Шляхи утворення підземних вод

Підземні води утворюються як за рахунок виникнення молекул води під землею, тобто всередині твердої частини планети, так і за рахунок проникнення вод в гірські породи із зовнішніх геосфер – гідросфери і атмосфери. В першому випадку підземні води ендогенні, в другому – екзогенні.

Ендогенні підземні води утворюються в гірських породах і магматичних осередках за рахунок різних хімічних реакцій, а також при дегідратації мінералів та деяких інших процесах. Ендогенні води мало вивчені.

Екзогенні підземні води попадають в гірські породи під час процесів осадконакопичення (седиментації), або шляхом проникнення у вже сформовані гірські породи (як осадові, так і магматичні чи метаморфічні). У першому випадку води називаються седиментаційними, у другому – інфільтраційними.

Седиментаційні води утворюються за рахунок водойм, в яких відбувається накопичення мінеральних осадків, тобто головним чином за рахунок морських та озерних вод.

Інфільтраційні (у широкому розумінні) води утворюються за рахунок атмосферних вод, що випадають у вигляді атмосферних осадків, а також за рахунок річкових, озерних, морських вод, які проникають в породи.

Надходження води із атмосфери і гідросфери відбувається шляхом :

1) інфільтрації ( просочування) в пористі грунти;

2) інфлюації (проникнення в породи по відкритих порожнинах, тріщинах);

3) у формі пари з наступною конденсацією пари в порах порід.

У першому випадку утворюються інфільтраційні води, у вузькому розумінні, в другому - інфлюаційні води, в третьому – конденсаційні.

Встановлено, що найбільше значення мають власне інфільтраційні води.

Для інфільтраційних вод розрізняють:

а) субаеральну (наземну) інфільтрацію – проникнення в породи атмосферних вод;

б) субаквальну (підводну) інфільтрацію – просочування в породи води річок, озер і морських басейнів.

Основну роль відіграє наземна інфільтрація.

Поряд із поділом екзогенних підземних вод на седиментаційні та інфільтраційні слід поділяти їх також на таласогенні– морського генезису і метеогенні – атмосферного генезису. Основна маса седиментаційних вод є таласогенними, а основна маса інфільтраційних – метеогенними. Особливе положення займають відродженіводи. До них головним чином відносяться води, які виділяються із хімічно зв’язаного стану при дегідратації мінералів (дегідратаційні води). Переважно ці води виділяються із мінералів осадового походження – глинистих мінералів, цеолітів, різних гідроокислів та ін. Отже, їх можна віднести до седиментаційних вод.

До числа відроджених вод відносяться також води конденсаційного характеру, які пройшли парову фазу під дією глибинного тепла. Вони можуть виникати із вод будь-якого генезису.

Таким чином, відроджені води повинні бути виділені в особливу категорію, яка розташована між екзо- і ендогенними водами, але в переважаючій своїй масі відноситься до седиментаційних вод. Схема генетичної класифікації підземних вод представлена на рисунку 6.1.

Рисунок 6.1 – Генетична класифікація підземних вод

Ендогенні, седиментаційні, відроджені та інфільтраційні води, рухаючись в породах, можуть перемішуватись різним чином і в різних пропорціях. Води в породах можуть мати змішане походження.

Вияснити походження води того чи іншого водоносного горизонту, особливо з числа глибокозанурених, часто буває нелегко, тим більше, що вміст розчинених у воді речовин також може мати складне походження і може піддаватися різноманітним змінам.

6.3 Ендогенні води

Седиментаційні води

Седиментаційні води – це води, які знаходяться в осадових породах вже з моменту їх утворення і навіть “раніше”. На стадії раннього діагенезу, коли майбутні осадові породи представлені ще неущільненими мулами, майбутні седиментаційні води просочують ці мули у вигляді “мулових вод” (або мулових розчинів). Частина води у водоймі захоплюється осадками, які накопичуються у вигляді мулової води, пізніше захоронюється під новими шарами осадків. В деяких мулах вміст води досягає 80-90 %. Після того в результаті тиску перекриваючих шарів і ущільнення мулу відбувається перетворення їх в породи, а вміст води в мулах починає зменшуватись. Ущільненню піддаються також і утворені з мулу глини аж до перетворення їх у сланці. При цьому пористість зменшується.

На рис. 6.2 зображений графік, який характеризує ущільнення глин (з роботи Н.Б. Вассоєвича). Крива на рисунку показує, що пористість глин по мірі збільшення глибини їх захоронення швидко спадає. Так, на глибині 400-500 м вона складає коло 35%, на глибині 2000м вона вже менше 20 %, на глибині 3000 м – менше 10%.

Рисунок 6.2 – Криві ущільнення глинистих порід

( за Н.Б. Вассоєвичем і Дж. Уеллером)

У результаті ущільнення мулу і глин, седиментаційні води, які в них знаходяться, витискаються.

На муловій та ранньодіагенетичній стадіях в тонкозернистих відкладах є вільна вода. Вона видаляється в першу чергу. За даними В. Д. Лантадзе і В. Ф. Лінецького це відбувається на глибинах до 200-400 м. Залишена у водоупірних глинах частина седиментаційної води утворює різноманітні зв’язані форми (сорбційно-замкуту ліосорбовану та ін.) При подальшому опусканні і ущільненні починають витискатися і зв’язані води, аж до адсорбованої і кристалізаційної (на дуже великих глибинах близько 3000 м і більше). При цьому вони перетворюються на вільні води.

Витиснена вода спочатку може повернутися у водойму, де відбувається осадконакопичення. Надалі вона відтискається в колекторські пласти, переважно піщані, які залягають між ущільненими шарами глин. В піщаних пластах від самого початку їх утворення також знаходиться седиментаційна вода. Але вона поступово поступається місцем водам, що вичавлюються із глин і відтискаються, оскільки геостатичний тиск в шарах глин у два і більше рази перевищує гідростатичний тиск в практично нестиснених колекторах. Геостатичний тиск в глинах, передаючись на вміщені в них води, утворює в цих водах геостатичний тиск, що набагато перевищує гідростатичний тиск в колекторах. В подальшому рух вод в колекторах відбувається у відповідності до гідравлічного нахилу, спрямованому від місць найбільшого прогину і витискання до місць відносно меншого прогину і витискання вод із глин.

Витискання седиментаційних вод в колектори відбувається ще і на глибинах 3000 м. Воно може відбуватись також і тоді, коли в колекторах будуть знаходитись вже води іншого походження – інфільтраційні. І в такому випадку в колекторах можуть утворюватись суміші вод різного походження.

На початку свого існування седиментаційні води мають той самий склад, що і води водойми, з якої води походять. Частіше за все це нормальна морська вода.

Вже в донних мулах відбуваються процеси, що змінюють склад вод: катіонний обмін, відновлення сульфатів, розкладання органічних речовин, утворення колоїдних гідратів. Ці процеси продовжуються і надалі там, куди попадають седиментаційні води. Склад останніх поступово змінюється.

Седиментаційні води без значних домішок вод іншого генезису зберігаються в глинах у вигляді зв’язаних вод, а також у вміщених в глинах піщаних лінзах та ін.

Відроджені води

Відроджені води, як вже було сказано вище, в головній своїй масі утворюються (звільняються, “відроджуються”) при дегідратації седиментаційних мінералів, а отже, залягають поруч із седиментаційними водами. Найбільша кількість відроджених вод з’являється при перебудові структури глинистих мінералів, в основному при перетворенні монтморилоніту (який містить до 24% води) в іліт та інші гідрослюди (вміст як правило не перевищує 10% води) – за рахунок звільнення міжшарової води глинистих мінералів.

Процеси перетворень глинистих мінералів при катагенезі і супроводжуючі їх процеси виділення хімічнозв’язаних вод в останні роки привертали увагу багатьох дослідників. Зокрема, Н.І. Хітаров та В.А. Пугін, використовуючи експериментальні дані і матеріали геологічних спостережень, переконливо показали, що перетворення монтморилоніту в гідрослюди з виділенням міжшарової води може відбуватись в широкому діапазоні глибин в залежності від геотермічних умов. На рисунку 6.3 представлена розроблена цими авторами схема глибин можливого збереження і перетворення (з гідратацією) монтморилоніту в залежності від геотермічного градієнта, в яку внесені деякі доповнення. На схемі видно, що при підвищених геотермічних градієнтах поява відроджених вод за рахунок дегідратації монтморилоніту можлива вже на глибинах 2-3 км. На малюнку штриховою лінією показана границя зон стійких станів гідрослюд і монтморилоніту. Заштриховане поле гідрослюдизації монтморилоніту в осадочних басейнах (Т<200ºС).

Розрахунки показують, що при дегідратації глинистих мінералів можуть з’являтися маси відроджених вод, які досягають досить значних величин, таким чином їх гідрогеологічна роль дуже суттєва. При вирішенні питань формування підземних вод їх необхідно враховувати.

Суттєво і те, що відроджені води з’являються також і за рахунок інших седиментаційних мінералів – глинистих мінералів немонтморилонітового характеру, цеолітів, гідроокислів, гіпсу та ін. А отже, загальна кількість відроджених вод ще більша.

Рисунок 6.3 – Схема зональності перетворення монтморилоніту в гідрослюди( за Н.І. Хітаровим і В.А.Пугіним)

На початковій стадії свого існування відроджені води цілком позбавлені розчинних речовин – зовсім “чисті”. Це обумовлює їх підвищену розчинну здатність, агресивність. Така властивість частково визначається також зміною структури молекул самої води при переході із хімічнозв’язаного стану у вільний. В результаті відроджені води повинні відносно швидко розчиняти мінеральні та органічні компоненти оточуючого середовища, поступово вирівнюючись у відношенні хімічного складу із присутніми там вільними водами. При цьому відроджені води, які виникають за рахунок дегідратації глинистих мінералів, відрізняються тим, що отримують частину іонів (катіонів) вже всередині самих мінералів, тобто раніше інших типів відроджених вод (наприклад, які з’явилися за рахунок цеолітних вод опалів, кристалізаційної води гіпсу та ін.) стають розчинами.

Конкретно простежити і представити процес формування хімічного складу відроджених вод є досить складно і поки що неможливо. Не слід забувати, що до числа відроджених вод відносяться і води, які виділяються при дегідратації мінералів магматичного і метаморфічного генезису, головним чином, за рахунок конституційної води цих мінералів. Ці води важко відокремити від ендогенних.

Інфільтраційні води

Інфільтраційні води проникають в гірські породи вже після їх утворення, причому часто в породи, які вже заповнені водою іншого походження або інфільтраційною ж водою, але більш древнього віку. Тільки у випадку наземної інфільтрації в еолові відклади та елювій, інфільтраційні води можуть поступати в осади, які ще не були водонасиченими від початку їх формування. Величина субаеральної інфільтрації або підземного стоку залежить від клімату, рельєфу рослинності, складу порід, які є на даній ділянці земної поверхні.

Для окремого річкового чи озерного басейну величина підземного стоку входить у рівняння водного балансу басейну:

, (6.1)

де – атмосферні опади;

– випаровування;

– поверхневий стік;

– підземний стік.

З рівняння (6.1) маємо:

(6.2)

Всі величини, які входять до правої ча стини рівняння (6.2) піддаються прямому заміру: кількість атмосферних опадів та випаровування – за допомогою простих метеорологічних приладів, поверхневий стік – гідрометрично, за втратою ріки в самій нижній її течії. Маючи ці дані, можна обчислити величину підземного стоку.

Ускладнення полягає в тому, що окрім втрати води басейном за рахунок підземного стоку, може відбуватися попадання підземних вод із сусідніх річкових басейнів. Тому в цілому величина підземного стоку для окремого басейну може мати як позитивний, так і від’ємний знак (що і відображено у рівнянні (7.1). Крім того, води, які стікають під землю в одних частинах басейну, можуть повертатися в ріку в інших частинах того ж басейну; в результаті далеко не вся інфільтрація буде впливати на баланс.

Через вказані ускладнення визначення величини інфільтрації представляє великі труднощі. Запропоновано ряд спеціальних методів, але всі вони не дають достатньо задовільних результатів.

Розрахунок інфільтрації атмосферних опадів виконується за формулою:

, (6.3)

де – кількість води в мм, яка просочилася за рік;

– кількість атмосферних опадів, що випали за рік, в мм;

– коефіцієнт інфільтрації;

– площа області інфільтрації, в мм².

Точне визначення коефіцієнта інфільтрації а є досить важкою задачею. За даними Н.А. Плотнікова величини коефіцієнта інфільтрації коливаються від сотих долі до 0,4 і, ймовірно, більше.

А.М. Овчинніков вважає можливим орієнтовно приймати, що в середньому (для всієї суші) інфільтрація складає коло 10% від суми всього стоку (підземного і поверхневого).

Сприяють інфільтрації такі чинники - велика кількість атмосферних опадів, незначне випаровування, плоский рельєф (утруднює поверхневий стік), висока проникність порід. У випадку, наприклад, закарстованих вапняків відбувається інфлюація, вода немов провалюється під землю, поверхневий стік може зовсім бути відсутнім. Там, де глини мають суцільний розвиток, інфільтрації може зовсім не бути.

Інфільтраційні води, проникнувши в породи, починають рухатись в них спочатку у вигляді грунтових вод, а пізніше як артезіанські води. Інфільтраційна вода атмосферного походження на самому початку свого підземного існування є, як правило, прісною і майже не вміщує розчинних речовин. По мірі свого просування по породах вона починає збагачуватися іонами, солями і газами за рахунок вилуговування порід, діяльності організмів, а в арідному кліматі – частково також за рахунок випаровування (континентальне засолення). В подальшому рух інфільтраційної води в глибину зазвичай поступово сповільнюється, на її склад починають сильно впливати окисно-відновні реакції, пізніше катіонний обмін, інфільтраційний ефект та інші фізико-хімічні процеси, а також, можливо, домішки вод іншого походження. Мінералізація інфільтраційних вод поступово зростає, а іонно-сольовий та газовий склад їх поступово змінюється.

Особливий випадок становить підводна інфільтрація - річкова (коли грунтові води живляться за рахунок рік) і морська. Морська інфільтрація в корінні породи, коли відбувається заміна присутніх в них вод іншого походження на морську воду, не має великого значення, оскільки при трансгресії море перекриває породи, вже заповнені водами, а для витіснення останніх морською водою, як правило, не створюється достатнього перепаду напорів.

Інфільтраційна морська вода за складом ідентична седиментаційній воді морського генезису, в подальшому її перетворення відбувається подібним чином.

Поиск по сайту: