Водоупорые породы

Водоупоры плохо пропускают через себя воду. Вследствие этого, они преимущественно координируют направление фильтрации, находясь в стороне от основной массы подвижных вод. Тем не менее они могут активно участвовать в формировании состава подземных вод в прилегающих водоносных породах. Характер этого участия зависит от их состава.

Можно выделить два основных типа водоупоров: соленосные и глинистые. Из них наиболее надежными водоупорами являются соленосные, которые обладают высокими пластичными свойствами. Несколько большей проницаемостью обладают глинистые.

Пористость и проницаемость водоупорных пород наиболее резко, в 2-3 раза, уменьшается на первых десятках метров захоронения, т.е. еще на диагенетическом этапе. В этом интервале глубин они приобретают свойства пластичных и нетрещиноватых водоупоров. В дальнейшем по мере роста горного давления эти свойства сохраняются в достаточно большом интервале глубин. Однако, на очень больших глубинах вследствие действия больших давлений и температур водоупорные глинистые породы могут стать слишком хрупкими и трещиноватыми, а соли становятся слишком пластичными и подвергаться диапиризму. Вслед­ствие этого изолирующие свойства водоупоров могут заметно ухудшиться или полностью исчезнуть. Нарушению этих свойств также способствуют дизъюнктивные нарушения, число которых с глубиной, как правило, заметно увеличивается.

Соленосные водоупоры

Соленосные водоупорыпредставляют собой эвапоритовых отложений, к которым относят химические осадки, образующиеся вследствие выпаривания влаги, т.е. галогенеза. Они имеют широкое распространение, особенно среди палеозойских пород. Наиболее древние соленакопления известны в рифейских и вендских отложениях (средний и верхний протерозой) Азии и Австралии. В палеозое отмечается несколько этапов мощного соленакопления. Первое мощное соленакопление произошло в кембрии. Кембрийские соли составляют до 7,4% объема кембрийских осадков и распространены в Восточной Сибири, Ирано-Па­кистанском бассейна, в Северной и Южной Америке. Только это солеобразование должно было, по данным М.А.Жаркова, понизить в свое время минерализацию вод океана на 2-3 г/л. Существенно меньше эвапаритов отложилось в девонское время в Днепровско-Донецкой впадине, в Казахстане, Туве, Канаде. Но особенно мощные толщи солей почти повсеместно отложились в пермское время. Среди осадков перми на долю эвапоритовприходится до 10,2%. На территории России наибольшие скопления пермских солей связаны с восточной и юго-восточной окраиной Русской платформы. Менее значительные соленакопления известны в толщах почти всех остальных систем.

В толще эвапоритоввыделяют хорошо и плохо растворимые породы. К хорошо растворимым относят галит, сильвин, карналлит, бишофит и другие, к плохо растворимым - гипс, ангидрит, известняк. Водоупорные свойства пород определяются преимущественно хорошо растворимыми солями, которые обладают большей пластичностью и уплотняемостью. Хорошо растворимые соли сохраняются в недрах в основном благодаря их низкой проницаемости. На очень больших глубинах вследствие высоких температур эти хорошо растворимые соли ста­новятся настолько пластичными, что выжимаются, как флюид, вверх, образуя слож­ные диапировые структуры. При этом нарушаются их водоупорные свой­ства.

Соленосные водоупоры отдают почти все свои поровые воды еще на стадиях диагенеза. На больших глубинах их влияние на состав подземных вод опре­деляется только процессами растворения на границе с водоносными пластами. Вследствие этого увеличивается минерализация подземных вод, меняется их состав.

Глинистые водоупоры.

К глинистым породам относят такие, которые содержат более 50% частицы размером менее 0,01 мм. (менее 2мкм, реже менее 4 мкм). В минералогическом отношении они представлены преи­мущественно глинистыми минералами, которые определяют их свойства. Эти минералы представляют собой тонкозернистые, кристаллические водные силикаты и алюмосиликаты Al, Mg, Fe, а также K, Na, Ca и других элементов со слоистой структурой. В основе их структуры лежат слои кремнекислородных тетраэдров с общей формулой [ ], которые связаны между собой через один общий атом кислорода. Таким образом тетраэдры образуют слои с составом n×Si₄O₁₀, между которыми располагаются катионы, гидроксильные группы, а также молекулы воды и редко органические соединения. Чаще всего этот слой образован катионом Al⁺³, окруженными шестью анионами O^-2 или OH^- в форме октаэдров. Разнообразие составов и свойств глинистых минералов определяется соотношениями между слоями анионных тетраэдров и катионных октаэдров, составом последних и степенью замещенности Si на Al. Различают двухэтажные наиболее плотные постройки, например, каолинит, в которых на один слой тетраэдров приходится слой октаэдров (катионов Al, Mg или Fe, окруженных атомами кислорода и гидроксильными группами) и более рыхлые трехэтажные постройки, например гидрослюды и монтмориллониты, в которых слой октаэдров расположен между двумя обращенными друг к другу слоями тетраэдров. В двухслойных постройках отношение SiO₂ /Al₂O₃ варьирует от 2,0 до 2,2, а в трехслойных достигает 4,0. Между кристаллическими трехэтажными пакетами могут располагаться молекулы воды. Поэтому формула монтмориллонитавыглядит следующим образом Al₂Si₄O₁₆(OH)₂ n×H₂O. Именно слоистая структура глинистых минералов придает глинистым породам такие свойства, как пластичность, набухаемость, способность адсорбировать и т.д. В процессе прогрессивного эпигенеза глинистые минералы закономерно меняют свои свойства и состав. Катагенез глинистых минераловс повышением температуры идет дифференцировано. Боль­ше меняются состав и свойства монтмориллонитов.

Характерной особенностью начальных этапов эпигенеза является пестрота минерального состава глин. При выветривании в этих условиях образуются преимущественно монтмориллониты. К концу диагенетических процессов глины теряют большую часть насыщавших их поровых вод, сохраняя, согласно С.Г. Саркисяну и Д.Д. Котельникову (2) , лишь два мономолекулярных слоя воды в межпакетных промежутках трехэтажных структур. Содержание поровых вод превышает 25-30%, а пластовая температура не превышает 30⁰ С. На глубинах до 1,5-2,0 км монтмориллониты являются резко преобладающими глинистыми минералами. Они составляют от 30 до 100%, в среднем 60%, от веса фракции менее 0,001 мм. На этом этапе происходит наиболее быстрое уменьшение пористости с глубиной. По мере убывания влажности пород и повышения температуры образование монтмориллонитов прекращается. Они начинают замещаться стабильными, менее водными минералами - гидрослюдами и хлоритами. Каолинит также замещается трехслойными минералами, обычно гидрослюдами, а железистые хлориты - магнезиальными. Процесс гидрослюдизациипри пористости менее 20% обыч­но имеет преобладающее распространение. При гидрослюдизации молекулярная вода монтмориллонитов вытесняется из межпакетных промежутков в сво­бодные поры. На ее место внедряются ионы калия, которые жестко связывают пакеты между собой и обеспечивают стабильность минеральной структуры. СодержаниеK₂O в гидрослюдах увеличивается от 3-5 до 8-10%. Хлоритизациямонтмориллонитапроисходит, очевидно, в присутствии соленосных пород или рассолов и приводит к обогащению глинистых минералов магнием и железом. В итоге по мере повышения давления и температуры происходит переход глин от монтмориллонитовых к гидрослюдистым и далее к каолинитовым, и образуются аргиллиты, которые лишены способности размокать. С глубиной по мере уменьшения пористости в них увеличивается содержание SiO₂ , Al₂O₃, K₂O и уменьша­ются величины содержания MgO, FeO+Fe₂O₃, H₂O и отношения SiO₂ /Al₂O₃. Таким образом формируется зависимость между пористостью и минеральным составом глин. На конечных стадиях эпигенеза происходит раскристаллизация глин и их превращение в аргиллиты.

Глубина при которой начинается гидрослюдизация и дегидратация зависит не только от температуры. Большое значение имеет скорость оттока поровых вод, сохранение гидростатического давления. В случае затрудненного оттока вследствие наличия соленосной покрышки или высоких скоростей погружения глубина, на которой начинается гидрослюдизация монтмориллонита, может превысить 5-6 км.

При захоронении глин процесс их уплотнения растягивается на значительный интервал глубин. Вследствие этого пачки глинистых водоупоров отдают в прилегающие водоносные пласты свою поровую воду. Так как при дегидратации глин выделяются относительно пресные воды, внедрение последних, как допускают многие гидрогеологи, должно приводить к опреснению подземных вод и даже формированию аномально высоких давлений.