Проблема зональности химического состава подземных вод

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Проблема зональности химического состава подземных вод

26.07.2020

Зональность химического состава подземных вод в странах Африки и зарубежной Азии характерна практически для всех гидрогеологических структур как платформенных, так и горноскладчатых. Дополнительный просмотр литературы по зарубежным странам Европы и некоторым странам Америки позволил установить, что и там в аналогичных структурах зональность в изменении химического состава подземных вод проявляется достаточно четко.

Выделяются два типа ее — вертикальная и горизонтальная (по падению водоносных горизонтов). Вертикальная зональность может быть прямой, обратной или инверсионной и сложной.

Наиболее распространена прямая зональность. В Великобритании проявление ее установлено на территории центральных графств, в нижнекаменноугольных известняках осадочного чехла платформы. Вблизи областей питания воды известняков пресные, с минерализацией 0,1-0,4 г/л, гидрокарбонатные кальциевые и кальциево-магниевые. По мере удаления от областей питания минерализация их возрастает до 3,8 г/л, состав становится сульфатно-хлоридным кальциево-натриевым и хлоридно-сульфатным натриево-кальциевым. На глубине 3200 м в Игл-Муре минерализация воды увеличивается до 10,8 г/л, состав ее преобразуется в хлоридный натриевый. Минерализация воды, вскрытой в Левертоне и Трамфлите на глубинах 5000—5100 м, достигает 100 г/л, содержание натрия в ней несколько снизилось, а кальция — увеличилось. Предполагают, что рассолы представляют реликтовые морские воды, которые на некоторых участках были разбавлены атмосферными осадками.

В Польше прямая зональность в изменении химического состава подземных вод выявлена в Верхне-Силезском артезианском бассейне. По данным И.С. Клечковского и Ву-Нгок-Ки, основание разреза восточной части бассейна сложено породами девона, выше залегают угленосные отложения карбона, которые в свою очередь перекрываются триасовыми, юрскими, миоценовыми и четвертичными образованиями.

В карбонатных отложениях бассейна установлены три зоны (сверху вниз): инфильтрационных вод А, смешанных (инфильтрационных и погребенных) AB и погребенных В, различающихся минерализацией и химическим составом. Мощность зоны А колеблется от 100 м на юге бассейна до 600 м — на севере, минерализация воды — от 0,18 до 2,2 г/л, состав гидрокарбонатный и сульфатный натриевый. Нижняя поверхность зоны AB на севере опускается на глубину до 800 м; минерализация воды находится в пределах 1,05—30,96 г/л, состав преимущественно хлоридный магниевый и натриевый. Верхняя граница зоны В в южном районе залегает на глубине 150 м, в северном — погружается на глубину до 800 м; минерализация воды в интервале 150—700 м колеблется от 39,4 До 140,75 г/л, состав хлоридный натриевый.

На формирование гидрохимических зон и подзон влияют структурные и гидродинамические условия бассейна, а также толща водоупорных отложений миоцена.

Прямая вертикальная зональность химического состава подземных вод установлена в Тюрингском артезианском бассейне на территории ГДР.

По данным Э. Мюллера и Г. Папендика, в основании разреза бассейна располагается мощная толща эффузивно-осадочных и соленосных отложений пермского возраста, выше залегают прибрежно-морские отложения триаса, состоящие главным образом из переслаивания терригенных и карбонатных пород, еще выше находятся юрские терригенные отложения. Заканчивается разрез бассейна осадками нижнемелового — палеогенового возраста.

Подземные воды бассейна характеризуются широким диапазоном минерализации, изменяющейся от 5 г/л в залегающих близко к поверхности водоносных горизонтах, па формирование воды которых оказывают влияние атмосферные осадки, до высококонцентрированных рассолов с минерализацией, достигающей 600 г/л в глубоких горизонтах соленосных отложений перми.

Наиболее четко прямая зональность состава воды прослеживается в отложениях палеогена — верхнего триаса, представляющих единый гидродинамический, комплекс, в котором все водоносные горизонты гидравлически связаны между собой. Минерализация воды комплекса изменяется с глубиной от 30 до 250 г/л.

Подземные воды пестрого песчаника, образующего нижнюю часть разреза триасовых отложений, имеют хлоридный натриево-кальциево-магниевый состав и минерализацию, изменяющуюся от I до 360 г/л. Слабо минерализованные воды характерны для краевой зоны распространения песчаника.

В отложениях цехштейна (доломиты, известняки, песчаники, соленосные породы) подземные воды относятся к хлоридному магниево-кальциево-натриевому и магниево-натриево-кальциевому типам и, как отмечалось выше, минерализованы до 600 г/л.

В разрезе бассейна (сверху вниз) выделяются три гидрохимические зоны, совпадающие с гидродинамическими: 1) активного водообмена, в которой состав воды формируется под влиянием инфильтрации атмосферных осадков; 2) затрудненного водообмена, где растворяющая деятельность осадков выражена слабее, чем в верхней зоне, и 3) практически отсутствующего водообмена, Подземные воды последней зоны относятся к реликтовым растворам весьма сложного катионного состава.

По латерали в пределах бассейна с севера на юг выделяются зоны магниевых, кальциево-магниевых, кальциевых и натриевых вод. Последние представляют собой растворы выщелачивания, сформировавшиеся под влиянием инфильтрации атмосферных осадков, на что указывают и данные их изотопного состава. Считается, что современная зона развития подземных вод выщелачивания и инфильтрации ранее была заполнена реликтовыми растворами. Замещение последних указанными водами началось после саксонского тектогенеза, сопровождавшегося образованием разрывных дислокаций, через которые на глубину проникали атмосферные осадки, по пути выщелачивавшие залежи галита. Предполагается, что реликтовые растворы имеют досаксонский возраст. Генезис их связан с формированием эвапоритов в бассейне седиментации, с растворением последних инфильтрационными водами, с отжатием и последующим изменением морской воды, заключенной в осадочных породах, а также с обменными реакциями между водой и глинистыми минералами пород.

В Чехословакии прямая зональность химического состава подземных вод установлена в Магурском флише, в меловых и пермокарбоновых отложениях Богемии и в Мшенской депрессии.

На антиклинальном участке «Чертов камень» (Магурскнй флиш) в отложениях палеогена выделяются три гидродинамические зоны, отличающиеся составом подземных вод. В зоне интенсивного водообмена, расположенной выше местного базиса эрозии, распространены пресные гидрокарбонатные кальциевые воды. Ниже находится зона затрудненного водообмена с водами гидрокарбонатного натриевого состава с минерализацией от 2,1 до 12 г/л. В еще более глубоких горизонтах участка, в интервале 579—587 м, встречены высокоминерализованные хлоридные натриевые воды.

В меловых и пермо-карбоновых отложениях Богемии Я. Етель выделил две гидрохимические зоны (сверху вниз): гидрокарбонатную кальциевую, простирающуюся примерно до глубины 350 м, и хлоридную натриевую, прослеженную до глубины 1200 м. Первая зона полностью включает гидродинамическую зону интенсивной циркуляции подземных вод и частично захватывает гидродинамическую зону замедленного водообмена. Для нее характерна минерализация воды от 0,4 до 2,9 г/л. В состав второй зоны входит нижняя часть области замедленной циркуляции и, возможно, застойного режима. В этой части разреза минерализация воды колеблется от 0,3 до 65,9 г/л.

Мшенская депрессия, расположенная в пределах Чешского массива, сложена меловыми и пермо-карбоновыми песчанико-конгломератовыми отложениями. В меловых отложениях распространены пресные, гидрокарбонатные кальциевые и кальциево-натриевые воды с минерализацией 0,36—1,12 г/л. В породах пермо-карбона до глубины около 600 м развиты слабосолоноватые гидрокарбонатно-хлоридные натриевые воды с максимальной минерализацией до 3,5 г/л. В интервале 600—1100 м минерализация воды возрастает до 60 г/л, по составу она становится хлоридно-сульфатной и хлоридной натриевой, термальной, с высоким содержанием свободной углекислоты.

Широко распространенная вертикальная и горизонтальная зональность в изменении химического состава подземных вод в бассейнах, сложенных осадочными отложениями, позволила Я. Етелю для количественного выражения этих изменений ввести понятие индекса вертикальной зональности VZt (рис. 1). Последний представляет собой отношение вертикального гидрохимического градиента к горизонтальному и может служить характеристикой связи различных частей одного или различных водоносных горизонтов. Гидрохимический градиент — отношение «гидрохимического расстояния» между двумя пробами воды и реальным геометрическим расстоянием между точками отбора соответственно по горизонтали или вертикали. Гидрохимическое расстояние определяется как разность химического состава, выраженная в размерностях расстояния в n-размерном «гидрохимическом» пространстве.
Проблема зональности химического состава подземных вод

Указанные параметры исходят из понятия гидрохимической дистанции HCD, предложенной для определения сходства химического состава воды.

Выражая в эквивалент-процентах X компонента А как р(А) = X, для основных шести компонентов ее получаем: р(Na+) + р(Ca2+) + р(Mg2+) = 100% катионов и р(С1-1) + р(НСО3-) + р(SO42-) = 100% анионов, где p(Na+) — сумма щелочных катионов.

Для определения состава воды в процентах достаточно значений р для двух анионов и двух катионов, третий является дополняющим до 100%. Для определения пробы с данным процентным составом можно найти точку в четырехкоординатном пространстве, где две из них (у, z) соответствуют содержанию двух выбранных анионов, две (w, х) — катионов. Тогда HCD двух проб определится как эвклидово расстояние между двумя точками в четырехмерном пространстве

Обозначив разность соответствующих значений р между одной и другой водой символом А (например, Ay = р (Cl-)2—р(Cl-)1 и т. д.), определим гидрохимическую дистанцию между пробами:

где HCD — непосредственный параметр, выражающийся в мг-экв*%.

Введение понятия гидрохимической дистанции дает возможность перенести измеренные значения в условном л-размерном гидрохимическом пространстве на математические операции в отношении к реальному геометрическому пространству. Это позволяет определять гидрохимические градиенты в различных направлениях как отношение между гидрохимическими и геометрическими (топографическими) расстояниями двух проб (точек отбора). Горизонтальный гидрохимический градиент HG выражает отношение гидрохимической дистанции HCD между водами в двух точках на горизонтальной плоскости к реальному расстоянию d для этих точек

Соответственно вертикальный гидрохимический градиент VG представляет отношение гидрохимической дистанции HCD между водами из двух различных точек (горизонтов) в скважине к вертикальному расстоянию h между этими точками

Использование данных гидрохимических параметров позволяет устанавливать особенности динамики подземных вод в гидрогеологических структурах. Структуры с хорошо изолированными водоносными горизонтами характеризуются высокими значениями VZl, при существовании вертикальной гидравлической связи в форме просачивания вдоль нарушений или в результате прямого контакта двух горизонтов указанные значения являются низкими.

Ф.Т. Мангейм и М.К. Хорн описали прямую зональность химического состава подземных вод континентального склона и Атлантического побережья (США) от о-ва Лонг-Айленд на севере до г. Ки-Уэст на юге. Район сложен толщей плейстоцен-триасовых отложений, разбуренной до глубины 4600 м. Прямая зональность в изменении состава и минерализации подземных вод четко прослеживается на всю глубину.

Проявления обратной зональности установлены в ряде районов в пределах Предкарпатского прогиба. Основание последнего образовано метаморфическими породами карбона, на неровной поверхности которых залегают песчано-глинистые отложения миоцена мощностью в несколько сотен метров.

В юго-западной части прогиба в указанных отложениях с увеличением глубины отмечено возрастание минерализации подземных вод до 56,7 г/л, которая в основании толщи снижается до 13,5 г/л. Подобные явления установлены другими исследователями в районе городов Пшибор-Стажица, Жукува, Кентов, а также восточнее Вельска, В первом из районов минерализация воды в отложениях карбона составляет 10,5 г/л, а в перекрывающих их отложениях миоцена достигает 50 г/л, во втором соответственно 22,5—31,3 и 66,5 г/л.

Опреснение подземных вод в основании осадочной толщи, по мнению авторов, происходило в материковый период, предшествующий морской трансгрессии миоцена, и имеет локальное распространение, что в настоящее время и выражается гидрохимическим перерывом. Минимальные значения минерализации отмечены на площадях, которые перед указанной трансгрессией, были наиболее приподняты, т. е. на юго-западе, а также ка погребенных поднятиях фундамента.

Сложная зональность в изменении химического состава подземных вод установлена в Большом Венгерском (ВНР) и Варненском (НРБ) артезианских бассейнах, а также в нефтеносных районах штата Канзас (США).

В геологическом строении Большого Венгерского артезианского бассейна участвуют отложения четвертичной и неогеновой систем, представленные гравием, песками и переслаиванием глин и песков. Породы слагают толщу мощностью до 3000 м, в которой на Долю четвертичных пород в некоторых районах приходится более 600 м. Уровень грунтовых вод располагается на глубине 3—4 м, а местами опускается до 15 м. Подземные воды образуют единую водонасыщенную толщу, лишь нижние горизонты которой, залетающие на глубине более 1000 м, обладают напором и уровень их поднимается на 20—25 м выше поверхности земли.

В гидрохимическом разрезе бассейна выделяют три зоны. Верхняя зона, химический состав воды которой сформировался главным образом под влиянием физико-географических факторов (испарительная концентрация), имеет минерализацию 1,0—5,3 г/л, местами до 50 г/л. Состав воды пестрый: гидрокарбонатный натриевый, гидрокарбонатно-хлоридный натриево-магниевый, сульфатный магниево-кальциевый и натриево-магниевый, хлорндный натриевый, Мощность зоны приблизительно равна 10—20 м.

Глубже 50 м расположена вторая зона с минерализацией воды 0,3—1,2 г/л, продолжающаяся до глубины 800 м. В этой зоне выделяются два типа подземных вод: до глубины около 250 м гидрокарбонатные кальциево-магниевые, от 250 до 800 м — гидрокарбонатные натриевые. Еще глубже, в отложениях верхнего плиоцена, прослеживается третья гидрохимическая зона с водами хлоридного натриевого состава, минерализация которых варьирует в пределах 5—14 г/л.

Варненский артезианский бассейн сложен отложениями карбона, перми, мезозоя, палеогена и неогена. В северной части бассейна находятся угольные месторождения Добруджи. Здесь изменение минерализации подземных вод связано с глубиной залегания и составом водовмещающих пород. Выделяют четыре основные гидрохимические зоны.

Верхнюю зону образуют отложения миоцена. Воды их, формирующиеся в результате инфильтрации атмосферных осадков, пресные, гидрокарбонатные кальциево-магниевые.

Вторая зона сложена верхнеэоцен-олигоценовыми осадками. Она характеризуется развитием подземных вод хлоридно-гидрокарбонатного натриевого типа с минерализацией до 30 г/л.

В разрезе следующей зоны установлены породы верхнеюрско-среднеэоценового возраста. Минерализация напорных вод колеблется от 0,6 до 1,8 г/л. Отмечено наличие пластовой (горизонтальной) зональности. По направлению с запада на восток (к Черному морю) гидрокарбонатный кальциево-магниевый состав их меняется на гидрокарбонатный, а вблизи моря — на хлоридный натриевый. Большинство водообильных горизонтов Северной Болгарии принадлежит к этой зоне.

Четвертая зона включает водоносные отложения среднего карбона — юры. Подземные воды здесь характеризуются минерализацией 118,2 г/л и имеют хлорндный натриевый состав.

Р. Днигман и Э. Ангино изучали зависимость химического состава подземных вод некоторых нефтеносных округов штата Канзас (США) от глубины залегания и возраста водовмещающих пород. Район сложен палеозойскими породами, поверх которых залегают меловые, третичные и четвертичные отложения.

Установлено, что до глубины 250 м минерализация воды увеличивается быстро. Данных о составе воды в интервале 250—700 м мало. Нa глубине от 700 до 1000 м минерализация воды колеблется от 90 до 190 г/л, а на глубине 1000—1300 м — от 20 до 200 г/л. Наибольшая минерализация воды отмечена в пермских отложениях, минимальная — в ордовикских, ниже она снова возрастает и в породах докембрия становится близкой к минерализации воды в отложениях пермского возраста. Авторы полагают, что воды ордовика либо когда-то были пресными и затем смешались с соседними водами, либо современная минерализация та же, что и в первоначально захваченной воде, но несколько изменена с течением времени.

Слабая минерализация воды в верхней части разреза обусловлена влиянием атмосферных осадков. Содержание и изменение отдельных элементов состава воды по системам изображены на рис. 2. Воды всех систем, за исключением четвертичной, относятся к хлоридным натриевым с небольшим содержанием кальция.

Горизонтальная зональность в изменении химического состава подземных вод установлена в пределах предгорного шлейфа и равнины междуречья Бузэу — Рымннкул — Сэрат в Румынии, Минерализация грунтовых вод увеличивается от предгорий (0,3—0,5 г/л) к внутренним районам равнины (5—8 г/л), при этом гидрокарбонатный кальциевомагниевый состав ее преобразуется в хлоридный натриевый, Формирование подобной зональности связано с особенностями физико-географических условий района, в частности с его засушливым климатом.

В Канаде на южном берегу оз. Онтарио также выявлена горизонтальная и вертикальная зональность химического состава грунтовых вод. Данные наблюдений за режимом уровня последних позволили предположить наличие в районе двух систем течения — локальной и региональной. Установлено, что скорость движения грунтовых вод в верхней части разреза, сложенного ледниковыми отложениями, составляет 91,4 м/год, а в подстилающих дочетвертичных — 30,5 м/год.

Зональность химического состава подземных вод наблюдается и в ледниковых отложениях, на площади, расположенной между озерами Симко и Онтарио, Ледниковые отложения представлены переслаиванием песков, гравелитов, глин и суглинков, общей мощностью до 210 м. Оконтурена область распространения пресных подземных вод, определены скорость и направление движения образуемого ими потока. Сопоставление полученных данных с материалами о режиме подземных вод по скважинам и гидродинамическими расчетами подтвердило возможность использования гидрохимического метода для выявления региональных гидродинамических закономерностей.

Статистическая обработка многочисленных данных о химическом составе грунтовых вод, формирующихся в зоне активного водообмена в горных районах Болгарии, позволила установить высотную поясность в распределении их средней минерализации. Она выражается в постепенном увеличении минерализации воды от возвышенных к более низким частям рельефа. В самом общем виде эта зависимость описывается эмпирическим уравнением регрессии: M = 1780—502 Ig Н, где M — средняя минерализация, мг/л; Н — средняя высота рельефа над уровнем моря, м.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: