Глава 6

КЛАССИФИКАЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Подземные воды являются сложным природным объектом, раз­личия которого (условия залегания, физические свойства, сумма растворенных веществ и их состав, происхождение и др.) опре­деляются комплексным влиянием многих причин и могут быть выражены чрезвычайно резко. Подобное положение определяет значительные трудности классифицирования как различных ти­пов подземных вод, так и природных (физико-географических, геологических и др.) условий, с которыми связано формирование определенных типов подземных вод. Именно поэтому, несмотря на многочисленные попытки, до настоящего времени не разрабо­тана единая классификация типов подземных вод, которая бы связывала различные типы подземных вод (состав, свойства и др.) с комплексом природных факторов (условий), определяющих формирование подземных вод данного типа. В связи с этим в гидрогеологической литературе используются главным образом частные классификации, при составлении которых учитывается один (или несколько близких по смыслу) показатель, характери­зующий выделенные на этой основе различные типы (подтипы, классы и др.) подземных вод.

К числу хорошо разработанных и широко используемых клас­сификаций относятся: I) классификации по величине минера­лизации (сумме растворенных веществ); 2) классификации по химическому составу, учитывающие одну или несколько групп ком­понентов (макрокомпоненты, микрокомпоненты, газовый состав и др.); 3) по температуре (°С); 4) по типу водовмещающих пород; 5) по условиям залегания; 6) по происхождению; 7) по типу гид­рогеологических структур; 8) по условиям (возможностям) их ис­пользования человеком и др.

Одни из этих классификаций (I—3) учитывают собственно разли­чия состава и свойств подземных вод (различных типов подземных вод). Примеры таких классификаций рассмотрены в гл. 4. Другие (4, 5) отражают конкретные условия формирования подземных вод, определяемые типом водовмещающих пород или строением и положением данного гидрогеологического элемента в разрезе подземной гидросферы. Третьи (6, 7) обобщенно учитывают раз­личие комплекса условий и процессов, определенным образом меняющихся в течение длительного отрезка геологической исто­рии (см. гл. 9, 10).

По типу водовмещающих пород подземные воды подразделяются на норовые, трещинные и карстовые (О. Мейнцер, А.М. Овчинни­ков и др.). В данном случае классификация учитывает главным образом морфометрию и в меньшей степени генезис скважности горных пород, что в решающей степени определяет величины и распределение фильтрационных и емкостных свойств и, следова­тельно, процессы фильтрации, водоотдачу пород и др. При нали­чии в породе нескольких равнозначных видов скважности (что определяется чаще условно) могут быть выделены воды трещинно- поровые, порово-трещинные, трещинно-карстовые и др. (см. гл. 3). Относительно реже используется классификация, учитывающая минералого-химический состав горных пород с выделением подзем­ных вод терригенных отложений, карбонатных, галогенных и др.

Несмотря на то что классификация подземных вод по типу водовмещающих пород (воды поровые, трещинные, карстовые) используется широко, она является условной, поскольку не учи­тывает генетические особенности формирования скважинного пространства в различных типах горных пород.

В качестве собственно порового типа подземных вол обычно рассматриваются воды, связанные с рыхлыми осадочными отложениями. Однако по типу скваж­ное I и к норовым водам могут быть отнесены также воды, связанные с литифи- цированными осадочными породами, сохранившими первичную пористость (песчаники, адевролиты и др.), с определенными типами карбонатных пород, вулканогенными пористыми породами и др. Трещинная скважность (трещинова­тость) существенно по-разному формируется (и распределяется в пространстве) в породах осадочных или метаморфических и магматических и др.

В связи с этим при изучении процессов формирования и рас­пределения фильтрационных и емкостных свойств водовмещающих пород их правильнее рассматривать в качестве различных типов природных фильтрационных сред (так называемые геофильтрацион- ные среды) (см. гл. 3).

Классификация подземных вод по условиям залегания основана на выделении типов подземных вод, различия которых (собствен­но различие условий их залегания и формирования) связаны с различным положением в вертикальном разрезе подземной гид­росферы (см. гл. 2), с различным типом строения гидрогеологи­ческого разреза и в определенной мере с различием состава водо­вмещающих пород (типами сред).

Основные различия условий залегания подземных вод связаны с наличием двух типов гидрогеологических разрезов: разрезов, сложенных слоистыми толщами осадочных пород, и разрезов, сложенных неслоистыми (массивными) магматическими и мета­морфическими породами.

В качестве разрезов промежуточного (переходного) типа могут рассматриваться разрезы, сложенные мощными толщами лити- фицированных и интенсивно дислоцированных осадочных пород горно-складчатых областей. В разрезах подобного типа условия залегания подземных вод, как правило, также определяются раз­витием трещиноватости различных генетических типов. Однако наличие слоистого строения, характерного для осадочных пород, в ряде случаев существенно влияет на условия залегания и фор­мирование подземных вод (см. гл. 11).

Гидрогеологическое расчленение толщ слоистых осадочных пород основано на выделении в вертикальном разрезе относи­тельно обособленных элементов, сложенных породами разного состава, что определяет закономерные (послойные) изменения фильтрационных и емкостных параметров горных пород, а также различную степень изоляции смежных водоносных интервалов разреза (наличие слабопроницаемых разделов).

В качестве основных стратификационных элементов таких разрезов обычно рассматриваются: водоносные и слабопроницае­мые слои, водоносные горизонты и слабопроницаемые разделяющие пласты, водоносные комплексы и слабопроницаемые разделяющие толщи (табл. 6.1).

Таблица 6.1

Стратификационные единицы слоистых гидрогеологических разрезов

Элементарной таксономической единицей гидрогеологической стратификационной шкалы является водоносный (слабопроницае­мый) слой, в качестве которого рассматривается водонасыщенный слой горных пород (осадков), однородный в литолого-фациаль- ном отношении и характеризующийся в связи с этим едиными (или близкими по значению) фильтрационными свойствами. В сложно построенных разрезах с вклиниванием слоев на коротких расстояниях наряду со стратификационной единицей “слой” рас­сматривается обычно понятие водоносная (слабопроницаемая) линза (М.Е. Альтовский, А.С. Рябченков и др.). По своему смыслу водоносный (слабопроницаемый) слой является стратификацион­ной единицей “локального” расчленения и может быть строго выделен только в разрезе конкретной скважины или ограничен­ного участка территории.

Основой выделения конкретных водоносных (слабопроницае­мых) слоев в сложно построенном разрезе является единство лито- лого-фациального состава пород. В этом смысле при расчленении разреза можно говорить о выделении самостоятельных (даже смеж­ных) водоносных слоев галечников, песков, известняков или сла­бопроницаемых слоев глин, мергелей, диатомитов и др. Важно также отметить, что даже при выделении в самостоятельные слои отложений единого литолого-фациального состава каждый конк­ретный слой может быть охарактеризован едиными или близки­ми значениями основных гидрогеологических параметров (порис­тость, коэффициент фильтрации и др.), строго говоря, только для ограниченного по площади “локального” участка.

Следующими по значению (более крупными) таксономически­ми единицами стратификационной шкалы является водоносный горизонт и слабопроницаемый пласт.

Водоносный горизонт (водоносный пласт) представляет собой монослой значительной мощности или систему гидравлически связанных водоносных слоев с определенным площадным рас­пространением и едиными условиями залегания подземных вод. Единство условий залегания подземных вод предусматривает по­ложение водоносного горизонта в определенном интервале разре­за, а также наличие четко выраженных слабопроницаемых кровли и подошвы (свободной поверхности грунтовых вод и слабоводо­проницаемой нодошвы), изолирующих рассматриваемый горизонт от смежных водоносных горизонтов (водоносных слоев) разреза. По своему смыслу “водоносный горизонт” является элементар­ной гидрогеологической единицей региональной стратификации разреза, так как его выделение всегда предусматривает не только границы в разрезе, но и известное или предполагаемое положе­ние границ горизонта в плане (площадное распространение). При таком выделении определяющим признаком является гидравли­ческое единство горизонта (системы гидравлически связанных слоев), важнейший показатель которого — отсутствие внутри го­ризонта выдержанных слабопроницаемых слоев. Вторым показа­телем гидравлического единства интервала разреза, выделяемого в качестве водоносного горизонта, является его относительная изоляция от смежных водоносных горизонтов (слоев), т.е. наличие ограничивающих (разделяющих) слабопроницаемых пластов.

В связи с этим не выделяются в самостоятельные горизонты слои, характеризующиеся только существенными фациально-ли- тологичсскими особенностями: песчаники, известняки и другие породы гидравлически не разобщенные друг от друга, так как в этом случае более правильно говорить о двухслойном, трехслой­ном и другом строении пласта (горизонта).

В качестве слабопроницаемого пласта (разделяющий пласт) мо­жет рассматриваться однородный слой слабопроницаемой поро­ды значительной мощности, или слоистый пласт, в разрезе кото­рого резко (значительно более 50% суммарной мощности пласта) преобладают слабопроницаемые породы. Таким образом, в разре­зе конкретного слабопроницаемого пласта могут быть выделены отдельные разобщенные водоносные слои или линзы, но общее преобладание слабопроницаемых пород определяет высокие зна­чения суммарных фильтрационных сопротивлений пласта в вер­тикальном направлении.

В рамках геологической стратификации разреза элементы “во­доносный горизонт” и “слабопроницаемый пласт” могут отвечать различным интервалам, однако при стратиграфически непрерыв­ном строении разреза они чаще всего соответствуют интервалу ярус—подъярус (свита—подсвита).

В качестве водоносного комплекса рассматриваются несколько смежных водоносных горизонтов разреза при наличии установ­ленной или предполагаемой гидравлической связи между ними (наличие лигологических окон, участков локального размыва сла­бопроницаемых пластов и др.) или, что встречается более часто, слоистая толгца значительной мощности с преимущественным развитием водоносных пород, в разрезе которой по условиям ее строения (резкая фациальная изменчивость осадков на коротких расстояниях, отсутствие выдержанных слабопроницаемых пластов и т.д.) не могут быть выделены гидравлически обособленные во­доносные горизонты.

Таким образом, и при выделении водоносного комплекса одним из важнейших показателей также является наличие гидравлической связи пластовой системы. Однако в отличие от водоносного гори­зонта, где открытая гидравлическая связь между водоносными слоями возможна практически повсеместно (is пределах всей пло­щади распространения), в разрезе комплекса подобная связь все­гда проявляется локально из-за сложного чередования водоносных и слабопронипаемых слоев или наличия слабопроницаемых плас­тов, изолирующих на отдельных участках определенные интерва­лы разреза водоносных отложений комплекса.

Наличие даже затрудненной гидравлической связи между во­доносными слоями (и горизонтами) комплекса определяет общий характер гидродинамики его разреза: общие закономерности рас­пределения напоров подземных вод (в пределах определенной площади распространения), положение областей питания и раз­грузки, общие направления движения подземных вод и др.

В связи со сложным строением разреза и наличием слабопро­ницаемых слоев для отложений комплекса могут быть характерны весьма существенные, но, как правило, плавные (без резких скач­ков) изменения минерализации и химического состава подземных вод в вертикальном направлении. В то же время для отложений каждого водоносного комплекса практически всегда характерна единая направленность изменения минерализации и химического состава подземных вод в плане (по площади распространения).

Таким образом, основным показателем к выделению стратифи­кационной единицы “водоносный комплекс” является единство условий формирования подземных вод, если понимать под этим по­ложение областей питания и разгрузки, особенности гидродина­мического режима и движения, условий формирования и распре­деления (единые закономерности изменения в плане и в разрезе) величины минерализации и химического состава подземных вод.

Как гидрогеологическое подразделение разреза осадочного чех­ла водоносный комплекс ближе всего соответствует единице “гео­логическая субформация” (латеральному ряду субформаций) и стратиграфическим единицам “ярус—отдел”.

В качестве слабопроницаемых толщ (разделяющие толщи) раз­реза могут рассматриваться или однородные пласты слабопрони­цаемых пород значительной мощности, или слоистые толщи, в разрезе которых резко преобладают слабопроницаемые породы. В формационных рядах платформенного типа положение слабо­проницаемых (разделяющих) толщ связано, как правило, с рас­пространением осадков морских глинистых, кремнисто-терриген- ных, гипс-ангидритовых, лагунных, соленосных субформаций и др. Водоносный комплекс и слабопроницаемая толща являются основными стратификационными единицами при региональном гидрогеологическом расчленении, выполняемом в целом для раз­реза крупных структурных элементов земной коры.

На участках выклинивания и замещения отложений слабопроницаемых раз­деляющих толщ и пластов при возможном гидравлическом взаимодействии смежных интервалов разреза выделение водоносных комплексов производится, как правило, по положению основных стратиграфических единиц. Подобное расчленение имеет определенный гидрогеологический смысл при существенно различном строении интервалов разреза, выделяемых в самостоятельные водо­носные комплексы, или является чисто условным.

Наиболее крупными единицами стратификационной гидрогео­логической шкалы являются водоносные серии, в качестве которых могут быть выделены крупные стратиграфически одновозрастные (в широком интервале) элементы разреза осадочного чехла, ха­рактеризующиеся преимущественным распространением пород определенного литологического состава или генезиса. В этом смысле можно говорить о выделении в разрезе чехла водоносных серий преимущественно терригенных и карбонатных пород, мор­ских или континентальных отложений определенного возраста, учитывая при этом не только различия литологического состава, но и особенности строения выделенных элементов чехла в плане и разрезе.

Водоносная серия рассматривается обычно как стратификацион­ный элемент “свободного” пользования без четкого определения общих гидрогеологических признаков ее выделения. В гидроди­намическом отношении расчленение разреза с выделением водо­носных серий практически всегда является условным, так как любой крупный стратиграфически единый интервал чехла чаще всего является сложным сочетанием водоносных и слабопроницае­мых элементов более высоких порядков.

Классификация подземных вод по условиям залегания и составу водовмещающих пород (типу среды)

Строение разрезов слоистых осадочных пород определяет воз­можность выделения здесь только трех типов подземных вод, раз­личных по условиям залегания, к которым относятся: воды зоны аэрации, формирующиеся в верхней ненасыщенной зоне горных пород (см. гл. 7); грунтовые воды — первый от поверхности земли водоносный горизонт, верхней границей которого является сво­бодный уровень воды (верхняя граница зоны полного насыще­ния, см. гл. 2); межпластовые воды, связанные с водоносными горизонтами, залегающими между двумя слабопроницаемыми пластами (табл. 6.2).

Таблица 6.2

В гидрогеологических разрезах, сложенных массивными (несло­истыми) горными породами, величины и характер распределения в пространстве емкостных и фильтрационных свойств, а следова­тельно, и положение водоносных и слабопроницаемых элементов разреза определяются в общем случае развитием трещиноватости различных генетических типов (см. табл. 6.2). В соответствии с этим гидрогеологическое расчленение разрезов этого типа осно­вано на выделении так называемых водоносных зон трещиноватости (А.С. Рябченков). Исходя из представлений о процессах формиро­вания трещинной скважности горных пород обычно предусматри­вается выделение трех основных типов водоносных зон трещино­ватости. подземные воды которых имеют существенно различные условия залегания (формирования): I) региональная зона экзо­генной трещиноватости верхней части массивов скальных пород (зона “выветривания”); 2) линейно-локальные зоны трещинова­тости, связанные с тектоническими нарушениями различного типа;

2. локальные зоны повышенной трещиноватости и обводненности внутренних (глубоких) частей массивов скальных пород.

При региональных исследованиях крупных массивов распростра­нения кристаллических пород в связи с отсутствием данных о по­ложении обводненных зон трещинных вод (кроме верхней зоны выветривания) гидрогеологическое расчленение чаще всего прово­дится путем выделения водоносных комплексов по стратиграфи­ческой принадлежности горных пород. Такое расчленение имеет определенный смысл, если породы выделяемых стратиграфиче­ских подразделений имеют различный литолого-петрографический состав, но с гидродинамической точки зрения (условия залега­ния подземных вод, фильтрация и др.) чаще всего является чисто условным.

Попытки разработать более общие классификации подземных вод, полностью отражающие особенности состава и свойств этого сложного природного объекта, а также разнообразие условий его распространения, залегания и формирования, связь с геологиче­скими структурами и типами водовмещающих пород, предприни­мались А.М. Жермудским и А.А. Козыревым (1928), В.И. Вернад­ским (1936), Ф.П. Саваренским (1939), А.М. Овчинниковым (1949),

Н.И. Толстихиным (1954, 1956), Е.В. Пиннекером (1983) и други­ми исследователями (табл. 6.3). Сравнение этих классификаций показывает, что они построены по-разному как в смысле выделения (названия) основных классифицируемых подразделений, так и в смысле их характеристик. В то же время даже очень подробные и сложно построенные классификации (например, В.И. Вернадского,

А.М. Овчинникова, Ф.П. Саваренского) не дают полного пред­ставления о классифицируемом объекте (химический состав под­земных вод, минерализация, связь с геологическими структурами и др.). Это положение определяет необходимость дальнейших ис­следований для разработки единой (общей) классификации под­земных вод.

Tad ища 6..?

Классификация подземных вод А.М. Овчинникова (/<W)

Вопросы к главе 6

1. Принципы гидрогеологического расчленения слоистых разрезов осадочных и трещиноватых скальных пород.

2. Понятия “водоносный слой”, “водоносный горизонт”, “водо­носный комплекс”, “водоносная зона трещиноватости", прин­ципы выделения.

3. Классификация подземных вод по типу водовмещающих пород и по условиям залегания.

4. Зачем, по вашему мнению, нужны классификации подземных вод?

Часть

ФОРМИРОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Понятие “формирование подземных вод” является исключи­тельно емким. Оно в общем случае включает: условия залегания (глубины, распространение) подземных вод; связь с определен­ным типом геологической структуры и породами определенного состава; условия питания, движения и разгрузки; формирование физических свойств и химического состава воды; характер и сте­пень антропогенного воздействия. В зависимости от типа под­земных вод (см. гл. 6) эти условия и характеристики являются различными.