Теории происхождения и формирования подземных вод

Существуют различные теории происхождения подземных вод. Одной из наиболее ранних является инфильтрационная теория, объясняющая образование подземных вод просачиванием (инфиль­трацией) в породы атмосферных осадков. Она была выдвинута французскими учеными Б. Палисси и Э. Мариотом (1580—1650) и несколько позднее русским академиком М. В. Ломоносовым. М. В. Ломоносов дал геохимическую трактовку инфильтрационной теории, подчеркнув связь между химическим составом горных пород и циркулирующими в них подземными водами. Подземные воды он рассматривал как сложные природные растворы, состав которых изменяется в процессе взаимодействия подземных вод с горными породами.

Инфильтрационная теория долгое время считалась общеприня­той. Однако по мере накопления фактов о распространении и со­ставе подземных вод в различных природных условиях выявились ее слабые стороны. Например, было установлено, что во многих пустынных и полупустынных областях, где атмосферных осадков выпадает небольшое количество, на некоторой глубине от поверх­ности в горных породах все же содержится влага. Расхождения наблюдаемых фактов с инфильтрационной теорией возникали и при рассмотрении химического состава подземных вод, особенно в глу­боких горизонтах; химические анализы показывали, что сухой оста­ток в этих водах содержит элементы, существенно отличающиеся по своему составу от элементов, составляющих водосодержащие породы. Несмотря на указанные противоречия, инфильтрацкснная теория признается большинством ученых основной.

В конце XVII — начале XVIII в., были выдвинуты новые теории происхождения подземных вод за счет конденсации водяных паров воздуха (Р. Декарт, 1620; Э. Халль, 1663). В 1887 г. немецкий гид­ролог О. Фольгер высказал мысль, что подземные воды образу­ются в основном не в результате инфильтрации, а путем проникно­вения в горные породы воздуха и последующего сгущения (конден­сации) заключенных в нем водяных паров. Так появилась новая конденсационная гипотеза происхождения подземных вод.

Конденсационная гипотеза О. Фольгера была подвергнута рез­кой критике со стороны ряда ученых. Последние указывали на ее искусственность и неправдоподобность. При конденсации водяных паров в грунтах выделилось бы такое количество тепла, при кото­ром началось бы испарение воды и накопления подземных вод не могло бы быть. Невозможно также представить себе наличие в воз­духе, проникающем в породу, такого количества паров воды, чтобы из них могла образоваться вся масса подземных вод в земной коре.

В начале XX в. русский агроном А. Ф. Лебедев опытным путем впервые изучил механизм передвижения воды в породах и дал классификацию видов воды (стр. 57). Лебедев показал, что кон­денсация влаги действительно происходит, но в породу проникает

36

не воздух, как это предполагал О. Фольгер, а только заключенные в нем пары воды, переходящие в жидкое состояние при определен­ных температурных условиях. Однако количество подземных вод, образовавшихся в результате конденсации водяных паров, как пра­вило, составляет небольшую долю от общих запасов подземных вод. А. В. Лебедев (1949, 1962), изучавший процессы конденсации влаги в различных породах на подмосковной станции в Щемилове, оце­нивает эту величину в общем балансе подземных вод в размере 30 мм в год. Д. Дерпгольц (1952, 1962) считает, что процессы кон­денсации имеют большое значение в районах устойчивой мерзлоты.

В начале XX в. довольно широкое распространение получила ювенильная теория образования вод, предложенная австрийским геологом Э. Зюссом. Согласно этой теории, подземные воды своим происхождением обязаны парам воды и газообразным продуктам, выделяющимся из расплавленной магмы в глубоких недрах земли; поступая в более высокие зоны земной коры, они конденсируются и дают начало ювенильным водам. Н. И. Хитаров (1969) допускает наличие водяных паров в земной коре до глубины 30 км, где, по его мнению, существуют различного размера трещины в породах. А. П. Виноградов (1959, 1966) указывает, что базальтовая магма может выделить до 15% ювенильной воды.

Голландский ученый Ф. Кюэнен (1959) ежегодное поступление ювенильной воды из глубинных недр земли оценивает в размере 0,04 км³, что по отношению ко всей массе подземных вод в земной коре составляет незначительную величину. Все воды, поступающие в земную кору из атмосферы, с которой они связаны постоянным круговоротом, в отличие от ювенильных, Э. Зюссом названы вадоз-ными.

Теория ювенильных вод до настоящего времени остается еще слабо обоснованной фактическими данными. Надо полагать, что такие воды могут поступать в верхние слои земли в результате глу­бинных изменений. Обширный фактический материал, собранный в районах вулканической деятельности, показывает, что .водяные пары с больших глубин поступают в верхние слои земли, где они охлаждаются и поднимаются вверх.

Существует также теория о реликтовом происхождении подзем­ных вод. Согласно этой теории, подземные воды глубоких зон пред­ставляют собой остаточные воды древних бассейнов, захороненные в отложившихся в них породах (седиментационные) и сохранившие свой первоначальный облик до настоящего времени. Эта теория требует уточнения на основе современных представлений об эволю­ции как самих осадков, так и заключенных в них водных растворов под влиянием множества природных факторов на протяжении раз­вития Земли.

Формирование подземных вод — сложный естественный процесс, начинающийся на стадии образования осадков, его диагенеза и продолжающийся в обстановке эпигенеза. Содержание тех или иных компонентов в породах, поровых растворах и подземных водах яв­ляется отражением геологической истории развития земли. Для

з:

правильного представления о путях и процессах формирования подземных вод необходимо восстановить палеогидрогеологические и палеогидродинамичесиие условия различных этапов развития Зем­ли.

На большую роль палеогидрогеологии в формировании подзем­ных вод указывали многие крупные гидрогеологи. П. Н. Червин-ский (1933) писал, что изучение подземных вод в историческом разрезе имеет большое значение и для практики, в частности при оценке геологической деятельности подземных вод и их роли в об­разовании минералов, руд и горных пород.

А. Н. Семихатов (1947) ввел" понятие о «гидрогеологических циклах», начинающихся континентальным перерывом (регресси­ей моря) и заканчивающихся трансгрессией. Восстановление гео­логической истории развития водоносного горизонта или комплекса должно состоять, по его мнению, в выделении таких гидрогеологи­ческих циклов и восстановлении соответствующих геологической, тектонической и географической обстановок. Н. И. Толстихин и др. исследователи предлагают началом гидрогеологического цикла счи­тать опускание территории, а концом — поднятие дна морского бас­сейна, когда начинается замещение седиментационных вод водонос­ных горизонтов инфильтрационными.

Работами советских и зарубежных ученых установлено, что из­менения в тектоническом режиме земной коры происходят по цик­лам. Выделяются рифейский (байкальский), каледонский, герцин-ский и альпийский тектонические циклы, каждый продолжительно­стью около 1 млрд. лет. Чередование морских и континентальных условий в пределах каждого из них определяет качественный состав, характер водообмена и динамику формирования подземных вод. Процесс этот весьма сложный и зависит от характера направленно­сти гидрогеологического цикла в условиях континентального и мор­ского режимов.

По данным В. В. Белоусова (1962), подводный уровень равно­весия отложений осадков, определяемый степенью прогибания зем­ной коры, базисом действия волн и привнесем материала, плавно и непрерывно переходящий в уровень равновесия на суше, не дает оснований для ограничения гидрогеологического процесса только континентальной областью. Процесс промыва отложений поверх­ностными и подземными водами характерен также и для участка морского дна, ограниченного базисом действия волн. На остальной территории бассейна идет противоположный процесс — накопление вод морского генезиса, причем мелкая прерывистость колебаний («дрожание») способствует дальнейшему проникновению морской воды в осадок.

Как отмечает А. А. Карцев (1969), длительность времени полно­го водообмена в структуре может быть как меньше, так и больше длительности гидрогеологического цикла. Под последним названный исследователь понимает отрезок гидрогеологической истории района или гидрогеологического (водоносного) комплекса от трансгрессии до трансгрессии. Часть гидрогеологического цикла до смены знака

38

колебательных движений на положительный относится им к элизи-онному (выжимание) гидрогеологическому этапу, после смены зна­ка — к инфильтрационному гидрогеологическому этапу. Соотноше­ния континентальных и морских условий зависят от геологического развития структуры.

Интенсивность инфильтрационного (водообмена в пределах того или иного отрезка геологической истории региона в целом или от­дельного водоносного горизонта, или его комплекса А. А. Карцев (1969) предложил выражать формулой

где ПИИВ — показатель интенсивности инфильтрационного водооб­мена; F — площадь поперечного сечения подземного потока соот­ветствующего тектонического цикла или его части; и — действитель­ная скорость потока в пределах пород того же цикла, взятая по аналогии с таковой для сходных современных артезианских бассей­нов; т — длительность данного инфильтрационного этапа (по дан­ным абсолютной геохронологии); V — объем пород-коллекторов во­доносного горизонта или комплекса; п — пористость пород водонос­ного горизонта или комплекса.

Ю. Г. Богомолов (1970) на основе составленных им палеогидро-геологических карт подсчитал для различных тектонических перио­дов восточной части Брестской впадины величину ПИЭВ. Так, объем воды в рифейском структурно-вещественном комплексе, сложенном аркозовыми песчаниками, по его данным, равен 92 км³. При приня­той величине действительной скорости движения подземных вод 0,2 м/год использование формулы (III—1) показывает, что за 25-Ю⁷ лет в структуре произошли тысячекратные обновления древ­них морских вод. Определение показателя интенсивности элизион-ного водообмена проводилось им по формуле А. А. Карцева и др. (1969):

("1-2)

где ПИЭВ — показатель интенсивности элизионного водообмена; V_n — объем глин водоносного комплекса с учетом изменения во времени; Ат_п — изменение пористости глин за исследуемый этап. Объем синих глин при средней мощности 50 м, площади распро­странения 5,5 тыс. км² равен 275 км³. Общая пористость глин при погружении на 500 м за каледонский цикл уменьшилась (по Вассое-вичу, 1960) на 0,1. Объем вод в песчаниках, залегающих на синих глинах, при средней их мощности 400 м, площади распространения 5,5 тыс. км² и общей пористости 30% (с учетом изменения во вре­мени) равен 660 км³. Таким образом, ПИЭВ составляет 0,036, т. е. в песчаниках произошло обновление древних вод в течение этого периода на 3,6% за счет отжима минерализованных вод из синих глин.

39

Расчеты Ю. Г. Богомолова показывают, что к альпийскому гид­рогеологическому циклу Брестская впадина в пределах БССР, за исключением небольшой зоны в ее западной части, полностью была промыта от соленых вод древних морских бассейнов. В настоящее время на ее территории на глубине более 500—600 м распростране­ны пресные подземные воды гидрокарбонатно-кальциевого состава с общей минерализацией 0,3—0,50 г/л.

Привязка гидрогеологических циклов к конкретным структурно-вещественным комплексам позволяет проследить историю форми­рования подземных вод в пределах конкретных геологических струк­тур.

А. И. Силин-Бекчурин (1948) пишет, что основными процессами формирования подземных вод, в частности хлоридно-натриево-кальциевых рассолов, являются концентрирование растворов, об-менно-адсорбционные процессы и десульфурирование.

М. Г. Валяшко (1963) считает, что подавляющее количество вы­сококонцентрированных рассолов подземных вод в нижних частях земной коры обусловлено концентрированием в аридных условиях больших масс океанической воды и в значительно меньших разме­рах концентрированием вод континентального происхождения.

С. А. Шагоянц (1950) указывает, что можно по серии палеогид-рогеологических схем проследить историю формирования вод рас­сматриваемого горизонта.

М. А. Гатальский (1951) отмечает, что основой для палеогидро-геологического анализа должны служить данные палеогеографии и палеотектоники; при этом он обращает внимание на определение глубины размыва осадков и мощности зоны активной циркуляции подземных вод в течение континентальных перерывов.

Б. Ф. Маврицкий (1960) на примере Западно-Сибирского бас­сейна рассматривает формирование подземных вод в тесной связи с геологической историей.

Г. В. Богомолов, М. С. Яншина, Г. Н. Плотникова и Л. И. Фле­рова (1960) исследовали формирование подземных вод и их хими­ческого состава в Московском артезианском бассейне. В основу работы также был положен палеогидрогеологический анализ изуча­емой территории и сопредельных областей. На основе литолого-фациальных, геоструктурных и климатических данных, охватываю­щих несколько этапов палеозойского периода развития Московской синеклизы, была составлена серия карт.

При палеогидрогеологических реконструкциях в первую очередь следует установить, какой режим существовал в тот или иной пери­од геологической истории на изучаемой территории — континенталь­ный или морской. Для морского этапа формирования необходимо указывать на характер солености данного морского бассейна. От­клонения от нормального режима морского бассейна обусловлива­ли более интенсивное засоление подземных вод, либо их опреснение.

В данных исследованиях важен анализ палеотектонических карт, которые служат одновременно и картами мощностей осадочной тол­щи рассматриваемого периода. Они позволяют судить о глубине

40

залегания и мощности водоносных горизонтов, о степени их связи и изолированности от дневной поверхности.

Палеотектонические построения—-основа для расшифровывания возможных путей древней миграции подземных вод, областей их питания и разгрузки.

Рис. 15. Схематическая палеогидрогеологическая карта балтийского времени: / _ кристаллические породы и древняя кора выветривания; области распространения под­земных вод — 2 — в коре выветривания — пресные воды, 3 — в гдовском горизонте — пресные воды, 4 — в верхнепротерозойских осадках (пинская свита) — минерализованные воды, 5 — в нижнекембрийских горизонтах (гдовском и ляминаритовом)—минерализованные воды; 6 — границы стратиграфических комплексов, 7 — изогипсы кристаллического фундамента на площади морского бассейна балтийского времени (они же изолинии суммарных мощ­ностей)

Принцип составления палеогидрогеологических карт (рис. 15) заключается в следующем. Для определенного геологического пери­ода наносятся на .карту границы соответствующего по времени морского бассейна. На территории суши указываются границы рас­пространения геологических комплексов, т. е. составляется схема­тическая палеогеологическая карта для данного периода. Одновре­менно для территории, занятой морским бассейном, строится палеотектоническая схема рельефа кристаллического фундамента, после чего стрелками указываются основные направления поверх-

костного и подземного стоков. Штриховкой обозначаются площади распространения первых от поверхности водоносных горизонтов. При характеристике минерализации воды этих горизонтов выде­ляются два основных типа: соленые, седиментационные воды и пре­имущественно пресные, инфильтрационные.

По мнению Г. Н. Каменского, в формировании неглубоких гори­зонтов грунтовых вод преобладающее значение имеет инфильтра­ция атмосферных осадков, поглощение поверхностного стока, про­цессы конденсации водяных паров. В зависимости от литологии и состава водовмещающих пород и климата подземные воды неглубо­ких зон могут быть пресными или солеными.

В осадочных породах подземные воды могут впервые появлять­ся в процессе отложения этих осадков за счет проникновения в них вод морских бассейнов. В дальнейшем воды подвергаются измене­ниям при диагенезе' осадков. Вместе с тем морские воды могут по­ступать в породы и путем инфильтрации во время трансгрессий. После отступления моря на суше происходит инфильтрация атмос­ферных осадков, в результате чего первоначально образовавшиеся соленые морские воды под воздействием инфильтрации и других факторов изменяют свой состав и опресняются. Распределение этих вод подчиняется определенной гидрохимической зональности, скла­дывающейся исторически в ходе развития данного района.

Подземные воды, передвигающиеся в породах различной водо­проницаемости и литологического состава, весьма резко реагируют на изменение структурного плана, перемещаясь от положительных структурных форм к отрицательным. На отдельных этапах разви­тия структур в водоносных пластах изменяются не только скорости водообмена, температурный режим, направленность поверхностного и подземного стоков, но и химический состав воды. Поэтому изуче­ние тектонических форм и их развития на отдельных этапах текто-генеза представляет одну из главнейших задач для правильного понимания формирования подземных вод. В каждом цикле тектоге-нёза существовал, видимо, свой определенный тип подземных вод, характеризовавшихся не только своей минерализацией, но и опреде­ленным соотношением различных газов, редких и рассеянных эле­ментов и органических веществ.

Переход пресных вод в соленые и соленых в пресные был впол­не закономерным в течение различных геологических эпох, и та за­кономерность в изменении химического состава подземных вод по глубине (пресные, сульфатные и хлоридные), которую мы сейчас наблюдаем, является следствием изменения активности водообме­на, литолого-петрографического состава пород и заключенных в них различных типов природных вод в течение длительной истории гео­логического развития.

¹ Диагенез — совокупность процессов преобразования рыхлых осадков в оса­дочные горные породы и последующего их изменения в условиях повышенных температуры и давления.

42

Анализ данных глубокого опорного бурения по Русской платфор­ме показывает, что мощность зоны пресных вод в пределах геоло­гической структуры большая в местах неглубокого залегания кри­сталлического фундамента и меньшая в местах глубокого залегания (рис. 16).

Под воздействием движущихся подземных вод происходит не только растворение пород и вынос из них различных минеральных компонентов, но и полное их изменение вплоть до образования но­вых типов пород (каолин и др.). Изучение вторичных пород и ми­нералов, образующихся в земной коре под воздействием подземной воды, — одна из важных задач.

Рис 16 Схема зон пресных и со­леных вод над поверхностью кри-стал чического ф}нда\гента

А. И. Силин-Бекчурин указывает, что образование пресных и со­леных вод в засушливых районах земного шара подчинено опреде­ленной гидрохимической законо­мерности, заключающейся в том, что по мере движения от более увлажненных районов к менее увлажненным происходит посте­пенное нарастание минерализа­ции вод неглубоких водоносных горизонтов и переход пресных гидрокарбонатных вод в сульфат­ные и, далее, в хлоридные с ми­нерализацией 50 г/л и более. Засоление происходит в результате выноса солей из пород во время инфильтрации атмосферных осад­ков, движения подземного потока и выщелачивания солей в про­цессе обменно-адсорбционных явлений.

В глубоких зонах земной коры в зависимости от характера гео­логической структуры, высоты области питания и разгрузки могут образовываться как пресные, так и соленые воды. В пустынных районах, примыкающих к горам, пресные воды часто залегают между солеными на глубинах в несколько сот метров.

По вопросу образования подземных вод существуют и другие представления. Так, В. А. Сулин и М. Е. Альтовский считают, что воды прежних морских бассейнов не сохранились в породах, а силь­но минерализованные воды в глубоких слоях образовались из вод инфильтрационных за счет накопления в них растворенных солей в результате подземного испарения. И. К. Зайцев полагает, что об­разование глубоких минерализованных вод происходило в бассей­нах типа лагун в условиях резко континентального климата. Неко­торые исследователи придают важную роль диффузионному выще­лачиванию засоленных пород и формированию вертикальной гидрохимической зональности подземных вод.