4.1.1. Процессы формирования состава подземных вод

Основными процессами формирования состава подземных вод являются: выщелачивание пород, обменные реакции между водами и породами, окислительно-восстановительные реакции, гидратация и дегидратация минералов, фильтрационный и осмотический эффекты в растворах, концентрационная диффузия, гравитационная дифференциация растворов, смешение подземных вод различных генетических типов.

Выщелачивание – частичное или полное растворение различных солей и минералов при фильтрации подземных вод через породы. Одновременно с растворением всегда идет процесс концентрационной диффузии – медленное перемещение ионов от мест с большей концентрацией в места с меньшей концентрацией. Особенно ощутим этот процесс при ничтожно малых скоростях движения подземных вод. Воздействие СО₂ значительно повышает растворяющую способность водных растворов не только по отношению к карбонатам, но и к силикатам и алюмосиликатам. В случае наличия темноцветных минералов (роговая обманка, пироксен, биотит) воды обогащаются Mg, Fe, Ti, Cr, Ni и др.

Рис. 11. Генетическая классификация подземных вод

(по Е.В. Пиннекеру).

Катионный обмен – процесс замещения катионов вод катионами и адсорбированными коллоидными минералами (отрицательно заряженными, так называемый поглощенный комплекс горных пород:

2Na⁺ + (Ca)= Ca⁺⁺ + 2Na

(раствор) порода раствор порода

По мнению А.Е. Ходькова, М.Г. Валяшко и др. большее значение имеет обмен не натрия, а магния на поглощенный кальций.

Mg⁺⁺ + (Сa) = Ca⁺⁺ + (Mg)

(раствор) порода раствор порода

Обменных реакций существует довольно много (альбитизация плагиоклазов и других силикатов, доломитизация известняков и др.)

Фильтрационный и осмотический (мембранный) эффект.

Известен как эффект Коржинского. Представляет собой явление отставания вещества от растворителя при фильтрации через полупроницаемую среду – “мембрану”. Это явление имеет частично электрическую природу: в зависимости от заряда фильтра происходит преимущественное отставание анионной или катионной части раствора. В любом случае это ведет к уменьшению минерализации подземных вод по мере их продвижения через “мембрану”. В природе роль мембран могут играть слабопроницаемые алевролиты, маломощные глины и др. При “продавливании” вод из песков через глины, минерализация вод должна возрастать.

Гравитационная дифференциация растворов.

Гипотеза К.В. Филатова, согласно которой сделана попытка на основе природного расслоения вещества объяснить наличие вертикальной гидрогеохимической зональности. Однако эта гипотеза была раскритикована на страницах научных журналов. В частности необъясненным остаётся с этих позиций наличие инверсий гидрогеохимической зональности и снижение минерализации подземных вод с глубиной в элизионных водонапорных системах.

5. Гидрогеологическая стратификация

Это расчленение разреза подземной гидросферы на таксономические единицы различного масштаба. В основу гидрогеологической стратификации положено разделение горных пород на водоносные и водоупорные.

Водоносные (водопроницаемые) – породы, содержащие свободную воду и способные пропускать ее через себя и отдавать под действием силы тяжести. Сюда относятся галечники, гравеллиты, слабосцементированные конгломераты и песчаники, пески, алевролиты, известняки, трещиноватые магматические и метаморфические породы.

Водоупорные (водонепроницаемые) – породы, которые весьма слабо пропускают или вообще не пропускают через себя воду и не отдают ее в природных условиях. Это – глины, тяжелые суглинки, плотный торф конечных стадий разложения, глинистые сланцы, аргиллиты, каменная соль, гипс, мергели, а также все плотные магматические и метаморфические породы.

Таксономическими единицами гидрогеологической стратификации являются: водоносный горизонт (пласт) с линзами, прослоями пропластками, водоносный комплекс, гидрогеологический комплекс (этаж) (Рис. 12).

Водоносный горизонт (ВГ)- относительно выдержанная и единая в гидродинамическом отношении толща (пласт, слой) водопроницаемых горных пород, поры, трещины или пустоты которых заполнены свободной гравитационной водой. Чаще всего он сложен однородными или близкими по литолого-фациальному составу и фильтрационным свойствам отложениями. Водоносный горизонт может быть однослойным, двухслойным и многослойным (рис.13). В последнем случае должна быть общая гидравлическая поверхность (свободная или пьезометрическая). По характеру залегания и режиму выделяются водоносные горизонты грунтовых ненапорных и напорных вод и артезианских вод (рис. 14).

Водоносный комплекс (ВК) – выдержанная в разрезе и имеющая региональное распространение водонасыщенная толща одновозрастных или разновозрастных и разнородных по составу пород, ограниченных сверху и снизу водоупорными пластами, что обеспечивает присущие данному комплексу определенные особенности гидродинамического и гидрогеохимического режима вод. Водоносный комплекс может включать

Рис. 12. Типовая схема строения водоносного комплекса:

1-водопроницаемые породы, 2- водоупорные породы, 3-5 – пьезометрические уровни соответственно I, II и III водоносных горизонтов, 6 – направление движения подземных вод, 7- область питания водоносного комплекса, 8- родник нисходящий (зона разгрузки).

Рис. 13. Водоносные горизонты:

а) водоносный горизонт двухслойный

б) водоносный горизонт многослойный

где, К – коэффициент фильтрации: К₃ >К₂>К₁

несколько водоносных горизонтов. В отличие от водоносного горизонта здесь напоры могут меняться в зависимости от степени гидравлической связи.

Гидрогеологический комплекс (ГК) – выделяется гидрогеологами Западной Сибири (Гидрогеология СССР, т. 16) на основе водоносных комплексов, но с включениями в их состав всех водоупорных толщ. В нефтегазовой гидрогеологии Европейской России выделяют «водоносный» (для безнапорных) и «водонапорный» (для напорных вод) комплексы.

Гидрогеологический этаж – совокупность водоносных комплексов, ограниченных мощными регионально выдержанными в пределах водонапорной системы толщами водоупорных пород.

Рис. 14. Типовая схема залегания водоносных горизонтов:

1-водоносные горизонты, (а-верховодка, б- грунтовые воды, в-артезианские воды), 2-водоупорные породы, 3- уровень ненапорных вод, 4- пьезометрический уровень напорных вод, 5- направление движения подземных вод, 6- родник грунтовых вод