title-icon
Яндекс.Метрика
» » Гидрогеологическая стратификация

Гидрогеологическая стратификация

Разработкой гидрогеологической стратификации занимались многие гидрогеологи. В последние 20—30 лет этим вопросам посвящены работы А.С. Рябченкова, М.Е. Альтовского, Н.И. Толстихина, И.К. Зайцева, Н.А. Маринова, Н.М. Фролова и других. Используя принципы гидрогеологической стратификации анализируется система вода—порода. Существует несколько подходов к такому анализу. Важно при этом правильно выбрать наиболее существенные признаки для гидрогеологической стратификации изучаемых объектов, наметить их иерархическую связь на основе заданных критериев.
К таким главным признакам относятся способность пород принимать, пропускать и отдавать воду, т. е. их коллекторские или водоупорные свойства, а также гидродинамическая общность объектов, положение границ и размеры рассматриваемых геологических тел. Кроме этих основных признаков могут использоваться также и дополнительные гидрогеологические критерии распознавания гидрогеологических объектов. К ним относятся, например, вещественный состав, происхождение и возраст пород, свойства и состав подземных вод и др. Дополнительные признаки, как сказано выше, лишь уточняют некоторые особенности объектов, но не классифицируют их.
Основными единицами гидрогеологической стратификации по мере укрупнения изучаемых гидрогеологических объектов являются: слой, горизонт, комплекс. В соответствии с классами коллекторов и водоупоров эти объекты могут быть в разной степени водоносными (хорошо, средне, слабо) и водоупорными (слабо, хорошо). Кроме того, могут быть встречены водопроницаемые породы, не содержащие гравитационных вод (неводонасыщенные породы), которые также могут образовывать слой, горизонт, комплекс.
Исходя из сказанного, можно дать некоторые определения.
Водоносный слой — это слой пород (чаще всего одновозрастный), характеризующийся однородностью литолого-фациального состава, выдержанностью по мощности и по распространению, сравнительной однородностью фильтрационных и емкостных свойств. Тесная гидравлическая связь внутри пласта обеспечивает образование общей поверхности подземных вод.
Водоносный горизонт — это один или несколько водоносных слоев, залегающих между водоупорами или между зоной аэрации и водоупором и характеризующихся общностью условий формирования, движения и разгрузки подземных вод. Водоносный горизонт обладает гидродинамической самостоятельностью, которая проявляется в тесной взаимосвязи гидростатического или геостатического напора во всех слоях. Слабоводопроницаемые и водоупорные породы имеют в водоносном горизонте подчиненное значение. Породы, слагающие водоносный горизонт, могут иметь различный литолого-фациальный состав и обладать изменчивостью фильтрационных и емкостных свойств.
Водоносный комплекс — это несколько водоносных горизонтов, разделенных слабопроницаемыми или водоупорными породами и обладающих общностью условий формирования ресурсов и состава подземных вод. Хотя каждый из входящих в водоносный комплекс водоносных горизонтов обладает гидродинамической самостоятельностью, они между собой гидравлически связаны. Эта связь проявляется как в перетекании подземных вод из одного горизонта в другой, так и в общности условий питания, движения и разгрузки подземных вод.
Слабоводоносный слой (горизонт) сложен породами с низкими фильтрационными и емкостными свойствами, залегающими между водоупорами или между зоной аэрации и водоупором. Слабоводоносные породы заметно замедляют конвективный тепло- и массообмен. Слабоводоупорный (относительно) слой (горизонт) сложен породами с плохими фильтрационными и емкостными свойствами. Он затрудняет конвективный тепло- и массообмен, гидравлическую связь между водоносными слоями (горизонтами), но не исключает полностью возможность перетекания подземных вод через него.
Водоупорный комплекс — это переслаивание нескольких водоупорных горизонтов с водоносными слоями (горизонтами) небольшой мощности. Водоупорный комплекс обычно представляет собой региональный водоупор, изолирующий друг от друга выше- и нижележащие водоносные горизонты (комплексы). Водоносные слои (горизонты), принадлежащие водоупорному комплексу, имеют общие условия формирования внутрипластовых давлений, гидродинамического, гидрохимического и температурного режима.
Водопроницаемый слой, но не водоносный (горизонт, комплекс) сложен водопроницаемыми породами, в которых гравитационная вода в основном отсутствует. Гравитационная вода могла насыщать породы раньше, до того как водоносный горизонт оказался осушенным. Вода может находиться в таких слоях (горизонтах, комплексах) временно, например во время инфильтрации атмосферных вод. Она может частично заполнять рассматриваемые слои при подъеме подземных вод, залегающих ниже водоносных горизонтов.
Рассмотрим два примера, иллюстрирующие подходы к выбору критериев для выделения водоносных горизонтов и комплексов. Обратимся к рис. 7.1. На нем зона А связана с песками, которые являются коллектором (по u и К), но их влажность W меньше Wп — полной влагоемкости, х. е. эта зона не насыщена водой. Попросту говоря, в ней нет гравитационной воды, а потому, будучи коллектором, она не может быть названа водоносным горизонтом. Эта зона называется зоной аэрации. Ниже нее находится зона насыщения, в породах которой влажность W=Wп. Однако в пределах рассматриваемого разреза в зоне насыщения выделяется три литологически разных слоя — пески, глины и трещиноватые известняки, существенно отличающиеся по u и К. По этим показателям пески и известняки могут быть названы коллекторами и, поскольку они насыщены водой, области их распространения могут быть названы водоносными горизонтами. Разделяющие же их глины — это водоупорный горизонт. По несовпадению уровня подземных вод в песках (УПВ) и пьезометрической поверхности горизонта известняков (ПП-3) можно утверждать, что водоносные горизонты 1 и 3 гидравлически не связаны или их связь чрезвычайно затруднена. Структура пространства движения воды в этих горизонтах также существенно различна: в первом оно пористое, во втором — преимущественно трещиноватое. Можно ожидать, что воды этих горизонтов заметно различаются и по своему химическому составу (в известняках они более жесткие), а возможно, и по температуре (скажем, суточных ее изменений). Все это позволяет с уверенностью говорить о наличии двух водоносных горизонтов и разделяющего их водоупора на участке исследования.

Теперь представьте себе, что слой 3 сложен не известняками, а песками, как и слой 1, поверхности ПП-3 и УПВ совпадают или отличаются незначительно, а химический состав вод в слоях 1 и 3 очень близок, так же как и температура. Тогда у нас нет четких оснований считать слои 1 и 3 разными водоносными горизонтами и водоупор 2 уже можно рассматривать как внутренний водоупор одного водоносного горизонта. Возможно, что это — линза внутри слоя, хотя в пределах рассматриваемого разреза этого не видно. В связи с последним обстоятельством можно говорить и о двух водоносных горизонтах с близкими свойствами и объединить их в один водоносный комплекс вместе с разделяющим их водоупором, что вполне допустимо. Окончательный выбор из этих двух вариантов можно будет сделать при более широком площадном исследовании данного разреза, но далеко не всегда.
Еще один пример дан на рис. 7.2. К подрисуночной подписи добавим, что все дочетвертичные отложения находятся в зоне насыщения. Из литологической характеристики этих отложений видно, что все они, кроме прослоев глин в наровском горизонте, могут быть отнесены к коллекторам. Горизонты по характеристикам поля фильтрации, химическому составу воды хорошо индивидуализированы и в специальной литературе рассматриваются как самостоятельные водоносные горизонты на северо-западе Русской плиты. Однако наиболее водообильными из них являются только ордовикский горизонт и старооскольский горизонт среднего девона, которые интенсивно эксплуатируются. Для отдельных участков наровский горизонт может рассматриваться как водоупор.
Чаще всего наблюдается корреляция между гидрогеологическими и литолого-стратиграфическими подразделениями. Для осадочных толщ платформенных областей водоносный горизонт может соответствовать стратиграфическому горизонту или его части. Кроме того, выделяются водоносные свиты и водоносные серии, которые также должны занимать определенное стратиграфическое положение (ярус, отдел, система). Такой подход не всегда удается выдержать, хотя определенные связи между литолого-стратиграфическим и гидрогеологическим расчленением разреза, как правило, существуют.
Наряду с основными гидрогеологическими таксонами (слой, горизонт, комплекс) могут выделяться и более мелкие, например линзы, или более крупные, например ярусы, этажи. Такое расчленение определяется масштабом исследований, уровнем детализации или, наоборот, схематизации гидрогеологического разреза. Сочетание в плане водоносных и водоупорных пород заставляет в ряде случаев выделять локально водоносный горизонт или спорадически обводненный водоносный комплекс.
Все сказанное показывает, что у исследователя имеется большой выбор гидрогеологических моделей, среди которых он всегда может найти такую, которая в большей степени соответствует природной обстановке и решению поставленных задач. Важно еще отметить, что рассмотренные таксоны применимы для расчленения разреза осадочных пород платформенных областей, характеризующихся выдержанностью строения.
Иное положение наблюдается в горноскладчатых областях, имеющих сложное структурно-тектоническое строение и сложенных преимущественно изверженными и метаморфическими породами. В этих районах одна и та же группа пород может выполнять роль водовмещающих и водоупорных. Например, массив гранитов в зоне выветривания часто хорошо обводнен, но с глубиной водоносность пород заметно падает. Поэтому зона выветривания соответствует зоне водоносных пород, а породы, залегающие глубже нее, образуют слабоводоносную и локально даже водоупорную зону. В массиве гранитов, как и в других породах складчатых областей, широко распространены тектонические нарушения, многие из которых хорошо обводнены, образуют водоносные зоны, прослеживающиеся на значительные глубины. Таким образом, водоносность пород в горноскладчатых областях имеет более сложный характер, часто приурочена к линейно вытянутым зонам, которые по своему таксономическому положению соответствуют водоносным горизонтам. Наряду с водоносными зонами, локально и регионально выдержанными, в этих областях для расчленения гидрогеологического разреза используются также такие таксоны, как водоносные (водоупорные) комплексы и формации.
Как видно из сказанного, в осадочных породах и в породах метаморфических и изверженных наблюдается разный характер водоносности. В осадочных породах он имеет пластовый характер, что определяется обычно спокойным их залеганием, выдержанностью по площади коллекторов и водоупоров, В метаморфических и изверженных породах стратиграфический принцип расчленения гидрогеологического разреза, как правило, неприменим, поскольку распространение подземных вод в них подчиняется распределению локальной и региональной тектонической трещиноватости, а также трещиноватости выветривания. Такого рода трещиноватость обычно не подчиняется возрастным границам, часто их пересекает. Схему солодчиненности основных элементов гидрогеологической стратификации можно представить следующим образом.

Теперь рассмотрим, где и как могут быть использованы материалы гидрогеологической стратификации. Во-первых, изучение пространственного распространения гидрогеологических таксонов позволяет изучать гидрогеологические процессы и закономерности. Во-вторых, на основе гидрогеологических таксонов составляется легенда гидрогеологических карт и тем самым дается научное обоснование гидрогеологического картографирования. В-третьих, схематизация гидрогеологических условий на основе гидрогеологической стратификации является основой для создания и изучения моделей гидродинамических, гидрохимических, температурных и других полей. В-четвертых, на основе материалов гидрогеологической таксономии проводится гидрогеологическое районирование изучаемых территорий, выделение районов, различающихся по гидрогеологической обстановке. Об этом будет идти речь дальше.
Реализация основных положений гидрогеологической стратификации хорошо показана в учебном пособии И.К. Гавич и др. Пока же после знакомства с общими положениями о гидрогеологической стратификации можно дать определения трех основных по характеру их залегания в горных породах типов подземных вод, с которыми мы будем постоянно встречаться при прохождении этого и последующих курсов гидрогеологического цикла (рис. 7.3).
[center]
Верховодкой называют небольшие скопления подземных вод в зоне аэрации, залегающие на относительно водоупорных породах. Верховодка может формироваться как в четвертичных, так и в коренных породах. Водоупорами для нее могут служить линзы или прослои глинистых пород, погребенные почвы, участки со слабо развитой трещиноватостью среди трещиноватых пород, линзы мерзлых пород, слабопроницаемый «культурный слой» на территории городов. Для верховодки характерен неустойчивый гидродинамический и гидрохимический режим. В сухие периоды года или в сухие годы верховодка часто пересыхает.
Мощность горизонта верховодки обычно не превышает 1—3 м. Несмотря на небольшие запасы подземных вод, горизонт верховодки широко используется для водоснабжения индивидуальных хозяйств. Каптирующие верховодку колодцы часто за день вычерпываются, а ночью постепенно вновь наполняются.
Определение грунтовых вод впервые было дано известным русским геологом С.Н. Никитиным (1900 г.), назвавшим так воды первого от поверхности водоносного горизонта, залегающие на ближайшем к поверхности выдержанном водоупоре. Водовмещающими для горизонта грунтовых вод могут являться как четвертичные, так и коренные породы, а водоупором служит пласт водонепроницаемых пород (чаще всего глин). При формировании горизонта грунтовых вод в трещиноватых породах водоупором являются те же породы, что и водовмещающие, но на глубинах, где трещиноватость заметно затухает (обычно ниже зоны выветривания), Режим грунтовых вод в значительной степени зависит от метеорологических, геологических и геоморфологических условий территорий и существенно изменяется по временам года. Поскольку в кровле водоносных горизонтов грунтовых вод обычно отсутствует водоупор, поверхность уровня грунтовых вод, которую часто называют зеркалом грунтовых вод, свободная, ненапорная. Напор может появляться лишь на отдельных локальных участках. Мощность горизонтов грунтовых вод обычно не превышает 10—15 м, но для некоторых районов может достигать нескольких десятков метров. Грунтовые воды широко используются для водоснабжения; их достоинством является близкое залегание к поверхности, недостатком — доступность загрязнению.
Артезианскими называют подземные воды водоносных горизонтов, залегающих между водоупорными пластами. Артезианские воды формируются в структурах осадочных пород. Один из главных их признаков — наличие избыточного напора над кровлей водоносного горизонта, который может достигать десятков и сотен метров (а иногда и нескольких километров). Глубина залегания артезианских вод изменяется от десятков метров до нескольких километров. Артезианские воды могут иметь различную минерализацию, химический состав и температуру и широко используются для питьевого водоснабжения, лечебных целей, извлечения промышленно ценных компонентов, как источник тепловой энергии.

title-icon Подобные новости