Гидрохимическая вертикальная зональность (метаморфизм) подземных вод

с глубиной происходит рост минерализации воды и с увеличением расстояния от области питания в Московском артезианском бассейне. Г/х вертикальная зональность подземных вод проявляется по разрезу земной коры и выражается в закономерном изменении гидродинамических и г/х параметров. Общая закономерность изменения химического состава пластовых вод заключается в быстром росте минерализации воды с глубиной – от пресных к соленым, а затем - к рассолам. Одновременно гидрокарбонатные воды сменяются сульфатными, сульфатные – хлоридными. Эта схема соответствует изменению общей минерализации и состава преобладающих ионов при фильтрации изначально маломинерализованных вод в толщу горных пород, когда при концентрировании растворов (в данном случае, связанное с уменьшением количества растворителя) происходит изменение их состава. Под г/х зоной принято понимать часть бассейна ПВ (или водоносного пласта), относительно однородную по химическому составу вод, в пределах которой принятый за основу выделения зон г/х показатель (или сумма показателей) изменяется в сравнительно узких, условно устанавливаемых границах. В соответствие с этим определением И.К. Зайцев (1986 г.) в вертикальном разрезе земной коры выделил следующие зоны ПВ по величине минерализации и химическому составу. Зона А – пресные воды, с М<1 г/л, HCO3-Ca-Mg (активного водообмена)Зона Б – соленых вод с М от 1 до 35 г/л, Cl-SO4-HCO3-Na-Ca-Mg (затрудненного водообмена) Зона В – рассолов с М>35 г/л, Cl-Na-Ca (весьма затрудненного) г/х зональность определяется преимущественно г/д параметрами.=> М.Е. Альтовский: минерализация воды по вертикали обратно пропорциональна скорости движения воды в водоносных слоях. Закономерное изменение химического состава подземных вод при их перемещении из зоны свободного водообмена в зону затрудненного водообмена и далее – в зону застоя, называется метаморфизмом подземных вод.

А. ЗОНА АКТИВНОГО ВОДООБМЕНА (ЗОНА ПРЕСНЫХ ВОД) М<1 Г/Л

Нижняя граница зоны активного водообмена примерно соответствует местному базису эрозии (уровню вреза современной гидрографической сети) и имеет мощность, в зависимости от геологической обстановки от 50 м (Восточно-Европейская платформа) до 300-500 м (Восточно-Сибирская платформа). Распространены пресные с М<1 г/л, HCO3-Ca-Mg воды. Могут быть HCO3-Na воды в зоне развития угленосных толщ (Восточная Сибирь). Могут отмечаться г/х аномалии, в местах проникновения соленых вод через гидогеологические «окна» (древние долины) и по тектоническим нарушениям. Воды верхней зоны имеют в основном инфильтрационное происхождение. Минеральный состав формируется за счет взаимодействия с породами (растворение). Характерны: а) разнообразие состава вод; б) тесная связь с литологией вмещающих пород; в) элементы климатической зональности. -Выщелачивание обогащенных полевыми шпатами кристаллических и песчаных пород обычно дает щелочные гидрокарбонатные воды, с преобладанием в составе катионов Ca и Mg.

-Выщелачивание глинистых и карбонатных толщ приводит к образованию HCO3-Ca вод, но обогащенных SO4, в связи с примесью гипса (в карбонатах) или окислением пирита (в глинах).

-В породах, богатых органикой, формируются HCO3-Na воды.

-Растворенные газы в основном воздушного происхождения: N2, CO2, O2, Ar, с примесью биогенного СО2.

Обстановка окислительная, т.к. в растворенных газах присутствует О2;рН=7-8;Eh>0 +400, +500 мВ (Eh<0 локально, в заболоченных местах). Нижняя граница зоны проводится по кровле первого регионального водоупора, не вскрытого современной эрозией.

Б. ЗОНА ЗАТРУДНЕННОГО ВОДООБМЕНА (ЗОНА СОЛЕНЫХ ВОД) М=1-35 Г/Л

Зона погружена до периферийных морей. В зависимости от района, мощность зоны изменяется от 1-2 км (Восточно-Европейская платформа) до 4 км (Восточно-Сибирская платформа). Характеризуется развитием соленых вод сложного состава. При наличие в разрезе гипсоносных или пиритизированных пород преобладают SO4-Са воды, такие же воды с М=3-10 г/л развиты в карбонатных породах с пропластками Са SO4. В галогенно-карбонатных породах формируются хлоридно-натриевые воды с М=10-35 г/л. Воды средне зоны имеют инфильтрационное и седиментационное происхождение. По химическому составу инфильтрационные воды могут быть сульфатными, гидрокарбонатно-натриевыми или хлоридно-магниевыми, в зависимости от состава вмещающих пород. Отжимаемые седиментогенные воды по химическому составу приблизительно соответствуют составу морских вод бассейна седиментации. Начинает сказываться наличие «возрожденных» вод, которые теоретически вообще не минерализованы. Так в Прибалтийском и Среднерусском бассейнах под сульфатными кальциевыми водами залегают менее минерализованные, а иногда и пресные воды. В этой зоне важную роль играют процессы восстановления сульфатов, поэтому количество сульфатных вод сокращается к низам зона. Процессы катионного обмена преобладают над выщелачиванием, что объясняется медленной скоростью движения подземных вод. Встречаются хлоридные, гидрокарбонатные и сульфатные воды (поэтому эту зону еще называют зоной «пестрых» вод), из катионов обычно преобладает Na. В составе растворенных газов присутствуют:N₂+CH₄+CO₂+H₂S. –отсутствует О₂. Наличие сероводорода отражает протекающие процессы сульфаторедукции. Метан и его гомологи появляются в результате термодеструкции ОВ.

Обстановка восстановительная. рН=8-9; Eh =+100, +200, иногда <0.;Абсолютные отметки нижней границы зоны изменяются от -1000 м (Восточно-Европейская платформа) до -4000 м (Восточно-Сибирская платформа) В. ЗОНА ВЕСЬМА ЗАТРУДНЕННОГО ВОДООБМЕНА (ЗОНА РАССОЛОВ) М>35 Г/Л

Расположена на гл. > 1-2 км от дневной поверхности. В этой зоне распространены рассолы хлоридно-натриевого состава, в наиболее глубоких частях бассейнов переходящие в Cl-Na-Ca и Cl-Ca-Na воды с М>300 г/л. Воды имеют седиментогенное и эндогенное происхождение. Затухают процессы сульфатредукции (нет микроорганизмов). Состав вод исключительно хлоридный. Из катионов преобладает Na, иногда Са. Выщелачивание пород не происходит, вследствие практически полной неподвижности вод. Возможны только процессы диффузии и катионного обмена. Состав газов: N2+CH4+CO2. Появляются глубинные Н2 и Не. Содержание H2S резко снижается, иногда до нуля. Для этой зоны характерно однообразие вод и практически полная независимость их состава от литологии вмещающих пород, т.е. рассолы могут встречаться в таких «чуждых» для соленых вод породах, как грубообломочные мелководные отложения, кристаллические породы и проч. рН<6, возможно 4-5, вследствие гидролиза CaCl2; Eh<0, до -600, -800 мВ Обстановка резко восстановительная Такой тип зональности носит название нормальной г/х зональности, при которой минерализация воды закономерно повышается сверху вниз и соответственно изменяется её химический состав, в сторону накопления все более растворимых хлоридных солей. Отмечаются некоторые особенности проявления зональности, связанные с конкретными геологическими условиями: а) Воды максимальной минерализации отмечаются в тех осадочных бассейнах, в которых в разрезе осадочных пород присутствуют пласты солей. При этом важную роль играет положение соленосных отложений в разрезе: при их нахождении в верхних частях разреза почти весь разрез носит отпечаток их влияния (например, Волго-Уральский бассейн); если соленосные пласты залегают в низах разреза бассейна, то их влияние на г/х минимально (примером может служить Западно-Сибирский бассейн). в) При прочих равных условиях, чем древнее породы внутренних областей бассейнов, тем выше минерализация формирующихся в них вод и сложнее их г/х разрез. Вертикальная г/х зональность наблюдается в бассейнах, сложенных породами любого возраста, состава и генезиса; находящихся во всех климатических поясах: в зонах умеренного, избыточного и недостаточного увлажнения, в области криолитозоны. Таким образом, вертикальная г/х зональность имеет широкое региональное распространение и является одним из основных гидрогеологических законов. Имеются отклонения от этой зависимости, связанные с конкретными геологическими разрезами: а) влияние испарительного концентрирования в верхних частях разреза; б) лучшая гидродинамика нижних слоев, по сравнению с вышележащими, связанная с К фильтрации или градиентом напора. Это приводит к накоплению более минерализованных вод в верхах разреза, по сравнению с нижележащими. Но ниже этих «аномальных» слоев зональность восстанавливается.