Типи та класи підземних вод. Принципи виділення гідрогеологічних ємностей та структур

• Поняття класифікації. Класифікація підземних вод І.К. Зайцева. Області розповсюдження різних класів підземних вод. Фактори, що обумовлюють відмінності між класами та генетичний зв‘язок різних класів підземних вод.
• Сингенетична та епігенетична пустотність. Чотири основних типи водопроникності порід.
• Геологічні тіла. Типізація геологічних тіл за проникністю.
• Гідрогеологічні ємності.
• Типізація басейнів підземних вод.

В РГГ широко використовуються класифікації підземних вод за різними ознаками : геологічними, фізичними, хімічними, генетичними та ін. Класифікацію можна вважати прийнятною та обґрунтованою, якщо вона проведена за однаковою мірою співставлення або подібності різних гідрогеологічних об’єктів, що дозволяє достовірно аналізувати гідрогеологічну обстановку, типізувати різні показники, зберігати межі схематизації при переході від одного масштабу досліджень до іншого.

Класифікація за характером накопичення підземних вод розроблена Зайцевим І.К. в 1961 р. і пізніше уточнена ним же та Толстіхіним і Кірюхіним (1971). За цією класифікацією виділяється три типи вод : пластові, тріщинно-жильні та лавові.

Закономірності розподілу різних типів і класів підземних вод у геологічному розрізівизначаються процесами діагенезу, мета- і катагенезу, тобто літифікації та делітифікації, що несуть певні зміни властивостей та складу піщаних, глинистих, торф’яно-вугленосних та карбонатних відкладів.

Пластові води поділяються на п’ять класів, виділення яких обумовлене процесами літифікації осадових порід і поступовою заміною з глибиною порової пустотності на тріщинну. Тобто закономірності змін щільності, скважності, текстури і складу осадочних порід, встановлені для різних геолого-структурних умовможуть бути використані для визначення границьрозповсюдження різних типів і класів підземних вод. Так перетворення пісків у пісковики призводить до переходу порових вод у порово- тріщинні та тріщинні пластові. Таке перетворення відбувається під впливом затвердіння і перекристалізації кремнегелю, гідроокислів заліза, карбонатів кальцію та інших сполук, а також при заглибленні пісків у нижню частину земної кори та при тектонічних рухах. На платформах піски зустрічаються серед найдревніших відкладів, між тим як в геосинклінальних областях навіть третинні піски часто перетворені у піщаники. Переходу в піщаники сприяє дегідратація і взаємодія між різними компонентами піщаних відкладів.

Пластові порові води П₁ приурочені до незцементованих піщаних та інших відкладів. Глибина їх залягання коливається від декількох метрів до 3 км (п-ів Апшерон). Практично повсюдно розповсюджені вони в четвертинних відкладах, алювіальних, льодовикових, еолових, озерних, морських. Широкий розвиток ці води отримали в платформених областях, де вони зустрічаються в різних стратиграфічних горизонтах – від кайнозою до верхнього протерозою (гдовський горизонт Руської платформи).

Такі води звичайно, мають найбільші ресурси.

Пластові тріщинно-порові води П₂ відрізняються достатньо обмеженим розповсюдженням в піщаних та інших осадових породах, що знаходяться на перших етапах формування в них тріщинуватої текстури. Зменшення з глибиною розмірів пор і каналів, що їх з’єднують, яке відбувається в результаті ущільнення порід, утруднює рух вод і погіршує фільтраційні властивості відкладів. Разом з тим перебудова структури і текстури порід може іноді призводити до збільшення їх, пористості.

Перехід від класу П₂ до класу П₃звичайно немає чітко виражених меж. Пластові порово-тріщині води широко розповсюджені в платформених областях і звичайно, приурочені до середньої частини розрізу осадового чохла.

Тріщинні води представлені у багатьох класах скупчень підземних вод. Геометрія пустот у тріщинуватих породах має складний характер. Різниця в розмірах тріщин призводить до виникнення подвійної пустотності – крупні відкриті тріщини служать шляхами руху води, а дрібні, слабо розкриті – ємностями вод.

За результатами надглибокого буріння (Тюменська свердловина) виявлено, що в теригенних породах первинні порові колектори повністю зникають до глибини 4,5-5,2 км. Нижче цього інтервалу суттєво зростає роль складно побудованих колекторів тріщинного і порово-тріщинного типу. Виявлено високоємнісні проникні горизонти в товщі базальтів на глибинах більш ніж 6,5 км. Породи-колектори мають складну структуру пустотності, створеної різноманітним сполученням пор, тріщин і каверн. Окремі каверни досягають 20-22 мм. Відкрита пористість досягає 20% (Хахаев Б.Н., Горбачев В.И., Карасева Т.В., 1996).

Із збільшенням глибини і геостатичного тиску відбуваються поступове закриття тріщин і зменшення тріщинної пустотності. Інтенсивність закриття горизонтальних і похилих тріщин значно більша, ніж вертикальних. Це утворює більш сприятливі умови для руху підземних вод по вертикальним каналам, хоча для водообміну всередині водоносного горизонту важливіші горизонтальні тріщини.

Пластові тріщинні води П₄ розповсюджені в осадових породах з шаруватою текстурою, регіональною літогенетичною і тектонічною тріщинуватістю. Води цього класу займають значну частину розрізу платформених областей (особливо Сибірської і Руської платформ) і широко представлені у верхніх поверхах складчастих структур. Свердловини працюють з дебітами 0,1-1 л/с при пониженнях до 10 м. Водоносність порід з глибиною затухає, і води з класу скупчень П₄ можуть перейти у клас Т₇.

Як показало вивчення глибоких свердловин (до 10 км), з глибиною характер пустотності в породах змінюється дуже складно – порова пустотність переходить у тріщинну, яка в деяких інтервалах знову може змінюватися поровою, але на великих глибинах переважає тріщинна пустотність, яка називається “вторинною” (епігенетичною) і пов’язана з утворенням при метаморфізмі мінералів більш щільної упаковки.

Води класу П₅ - тріщинно-карстові, - розповсюджені в слабо дислокованих пологозалягаючих породах – карбонатних і теригенно-карбонатних, що іноді містять лінзи і пласти гіпсу, ангідриту, кам’яної солі та інших галогенних і сульфатних утворень. Скупчення цих вод займають значні площі на Східноєвропейській і Сибірській платформах, де вони приурочені до палеозойських відкладів. Води цього класу виявлені у багатьох міжгірських западинах, а також на вододілах і схилах Кримської, Кавказької та інших гірсько-складчастих областей.

Скельні породи малопористі (звичайно до 1-3%), водопроникні лише по тріщинах. Крім первинних тріщин (тріщини відокремленостей та тектонічні) виділяють тріщини вивітрювання, гравітаційні і так звані тріщини розвантаження. При розмиві долини річкою в породах виникають нові тріщини, а ті що вже є дещо розширюються, оскільки гравітаційні та тектонічні напруги віджимають гірські породи в сторону вільного простору. Зони розвантаження в сторону річкових долин досягають 15-50 м (Лисенко М.П., 1980). Поверхневий шар порід, в якому знаходять подібні тріщини, називається зоною розвантаження.

Тип тріщинно-жильних вод.

В зоні вивітрювання метаморфічних та інтрузивних порід,де поширені регіонально-тріщинні води кір вивітрювання (Т₆), на частку первинної літогенетичної тріщинуватості припадає 35-50% загальної пустотності (залишок припадає на долю тріщинуватості вивітрювання) існує генетичний та гідравлічний зв’язок між водами класів Т₆ і Т₇. Крім того, зона вивітрювання часто накладається на тектонічні розломи, що обумовлює зв’язок між водами класів Т₆ і Т₉. Потужність зони вивітрювання коливається від кількох до 200 м, рідше й більше. Водонасиченість зони вивітрювання багато в чому залежить від типу порід. Ряд порід за ступенем водонасичення в порядку зменшення : карбонатні – кайнотипові ефузивні (базальти) - інтрузивні – теригенні – метаморфічні. Найбільш стійкі до вивітрювання кварц та мусковіт, в значно меншій мірі – біотит. В скельних породах виділяють монолітну, глибову, дрібноуламкову і тонкоподрібнену зони вивітрювання (Коломенський, 1952).

Формування хімічного складу підземних вод верхньої гідродинамічної зони, тобто атмосферного походження, відбувається під впливом процесів, які протікають у зоні вивітрювання гірських порід, дія яких розповсюджується на глибину в декілька сотень метрів. Найважливіше значення мають процеси, які супроводжують формування кори вивітрювання гірських порід. Ці процеси підпорядковуються гіпергенезу – поверхневим змінам порід і мінералів в корі вивітрювання (за О.Є. Ферсманом). В результаті гіпергенезу мінерали і гірські породи, що утворились в умовах, відмінних від зони гіпергенезу, руйнуються і переходять у вторинні стійкі в умовах біосфери сполуки, мінерали або утворення.

Процес формування кори вивітрювання починається з порушення цілісності масиву гірських порід і виникнення в ньому тріщин. Причини, що обумовлюють цей процес, за характером свого прояву в магматичних і метаморфічних породах можуть бути виділені у дві групи:

1) призводить до виникнення первинної тріщинуватості;

2) вторинна – під дією екзогенних процесів, із яких найбільш ефективна дія термічного морозного вивітрювання, водної та вітрової ерозії.

До першої групи відносяться тріщини, що виникають під впливом різного роду напружень в гірських породах унаслідок:

а) дії на гірські породи направленого знизу вверх тиску магматичного розплаву або його складових;

б) силового впливу на гірські породи різнонаправленних тектонічних напруг;

в) літогенетичної відокремленості в осадочних гірських породах;

г) контракційної відокремленості магматичних гірських порід.

Гірські породи ефузивного ряду і древні метаморфізовані породи шаруватої текстури утворюють при вивітрюванні уламки значно менших розмірів (ніж інтрузивні породи), що нерідко зберігають риси плитчастої або стовпчастої відокремленостей.

Перша стадія вивітрювання обмежується фізичними процесами і тому крупноуламкові продукти зберігають структурні особливості.

Склад підземних вод суттєво не змінюється оскільки в системі гірська порода – підземна вода в цих умовах у розчин переходять лише елементи, що знаходяться на поверхні кристалів гірських порід і мають некомпенсовані валентні зв'язки.

На другій стадії – хімічне вивітрювання, під час якого в зоні, населеній мікроорганізмами відбувається руйнування первинних мінералів і синтез вторинних новоутворень.

Формування пухкої дрібноуламкової кори вивітрювання супроводжується :

- незворотними змінами в складі гірських порід кори вивітрювання внаслідок винесення одних елементів і накопичення інших;

- утворенням кислих і ґрунтових розчинів плівкових та гравітаційних вод у верхніх горизонтах кори вивітрювання і в первинних ґрунтах.

Значно впливає на водонасичення рельєф. Середній дебіт свердловин в долині може бути в 1,5 рази вищим ніж на рівнинному плато, в 2 рази більшим, ніж на схилах, в 4 рази більшим ніж на привершинних ділянках пагорбів. В гірських областях ця різниця ще більша.

Регіонально-тріщинні води зон тектонічної і літогенетичної тріщинуватостіТ₇ генетично пов'язані з водами класу П₄,але розвинені в породах з масивною текстурою.

Карстово-жильні води (Т₈)залягають у карбонатних і теригенно-карбонатних перекристалізованих і сильно дислокованих породах, які іноді вміщують шари сульфатних і в рідких випадках галогенних утворень. Води класу Т₈ розповсюджені в областях, які зазнали складкоутворення, і характерні для Криму, Кавказу, Тянь-Шаню, Саян та інших гірських систем. Водонасиченість порід, що містять води класів П₅ і Т₈ звичайно дуже значна, особливо в зонах інтенсивного розвитку карста. Q свердл. = 100…700 л/с.

Клас локально-тріщинних вод зон тектонічних порушень Т₉поділяється І.К. Зайцевим на три підкласи: 1) води тектонічних розломів; 2) води інтрузивних контактів; 3) води жильних утворень. Води цього класудуже поширені у гірсько-складчастих областях.

Гідрогеологічні особливості розломів у значному ступені обумовлені морфологією, структурно-літологічними умовами, віком і ступенем розкриття цих зон. Зони порушень, які поновлювалися у кайнозої, мають максимальну відкритість, значні розміри й глибину. До них приурочені лінії термомінеральних джерел, спостерігаються потужні виходи підземних вод і значна водонасиченість порід. Зони розломів, які утворилися і поновлювалися в докайнозойські часи, втратили більшу частину з перерахованих вище ознак: тріщини у цих зонах заповнюються вторинними продуктами, закриваються і їх проникність у тому або іншому ступені зменшується.

Найбільша водонасиченість розривних тектонічних порушень незалежно від їх класу і розмірів, як правило, фіксується на глибинах до 500 м. Водонасиченість тектонічних зон визначається літологією та властивостями водовміщуючих порід. У південно-східній частині Уралу найбільшою водоносністю відрізняються серпентинити, пісковики, сланці і вапняки (водопровідність порід досягає 100 м²/добу). Підвищену водонасиченість мають розломи, що розсікають гнейси, гранітоїди, крупнозернисті пісковики і вапняки.

На ділянках тектонічних порушень притоки води у свердловини і дебіти джерел в 5 – 10 разів вище, ніж у зонах вивітрювання.

Інші відділи класу Т₉складають води інтрузивних контактів і жильних утворень, також широко розповсюджені у складчастих областях. Потужність водонасичених зон тут обмежується декількома метрами, а їх довжина вимірюється кілометрами. Ці зони складаються з ділянок пережимів з низькою проникністю і ділянок із підвищеною і відкритою тріщинуватістю. Їх водонасичення трохи вище, ніж у зонах вивітрювання, але поступається зонам тектонічних порушень.

Специфіка формуваннялавових вод Л_10-12пов’язана з особливостями утворення ефузивних тіл. У верхній частині ефузивного тіла формуються контракційні тріщини, на ділянках перегину ложа підстилаючих порід – тріщини розтріскування, а при виливі ефузивів, багатих леткими компонентами, – комірки і пори. Останнє явище звичайно спостерігається на ділянках шлакових конусів і кратерних воронок. З верхньою частиною ефузивних товщ пов’язане утворення своєрідних вод, які не мають аналогів в осадових, метаморфічних і інтрузивних породах і за положенням у лавовій товщі отримали назву верхньолавових Л₁₀.

Під зоною розвитку верхньолавових вод в ефузивній товщі, складеній лавовими тілами багатократних вивержень і перешарованими з ними осодово-туфогеними відкладами, поширені міжлавові Л₁₁ і внутрішньолавові Л₁₂ води. Внутрішньолавові води приурочені до ефузивних тіл. Характер водоносності цих тіл неоднорідний; в середній їх частині спостерігаються тектонічна і літогенетична тріщинуватості і слабка водопроникність, а у верхній і нижній частинах їх розрізу проникність помітно збільшується внаслідок розвитку контракційної тріщинуватості і тріщин древнього вивітрювання. Слід відмітити, що при накладенні на лавові тіла більш молодих відкладів (лав, туфів, осадових порід) верхньолавові води Л₁₀ перетворюються на внутрішньолавові Л₁₁.

Міжлавові водизнаходять у туфогених і осадових відкладах, які залягають між лавовими тілами. Туфогенно-осадові утворення мають складний, переважно пластовий характер розподілення тріщин і пор і, звичайно більш високу водонасиченість, ніж лавові тіла.

На сам кінець зупинимося на генетичному зв’язку розглянутих класів підземних вод. Вивчення історії різних гідрогеологічних структур вказує, що в процесі їх розвитку в результаті літіфікації порід змінюється розподілення порожнин і тріщин у породах і відповідно характер скупчень підземних вод. Іншими словами, відбувається перехід підземних вод з одного класу в інший. Це можливо представити у вигляді наступних рядів: П₁→ П₂ → П₃ → П₄ → Т₇. Карстові води утворюють допоміжний ряд П₅ → Т₈. Ці ряди пов’язані між собою генетичними переходами: П₂ → П₅; П₃ → П₅; П₄ → П₅; Т₇ → Т₈; Л₁₀ → Л₁₁. Води регіонально-тріщинних зон тектонічних порушень, звичайно являються накладеними, вторинними по відношенню до інших класів підземних вод (П₂, П₃, П₄, П₅, Т₇, Т₈, Л₁₀, Л₁₁ Л₁₂) і розвиваються на їх фоні.

В межах самостійних гідрогеологічних структур повинна зберігатись єдність гідрогеологічних умов, яка проявляється в однорідності форм водовміщуючих порожнин, єдності морфології тіл скупчення підземних вод, або у закономірній зміні ємнісних і фільтраційних властивостей порід. Остання обумовлюється однотипними літогенними, ендогенними та екзогенними процесами. Регіонально обводнена гідрогеологічна ємність є басейном підземних вод. Відображенням, тобто проекцією на поверхні землі басейнів різного рангу можна вважати гідрогеологічні провінції, області, підокруга, райони і т.ін.

Гірські породи мають різні водоємнісні властивості, причому відмінності спостерігаються як у вертикальному розрізі, так і в регіональному плані, узгоджуючись із структурно-геологічною будовою земної кори. Під водоємнісними або ємнісними властивостями порід розуміють їх здатність вміщувати, приймати і віддавати вільні підземні води. Природні ємнісні властивості порід забезпечуються пористістю і тріщинуватістю, що в сумі визначає їх шпаруватість, або сукупність об’ємів усіх пустот син- і епігенетичного походження. Сингенетичними пустотами є власне пори – міжзернові пустоти в осадових породах і каверни – пустоти, що утворюються при застиганні лави, насиченої газовими компонентами.

Епігенетичні або вторинні пустоти – це тріщини різного генезису: мікротріщини, що утворюються в процесі літогенезу осадових порід, макротріщини ендогенного й екзогенного походження та мікротріщини застигання ефузивних порід; вторинними є також пустоти різного розміру і форми, пов’язані з розчиненням карбонатних і галогенних осадових порід (карстові порожнини, канали, печери, каверни, тріщини).

Таким чином, водопроникність порід обумовлена генезисом, складом порід і ступенем їх екзогенних та ендогенних перетворень. Залежно від характеру пустот виділяється чотири основних типи водопроникності: поровий, карстовий, каверновий і тріщинний.

Фільтраційні властивості порід визначаються швидкістю фільтрації підземних вод і є основною гідродинамічною характеристикою геологічних тіл, які складають гідрогеологічні структури. Геологічне тіло виділяється безвідносно до того містить воно підземні води чи ні, а гідрогеологічна ємність представляє собою геологічне тіло, що має водопроникність достатню для накопичення запасів підземних вод.

Гідрогеологічні ємності можуть складатися як власне з пластових, так і блокових тіл. При цьому блоки можуть бути складені слабо-, середньо- та сильнолітифікованими породами, що позначається на величині їх водопроникності. Гідрогеологічну ємність представляють собою кори екзогенного руйнування та покриви молодих ефузивів (табл. 2.1). Таким чином, гідрогеологічні ємності можуть складати різні геологічні тіла, які відрізняються одне від одного генезисом, морфологією, типами і величиною водопроникності. За поєднанням цих ознак виділяють сім типів гідрогеологічних ємностей.

Регіонально обводнена гідрогеологічна структура з переважанням того чи іншого типу водовміщуючих геологічних тіл або гідрогеологічних ємностей, оконтурена по підземному вододілу, являє собою басейн підземних вод. Таким чином, типи гідрогеологічних ємностей є основою типізації басейнів підземних вод (табл. 2.1).

Таблиця 2.1. – Типізація басейнів підземних вод за характером гідрогеологічних ємностей.

Типи басейнів підземних вод	Типи гідрогеологічних ємностей (типи та класи вод за накопиченням)
Басейн пластових вод (артезіанський басейн або водонапірний басейн)	Пластова (порові, тріщинно-порові, тріщинні, тріщинно-карстові класи пластових вод)
Басейн блоково-пластових вод (верхній поверх адартезіанського басейну або нижня частина артезіанського басейну)	Блоково-пластова (порово-тріщинні, тріщинні, тріщинно-карстові пластові води і локально-тріщинні та карстово-жильні води)
Басейн пластово-блокових вод (адартезіанський басейн або гідрогеологічні адмасиви та інтермасиви)	Пластово-блокова (тріщинні води пластового та тріщинно-жильного типів)
Басейн корово-блокових вод (гідрогеологічні масиви щитів, кряжів)	Блокова, жильна і корова (переважно регіонально-тріщинні води зони вивітрювання та локально-тріщинні води)
Басейн жильно-блокових вод (гідрогеологічні масиви складчастих областей, фундаментів платформ)	Жильна і блокова (класи тріщинно-жильних вод крім вод зони вивітрювання)
Басейн покровопотокових вод (вулканогенний басейн)	Покровопотокова (лавові і тріщинно-жильні)

Проникність гірських порід слід розглядати як складну функцію, яка залежить від таких чинників, як генезис порід, еволюція осадових порід у різних стадіях прогресивного літогенезу, регіональна метаморфізація порід у процесі складчастості й орогенезу, локальна метаморфізація при проявах вулканізму та тектонічних порушеннях, наступна дезінтеграція порід у зоні гіпергенезу й зонах розломів.

Первинні ємнісні властивості порід залежать від їх генезису. Проникність залежить від геометрії пористого або тріщинного середовища.

Уявлення про пористість порід осадового генезису, яка змінюється в досить широкому діапазоні від одиниць до 50 – 70 %, диктується процесами їх природної постгенетичної еволюції. У вертикальному розрізі синклінальних гідрогеологічних структур, складених нормальними осадовими породами, як правило, спостерігається закономірне зменшення водопроникності зверху вниз. Проте прямий хід еволюційного зменшення водопроникності може порушуватись і давати інверсію: у деяких випадках у басейнах платформ на глибинах більше 2 000 м при проходженні породою середнього й пізнього етапів катагенезу може через різні причини відбутися формування вторинної пористості.

Таким чином, основою для виявлення та пояснення регіональних закономірностей поширення і формування підземних вод, різних видів гідрогеологічних ємностей, структур і басейнів підземних вод є теорія еволюції осадових порід (для вод осадового чохла) та сучасні теорії геотектоніки з комплексом мобілістських концепцій, а також результати буріння надглибоких свердловин (для глибинних вод фундаменту).

Завдання для самостійної роботи:

1) Вивчити типізацію гідрогеологічних ємностей та гідрогеологічних басейнів.

2) Ознайомитись із впливом діагенетичних та катагенетичних процесів на розвиток тріщинуватості порід.

Питання для відповіді:

1. Наведіть повну класифікацію підземних вод за накопиченням (за І.К. Зайцевим). 2. Охарактеризуйте клас пластових порових вод (П1). 3. Охарактеризуйте клас тріщинно-карстових вод (П5). 4. Чим характеризуються пластові тріщинні води, чим вони відрізняються від тріщинно-жильних вод регіональної тектонічної та літогенетичної тріщинуватості? 5. Охарактеризуйте класи тріщинно-жильних вод (за класифікацією І.К. Зайцева). 6. Що таке подвійна пустотність (тріщинуватість)? 7. Наведіть особливості тріщинно-жильних вод кір вивітрювання.

8. Охарактеризуйте карстово-жильні води (Т8)

9. Охарактеризуйте клас локально-тріщинних вод зон тектонічних порушень (Т₉) і його 3 відділи.

10. Охарактеризуйте класи лавових вод. 11. Що таке гідрогеологічна ємність і чим вона відрізняється від геологічного тіла?

12. Чим обумовлена водопроникність порід? Назвіть чотири основних типи водопроникності порід.

13. Що представляють собою сингенетичні та епігенетичні пустоти в породах 14. Охарактеризуйте міжлавові та верхньолавові води

15. Що таке прості та складні водоносні горизонти ?