Конспект лекций Минск, 2000 г. Рекомендуемая литература

Диффузионно–осмотическая гипотеза (П.Н. Палей, Дж. Брэдхофт и др.) предполагает, что под действием геотермического градиента или градиента давления через глинистые толщи, как через полупроницаемые мембраны, происходит избирательный перенос молекул воды вверх, а оставшийся в нижней части разрез концентрируется.
Гипотеза подземного испарения (В.А. Сулин, М.Е. Альтовский) предполагает, что проникающие в недра инфильтрационные воды нагреваются, образующиеся при этом водяные пары увлекаются вверх пузырьками газа различного происхождения, рассеянного в подземных водах. Таким образом, допускается как бы “перекачивание” водяных паров из нижележащих слоёв в верхние, в результате чего внизу формируются рассолы вплоть до очень концентрированных.
Гипотеза гравитационной дифференциации ионов (К.В. Филатов) основана на разнице в ионной плотности химических элементов. Ионная плотность определялась как частное от деления атомного веса на объём иона. Согласно этой гипотезе анионы и катионы располагаются в подземных водах в соответствии с величиной их ионной плотности. Ионы с наименьшей плотностью (НСО₃^–) должны, таким образом, размещаться в верхней части разреза, с наибольшей (Сl^–, Вг^–, I^–) — в самой нижней. Сульфатный ион, характеризующийся промежуточной величиной ионной плотности, должен занимать промежуточное положение в разрезе.
Гипотеза трансляционной самодиффузии ионов (О.Я. Самойлов, Д.С. Соколов) предполагает, что в разрезе бассейнов, где подземные воды медленно перемещаются из областей питания к зонам разгрузки, существует дополнительный поток частиц растворённого вещества (ионов) и растворителя (молекул воды). При этом движение молекул воды, не входящих в ближайшее окружение ионов, направлено вверх (самодиффузия молекул воды), гидратированные ионы передвигаются вниз. Такой процесс служит главной причиной формирования нормального гидрогеохимического разреза — нарастание минерализации с глубиной. Распределение же ионов связано с разной скоростью так называемого трансляционного (скачкообразного) движения различных ионов относительно молекул воды.
Процессы, которые рассматриваются в приведенных гипотезах, вероятно, имеют место в определённых условиях в подземной гидросфере, однако с позиций доминирования какого–то одного процесса нельзя объяснить такое сложное явление как гидрогеохимическая зональность. Вопрос о механизме формирования зональности требует дальнейшего изучения.
Вместе с тем, мы уже сегодня можем с определённостью сказать, что гидрогеохимическая зональность объясняется историей геологического развития региона, в ходе которой литологический состав пород, тектоническое строение, глубина эрозионного вреза и множество других факторов оказывали своё влияние на формирование зональности. Это относится как к прямой зональности, о которой мы больше всего говорили, так и обратной, и переменной.
Нарушение прямой гидрогеохимической зональности может быть вызвано вторжением пресных подземных вод из внешних областей питания, например, из горных массивов. Мы уже говорили в наших лекциях, что водоносные горизонты питающиеся атмосферной водой в горах, могут погружаться под дно моря, где иногда наблюдаются субмаринные пресные источники. Из этого примера понятно формирование разрезов, представленных водоносным горизонтом с морскими всодами, захоронёнными вместе с морскими отложениями, ниже которого располагается пресноводный водоносный горизонт. Нарушение прямой гидрогеохимической зональности бывает связано с наличием в разрезе соленосных или гипсоносных отложений, растворение которых или маточные рассолы, захоронённые в них при седиментации, обусловливают повышенную минерализацию подземных вод прилегающих частей разреза. Кстати, здесь уместно отметить, что иногда можно встретить ошибочное мнение, что в нормальном гидрогеохимическом разрезе зона гидрокарбонатных вод сменяется вниз по разрезу зоной сульфатных вод, а дальше зоной хлоридных вод. Дело в том, что зона сульфатных вод отсутствует во многих бассейнах; более того, сульфатные воды, как правило, появляются там, где есть сульфатные породы. Дело даже ещё сложнее. В разрезе могут присутствовать сульфатные породы, а сульфатных вод может не быть. Например, среди девонских межсолевых и подсолевых отложений Припятского прогиба широко распространены пласты ангидритов, а рассолы здесь хлоридные. Это связано с тем, что в бассейнах галогенеза накопление сульфатных солей нередко осуществлялось в среде хлоридных, а не сульфатных рассолов. Наиболее же вероятная причина формирования сульфатных вод в разрезе — это растворение сульфатных пород.
Причиной обратной гидрогеохимической зональности может быть появление в нижней части разреза, где пластовые температуры свыше 130–150 °С, петрогенных вод, которые представляют собой выделившуюся химически связанную воду минералов (главным образом, монтмориллонита), и которые существенно опресняют находящиеся здесь подземные воды или рассолы. Вполне вероятно, что именно этой причиной объясняется намечающееся уменьшение минерализации рассолов в низах гидрогеохимического разреза Припятского прогиба. Опреснение подземной гидросферы петрогенными водами нередко сопровождается появлением существенного количества гидрокарбонатных ионов. Это связано с тем, что при температурах, при которых освобождается кристаллизационная и конституционная вода минералов, одновременно интенсифицируется разложение рассеянного органического вещества и гидролиз карбонатных пород. Оба этих процесса сопровождаются выделением углекислоты. Один из районов, где эти процессы особенно ярко выражены, — Западная Сибирь. Здесь, в юрских и меловых отложениях, устанавлены многочисленные трассирующиеся глубинными разломами аномальные зоны, где гидрогеохимические изменения заключаются в значительном снижении минерализации подземным вод (на 10–40 г/л) в нижних частях чехла по сравнению с вышележащими и в преобразовании вод из хлоридиых в гидрокарбонатные.
Мы коснулись горизонтальной и вертикальной зональностей распределения минерализации и ионного состава подземных вод. В начале лекции мы отметили, что можно говорить и о зональности других компонентов подземных вод: газов, органических веществ, микрофлоры. Эти вопросы выходят за рамки курса. Дадим лишь крайне сжатую обобщённую характеристику газовых зон по вертикали гидрогеохимического разреза. С глубиной меняются состав и газонасыщенность подземных вод. Если в неглубоких водах зоны активного водообмена преобладают кислород и азот при газонасыщенности не более 100 мг/л, то в глубоких водах зоны затруднённого водообмена преобладающим газом становится метан, газонасыщенность вод достигает 10 000 мг/л. С глубиной уменьшается роль азота и возрастает роль углекислого газа, сероводорода и водорода (при преобладающем значении метана и тяжёлых углеводородов).