Основные типы месторождений подземных вод

В основе классификации месторождений подземных вод лежат те же принципы, что и для других месторождений полезных ископаемых: по целевому назначению воды, структурно-геологическим и гидрогеологическим условиям месторождений.
По целевому назначению можно выделить шесть типов месторождений подземных вод.
1. Месторождения подземных вод для питьевого и хозяйственного водоснабжения. С каждым годом растет потребность в использовании подземных вод для питьевого водоснабжения. Люди всегда стремились селиться по берегам рек или озер, которые и служили основным источником пресной питьевой воды. Ho постепенно все больше появлялась необходимость строить населенные пункты вдали от водотоков и водоемов, например вблизи месторождений полезных ископаемых, при лесоразработках, при большой перенаселенности местности. Кроме того, в результате интенсивного развития промышленности многие реки и озера оказались настолько загрязненными, что их вода либо требует дорогостоящей очистки, либо вообще не может быть использована для питья. Наконец, существует еще одна сторона этой проблемы: в случае радиоактивного или химического загрязнения поверхностных вод города и поселки должны быть готовы к переходу на снабжение, подземными водами. Из сказанного ясно, насколько актуальной является разведка и оценка эксплуатационных запасов месторождений пресных питьевых подземных вод даже для территорий, обеспеченных чистой поверхностной питьевой водой.
2. Месторождения подземных вод для технического водоснабжения. С развитием промышленности все более и более разнообразные и часто жесткие требования предъявляются для воды, используемой в промышленности. Так, для паровых котлов требуется мягкая вода, содержащая минимальные количества солей кальция и магния (иначе образуется накипь на стенках котлов), а также несодержащая излишнего количества соды (иначе происходит быстрое вспенивание воды); для охладительных установок требуется вода с постоянной температурой; в лесообрабатывающей промышленности могут использоваться подземные хлоридные натриевые рассолы и т. д. Задача поисков и разведки технических подземных вод с необходимыми физико-химическими параметрами все чаще ставится промышленностью перед гидрогеологами.
3. Месторождения подземных вод для сельскохозяйственного водоснабжения. Наиболее остро вопрос об организации водопоя скота и получении воды для полива земель стоит для засушливых районов. Требования к качеству этой воды значительно менее жесткие, чем для питьевой. Часто могут использоваться солоноватые воды с минерализацией до 2—3, а иногда и до 8—10 г/л. Эксплуатационные запасы таких вод во многих районах бывают большими, чем пресных вод, но и их поиски и разведка требуют постановки специальных поисково-разведочных гидрогеологических работ.
4. Месторождения подземных вод для лечебного водоснабжения. Использование минеральных вод для лечения людей известно с глубокой древности. Уже в VI в. до нашей эры в Греции существовал курорт Эпидавр на источнике с железистыми водами. Coвременная медицина насчитывает несколько десятков типов лечебных минеральных вод, каждый из которых может формироваться только в определенных гидрогеологических условиях и определенной физико-химической обстановке. Формирование месторождений лечебных минеральных вод является отдельным разделом современной гидрогеологии, а поиски и разведка каждого из таких типов минеральных вод имеет свою интересную гидрогеологическую специфику.
5. Месторождения промышленных подземных вод. Так называют воды из которых можно извлекать промышленно ценные компоненты; такие воды можно назвать жидкими рудами. В настоящее время из подземных вод извлекают большую часть мировых запасов брома и иода. Кроме того, из подземных вод можно извлекать каменную соль, мирабилит, соду, бор, литий, цезий, рубидий, стронций, радий и ряд других компонентов. Извлечение из подземных вод каменной соли известно с глубокой древности. В России соляные промыслы на подземных соленых водах и рассолах существовали уже в XII в. Теперь имеются более дешевые источники соли, но зато из подземных вод научились извлекать другие полезные ископаемые (прежде всего иод и бром) и поиски и разведка подземных вод, содержащих достаточные концентрации этих компонентов, стали важным видом гидрогеологических исследований. На оценке содержания в водах рудных и других компонентов основано проведение гидрогеохимических поисков месторождений полезных ископаемых.
6. Месторождения энергетических (термальных) подземных вод. В областях современного вулканизма издавна известны источники, температура воды которых достигает 80—100 °С. Первая электростанция на таких источниках была построена в Италии еще в 1914 г. В настоящее время такие электростанции существуют в Новой Зеландии, Японии, России (Паужетская на Камчатке). Широко используются термальные воды для обогрева небольших поселков, теплиц, в плавательных бассейнах. Совсем не обязательно, чтобы термальные воды выходили на поверхность. На территории многих артезианских бассейнов (Западно-Сибирский, Терско-Кумский и др.) такие воды могут быть подняты с глубин до 2—4 км буровыми скважинами. Пока еще подземные воды для получения тепловой энергии используются недостаточно. В ближайшие годы объем гидрогеологических работ по поискам и разведке месторождений таких вод будет возрастать.
Отметим еще несколько важных особенностей подземных вод как полезного ископаемого.
1. Одни и те же типы подземных вод могут одновременно эксплуатироваться в разных целях. Так, термальные воды в Италии используются как энергетические, лечебные и промышленные (для извлечения борной кислоты); соленые воды Старой Руссы сначала использовались как промышленные (для извлечения каменной соли), а с первой четверти XIX в. как лечебные; питьевые воды при их значительных эксплуатационных запасах могут одновременно использоваться для сельскохозяйственных целей.
2. Опасна иллюзия неограниченности запасов подземных вод. При интенсивной эксплуатации всегда может наступить момент, когда большего количества подземной воды извлечь из недр невозможно. Поэтому к запасам подземных вод, особенно питьевых, надо относиться рачительно, бережливо.
3. Качество подземных вод может изменяться в процессе их эксплуатации, причем причины изменения качества могут быть совершенно различными. В одних случаях это — подток подземных или поверхностных вод (из другого водоносного горизонта, из других частей эксплуатируемого водоносного горизонта, из реки, озера, моря); в некоторых случаях химический состав подземных вод регулируется скоростью протекающих в недрах химических реакций (например, на некоторых месторождениях сероводородных вод) и усиление эксплуатации будет отставать от продуцирования нужного нам компонента; в ряде случаев состав подземных вод регулируется поступлением с большой глубины газов (чаще всего CO2), усилить поток которых мы при всем желании не сможем.
4. Подземные воды могут быть одновременно и полезным, и вредным ископаемым (например, при обводнении горных выработок). Воды, извлекаемые при различных осушительных работах надо по возможности использовать для нужд человека. Очень часто воды, поднятые на поверхность при осушении шахт и карьеров, используются для орошения, технических нужд, а иногда (после необходимой очистки) и для хозяйственно-питьевого водоснабжения. К такому комплексному решению водной проблемы всегда должен стремиться инженер-гидрогеолог.
Месторождения подземных вод формируются в самых разнообразных структурно-геологических условиях, которые в значительной степени предопределяют и эксплуатационные запасы подземных вод, и их качество, и условия эксплуатации. Главными типами гидрогеологических структур являются артезианские бассейны, гидрогеологические массивы и вулканогенные бассейны.

Для артезианских бассейнов (рис. 10.1) характерны пластовые воды, накопление, движение и разгрузка которых в значительной степени определяются переслаиванием водоносных и водоупорных пород. Водообильность горизонтов зависит здесь в первую очередь от фильтрационных свойств пластов осадочных пород. Наибольший интерес с точки зрения формирования месторождений подземных вод представляют горизонты крупнозернистых песков, трещиноватых песчаников, закарстованных известняков, глубина залегания которых может изменяться от десятков метров до нескольких километров. С глубиной, как правило, фильтрационная способность водовмещающих пород в артезианских бассейнах снижается.
Важной особенностью артезианских бассейнов является существование вертикальной гидрогеохимической зональности. В большинстве бассейнов с глубиной пресные воды сменяются солеными и рассолами. Поскольку мощность осадочных толщ для большинства артезианских бассейнов измеряется многими сотнями метров и километрами, здесь четко проявляется и вертикальная гидрогеотермическая зональность и на значительных глубинах появляются термальные воды, температура которых может достигать 100 и даже 200—350 °С. Кроме того, для артезианских бассейнов, расположенных в областях молодого и современного вулканизма, характерно появление в подземных водах вулканических газов или газов, поднимающихся из зон термального метаморфизма пород (прежде всего, СО2), существенно влияющих на химический состав подземных вод и предопределяющих возможность формирования ряда характерных их месторождений (рис. 10.2).

Из сказанного ясно, что в артезианских бассейнах могут формироваться самые различные месторождения подземных вод, практически все перечисленные выше типы месторождений. В гидрогеохимической зоне пресных вод (зоне А) образуются месторождения подземных вод для питьевого, хозяйственного, технического, сельскохозяйственного водоснабжения. Эти месторождения локализуются на участках, где водоносные горизонты обладают наиболее высокими фильтрационными показателями; глубины их обычно не превышают нескольких сотен метров и только в редких случаях (например, на юго-востоке Западно-Сибирского артезианского бассейна) достигают 1—2 км.
В отдельных случаях с зоной А могут быть связаны и месторождения лечебных минеральных вод. Так, на участках, где водовмещающие породы обогащены органическим веществом и органогенным углекислым газом, часто встречающиеся в породах железистые минералы образуют соли двухвалентного железа, повышенное содержание которых характерно для лечебных железистых минеральных вод. В районах молодого вулканизма могут встречаться пресные углекислые воды.
Для гидрогеохимической зоны соленых вод с минерализацией до 35 г/л (зона Б) наиболее характерны месторождения лечебных минеральных вод. Их отдельные типы могут быть очень многочисленны, Только по соотношению главных компонентов (хлориды, сульфаты, гидрокарбонаты, натрий, магний, кальций) насчитывается несколько десятков типов лечебных минеральных вод, широко используемых на курортах или же разливаемых в бутылки. Кроме того, в зоне Б часто формируются воды, содержащие представляющие бальнеологический интерес специфические компоненты. При восстановлении сульфатов образуются ценные сероводородные воды (рис. 10.3); разрушение радиоактивных минералов ведет к накоплению в подземных водах радона (рис. 10.4); поднимающийся с больших глубин метаморфогенный или вулканический углекислый газ может формировать месторождения углекислых минеральных вод. Поскольку для хозяйственных, технических, сельскохозяйственных целей часто используются не только пресные, но и солоноватые воды (с минерализацией до 10 г/л), с зоной Б могут быть связаны месторождения и этих типов подземных вод.

В гидрогеохимической зоне рассолов (зона В), минерализация которых может изменяться в широких пределах (от 35 до предельно возможной около 650 г/л), распространены главным образом месторождения промышленных подземных вод. Большая часть рассолов седиментационного происхождения с минерализацией выше 150—200 г/л содержит промышленные концентрации брома (более 250 мг/л). Рассолы меньшей минерализации во многих регионах (например, Западно-Сибирский, Приазовский артезианские бассейны) содержат промышленные (более 18 мг/л) концентрации иода. Набольший интерес представляют месторождения рассолов, содержащих промышленные концентрации одновременно обоих компонентов (иодо-бромные рассолы), встречающиеся, например, в Западно-Туркменском артезианском бассейне.

Гидрогеологические массивы (рис. 10.5) характеризуются достаточно сложными гидрогеологическими условиями. Здесь преобладают плотные метаморфические и изверженные породы и основными путями движения подземных вод являются трещины. В зоне выветривания коренных пород, мощность которой может достигать первых десятков метров, формируются месторождения пресных подземных вод, которыми можно обеспечить небольшие населенные пункты. Большой интерес в гидрогеологических массивах представляют зоны тектонических нарушений; в этих зонах могут формироваться месторождения трещинно-жильных пресных питьевых вод. В гидрогеологических массивах молодых складчатых областей тектонические нарушения играют важную роль в формировании различных типов лечебных минеральных вод. По разломам с больших глубин поднимается углекислый газ, формируя месторождения углекислых минеральных вод (рис. 10.6). С крупными тектоническими нарушениями обычно связаны месторождения термальных вод, газирующих азотом (азотные термы), формирующихся на больших глубинах и поднимающихся на поверхность по разломам. На больших глубинах при высоких температурах и давлениях эти воды обогащаются из вмещающих пород кремнеземом, фтором, радоном, сероводородом, в результате чего формируются разнообразные лечебные минеральные воды, например, на таких широко известных курортах, как Кульдур на Дальнем Востоке или Белокуриха на Алтае (рис. 10.7).

С третьим типом гидрогеологических структур — вулканогенными бассейнами — также связаны различные типы месторождений подземных вод (рис. 10.8). Наибольшей водообильностью характеризуются эффузивы неогенового и четвертичного возраста, сохраняющие зоны интенсивной трещиноватости и пористости, связанные с неравномерным застыванием лавы; с этими зонами могут быть связаны месторождения пресных питьевых подземных вод.
В районах современной вулканической деятельности в вулканогенных бассейнах вблизи вулканических очагов образуются месторождения залегающих близко к поверхности или выходящих на поверхность термальных энергетических вод [например, Паужетское и Мутновское (рис. 10.9) месторождения на Камчатке], интенсивная эксплуатация которых только начинается.

Рассматривая основные разновидности гидрогеологических структур и связанные с ними типы месторождений подземных вод, видимо, отдельно можно выделить месторождения подземных вод, связанные с некоторыми разновидностями четвертичных отложений, перекрывающих коренные породы в разных типах гидрогеологических структур. Наибольший интерес среди таких месторождений представляют аллювиальные отложения речных долин (рис. 10.10) и отложения предгорных конусов выноса (рис. 10.11).

Огромные объемы аллювиальных галечников, крупных песков, накапливающиеся в речных долинах, аккумулируют значительное количество воды. Мощность формирующихся в речных долинах водоносных горизонтов может достигать десятков, а иногда и нескольких сотен метров; в большинстве случаев эти горизонты содержат пресную воду хорошего качества, а значительные отрезки речных долин являются месторождениями питьевых, хозяйственных, технических, сельскохозяйственных вод. Эксплуатационные запасы подземных вод таких месторождений велики, и этот тип месторождений является наиболее перспективным. Одной из главных особенностей таких месторождений является то, что по мере сработки статического уровня при эксплуатации месторождений усиливается пополнение эксплуатационных запасов водоносных горизонтов за счет инфильтрации воды из реки. При этом часто одновременно эксплуатируются и водоносные горизонты коренных пород (рис. 10.12, 10.13). Поскольку речные долины являются главным базисом разгрузки подземных вод крупных регионов, по бортам долин могут появляться источники, дренирующие глубокие водоносные горизонты, вода которых может представлять бальнеологический интерес, т. е. в речных долинах могут располагаться и месторождения лечебных минеральных вод; эксплуатационные запасы таких месторождений обычно значительно ниже, чем пресных питьевых вод.

Другой разновидностью четвертичных отложений, в которых формируются крупные запасы пресных подземных вод, являются предгорные конуса выноса, которые образуются при выходе горных рек на предгорные равнины. Накапливающиеся в предгорьях огромные пролювиальные шлейфы, сложенные галькой, гравием, валунами, обломочным материалом, глинами, соединяясь между собой, образуют значительные по площади скопления рыхлых пород, мощность которых может изменяться сотнями метров. Такие шлейфы хорошо известны в предгорьях Памира, Тянь-Шаня, Koпетдага, Кавказа. Для пролювиальных отложений характерно по-степенное уменьшение размеров обломков по мере удаления от гор, переслаивание материала разного гранулометрического состава, преобладание глинистого материала на участках соединения отдельных конусов. Поскольку главная область питания водоносных горизонтов располагается на высоких отметках, отдельные горизонты обладают напором, причем для глубоких водоносных горизонтов положение пьезометрической поверхности обычно более высокое. Производительность водозаборов, эксплуатирующих водоносные горизонты конусов выноса, может достигать очень высоких значений (нескольких сотен тысяч кубических метров в сутки), и для предгорных равнин эта вода является важнейшим источником питьевого и сельскохозяйственного водоснабжения.