5. Понятие гидрогеологические структуры. Структурные типы подземных вод

По современным представлениям гидрогеологическая структура – это элементарное геологическое пространство, заполненное водой. Оно является двуединым, то есть первичным (пора) и вторичным (трещина) (рис.3). В соответствии с этой двуединостью выделяются структурные типы подземных вод. Небольшие массивы рыхлых водопроницаемых пород заполнены поровыми водами, которые в масштабах гидрогеологического резервуара переходят в пластовые. Что касается трещиноватости, то она по своему происхождению делится на региональную трещиноватость (трещины выветривания, диагенетические, остывания, усыхания и др.) и локальную трещиноватость, исключительно тектонической природы. Первая развивается на больших площадях, но не достигает больших глубин (в среднем в пределах 30-50 м). Вторая, наоборот, образует линейно-вытянутые зоны, уходящие на большие глубины (1 км и более). С региональной трещиноватостью связаны трещинные подземные воды, а с локальной – жильные (напоминающие по своей морфологии линейно-вытянутые жилы, но заполненные водой).

Простая геологическая структура

Рис. 3. Структурно-гидрогеологические подразделения (по Е.В. Пиннекеру).

6. Подземные водные резервуары

Понятие «подземные водные резервуары» (ПВР) тесно связано со структурно-гидрогеологическими подразделениями. ПВР классифицируются по условиям залегания и по условиям движения подземных вод.

В первом случае выделяют гидрогеологические бассейны (мегабассейны) (по С.Б. Вагину, А.А. Карцеву, рис.4).

Бассейны пластовых вод приурочены к крупным впадинам (прогибам). Скопления вод здесь связаны преимущественно с порово-пластовыми структурами, но в глубоких горизонтах могут встречаться и трещинно-жильные воды, чаще всего локального характера. Эти бассейны часто традиционно называют артезианскими, однако механизмом артезианского движения подземных вод далеко не исчерпывается все многообразие гидродинамических особенностей пластовых бассейнов, поэтому термин « артезианский бассейн» правильно употреблять применительно к узким гидрогеологическим условиям (инфильтрационные водонапорные системы).

Рис. 4. Схема классификации гидрогеологических бассейнов для территории суши (по А.А. Карцеву).

Бассейны трещинных и жильных вод могут быть связаны как с положительными (купольными), так и с отрицательными (впадинными) формами. В первом случае – это складчатые области и щиты, во втором – прогнутое ложе фундамента бассейна пластовых вод (В₁и В₂ на рис. 5).

Во втором классификационном случае выделяются геогидродинамические системы (рис.7). Они делятся на первом иерархическом уровне на безнапорные и водонапорные системы (ВНС). Последние на втором уровне подразделяются на инфильтрационные и эксфильтрационные (элизионные, рис.8, 9).

Инфильтрационные ВНС являются открытыми и имеют все три элемента, присущие артезианскому бассейну (область питания, область напора и область разгрузки). В энергетическом отношении они находятся в гравитационном поле, пластовые давления равны гидростатическому.

Природные эксфильтрационные водонапорные системы связаны с движением подземных вод «изнутри наружу». Пластовое давление в водоносных (нефтеносных) пластах создается вследствие перетока жидкости из одних пластов (или их частей) в другие без пополнения жидкости извне. Элизионные литостатические и геодинамические системы, как правило, закрытые (или полураскрытые) т.к. сообщаются с дневной поверхностью только в области разгрузки или не сообщаются с ней. Пластовое давление элизионных литостатических систем обычно превышает гидростатическое:

P_пл. = H·ρ + ΔP = P_гидр + ΔP_г (1,5 – 1,8 P_гидр)

где, ΔP – приращение давления, β^* - коэффициент сжимаемости жидкости в водонапорных системах. Основной формой энергии здесь является потенциальная энергия упругой деформации жидкости, накапливающейся в коллекторах в результате уплотнения пород и выжимания из них воды (нефти).

Рис. 5. Схема гидрогеологического бассейна (по С.Б.Вагину с дополнениями и изменениями В.М.Матусевича).

А- бассейн пластовых вод; Б- суббасейн грунтовых вод; В- бассейн трещинных и жильно-трещинных вод. Природные водонапорные системы: а- инфильтрационные, б-элизионные. Породы: 1- коллектор, 2-водоупоры, 3-магматические, 4-метаморфические, 5-система трещин в магматических породах, 6- тектонические нарушения, 7- направление движения пластовых вод, 8 и 9- области, соответственно, питания и разгрузки.

В элизионных геодинамических водонапорных системах P_пл. формируется под воздействием геодинамического давления (тектоническое сжатие – растяжение). P_{пл. эл. геод.} = Р_гидр. ± ΔP (“+” – при сжатии, “ - ” – при растяжении горных пород). Геодинамические водонапорные системы, связанные с сжатием называются компрессионными (в Западной Сибири P_пл. 1,8 – 2,15 P_гидр.), а с растяжением – депрессионными (телионные по А.А. Карцеву, рис.7). Дефицит P_пл. от гидростатического варьирует в предела 0,3 – 0,9 Р_гидр. Механизм формирования таких водонапорных систем связан с увеличением трещинно-порового объема пород при растяжении (раздвиге) и “засасывании” вод из окружающих пород в эти приразломные участки, что приводит к резкому снижению P_пл. ниже уровня условных Р_гидр. Таким образом, в геодинамических водонапорных системах формируются сверхгидростатические (а не “аномально - высокие”!) и нижегидростатические – (субгидростатические по С.Б. Вагину; а не “аномально низкие”!) пластовые давления.

Геогидродинамические системы развиваются в связи с развитием соответствующих гидрогеологических бассейнов (рис.6).

Рис.6. Схема гидродинамического развития природных водонапорных систем (по В.А. Кудрякову):

1 – фундамент (ложе бассейна пластовых вод); 2 – глинистые породы; 3 – породы-коллекторы; направление: 4 – движения пластовых вод, 5 – распыленной разгрузки; 7 и 6 – пьезометрические линии соответственно нижнего и верхнего водоносных комплексов; Р_пр – приведенное давление; l – длина профиля.

Рис.7. Схема классификации геогидродинамических систем (по С.Б. Вагину, А.А.Карцеву с дополнениями и изменениями В.М.Матусевича).