5.1. Гидрогеологическая стратификация зсмб
На территории Западно-Сибирской равнины выделяется как водный резервуар – Западно-Сибирский гидрогеологический мегабассейн (ЗСМБ).
Таксонами 1-ого порядка в его составе являются сложные, наложенные друг на друга гидрогеологические бассейны: кайнозойский, мезозойский и палеозойский, каждый из которых имеет свои особенности.
Кайнозойский бассейн состоит из двух гидрогеологических комплексов:
I. олигоцен-четвертичного;
II. турон-олигоценового.
Он является открытым (в верхней части) и полураскрытым (в погруженной части). В I-ом комплексе залегают исключительно пресные подземные воды, во втором – пресные и солоноватые воды; в обоих комплексах развиты исключительно порово-пластовые породы-коллекторы. Бассейн по характеру движения подземных вод относится к инфильтрационной водонапорной системе.
Мезозойский бассейн представлен четырьмя гидрогеологическими комплексами:
- апт-альб-сеноманским;
- неокомским (валанжин-готеррив-баремский и валанжимский);
- верхнеюрским;
- нижнее-среднеюрским.
В этом бассейне пресные и солоноватые воды встречаются только в окраинных частях ЗСМБ, а преобладают соленые воды и рассолы. Породы-коллекторы представлены преимущественно порово-пластовыми структурами и, частично, трещинными. По характеру движения подземных вод вся погруженная часть этого бассейна представляет собой реликты более древних элизионных водонапорных систем (литостатических и геодинамических) и является закрытым резервуаром. Особенность мезозойского гидрогеологического бассейна состоит также в огромных масштабах проявления нефтегазоносности.
Палеозойский гидрогеологический бассейн связан с породами триас-палеозойского возраста, которые утратили гранулярные коллекторы и представлены исключительно трещинными структурами. Этот бассейн еще весьма слабо изучен, особенно в погруженной части ЗСМБ.
6. Виды воды в горных породах
Первую классификацию видов воды в горных породах дал замечательный ученый экспериментатор А.Ф. Лебедев в 1936 году с выделением 7 видов воды. Затем были и другие классификации, а последней была предложена Е.В. Пиннекером в 1980 году. Надо заметить, что предшествующие классификации смешивают два признака: физическое (агрегатное) состояние воды и виды воды по тесноте связи ее молекул с частицами горной породы. Исходя из принципа биниальности распределения материальных объектов в природе, рассмотренного нами в ряде работ, эти признаки разделены в двуединой классификации видов воды (рис. 15).
1. Вода в виде пара обладает большой подвижностью, ее содержание в воздухе составляет от долей процента до нескольких процентов (вблизи земной поверхности). Вода превращается в пар в ходе гидрологического круговорота под действием солнечного тепла, а так же на больших глубинах при температурах 100-450˚С. В районах современного вулканизма образуется пароводяная смесь – «парогидротермы» (гейзеры Камчатки , Исландии и др.). Кроме высоких температур с ними связаны высокие давления (до 218 атм.).
Классификация видов воды
а) по физическому состоянию:
б) по степени связи с частицей горной породы:
Рис. 15. Виды воды в горных породах
(по В.М. Матусевичу, 2005, с добавлением – по В.А. Кирюхину, 2008)
Перемещение пара направлено от его большей упругости к меньшей, от более влажных участков к менее влажным, от высокотемпературных к низкотемпературным. В результате конденсации пара образуется не только свободная, но и связанная вода. Для пара характерно образования молекулярных ассоциатов [(Н2О)n (где, n - 2-5 молекул)], которые адсорбируются на поверхности частиц вместе с молекулами воды. Для пара характерна особенность: он не участвует в питании растений.
2. Вода в твердом состоянии. Это - лед, который образует среди пород кристаллики, жилы или прослои, достигающие мощности в десятки метров. Различают разновидности подземных льдов: а) погребенные льды подземного происхождения; б) ископаемые льды подземного происхождения; в) льды-включения в составе горных пород (ледяной «цемент»). Жильные и пластовые тела при подтоке подземной воды «растут» и образуют «гидролакколиты» - бугры пучения. К проявлениям льда относят также «газогидраты» - соединения молекул воды с природными газами [чаще с углеводородными, иногда представляют собой промышленные залежи (на С-В Западной Сибири – Мессояхское месторождение и др.]. Встречаются так же в озере Байкал. Они могут образовываться на стенках скважин и газопроводов при высоком давлении. На поверхности они «вскипают», оставляя лужицу воды.
3. Вода в надкритическом состоянии. Это термобарический экстремум (температуры 374-450˚С, давление более 218 атм.). За пределами этих значений отсутствуют различия между жидкостью и газом. Скорость движения молекул этого субстрата как у газа, а плотность сохраняется близкой к единице, т.е как у жидкой пресной воды. Вода в таком состоянии отличается как от парообразной, так и от жидкой фаз. Водородные связи становятся еще менее прочными и происходит распад молекул Н2О, на ионы Н+ и ОН-, значительно снижается вязкость, повышается растворяющая способность . Параметры критической точки воды зависят от концентрации раствора. Например, для хлористого натрия с концентрацией 50 г/л вместо 304˚С и 218 атм. они повышаются до 430˚С и 340 атм., что подтвердили результаты испытания Кольской сверхглубокой скважины, в которой на глубине более 12 км встречены водные растворы с минерализацией 50 г/л при температуре 400˚С. Надкритическое состояние характерно для магматических расплавов с содержанием воды в них 4-10 %. В недрах земли с переходом воды из надкритического состояния в нормальное связаны увеличение объема воды ( в 1,5-2 раза) и выпадение рудных компонентов из гидротермальных растворов.
4. Свободная вода. Включает в себя воду минералов (включений) или вакуольную, а так же капиллярную и гравитационную.
Вакуольная вода заполняет вакуолы (изолированные пустоты) минералов. Это - реликты среди минералообразования, они часто имеют высокую минерализацию. Выделяются при разрушении минералов или при их нагревании.
Капиллярная вода заполняет капиллярные поры. Различают капиллярно - подвешенную (менисковую) и капиллярно-поднятую. Первая поднимается под действием силы поверхностного натяжения (менисковые силы), вторая является «сквозной» от подошвенных глин до их кровли и, в отличие от первой, передает гидростатическое давление. Полное насыщение водой всех капиллярных пор называется капиллярной влагоемкостью.
Свободная гравитационная вода – это обычная капиллярно-жидкая вода , передвигающаяся под влиянием силы тяжести и напорного градиента. Количество ее зависит от гранулометрического состава пород, их пористости и трещиноватости. В глинах ее немного, а при их уплотнении – еще меньше. В случает повышенной пористости или трещиноватости количество гравитационной воды увеличивается и преобладает над другими видами.
5.Физически связанная вода делится на прочносвязанную и рыхлосвязанную. Она отличается от свободной воды большей плотностью (1,2-1,5 г/см3 для рыхлосвязанной и 2,4 г/см3 для прочносвязанной). Температура замерзания ее может опускаться до -100˚С. Характерна для глины. Энергетические связи этой воды с частицей горных пород различны, как различна толща пленки воды (для рыхлосвязанной - это 10-20 молекул воды, а для прочносвязанной – всего 1-3 молекулы). Это так называемая «пленочная» вода, среди которой выделяется слои; по мере приближения к частице все более прочно с нею связаны. При максимальной гигроскопичности прочносвязанная вода целиком заполняет межпакетные промежутки глинистых минералов и является переходной от физически связанной к химически связанной воде («возрожденная» вода при процессах катагенеза.). Содержание ее в породах так же зависит от гранулометрического и минералогического состава пород. Пленочная вода является рыхлосвязанной и образует как бы второй слой над гигроскопической водой. Передвигается она путем выравнивания толщины пленки под действием температуры. Эта вода доступна для жизнедеятельности организмов.
Одной из разновидности физически связанной воды выступает осмотическая вода, которая образуется путем проникновения молекул воды –растворителя в диффузный слой коллоидных частиц. Она представляет собой переходную разновидность к свободной воде. Именно с этой водой связано набухание коллоидов и образование вокруг них устойчивой оболочки.
В целом физически связанная вода удаляется из породы путем высушивания, центрифугирования, отсасывания под вакуумом, отпрессовывания под большим давлением (до 5000 кг/см3). В этом случае она переходит в свободное состояние в виде т.н. «поровых» («горных») растворов. В природе эти воды являются характерными для бассейнов седиментации, где они отжимаются под действием гравитационного и седиментационного уплотнения преимущественно глинистых пород.
6. Химически связанная вода. Она входит в состав минералов, выступая в их кристаллической решетке как Н2О, ОН- , Н+ , Н3О+. Если эта вода входит в виде молекул Н2О, то она представляет собой кристаллизационную воду . Примером может служить сода Na2CO3 * 10 Н2О (64% воды). Отделение кристаллизационной воды вызывает разрушение кристаллической решетки и образование безводных соединений в результате повышения температуры не более 300-400˚С . При этом иногда дегидратация происходит не сразу, а с образованием промежуточного кристаллогидрата.
CaSO4 * 2 H2O ―> CaSO4 * H2O ( 107 ˚ C ) ―> CaSO4 ( 170 ˚ C).
Аналогично превращение минерала гипса CaSO4 * 2 H2O в ангидрит CaSO4 в результате термодегидратации. Цеолитная и конституционная вода является наиболее прочносвязанной водой с минералами, где ее количество является переменным, например, опал (SiO2 * n H2O). Выделяется эта вода при полном разрушении молекулы путем нагревания породы до красного каления (1300˚).