книги из ГПНТБ / Бабинец А.Е. Гидрогеологические и геохимические особенности глубоководных отложений Черного моря

80 см до 70—75% на глубине 500 см. Объемный вес осадков с глу­ биной постепенно возрастает, а коэффициент пористости — с не­ значительными колебаниями уменьшается. Пластическая прочность

Ст.1629 2	2,5	8	0	Г 2 3 4 WXD	500	700		К
I	1	1	I	1 1 1 1 1 I !	1 1	1	1 г
/	1,5	А	50100150200 W		1 2	3	4	5 6 Ю 50100200РШ

Рис. 17. Водно-физические свойства глубоководных отложений, стан-, ция 1629.

также постепенно возрастает, будучи сравнительно высокой глубже 320 см. Количество прочно связанной воды с глубиной понижается.

С т а н ц и я 1926 (см. рис. 20). Влажность осадков в верхней части колонки, в интервале 0—120 см, уменьшается от 170 до 75%, т. е. более чем вдвое. В нижней части колонки (120—290 см) это происходит более плавно, от 75 до 60%. В самом низу влажность несколько повышается. Объемный вес осадков с глубиной возраста­ ет от 1,3 почти до 1,7 г/см3, пластическая прочность — с 40 до 150—

4*

51

170 г]см2. Коэффициент фильтрации уменьшается почти в три раза в интервале 0—135 см, а глубже уже почти не изменяется. Коэффи­ циент пористости также уменьшается с глубиной, причем в нижней

Ст.1921 2	' 2,5	Ь	0 1 2 3 U W300 500	700	К.
I	I '	I	I — I — I — г — I — I 1 — I — I — I — I — I — I
/	1,5	Д	50 100150 200 W 1 2 3	4 5	s Ю 50100ШРт

Рис. 18. Водно-физические свойства глубоководных отложений, станция 1921.

части колонки более постепенно, чем в верхней. Количество прочно связанной воды имеет тенденцию к уменьшению с глубиной.

С т а н ц и я 1627 (рис. 16). В интервале 50—200 см выделяют­

ся два слоя с пониженной влажностью	(около 50—60%) и три —
с повышенной. Ниже 200 см влажность	остается постоянной с не­

большим повышением на глубине 350 см (до 110%). По количеству прочно связанной воды в колонке можно выделить три слоя с повы­ шенным содержанием связанной воды (до = 3,5%) в интервалах 0—• 100, 180—200 и глубже 295 см и два — с пониженным: первый, где ш = 2 % (130—145 см), и второй с до=0,5 % (240—260 см). Объемный

52

вес осадков верхней			части колонки колеблется							в	пределах		1,3—
1,7 г/см3,	а ниже почти не изменяется. Коэффициент фильтрации в
интервале	125—140 см понижен,					в остальной			части		колонки		изме­
няется мало,		слегка	повышаясь			книзу.	Коэффициент					пористости
Ст.іт	2	Z5	S 0	1 2	3 4	W300 500		700 К
	J	1,5	A	50100 150 200 W 1			2 3	4	5	Be	Ю	50100200 Pm
	Or			I	— i	— I — I	-
===	50-		50			50\				50
' Л Ѵ У / / 7	100-		100			100				100
	150-		150			150				150,
	200-		2O0Y			200				200
	250:		250			250\				250
	300-		300			300				300
	350-		350			350				350
	400-		400			400				400
	450 -		450			450				450
	500-		500			500				500

Рис. 19. Водно-физические свойства глубоководных отложений, станция 1923.

колеблется в пределах 1—6,5 на глубине 65—160 см, ниже становится почти постоянным (2,4—2,5). Повышенная пластическая проч­ ность осадков наблюдается в верхнем слое 0—70 см и ниже 350 см (более 200 г/см2); промежуточный слой с повышенной пластической прочностью отмечается также в интервале 150—160 см.

С т а н ц и я 1629 (рис. 17). В разрезе отмечается чередование слоев с влажностью 80—100 и 125—135%. На глубине 360—390 см отмечен слой с влажностью около 180%. Объемный вес осадка в этом слое понижен—1,13 г/см3. В остальных частях колонки объемный вес колеблется в пределах 1,3—1,6 г/см3. В этом же интервале рез­ ко возрастает пластическая прочность. Количество прочно связан­ ной воды изменяется от 0,6 до 4,5%, обнаруживая некоторую

53

тенденцию к повышению с глубиной. Коэффициент фильтрации с глубиной постепенно уменьшается, хотя в интервале 500—520 см он несколько повышен. Коэффициент пористости наиболее значителен (4,20—4,30) в интервалах 65—75, 145—150, 255—260 и 510—520 см.

Ст.1918 2	2,5	§	0	1 2 3 4	W300 500	700	К
I	1	"1	I	1 1 — 1 — I — г	I — I — I — 1 — ' — >			t
1	1,5	à		50100150 200 W 1 2 3		U 5	S	W 50100 200 Pm

Рис. 20. Водно-физические свойства глубоководных отложений, стан­ ции 1918 и станции 1926 (внизу).

В остальных частях колонки, а также на глубине 580—600 и ниже 645 см коэффициент пористости минимален 1,95—2,0. По величине пластической прочности, кроме упомянутого выше слоя с максималь­ ным Р, в разрезе выделяются пять слоев с пониженной пластической прочностью (15—80 г/см2) и три — с повышенной (60—160 г/см2).

С т а н ц и я 1921 (рис. 18). По сравнению с двумя предыдущими станциями, здесь водно-физические свойства осадков по глубине изменяются менее резко. Можно выделить два слоя с повышенной влажностью в верхней части колонки (0—20 и 70—80 см), а также небольшое повышение влажности в интервале 360—370 см. На глу-

54

бине 50—60 см залегает слой с относительно низкой влажностью. В остальных частях колонки влажность осадков изменяется в пре­

делах 75—125% довольно	плавно. Объемный вес осадков колеблется
в пределах 1,2—1,6 г/см3,	причем наиболее резко в верхней части

колонки. Количество прочно связанной воды варьирует в пределах 2,7—4,2%, будучи наименьшим на средней глубине. Коэффициент фильтрации повышен в интервалах 70—150 и 340—370 см. Там же увеличивается коэффициент пористости, еще несколько изменяющий­ ся в маломощных слоях внутри этих интервалов. Пластическая прочность осадков, почти постоянная в верхнем слое и в средней части колонки, повышается на глубинах 60—70 и 360—370 см, достигая 150 г/см2.

Исследуя распределение значений водно-физических свойств осадков по глубине в разрезах колонок, можно предположить, что, с одной стороны, на свойства осадков влияют внешние причины, об­

условливающие общие тенденции	в их изменении с глубиной, а с
другой стороны — внутренние,	т. е. их	литологический состав.
Сопоставим водно-физические	свойства	с данными о составе и

структуре донных отложений на примере описанных выше станций 1627 и 1629. Здесь удельный вес скелета осадка зависит от грануло­ метрического состава. При появлении заметного количества крупно­ зернистых фракций удельный вес скелета увеличивается (1627, инт. 82—97, 130—145, 295—310 см, см. рис. 16; 1629, инт. 250— 262 и 588—600, см. рис. 17). Такая же зависимость обнаруживается и на других станциях. Количество прочно связанной воды хорошо согласуется с содержанием тонкозернистых пелитовых фракций: с увеличением их содержания в осадке возрастает количество прочно связанной воды. Это отчетливо проявляется на станции 1629 (508— 522 см, см. рис. 17). Надо отметить, что если осадок содержит повы­ шенное количество карбонатов, то количество прочно связанной воды уменьшается даже в случае преобладания тонкого пелита. Это яв­ ление обусловлено минеральным составом тонких фракций, в кото­ рых может быть много тонкодисперсных карбонатов, главным об­ разом органогенного карбоната кальция.

Влажность осадков и их объемный вес в меньшей степени зависят от гранулометрического состава. Отмечается четкая зависимость влажности и объемного веса от содержания органических веществ в осадках. Как правило, влажность повышается, а объемный вес снижается в разностях донных осадков с повышенным содержанием органического вещества. В значительной мере на влажность и объем­ ный вес осадков влияют их структура и степень диагенетического уплотнения, определяемая в основном глубиной залегания слоя. В большинстве случаев илы с тонкослоистой или микрослоистой структурой имеют повышенные влажность и удельный вес по сравне­ нию с неслоистыми разностями. Во многих случаях осадки в верх­ ней части колонок более влажные и имеют меньший объемный вес по сравнению с подстилающими слоями. Это связано с уплотнением осадков при диагенезе и выжиманием поровых вод из ниже-

55

лежащих слоев. Однако надо заметить, что при тщательном изучении распределения влажности обнаруживаются локальные повышения влажности, не объяснимые упомянутыми зависимостями (см. главу V).

Коэффициент пористости почти повсеместно уменьшается с глу­ биной. На этом фоне хорошо заметно его повышение в слоях, обо­ гащенных тонкозернистыми фракциями. С повышением содержания органического углерода также связывается некоторое увеличение пористости, особенно в тонкослоистых ил ах.

Водопроницаемость осадков в некоторой степени зависит от на­ личия в гранулометрическом спектре крупнозернистых фракций. Обычно при возрастании их доли (песка, алеврита, ископаемых остатков организмов) коэффициент фильтрации осадков повышает­ ся. В большинстве случаев он повышается в структурированных тон­ кослоистых илах. На первый взгляд, именно в них следовало бы ожидать понижения водопроницаемости, однако особенности струк­ туры слоистости приводят к обратному. Еще А. Д. Архангельский и H. М. Страхов [26] установили, что прослойки различного мине­ рального состава, обусловливающие слоистую структуру этих илов, не выдержаны по простиранию. Каждый такой микрослой можно рассматривать как пространственную сетку, состоящую из узловсгущений, агрегированных из тонкозернистых частиц, и дырокразрежений среди этих агрегатов. Такое сетчатое строение тонко­ слоистых илов, по-видимому, и обусловливает их повышенную водо­ проницаемость.

В неслоистых осадках водопроницаемость, видимо, также в ос­ новном определяется геометрическими особенностями порового про­ странства, поскольку и в этих отложениях отмечены горизонты как с повышенным, так и с пониженным коэффициентом фильтрации.

Максимальные значения пластической прочности, как правило, приурочены к тонкослоистым илам, обогащенным органическим ве­ ществом. Несколько повышенную пластическую прочность имеют черные илы, особенно залегающие в нижних частях колонки, а также илы, обогащенные карбонатным веществом. Неслоистые раз­ ности, особенно в случае повышенной влажности, обладают мини­ мальной пластической прочностью. На многих станциях можно от­ метить увеличение средних значений пластической прочности в ниж­ ней части колонок по мере уплотнения осадков.

Толща вскрытых грунтовыми трубками глубоководных донных осадков в соответствии с литолого-стратиграфической схемой H. М. Страхова расчленяется на три слоя: верхний — современные, средний — древнечерноморские и нижний — новоэвксинскне отло­ жения. После обобщения данных, полученных в результате наших исследований, можно охарактеризовать водно-физические свойства каждого из этих слоев следующим образом.

Влажность современных осадков составляет 40—180% при объем­ ном весе 2,09—1,53 г/см3; их пластическая прочность 17,4—58,5 г/см2, коэффициент фильтрации 549—751 мм/год при коэффициенте пори­ стости от 4,20 до 5,17.

56

Древнечерноморские осадки в большинстве случаев имеют влаж­ ность 80—400%, объемный вес 2,32—1,36 г/см3, пластическую проч­ ность 233—520 г/см2 и коэффициент фильтрации 400—489 мм/год при коэффициенте пористости 2,30—2,50.

Новоэвксинские осадки характеризуются вязкостью 40—140%, объемным весом 1,80—1,39 г/см3, пластической прочностью 26— 933 г/см2, коэффициентом фильтрации 277—429 мм/год и коэффи­ циентом пористости от 1,63 до 2,40.

Согласно результатам определений теплопроводности донных осадков, расчленять их по этому признаку не представляется воз­ можным. Теплопрозодность обусловлена главным образом соотноше­ нием между твердой и жидкой фазами осадка, т. е. его влажностью, а также минеральным составом твердой фазы.

Глава IV

ПОРОВЫЕ ВОДЫ ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ЧЕРНОГО МОРЯ

Поровое пространство донных осадков, образовавшихся в процессе оседания взвесей из морской воды, целиком заполнено вод­ ным раствором, генетически связанным с наддонной водой. Этот раствор мы называем поровым. В литературе встречаются и другие названия — «иловые воды», «седиментационные воды», однако, повидимому, излишне слишком конкретизировать этот термин в смысле либо литологической классификации (иловая вода — илы), либо генезиса (седиментационная вода — седиментация). Название же «поровый раствор» указывает лишь на место этой жидкости в струк­ туре породы, безотносительно к названию породы и к особенностям формирования или происхождения; таким образом, этот термин до­ статочно универсален.

Химический состав и физико-химические свойства порового рас­ твора как дисперсионной фазы донных осадков представляют зна­ чительный интерес и для гидрогеологов, и для литологов. С одной стороны, знание состава и свойств порового раствора помогает гидрогеологу при исследовании происхождения и формирования под­ земных минерализованных вод и рассолов; с другой — важно для литолога при выяснении особенностей осадочного минералообразования. Поэтому поровые воды морских донных осадков и осадоч­ ных пород пристально изучаются.

Влияние химического состава поровых растворов на химический состав подземных вод рассматривается в работах А. Е. Бабинца [27—31], особенности химического состава поровых вод морских донных осадков освещены в работах О. В. Шишкиной [249—255], Е. Д. Зайцевой [ПО—111] и др. Исследованиями С. В. Бруевича 158] было установлено наличие вод с пониженной минерализацией в донных осадках Черного моря, залегающих под слоем современных илов. Он считал их погребенными морскими Еодами древнего бас­ сейна.

Позднее в работах О. В. Шишкиной [250, 251 ] приводятся об­ ширные данные о химическом составе поровых вод в различных ти-

58

пах донных осадков Черного моря. Н. В. Тагеева и M. М. Тихоми­ рова [229] изучали распределение некоторых малых элементов и хи­ мический состав поровых вод осадков мелководной части Черного моря.

Распределение органического вещества в поровых водах исследо­ вала Н. Д. Старикова [216], содержание фтора и его распределение по глубине — О . В. Шишкина с сотрудниками [254].

Рассмотрим вкратце методику получения поровых растворов из донных осадков. Наиболее часто применяется предложенный П. А. Крюковым [133—134] для осадочных пород метод отпрессовы-

вания. Применительно	к морским донным осадкам его описала
О. В. Шишкина [249],	а позже — А. Г. Бондарь [55]. Сущность

метода отпрессовывания состоит в следующем. Образец осадка по­ мещают в цилиндрическую прессформу с фильтром в нижней части. Сверху, с помощью какого-либо пресса создается нагрузка, пере­ даваемая на образец поршнем с уплотняющей прокладкой. Образец уплотняется, а через фильтр выделяется поровый раствор.

С целью повышения производительности установки мы несколько усовершенствовали прессформу, применив два фильтра по торцам образца. Кроме того, С. П. Ольштынский совместно с сотрудником Морского гидрофизического института АН УССР В. И. Романовым получал поровый раствор из осадков с помощью центрифуги.

Сведения о применении центрифуги для выделения поровых рас­ творов из почв имелись в литературе [126], однако для получения достаточного количества раствора потребовалось сконструировать соответствующие приспособления к серийным образцам центрифуг.

Наиболее подходят для выделения порового раствора из морских осадков лабораторные центрифуги со стаканами емкостью не менее 0,25 л и скоростью вращения ротора 2000—5000 об/мин. Наиболее простыми приспособлениями для выделения порового раствора ока­ зались перфорированный опорный диск и вкладыш из пластиковой тонкоячеистой сетки (капроновая ткань типа «мельничный газ»).

Метод центрифугирования был опробован нами на образцах дон­ ных осадков Гвинейского залива в первом рейсе НИС «Академик Вернадский» (табл. 6).

При вращении ротора центрифуги со скоростью 5000 об/мин в образце развивается давление около 50 кГ/см2 и за 30 мин выделя­ ется около половины содержащейся в нем влаги. Относительное ко­ личество выделившегося в результате центрифугирования порового раствора увеличивается. Отклонение от такой закономерности от­ мечается для осадков, содержащих значительное количество крупно­ зернистых фракций. Например, образец из интервала 3—15 см (см. табл. 6), содержащий около 52% пелитовой фракции, выделяет в виде порового раствора 51% всей его воды, но в этом образце есть около 17% песчаных частиц. Значительное количество песчаного материала в данном случае повышает проницаемость осадка, фильт­ рация жидкости через толщу образца облегчается, и за то же время выделяется больше раствора, чем из непесчанистых образцов.

59

Результаты проведенных работ дают возможность рекомендовать методику выделения поровых растворов из морских глубоководных отложений с помощью центрифуги в тех случаях, когда осадки содержат заметное количество песчаного или алевритового мате­ риала (не менее 20%) и имеют достаточную влажность. Метод вы­

сокопроизводителен	и легко применим	в судовой	лаборатории.
Для облегчения выделения порового раствора методом			центрифуги­
рования можно в	образец добавлять	чистый кварцевый песок.

Но если образцы состоят в основном из тонкозернистого материала, следует предпочесть метод отпрессовывания.

Т а б л и ц а 6

Результаты центрифугирования, влажность и гранулометрический состав донных отложений (станция 2, Гвинейский залив)

Интервал, см

3—15

100—115

200—215

300—315

400—415

470—485

615—630

715—730

Влажность, вес%	Кол-во выделен­ ного раствора, % от влажности
151,5	51,3
310,4	44,8
265,5	44,4
289,5	43,99
260,4	45,3
192,2	48,9
297,3	49,5
177,4	45,2

Гранулометрический состав (вес.%) по фракциям, мм

0,2	0,2	0,1	0,05	0,01	0,005
	0,1	0,05	0,01	0,005
16,90	2,62	4,77	12,0	11,0	52,4
7,85	2,24	4,25	11,10	11,30	63,20
9,67	2,30	4,71	10,14	5,00	68,18
2,19	0,87	0,88	18,02	1,00	77,10
14,38	3,46	2,65	16,31	2,70	60,50
15,33	2,52	2,05	29,10	37,31	13,69
8,08	1,99	1,63	10,80	49,80	27,70
12,15	3,16	2,69	15,50	22,30	41,20

На образцах поровых растворов, выделенных из глубоководных осадков Черного моря, мы определяли физические свойства (плот­ ность и электропроводность), а также основной ионный состав и общую минерализацию. При дальнейшем обсуждении результатов для характеристики минерализации поровых растворов мы пользу­ емся понятием солености (S, °/0 0 ), определяемой как общее количество растворенных веществ, содержащихся в 1 кг морской воды при до­ пущении, что все карбонаты переведены в окислы, бромиды и иодиды в хлориды и все органические вещества окислены [100]. Дать опре­ деление солености представляется необходимым, поскольку ее ши­ роко используют для выражения минерализации морских и океани­ ческих вод в океанологии. С соленостью воды связаны ее плотность и электропроводность.

Для определения плотности поровых растворов применялся пикнометрический метод. Использовались пикнометры объемом 1 и 2 см3 при точности взвешивания 0,01 мг. Плотность рассчитана в о, представляющей собой разность между плотностью порового рас­ твора (г/см3) и плотностью чистой воды (в тех же единицах), размер­ ность обычно не записывают. Такое выражение плотности морской воды принято в океанологии.

60