Том 2

Гидрогеология

Подземные воды представляют собой весьма важную часть гидросферы Земли. Они развиты в земной коре и, возможно, в прилегающей части верхней мантии. Характеризуются большим разнообразием фазового состояния (жидкие, твердые, парообразные, надкритические). Большое количество воды в недрах присутствует в составе твердых минералов (физически и химически связанные воды). Нижняя граница устойчивого существования воды в недрах определяется, вероятно, расположением изотерм 1000—1100 °С, что соответствует глубинам 15—20 км в областях современного вулканизма и 200—250 км под древними платформами.

Общее количество воды в подземной гидросфере, по ориентировочным подсчетам находится в пределах (800—4300) • 106 км³, то есть сопоставимо с установленными запасами воды (1338 • 106 км³) в Мировом океане.

В вертикальном разрезе (сверху вниз) подземной гидросферы достаточно четко обособляется ряд зон, существенно различающихся по фазовому состоянию и физико-химическим параметрам воды:

1) зона аэрации — характерно наличие паров воды атмосферного происхождения;

2) зона твердых вод (льда) — приурочена к покровным ледникам (Антарктиды и др.) и к областям развития многолетней (вечной) мерзлоты;

3) зона жидких вод (до критических температуры и давления);

4) зона уплотненного водного флюида с преимущественным распространением воды в надкритическом состоянии;

5) зона мономерных молекул воды.

Достоверные сведения о природных водах в земной коре ограничиваются глубинами до 5—7 км, в единичных пунктах до 8—10 км. Наиболее широко распространены в горных породах до этих глубин подземные воды в жидком состоянии, способные двигаться по открытым порам и трещинам под влиянием силы тяжести и различных процессов уплотнения. Эти воды называются капельно-жидкими (или свободными гравитационными), обычно просто подземными водами. Именно эти жидкие воды образуют разного рода скопления (в том числе крупные по масштабам месторождения) в горных породах и могут быть извлечены из них в разных целях в зависимости от их качества.

Горные породы, содержащие капельно-жидкие воды и способные пропускать их через себя при наличии перепада давления, представляют собой водоносные геологические тела (водоносный горизонт, водоносная зона трещиноватости и т. п.).

В верхних (в разной степени уже изученных) частях земной коры (до глубин 8—10 км) содержится (20—25) • 106 км³ капельно-жидких подземных вод, обладающих высокой текучестью и химической активностью. В областях современного вулканизма в верхних частях земной коры наряду с капельно-жидкими широко распространены воды в виде пароводяных смесей и пара с температурами до 250—400 °С, образующие часто промышленные гидрогеотермальные месторождения. Изученные капельно­жидкие воды (включая пароводяные смеси) весьма разнообразны по степени концентрации (минерализации) растворенных в них веществ (от 0,01—0,1 до 300—600 г/л), составу растворенных газов (азотные, углекислые, сероводородные и др.) и степени газонасыщенности (от 5—20 см³/л до 500—1000 см³/л и более), химическому составу растворенных веществ (хлориды, сульфаты, карбонаты, различные металлы и др.), температуре (от переохлажденных с температурой менее О °С до перегретых с температурой более 300 °С), степени упорядоченности структуры водных растворов (возрастает с ростом минерализации воды) и т. п.

Химический состав капельно-жидких вод и другие свойства во многом определяются условиями их формирования. По этому признаку они подразделяются на две основные группы: экзогенного и эндогенного происхождения.

Экзогенные капельно-жидкие воды поступают в земные недра с поверхности Земли и подразделяются на инфильтрогенные (вадозные) и седиментогенные. Инфильтрогенные воды формируются в зоне гипергенеза горных пород (а также в зоне гипергенно-гидротермального метасоматоза — при проявлениях вулканизма), как в областях суши — за счет паров атмосферы (конденсационные воды) и инфильтрации атмосферных осадков (атмогенные воды), так и в пределах акваторий в результате инфильтрации вод поверхностных водоемов (морей и др.) — при трансгрессиях, а также при подводной вулканической деятельности, то есть инфильтрогенные воды — это воды либо атмосферы, либо поверхностных водоемов, проникшие в уже сформированные горные породы. Седиментогенные воды — это воды, захороняющиеся вместе с осадками в бассейнах седиментации. Особенности их химического состава определяются в основном характером солености придонных вод в этих бассейнах.

Эндогенные воды образуются в земной коре в ходе процессов литогенеза, метаморфизма и магматизма (переход в свободное состояние физически и химически связанных вод и минералов, выделение воды из кристаллизующихся интрузий и т. п.).

Распределение подземных вод разного генезиса и соответственно разного состава в верхней изученной части земной коры подчинено вертикальной зональности. В разрезе геологических структур отчетливо выделяются два гидрогеодинамических этажа. Верхний этаж в областях суши охватывает верхнюю часть разреза до уровней региональных базисов эрозии — зону современного гипергенеза. Здесь распространены в основном пресные инфильтрогенные воды атмосферного питания.

Воды верхнего этажа суши участвуют в современном климатическом круговороте природных вод. В субаквальных условиях верхний этаж приурочен к толще осадков, находящихся на окислительной стадии диагенеза. Существенно возрастает (до 3—5 км) глубина проникновения инфильтрогенных вод атмосферного и морского питания в областях проявления современного вулканизма.

Для нижнего этажа характерно то, что в него не поступают инфильтрогенные воды (атмосферного и морского питания), участвующие в современном гидрологическом круговороте воды. Здесь развиты преимущественно седиментогенные и древнеинфильтрогенные воды. Последние, обычно соленые и рассольные (до 400—600 г/л), связаны с морскими и галогенными формациями. В нижнем этаже важную роль играют эндогенные подземные воды (главным образом литогенные и метаморфогенные).

Для нужд питьевого и хозяйственного водоснабжения (и орошения) используются, как правило, пресные (до 1 г/кг) и реже (в областях аридного климата) солоноватые (до 1—3 г/кг) подземные воды, формирующиеся в основном в пределах верхнего гидрогеодинамического этажа в структурах разного типа. Также, значительные статические запасы этих вод содержатся в нижнем этаже артезианских бассейнов (с преобладанием терригенных гумидных континентальных отложений) и реже других.

Гидрогеологические структуры на территории России могут быть разделены на группы, в пределах которых пресные подземные воды в верхних частях разреза структур (в верхнем гидрогеодинамическом этаже):

— распространены повсеместно;

— распространены спорадически;

— частично проморожены;

— полностью проморожены (за исключением надмерзлотных и межмерзлотных таликов);

— отсутствуют.

Структуры с повсеместным распространением пресных подземных вод располагаются в пределах суши в областях гумидного климата. К ним относятся, например, артезианские бассейны на большей части Русской платформы, Западно-Сибирской плиты, южной части Сибирской платформы; артезианские бассейны межгорных впадин Байкальской, Амурской складчатых областей и др.; системы адартезианских бассейнов и адмассивов Тимана, Предуралья; системы массивов и адмассивов Урала, Алтае-Саянекой области и др. Мощность зоны пресных вод в артезианских бассейнах платформ обычно не превышает 150—300 м, а в артезианских бассейнах межгорных впадин достигает 500—1000 м. Запасы пресных подземных вод в этих структурах весьма значительны.

Структуры со спорадическим распространением пресных подземных вод приурочены к артезианским бассейнам Прикаспийской впадины, Скифской плиты и южной части Западно-Сибирской плиты. Процессы континентального засолонения здесь определяют широкое развитие солоноватых и соленых вод. В Прикаспийском артезианском бассейне засолонению подземных вод способствует наличие соляных куполов. Пресные воды распространены в виде отдельных прослоев и линз, которые часто «плавают» на соленых водах. В южной части Западно-Сибирского артезианского бассейна процессы континентального засолонения происходят в верхней части кайнозойских отложений, что определяет мозаичное распространение в них пресных, солоноватых и соленых вод. В то же время на больших глубинах в отложениях палеогена и мела широко распространены пресные и слабосоленые воды.

Структуры, в верхнем этаже которых питьевые подземные воды проморожены частично, располагаются в областях прерывистого развития многолетней мерзлоты. Это — артезианские бассейны в южной части Сибирской и Печорской платформ, массивы и адмассивы Верхояно-Колымской, Чукотской складчатых областей, массивы Алдано-Станового щита и др. В некоторых районах эти структуры обладают значительными ресурсами пресных (и солоноватых) подземных вод. К ним относятся на Сибирской платформе артезианские бассейны Ангаро-Ленской моноклизы, южной части Тунгусской синеклизы, Южно-Якутских впадин (Чульманской, Токкинской и др.).

Большой сложностью характеризуются условия водоснабжения за счет подземных вод артезианских структур, расположенных в центральной части и северных районах Сибирской платформы и в северных районах Западно-Сибирской плиты, где в верхнем этаже пресные, а местами и солоноватые воды, обычно полностью проморожены за исключением подрусловых и подозерных таликов. Верхние водоносные горизонты подмерзлом mix вод здесь преимущественно соленые (3—5 г/кг, реже 20—30 г/кг и более) хлоридного состава. Вероятно, полностью проморожены пресные воды на Анабарском массиве, а также в массивах северной части Таймыра.

В гидрогеологических массивах и адмассивах, характеризующихся трещинно жильным типом обводнения, наибольшие ресурсы подземных вод также приурочены к месторождениям трещинно-карстового типа, особенно в зонах тектонических разломов, пересекающих закарстованные породы. Это наблюдается в таких горноскладчатых областях, как Урал, Северный Кавказ, Алтай, Саяны, Мал. Хинган и др., где известны многие источники карстовых вод, добиты которых измеряются десятками, сотнями, а иногда и тысячами литров в секунду. Значительные ресурсы характерны для месторождений покрово-трещинно-поровых вод, приуроченных к кайнозойским базальтам и туфолавам (базальтовые покровы в долинах Забайкалья, Дальнего Востока, туфолавовые толщи Камчатки и др.). Повышенной водообильностью обладают также месторождения подземных вод жильного типа, особенно находящихся в местах пересечения тектонических разломов, что наблюдается на Балтийском щите, Урале, Енисейском кряже и др.

Подземные воды повышенной минерализации, которые могут быть использованы главным образом для технического водоснабжения, орошения и водопоя скота, приурочены в пределах России в основном к артезианским бассейнам. Их потенциальные эксплуатационные запасы велики (сотни тыс. м³/сут).