Строение подземной гидросферы (стр. 2 из 5)

Значительный интерес представляли результаты исследований кавказских минеральных вод, выполненных А.П. Герасимовым, А.Н. Огильви, Н.Н. Славяновым, первые сведения о подземных водах районов распространения вечной мерзлоты, изложенные в работе А.В. Львова (1916).

В первые годы советской власти начинают развиваться практически все основные направления гидрогеологической науки. В 1931 г. состоялся Всесоюзный гидрогеологический съезд, на котором были представлены работы по общим вопросам гидрогеологии (О.К. Ланге, А.Ф. Лебедев, Ф.П. Саваренский и др.); зональности грунтовых вод и принципам гидрогеологического районирования (П.И. Васильевский, В.С. Ильин, А.Н. Семихатов, Р.Н. Каменский, Н.И. Толстихин и др.); региональной гидрогеологии (К.И. Маков, Н.А Плотников, Н.Ф. Погребов, Н.С. Токарев).

Исключительно важное значение для развития ряда гидрогеологических идей имели работы академика В.И. Вернадского. Им был обоснован важный тезис о единстве природных вод Земли, рассмотрен ряд важных вопросов происхождения подземных вод и геологического круговорота воды. В.И. Вернадский охарактеризовал роль воды в геологических и геохимических процессах [1, 3, 4, 5].

Широкое осуществление глубокого поискового и разведочного бурения на нефть и газ определило необходимость развития гидрогеологических исследований, связанных с изучением глубоких водоносных горизонтов, прежде всего платформенных структур. Крупный вклад в развитие этого направления внесли советские ученые Г.В. Богомолов, М.А. Гатальский, Н.К. Игнатович, А.А. Карцев, В.А. Кротова, Б.Ф. Маврицкий, Е.В. Пиннекер, А.И. Силин-Бекчурин, С.Н. Смирнов, В.А. Сулин, А.Е. Ходьков, С.А. Шагаянц.

1.2 Зона аэрации

Строение подземной части гидросферы, количество воды, содержащееся в горных породах, и ее фазовое состояние в более широком смысле – распределение и движение различной воды определяются термодинамическими условиями разреза земной коры, строением и историей геологического развития ее основных структурных элементов, составом и свойствами (типом) горных пород и в верхней части разреза в значительной мере рельефом и гидрографией современной поверхности, а также климатическими условиями конкретных территорий [5, 6].

Обобщенный гидрогеологический разрез земной коры, характеризующий условия залегания подземных вод и принципиальную схему их движения, приведен на рисунке 1.

Рис. 1. Принципиальный гидрогеологический разрез земной коры:

1 – осадочные породы земной коры; 2 – гранитный и базальтовый слой земной коры; 3 – верхняя мантия; 4 – зоны глубоких тектонических разломов; 5 – зона аэрации (вне масштаба); 6 – криолитозона; 7 – зона полного насыщения; 8 – зона подземных вод в надкритическом состоянии; 9 – нижняя граница зоны аэрации; 10 – подошва осадочных пород; 11 – нижняя граница зоны полного насыщения; 12 – граница Мохоровичича; 13 – направления движения «местных» потоков подземных вод; 14 – региональных потоков; 15 – глубинных субвертикальных потоков; 16 – возможное поступление ювенильных растворов; 17 – инфильтрационное питание; 18 – испарение грунтовых вод; 19 – захоронение морской воды с осадками и отжатие поровых вод

В соответствии с существующими представлениями (О. Мейнцер, Е.В. Пиннекер, Ф.П. Саваренский, А.М. Свешников и др.) в гидрогеологическом разрезе земной коры сверху вниз от поверхности земли могут быть выделены: зона аэрации, криолитозона, зона насыщения и зона подземных вод в надкритическом состоянии [1,6].

Понятие «зоны аэрации» было введено американским гидрогеологом О. Мейнцером (1933г.) и представляет собой верхнюю не полностью насыщенную (ненасыщенную) водой часть разреза горных пород, мощность которой изменяется от первых сантиметров (метров) на равнинных участках территории до 200-250 м и более на интенсивно расчлененных междуречных пространствах горных районов. Верхней границей зоны аэрации является поверхность земли, нижней – уровень подземных вод первого водоносного горизонта.

Рис. 2 Схема залегания типов подземных вод зоны аэрации:

1 – породы зоны аэрации, 2 – грунтового водоносного горизонта,

3 – слабопроницаемые породы, 4 – почвенный слой,

5 – уровень грунтовых вод и капиллярная кайма, 6 – верховодка

По М.П. Толстому определение зоны аэрации можно сформулировать так – это поверхностный пояс в разрезе земной коры, находящий на стыке атмо-, гидро- и литосфер, лежащий выше постоянного уровня подземных вод.

В пределах акватории Мирового океана, а на континентах и островах под руслами рек и внутренних водоемов в том случае, если подземные воды первого водоносного горизонта имеют непосредственную гидравлическаю связь с поверхностными водами, зона аэрации (неполного насыщения) отсутствует [2, 4, 6].

1.3 Криолитозона

Территория, на которой распространены многолетнемерзлые породы, называется криолитозона ( от греч. «криос» − холод, «литос» − камень, порода). Криолитозона состоит из мерзлых, морозных и охлажденных пород.

1) мерзлые породы содержат в своем составе лед,

2) морозные − породы с t < 0 ºС, в которых отсутствуют лед и вода ( это чаще магматические и метаморфические породы и их разновидности),

3) охлажденные породы имеют t ниже 0 ºС и насыщены солеными водами.

Данная зонавыделяется как самостоятельный элемент подземной гидросферы в области распространения многолетнемерзлых пород (высокие широты Северного и Южного полушария, высокогорные районы). В зависимости от строения гидрогеологического разреза земной коры она обычно охватывает часть зоны аэрации и верхнюю часть зоны полного насыщения [5, 6, 7].

Рис. 3 Схема залегания различных по отношению к многолетнемерзлым породам типов подземных вод:

А – надмерзлотные водысезонно-талого слоя; Б – воды сквозного дождевально-радиационного талика; В – надмерзлотные воды подозерного несквозного талика; Г – воды сквозного подруслового талика; Е – межмерзлотные воды; Ж – подмерзлотные воды неконтактирующие безнапорные; З – подмерзлотные воды неконтактирующие напорные; И – подмерзлотные воды контактирующие напорные; К – надмерзлотные воды несквозного дождевально-радиационного талика; 1 – изверженные трещиноватые породы; 2 – щебень и дресва; 3 – суглинки; 4 – пески, галечники; 5 – многолетнемерзлые породы и их граница; 6 – обводненность пород состояния (а), периодическая (б); 7 – направление движения подземных вод; 8 – подошва сезонно-талого слоя (б) и сезонно-мерзлого слоя (а); 9 – скважины, стрелкой показана глубина появления и установившийся уровень подземных вод

Мощность криолитозоны в зависимости от климатических условий местности (главным образом среднегодовые температуры воздуха), геологического строения и геотемпературных условий верхней части разреза земной коры изменяется от первых метров до 1000 – 1500 м и более (Романовский, 1983; Ершов, 2002; и др.).

В условиях криолитозоны основная масса подземных вод находится в твердом состоянии (лед, газовые гидраты), а также в виде физически связанной воды, промерзание которой происходит при температурах ниже 0°С.

Свободная гравитационная вода в пределах криолитозоны может быть связана только с участками распространения горных пород, находящихся в талом состоянии, или в тех случаях, когда вода в связи с повышенной минерализацией не замерзает при отрицательных температурах [1, 3, 5].

1.4 Зона полного насыщения

Эта зонаохватывает верхнюю часть разреза земной коры от уровня первого водоносного горизонта (нижняя граница зоны аэрации) до глубин 8-20 км, на которых по существующим представлениям температура и давление водных растворов достигают критических значений.

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, свободное пространство которых заполнено газом, жидкими углеводородами или пароводяной смесью [1, 3, 4].

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 можно предполагать, что в областях современного вулканизма нижняя граница зоны полного насыщения может располагаться на значительно меньших глубинах (Пиннекер, 1983).

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).

1.5 Зона подземных вод в надкритическом состоянии

Нижняя часть разреза земной коры до границы с верхней мантией рассматривается в настоящее время как зона, содержащая подземные воды в надкритическом состоянии. Мощность этой зоны в пределах континентов достигает, вероятно, 20-30 км и более (Всеволожский, 2007).