1. В земной коре воды и водные растворы находятся в горных породах в разных формах, в связи с чем выделяются воды различных видов.

Согласно новейшим схемам, в породах имеются воды следующих видов: свободная гравитационная (жидкая), свободная капил­лярная (жидкая), сорбционно-замкнутая, стыковая (пендулярная), рыхлосвязанная (лиосорбированная), прочносвязанная (адсорби­рованная), парообразная, твердая (лед), цеолитная, кристаллиза­ционная и конституционная вода минералов.

Свободная гравитаци­онная вода находится в капельно-жидком состо­янии в проницаемых по­родах (коллекторах) в сверхкапиллярных порах, передает гидростатичес­кое давление, движение ее происходит под дей­ствием гравитационной силы.

Капиллярная вода (тоже свободная или слабосвязанная) находится в капиллярных порах и при сплошном их заполнении может передавать гидростатическое давление; при частичном заполнении пор она подчиняется лишь менисковым силам.

Сорбционно-замкнутая вода (в основном в глинах) представляет собой капельно-жидкую воду, изолированную от основной массы воды, насыщающей породу, слоями связанной или стыковой воды.

По физическим свойствам капиллярная и сорбционно-замкнутая воды существенно не отличаются от свободной гравитационной.

Связанные воды удерживаются на поверхности минеральных частиц породы силами молекулярного сцепления и водородными связями, образуя слой, толщина которого может достигать несколь­ких десятков или даже сотен диаметров молекулы воды. Внешняя, большая, часть этого слоя представлена слабосвязанной водой. Эта вода уже отличается рядом свойств от капельно-жидкой воды. Связанные воды целиком заполняют некоторые субкапиллярные поры и находятся также у стенок поровых каналов большего диа­метра. Содержатся они как в водопроницаемых, так и в водоупор­ных породах (глинах, плотных известняках и т.п.).

В местах сближения минеральных частиц породы слой связанных и капиллярных вод утолщается — там находится стыковая вода.

Адсорбированная (прочносвязанная) вода образует на поверхности минеральных частиц слой толщиной в одну или нескольких молекул.

В отличие от рассмотренных форм физически связанных во химически связанные воды входят в состав минералов. По степени прочности связи с веществом минералов различают цеолитную, кристаллизационную и конституционную воды.

Цеолитная вода содержится в минералах в непостоянных количествах К цеолитным водам по этому признаку следует отнести очень важную группу связанных вод — воду, находящуюся в межслоевых промежутках глинистых минералов, которую называют межслоевой. Кристаллизационная вода (например, в гипсе входит в состав кристаллической решетки минерала в постоянном количестве, но при ее удалении полного разрушения минерала не происходит. Конституционная вода (например, в слюдах) выделяется лишь при полном разложении минералов. Конституционную воду минералов можно и не включать в число видов вод, так как часто фактически это лишь гидроксильные группы.

Особое место занимают воды, находящиеся в земной коре в виде льда и пара. Распространение льдов в криолитозоне и паров в областях вулканизма весьма велико и имеет

2. По условиям залегания среди свободных (гравитационных) вод различают почвенные воды и верховодки, воды грунтовые, пластовые, безнапорные, пластовые напорные, трещинно-поровые, трещинные, трещинно-каверновые и трещинно-жильные.

Верховодки в виде небольших линз залегают в зоне аэрации.

Грунтовые воды располагаются над первым от поверхности водоупором в относительно рыхлых пористых породах, имеют свободную водную поверхность, обычно меняющуюся по временам года. Грунтовые воды пополняются главным образом за счет атмосферных осадков.

Пластовые безнапорные воды встречаются в пористых горизонтах, ограниченных сверху и снизу водоупорами, при условии неполного заполнения водой коллектора.

Пластовые напорные воды заполняют пластовые пористые, главным образом песчаные и алевритовые коллекторы, изолированные в кровле и подошве водоупорными толщами. В случае, если поровые коллекторы дополнительно разбиты сетью трещин, содержащиеся в них воды называют трещинно-поровыми (или трещинно-порово-пластовыми).

Трещинные воды располагаются в трещинах плотных пород, таких как плотные песчаники, кварциты, известняки и доломиты, мергели, метаморфические породы и граниты, глинистые сланцы и аргиллиты. Вода заполняет в них трещины тектонического происхождения разного размера и трещины выветривания. В тех случаях, когда в трещиноватых породах имеются каверны, развитые обычно в известковистых породах, содержащиеся в таких смешанных коллекторах воды называют трещинно-каверновыми или трещинно-карстовыми при большом размере каверн.

Изредка встречаются трещинно-жильные воды, заполняющие крупные зияющие трещины и карстовые каналы, часто приуроченные к системам тектонических сбросов и других нарушений.

Водоносный горизонт представляет собой выдержанную по площади и разрезу насыщенную гравитационной водой толщу горных пород с близкими гидродинамическими и гидрохимическими условиями, ограниченную в подошве и кровле водоупорными породами.

Водоносный комплекс включает обычно несколько водоносных горизонтов, гидродинамически связанных друг с другом и имеющих близкие химический состав и минерализацию. Различные водоносные комплексы разделены между собой достаточно мощными и протяженными водоупорными горизонтами (толщами). Однако на отдельных участках водоупоры между водоносными комплексами могут литологически изменяться и образуются гидродинамические “окна перетока” или “окна разгрузки” подземных вод вплоть до земной поверхности.

В большинстве гидрогеологических бассейнов выделяют гидрогеологические этажи, которые объединяют несколько водоносных комплексов.

В нефтегазопромысловой гидрогеологии по отношению к залежи УВ выделяют нижние краевые (контурные), подошвенные, промежуточные, верхние краевые, верхние и нижние воды.

В самих залежах УВ также содержатся подземные воды. Это остаточные, конденсационные воды. Остаточные воды находятся в порах и трещинах пласта, заполненного нефтью, конденсатом или газом.

Паровая фаза воды наблюдается в газе газовых залежей. Переходя при изменении температуры и давления из газовой фазы в жидкую, она формирует конденсационные воды, накапливающиеся в виде узкой оторочки. Вода, растворенная в нефти, выделяясь при изменении физико-химических условий в свободную фазу, формирует так называемые солюционные воды.

Попутной водой называют воду любого происхождения, добываемую скважиной из продуктивного пласта с нефтью и газом.

3. Компоненты водосодержащей осадочной породы образуют систему, включающую подсистемы: 1) твердую часть (твердую фазу) - скелет, цемент, обменный комплекс; 2) жидкую часть (жидкую фазу) — воды, водные растворы, нефть; 3) газовую фазу. Часть воды может входить в состав твердой фазы. Эта фаза содержит воду в следующих формах: межслоевую глинистых и подобных им минералов и кристаллизационную. Жидкая водная фаза состоит из свободной и связанной воды.

Свободные воды (и часть связанных) представляют собой водные растворы. Всякий раствор можно рассматривать как систему растворитель — растворенное вещество. Последнее включает ионы молекулы солей, их агрегаты, органические вещества (0В).

Растворенные компоненты водных растворов соотносятся с различными подсистемами водосодержащей породы, а именно: ионы соли, минеральные коллоиды — с твердой фазой, растворенные газы — с газовой, растворенные 0В — с жидкой нефтяной (и полужидкой битумной) фазой. Налицо, таким образом, многократное взаимопроникновение подсистем водосодержащей породы.

Главные изменения внутри системы являются следствием масообмена между подсистемами и частично — внутри этих подсистем.

6. Гидрогеохимия — химия природных вод, в том числе подземных.

Все природные воды представляют собой растворы, содержащие растворенные соли, ионы, коллоиды, газы. Под химическим составом воды понимают состав растворенных в водах веществ. Наибольшее значение имеют ионно-солевой и газовый состав природных вод.

Химический состав является основой для сопоставления, классификации и выяснения истории природных вод, определяет полезные и вредные свойства их, используется как поисковый признак при поисках ряда полезных ископаемых и т. п..

Молекулы воды представляют собой комбинацию двух ядер атома водорода и одного атома кислорода, расположенных по углам равнобедренного треугольника

Благодаря наличию в воде водородных связей, обусловленных нераспределенными электронами атомов водорода, в расположении молекул жидкой воды отмечается высокая степень упорядоченности, что сближает ее с твердым телом.

По современным воззрениям в воде имеются одновременно и ассоциированные молекулы, соединенные водородными связями в рыхлый тетраэдрический каркас («льдоподобные рои»), и неассоциированные молекулы, заполняющие пространство между образованиями первого рода.

9.Водонапорная система — совокупность бассейнов подземных вод различного строения, которые четко оконтуриваемые по данным закономерностей распространения и формирования подземных вод.

Гидрогеохимическая зональность водонапорных систем

Гидрогеохимическая зональность тесно связана с гидродинамической, потому что факторы, определяющие гидродинамическую зональность, оказывают непосредственное влияние на формирование минерализации и химического состава подземных вод. Причем наибольшее влияние на формирование химического состава вод эти факторы оказывают в зоне интенсивного водообмена. В зонах замедленного и особенно весьма замедленного водообменов гидродинамические показатели в формировании химического состава подземных вод выполняют, по-видимому, второстепенное значение.

На формирование минерализации и химического состава подземных вод влияют такие факторы: как литологические особенности водовмещающих пород, возраст геологических структур и истории геологического развития, первоначальная минерализация и химический состав подземных вод, степень развития процесса замещения седиментационных вод инфильтрационными в пределах водонапорных систем и смешения вод различного генезиса.

Зайцев и Н. И. Толстихин в артезианских бассейнах выделяют гидрогеохимические разрезы следующих типов:

1) характеризующиеся постепенным увеличением минерализации воды с глубиной вплоть до фундамента бассейна; Первый тип гидрогеохимических разрезов показателен для водонапорных систем, лишенных галогенных отло­жений. В таких водонапорных системах мощность зоны пресных вод обычно зависит от глубины вреза местной гидрографической сети и ее густоты, водопроницаемости пород, степени изолированности водоносных комплексов и горизонтов от дневной поверхности водоупорными по­родами и климатических особенностей

2) с чередованием зон подземных вод разной минерализации; Второй тип гидрогеохимических разрезов характерен для периферийных частей некоторых водонапорных сис­тем, прилегающих к высоким горным сооружениям (Терско-Кумская, Азово-Кубанская и другие водонапорные системы).

3) разрезы, где в верхней отмечается увеличение, а в нижней — (к фундамен­ту) уменьшение минерализации воды. Третий тип гидрогеохимических разрезов установлен для водонапорных систем, в геологическом строении ко­торых участвуют мощные толщи соленосных отложений. В таких водонапорных системах минерализация воды возрастает до отметок залегания соленосных отложений, а в подсоленосных толщах отмечается уменьшение ми­нерализации воды с глубиной.

10 Виды движения вод и водных растворов

Подземные воды - наиболее динамичная часть литосферы. Все процессы, происхо­дящие в земной коре, так или иначе влияют на перемещение подземных вод. В свою оче­редь, движение вод в породах влияет на геологические и физико-химические процессы, происходящие в недрах, поэтому горные породы с заключенными в них водами представ­ляют собой единую систему, элементы которой тесно связаны между собой. Различные виды движения подземных вод можно выделять по нескольким признакам. Так, движение капельно-жидкой воды в породах происходит главным образом в форме фильтрации, представляющей собой механический процесс течения свободной жидкости в пористо-трещинной среде. Рассмотрение такого процесса является предметом изучения механики подземных вод, т.е. гидромеханики. С учетом того, что все подземные воды представляют собой растворы, разные по химическому составу и плотности, движение жидкости может осуществляться и за счет естественной конвекции, обусловленной наличием градиента их плотности внутри жидкости и за счет молекулярной диффузии, происходящей в результа­те влияния градиента концентрации веществ внутри раствора.

С позиции гидромеханики различают турбулентное и ламинарное движение. Тур­булентное движение характерно в основном для карстовых вод. Ему свойственны беспо­рядочность движения струй, пульсация, активное гидравлическое перемешивание, возни­кающее при больших скоростях потоков. Такой тип движения присущ подземным пото­кам в карстовых полостях карбонатных пород в горных массивах, например, таких, как Альпы, Пиренеи, Кордильеры и др.

Основной вид движения свободных подземных вод - ламинарная фильтрация, подчиняющаяся закону Дарси. А. Дарси - французский ученый, перед которым в пятиде­сятых годах прошлого столетия поставили задачу обеспечения города Дижона питьевой водой. Так как вода быстрой реки сильно взмучена и для ее очистки требовались большие затраты в связи с сооружением фильтров и отстойников, возникла мысль воспользоваться для водоснабжения города подрусловыми водами из аллювиальных отложений. Но, чтобы обеспечить строительство водопровода, необходимо было подсчитать количество воды, протекающее в единицу временя через сечение подрусловой части реки, т.е. расход воды. Для этого А. Дарси проводил опыты на трубках, набитых песком, через которые пропускал воду при различных перепадах давления. На основании проведенных экспериментов им была выведена зависимость, получившая название закона Дарси:

Q=kф *F(ΔΗ/ΔL)

где Q- расход потока; Кф - коэффициент фильтрации; F- площадь поперечного се­чения фильтрующей среды; ΔН - перепад напора; ΔL- длина участка фильтрационного потока.

Поток воды в опытах А. Дарси проходил в довольно однородной среде, т.е. в тру­бах, набитых хорошо отсортированным песком. В реальных условиях трещинно-поровое пространство горных пород характеризуется сложным строением. Его геометрия меняется в водоносных пластах и по площади, я по разрезу, поэтому изучение фильтрационного потока представляет большие трудности. В этой связи под фильтрационным потоком при­нято считать условный поток жидкости через пористую среду (породу).

Хотя реальный поток идет только по открытым (сообщающимся) порам и трещи­нам, условно допускается, что фильтрационный поток идет через всю породу.

11.ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ЗОНАЛЬНОСТЬ ВОДОНАПОРНЫХ СИСТЕМ

По интенсивности и условиям водообмена с дневной поверхностью выделяют три гидродинамические зоны: интенсивного, замедленного и весьма замедлен­ного.

Зона интенсивного водообмена располагается в верх­ней части земной коры и тесно связана с поверхностны­ми водотоками и водоемами. Эта зона прослеживается¹ примерно до глубины вреза наиболее крупных речных долин в каждом конкретном районе. Зона интенсивного водообмена характеризуется относи­тельно большими скоростями фильтрации подземных вод.

Зона замедленного водообмена находится обычно глубже местных базисов дренирования водоносных гори­зонтов и комплексов. Глубина ее нижней границы услов­но определяется положением вреза морских впадин. Эта зона отличается значительно меньшими скоростями; фильтрации и действительными скоростями движения подземных вод. водообмен в этой зоне на одних участках может осуществляться в течение 100 лет, а на других в течение миллионов лет.

Зона весьма замедленного водообмена занимает наи­более глубокие части водонапорных систем (глубже 2— 3 км). Действительные скорости движения подземных: вод в этой зоне обычно не превышают нескольких мил­лиметров в год, т. е. они ощутимы только в геологиче­ском времени. Эта зона характеризуется высокими; давлениями и температурами.

Отсюда ясно, что гидродинамическая зональность во­донапорных систем определяется многими взаимодейст­вующими природными факторами.

Следует иметь в виду, что скорость водообмена зави­сит также от скорости движения подземных вод, разме­ров водонапорных систем и от объема коллектора в пре­делах конкретных водоносных комплексов или конкрет­ной зоны. Чем больше водопроницаемость пород и мень­ше их объем, тем быстрее совершается в них водообмен - даже при одних и тех же гидравлических уклонах пото­ка.

Таким образом, основными факторами, определяющи­ми вертикальную гидродинамическую зональность, явля­ются следующие: 1) соотношение отметок областей сов­ременного питания и разгрузки подземных вод; 2) кол-лекторские свойства пород водоносного горизонта или - комплекса; 3) интенсивность эрозионного расчленения поверхности и глубина вреза речных долин; 4) характер климата (аридный, гумидный и т. п.).

По интенсивности водообмена наиболее благоприят­ные условия бывают в сочлененных мелких бассейнах горно-складчатых областей и в относительно небольших межгорных впадинах. Менее интенсивный водообмен по­казателен для крупных межгорных впадин, а также для водонапорных систем, связанных с горно-складчатыми областями. Наименьшие скорости водообмена свойствен­ны для водонапорных систем платформенного типа, не «вязанных с горными системами, а также и некоторых предгорных прогибов.