Зональность химического состава глубоких напорных вод на платформах, в краевых прогибах и межгорных впадинах

Теперь рассмотрим вертикальную зональность подземных вод, которая свойственна водам, залегающим более глубоко, чем грунтовые, и которые не связаны так непосредственно с поверхностными факторами, как грунтовые.

Впервые факт изменения химического состава подземных вод с глубиной отметил С.Н. Никитин в 1900 г. Он обратил внимание на рост минерализации воды с глубиной и с увеличением расстояния от области питания в Московском артезианском бассейне. Впоследствии проблема гидрогеохимической зональности — одна из кардинальных проблем гидрогеологии — изучалась многими исследователями.

Рассматривая вертикальную гидрогеохимическую зональность надо иметь в виду одно существенное обстоятельство, на которое обратил внимание М.Е. Альтовский. Нужно различать два вида вертикальной зональности. Один из них наблюдается при бурении скважин, когда мы последовательно пересекаем наслаивающиеся друг на друга водоносные горизонты. Ее следует называть вертикальной зональностью наслоения. Второй относится к отдельным водоносным горизонтам, или пластам, в которых по их падению отмечается изменение минерализации и состава вод. Это так называемая пластовая гидрогеохимическая зональность. По Альтовскому именно второй вид имеет наибольшее значение при изучении вопросов формирования химического состава подземных вод.

В природе, как правило, не наблюдается чётких и резких границ между различными гидрогеохимическими зонами; химический состав вод особенно по пласту изменяется постепенно. Зоны могут выделяться по величине минерализации, ионному составу, газовому составу и другим гидрогеохимическим характеристикам.

Под гидрогеохимической зоной принято понимать часть бассейна подземных вод (или водоносного пласта), относительно однородную по химическому составу вод, в пределах которой принятый за основу выделения зон гидрогеохимический показатель (или сумма показателей) изменяется в сравнительно узких, условно устанавливаемых границах.

Так, известный pоссийский гидрогеолог И.К. Зайцев выделил такие зоны подземных вод по величине минерализациии:

зона А — пресных вод (М до 1 г/кг),

зона Б — солёных вод (М от 1 до 35 г/кг),

зона В — рассолов (М > 35 г/кг).

Выделенные таким образом гидрогеохимические зоны подразделяются на гидрогеохимические подзоны в соответствии с классификацией подземных вод по величине минерализации. Например, в зоне солёных вод выделены подзоны солоноватых (1–3 г/кг), слабосолёных (3–10 г/кг) и сильносолёных (10–35 г/кг) вод. Рассолы разделены на:

на весьма слабые 35-70 г/кг

Слабые 70–140

Крепкие 140-270

Весьма крепкие 270–420

Предельно насыщенные более 420

Гидрогеохимические зоны объединяются в гидрогеохимические пояса. Под гидрогеохимическим поясом понимается то или иное сочетание зон, отражающее гидрогеологический разрез на всю мощность осадочного чехла бассейнов (или такая часть геологической структуры, для которой характерно развитие от фундамента до поверхности Земли одной и той же последовательности гидрогеохимических зон или одной гидрогеохимической зоны). Гидрогеохимические пояса могут быть одно–, двух– и трёхзональными.

Зоны могут сменяться друг другом по вертикали в разной последовательности. В том случае, когда минерализация подземных вод последовательно увеличивается с глубиной, говорят о прямой гидрогеохимической зональности или о нормальном гидрогеохимическом разрезе. Часто встречаются аномальные гидрогеохимические разрезы, которые характеризуются либо обратной зональностью (гидрогеохимическая инверсия), когда наблюдается уменьшение минерализации вод с глубиной, либо переменной зональностью, когда нет строго определённого изменения минерализации с глубиной.

В верхней части осадочного чехла Белорусской антеклизы, сложенной терригенными породами с возрастом от антропогена до живетского яруса среднего девона включительно, залегают пресные воды гидрокарбонатного кальциевого и магниево–кальциевого состава с минерализацией 200–400 мг/л. Глубже в терригенных и карбонатных с прослоями гипса эйфельского яруса среднего девона, силура, ордовика и кембрия встречаются сульфатные, хлоридно– и гидрокарбонатно–сульфатные, сульфатно– и гидрокарбонатно–хлоридные солоноватые и солёные воды с переменным катионным составом и минерализацией от 1,6 до 8,2 г/л. Ещё глубже, в верхнепротерозойских песчано–алевролитовых породах, которые залегают на кристаллическом фундаменте, установлены хлоридные натриевые воды и рассолы с минерализацией 21–55 г/л. Таким образом, здесь мы имеем дело с нормальным гидрогеохимическим разрезом, или с прямой гидрогеохимической зональностью.

Прямая гидрогеохимическая зональность отмечается также практически по всему мощному (более 4 км) разрезу осадочного чехла Припятского прогиба, где в верхней зоне — от четвертичных отложений до пород батского яруса юры залегают пресные гидрокарбонатные кальциевые воды, а начиная с надсолевого комплекса (пермь, карбон, девон) появляются уже хлоридные рассолы, минерализация которых возрастает с глубиной, а катионный состав становится всё менее натриевым и всё более кальциевым. И только в самых низах осадочного чехла на глубинах свыше 4400–4500 м намечается тенденция к некоторому уменьшению минерализации.

Классическим примером района с инверсионным типом гидрогеохимического разреза является Южно–Каспийский бассейн. Здесь, на Апшеронском полуострове, в разрезе неогеновых отложений минерализация подземных вод уменьшается от 92 г/л на глубине 100–500 м до 17 г/л на глубине 2200–2500 м. При этом химический тип вод изменяется от хлоридного натриевого до хлоридно–гидрокарбонатного натриевого. В Западной Туркмении минерализация воды сверху сниз уменьшается от 200 г/л (плиоцен) до 40 г/л (мел).

В качестве примеров бассейнов с переменной зональностью можно назвать Ангаро-Ленский, Ферганский, Кара-Кумский, Кура–Араксинский на Кавказе и Гангский в Индии.

В Кура–Араксинском бассейне в четвертичных отложениях минерализация составляет — до 150 г/л, в акчагыл–апшеронских (до глубины 50–380 м) — до 1 г/л, в тех же отложениях на глубине 500–900 м — до 40 г/л, в отложениях миоцена (до глубины 3,5 км) — до 200 г/л.

В Гангском бассейне в аридных условиях в четвертичных отложениях у поверхности формируются воды с минерализацией до 25 г/л, но уже на глубине 10 м минерализация падает до 1 г/л. В нижележащих палеоген–неогеновых отложениях минерализация изменяется так: на глубине 2012 м — 1,1 г/л, 2225 м — 3,3 г/л, 3012–3120 м — 5,6–6,2 г/л, 3758 м — 1,4 г/л.

Наиболее распространённой является прямая вертикальная гидрогеохимическая зональность. Этот тип зональности (иногда осложнённый инверсией минерализации) в целом характерен для древних платформ, например Восточно–Европейской. Здесь гидрогеохимические зоны по существу совпадают с гидрогеодинамическими зонами, выделенными Н.К. Игнатовичем.

В верхней зоне — зоне активного водообмена мощностью 50–300 м — залегают пресные гидрокарбонатно-кальциево-магниевые воды.

Зона замедленного водообмена, простирающаяся до глубины 1–2 км, характеризуется водами сложного смешанного состава хлоридно сульфатно гидрокарбонатыми натрий-кальций-магниевыми. В специфических гидродинамических условиях в этой зоне иногда наблюдаются элементы инверсии, когда под сульфатными кальциевыми водами залегают менее минерализованные, а иногда и пресные воды.

В нижней зоне — весьма затруднённого водообмена (глубже 1–2 км) — залегают, главным образом, рассолы хлоридного натриевого состава, в наиболее глубоких частях некоторых бассейнов переходящие в хлоридные кальциево–натриевые, натриево–кальциевые и кальциевые рассолы с минерализацией более 300 г/л. В подошве этой зоны в некоторых бассейнах наблюдается снижение минерализации.

Каковы же общие закономерности в распространении того или иного типа гидрохимической зональности глубоких вод?

В основном выводы сводятся к следующему:

1. Наиболее распространена прямая вертикальная гидрогеохимическая зональность, при которой минерализация повышается сверху вниз и соответственно меняется ее химический состав. Этот тип характерен для бассейнов, имеющих подземный сток в сторону морей и океанов.

2. Обратная вертикальная гидрогеохимическая зональность менее распространена по сравнению с прямой. Она наблюдается преимущественно в бассейнах внутриматерикового стока, а также в бассейнах со стоком в сторону океанов, но расположенных в аридных районах.

3. Бассейны с переменной зональностью также связаны в основном с областями внутриматерикового стока и в бассейнах со стоком в сторону океанов, они обычно имеют в разрезе соленосные и гипсоносные отложения или характеризуются неравномерной засоленностью пород по разрезу.

4. Классификация типов зональности и отнесение к ним конкретных бассейнов являются в некоторой степени условными из-за неравномерной и недостаточной изученности многих бассейнов. При этом следует учитывать и разные сочетания пластовой зональности в различных водоносных горизонтах и комплексах одного и того же бассейна, влияющие и часто определяющие зональность напластования. Так, вторжением пресных подземных вод из внешних областей питания объясняют распространенное явление, когда прямая вертикальная зональность преобразуется в обратную и переменную.

5. Во многих бассейнах отсутствует средняя зона сульфатных вод, не во всех бассейнах на максимально достигаемых глубинах установлены хлоридные кальциевые рассолы; минерализация воды в бассейнах области внутриматерикового стока в целом выше, чем в бассейнах других областей стока; зоны максимальной минерализации чаще всего совпадают с наличием в разрезах соленосных отложений; при прочих равных условиях чем древнее породы внутренних областей бассейнов, тем выше минерализация формирующихся в них вод и сложнее их гидрогеохимический разрез.

6. Вертикальная гидрогеохимическая зональность наблюдается в бассейнах:

–содержащих как пресные, так и соленые воды и рассолы;

–сложенных породами любого возраста, состава и генезиса;

–находящихся в зоне умеренного, обычного и недостаточного увлажнения, в области развития криолитозоны.

Таким образом, зональность имеет широкое региональное распространение, в связи с чем остается справедливым определение явления гидрогеологической зональности как одного из основных гидрогеологических законов.