Конспект лекций Минск, 2000 г. Рекомендуемая литература

6. ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ЗОНАЛЬНОСТЬ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
[Понятие, история вопроса, современные представления.
Горизонтальная и вертикальная зональность. Зональность химического
состава грунтовых вод. Зональность химического состава пластовых
вод платформенных областей]

Всюду в природе мы встречаемся с явлениями зональности. Широко известна климатическая зональность, зональность растительности и т.д. Зональные явления широко распространены и в гидрогеологии. Учение о гидрогеохимической зональности является фундаментальным достижением гидрогеологии. Известны разные виды зональности: по площади и глубине, для грунтовых вод и глубоких напорных вод, для общего химического состава вод, для газов, органических веществ, микрокомпонентов, микрофлоры и т.д. Гидрогеохимическая зональность наиболее изучена на примере грунтовых вод, а также глубоких подземных вод в пределах платформ.

Геохимическая зональность грунтовых вод — зональность горизонтальная. Напомню, что грунтовыми водами называются — воды первого от поверхности постоянного водоносного горизонта. Поэтому понятно, что состав этих вод определяется влиянием поверхности и подчиняется географической (горизонтальной) зональности с её сложным комплексом факторов (климат, почвы, растительность и т.д.).
Ещё в 1914 г. гидролог П.В. Отоцкий впервые в пределах Европейской части России выделил четыре широтные зоны грунтовых вод, различающиеся между собой глубиной залегания и минерализацией: 1) зона неглубоких, слабо минерализованных, богатых органическими веществами грунтовых вод (полярно–тундровая полоса); 2) зона неглубоких, умеренно минерализованных вод (лесная полоса); 3) зона местами глубоких, в различной степени минерализованных вод (степная полоса); 4) зона глубоких значительно минерализованных вод (южнее степной полосы). (Конечно, надо иметь в виду, что градация П.В. Отоцкого относится к водам очень малого диапазона минерализации и почти всегда пресным (50–3000 мг/л)).
В 1949 г. Г.И. Каменский выделил две зоны грунтовых вод по условиям их формирования: грунтовые воды выщелачивания и грунтовые воды континентального засоления. Первый тип воды формируется в областях избыточного увлажнения или в недостаточно увлажненных районах, но с хорошо проницаемыми породами или с хорошим естественным дренажём. Второй тип вод формируется на равнинах сухих степей, полупустынь и пустынь. В зоне грунтовых вод выщелачивания с севера на юг минерализация вод увеличивается от нескольких десятков или сотен мг/л до 1 г/л. Во второй зоне грунтовых вод континентального засоления могут быть встречены воды различной минерализации и разного состава от пресных до солёных в зависимости от вещественного состава пород и геоморфологических факторов. Например, на водоразделах, при глубоком залегании, воды могут быть пресными, а в долинах рек при неглубоком их залегании и более интенсивном, в связи с этим, испарением становятся более минерализованными.
Развивая идеи Г.И. Каменского, Е.В. Пиннекер выделил с севера на юг три зоны грунтовых вод: 1) ледовую (мёрзлую), 2) гумидную (влажную) и 3) аридную (сухую). В первой зоне воды полностью или частично проморожены, в жидкой фазе существуют лишь летом. Вторая зона характеризуется избыточным увлажнением и интенсивным вымыванием солей из пород. В третьей зоне испарение преобладает над осадками и происходит засоление грунтовых вод.
С.Л. Шварцев обобщил огромный фактический материал по химическому составу грунтовых вод земного шара. Он вычислил средний химический состав грунтовых вод зон выщелачивания и континентального засоления:
для зоны выщелачивания:
,
для зоны континентального засоления:
.
Зональное распределение характерно и для органических веществ грунтовых вод. Например, для северных и северо–восточных районов территории России характерны более высокие содержания органических веществ в грунтовых водах (С_орг ~ 35 мг/л) по сравнению с южными и юго–западными районами (20–25 мг/л). Это обусловлено более низкими среднегодовыми температурами, обилием влаги, богатой наземной растительностью, тесной связью поверхностных, в том числе болотных, и грунтовых вод. В этих условиях не происходит полного разложения остатков наземной растительности, что и ведёт к обогащению грунтовых вод органическим веществом гумусового характера. Во многих районах севера эти воды имеют жёлтый и бурый цвет из–за высокого содержания фульво– и гуминовых кислот. Такой же цвет, кстати, имеют воды и некоторых рек Беларуси, области питания которых располагаются в зоне развития болот (например, Припять). В аридных условиях, наоборот, климатические условия способствуют более полному разложению органических остатков и обеднению грунтовых вод органическим веществом.
Теперь рассмотрим вертикальную зональность подземных вод, которая свойственна водам, залегающим более глубоко, чем грунтовые, и которые не связаны так непосредственно с поверхностными факторами, как грунтовые.
Впервые факт изменения химического состава подземных вод с глубиной отметил С.Н. Никитин в 1900 г. Впоследствии проблема гидрогеохимической зональности — одна из кардинальных проблем гидрогеологии — изучалась многими исследователями.
Рассматривая вертикальную гидрогеохимическую зональность надо иметь в виду одно существенное обстоятельство, на которое обратил внимание М.Е. Альтовский. Нужно различать два виды вертикальной зональности. Один из них наблюдается при бурении скважин, когда мы последовательно пересекаем наслаивающиеся друг на друга водоносные горизонты. Второй относится к отдельным водоносным горизонтам, или пластам, в которых по их падению отмечается изменение минерализации и состава вод. Это так называемая пластовая гидрогеохимическая зональность.
В природе, как правило, не наблюдается чётких и резких границ между различными гидрогеохимическими зонами; химический состав вод изменяется постепенно. Зоны могут выделяться по величине минерализации, ионному составу, газовому составу и другим гидрогеохимическим характеристикам.
Под гидрогеохимической зоной принято понимать часть бассейна подземных вод (или водоносного пласта), относительно однородную по химическому составу вод, в пределах которой принятый за основу выделения зон гидрогеохимический показатель изменяется в сравнительно узких, условно устанавливаемых границах.
Так, известный pоссийский гидрогеолог И.К. Зайцев выделил такие зоны подземных вод по величине минерализациии: зона А — пресных вод (М до 1 г/кг), зона Б — солёных вод (М от 1 до 35 г/кг), зона В — рассолов (М > 35 г/кг). Выделенные таким образом гидрогеохимические зоны подразделяются на гидрогеохимические подзоны в соответствии с классификацией подземных вод по величине минерализации. Например, в зоне солёных вод выделена подзона солоноватых (1–3 г/кг), срабосолёных (3–10 г/кг) и сильносолёных (10–35 г/кг) вод. Вместе с тем, гидрогеохимические зоны объединяются в гидрогеохимические пояса. Под гидрогеохимическим поясом понимается такая часть геологической структуры, для которой характерно развитие от фундамента до поверхности Земли одной и той же последовательности гидрогеохимических зон или одной гидрогеохимической зоны. Гидрогеохимические пояса могут быть одно–, двух– и трёхзональными.
Зоны могут сменяться друг другом по вертикали в разной последовательности. В том случае, когда минерализация подземных вод последовательно увеличивается с глубиной, говорят о прямой гидрогеохимической зональности или о нормальном гидрогеохимическом разрезе. Часто встречаются аномальные гидрогеохимические разрезы, которые характеризуются либо обратной зональностью (гидрогеохимическая инверсия), когда наблюдается уменьшение минерализации вод с глубиной, либо переменной зональностью, когда нет строго определённого изменения минерализации с глубиной.
В верхней части осадочного чехла Белорусской антеклизы, сложенной терригенными породами с возрастом от антропогена до живетского яруса среднего девона включительно, залегают пресные воды гидрокарбонатного кальциевого и магниево–кальциевого состава с минерализацией 200–400 мг/л. Глубже в терригенных и карбонатных с прослоями гипса эйфельского яруса среднего девона, силура, ордовика и кембрия встречаются сульфатные, хлоридно– и гидрокарбонатно–сульфатные, сульфатно– и гидрокарбонатно–хлоридные солоноватые и солёные воды с переменным катионным составом и минерализацией от 1,6 до 8,2 г/л. Ещё глубже, в верхнепротерозойских песчано–алевролитовых породах, которые залегают на кристаллическом фундаменте, установлены хлоридные натриевые воды и рассолы с минерализацией 21–55 г/л. Таким образом, здесь мы имеем дело с нормальным гидрогеохимическим разрезом, или с прямой гидрогеохимической зональностью.
Прямая гидрогеохимическая зональность отмечается также практически по всему мощному (более 4 км) разрезу осадочного чехла Припятского прогиба, где в верхней зоне — от четвертичных отложений до пород батского яруса юры залегают пресные гидрокарбонатные кальциевые воды, а начиная с надсолевого комплекса (пермь, карбон, девон) появляются уже хлоридные рассолы, минерализация которых возрастает с глубиной, а катионный состав становится всё менее натриевым и всё более кальциевым. И только в самых низах осадочного чехла на глубинах свыше 4400–4500 м намечается тенденция к некоторому уменьшению минерализации.
Классическим примером района с инверсионным типом гидрогеохимического разреза является Южно–Каспийский бассейн. Здесь, на Апшеронском полуострове, в разрезе неогеновых отложений минерализация подземных вод уменьшается от 92 г/л на глубине 100–500 м до 17 г/л на глубине 2200–2500 м. При этом химический тип вод изменяется от хлоридного натриевого до хлоридно–гидрокарбонатного натриевого. В Западной Туркмении минерализация воды сверху сниз уменьшается от 200 г/л (плиоцен) до 40 г/л (мел).
В качестве примеров бассейнов с переменной зональностью приведём Кура–Араксинский на Кавказе и Гангский в Индии.
В Кура–Араксинском бассейне сверху вниз наблюдается такое изменение минерализации подземных вод. В четвертичных отложениях — до 150 г/л, в акчагыл–апшеронских (до глубины 50–380 м) — до 1 г/л, в тех же отложениях на глубине 500–900 м — до 40 г/л, в отложениях миоцена (до глубины 3,5 км) — до 200 г/л.
В Гангском бассейне в аридных условиях в четвертичных отложениях у поверхности формируются воды с минерализацией до 25 г/л, но уже на глубине 10 м минерализация падает до 1 г/л. В нижележащих палеоген–неогеновых отложениях минерализация изменяется так: на глубине 2012 м — 1,1 г/л, 2225 м — 3,3 г/л, 3012–3120 м — 5,6–6,2 г/л, 3758 м — 1,4 г/л.
Наиболее распространённой является прямая вертикальная гидрогеохимическая зональность. Этот тип зональности (иногда осложнённый инверсией минерализации) в целом характерен для древних платформ, например Восточно–Европейской. Здесь гидрогеохимические зоны по существу совпадают с гидрогеодинамическими зонами, выделенными Н.К. Игнатовичем.
В верхней зоне — зоне активного водорбмена мощностью 50–300 м — залегают пресные гидрокарбонатные кальциевые и магниево–кальциевые воды.
Зона затруднённого водообмена, простирающаяся до глубины 1–2 км, заключает в себе солёные воды смешанного состава, среди которых при наличии в разрезе гипсоносных пород появляются сульфатные кальциевые воды. В специфических гидродинамических условиях в этой зоне иногда наблюдаются элементы инверсии, когда под сульфатными кальциевыми водами залегают менее минерализованные, а иногда и пресные воды.
В нижней зоне — весьма затруднённого водообмена (глубже 1–2 км) — залегают, главным образом, рассолы хлоридного натриевого состава, в наиболее глубоких частях некоторых бассейнов переходящие в хлоридные кальциево–натриевые, натриево–кальциевые и кальциевые рассолы с минерализацией более 300 г/л. В подошве этой зоны в некоторых бассейнах наблюдается снижение минерализации.
Многие исследователи пытались объяснить природу вертикальной гидрогеохимической зональности. Причём главное внимание уделялась объяснению наиболее распространённой прямой зональности. Предложен целый ряд гипотез, трактующих формирование зональности. Детальный анализ (и тем более критика) этих гипотез выходит за пределы нашего небольшого курса. Однако коснёмся некоторых из них.