title-icon Статьи о ремонте
title-icon
» » Вертикальная гидрогеохимическая и гидрогеодинамическая зональность

Вертикальная гидрогеохимическая и гидрогеодинамическая зональность

Еще в 1931 г. В.И. Вернадский высказал предположение о том, что с углублением в земную кору подземные воды становятся все более концентрированными, изменяется их состав. Такая направленность гидрогеохимических преобразований с глубиной характерна для многих геологических структур. Она заключается в том, что пресные воды, залегающие сверху, постепенно переходят в солоноватые, солоноватые в соленые, а соленые в рассолы. При этом в анионном составе вод в верхней части разреза преобладают гидрокарбонаты, глубже (правда, не всегда) сульфаты, а еще глубже, как правило, хлориды. Смена катионного состава менее выдержана: в верхних горизонтах преобладают кальций и магний, а в наиболее глубокозалегающих—натрий и кальций.
Наблюдаются определенные закономерности в поведении с глубиной различных компонентов. Одни из них испытывают обычно при этом тенденцию к уменьшению содержания (железо, марганец, кремнезем, барий, многие металлы), а другие — к накоплению (бром, калий, стронций, радий и др.). Имеются компоненты (иод, органические соединения, аммоний и др.), концентрация которых сначала с глубиной увеличивается, а затем уменьшается. Другими словами можно сказать, что поведение компонентов в том или ином интервале глубин определяется физико-химической обстановкой, которая там существует. Особенно большое значение для этого имеют окислительно-восстановительные условия, которые фиксируются величиной Eh.

Значения Eh с глубиной падают, исчезает кислород, в водах накапливается азот, метан, сероводород. В определенных условиях появляется углекислый газ, тяжелые углеводороды, водород. Следует отметить, что в различных регионах в зависимости от их геологической истории, преобладающих процессов взаимодействия вода — горная порода, градиентов гравитационного, теплового и электромагнитного полей формируются свои типы вертикальной гидрогеохимической зональности, которые подробно будут излагаться в курсах гидрогеохимии и региональной гидрогеологии. Здесь же мы обратим внимание на то, что вертикальная зональность сочетается с зональностью по пласту (в направлении погружения водоносных горизонтов) (рис. 7.14). Проследив, например, за наиболее выдержанным средне-верхнекаменноугольным водоносным комплексом, мы увидим, что по мере его погружения минерализация воды увеличивается от 0,5—1 до 200 г/л и более. В то же время изолинии минерализации, как правило, секут литолого-стратиграфические границы, иллюстрируя тем самым вертикальную зональность от пласта к пласту независимо от литологического состава и возраста этих толщ. Ho этот рисунок показывает и еще одно важное обстоятельство, а именно то, что сильные структурные нарушения, например, могут существенно нарушать региональную зональность (см. участок Нёнокса). Поэтому всякие искажения зональности, азональные явления могут использоваться при решении чисто геологических задач (при картировании, поисках и разведке полезных ископаемых).
В качестве основного признака для выделения гидрогеохимических зон используется степень минерализации подземных вод. По этому признаку выделяются зона пресных вод (до 1 г/л), зона соленых вод (1—35 г/л) и зона рассолов (более 35 г/л). Сочетание зон может быть различным; чаще всего, как это показано выше, оно является прямым — зона пресных вод сменяется зоной соленых, а последняя — зоной рассолов. Ho это сочетание может быть обратным, т. е. инверсионным, когда с глубиной наблюдается уменьшение минерализации. Такие явления широко наблюдаются в районах формирования нефтяных месторождений и залежей метана. Маломинерализованные воды образуются в результате дегидратации глин, а также конденсации воды в углеводородную газовую фазу из исходных сильносоленых вод и рассолов. Гидрогеохимическая зональность может быть и сложной, когда наблюдается пестрота в изменении минерализации вод с глубиной. Такие явления характерны для аридных и предгорных (внутригорных) районов.
В табл. 7.1 охарактеризованы гидрогеохимические зоны некоторых структур России. Там, где распространены соленосные отложения, широко представлена зона рассолов.

Вопрос о формировании разных типов зональности и вообще о причинах вертикальной стратификации химического состава подземных вод привлекал внимание очень многих специалистов и в 50—60-е годы был одной из центральных проблем теоретической гидрогеологии, поскольку с решением этого вопроса связывались принципы гидрогеологического картирования и принципы прогнозирования при поисках и разведке подземных вод самого разного назначения. Окончательного решения эта проблема не получила и сейчас, хотя острота ее обсуждения к настоящему времени, пожалуй, исчезла. Нам кажется, что причина здесь кроется в том, что наиболее очевидные направления возможного ее решения оказались отработанными. Все разнообразие объяснений вертикальной зональности так или иначе сводилось к двум механизмам массопереноса: конвективному перераспределению воды разной плотности в поле силы тяжести Земли и диффузионному переносу растворенного в ней вещества.
Даже поверхностное рассмотрение этого вопроса заставляет нас обратиться к так называемой вертикальной гидрогеодинамической зональности. Движение воды оказывает принципиальное влияние на формирование ее химического состава. Простая интуиция подсказывает нам, что чем длительней вода находится в контакте с горной породой как источником поступления в нее вещества, тем больше этого вещества перейдет в данный объем раствора и тем выше будет минерализация воды. Это подтверждается и основным уравнением растворения

где х — количество вещества, перешедшего в раствор; т — время; Kv — константа скорости растворения; Cн — предельное насыщение (равновесная с минералом концентрация вещества); С — концентрация раствора; F — поверхность растворения.
Коэффициент Kv зависит от многих характеристик, в частности от коэффициента диффузии, кинематической вязкости растворителя и от скорости его движения v. В схематизированном виде можно записать
Вертикальная гидрогеохимическая и гидрогеодинамическая зональность

Очевидно, что чем больше V, тем интенсивней происходит растворение и дольше поддерживается разность (Сн—С), в конечном итоге определяющая процесс растворения. Чем меньше V, тем быстрее будет расти С и уменьшаться градиент концентрации.
Если говорить более обобщенно, то суть вопроса сводится к тому, что тот или иной механизм переводит вещество из вмещающей среды в воду согласно закону равновесия Гиббса

где ua' — химический потенциал вещества в растворе; uas — химический потенциал этого же вещества в твердой фазе.
Вещество двигается из фазы, где его химический потенциал больше. Отток вещества, контролируемый скоростью конвективного переноса раствора, поддерживает разницу потенциалов u, а значит, и поступление вещества. При этом раствор не достигает равновесной концентрации по веществу.
Можно ожидать, что вертикальная гидрогеохимическая зональность должна сопровождаться вертикальной гидрогеодинамической зональностью, заключающейся в том, что с глубиной скорость движения воды, а значит, и интенсивность водообмена закономерно уменьшаются. В пользу существования такого явления говорят и некоторые косвенные факты. Установлено, что в среднем с глубиной пористость и трещиноватость горных пород уменьшаются, следовательно, уменьшается и их проницаемость. Кроме того, с увеличением глубины ухудшаются условия дренирования пород. И здесь даже не нужны специальные подсчеты. Достаточно взглянуть на физико-географическую карту любого района, чтобы увидеть, что малых рек значительно больше, чем рек крупных, а протяженность границы суша—океан существенно меньше, чем протяженность всех рек. Понятно, что малые реки дренируют лишь самую верхнюю часть суши, так как имеют неглубокие врезы. Крупные реки дренируют уже значительно большие массы пород, но, чтобы достигнуть этих дрен, подземным водам приходится преодолевать огромные расстояния. Общим же базисом дренирования всей суши является уровень Мирового океана, но возможности достижения подземными водами этого уровня весьма условны и часто даже теоретически требуют огромных временных промежутков.


В целом вопрос о вертикальной гидрогеодинамической зональности чрезвычайно сложен и решение его еще не доведено даже до всеми приемлемой концептуальной модели. Однако некоторые общие положения можно считать устоявшимися. К ним относятся представления о зонах активного, затрудненного, (сравнительно активного) и весьма затрудненного (замедленного) водообмена (табл. 7.2), развивающие учение о вертикальной зональности подземных вод, разработанное Н.К. Игнатовичем.
Многочисленные гидрогеологические исследования по этим зонам показали, что в основном интенсивность водообмена в них контролируется геолого-тектонической историей развития региона. Активный тектонический режим предопределяет и активный водообмен.

title-icon Подобные новости