Глава 2. Состав и строение подземной гидросферы

гъ

О

r>

О

О

э

Зона полного насыщения охватывает верхнюю часть разреза зем­ной коры от уровня первого водоносного горизонта (нижняя гра­ница зоны аэрации) до глубин 8—20 км (см. рис. 2.3), на которых по существующим представлениям температура и давление вод­ных растворов достигают критических значений (см. рис. 2.1).

В пределах зоны полного насыщения (в соответствии с ее на­званием) свободное пространство в минеральном скелете горных пород (поры, трещины, крупные пустоты) полностью заполнено свободной гравитационной водой и водой, физически связанной с поверхностью минеральных частиц горной породы, за исключени­ем участков (слоев, зон), свободное пространство которых запол­нено газом, жидкими углеводородами или пароводяной смесью.

Положение нижней границы зоны полного насыщения обосно­вывается в настоящее время только исходя из представлений о термодинамических условиях разреза земной коры и фазово-агре­гатном состоянии воды при высоких давлениях и температурах, поскольку эта граница пока не вскрыта буровыми скважинами. Материалы Кольской сверхглубокой скважины свидетельствуют о том, что на глубинах до 12 км существуют условия, характерные для зоны полного насыщения. В то же время в связи с наличием представлений о надкритическом состоянии воды в магматических расплавах (Пиннекер, 1983) можно предполагать, что в областях современного вулканизма нижняя граница зоны полного насы­щения может располагаться на значительно меньших глубинах. По имеющимся данным в ряде районов современного вулканиз­ма парогидротермы с температурами, близкими к критическим значениям (до 300°С и более), вскрыты буровыми скважинами на глубинах 1500—2000 м (Мексика, Сьерра-Прието, скважина глу­биной 1500 м, температура воды 388°С).

Нижняя часть разреза земной коры до границы с верхней ман­тией рассматривается в настоящее время (Е.В. Пиннекер и др.) как зона, содержащая подземные воды в надкритическом состоя­нии. Мощность этой зоны в пределах континентов достигает, ве­роятно, 20—30 км и более (см. рис. 2.3).

Движение подземных вод в земной коре является составной частью общего круговорота воды на планете. В то же время с геологических позиций движение воды в земных недрах, включающее простые (механическая, физическая, химическая) и сложные формы дви­жения (биологическая, техногенная), переходы воды из одного фазово-агрегатного состояния в другое и процессы взаимодейст­вия воды с горными породами, рассматривается в настоящее время в качестве важнейшей составляющей геологической формы дви­жения материи (А.Н. Павлов, Е.В. Пиннекер и др.).

В качестве основных видов (составляющих) единой геологи­ческой формы движения материи применительно к движению собственно подземных вод обычно рассматриваются два основ­ных вида круговорота воды в земной коре — гидрогеологический и геологический (рис. 2.4).

Диссипация водорода Поступление воды

и потеря воды в космос из космоса

в мантию вод и вещества мантии

Рис. 2.4. Взаимосвязь гидрологического и геологического круговоротов воды в земных недрах (по Е.В. Пиннекеру, 1980)

Гидрогеологический круговорот воды в земной коре чаще рас­сматривается как составная часть более сложного гидрологическо­го (климатического) круговорота воды на планете (А.Н. Павлов, Е.В. Пиннекер), однако применительно к движению собственно подземных вод он, безусловно, должен рассматриваться самостоя­тельно. Гидрогеологический круговорот объединяет движение па­рообразной, просачивающейся и физически связанной воды в зоне аэрации; переходы воды из твердого состояния в жидкое и обратно в пределах криолитозоны; движение парообразной, фи­зически связанной и свободной гравитационной воды в зоне пол­ного насыщения. Через поверхность земли эта ветвь подземного круговорота теснейшим образом связана с процессами, протекаю­щими в атмосфере и поверхностной гидросфере планеты, и через зону надкритических вод — с процессами, происходящими в нижней части земной коры и верхней мантии (рис. 2.4).

Важнейшей составной частью гидрогеологического круговорота воды является движение свободных (гравитационных) подземных вод в пределах зоны полного насыщения, определяемое единым понятием “подземный сток” (Б.И. Куделин). В этом случае зона полного насыщения рассматривается как система в различной степени взаимодействующих потоков свободных (гравитацион­ных) подземных вод, связанных с геологическими структурами разного типа и размера, отдельными слоями и толщами горных пород, зонами трещиноватости и др.

В общем случае без учета свойств среды движение потоков подземных вод в пределах зоны полного насыщения определяется гидродинамическими условиями на верхней и нижней границах этой зоны. В пределах современных континентов условия на верх­ней гидродинамической границе определяются положением уровня подземных вод первого водоносного горизонта (уровень зоны пол­ного насыщения) и могут быть охарактеризованы зависимостью

//=/(*, у, 1), (2.1)

где Н — абсолютная отметка уровня подземных вод, м; л\ у — пространственные координаты; г — геологическое время.

В соответствии с условием на верхней границе в пределах совре­менных континентов в верхней части разреза зоны полного насы­щения до глубин 300—500 м (при соответствующем строении гидрогеологического разреза, вероятно, до глубин 1000—1500 м и более) формируется так называемая система “местных” потоков подземных вод, связанных с современным рельефом конкретных территорий и условиями взаимодействия подземных вод с поверх­ностными водами и атмосферой (см. рис. 2.3).

Ниже на глубинах до 3000—5000 м, возможно более, может быть выделена зона региональных потоков подземных вод, направле­ние которых связано главным образом с основными элементами современного рельефа суши (водоразделы океанических и морских бассейнов, речных систем I порядка, приморские низменности, обширные внутриконтинентальные впадины и др.). Структура ре­гиональных потоков подземных вод в решающей степени определя­ется строением гидрогеологического разреза конкретных регионов, а также составом и свойствами водовмещающих пород.

В нижней части зоны полного насыщения, а на участках, где гидрогеологический разрез непосредственно с поверхности пред­ставлен кристаллическими породами (магматические и метамор­фические формации), уже на глубинах 500—1000 м, возможно меньше, основным видом движения подземных вод является фор­мирование линейно-локальных субвертикальных потоков, связан­ных с зонами повышенной трещиноватости и проницаемости (см. рис. 2.3). В пределах зон разрывных нарушений сверхглубин­ного заложения (проникающих через всю толщу земной коры) движение потоков подземных вод, вероятно, в решающей степени связано с формированием избыточных давлений в зоне подземных вод в надкритическом состоянии (гидродинамические условия на нижней границе зоны полного насыщения), а также с поступлени­ем мантийных флюидов. Под флюидом в этом случае понимается поликомпонентная смесь летучих веществ, существенным эле­ментом которой является вода в надкритическом состоянии или продукты ее термической (свободные водород и кислород) и электролитической (протон Н⁺, гидроксил ОН' и кислородный ион О² ) диссоциации (Основы гидрогеологии, 1980).

Собственно геологический круговорот воды в подземной гидро­сфере неразрывно связан с историей развития земной коры и Земли. Основными геологическими процессами, определяющими формирование, масштабы и интенсивности геологического круго­ворота воды, являются процессы осадконакопления (седименто- генез), литогенеза и метаморфизма горных пород, а также про­цессы поглощения океанических вод в рифтовых зонах океанов с последующим перемещением и преобразованием этих вод в поро­дах океанической и континентальной коры (Кирюхин, Коротков, Павлов, 1988).

Формирование осадков в водной среде (участки осадконакопле­ния в пределах суши, открытые и внутриконтинентальные моря, Мировой океан) неизбежно сопровождается “связыванием” и “за­хоронением” воды соответствующего бассейна осадконакопления, объем которой определяется объемом (массой) и величинами об­щей пористости свежеосажденного осадка.

В зависимости от гранулометрического и минералого-геохими- ческого состава осадков значение обшей (объемной) пористости и соответственно полной влагоемкости (см. гл. 3), учитывающей суммарно количество свободной и физически связанной воды, изменяется от 30 до 80% и более.

По существующим представлениям (Н.Б. Вассоевич, В.В. Му­хин и др.) процессы уплотнения глинистых пород и связаное с ними отжатие поровых вод наиболее резко происходят в верхней части разреза и с постепенно уменьшающейся интенсивностью продолжаются до глубины 3000—3500 м и более. Так, при погру­жении свежеосажденных илов на глубины до 100 м величина об­щей пористости уменьшается на 30—40% (от 70—80 до 40—45%), при этом отжимающиеся поровые растворы поступают главным образом через толщу перекрывающих неуплотненных пород об­ратно в бассейн осадконакопления. На глубинах 400—500 м по­ристость уменьшается до 36—40%, к глубине 2000 м — до 20%, 3000 м — до 10% и менее, еще глубже пористость тонкодисперс­ных (глинистых) пород в процессе их уплотнения и литификации уменьшается до первых процентов. Уменьшение пористости тон­кодисперсных пород при уплотнении приводит к отжатию из них больших объемов поровых вод, поступающих в подземную гидросферу. Причем если на первых стадиях уплотнения отжима­ется свободная и рыхлосвязанная вода, то при давлениях и темпе­ратурах, характерных для глубин 3000—5000 м, возможно отжатие воды прочносвязанной с частицами минерального скелета. Кроме собственно процессов отжатия поровых вод дополнительные (весь­ма значительные) объемы воды высвобождаются из глинистых пород в результате дегидратации и литогенетических изменений состава глинистых минералов (Основы гидрогеологии, 1980).

Рассматриваемый (первый) этап геологического круговорота воды, связанный с захоронением и отжатием поровых растворов, носит название седиментогенного (или элизионного), и подзем­ные воды, образующиеся в результате этого процесса, называются седиментогенными (седиментационными).

Дальнейшее погружение осадочных пород в глубоких геоло­гических структурах (известны структуры, где мощность пород осадочного чехла достигает 10—15 км и более) сопровождается процессами их метаморфизации (региональный метаморфизм), в результате которого происходит дальнейшее “обезвоживание” горных пород и связанное с этим формирование свободных (?) подземных вод. Формирование свободной воды происходит в ре­зультате освобождения остаточных количеств прочносвязанной воды, сохраняющейся на стадии полной нотификации осадочных пород (предположительно до 5% от объема породы), а также “ос­вобождения” кристаллизационных, цеолитных, а возможно, и кон­ституционных вод при перекристаллизации и дегидратации ряда глинистых минералов в процессе прогрессивного метаморфизма.

По современным оценкам количество воды, выделяющейся при метаморфизации некоторых типов основных пород (гидрослюды, монтмориллонита, каолинита и др.), может достигать 15—25% от их веса.

Названный этап геологического круговорота воды может рас­сматриваться в качестве метаморфогенного (метаморфогенные воды).

Принципиально другой ветвью геологического круговорота воды в земной коре являются предполагаемые процессы поглощения океанических вод в пределах рифтовых зон океана с последую­щим участием их в процессах серпентинизации мантийных пород и формирования океанической коры. Завершение этой ветви гео­логического круговорота воды с ее возвращением в поверхностную гидросферу предположительно может быть связано с процессами десерпентинизации (дегидратации) пород океанической коры при их погружении в районах глубоководных желобов и вулканической деятельностью. Количественные оценки массы воды, принимаю­щей участие в данной ветви круговорота и возможных сроков "водообмена” являются в настоящее время весьма приближен­ными (Павлов, 1977).

В заключение следует отметить, что формирование гидрогео­логического и геологического круговорота воды в земной коре происходит, естественно, не изолированно, а в условиях их тес­ного и постоянного взаимодействия. Включение “атмосферных” (метеорных) вод в геологический круговорот происходит путем “захоронения” воды с вновь формирующимися осадками и путем нисходящей фильтрации свободных гравитационных вод по про­ницаемым зонам глубинных и сверхглубинных разломов предпо­ложительно до зоны подземных вод в надкритическом состоянии и, возможно, глубже (см. рис. 2.3).

С другой стороны, седиментогенные, метаморфогенные и маг­могенные воды, переходя в “свободное состояние” путем восходя­щей фильтрации по зонам повышенной проницаемости (тектони­ческие нарушения, локальные зоны глубинной трещиноватости,

породы, сохраняющие относительно высокую проницаемость на значительных глубинах, и т.д.), неизбежно вовлекаются в систему потоков подземных вод, формирующих различные ветви гидроге­ологического круговорота воды в земной коре и далее — в поверх­ностную гидросферу.

Контрольные вопросы к главе 2

1. Классификация видов воды в горных породах.

2. Гидрогеологический разрез земной коры.

3. Гидрогеологический круговорот воды. Система потоков под­земных вод в зоне полного насыщения.

4. Геологический круговорот воды в земной коре. Основные типы подземных вод, формирующие геологический круговорот.