассейн и массив значительных размеров и сложного строения, в

отличие от простого бассейна и простого массива, могут рассматриваться как сложный бассейн и сложный массив.

Сложный бассейн пластовых вод образует обширное платформенное или межгорное погружение, отвечающее синеклизам, перикратонным опусканиям и орогенным прогибам - межгорным или краевым (предгорным).

Для его строения характерно сочетание нескольких простых по форме бассейнов - сочлененных или наложенных, местами разделенных поднятиями фундамента, разобщенных по верхним и единых по нижним горизонтам осадочного чехла или наоборот.

К сложному массиву трещинных вод относится сочетание более или

СПБГУАП группа 4736

менее простых по форме массивов (горных хребтов, складчатых поднятий или изолированных интрузий), объединяемых территориально в анти-

клинорий складчатого сооружения, группу интрузивных тел или выступ фундамента платформы. Имея сходные условия распределения подземных вод, простые массивы в таком гидрогеологическом резервуаре непосредственно сочленяются друг с другом, а иногда разделяются внутригорными впадинами.

Подземные водоносные системы более высокого порядка включают крупные геологические тела: на платформах - плиты и щиты, а в геосинклинальных (складчатых) регионах - геосинклинальные системы

(ветви складчатости) и срединные массы (устойчивые срединные массивы).

При этом обособляются группы бассейнов (см. рис. 3.3.)- система бассейнов пластовых вод, группы массивов - система массивов трещинных вод или сложное сочетание массивов и бассейнов, которое именуется системой массивов и бассейнов подземных вод. Эти подразделения резервуаров подземных вод отличаются от сложных бассейнов и массивов не только размерами, но и степенью сложности структурного плана. Им присущи также, иные гидрогеологические особенности, проявляющиеся в общности питания, движения и формирования подземных вод каждой системы.

В таксономическом отношении система бассейнов пластовых вод эквивалентна артезианской области И. К. Зайцева и II. И. Толстихина. но представляет собой не пространственное понятие «область», а объемное -

«емкость подземных вод». Точно так же система массивов трещинных вод и система массивов и бассейнов подземных вод имеют много общего с гидрогеологической складчатой областью тех же авторов. Здесь также площадное наименование заменено на объемное.

Система бассейнов отвечает плите - опущенной части платформы,

которая вмещает несколько сложных бассейнов пластовых вод, разделенных поднятиями или выступами кристаллического фундамента. Иногда к системе бассейнов относятся сочетание плит и краевых прогибов. Системой