Подземные воды Донецкого угленосного бассейна
Подземные воды содержатся во всех отложениях, слагающих Донецкий бассейн. Питание водоносных горизонтов на всей площади бассейна происходит за счет инфильтрации атмосферных осадков и конденсации. Пополнение запасов подземных вод путем инфильтрации осуществляется в основном весной и осенью; в летний же период большая часть осадков, выпадающих часто в виде ливней, расходуется на поверхностный сток.
Разгрузка водоносных горизонтов происходит также в пределах самого бассейна, недалеко от областей питания, благодаря глубоко врезанной гидрографической сети, вдоль которой наблюдаются выходы источников. Значительную роль в дренировании подземных вод играют угольные шахты, а также и карьеры по разработке других полезных ископаемых.
Режим подземных вод весьма изменчив. Коэффициент неравномерности расходов источников колеблется от 1,5 до 30. Более резко изменяются расходы источников, выходящих на площадях с хорошей обнаженностью. В закрытой части бассейна, например в Красноармейском районе, где питание каменноугольных водоносных горизонтов регулируется повсеместно покрывающим их горизонтом полтавских песков, сезонные колебания расходов источников незначительны.
Подземные воды в кристаллических породах докембрия содержатся в трещиноватой зоне выветривания, распространяющейся обычно до глубины 20—30, изредка до 100—120 м от поверхности.
Водообильность этого горизонта невелика: дебиты скважин, используемых для водоснабжения, в большинстве случаев не превышают 5 м3/час. Воды умеренно минерализованные. Источники и колодцы, пройденные в выветрелой зоне кристаллических пород, используются для водоснабжения.
Воды девонских отложений изучены слабо вследствие того, что водоносные горизонты девона выходят на поверхность на небольшой площади и за пределами промышленного Донбасса.
Подземные воды в девонских отложениях преимущественно сильно минерализованы. До недавнего времени водоносные горизонты девона считались маловодообильными. В последние годы в юго-западной части бассейна, на контакте с кристаллическими породами, вскрыты довольно мощные горизонты в песчаниках и эффузивах девона.
Подземные воды каменноугольных отложений приурочены к двум резко отличным по литологическому составу и водообильности толщам: толще известняков и доломитов турнейского и нижней части визейского ярусов, заключающей мощный горизонт трещинно-карстовых вод, и вышележащей толще песчано-глинистых отложений нижнего, среднего и верхнего карбона, содержащей многочисленные водоносные горизонты трещинно-пластовых вод в известняках и песчаниках.
Водоносный горизонт нижнекаменноугольных известняков на выходах в юго-западной части Донбасса имеет свободную поверхность, отражающую современный рельеф дневной поверхности вследствие дренирования его гидрографической сетью. По мере погружения под вышележащие отложения горизонт в известняках приобретает напорный характер. Известняки сильно закарстованы. Так, при разведке Южно-Благодатненского месторождения известняков средняя закарстованность верхней зоны сливных известняков была определена равной 4,4%, а доломитизированных известняков — 16,5%.
Трещиноватость и закарстованность известняков в пределах всей толщи неравномерна: многими скважинами встречены монолитные известняки, вследствие чего скважины оказались безводными; другими — в известняках и доломитах были встречены крупные карстовые пустоты, высота которых (по падению инструмента) достигала 0,5—1 м. Развитие карста прослежено буровыми скважинами до глубины 100— 200 м.
Наибольшие трещиноватость и закарстованность наблюдаются в зонах тектонических нарушений, к которым приурочены и самые мощные источники. Часто карстовые пустоты заполнены глинистым и обломочным материалом.
Коэффициенты фильтрации известняков, по данным откачек, изменяются от незначительной величины до 5 м/час.
Вследствие большой мощности и широкого распространения толща трещиноватых и закарстованных нижнекаменноугольных известняков является хорошим коллектором подземных вод, используемых для водоснабжения многих поселков и предприятий юго-западной части бассейна.
Наиболее крупный карстовый источник «Кипучая Криница», имевший значительный дебит, был каптирован для водоснабжения. В настоящее время каптаж осуществляется группой скважин с общим дебитом втрое большим первоначального. Вода очень жесткая.
Вся вышележащая толща нижнего, среднего и верхнего карбона значительно менее водообильна. Водоносные горизонты в ней заключены в пластах известняков и песчаников, чередующихся с практически водонепроницаемыми аргиллитами, алевролитами и углями.
В этой толще насчитывается свыше 130 более или менее выдержанных водоносных горизонтов, в том числе около 45 в известняках и 85 в песчаниках. Некоторые из этих водоносных горизонтов прослеживаются на огромных площадях и почти во всех районах Донбасса. Мощность водоносных песчаников довольно резко изменяется (табл. 77).
Мощность песчаников в среднем составляет 15—20 м, в редких случаях 70—80 и в единичных свыше 100 м. Мощность известняков в большинстве случаев не превышает 2—3 м и только в северо-восточных районах достигает 6—7, а изредка более 10 м.
В песчано-глинистой толще верхневизейских отложений известняки маломощные, глинистые; песчаники преимущественно также глинистые и мелкозернистые, слаботрещиноватые, невыдержанные по простиранию, вследствие чего их водообильность низкая. Коэффициенты фильтрации песчаников колеблются от 0,0005 до 0,26 м/час.
Песчаники намюра, среднего и особенно верхнего карбона отличаются большей мощностью и выдержанностью; они менее глинистые, часто крупнозернистые, кварцитовидные, трещиноватые. Коэффициенты фильтрации средне- и верхнекаменноугольных песчаников колеблются, от долей сантиметра до 7,5 м/час. Несмотря на большую мощность, песчаники менее водообильны, чем известняки, что объясняется меньшей степенью их трещиноватости.
Пористость песчаников невелика и обычно составляет 2—5% в районах распространения глубокометаморфизованных пород, увеличиваясь до 15—20% в районах низкой степени метаморфизации. Поэтому водопроницаемость песчаников обусловлена главным образом степенью трещиноватости, которая развита неравномерно.
Большая трещиноватость, а следовательно, и большая водопроницаемость наблюдается в зоне активного выветривания, распространяющейся на глубину от 10—15 до 60—70 м. В зоне выветривания водопроницаемыми являются также алевритовые и глинистые сланцы. Поэтому в зоне активного выветривания может происходить гидравлическая связь между соседними водоносными горизонтами и образование местных единых горизонтов со свободной поверхностью.
По мере погружения наклонно залегающих пластов трещиноватость и водопроницаемость сланцев уменьшаются, постепенно ухудшается гидравлическая связь между основными водоносными горизонтами — песчаниками и известняками, которые приобретают значение самостоятельных напорных горизонтов. В результате этого огромная толща каменноугольных пород, состоящая из перемежающихся песчаников, известняков и различного рода сланцев, содержит целый комплекс напорных водоносных горизонтов.
Мульды и котловины общей складчатой структуры являются самостоятельными небольшими артезианскими бассейнами.
Разрывные нарушения — надвиги, взбросы, сдвиги и даже претерпевшие последующее сжатие сбросы имеют, как правило, свойства экранов, особенно, если водоносному горизонту за сбросом противостоит водоупор. Экранирование приводит к образованию выходов воды у сброса из разорванного водоносного горизонта на дневной поверхности или при подсечении его горными выработками с противоположной стороны экрана, что создает иногда ошибочное представление о водоносности самих разрывов. Водоносность самих сбросов наблюдается очень редко, в случаях, когда трещины сбросов не заполнены непроницаемым материалом. В этих условиях по трещине сброса устанавливается гидравлическая связь между водоносными горизонтами лежачего и висячего крыльев. Выходов воды по таким сбросам на высоких отметках рельефа не наблюдается.
Повышенная трещиноватость на резких перегибах пластов, особенно на испытывающих растяжение антиклиналях, обусловливает значительную водообильность, но обычно внутри каждого отдельного водоносного горизонта. Так, при проходке ствола шахты «Первомайской Центральной» зияющая трещина шириной 15 см, давшая приток, затопивший ствол, была встречена в водоносном горизонте песчаника K9SL1 и отсутствовала в перекрывающих его глинистых сланцах.
Результаты многочисленных наблюдений при бурении и особенно при проходке стволов шахт, а также данные о величинах притоков в шахты на различных горизонтах свидетельствуют об уменьшении степени трещиноватости и водоносности каменноугольных пород с глубиной.
Наибольшие притоки из пересекаемых стволами водоносных горизонтов в условиях ненарушенного залегания пород наблюдаются на небольших глубинах; на глубинах более 300—400 м величины притоков из отдельных горизонтов редко превышают 10—15 м3/ас.
Ранее существовало мнение, что на глубинах свыше 500—600 м трещиноватость в каменноугольных породах полностью затухает, и все породы становятся неводоносными, вследствие чего на больших глубинах вода в шахты не должна поступать. Однако работами последних лет установлена водоносность пород карбона в пределах глубин, доступных в настоящее время для опробования, — 1000 и более метров.
Так, при проходке клетьевого ствола шахты «Ново-Центральной» приток на глубинах 752—780 M из водоносного горизонта h6Sh7 достигал 18,4 м3Iчас, по скиповому стволу той же шахты приток из горизонта h6Sh7 на глубине 787—796 м составлял 15,5—18,5 м3Iчac, а из горизонта h5Sh6 на глубине 816 м — 9,3 м3Iчac.
На нижних горизонтах наиболее глубоких в Донбассе шахт также наблюдается поступление воды. Например, на горизонте 750 м шахты 1—5 «Кочегарка» притоки воды в выработки по отдельным пластам составляют от 4 до 7 м3/час; по шахте 17—17-бис треста «Рутченковуголь» притоки по пласту h7 на глубинах 674, 768 и 829 м составляют соответственно 20, 8 и 40 м3/час.
В скв. 2316 был зарегистрирован самоизлив воды с дебитом 1,8 м3/час с глубины 515,8 м после перебурки песчаника m6Sm6. После вскрытия водоносного горизонта M71Sm6 на глубине 673,5 м дебит самоизлива увеличился до 18 м3/час.
На участке «Ветка-Глубокая» в скв. 3463 фильтрующий горизонт был отмечен в песчанике K1Sk1 на глубине 970—1028 м; при откачке с понижением на 35 м был получен расход 0,54 м3/час.
В Чистяковской мульде установлено опускание зоны сульфатных вод на северном более возвышенном крыле и вытеснение глубинных гидрокарбонатно-натриевых вод к южному крылу, где происходит разгрузка. Это указывает на фильтрацию воды по водоносным горизонтам — песчаникам и известнякам— через донную часть мульды, глубина которой достигает по свите C23 более 1500 м.
Подземные воды песчано-глинистых отложений карбона широко используются для водоснабжения шахт, промышленных предприятий и городов Донбасса. Дебиты отдельных источников и колодцев колеблются от 1 до 50 м3/час; дебиты скважин — от ничтожных до 100 м3Iчac и более.
Наиболее хорошо изучены водоносные горизонты в песчаниках и известняках продуктивной толщи среднего карбона.
Водоносные горизонты в мощных и выдержанных песчаниках верхнего карбона могут быть рекомендованы для водоснабжения промышленных предприятий и населенных пунктов, тем более, что в связи с его малой угленосностью нет опасности дренирования их горными работами.
В пермских отложениях водоносными являются: песчаники картамышской, дроновской свиты, известняки, доломиты и гипсы ники-товской и артемовской свит.
Песчаники характеризуются разнозернистым составом, обычно маломощные (редко достигают 10—15 м), слаботрещиноватые и отличаются малой водообильностью. Дебиты источников не превышают 3 м3/час, а в наиболее благоприятных условиях достигают 4,5—7,0 м3/час; дебиты скважин редко превышают 10 м3/час.
Доломитизированные известняки и доломиты мощностью от нескольких десятков сантиметров до 5—7 м в верхней части обычно трещиноватые. В наиболее благоприятных условиях дебиты источников, приуроченных к ним, достигают 28 м3/час (с. Покровское); дебиты скважин, расположенных в долине р. Бахмутки, составляют 7—9 м3/час при понижении 1—2 м.
Гипсы среди нижнепермских отложений достигают мощности 8—10 м. В верхней части они отличаются повышенной трещиноватостью, кавернозностью, а также закарстованностъю. Карст в гипсах весьма распространен, но ограничен небольшими глубинами (40—70 м). На больших глубинах происходит постепенный переход гипсов в плотные ангидриты, причем закарстованность быстро уменьшается, а затем полностью исчезает. Поэтому в шахтах, вскрывших гипсы и ангидриты на значительных глубинах, притоков воды не наблюдается, например в шахтах в районе ст. Майорская. Ближе к выходам на поверхность притоки достигают 70 м3/час. Так, в ствол шахты им. Шевченко из гипсовой толщи на глубине 28,8 м приток составил 65 м3/час.
В долинах балок и рек водоносные горизонты, заключенные в гипсах и доломитах, питают источники с дебитом до 60 м3/час (долина р. Мокрой Плотвы). При откачке из скважин, пройденных по гипсу в долине р. Бахмутки, дебит достигал 28 м3/час при понижении 2,7 м.
Вдоль выходов соляных пластов, имеющих мощность до 40 и более метров, происходит выщелачивание соли, оседание вышележащих пород и образование рапного горизонта.
Водоносность триасовых отложений изучена мало, и только в последние годы начато исследование их в связи с разведкой новых угленосных площадей.
В отложениях триаса водоносными являются пески, песчаники и галечники, распространенные преимущественно в нижней части толщи. Почти на всей площади отложения триаса покрыты более молодыми осадками и обнажаются на очень небольших участках, вследствие чего почти не образуют источников.
Глубина залегания водосодержащих пород изменяется от 20 м в долине р. Самары до 400 м в долине р. Орели.
Воды отложений триаса образуют мощный напорный водоносный горизонт пластового типа, который вследствие изменяющегося литологического состава водосодержащих отложений обводнен неравномерно.
Наибольшей водообильностью отличаются песчано-гравелистые отложения в западной части бассейна, в пределах Ново-Московского района. Мощность их здесь достигает 70 м, а дебит отдельных скважин составляет 60 м3/час при понижении на 35 м. В крайней северо-западной части Красноармейского района дебит скважин составляет лишь 10 м3/час; на участке шахты 5—13 «Тошковской» в Луганской области— 1 м3/час при понижении на 12 м. В г. Луганске воды триаса используются для бальнеологических целей.
Коэффициент фильтрации водоносных горизонтов триаса изменяется от 0,0005 до 5,6 м/час.
Воды отложений триаса на площади их распространения в значительной мере влияют на обводненность пород карбона, особенно в местах, где они залегают непосредственно на каменноугольных отложениях.
Воды юрских отложений, развитых в западной и северо-западной частях бассейна, напорного типа и приурочены к пескам, песчаникам и известнякам, залегающим преимущественно в нижней части толщи. Глубина залегания обводненных пород юры изменяется от 10 м в верховьях р. Самары до 190 м и больше к северу. Мощность отдельных водоносных слоев колеблется от 1—2 до 10—17 м.
Водосодержащие породы юры залегают разрозненными линзами и отличаются слабой обводненностью. Повышенная водообильность юрских отложений наблюдалась только в долине р. Терновки и в верховьях р. Самары, где дебит скважин достигал 70 м3/час при снижении столба воды на одну треть, равную 25 м. Вода по количеству и качеству может быть использована для водоснабжения.
Воды меловых отложений встречаются почти повсеместно в пределах распространения отложений мела, широко развитого на севере в бассейне р. Северного Донца и вдоль южной окраины бассейна. На севере меловые породы более водообильны. Воды этого горизонта используются в больших количествах для водоснабжения северной и центральной частей бассейна.
В меловых отложениях имеются песчаный водоносный горизонт сеномана и водоносная трещиноватая зона выветривания, приуроченная к мергельно-меловой толще всего верхнего мела, но главным образом к отложениям кампана.
Незначительная мощность песков сеномана и невыдержанность их механического состава обусловливают слабую водообильность этого горизонта. Максимальная производительность скважин в Изюмском районе из сеноманского горизонта не превышает 21,6 м3/час.
В более восточных районах сеноманский горизонт вследствие частого выклинивания теряет свое значение. Из скважины в г. Старобельске из отложений сеномана был получен самоизлив воды 9,4 м3/час с минерализацией 1,9 г/л.
Водоносность верхнемеловых отложений, представленных разнообразными мергелями и мелом, обусловлена наличием трещин выветривания. Мощность и водообильность трещиноватой зоны зависят от рельефа и величины водосборной площади, литологии меловых и покрывающих отложений. Зона имеет мощность до 45 м и распространяется до глубины 60—95 м. Окремненные прослои в мергелях плохо поддаются выветриванию и поэтому слабо обводнены.
В вертикальном, разрезе трещиноватая зона неоднородна как по строению, так и по водообнльности, что обусловлено наличием трех подзон: «заиления», максимальной трещиноватости и угасающей трещиноватости.
Зона «заиления» сложена тем же мергелем, но претерпевшим глубокую элювиальную переработку до состояния карбонатной глины и поэтому играет роль своеобразного верхнего водоупора. В долине р. Северного Донца эта зона не имеет сплошного распространения: в ней образуются «окна», через которые происходит гидравлическая связь аллювиального водоносного горизонта с меловым.
Соответственно с условиями питания меняется водообильность трещиноватой зоны: на водоразделах дебит скважин 0—1, на склонах 5—50, в пределах древних русел рек, сохраняющихся в виде террас, и современной поймы 25—350 м3/час; коэффициент фильтрации от водоразделов к долинам меняется от 0,00005—0,6 до 1,2—10 м/час.
Воды мергельно-меловой толщи на водоразделах безнапорны или слабонапорны (1—5 м.), по направлению к долинам они приобретают напор (6—45 м); отмечаются случаи фонтанирования скважин; уклон потока мелового горизонта составляет 0,003—0,011.
В долинах рек и балок, особенно на правобережье Северного Донца, в местах обнажения меловых пород наблюдаются выходы вод в виде источников. Обычный дебит источников равен 0,2—15 м3/час, но дебиты отдельных источников достигают 100 м3/час и более.
Меловые отложения в южной части Донбасса- менее водообильны: дебит большинства скважин не превышает 20—30 м3/час и только в единичных случаях составляет 100 м3/час (скв. 14/1 и 18/3 в районе г. Амвросиевки имеют дебиты соответственно 115 и 97 м3/час).
В отложениях палеогена содержится несколько водоносных горизонтов, которые при отсутствии устойчивых водоупорных слоев образуют единую гидравлическую систему.
Воды, приуроченные к разно- и мелкозернистым пескам и песчаникам бучакского яруса, имеют наиболее широкое распространение на. окраинах бассейна. В западной части бассейна водоносный горизонт в бучакских песках имеет мощность до 30 м; этот горизонт очень осложняет проходку стволов шахт, так как мелкозернистые пески при насыщении водой приобретают плывунные свойства. Водоносный горизонт обладает здесь большими напорами (до 100 м).
В восточной и северной частях бассейна бучакские отложения, сохранились на отдельных участках и водообильность их меньше вследствие частичного, а местами и полного сдренирования речной системой. В Тацинском угленосном районе воды бучакских песков образуют единый водоносный горизонт с нижележащими палеоценовыми осадками.
Обводненность бучакских отложений весьма неравномерна как в вертикальном разрезе, так и по площади: дебит скважин изменяется от 0,2 до 90 м3/час при понижении 20 м, а коэффициенты фильтрации от 0,0002 до 11 м/час.
Отложения киевского яруса мощностью в среднем 20 м представлены опоксвидными породами, мергелистыми глинами и мергелями. Они отличаются слабой обводненностью и невысокими фильтрационными свойствами на всей территории бассейна. В западной части они почти безводны, а к востоку или сдренированы овражно-балочной сетью, или образуют единый водоносный горизонт с бучакскими отложениями. Дебиты источников, выходящих в долинах рек Дона, Аюты и др., изменяются от 0,20 до 6,1 м3/час.
Среди харьковских отложений водовмещающими породами являются песчаники и разнозернистые пески. Наибольшая водообильность харьковского горизонта наблюдается в западной части бассейна, в Пав-лоградско-Петропавловском районе. За счет вод харьковских отложений намечается осуществить централизованное водоснабжение шахт этого района.
Дебит отдельных скважин в районе г. Павлограда достигал 102 (скв. 3901, вскрывшая пески) — 107 (скв. 5570, вскрывшая песчаники) м3/час. В этой части бассейна толща харьковских отложений в долинах рек и балок частично размыта, и верхняя часть, залегающая на более высоких отметках, в некоторой мере сдренирована. Мощность водосодержащих харьковских пород на отдельных участках достигает 40 м, а в среднем составляет 17 м.
Значительной водообильностью обладают харьковские отложения на крайнем севере Донбасса, севернее Старобельска и Беловодска, где пески и песчаники верхнего горизонта подстилаются глинами; дебиты источников достигают здесь 5—20 м3/час; воды жесткие.
На всей остальной площади бассейна харьковские отложения обводнены слабо или совсем сухие вследствие дренажа долинами рек и балок, прорезающих всю толщу харьковских осадков. Дебит источников, выходящих в долинах рек, изменяется от 0,04 до 16 м3/час, а коэффициент фильтрации от 0,008 до 2 м/час. Мелкозернистые пески харьковского яруса местами при насыщении водой обладают плывунными свойствами.
Водоносный горизонт в полтавских мелкозернистых песках и супесях распространен на очень большой площади по периферии бассейна, особенно в его западной части. В Красноармейском районе он залегает непосредственно на каменноугольных отложениях и обусловливает постоянное питание водоносных горизонтов карбона. Пески полтавской свиты при насыщении водой приобретают свойства плывунов и осложняют проходку стволов шахт и горных выработок на верхних горизонтах, особенно в Красноармейском районе, где мощность обводненных песков полтавской свиты достигает 30—35 м. Притоки в колодцы и шахтные стволы в процессе проходки полтавского горизонта при мощности песков 10—15 ж не превышают 2—3 м3/час; коэффициент фильтрации в среднем равен 0,02 м/час.
Понтические известняки очень редко водоносны, так как обычно не имеют нижнего водоупора и залегают на водоразделах. На Раздорском участке в Шахтинско-Несветаевском угленосном районе дебиты источников из понта составляют 1 — 15 м3/час.
Пески миоцена и плиоцена весьма слабо обводнены, так как обычно залегают высоко.
В толще четвертичных образований, развитых почти повсеместно, воды встречаются в аллювиальных разнозернистых песках, слагающих террасы долин, в песках, супесях и реже суглинках водораздельных пространств.
Широко развитый в долинах рек аллювиальный водоносный горизонт отличается неравномерной обводненностью.
Наиболее высокой обводненностью обладают древнеаллювиальные пески, распространенные в междуречье Самары и Волчьей в Петропавловском угленосном районе; воды характеризуются хорошим качеством. Дебит скважин здесь достигает 10—15, максимально до 54,5 м3/час при понижении 6—10 м; коэффициент фильтрации изменяется от 0,03 до 7, при среднем значении 2—2,5 м/час, мощность песков не превышает 20 м.
Аллювиальные отложения Северного Донца, Дона и других рек также повсеместно обводнены. Мощность аллювия в долине р. Северного Донца достигает 45 м; дебит скважин составляет 0,5—15 м3/час; коэффициент фильтрации изменяется от 0,4 до 10 м/час.
Воды аллювиальных отложений широко используются местным населением для водоснабжения.
На водоразделах воды четвертичных отложений ввиду спорадического характера распространения последних не представляют самостоятельного горизонта и практического значения не имеют.