Материал: Водоносные коллекторы и водоупоры горных пород

) песчано-глинистых рыхлых пород с порово-пластовыми водами;

) осадочно-вулканогенных покровов или толщ с трещинно-пластовыми и пластово-трещинными водами;

) песчано-глинистых сцементированных пород с трещинно-пластовыми водами;

) карбонатных образований с трещинно-пластовыми или карстово-пластовыми водами;

) соленосных толщ, содержащих межсолевые водоносные горизонты пластового типа.

Иногда в разрезе чередуются несколько водоносных формаций сходного типа, разделенных регионально выдержанными водоупорами. В частности, такая картина свойственна разрезу крупнейшего в мире Западно-Сибирского артезианского бассейна.

.2 Закономерности локализации подземных вод в горных породах

Подземные воды заключены в пористых или трещиноватых проницаемых породах (рис. 3.1), которые пропускают воду при наличии перепада давления. Их называют водоносными в отличие от водоупорных пород. Последние не пропускают или очень слабо пропускают воду, разделяя или подстилая породы с заключенными в них подземными водами.

Рис. 3.1 Основные типы пористости горных пород (Мейыцер, 1935].

- рыхлая, с хорошо отсортированными зернами и высокой пористостью; 2 - рыхлая, с плохо отсортированными зернами и малой пористостью:.3 - хорошо сортированная, состоящая из пористых галек и имеющая высокую пористость; 4 - со сниженной вследствие образования цемента пористостью; 5 - кавернозная, пористость которой увеличилась результате выщелачивания; 6 - с пористостью, обусловленной развитием трещин.

Согласно изображенной на рис. 3.2. гидрогеологической классификации горных пород, водоносные породы в зависимости от водопроницаемости представляют гидрогеологический коллектор, а водоупорные - гидрогеологический изолятор. В земных недрах закономерности локализации подземных вод предопределяются прежде всего такими водно-коллекторскими свойствами пород, как пористость и водопроницаемость.

Объем всех пустот в породе правильно называть скважностью пли пустотностью, но его чаще именуют пористостью (см. рис. 3.1.). Для движения воды важное значение имеют размеры пустот и их со-общаемость друг с другом, а не только общая величина пористости. Скажем, глины, пористость которых достигает 50-60%, практически не пропускают подземные воды, а песчаные или трещиноватые породы уже при пористости 10% - хорошие проводники. Дело в том, что для глин характерны субкапиллярные поры (диаметр менее 0,0002 мм), в которых вода не может передвигаться и которые большей частью изолированы друг от друга.

Породы, относящиеся к коллекторам, характеризуются капиллярными (0,0002-0,1 мм) и сверхкапиллярными (более 0,1 мм) просветами поровых каналов. Подземные воды передвигаются главным образом по сверхкапиллярным порам, однако гидростатическое давление способно передаваться и через капиллярные поры, в которых движение воды происходит под влиянием сил поверхностного натяжения. В крупных, как правило, лишенных капиллярной влаги пустотах подземные воды передвигаются под влиянием сил гравитации и разности напоров.

Рис. 3.2 Гидрогеологическая классификация горных пород (Stepnovic, 1902)

Поры горных пород могут быть сообщающимися (открытыми) и изолированными (закрытыми). Полный объем открытых и закрытых пор независимо от их величины, формы и взаимного расположения - общая (абсолютная) пористость. Она выражается отношением объема всех пор к объему всей породы. Для гидрогеологических целей важна не общая, а так называемая динамическая (эффективная) пористость - отнесенный к общему объему породы объем открытых пор, через которые происходит перемещение жидкости при обычных в природе градиентах напора. Динамическую пористость чаще всего и имеют в виду, когда говорят о пустотности (скважности) горных пород.

Динамическую пористость не следует путать с открытой пористостью, характеризующей все открытые поры. Движение жидкости происходит не по всему объему открытых пор, поскольку часть порового пространства, например на стыках частиц, занята всегда капиллярной, рыхло- или прочносвязанными разновидностями воды. Открытая пористость по величине всегда больше динамической.

Проницаемость - свойство горных пород пропускать через себя жидкости и газы при наличии градиента давления. Гидрогеологов интересует, прежде всего, водопроницаемость, от которой зависят фильтрационные свойства пород-коллекторов. Количественно проницаемость оценивается коэффициентом проницаемости, а водопроницаемость - коэффициентом фильтрации.

Единица проницаемости - 1 Д (дарси) - численно отвечает проницаемости образца породы длиной 1 см с площадью поперечного сечения 1 см², через который при падении давления на 1 атм протекает 1см³/с жидкости с вязкостью 0,001 Па∙с. Коэффициент проницаемости, имеющий размерность м/сут, м/с и т. д., представляет скорость фильтрации при напорном градиенте, равном 1.

Как видно из табл. 3.1, для пресных подземных вод при температуре 20°С проницаемость в 1 Д ориентировочно соответствует коэффициенту фильтрации 0,85-0,9 м/сут.

Горные породы могут быть весьма проницаемыми (коэффициент проницаемости от 10 до нескольких сотен тысяч миллидарси), полупроницаемыми (10-0,1 мД) и практически непроницаемыми (менее 0,1 мД). Более подробное деление приводится в табл. 3.1.

К проницаемым породам относятся галечники, отсортированные пески и песчаники, кавернозные карбонатные и трещиноватые кристаллические породы. Поровое пространство, занимающее обычно 10-40%, равномерно распределено по объему породы и принадлежит преимущественно сверхкапиллярньтм или крупнокапиллярным порам. Поры других размеров имеют подчиненное значение, на физически связанную воду приходится очень небольшая часть объема пор.

Полупроницаемы неотсортированные породы (песчано-глинистые осадки, песчаники с глинистым цементом, меловидные известняки и т. д.) с неравномерной пористостью (поры большей частью мелко- и субкапил-лярные.)

Практически непроницаемыми считаются породы с субкапиллярными или закрытыми порами (глины, аргиллиты, невыветрелые сланцы, плотные кристаллические породы). Однако совершенно непроницаемые породы в природе отсутствуют. При значительных перепадах давлений водопроницаемыми могут быть даже толщи глин мощностью несколько десятков метров. Более того, известны случаи, когда через такие толщи «продавливались» вместе с водой растворенные вещества. При «нормальных» гидравлических градиентах миграция растворенных веществ через водоупоры возможна по механизму молекулярной диффузии.

Таблица 3.1 Средине значения коэффициентов фильтрации и водопроницаемости некоторых горных пород для условий движения пресных вод с температурой 20°С (по Н. А. Плотникову)

В определенных термодинамических или гидрогеологических условиях с учетом геологического времени водопроницаемыми становятся и глинистые породы. При господствующих в верхней (до глубины 2-5 км) части земной коры температурах и давлениях породы со значениями коэффициента фильтрации менее 0,1-0,001 мД могут считаться достаточно надежным водоупором. По мнению Г. Я. Богданова и В. М. Кононова, глинистые толщи следует считать водоупорными при мощности более 10м. Хорошим водоупором являются мерзлые породы.

С глубиной, по мере роста давления, пористость и проницаемость горных пород уменьшаются. Правда, бывают и исключения, когда на глубинах 3-6 км встречаются песчаники или известняки, пористость которых составляет 1,5-20%. Однако в целом она па таких глубинах на порядок меньше, чем в верхних горизонтах.

По водно-коллекторским свойствам осадочные (а также осадочно-вулканогенные) породы резко отличаются от кристаллических (магматических и метаморфических) пород. Рассмотрим их раздельно.

.3 Систематика подземных водоносных систем

Емкости подземных вод различного таксономического ранга могут быть охарактеризованы размером (объемом), строением (формой), составом и свойствами. Естественно, какой-то один признак не даст четкого представления о геологическом теле, содержащем воду. Даже разграничение гидрогеологических резервуаров по нескольким ведущим признакам не способно учесть всех факторов распределения, перемещения и формирования подземных вод.

Следуя структурно-вещественному принципу разграничения, который в гидрогеологии именуется структурно-гидрогеологическим, мы получим наиболее полный набор признаков. Применительно к систематике подземных водоносных систем он должен учитывать, по крайней мере, следующие признаки: 1) размер и строение геологического тела. 2) вещественный состав пород, определяющий характер распределения подземных вод, 3) особенности питания, стока и разгрузки подземных вод.

Самое мелкое подразделение резервуаров (совокупность водосодержащих пор или трещин) образует коллекторы простой или сложной формы с более или менее однородным распределением подземных код.

В осадочных породах сочетание обводненных пор, иногда и трещин дает водоносный горизонт, или комплекс. В кристаллических породах, содержащих регионально-трещинные воды, резервуаром аналогичного ранга служит водоносная зона трещиноватости. Как в чехле, так и особенно в фундаменте протяженные каналы, каверны и полости, заполненные водой, образуют резервуар жильного типа, называемый водоносной зоной нарушений.

В чехле находятся преимущественно коллекторы поровой и пластовой структуры. Наоборот, фундамент отличается коллекторами трещинной и жильно-трещинной структуры.

Рис. 3.3 Соподчиненность природных емкостей подземных год, их размеры и соответствующие им градации гидрогеологического районирования

Гидрогеологические резервуары более высокого порядка на рис. 3.3 имеют обобщенное название бассейн пластовых вод и массив трещинных вод. В них коллекторы чередуются с водоупорами. Бассейну свойственно чередование по разрезу осадочных пород водоносных пластов и комплексов. Массив представляет выход на поверхность или горное поднятие чаще всего кристаллических пород, которые состоят из водоносных зон трещиноватости и жил.

Эти емкости подземных вод хорошо противопоставляются друг другу, чего нельзя сказать при пользовании распространенными терминами «артезианский бассейн» и «гидрогеологический массив». В самом деле, артезианский бассейн по определению, данному К. Кейльгаком, есть не что иное, как система напорных вод, которая включает в себя и внешнюю область питания, т. е. склоны массива. Гидрогеологический массив, по Н. И. Толстихину (1962),- массив трещинных вод. Выходит, противопоставляя систему напорных вод (артезианский бассейн) массиву трещинных вод (гидрогеологическому), резервуары подземных вод сравниваются по различным признакам - напору и коллекторским свойствам пород. Если же названия давать по сопоставимым и противопоставляющимся друг другу признакам, то логичнее пользоваться терминами «бассейн пластовых вод» и «массив трещинных вод». Тогда, кстати, гораздо проще решается вопрос о проведении границы бассейна с массивом.

Бассейн и массив значительных размеров и сложного строения, в отличие от простого бассейна и простого массива, могут рассматриваться как сложный бассейн и сложный массив.

Сложный бассейн пластовых вод образует обширное платформенное или межгорное погружение, отвечающее синеклизам, перикратонным опусканиям и орогенным прогибам - межгорным или краевым (предгорным). Для его строения характерно сочетание нескольких простых по форме бассейнов - сочлененных или наложенных, местами разделенных поднятиями фундамента, разобщенных по верхним и единых по нижним горизонтам осадочного чехла или наоборот.

К сложному массиву трещинных вод относится сочетание более или менее простых по форме массивов (горных хребтов, складчатых поднятий или изолированных интрузий), объединяемых территориально в анти-клинорий складчатого сооружения, группу интрузивных тел или выступ фундамента платформы. Имея сходные условия распределения подземных вод, простые массивы в таком гидрогеологическом резервуаре непосредственно сочленяются друг с другом, а иногда разделяются внутригорными впадинами.

Подземные водоносные системы более высокого порядка включают крупные геологические тела: на платформах - плиты и щиты, а в геосинклинальных (складчатых) регионах - геосинклинальные системы (ветви складчатости) и срединные массы (устойчивые срединные массивы). При этом обособляются группы бассейнов (см. рис. 3.3.)- система бассейнов пластовых вод, группы массивов - система массивов трещинных вод или сложное сочетание массивов и бассейнов, которое именуется системой массивов и бассейнов подземных вод. Эти подразделения резервуаров подземных вод отличаются от сложных бассейнов и массивов не только размерами, но и степенью сложности структурного плана. Им присущи также, иные гидрогеологические особенности, проявляющиеся в общности питания, движения и формирования подземных вод каждой системы.

В таксономическом отношении система бассейнов пластовых вод эквивалентна артезианской области И. К. Зайцева и II. И. Толстихина. но представляет собой не пространственное понятие «область», а объемное - «емкость подземных вод». Точно так же система массивов трещинных вод и система массивов и бассейнов подземных вод имеют много общего с гидрогеологической складчатой областью тех же авторов. Здесь также площадное наименование заменено на объемное.

Система бассейнов отвечает плите - опущенной части платформы, которая вмещает несколько сложных бассейнов пластовых вод, разделенных поднятиями или выступами кристаллического фундамента. Иногда к системе бассейнов относятся сочетание плит и краевых прогибов. Системой бассейнов пластовых вод может быть назван и чехол крупных срединных масс - «остаточных платформ» внутри складчатых регионов.

К системе массивов относятся приподнятые цоколи древних платформ - кристаллические щиты. Очевидно, сюда же принадлежат некоторые геосинклинальные системы, в пределах которых отсутствуют артезианские бассейны пластовых вод.

Но чаще крупное горно-складчатое сооружение, называемое геосин-клинальной системой, как гидрогеологический резервуар представляет систему массивов и бассейнов подземных вод. В нее входят массивы трещинных и бассейны пластовых вод, причем последние имеют, как правило, подчиненное значение. Иногда щиты образуют также систему массивов и бассейнов подземных вод, если в их строении принимают участие наложенные впадины.

Крупнейшими геологическими телами, которые выделяются по структурным признакам и вещественному составу пород, являются платформы, занимающие устойчивые территории, и геосинклинали-мобильные регионы складчатости в пределах горных сооружений. Как емкость подземных вод платформа представляет гидрогеологический кратоген, а геосинклиналь (складчатое сооружение) - гидрогеологический «ороген» (Пиннекер, 1977). Термины «кратоген» как представление об устойчивости (по-гречески «кратос» - сила, крепость) и «ороген»- синоним складчатости и горообразования («орос» - гора) характеризуют крупнейшие подземные водоносные системы (см. рис. 3.3), хорошо различающиеся по истории подземных вод.

Гидрогеологический кратоген - сочетание систем бассейнов и систем массивов (иногда с наложенными бассейнами). Подобными емкостями подземных вод служат древние платформы. Но это понятие, вероятно, нельзя распространять на молодые платформы, выходы фундамента которых входят в геосинклинальные (складчатые) регионы. Ведь молодые платформы сами по себе представляют геосинклинали, перекрытые платформенным чехлом. Правильнее ограничиться выделением систем бассейнов пластовых вод.

К гидрогеологическому орогену относится резервуар подземных вод, который включает часть планетарного подвижного пояса, т. е. совокупность геосинклинальных форм, связанных общностью структурного плана и возрастом создавшей их складчатости. Поэтому под гидрогеологическим орогеном надо понимать сочетание систем массивов и бассейнов подземных вод, образующих единые в геолого-структурном отношении территориально обособленные геосинклинальные (складчатые) регионы.