Гидрогеологические массивы

Гидрогеологические массивы, как было сказано выше, связаны с геологическими структурами, в пределах которых непосредст­венно с поверхности распространены древние кристаллические породы. В тектонических депрессиях или крупных эрозионных понижениях рельефа, на отдельных участках или на большей части массива кристаллические породы могут быть перекрыты рыхлыми и слабосцементированными осадочными породами неоген-чет- вертичного или более древнего возраста. Типичными примерами подобных гидрогеологических районов являются Балтийский щит. Украинский кристаллический массив, Енисейский кряж и др. (рис. 11.1).

Рис. II. I. Схема строения гидрогеологического массива: / — древние кристаллические породы; 2 — зона экзогенной тре­щиноватости; 3 — рыхлые или слабосцементированные оса­дочные отложения; 4 — образования коры выветривания; 5 — возможные направления потоков трещинно-жильных вод; 6 — направления движения трещинно-грунтовых вод зоны экзогенной трещиноватости

Общими особенностями природных условий (физико-геогра­фические условия, геологическое строение и др.) гидрогеологи­ческих районов этого типа, в решающей степени определяющими типы и условия формирования подземных вод, являются:

1. древний сравнительно выровненный, в ряде случаев низко- и среднегорный рельеф с относительно глубокой и резко выраженной эрозионной расчлененностью;

2. хорошо выраженное проявление широтной климатической зональности (атмосферные осадки, испарение, температуры и др.), которая на участках с низкогорным и особенно среднегорным рельефом усложняется проявлениями высот­ной климатической поясности;

3. типичное блоковое строение с резко выраженными текто­ническими границами блоков (зоны тектонических нару­шений). в ряде случаев с достаточно четким проявлением новейших и современных тектонических движений. При этом характер тектонических движений (знак, амплитуды) для отдельных блоков массива может существенно разли­чаться;

4. распространение мощных толщ древних кристаллических магматических или метаморфических пород: интрузивные породы различного состава, гнейсы, амфиболиты, кристал­лические сланцы, кварциты и др.;

5. преимущественное распространение трещинных типов под­земных вод, связанных с региональными или локальными (линейно-локальными) зонами трещиноватости кристалли­ческих пород (см. гл. 9).

Основным типом подземных вод являются трещинные (грунто­вые трещинные) воды верхней зоны выветривания кристалличе­ских пород. В большинстве случаев эти воды образуют гидравли­чески единый водоносный горизонт с водами рыхлых покровных отложений и водоносными образованиями коры выветривания, распространенный в основном в пределах всей площади массива. Мощность водоносного горизонта в зависимости от строения верхней части разреза изменяется от нескольких до 60—100 м и более (Бабинец, 1961). Как правило, минимальные мощности характерны для существенно глинистых пород (сланцы, филлиты и др.) — максимальные для крепких скальных пород (гнейсы, кварциты и др.). Общей закономерностью является уменьшение проницаемости пород с увеличением глубины залегания и уве­личение проницаемости в зонах тектонических нарушений, омо­ложенных новейшими движениями, и тектонических контактов (см. гл. 9).

Воды грунтовые со свободной поверхностью. Глубина залега­ния грунтовых вод тесно связана с рельефом территории и изме­няется от нескольких метров на пониженных участках до 20—50 м и более на крутых склонах и водораздельных пространствах. На участках, где перекрывающие рыхлые отложения или образова­ния коры выветривания представлены слабопроницаемыми поро­дами (валунные суглинки, глины), распространены подземные воды с местным напором. В депрессиях поверхности кристалли­ческих пород, в эрозионных понижениях и на склонах массивов при наличии в верхней части разреза слабопроницаемых отложе­ний (валунные суглинки, озерные или морские глины и др.) скважины нередко вскрывают напорные самоизливающиеся воды (см. рис 9.3)

В крупных тектонических депрессиях (погруженных блоках массива) при значительной (150—200 м и более) толще слоистых осадочных пород может формироваться система относительно изолированных водоносных горизонтов межпластовых вод. В не­которых случаях такие депрессии рассматриваются в качестве специфических артезианских бассейнов наложенного типа. В свя­зи с относительно небольшой мощностью пластовой системы и отсутствием выдержанных слабопроницаемых пластов межпласто­вые водоносные горизонты наложенных артезианских бассейнов имеют, как правило, условия формирования, характерные для первого гидрогеологического этажа бассейнов платформенного типа (см. гл. 10).

Условия формирования трещинных грунтовых вод верхней зоны экзогенной трещиноватости рассмотрены в гл. 9. В пределах этой зоны в верхней части массива кристаллических пород фор­мируется система местных потоков трещинных (грунтовых и с местным напором) подземных вод, связанных с современным рельефом территории. Движение подземных вод во всех случаях направлено от центральных частей междуречных пространств к дренирующим эрозионным понижениям. Гидродинамическими границами потоков являются поверхностные водоразделы и дрены (см. рис. 11.1).

Химический состав и минерализация грунтовых трещинных вод определяются главным образом слабой растворимостью древних кристаллических пород. В условиях умеренного и избыточного увлажнения с верхней зоной массивов связаны преимущественно ультрапресные и пресные (до 200—300 мг/л) гидрокарбонатные кальциевые (Са—Mg) воды. При наличии сульфидной минерали­зации (процессы окисления сульфидов) непосредственно в верх­ней зоне возможно формирование вод сульфатно-кальциевого со­става с минерализацией до 1,5—2,0 г/л. В зоне недостаточного увлажнения при развитии процессов испарения и наличии час­тично засоленных рыхлых отложений непосредственно с верхней зоной массивов могут быть связаны сульфатные и хлоридные (S0₄—Cl) воды с минерализацией до 10—15 г/л и более.

Вторым широко распространенным в пределах кристалличе­ских массивов типом подземных вод являются трещинно-жиль­ные воды зон тектонических нарушений. В большинстве случаев зоны тектонических нарушений характеризуются интенсивной проницаемостью и обводненностью только в пределах верхней зоны развития экзогенной трещиноватости до глубин 150—200 м и реже более. В этих условиях в зонах тектонических нарушений формируются линейно-локальные потоки трещинно-жильных вод, тесно связанные с поверхностными и трещинно-грунтовыми во­дами верхней зоны (см. гл. 9). Минерализация “жильных” вод обычно не превышает 300—500 мг/л, состав преимущественно гидрокарбонатный кальциевый (Ca—Mg). Относительно более высокая минерализация, хлоридный (S0₄—Cl и т.д.) состав, со­держание специфических компонентов (1, Br, Sr, Rb, F) и газов глубинного происхождения (H₂S, Не, С0₂, СН₄) характерны только для участков разгрузки трещинно-жильных вод глубинной циркуляции.

Так, Кольской сверхглубокой скважиной и скважинами-дубле­рами трещинно-жильные воды разломов были встречены в ин­тервалах глубин 463—470, 580—610, 1135—1170, 1760—1812, 3317—3448 м и далее на глубинах 9920 и 10020 м. Мощность вскрытых зон изменялась от 10 до 30—80 м. Проницаемость гор­ных пород в целом была достаточно низкой (10~⁵—10^_6 м/сут). До глубин 3,5—4,0 км трещинно-жильные воды характеризовались давлениями, в целом близкими к нормальным гидростатическим; на глубинах около 9 км — аномально высокими давлениями, при­ближающимися к геостатическим. Минерализация подземных вод изменялась от 1,0—3,7 г/л (463—610 м), 24—51 г/л (900—1350 м) до 150 г/л (4500 м) и предположительно до 300 г/л и более (9—10 км). Состав трещинных вод — от хлоридно-гидрокарбонатного натрие­во-кальциевого до хлоридного натриевого и хлоридного кальцие­вого Cl—Ca (Mg, Na) (Кольская сверхглубокая..., 1984). Анало­гичные воды с минерализацией более 1,0—3,0 г/л на глубинах около 1000 м и более были встречены в кристаллических породах Украинского массива, Канадского щита и в ряде других районов.

Гидрогеология глубоких частей массивов кристаллических по­род до настоящего времени практически не изучена. В связи с этим уникальными являются материалы, полученные Кольской сверхглубокой скважиной, которая в интервале глубин 4,5—9,0 км вскрыла несколько мощных трещиноватых зон, объединяемых в так называемую зону “регионального разуплотнения" (региональ­ного тектонического рассланцевания) горных пород. Несмотря на то что трещиноватые породы этих зон характеризуются чрезвы­чайно низкой проницаемостью (порядка 10'⁷ м/сут в интервале глубин 6170—6470 м), они содержат свободные (гравитационные) воды, “пластовые” давления которых резко превышают нормаль­ные гидростатические (P_WI~ Р,._еосх)- Минерализация подземных вод изменяется в пределах 200—300 г/л и предположительно бо­лее. Состав вод хлоридный кальциевый и хлоридный натриевый с содержанием специфических микрокомпонентов (I, F, В, Вг, Sr, Rb) и газов глубинного происхождения (Н-,, Не, СО-,). Гидро­динамические и гидрогеохимические показатели зоны региональ­ного разуплотнения свидетельствуют о том, что подземные воды этой зоны находятся в условиях резко затрудненного водообмена. Собственно водообмен определяется здесь затрудненной разгрузкой подземных вод по проницаемым зонам тектонических наруше­ний в верхние интервалы гидрогеологического разреза (возможно также затрудненным притоком флюидов из более глубоких ин­тервалов).

Результаты геохимических исследований свидетельствуют о том, что подземные воды зоны регионального разуплотнения яв­ляются, вероятно, метаморфогенными флюидами, формирование которых связано с дегидратацией минеральных гидратов (хлорита, эпидота, слюд и др.) в процессе прогрессивного регионального метаморфизма. Увеличение объема свободной (гравитационной) воды, находящейся под “пластовым” давлением, близким к гео- статическому, обусловливает формирование глубинных зон “раз­уплотнения” (формирование трещиноватости микрогидроразры­ва), а также способствует сохранению трещинной проницаемости этих зон (затрудняет процессы уплотнения горных пород) в связи с тем, что отток метаморфогенных флюидов затруднен.

Подобный механизм формирования и гидрогеохимический об­лик глубоких метаморфогенных флюидов могут быть характерны и для других условий, в частности для кристаллических пород фундамента бассейнов платформенного типа (см. гл. 10).

Представления об условиях формирования в слаборастворимых кристалли­ческих породах высокоминерализованных вод и рассолов хлоридного состава до настоящего времени являются противоречивыми. По данным термодинамического моделирования (Крайнов, Рыженко, Швец, 2004), в закрытых гидрогеохимических системах (без обмена веществом и энергией с окружающей средой) непосредствен­

но в процессе длительного взаимодействия воды с кристаллическими горными породами возможно формирование Cl—Na—Ca(Mg) с минерализацией до 100—

150 г/л. Геохимическая эволюция высокоминерализованных рассолов любого состава (Cl—Na, Cl—Mg) в закрытых гидрогеохимических системах кислых (гра- нитоидных) кристаллических пород во всех случаях приводит в результате к об­разованию рассолов CI—Са состава (Крайнов и др., 2004). В то же время, по мнению вышеназванных авторов, формирование высокоминерализованных (бо­лее 250—350 г/л) рассолов Cl—Na—Са и Cl—Са—Na состава в кристаллических породах гидрогеологических массивов возможно только при наличии притока первичных седиментационных рассолов. Однако в связи с чрезвычайно низкой проницаемостью кристаллических пород в глубоких частях массива и наличия там условий весьма затрудненного водообмена (см. выше) с гидродинамических позиций подобное заключение сомнительно.