Физические поля Земли, гидрогеологические закономерности и законы гидрогеологии

Изучение геофизических полей позволяет установить основные гидрогеологические закономерности.

Гравитационное поле. Атмосферные осадки, просачиваясь в горные породы, дают начало инфильтрационным водам, которые движутся вглубь под действием силы тяжести. На первых порах движением воды будет управлять гидростатическое давление, представляющее собой давление, представляющее собой давление столба воды над точкой движения потока. Полная энергия движущегося подземного потока характеризуется динамическим напором:

где, Н_d – гидродинамический напор; h_p – пьезометрическая высота (высота давления); Z – высота точки измерения относительно плоскости сравнения (геометрическая высота); U – скорость движения жидкости; g - ускорение свободного падения.

Как указывалось при описании литогенетического круговорота воды, при уплотнении пород происходит переход химически и физически связанных вод в свободное гравитационное состояние. Поэтому на пластовое давление глубоких водоносных горизонтов оказывают влияние не только гидростатическое, но и геостатическое давление. Кроме того, на формировании пластового давления могут сказываться тектонический режим, сейсмические толчки, замерзание и оттаивание пород, накопление газа, магматические и многие другие процессы. В результате пластовое давление может стать больше гидростатического и даже геостатического и тогда возникнут так называемые сверхвысокие пластовые давления. В некоторых случаях пластовое давление может оказаться ниже гидростатического. Такие условия возникают на участках поглощения подземных вод, всасывающего эффекта в условиях глубоких тектонических нарушений и др. Пластовое давление в подобной обстановке называется сверхнизким.

Г.С. Вартанян и Г.В. Куликов предложил ввести понятие о гидрогеодеформационном поле Земли. Это поле формируется в результате пульсационного перераспределения флюидов в литосфере под действием сейсмических и техногенных процессов и проявляется в виде гидродинамических и физико-химических аномалий, которые возникают в областях скоротечных (сутки, месяцы) деформационных процессов (сжатия или растяжения пород) и затем исчезают. Эти аномалии могут быть зафиксированы по изменению уровня, дебита, температуры подземных вод, их химического, газового и изотопного состава. Указанные данные могут использоваться для прогнозирования места и, возможно, времени проявления землетрясений. На примере Западной Сибири это поле рассмотрено В.М. Матусевичем и А.Д. Резником [6].

Тепловое поле. Между количеством тепла, которое наша планета получает за счет солнечной радиации и которое она отдает из недр посредством формирующихся в них эндогенных тепловых потоков, существует примерное равновесие. В зависимости от продолжительности и глубины проникновения радиогенного тепла выделяют несколько типов гелиотермозон: суточных колебаний температуры (до глубины 0,8-1 м), сезонных (в среднем до 8-10 м) и годовых (в среднем до 15-20 м 0 подошвы нейтрального слоя). Температура нейтрального слоя зависит в основном от физико-географических условий. Так, она изменяется от -13⁰С в тундре п-ова Таймыр до +20⁰С в пустынях Средней Азии. Чем продолжительнее цикл наблюдений, тем больше глубина подошвы гелиотермозоны. Например, для одиннадцатилетнего цикла наблюдений она составляет 80м, тринадцатилетнего – 125м, восьмидесятилетнего – 250м. Глубина проникновения температурной волны эпох межледниковья (10тыс. и 75 тыс. лет тому назад) оценивается соответственно в 1,3 и 10 км. Наиболее ярким доказательством влияния радиационного баланса на современную подземную гидросферу является образование многолетней мерзлоты в четвертичном периоде.

Тепловые процессы, инициированные извне и связанные с климатическими явлениями, как и просачивание атмосферных осадков, выветривание горных пород и многое другое, оказывают сильное воздействие на режим, динамику и химию подземных вод на глубину в десятки, сотни метров и даже нескольких километров. Изучение этих особенностей позволило выделить климатическую зональность грунтовых и более глубоко залегающих артезианских вод.

Под влиянием эндогенных тепловых потоков температура недр, как и находящихся, в них подземных вод, с глубиной увеличивается. Эндогенный тепловой режим определяется, прежде всего, тектонической активностью территорий. Слабая тепловая активность и относительно низкие температуры характерны для древних складчатых областей докембрия и палеозоя. При коровом разогреве и привносе мантийной активации, в рифтовых зонах наблюдаются мощные тепловые потоки и месторождения высокотемпературных вод.

Магнитное поле. Геомагнитное поле Земли не постоянно, оно меняется во времени и пространстве в зависимости от процессов, происходящих в недрах. Помимо внутриземных колебаний, магнитное поле получает инъекцию извне, при воздействии солнечного ультрафиолетового излучения, которое вызывает ионизацию атмосферы. Изменение солнечной активности приводит к появлению так называемых магнитных бурь. В среднем они возникают около десяти раз в году, их воздействие на живые организмы хорошо известно, а вот влияние магнитного поля на подземную гидросферу изучено пока недостаточно. Экспериментально установлено, что магнитная обработка воды изменяет некоторые ее свойства. В частности, ускоряется коагуляция, усиливается адсорбция и растворение твердых тел, изменяется концентрация растворенных газов, при упаривании раствора соли образуются не только на стенках сосуда, но и в объеме образца. Интересно, что после магнитной обработки растворов может меняться природа кристаллов, которые в них образуются: вместо кальцита, например, появляется арагонит. Зафиксировано изменение плотности и вязкости растворов кислот при их магнитной обработке. Из сказанного следует, что хотя воздействие магнитного поля на подземную гидросферу неоспоримо, но характер его влияния на гидрогеологические закономерности установить, пока не удалось.

Электрическое поле. Естественные электрические поля имеют различную природу, масштаб и характер проявления. Основными среди них являются поля природных электронных проводников, фильтрационные, диффузионно-адсорбционные, теллурических токов и грозовых разрядов. Исследования на акваториях позволили также установить наличие седиментационных, литодинамических, магнитогидродинамических и биогенных полей. Рассмотрим влияние электрических полей на гидрогеохимическую ситуацию.

1. Окислительно-восстановительный потенциал Еh подземных вод вместе с кислотно-щелочным показателем среды (рН) определяет направленность гидрогеохимических процессов, формы водной миграции химических компонентов или способствуют выпадению в осадок некоторых веществ на геохимических барьерах.

2. Рудное тело представляет собой своеобразный гальванический элемент. Возникает электрическое поле, в котором нижняя часть тела ведет себя как катод, а верхняя – как анод. Возникновению электрических токов способствует электрохимическое растворение сульфидов. В раствор переходят те сульфиды, которые выполняют роль анода. При нахождении в рудной залежи пирита (FeS₂), халькопирита (Cu FeS₂), галенита (PbS) и сфалерита (ZnS) в раствор переходят свинец и цинк, в то время как пирит и халькопирит выполняют роль катода и поэтому не растворяются.

3. Формирование фильтрационных полей связано с электрокинетическими процессами, возникающими при струйчатом движении подземных вод и перенос ими химических компонентов. Движение растворов электролитов в пустотном пространстве горных пород приводит к образованию электрического поля и способствует усилению процессов массопереноса.

4. Диффузионно-адсорбционные поля образуются на границе растворов с разной концентрацией ионов. Движение последних направлено в сторону меньшей концентрации солей. Диффузия ионов способствует возникновению электрического поля. Диффузионный и адсорбционный потенциалы обычно не велики (от нескольких милливольт до нескольких десятков милливольт). Наибольшей адсорбционной способностью характеризуются глинистые породы.

5. Среди полей, обусловленных внешними источниками, выделяют поля теллурических токов, возникающих под действием магнитного поля Земли и изменяющейся активности Солнца, поля, инициируемые грозовыми разрядами, и поля, связанные с утечкой промышленных токов.

Таким образом, воздействие естественных электрических полей, как полей техногенного происхождения, весьма разнообразно и проявляется, прежде всего, в усилении растворения водовмещающих пород и активизации процессов массопереноса с помощью подземных вод.

Радиоактивное поле. Изучение радиоактивного распада ведется в нескольких направлениях: во-первых, как источника тепловой энергии внутреннего теплового поля Земли, во-вторых, как поля естественного радиоактивного излучения. Изучение последнего позволяет установить:

· стратификацию разреза и возраст пород и воды;

· расположение и степень открытости тектонических зон;

· генезис подземных вод;

· условия формирования ореолов потоков рассеяния радиоактивных веществ в связи с поисками месторождений урана и других радиоактивных элементов;

· возможность использования радиоактивных вод для лечебных целей;

Подводя итог геофизических полей, отметим, что они имеют значительные размеры и потому влияют на региональные закономерности. Их роль в жизни подземных вод может быть весьма значительной и даже в чем-то определяющей. Это относится, прежде всего, к гравитационным и тепловым полям.

Гидрогеологические закономерности.Прежде всего, это закономерности распространения и формирования подземных вод. Их проявления в значительной степени зависят от воздействия географических, геологических и геофизических факторов. Среди географических факторов наиболее важное значение имеют климатические, гидрологические и ландшафтные; среди геологических – вещественный состав и коллекторские свойства пород, структурные условия и тектонический режим; среди геофизических - гравитационное и тепловое поля.

Для характеристики физико-географической обстановки выделено пять географических зон: тундры и лесотундры, тайги и смешанных лесов, степей и лесостепей, пустынь и полупустынь, тропиков и субтропиков. В северном полушарии эти зоны последовательно сменяют друг друга с севера на юг, а в южном полушарии, наоборот, с юга на север. Широтный (площадной) вид географической зональности характерен для равнинных территорий. В орогенах наблюдается высотная (горная) зональность, или, точнее, поясность. Высотная зональность представляет собой, по существу, широтную зональность, развернутую по высоте, но с некоторыми поправками. Эти поправки зависят от широтного географического положения горной страны, высоты местности, близости территории к морским акваториям, с которых приносится атмосферная влага – главный источник инфильтрационного питания подземных вод. Эта влага может аккумулироваться, кроме того, в ледниках и снеговых шапках, расположенных на водоразделах и вершинах высокогорных сооружений. Таяние снега и льда в теплый период года обеспечивает существование многоводных горных рек.

Роль географических факторов в жизни подземной гидросферы ослабевает с глубиной и соответственно растет значение геологических процессов и геофизических полей, которые обусловливают формирование так называемой геологической глубинной вертикальной зональности подземных вод. С глубиной растут температура и давление, вызывая литификацию пород, увеличение их плотности, уменьшение проницаемости и влажности, изменение гидродинамических, гидрохимических и температурных условий.

Действие природных факторов интегрируется в трех формах гидрогеологической зональности: широтной, площадной, географической, высотной, горной поясности и глубинной вертикальной геологической. Изучение зональности подземных вод является стержневым вопросом гидрогеологии.

Зональность грунтовых вод. Этот вид зональности наиболее четко проявлен на европейской части России, где с севера на юг наблюдается увеличение глубины залегания грунтовых вод, рост минерализации и изменение состава, а также температуры вод. Для зоны тундры характерна заболоченность территории при глубине залегания грунтовых вод до 1-2 м. Их минерализация, как правило, не превышает 0,1 г/л, а в составе обычно преобладают гидрокарбонаты кальция. Отметим также повышенные концентрации кремнезема, органических веществ и низкую температуру (0-2⁰С) вод. В зоне смешанных лесов глубина залегания грунтовых вод 5-10 м, минерализация вод 0,3-0,5 г/л, в их составе преобладают сульфаты и гидрокарбонаты Мg и Са, а температура увеличивается до 5-8⁰С. В зоне степей грунтовые воды залегают еще глубже (до 20 м и более), минерализация вод обычно выше 1 г/л, а иногда достигает 20 г/ли более. Состав вод становится пестрым, часто наблюдается их засоление хлоридами и сульфатами натрия, температура вод растет до 15 ⁰С и более. Наряду с зональными типами вод выделяются так называемые азональные типы. Эти воды формируются в долинах крупных рек, которые характеризуются дальноприносным транзитным стоком. По ходу движения от верховьев к устью поверхностные и подземные воды проходят несколько ландшафтно-климатических зон и соответственно теряют признаки зональности.

По условиям формирования химического состава Г.Н. Каменский предложил различать две группы грунтовых вод: углекислотного выщелачивания и континентального засоления. Первая из них образуется в условиях гумидного климата и имеет преимущественно гидрокарбонатный состав и минерализацию до 1 г/л, а вторая – в условиях аридного климата и отличается пестрым составом и минерализацией более 1 г/л. Граница между этими типами проходит примерно по линии Киев-Саратов-Челябинск, т.е. там, где количество атмосферных осадков сравнимо с величиной испаряемости. Это означает, что южнее этой границы возникают условия концентрирования солей при испарении растворителя.

Гидрогеологическая зональность. Н.К. Игнатович выделил в верхней части подземной гидросферы три гидродинамические зоны, различающиеся интенсивностью и характером водообмена: свободного (интенсивного), затрудненного и весьма затрудненного водообмена. Эта зональность отражает уменьшение инфильтрационного питания, ухудшение фильтрационных свойств пород и замедление движения подземных вод с глубиной.

Гидрогеохимическая зональность. Различают три виды такой зональности: площадную, высотную и глубинную. Рост минерализации подземных вод наблюдается по пути их движения от области питания к области разгрузки, от водоразделов к подножию горных сооружений и с погружением водоносных систем на глубину. Изменение состава вод обычно происходит по цепочке от гидрокарбонатных к сульфатным и хлоридным водам, а минерализация от пресных (до 1 г/л) к соленым (до 35 г/л) и рассолам (более нескольких сотен граммов на литр). Темпы и характер изменения этих параметров зависят от условий питания, движения разгрузки подземных вод, направленности и интенсивности гидрогеохимических процессов, типа гидрогеологической структуры.

Газовая зональность. Поиски и разведка нефтяных и газовых месторождений, глубокое структурное бурение позволили решить задачу газовой зональности подземных вод. В верхних горизонтах подземных вод было установлено преобладание газов воздушного происхождения (кислород, азот, углекислый газ), с глубиной растет роль газов биохимического, метаморфогенного и другого происхождения. Для нефтегазоносных провинций это азот, метан, тяжелые углеводороды, а для районов, где нефтегазоносность отсутствует, главным образом азот. Газовые зоны характеризуют величиной газонасыщенности генетических и возрастных коэффициентов.

Температурная зональность. Температурная зональность подземных вод проявляется в трех видах: широтном (или площадном), высотном и глубинном. С глубиной роль современных и древних климатических эпох ослабевает и соответственно усиливается роль и влияние эндогенных тепловых потоков. Поэтому в подземной гидросфере, наряду с зонами многолетней мерзлоты и отрицательных температур вод, могут быть встречены зоны холодных (0-20⁰С), теплых (20-36⁰С), горячих (36-100⁰С) и перегретых (более 100⁰С) вод. Наиболее горячие воды с температурой несколько сотен градусов Цельсия вскрыты в современных вулканических областях, рифтовых зонах, даже на дне океанов, зонах спрединга.

Микробиологическая зональность. Л.Е. Крамаренко выделил две зоны: аэробную и анаэробную. Первая характеризует окислительную обстановку, а вторая восстановительную. В каждой из этих зон встречаются определенные сообщества микроорганизмов.

Изотопная зональность. Можно рассматривать ее как по изотопному составу растворителя, так и растворенного вещества. Для растворителя изучается соотношение дейтерия и протия (D/Н), а для кислорода соотношение изотопов ¹⁸О/¹⁶О. Сравнивается также изотопное соотношение кислорода и водорода в изучаемой и стандартной воде, которое характеризует среднее содержание указанных изотопов в океанической воде. По этим данным устанавливают зоны относительно «легких» и «тяжелых» вод, а также генезис воды, поскольку для вод разного генезиса: атмосферного, морского, вулканогенного, метаморфогенного и др. – эти соотношения разные.

1. Эволюционный закон фиксирует непрерывность и необратимость развития подземной гидросферы. Оно происходило на фоне тесного взаимодействия с другими оболочками Земли и особенно с литосферой. Проявления фаз складчатости, движение литосферных плит, плюмная тектоника, изменение гидрологических и атмосферных условий приводили к росту гетерогенности подземной гидросферы.

2. Структурно-пространственный закон связан с влиянием глобальных факторов: действием радиационных сил Земли, изменением во времени положения оси и скорости вращения планеты, перестройкой гравитационного и теплового полей. Все это определило широтную поясность и долготную секториальность размещения гидрогеологических структур.

3. Пространственно-временной закон отражает цикличность круговорота воды, вещества и энергии в подземной гидросфере, обусловленную пульсационными ритмичными поступлениями этих природных агентов в результате внутриземных процессов. Продолжительность циклов интенсивности, направленность воздействия этих процессов изменяется в широком диапазоне, а последствия их влияния сказываются на всех сторонах жизни подземной гидросферы. Особенно глубокие потрясения в ее режиме происходят от таких природных циклов, как тектонические, климатические (например, гумидные, аридные, ледовые, седиментационные, особенно соле- и нефтенакопление), вулканические, биологические. Глубина, продолжительность и форма воздействия природных циклов на подземные воды не всегда поддаются расшифровке из-за отсутствия или скудности палеоинформации, невысокой надежности расчетных методов, наложения одних циклов на другие. В последнее время природные процессы нередко затушевываются антропогенными.

4. Физический закон позволяет описать динамичную гидрогеологическую среду, в которой компоненты подземной гидросферы: вода, вещество и энергия – непрерывно перемещаются. Эта среда активно взаимодействует с другими оболочками Земли. Движение воды объясняется работой гравитационных и компрессионных сил, которые формируют инфильтрационный и литогенный, криогенный и магматогенный режимы подземных вод. Расчетная база для оценки способности пород принимать, пропускать, отдавать воду, вещество, энергию, тепло имеет достаточно надежное программное и аналитическое обеспечение.

5. Химический закон выявляет связь между многообразными последствиями химических преобразований в подземной гидросфере (рассеяние, разбавление, концентрирование вещества) и формированием в гидрогеологических системах разнообразных химических типов подземных вод: от ультрапресных до крепких рассолов. Непрерывное нарушение физико-химического равновесия в системе вода – порода - газ – живые организмы под воздействием различных природных процессов носит обычно направленный характер, что приводит к образованию биохимической зональности. Выявление этих закономерностей позволяет целенаправленно вести поиски и разведку месторождений пресных, минеральных вод, руды и нефти.

6. Экологический (биологический) закон является следствием того простого факта, что без гидросферы не могла возникнуть и биосфера. Живые организмы как весьма активный агент природы постоянно расширяют сферу своей деятельности в подземной гидросфере. Наиболее активным участником этих процессов являются микроорганизмы, они могут как помогать самоочищению водоносных систем, так и энергично способствовать их загрязнению. Более миллиарда людей на нашей планете страдают от плохого качества питьевых вод, а более 2 млн детей, по данным ООН, ежегодно погибает по этой причине.