Гидрогеохимическая зональность.

Зональность в природе- это определенная закономерность в пространственной дифференциации природных явлений. Изучение зональность в природе имеет полуторавековую историю. Немецкий естествоиспытатель Александр Гумбольдт в первой половине XIX в. Установил климатическую зональность обусловленную воздействием солнечной радиации и приводящую к закономерному распределению растительного и животного мира Земли. Его назвали Аристотелем XIX века. Путешествовал по многим странам , посетил гг. Пермь, Екатеринбург.

В конце XIX в. Русский ученый-почвовед В.В Докучаев сформулировал закон естественно- ? зональности. Этот закон явился основой для открытия явления зональности в распространение всех природных составляющих, в том числе и природных вод (атмосферных, поверхностных, подземных). Для подземных вод установлена гидродинамическая, гидротермическая, гидрогеохимическая зональность. Большой вклад в изучение зональности химического состава подземных вод внесли российские ученые П.В. Отоцкий, В.С. Ильин, В.И. Вернадский, О.К. Ланге, Б.Л. Личков, Н.И. Толстихин, И.К. Зайцев, Г.К. Максимович и др. Максимович.Г.К разработал учение о гидрохимических фациях, выделил гидрохимические зоны.ю является автором монографии «Химическая география вод суши» (1956г).

Гидрохимическая зональность наиболее изучена на примере грунтовых вод, а также глубоких вод платформ, краевых прогибов, межгорных впадин (глубокое бурение на нефть). В пределах горноскладчатых областей гидрогеохимическая зональность изучена меньше.

Зональность состава подземных вод платформ, краевых прогибов, межгорных впадин.

Гидрогеохимическая зональность включает:

1. Зональность общего химического состава подземных вод.

2. Зональность газового состава подземных вод.

3. Зональность органических веществ подземных вод.

4. Зональность микрофлоры подземных вод.

Зональность общего химического состава подземных вод.

Установлена горизонтальная и вертикальная гидрогеохимическая зональность. Горизонтальная(широтная, географическая) зональнасть впервые рассмотрена в работах П.В. Отоцкого (1914г), В.С. Ильина(1925г). Она свойственна самой верхней части разреза гидрогеохимических структур в пределах зоны активного водообмена. Подробно изучена горизонтальная зональность грунтовых вод. Эти воды испытывают интенсивное воздействие физико-географических факторов. Изменение их химического состава связано с особенностями, прежде всего, климата и рельефа выделяются следующие широтные зоны грунтовых вод:

1 зона избыточного увлажнения (гумидная) в которой количество атмосферных осадков превышает испарение.

2 зона умеренного увлажнения, в которых количество атмосферных осадков близко к величине испарения.

3 зона недостаточного увлажнения, в которой количество атмосферных осадков меньше величины испарения.(аридный климат)

Долготная зональность менее изучена. Она менее четко проявляется, но несомненно существует, т.к. климат изменяется в долготном направлении .

В пределах платформы наиболее существенно на ряду гидрогеохимических показателей отличается грунтовые воды в гумидных и аридных областей. В гумидной зоне (зона избыточного увлажнения) это ультрапресные и пресные воды с минерализацией не >0,5 г/дм³ . Это HCO₃ –SiO₂ или HCO₃ –Ca вода. Иногда формируются и аномальные по химическому составу воды. Например, на Кольском полуострове в зонах окисления сульфидных руд развиты ультрапресные сульфатные грунтовые воды. По Г.Н.Каменскому грунтовые воды гумидной зоны- это воды выщелачивания.

В пределах зоны умеренного увлажнения минерализация грунтовых вод до 0,5-1 г/дм³ , химический состав- HCO₃ –Ca, SO₄- HCO₃ .

В аридной зоне грунтовые воды характеризуются разнообразным химическим составом, но преобладают Сульфатные , Хлоридные. Минерализация вод- от менее 1 г/дм³ до нескольких г/дм³. По Г.Н.Каменскому это грунтовые воды континентального засоления.

В общем случае с уменьшением влажности климата и ухудшением условий дренированности (т.е. по направлению с севера на юг) увеличивается минерализация воды и HCO₃ воды сменяются SO₄, а SO₄- хлоридными.

Вертикальная зональность.

Впервые факт изменения химического состава подземных вод с глубиной выявил один из организаторов изучения гидрогеологии России С.Н. Никитин (первый старший геолог в Геолкоме). В 1900г. он обратил внимание на увеличение минерализации с глубиной на территории Московского артезианского бассейна. С 30-ых годов XXвека В.И.Вернадский развивал идею о вертикальной гидрогеохимической зональности подземных вод. Он отмечал, что общая закономерность изменение химического состава подземных вод заключается в росте минерализации подземных вод с глубиной от пресных к соленым , от соленых-к рассолам. Состав вод изменяяется от HCO₃ к SO₄ и затем к хлоридному.

До начало 50-х годов ХХ века большинство ученых считало, что гидродинамические и гидрогеохимические зоны строго совпадают. Но обширный гидрогеологический материал показал, что далеко не всегда имеет место совпадение этих зон (т.е. не всегда зона активного водообмена- это пресные, зона затрудненного водообмена- соленые, а зона весьма затрудненного водообмна-рассолы). Неправомерность отождествления этих зон обмена доказана Н.И. Толстихиным понятия «гидрогеохимическая зона и гидрогеохимический пояс».

Гидрогеохимическая зона- часть гидрогеологической структуры, в которой минерализация подземных вод, принятая за основу выделения зон , изменяется в определенных пределах. В соответствии с этим определением И.К.Зайцевым выделены следующие зоны и подзоны подземных вод:

Зона А- воды пресные с минерализацией до 1 г/дм³ . Среди них выделяются подзоны весьма пресные- минерализация <0,5-1,0 г/дм³ , нормально пресные- минерализация до 0,5 г/дм³ , жесткие пресные- минерализация 0,5-1,0 г/дм³ .

Зона Б- воды солоноватые и соленые с минерализацией 1-м 35 г/дм³ , пестрые по химическому составу. Среди них выделяются подзоны: солоноватые- минерализация 1-3 г/дм³ , слабосоленые- 3-10 г/дм³ , сильносоленые 10-35 г/дм³ .

Зона В- рассолы с минерализацией >3,5 г/дм³ , главным образом Cl- Na составы .

Различные сочетания гидрогеохимических зон в разрезе, прослеживаются по площади данной гидрогеологической структуры позволяют выделить в ее пределах гидрогеохимические пояса.

Гидрогеохимический пояс- это часть гидрогеологической структуры, для которой характерно развитие от поверхности земли и до фундамента (на платформах) или от поверхности и до эрозионного вреда наиболее глубоких рек( в пределах горно-складчатых областей) одного и того же типа гидрогеохимического разреза.

Гидрогеохимические разрезы могут быть одного -, двух-, трехзональными.

Зоны могут сменяться по вертикали разреза в нормальной последовательности (А→Б→В). Такой разрез называется нормальным. В том числе, когда нарушается порядок чередования зон (Б→А)- разрез называется инверсионным, а зональность- обратной. При переменной зональности нет строго определенного изменения минерализации с глубиной. Также разрезы и зональность называется переменными.

Прямая гидрогеохимическая зональность отмечена для многих артезианских бассейнов Восточно-Европейской платформы. Классическим примером района с обратной гидрогеохимической зональностью является Южно-Каспийский артезианский бассейн. Так, на А-ом полуострове минерализация воды на глубине 500м составляет 92 г/дм³ , а на глубине 2200м- 17 г/дм³ . При этом химический состав воды изменяется от Cl-Na до Сl-HCO₃-Na. Во многих случаях обратная гидрогеохимическая зональность (гидрогеохимическая инверсия) связана с крупными разрывными нарушениями. Они являются хорошими проводниками пресных вод от областей питания в глубоким водоносные горизонты.

Переменная вертикальная зональность химического состава подземных вод. Характерна для Ангаро-Ленского, Ферганского, Каракумского и др. артезианских бассейнов. В Ферганском бассейне минерализация вод сначало растет с глубиной от 1 до 270 г/дм³ , а далее- уменьшается до 60 г/дм³ , затем – снова возрастает. Во многих районах наблюдается еще более сложное изменение минерализации, химического состава подземных вод. Часто в разных частях одного и того же бассейна- разные типы гидрогеохимической зональности. Например, в северной части прикаспийского артезианского бассейна отмечена прямая гидрогеохимическая зональность, а в центральной и южной частях- переменная.

Каковы же общие закономерности в распространении того или иного типа гидрогеохимической зональности? Н.А. Маринов по результатам обобщения гидрогеохимических материалов по территории Азиатского материка получил следующие выводы:

1. Наиболее распространенными является тип прямой гидрогеохимической зональности, при котором минерализация воды увеличивается с глубиной. Этот тип зональности характерен для бассейнов , имеющих подземный сток в сторону морей и океанов смывающих Азиатский материк.

2. Обратная вертикальная зональность менее распространена по сравнению с прямой. Она характерна, в основном, для бассейнов внутри материкового стока, а также для бассейнов со стоком в сторону океанов, но располагающихся в аридных районах материка.

3. Бассейны с переменной зональностью также располагаются, в основном, в областях внутриматерикового стока и в бассейнах со стоком в сторону океанов. Они обычно имеют в разрезе соленосные и гипсоносные отложения.

Однозональные гидрогеохимические пояса характерны для краевых частей артезианских бассейнов и для горноскладчатых областей; двухзональные гидрогеохимические пояса характерны для внутренних, а трехзональные - для центральных частей артезианских бассейнов.

Вопрос о причинах образования нормальных гидрогеохимических разрезов являются дискуссионным. Существует 4 группы гипотез: диффузионно-осмодтическая, подземного концентрирования, дифференциации ионов и гравитационная. Наиболее популярный является гравитационная гипотеза. Сущность ее заключается в предоставлении о том, что высокоминерализованные воды располагаются в нижней части разреза, а пресные- наверху, вследствие воздействия гравитационного поля Земли. Происходит перемещение по вертикали разреза растворов разного удельного веса, а легче оказывается выше. Но с помощью гравитационной гипотезы нельзя объяснить аномалию в гидрогеохимическом разрезе Ангаро- Ленского артезианского бассейна, в котором под рассолами с минерализацией до 600 г/дм³ залегают рассолы с минерализацией 300 г/дм³. Таким образом, на современном уровне значит проблема формирования нормальных гидрогеохимических разрезов требует проведения дальнейших исследований.

Причины возникновения инверсионной(обратной) гидрогеохимической зональности объясняются по-разному в каждом конкретном случае. Рассмотрим гидрогеохимический разрез на периферии межгорного артезианского бассейна. Из-за особенностей геологического строения участка бассейна, область питания ниже залегающего бассейна, область питания ниже залегающего водоносного горизонта находится выше по сравнению с областью питания верхнего водоносного горизонта.

Подземные воды нижнего водоносного горизонта более динамичны, так как у них выше величина напорного градиента. Промытость пород этого водоносного горизонта выше, вследствие чего в нем формируются воды с меньшей минерализацией, чем в выше залегающем водоносном пласте.

В целом, в каждом конкретном случае для объяснения причин сформировавшегося гидрогеохимического разреза требуется анализ многих факторов.

Зональность газового состава подземных вод платформенных областей

В.И. Вернадский утверждал, что "в земной коре нет воды, не заключающей газов определенного состава". Количество растворенных газов в подземной воде на глубине от 1 до 4 км составляет до 500 см³/дм³, а в некоторых районах Западной Сибири обнаружены воды с содержанием газов до 1500 см³/дм³, тогда как в океанической воде в среднем содержится газов 20 см³/дм³. Источники газов в подземной воде: атмосфера, земная кора, мантия. Причины формирования газовой зональности: биохимические процессы, радиоактивный распад, различные химические реакции, происходящие в различных оболочках Земли.

Для газов характерна вертикальная зональность, связанная, в основном, с их генезисом в различных геолого-геохимических условиях.

В платформенных областях А.В. Щербаковым (1958) выделены следующие газовые зоны:

1. Кислородно-азотная. Состав газов: O₂ – до 14 мг/дм³ (30%); N₂ до 30 мг/дм³ (70%);

2. Азотная. Состав газов: N₂ (95-99%); He, Ar – доли %.

3. Сульфидно-углекисло-метаново-азотная. Состав газов: N₂ до 80%; CO₂ – 10-20%; CH₄ – 15-25%; H₂S – 2-5%.

4. Метаново-азотная. Состав газов: N₂ ≈ CH₄; H₂ – до 25%.

5. Метановая. Состав газов: CH₄ – до 85-95%.

6. Углекисло-метановая. Состав газов: CH₄ – до 95%; CO₂ – до 65%.

7. Сульфидно-углекисло-метановая. Состав газов: CH₄ – до 90%; CO₂, H₂S – до 10%.

Наиболее хорошо изучено зональное распределение газов в нефтегазоносных бассейнах. Зональность газового состава в зависимости от условий геологического развития бассейна может быть усложнена или нарушена.

Газовый состав подземных вод – один из основных компонентов минеральных вод, в связи с чем типы минеральных вод выделены по газовому составу: сероводородные, азотные, углекислые, метановые. Данные о газовом составе подземных вод используются в качестве нефтепоисковых признаков (содержание углеводородных газов).

Зональность органических веществ подземных вод

Подземные воды содержат растворенные органические вещества (РОВ), среди которых преобладают вещества гумусового и нефтяного рядов. В подземных водах происходит микробиологическое разложение растительных и животных остатков, которые растворяются в воде. Значит часть органического вещества трансформируется в новые соединения, например, в гумусовые вещества. Реки и озера влажного климата содержат до 100 мг/дм³ растворенных органических веществ гумусового типа. В них (реках и озерах) содержание РОВ может составлять до 70% от всех растворенных веществ. В седиментогенных водах развиты РОВ преимущественно нефтяного ряда: различные углеводороды, фенол, бензол и др.

Зональность органических веществ подземных вод

Активное изучение водорастворенных органических веществ в подземной воде связано, главным образом, с поисками нефти и их геохимической ролью в процессах нефтегазообразования и водной миграции компонентов нефти. Крупные исследования в этом направлении выполнены М.Е. Альтовским, Е.А. Барс, А.А. Карцевым, Я.М. Ходжакулиевым и др. Выявлено большое значение водорастворенных органических веществ в формировании химического состава подземных вод, миграции и концентрации в них химических элементов, определена их бальнеологическая роль (минеральная лечебная вода «Нафтуся» – район Карпат). В настоящее время невозможно решение вопросов охраны подземных вод от загрязнения без знания содержания и состава органических соединений в воде. Среди веществ, для которых СанПиНом _______ утверждены ПДК, более 90% – органические соединения. Среди них такие, как четыреххлористый углеводород (ПДК 2 мкг/дм³); бромоформ (ПДК 100 мкг/дм³); хлороформ (ПДК 200 мкг/дм³); бензол (ПДК 10 мкг/дм³); бензпирен (ПДК 0,005 мкг/дм³). Органические вещества присутствуют в почвах (1-10%), в горных породах (0,01-1%), в подземной воде (0,0001-0,1%).

Источники поступления органических веществ в подземные воды: атмосферные осадки, почвы, поверхностные воды суши, илы и иловые воды, горные породы, поровые растворы, скопления органического вещества в виде залежей нефти, торфа, угля.

Качественный состав органических веществ изучен недостаточно. Количественная характеристика органического вещества в подземной воде выражается величиной C_орг. Количественное содержание органического вещества в подземной воде зависит от многих природных факторов и условий: от содержания его в почвах, горных породах, от минерализации, температуры воды, гидродинамических условий. Для грунтовых вод большое значение имеют физико-географические условия, в частности, состав почв. Для грунтовых вод установлена горизонтальная зональность органических веществ. В областях гумидного климата содержание органического вещества в грунтовых водах выше, чем в областях аридного климата. Причина более высокого содержания РОВ (растворенное органическое вещество) – наличие гумусовых кислот в почвах в условиях гумидного климата. В грунтовых водах гумидных областей содержание C_орг – 35 мг/дм³, а в грунтовых вод аридных областей – 25 мг/дм³.

Выявлена и вертикальная зональность РОВ в подземной воде. С глубиной содержание РОВ увеличивается. Так, если в грунтовых водах общее количество C_орг равно 30 мг/дм³, то в глубоких напорных водах оно достигает 50 мг/дм³; в водах непродуктивных горизонтов нефтяных месторождений – 60 мг/дм³; в приконтурных водах нефтяных месторождений – до 370 мг/дм³; в приконтурных водах газоконденсатных месторождений – до 800 мг/дм³. Органические вещества в подземной воде – поисковый признак на нефтегазовые месторождения.

Зональность микрофлоры подземных вод

Один из главных факторов преобразования «живого вещества» в подземных водах является микрофлора. Это мельчайшие организмы, насчитывающие около 150 тысяч разнообразных видов. В подземной воде изучены, главным образом, бактериальные микроорганизмы, имеющие размер от десятых долей до нескольких микрометров. В процессе своей жизнедеятельности бактерии выполняют огромную геологическую работу. Питательные вещества для бактерий: органические вещества, вода, минеральные вещества. В 1962 г. выделено самостоятельное научное направление микробиологии – геологическая микробиология. Отдельные виды бактерий (в частности десульфатизирующие) используются в качестве нефтепоискового признака. Возникло новое направление геологической микробиологии – нефтегазопромысловая микробиология.

Бактерии на 75-85% по весу состоят из воды; остальная часть – белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты, органические соединения (сахар, витамины и др.). По отношению к кислороду различают аэробные и анаэробные бактерии. Аэробные развиваются только при наличии свободного O₂, характерны для верхних водоносных горизонтов; анаэробные могут существовать без наличия свободного O₂; характерны для нижних водоносных горизонтов. В соответствии с видом бактерий в артезианских бассейнах выделены три зоны: зона развития аэробных бактерий; зона переходная; зона развития анаэробных бактерий.

Количественное содержание и состав микрофлоры подземных вод наиболее изучены для подземных вод нефтяных месторождений, месторождений угля, серы. Исследования здесь проводят в связи с поисковым значением микрофлоры и ее геологической ролью в образовании и разрушении месторождений полезных ископаемых.

Количество микрофлоры в 1 мл воды колеблется от десятков, сотен тысяч клеток, достигая при особо благоприятных условиях нескольких миллионов клеток в 1 мл воды. Верхний температурный предел существования бактерий 90-98°С, нижний – -5-10°С. В 1979 г. американские исследователи на дне Тихого океана в местах выхода гидротерм открыли новый вид бактерий (хемосинтетики), живущих при температуре +300°С. Таким образом температурный диапазон существования бактерий расширился. Минерализация также важный фактор существования бактерий. Менее благоприятна для развития бактерий высокая (до 300 г/дм³) минерализация воды. Большинство бактерий лучше развиваются при pH = 6-7,5. Состав микрофлоры в подземных водах разнообразен. Геохимическая роль многих групп бактерий особенно велика в миграции C, N, J, Fe. Углеводородокисляющие бактерии, сульфатредуцирующие бактерии, используются в качестве поискового признака на нефть. В России впервые разработан микробиологический метод поисков залежей нефти и газа.

В общем случае число бактерий в воде с ростом минерализации и температуры уменьшается, меняется и их состав. Это относится прежде всего к артезианским бассейнам с прямой гидрогеохимической зональностью. В бассейнах с обратной гидрогеохимической зональностью количество бактерий может увеличиваться до определенной глубины. В последние годы открыты бактерии в физически связанной воде глинистых отложений.

Таким образом, химический состав подземных вод артезианских структур платформ, предгорных прогибов, межгорных впадин зонален. Изучение зональности химического состава подземных вод имеет большое теоретическое и практическое значение, так как с разными зонами связаны подземные воды, имеющие разное хозяйственное значение. Кроме того, разные гидрогеохимические зоны характеризуются неодинаковыми условиями формирования и разрушения месторождений полезных ископаемых.

Необходимо дальнейшее изучение зональности химического состава подземных вод артезианских структур.